JP4406931B2

JP4406931B2 - 電源システム

Info

Publication number: JP4406931B2
Application number: JP2005231651A
Authority: JP
Inventors: 聡富岡; 栄治竹上
Original assignee: Ｔｄｋラムダ株式会社
Priority date: 2005-08-10
Filing date: 2005-08-10
Publication date: 2010-02-03
Anticipated expiration: 2025-08-10
Also published as: JP2007049822A

Description

本発明は、複数台の電源装置を制御し、それらに接続された複数の負荷に電源電圧を供給可能な電源システムに関する。

例えば、コンピュータ機器，通信機器などのボードでは通常複数種類の電源電圧が必要である。さらに負荷であるＬＳＩの中には複数の電源を必要とするものも多い。複数の負荷に電力を供給可能な電源装置として、特許文献１に開示されるものがある。特許文献１に開示される電源装置は、ＡＣ−ＤＣ変換部の出力電力を出力制御回路を備えた異常検出部を介して複数の負荷へ分配している。

近年では、このような要求を満たす電源装置として、ＰＯＬ（ポイントオブロード）コンバータが普及してきている。ＰＯＬコンバータは小型・高効率の非絶縁タイプコンバータであり、負荷の直近に実装されることで低電圧・大電流の電力を負荷に供給することができる。

図３はＰＯＬコンバータを用いた従来の分散電源システムの一例である。同図では、ＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力ライン（電源供給線）５をＰＯＬコンバータ６ａ，６ｂ，６ｃへ並列に接続することにより１２Ｖバスを構築している。ＰＯＬコンバータ６ａ，６ｂ，６ｃの出力には、例えばＬＳＩなどの負荷となるデバイスが接続される。負荷７ａは１．８Ｖと３．３Ｖの２種類の電源電圧を必要とするデバイスであり、１．８Ｖ出力に設定されたＰＯＬコンバータ６ａと３．３Ｖ出力に設定されたＰＯＬコンバータ６ｂからの２種類の電源電圧が入力されている。一方、負荷７ｂは、５Ｖの電源電圧のみを必要とするデバイスであり、５Ｖ出力に設定されたＰＯＬコンバータ６ｃからの１種類の電源電圧が入力されている。ＰＯＬコンバータ６ａ，６ｂ間では、負荷７ａの特性により複数の電源電圧の起動・停止シーケンスが規定される。ここでいう起動・停止シーケンスとは、ＰＯＬコンバータ６ａ，６ｂの各出力に対して、例えば立上り，立下りの順序，タイミングやその勾配などを規定したものである。
特開２００１−３５２６７４号公報

しかし、図３の構成ではＰＯＬコンバータ６ａ，６ｂ間の起動・停止シーケンスを所望の特性にすることが極めて困難であるという問題があった。

図４は負荷７ａに入力される１．８Ｖ及び３．３Ｖの２種類の電源電圧の起動・停止シーケンスの例を示したタイミング図である。同図において、（Ａ）は電圧の比を一定にするシーケンスである。（Ｂ）は低い方の電圧が定格に達するまでは、高い方と等しくするシーケンスである。（Ｃ）は高い方の電圧が立ち上がってから、低い方の電圧が起動するシーケンスである。これら（Ａ）〜（Ｃ）の他にも、ユーザの使用条件に応じて種々の起動方法が考えられる。このように、２電圧以上の起動・停止の要求は様々であるため、メーカ側で予めＰＯＬコンバータ６ａ，６ｂ間のシーケンスを規定してユーザの要求に対応することはできず、ユーザ側で規定するにしても電源システムに新たにシーケンス回路を設ける等の大掛かりな改造を加える必要があった。

また、ＰＯＬコンバータ６ａ，６ｂ間のシーケンスを規定したとしても、実際のＰＯＬコンバータ６ａ，６ｂの状態を監視して、ＰＯＬコンバータ６ａ，６ｂの出力を確実に当該シーケンスに従わせるよう制御するには至っていなかった。

そこで本発明は上記問題点に鑑み、一の電源装置から負荷又は他の電源装置に電力を供給すると共に、一の電源装置により他の電源装置の動作を制御・監視可能にし、さらには例えばスレーブ電源装置の異常時やスレーブ電源装置の仕様などの状態に応じて、マスタ電源装置の出力を最適な状態に制御することができる電源システムを提供することを目的とする。

本発明における請求項１の電源システムでは、制御部を内蔵するマスタ電源装置と、このマスタ電源装置の出力を入力電源として、当該マスタ電源装置から電力供給を受けるスレーブ電源装置とを備えた電源システムであって、前記制御部は前記マスタ電源装置から前記スレーブ電源装置への出力を制御するとともに、前記スレーブ電源装置の状態を監視するモニタ手段を有し、さらに前記制御部は、前記モニタ手段で監視した前記スレーブ電源装置の電圧または電流に基づいて前記マスタ電源装置の出力電力を制御し、複数の前記スレーブ電源装置のうち最大の電圧に合わせて前記マスタ電源装置の出力電圧を自動調整するものであることを特徴とする。

このようにすると、マスタ電源装置の制御部によりスレーブ電源装置の状態を一括して監視することができるため、ユーザの要求に応じて自由に装置されるスレーブ電源装置をマスタ電源装置側で統括管理することができる。また、例えばスレーブ電源装置の異常時やスレーブ電源装置の仕様などの状態に応じてマスタ電源装置の出力を最適な状態に制御することができる。

また、本発明における請求項２の電源システムでは、前記制御部に、複数の前記スレーブ電源装置間の起動・停止シーケンスを制御するシーケンス制御手段を設けている。

このようにすると、スレーブ電源装置に別途シーケンス回路を設けなくても、マスタ電源装置に起動・停止シーケンスを設定するだけで複数のスレーブ電源装置間の起動・停止シーケンスを制御することができる。

本発明における請求項３の電源システムでは、前記制御部は、プログラム可能なディジタル制御器からなる。

このようにすると、ユーザが制御部のプログラムを自由に変更することができるようになるので、マスタ電源装置及びスレーブ電源装置に対して所望の制御を容易に行なうことができる。

本発明の請求項１によると、ユーザの要求に応じて自由に装置されるスレーブ電源装置をマスタ電源装置のみで統括管理することができる。

本発明の請求項２によると、外部にシーケンス回路を設ける必要がない。

本発明の請求項３によると、スレーブ電源装置の状態に合わせてマスタ電源装置を最適制御することができる。

本発明の請求項４によると、ユーザが起動・停止シーケンスを容易に設定することができる。

以下、添付図面を参照しながら、本発明における電源システムの好ましい各実施例を説明する。なお、従来例と同一箇所には同一符号を付し、共通する部分の説明は重複するため極力省略する。

本発明における電源システムでは、一の電源装置が、負荷又は他の電源装置に電力を供給すると共に、他の電源装置の動作制御・監視する機能を持つ。この一の電源装置をマスタ電源装置、このマスタ電源装置を入力電源とする他の電源装置をスレーブ電源装置と呼ぶことにする。マスタ電源装置は、例えばマイクロコントローラ（以下、マイコンと言う。），ＤＳＰ（Digital Signal Processor），ＰＬＤ（Programmable Logic Device）などプログラム可能なコントローラを内蔵し、他のスレーブ電源装置を制御および監視するためのプログラムを記憶できる。また、マスタ電源装置は自身の動作制御・状態監視の機能も持っている。さらに、マスタ電源装置は、通信手段を有し、例えばコンピュータ装置などの上位システムとつながり、前記動作制御・監視の状態を上位システムに報告可能であり、また上位システムより設定可能である。

本第１実施例では、バスコンバータ（電源バスに電力を供給する電源）がマスタ電源装置、ＰＯＬコンバータがスレーブ電源装置となる分散電源システムについて説明する。

図１は、本第１実施例における電源システムの構成を示したブロック図である。従来例と同様に、当該電源システムでは、ＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力ライン５をＰＯＬコンバータ６ａ，６ｂ，６ｃへそれぞれ接続することにより電源バスを構築している。また、１．８Ｖ出力に設定されたＰＯＬコンバータ６ａと３．３Ｖ出力に設定されたＰＯＬコンバータ６ｂの各出力には、２電源入力の負荷７ａが接続され、５Ｖ出力に設定されたＰＯＬコンバータ６ｃの出力には、１電源入力の負荷７ｂが接続されている。

電源装置１は内部にＤＣ−ＤＣコンバータ２と、例えばマイコン，ＤＳＰなどからなる制御部３とを内蔵し、一体構造をなしている。ＤＣ−ＤＣコンバータ２は、電源装置１に接続された直流入力電源４からの直流入力電力を電力変換し、出力ライン５へ供給している。制御部３はＤＣ−ＤＣコンバータ２を制御・監視する。その一方で、制御部３は、ＰＯＬコンバータ６ａ，６ｂ，６ｃと、制御用信号線８及び出力モニタ用信号線９でそれぞれ接続されることにより、ＰＯＬコンバータ６ａ，６ｂ，６ｃの制御・監視も行っている。すなわち、この電源装置１は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２により出力ライン５すなわちＰＯＬコンバータ６ａ，６ｂ，６ｃへ電力を供給すると共に、制御部３によりＰＯＬコンバータ６ａ，６ｂ，６ｃの状態を監視する機能及びコントロールする機能を有する。

制御用信号線８は、制御部３からＰＯＬコンバータ６ａ，６ｂ，６ｃへ伝送される信号の伝送媒体であり、例えば、ＰＯＬコンバータ６ａ，６ｂ，６ｃをオン・オフする為のロジックレベル信号及び（又は）ＰＯＬコンバータ６ａ，６ｂ，６ｃの出力立ち上がりを制御するソフトスタート信号等が伝送される。なお、ＰＯＬコンバータ６ａ，６ｂ，６ｃ自体の出力安定化制御を行なう制御手段はＰＯＬコンバータ６ａ，６ｂ，６ｃに内蔵している。一方、出力モニタ用信号線９は、ＰＯＬコンバータ６ａ，６ｂ，６ｃから負荷７ａ，７ｂへ出力される各電圧を制御部３で取り込むために設けられており、当該電圧情報は制御部３でＡ−Ｄ変換されディジタル信号として取り込まれる。この電圧情報に基づいて制御部３は他のＰＯＬコンバータ６ａ，６ｂ，６ｃを制御することが可能である。これら制御用信号線８及び出力モニタ用信号線９の伝送方式は、例えばディジタルシリアル通信などとしてもよい。この場合、ＰＯＬコンバータ６ａ，６ｂ，６ｃで発生した異常状態や自己診断結果などもエラー信号として制御部３へ伝送することができる。

さらにこの電源装置１は通信手段を有し、インターフェース11で上位システム10と通信することが可能である。上位システム10は一般的にコンピュータであり、ユーザによって操作される。上位システム10からは、通信インターフェース11を介して、電源装置１における前記監視機能及びコントロール機能を設定可能である。具体的には、前記監視機能及びコントロール機能を果たす制御部３内部のシーケンス手段としてのシーケンスプログラム20及びモニタ手段としてのモニタプログラム21は、上位システム10より書き換えが可能であり、不揮発性メモリに保存される。

電源装置１は、動作時においては上位システム10を接続しなくとも単独で運転可能である。また、動作時に常時接続されている上位システム10からの命令を受けて運転することもでき、反対にモニタ機能の出力を上位システム10に報告することもできる。

次に、電源装置１の作用について説明する。

まず、ユーザは負荷７ａ，７ｂの特性を考慮して複数の電源電圧の起動・停止シーケンスを規定し、上位システム10を操作して、制御部３内部のシーケンスプログラム20及びモニタプログラム21を所望の条件を満たすように設定する。ユーザは上位システム10を操作するだけで、負荷の特性に合わせた複数の電源電圧の起動・停止シーケンスや当該電源システムのモニタ態様を容易に設定することができる。このように、ＰＯＬコンバータ６ａ，６ｂに別途シーケンス回路を設けなくても、電源装置１に起動・停止シーケンスを設定するだけで複数のＰＯＬコンバータ６ａ，６ｂ間の起動・停止シーケンスを制御することができる。また、制御部３内部のシーケンスプログラム20及びモニタプログラム21を、上位システム10より書き換え可能とすることにより、ユーザが制御部３のプログラムを自由
に変更することができるようになるので、電源装置１及びＰＯＬコンバータ６ａ，６ｂ，６ｃに対して所望の制御を容易に行なうことができる。

電源システム動作時には、電源装置１では、ＤＣ−ＤＣコンバータ２が入力電源４から電力を取り出し、出力ライン５を介してＰＯＬコンバータ６ａ，６ｂ，６ｃへ電力供給を行う。このとき、ＤＣ−ＤＣコンバータ２は制御部３により監視・制御されることにより、安定した電力供給を行なう。当該電力供給を受けるＰＯＬコンバータ６ａ，６ｂ，６ｃでは、出力ライン５から電力を取り出し、予め設定された電圧値に変換して負荷７ａ，７ｂへ出力する。前述のように、ＰＯＬコンバータ６ａ，６ｂ，６ｃの出力は、自身に内蔵された制御手段により安定化制御される。ＰＯＬコンバータ６ａ，６ｂ，６ｃからの出力電圧は、出力モニタ用信号線９を通じて制御部３で取り込まれ、制御部３のモニタプログラム21が当該電圧情報からＰＯＬコンバータ６ａ，６ｂ，６ｃの状態を監視する。また、このモニタプログラム21は、通信インターフェース11を介して前記電圧情報を上位システム10へ報告する。このように、制御部３を用いることで、複数のＰＯＬコンバータ６ａ，６ｂ，６ｃの電圧監視が容易に可能である。そして、モニタプログラム21における監視結果に基づいて、シーケンスプログラム20が制御用信号線８を介してＰＯＬコンバータ６ａ，６ｂ，６ｃを制御する。制御部３によりＰＯＬコンバータ６ａ，６ｂ，６ｃの状態を一括して監視することができるため、ユーザの要求に応じて自由に装置されるＰＯＬコンバータ６ａ，６ｂ，６ｃを電源装置１側で統括管理することができる。

ここで、制御部３がＰＯＬコンバータ６ａ，６ｂ，６ｃに対して行なう制御の具体例について説明する。ＰＯＬコンバータ６ａ，６ｂ，６ｃは一般に非絶縁型コンバータであり、その故障モードとして入力と出力が短絡する場合が考えられる。制御部３は、このような故障時に、速やかにＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力電圧を低下させる又は遮断する。これにより、負荷７ａ，７ｂに過電圧または過電流が印加される危険を回避できる。また、ＰＯＬコンバータ６ａ，６ｂ，６ｃの効率は、入力電圧が出力電圧に対して高くなると低下する傾向がある。制御部３は、複数のＰＯＬコンバータ６ａ，６ｂ，６ｃの電圧のうち最大の電圧に合わせて、ＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力電圧を自動調整する。例えば、ＰＯＬコンバータ６ａ，６ｂの出力電圧が５Ｖと２．５Ｖであるとすれば、当該入力電圧Ｖｉｎを大きい方に合わせて５．５Ｖにする。これにより、ＰＯＬコンバータ６ａ，６ｂ，６ｃの効率の最適化を図ることができる。

当該電源システムの変形例として、ＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力に対してＣＴ（カレントトランス）による電流監視を行うこともできる。この場合も、電圧監視と同様に、その電流情報を上位システム10に報告する一方、上位システム10から制御部３のシーケンスプログラム20及びモニタプログラム21に対して設定変更を行う。この場合、制御部３がＰＯＬコンバータ６ａ，６ｂ，６ｃに対して行なう制御の具体例については、例えば、ＤＣ−ＤＣコンバータ２の最大出力定格が１２Ｖ，２０Ａであるとすると、ＤＣ−ＤＣコンバータ２にＰＯＬコンバータ６ａ，６ｂ，６ｃを最初につないだときの、出力ライン５を通ってＰＯＬコンバータ６ａ，６ｂ，６ｃへ流れ込む入力電流Ｉｉｎが５Ａ程度なら、ＤＣ−ＤＣコンバータ２のＯＣＰ（Over Current Protection）を１０Ａ程度に設定変更できるようにする。

以上のように本実施例の電源システムでは、出力電力を制御する制御部３を有するマスタ電源装置としての電源装置１（ＤＣ−ＤＣコンバータ２）と、この電源装置１を入力電源とするスレーブ電源装置としてのＰＯＬコンバータ６ａ，６ｂ，６ｃとを備えた電源システムであって、制御部３にＰＯＬコンバータ６ａ，６ｂ，６ｃの状態を監視するモニタ手段としてのモニタプログラム21を設けている。

このようにすると、電源装置１の制御部３によりＰＯＬコンバータ６ａ，６ｂ，６ｃの状態を一括して監視することができるため、ユーザの要求に応じて自由に装置されるＰＯＬコンバータ６ａ，６ｂ，６ｃを電源装置１側で統括管理することができる。

また本実施例では、制御部３に、複数のＰＯＬコンバータ６ａ，６ｂ間の起動・停止シーケンスを制御するシーケンス制御手段としてのシーケンスプログラム20を設けている。

このようにすると、ＰＯＬコンバータ６ａ，６ｂに別途シーケンス回路を設けなくても、電源装置１に起動・停止シーケンスを設定するだけで複数のＰＯＬコンバータ６ａ，６ｂ間の起動・停止シーケンスを制御することができる。

さらに本実施例では、制御部３は、モニタプログラム21で監視したＰＯＬコンバータ６ａ，６ｂ，６ｃの状態に基づいて電源装置１の出力電力を制御するものである。

このようにすると、例えばＰＯＬコンバータ６ａ，６ｂ，６ｃの異常時やＰＯＬコンバータ６ａ，６ｂ，６ｃの仕様などの状態に応じて電源装置１の出力を最適な状態に制御することができる。

また本実施例では、制御部３は、プログラム可能なディジタル制御器からなる。

このようにすると、ユーザが制御部３のプログラムを自由に変更することができるようになるので、電源装置１及びＰＯＬコンバータ６ａ，６ｂ，６ｃに対して所望の制御を容易に行なうことができる。

本第２実施例では、フロントエンド電源（交流入力でＤＣ４８Ｖ等を出力）がマスタ電源装置、フロントエンド電源を入力とするＤＣ−ＤＣコンバータがスレーブ電源装置となる分散電源システムについて説明する。

図２は、本第２実施例における電源システムの構成を示したブロック図である。当該電源システムでは、マスタ電源装置とスレーブ電源装置以外の基本構成は第１実施例と略同様である。

同図の電源装置１は内部にＡＣ−ＤＣコンバータ13と制御部３とを内蔵しており、ＡＣ−ＤＣコンバータ13は、電源装置１に接続された例えば商用電源などの交流入力電源12からの交流入力電力を電力変換し、出力ライン５へ供給している。この出力ライン５には、ＤＣ４８Ｖが供給されており、ＤＣ−ＤＣコンバータ14ａ，14ｂ，14ｃへそれぞれ接続されている。ＤＣ−ＤＣコンバータ14ａ，14ｂ，14ｃの出力電圧は、それぞれ１．８Ｖ，３．３Ｖ，１２Ｖに設定されており、ＤＣ−ＤＣコンバータ14ａ，14ｂの各出力には、２電源入力の負荷７ａが接続され、ＤＣ−ＤＣコンバータ14ｃの出力には、１電源入力の負荷７ｂが接続されている。その他の、構成及び作用は第１実施例と同様である。

なお、本発明は、上記各実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更可能である。本発明の電源システムにおけるマスタ電源装置及びスレーブ電源装置には、あらゆる種類の電源装置を使用することができ、電源装置の構成数や接続形態に関しても特に限定されるものではない。

本発明の第１実施例における電源システムの構成を示すブロック図である。本発明の第２実施例における電源システムの構成を示すブロック図である。従来例における電源システムの構成を示すブロック図である。同上、２種類の電圧の各種起動・停止シーケンスを示すタイミング図である。

１電源装置（マスタ電源装置）
２ＤＣ−ＤＣコンバータ（マスタ電源装置）
３制御部
６ａ，６ｂ，６ｃＰＯＬコンバータ（スレーブ電源装置）
21 モニタプログラム（モニタ手段）

Claims

制御部を内蔵するマスタ電源装置と、このマスタ電源装置の出力を入力電源として、当該マスタ電源装置から電力供給を受けるスレーブ電源装置とを備えた電源システムであって、
前記制御部は前記マスタ電源装置から前記スレーブ電源装置への出力を制御するとともに、前記スレーブ電源装置の状態を監視するモニタ手段を有し、
さらに前記制御部は、前記モニタ手段で監視した前記スレーブ電源装置の電圧または電流に基づいて前記マスタ電源装置の出力電力を制御し、複数の前記スレーブ電源装置のうち最大の電圧に合わせて前記マスタ電源装置の出力電圧を自動調整するものであることを特徴とする電源システム。
前記制御部に、複数の前記スレーブ電源装置間の起動・停止シーケンスを制御するシーケンス制御手段を設けたことを特徴とする請求項１に記載の電源システム。
前記制御部は、プログラム可能なディジタル制御器からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の電源システム。