JP4400682B2 - 電源切り換え装置 - Google Patents

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Description

本発明は、ACアダプタやバッテリ(2次電池)などの外部電源の使用を切り換えるための電源切り換え装置に関するものである。
この種の電源切り換え装置としては、図8に示すように、ACアダプタ1とバッテリ2の使用を切り換えものが知られている(例えば、特許文献1参照)。
この電源切り換え装置は、ACアダプタ(直流電源)1から給電線3を介して負荷4に電力を供給する場合には、MOSトランジスタM1がオフ、MOSトランジスタM2がオンとなる。このため、MOSトランジスタM1の寄生ダイオードD1が逆方向となり、給電線3からバッテリ2への無制限な充電は防止される。
一方、停電、ACアダプタ1の故障などにより、ACアダプタ1から給電線3を介して負荷4に電力を供給することができない場合には、MOSトランジスタM2がオン状態であるので、MOSトランジスタM2、寄生ダイオードD1、および給電線3を介してバッテリ2から負荷4に電力を供給し、瞬断を防止するようにしている。
その後、MOSトランジスタM1をオンにして、寄生ダイオードD1の発熱を抑えるようにしている。
特開平9−9523号公報
ところが、従来の電源切り換え装置では、ACアダプタまたはバッテリの出力電圧が選択され、その選択された出力電圧がそのまま出力されてしまうので、その安定化が図れないという不具合がある。
また、ACアダプタとバッテリからの各出力電圧の値は異なるのが一般的であるので、負荷に供給される電圧が異なってしまうという不具合がある。
さらに、最近では、外部電源としてUSB(Universal Serial Bus) の電源が使用されるようになっており、そのUSB電源の出力電圧を選択することについて考慮する必要がある。
そこで、本発明の目的は、上記の点に鑑み、複数の外部電源のうちの1つを選択して使用する場合に、その選択された外部電源の出力の安定化が図れる上に、その各出力の均一化を図ることが可能で、切替え時に外部電源間の逆流電流を防止する電源切り換え装置を提供することにある。
上記の課題を解決して本発明の目的を達成するために、各発明は、以下のように構成した。
すなわち、第1の発明は、異なる種類の複数の外部電源に対応して設けられ、前記複数の外部電源の出力の1つを選択的に共通の出力端子に出力する複数の電源切り換え回路を備えた電源切り換え装置であって、前記複数の電源切り換え回路の各々は、自己の出力の安定化を図るために第1トランジスタを含むシリーズレギュレータと、前記第1トランジスタと直列に接続される第2トランジスタと、前記第1トランジスタの動作を切り換える切り換えスイッチと、を備え、前記第1トランジスタは入力端子側に配置されるとともに、前記第2トランジスタは前記出力端子側に配置され、前記第1トランジスタは自己に並列に第1寄生ダイオードを含み、前記第1寄生ダイオードは前記第1トランジスタが非導通状態のときに前記入力端子に印加される電圧が前記出力端子に選択された電圧より高い電圧値の場合に、前記入力端子から前記出力端子に向けて流れる電流を阻止するようになっており、前記第2トランジスタは自己に並列に第2寄生ダイオードを含み、前記第2寄生ダイオードは前記第2トランジスタが非導通状態のときに前記入力端子に印加される電圧が前記出力端子に選択された電圧より低い電圧値の場合に、前記出力端子から前記入力端子に向けて流れる電流を阻止するようになっており、さらに、前記複数の電源切り換え回路の前記切り換えスイッチの切り換えを制御する第1制御信号と、前記複数の電源切り換え回路の前記第2トランジスタをオンまたはオフさせる第2制御信号とを生成する制御回路を備え、前記制御回路は、前記複数の各電源切り換え回路が、現在使用中の電源切り換え回路から新たな電源切り換え回路に使用を切り換える場合には、まず、使用中の電源切り換え回路の前記第2トランジスタを前記第2制御信号でオフにさせたのちに、新たな電源切り換え回路の前記切り換えスイッチを前記第1制御信号で切り換えて、前記第1トランジスタのオン抵抗の制御を開始させて前記両電源切り換え回路の両シリーズレギュレータを使用状態にさせ、次に、使用中の電源切り換え回路の前記切り換えスイッチを前記第1制御信号で切り換えて、前記第1トランジスタのオン抵抗の制御を停止させたのちに、新たな電源切り換え回路の前記第2トランジスタを前記第2制御信号でオンにさせるようにしたことを特徴とする。
第2の発明は、第1の発明において、前記第1トランジスタのソース端子側は前記入力端子に接続され、前記第2トランジスタのソース端子側は前記出力端子に接続され、前記第1および第2トランジスタのドレイン端子側は共通接続され、前記第1寄生ダイオードは、カソードが前記入力端子に接続されるとともにアノードが前記共通接続に係る部分に接続され、前記第2寄生ダイオードは、カソードが前記出力端子に接続されるとともにアノードが前記共通接続に係る部分に接続されている。
の発明は、第1または第2の発明において、前記シリーズレギュレータは、前記出力端子の出力電圧を検出する電圧検出部と、前記電圧検出部の検出電圧と所定の基準電圧とを比較してその誤差を検出し、前記検出誤差に応じた電圧を出力する誤差増幅器とを備え、前記第1トランジスタは、前記誤差増幅器の出力または所定のオフ電圧に応じて選択的に動作するようになっている。
の発明は、第1〜第のうちのいずれかの発明において、前記複数の外部電源は、ACアダプタ、バッテリ、およびUSBの電源であり、それぞれ出力電圧が異なる。
このような構成からなる本発明によれば、複数の外部電源のうちの1つを選択して使用できるが、この場合に、その選択された外部電源の出力の安定化が図れる上に、その各出力の均一化(一定化)を図ることが可能となる。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
本発明の電源切り換え装置の実施形態の構成について、図1を参照して説明する。
この実施形態に係る電源切り換え装置は、図1に示すように、電源切り換え回路11〜13と、制御回路14とを備え、この電源切り換え回路11〜13が、外部電源であるACアダプタ31、USB電源32、およびバッテリ33の各出力のうちの1つを選択的に取り出すようになっている。
ここで、ACアダプタ31は、商用交流電源から直流電源を得るものである。また、USB電源32は、USB(Universal Serial Bus) ケーブルに含まれる電源ラインに供給される直流電源をいう。さらに、バッテリ33は、充電可能な2次電池をいう。
電源切り換え回路11は、ACアダプタ31の出力電圧を選択して取り出す回路であり、入力端子15と、共通の出力端子16と、ACアダプタ31の出力電圧を入力電圧とし自己の出力電圧の安定化を図るレギュレータ(シリーズレギュレータ)17と、切替え時にACアダプタ31と外部電源間の逆流電流を防止するP型のMOSトランジスタM11と、を備えている。
レギュレータ17は、図1に示すように、電圧検出部171と、基準電源172と、誤差増幅器173と、切り換えスイッチ174と、P型のMOSトランジスタM12と、を
備えている。
電圧検出部171は、出力端子16の電圧を検出するものであり、出力端子16とアースとの間に抵抗R1,R2が直列接続され、その共通接続部の電圧を検出電圧として取り出すようにしている。
誤差増幅器173は、電圧検出部171の検出電圧を基準電源172の基準電圧と比較してその誤差を検出し、その検出誤差に応じた電圧を出力するようになっている。
切り換えスイッチ174は、MOSトランジスタM12をオフにするゲートオフ電圧V1と、誤差増幅器173の出力電圧とを選択し、その選択した電圧をMOSトランジスタM12のゲートに供給するためのスイッチである。
MOSトランジスタM12は、切り換えスイッチ174の接点が図示の位置にあってゲートにゲートオフ電圧V1が供給される場合にはオフとなり、切り換えスイッチ174の接点が図示の位置とは反対側に切り換わってゲートに誤差増幅器173の出力電圧が供給される場合には、その出力電圧に応じて導通抵抗が連続的(アナログ的)に変化するようになっている。また、MOSトランジスタM12は、図示のように寄生ダイオードD12を有している。
MOSトランジスタM11は、図示のように逆流防止用の寄生ダイオードD11を有している。そして、MOSトランジスタM11とMOSトランジスタM12とは、入力端子15と共通の出力端子16との間に、直列に接続されている。
電源切り換え回路12は、USB電源32の出力電圧を選択して取り出す回路であり、入力端子18と、共通の出力端子16と、USB電源32の出力電圧を入力電圧とし自己の出力電圧の安定化を図るレギュレータ19と、切替え時にUSB 電源32と外部電源間の逆流電流を防止するP型のMOSトランジスタM21と、を備えている。
レギュレータ19は、図1に示すように、電圧検出部191と、基準電源192と、誤差増幅器193と、切り換えスイッチ194と、P型のMOSトランジスタM22と、を備えている。
電圧検出部191は、出力端子16の電圧を検出するものであり、出力端子16とアースとの間に抵抗R3,R4が直列接続され、その共通接続部の電圧を検出電圧として取り出すようにしている。
誤差増幅器193は、電圧検出部191の検出電圧を基準電源192の基準電圧と比較してその誤差を検出し、その検出誤差に応じた電圧を出力するようになっている。
切り換えスイッチ194は、MOSトランジスタM22をオフにするゲートオフ電圧V1と、誤差増幅器193の出力電圧とを選択し、その選択した電圧をMOSトランジスタM22のゲートに供給するためのスイッチである。
MOSトランジスタM22は、切り換えスイッチ194の接点が図示の位置にあってゲートにゲートオフ電圧V1が供給される場合にはオフとなり、切り換えスイッチ194の接点が図示の位置とは反対側に切り換わってゲートに誤差増幅器193の出力電圧が供給される場合には、その出力電圧に応じて導通抵抗が連続的に変化するようになっている。また、MOSトランジスタM22は、図示のように寄生ダイオードD22を有するようになっている。
MOSトランジスタM21は、図示のように逆流防止用の寄生ダイオードD21を有している。そして、MOSトランジスタM21とMOSトランジスタM22とは、入力端子18と共通の出力端子16との間に、直列に接続されている。
電源切り換え回路13は、バッテリ33の出力電圧を選択して取り出す回路であり、入力端子20と、共通の出力端子16と、バッテリ33の出力電圧を入力電圧とし自己の出力電圧の安定化を図るレギュレータ21と、切替え時にバッテリ33と外部電源間の逆流電流を防止するP型のMOSトランジスタM31と、を備えている。
レギュレータ21は、図1に示すように、電圧検出部211と、基準電源212と、誤差増幅器213と、切り換えスイッチ214と、P型のMOSトランジスタM32と、を備えている。
電圧検出部211は、出力端子16の電圧を検出するものであり、出力端子16とアースとの間に抵抗R5,R6が直列接続され、その共通接続部の電圧を検出電圧として取り出すようにしている。
誤差増幅器213は、電圧検出部211の検出電圧を基準電源212の基準電圧と比較してその誤差を検出し、その検出誤差に応じた電圧を出力するようになっている。
切り換えスイッチ214は、MOSトランジスタM32をオフにするゲートオフ電圧V1と、誤差増幅器213の出力電圧とを選択し、その選択した電圧をMOSトランジスタM32のゲートに供給するためのスイッチである。
MOSトランジスタM32は、切り換えスイッチ214の接点が図示の位置にあってゲートにゲートオフ電圧V1が供給される場合にはオフとなり、切り換えスイッチ214の接点が図示の位置とは反対側に切り換わってゲートに誤差増幅器213の出力電圧が供給される場合には、その出力電圧に応じて導通抵抗が連続的に変化するようになっている。また、MOSトランジスタM32は、図示のように寄生ダイオードD32を有するようになっている。
MOSトランジスタM31は、図示のように逆流防止用の寄生ダイオードD31を有している。そして、MOSトランジスタM31とMOSトランジスタM32とは、入力端子20と共通の出力端子16との間に、直列に接続されている。
制御回路14は、MOSトランジスタM11,M21,M31をオンオフ制御するオンオフ制御信号S1〜S3、および切り換えスイッチ174,194,214の切り換えを制御する切り換え制御信号S4〜S6をそれぞれ生成する回路である。この制御回路14で生成されたオンオフ制御信号S1〜S3は、MOSトランジスタM11,M21,M31の各ゲートに供給されるとともに、切り換え制御信号S4〜S6は切り換えスイッチ174,194,214の切り換えに使用されるようになっている。
次に、このような構成からなる実施形態の外部電源の切り換え動作の一例について、図1〜図7を参照して説明する。ここで、図3〜図7は、図2の期間T1〜T5の各動作を説明する等価回路である。
この例では、ACアダプタ31の使用中に、ACアダプタ31からUSB電源32に使用を切り換える場合の動作について説明する。なお、外部電源の切り換え動作は、その他の場合であってもこの例の場合と基本的に同様である。
図2に示すように時刻t1〜時刻t2の期間T1では、ACアダプタ31が使用中であるので、電源切り換え回路11によりACアダプタ31の出力電圧が出力端子16に取り出される。
すなわち、期間T1では、図2(A)(B)に示すように、電源切り換え回路11のレギュレータ17が動作状態(オン状態)になり、かつMOSトランジスタM11がオンになる。また、このときには、他の電源切り換え回路12、13のレギュレータ19、21はいずれも使用されずにオフになり、かつMOSトランジスタM21,M31はいずれもオフになる(図2(C)〜(F)参照)。
この期間T1の動作中の等価回路は、図3に示すようになる。すなわち、期間T1では、図1に示す切り換えスイッチ174の切り換え接点が図示とは反対の位置となってレギュレータ17が動作するとともに、MOSトランジスタM11がオンになってオン抵抗Ronとして機能する。この結果、レギュレータ17は、ACアダプタ31の出力電圧を入力電圧とし自己の出力電圧の安定化を図ることができ、その安定化された電圧が出力端子16から取り出される。
また、この期間T1には、図1に示す切り換えスイッチ194、214の切り換え接点が、図示の位置になってレギュレータ19、21がいずれも使用されない状態になり、かつMOSトランジスタM21,M31がいずれもオフになる。このため、他の電源切り換え回路12、13のMOSトランジスタM21,M22,M31,M32がオフとなり、これらが有する寄生ダイオードD21,D22,D31,D32が、図3に示すように機能することになる。
すなわち、寄生ダイオードD21はACアダプタ31の電力がUSB電源32側に供給されるのを防止し、寄生ダイオードD22はUSB電源32の電力が出力端子16に供給されるのを防止する。同じように、寄生ダイオードD31はACアダプタ31の電力がバッテリ33側に供給されるのを防止し、寄生ダイオードD32はバッテリ33の電力が出力端子16に供給されるのを防止する。
次に、時刻t2になると、制御回路14からのオンオフ制御信号S1によりMOSトランジスタM11がオンからオフになるが(図2(B)参照)、このときには、図4に示すように、MOSトランジスタM11に代えて寄生ダイオードD11がダイオードとして順方向動作をするようになる。このため、レギュレータ17は、その動作を継続でき、ダイオードの順方向電圧分を補正して出力端子16に得られる出力電圧の安定化を図ることができる。
その後、時刻t3になると、制御回路14からの切り換え制御信号S5により、切り換えスイッチ194の接点が図示の位置とは反対側に切り換わる。このとき、MOSトランジスタM21はオフの状態にあるが(図2(D)参照)、図5に示すように、MOSトランジスタM21に代えて寄生ダイオードD21がダイオードとして順方向動作ができるので、レギュレータ19は動作を開始する。このときには、レギュレータ17はその動作を継続している(図2(A)参照)。
すなわち、時刻t3〜t4の期間T3では、図5に示すように、電源切り換え回路11のレギュレータ17と電源切り換え回路12のレギュレータ19とが並列動作を行うので、レギュレータ17、19の両出力電圧のうち高い方の電圧が、出力電圧として出力端子16から取り出される。
次に、時刻t4になると、制御回路14からの切り換え制御信号S4により、切り換えスイッチ174の接点が図示とは反対側の位置から図示の位置に切り換わるので、レギュレータ17はその動作を停止する。このときの動作を示す等価回路は、図6に示すようになる。
このときには、MOSトランジスタM11,M12はいずれもオフの状態になり、これらが有する寄生ダイオードD11,D12が、図6に示すように逆方向素子として機能することになる。
すなわち、寄生ダイオードD11はUSB電源32の電力がACアダプタ31側に供給されるのを防止し、寄生ダイオードD12はACアダプタ31の電力が出力端子16に供給されるのを防止するように機能する。
その後、時刻t5になると、制御回路14からのオンオフ制御信号S2によりMOSトランジスタM21がオフからオンになる(図2(D)参照)。このときの動作を示す等価回路は、図7に示すようになる。
図7に示すように、時刻t5では、MOSトランジスタM21はオン状態となってオン抵抗Ronとして機能する。この結果、電源切り換え回路12のレギュレータ19は、USB電源32の出力電圧を入力電圧とし自己の出力電圧の安定化を図ることができ、その安定化された電圧を出力端子16から取り出すことができる。
従って、時刻t5では、図7に示すように、外部電源の使用がACアダプタ31からUSB電源32に完全に切り換わったことになる。
以上説明したように、この実施形態によれば、例えばACアダプタをUSB電源に切り換えて使用するように、ACアダプタ31、USB電源32、バッテリ33などの複数の外部電源を切り換えて使用する場合に、その各外部電源の出力の安定化を図ることができる。
また、この実施形態において、電源切り換え回路11〜13のレギュレータ17、19、21の各出力電圧が均一になるように構成(設計)すれば、複数の外部電源を切り換えて使用する場合に、その切り換えの前後において各外部電源の出力の均一化(一定化)を図ることができ、かつ外部電源間の逆流電流を防止できる。
なお、上記の実施形態では、電源切り換え回路11に寄生ダイオードD11を有するMOSトランジスタM11を使用するようにした。これは、レギュレータ17の使用時にMOSトランジスタM11をオンにし、レギュレータ17に入力されるACアダプタ31の出力の損失をできるだけ少なくするためである。しかし、電源切り換え回路11の出力損失を無視できるような場合には、MOSトランジスタM11をダイオードに置き換えるようにしても良い。
本発明の実施形態の構成を示す回路図である。 この実施形態の動作を説明するための説明図である。 この実施形態の動作中における図2の期間T1の等価回路である。 この実施形態の動作中における図2の期間T2の等価回路である。 この実施形態の動作中における図2の期間T3の等価回路である。 この実施形態の動作中における図2の期間T4の等価回路である。 この実施形態の動作中における図2の期間T5の等価回路である。 従来装置の一例を示す回路図である。
符号の説明
11〜13・・・電源切り換え回路、14・・・制御回路、15、18、20・・・入力端子、16・・・共通の出力端子、17、19、21・・・レギュレータ、M11,M12,M21,M22,M31,M32・・・MOSトランジスタ、D11,D12,D21,D22,D31,D32・・・寄生ダイオード、171、191、211・・・電圧検出部、173、193、213・・・誤差増幅器、174、194、214・・・切り換えスイッチ。

Claims (4)

  1. 異なる種類の複数の外部電源に対応して設けられ、前記複数の外部電源の出力の1つを選択的に共通の出力端子に出力する複数の電源切り換え回路を備えた電源切り換え装置であって、
    前記複数の電源切り換え回路の各々は、
    自己の出力の安定化を図るために第1トランジスタを含むシリーズレギュレータと、
    前記第1トランジスタと直列に接続される第2トランジスタと、
    前記第1トランジスタの動作を切り換える切り換えスイッチと、を備え、
    前記第1トランジスタは入力端子側に配置されるとともに、前記第2トランジスタは前記出力端子側に配置され、
    前記第1トランジスタは自己に並列に第1寄生ダイオードを含み、前記第1寄生ダイオードは前記第1トランジスタが非導通状態のときに前記入力端子に印加される電圧が前記出力端子に選択された電圧より高い電圧値の場合に、前記入力端子から前記出力端子に向けて流れる電流を阻止するようになっており、
    前記第2トランジスタは自己に並列に第2寄生ダイオードを含み、前記第2寄生ダイオードは前記第2トランジスタが非導通状態のときに前記入力端子に印加される電圧が前記出力端子に選択された電圧より低い電圧値の場合に、前記出力端子から前記入力端子に向けて流れる電流を阻止するようになっており、
    さらに、前記複数の電源切り換え回路の前記切り換えスイッチの切り換えを制御する第1制御信号と、前記複数の電源切り換え回路の前記第2トランジスタをオンまたはオフさせる第2制御信号とを生成する制御回路を備え、
    前記制御回路は、
    前記複数の各電源切り換え回路が、現在使用中の電源切り換え回路から新たな電源切り換え回路に使用を切り換える場合には、
    まず、使用中の電源切り換え回路の前記第2トランジスタを前記第2制御信号でオフにさせたのちに、新たな電源切り換え回路の前記切り換えスイッチを前記第1制御信号で切り換えて、前記第1トランジスタのオン抵抗の制御を開始させて前記両電源切り換え回路の両シリーズレギュレータを使用状態にさせ、
    次に、使用中の電源切り換え回路の前記切り換えスイッチを前記第1制御信号で切り換えて、前記第1トランジスタのオン抵抗の制御を停止させたのちに、新たな電源切り換え回路の前記第2トランジスタを前記第2制御信号でオンにさせるようにしたことを特徴とする電源切り換え装置。
  2. 前記第1トランジスタのソース端子側は前記入力端子に接続され、前記第2トランジスタのソース端子側は前記出力端子に接続され、前記第1および第2トランジスタのドレイン端子側は共通接続され、
    前記第1寄生ダイオードは、カソードが前記入力端子に接続されるとともにアノードが前記共通接続に係る部分に接続され、
    前記第2寄生ダイオードは、カソードが前記出力端子に接続されるとともにアノードが前記共通接続に係る部分に接続されていることを特徴とする請求項1に記載の電源切り換え装置。
  3. 前記シリーズレギュレータは、
    前記出力端子の出力電圧を検出する電圧検出部と、
    前記電圧検出部の検出電圧と所定の基準電圧とを比較してその誤差を検出し、前記検出誤差に応じた電圧を出力する誤差増幅器とを備え、
    前記第1トランジスタは、前記誤差増幅器の出力または所定のオフ電圧に応じて選択的に動作するようになっていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の電源切り換え装置。
  4. 前記複数の外部電源は、ACアダプタ、バッテリ、およびUSBの電源であり、それぞれ出力電圧が異なることを特徴とする請求項1から請求項3のうちのいずれかに記載の電源切り換え装置。
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