JP4817045B2 - 分散型電源システム - Google Patents

Description

本発明は、スイッチング電源を有する主電源と、該主電源に接続された複数の分散電源を有する分散型電源システムに関し、特に、上記主電源のスイッチング電源の出力に重畳されたスイッチングノイズを利用して、該主電源から各分散電源に通信データを伝送することが可能な分散型電源システムに関する。

バッテリに接続された単一の電源バスに複数の分散電源を接続し、該各分散電源に内蔵されたスイッチング電源の出力をそれらの分散電源に接続された負荷に供給するように構成された電源供給装置が提案されている。
この電源供給装置では、上記電源バスに流れる電流を検出し、この検出した電流が許容電流を越えないように専用の信号パスを介して上記分散電源を制御している（例えば、特許文献１参照）。
一方、スイッチングトランジスタを有するスイッチング電源において、該スイッチングトランジスタのスイッチング周波数を伝送すべき信号により変調させることにより前記スイッチング電源の出力線に信号を重畳する信号伝送方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開平９−３７４８２号公報 特開２００５−３３５３４号公報

しかし、上記電源供給装置は、各分散電源に制御信号を伝送するための専用の信号伝送路を設けているので、例えば、携帯機器に適用した場合、分散電源の数が増えるにつれて、プリント基板上の配線面積が増えることになり、これは携帯機器の小型化を図る上での支障になる。
そこで、本発明は、複数の分散電源に対して専用の通信線を使用することなく通信データを伝送し、かつ、各分散電源においてこの通信データを復調することが可能な分散型電源システムを提供することを目的としている。

本発明は、上記目的を達成するため、通信データに応じてスイッチング周波数を変化することが可能なスイッチング電源を有する主電源と、前記主電源に接続された複数の分散電源と、を備え、前記各分散電源には、前記スイッチング電源の出力に重畳されたスイッチングノイズに基づいて前記通信データを復調する復調手段と、負荷に電力を供給する電力供給手段とを設けている。

前記通信データは複数ビットからなるシリアルデータである。前記主電源は、前記通信データの各ビットの論理値に応じて前記スイッチング電源のスイッチング周波数をその論理値に対応した２種の周波数に変化させるように構成される。

前記復調手段は、所定のサンプリング周期における前記スイッチングノイズの発生個数を検出し、その発生個数を所定の閾値と比較することによって前記通信データを復調するように構成される。また、前記サンプリング周期は、前記シリアルデータの各データの転送周期の１／ｎ（ｎは２以上の整数）に設定される。

前記分散電源の電力供給手段は、スイッチング電源で構成される。前記閾値は、例えば、前記カウント値の最大値と最小値の中間値に設定される。

本発明に係る分散型電源システムよれば、主電源のスイッチング電源の出力に重畳されたスイッチングノイズを利用して、該主電源から各分散電源に通信データを伝送することが可能であるので、上記通信データを伝送するための専用の伝送路を設ける必要がない。したがって、小型化が要求される携帯機器に適用して特に有効である。

図１は、本発明に係る分散型電源システムの実施形態を示すブロック図である。
この分散型電源システムは、主電源１０と、電源ライン２０を介して該主電源１０に接続された複数の分散電源３０（３０−１〜３０−ｎ）とから構成されている。

図２に示すように、主電源１０は、変調制御部１１およびスイッチング電源１２を備えている。変調制御部１１は、後述するように、図示していない制御データ発生部から与えられる制御データ（通信データ）に基づいてスイッチング電源１２のスイッチング周波数を変調させる。

スイッチング電源１２は、図３に例示するような発振部１２０を備えている。この発振部１２０において、例えば、スイッチＳ_a1，Ｓ_b1がオンされると、抵抗Ｒ_a1、スイッチＳ_a1及び一方の開閉素子（例えば、ＰチャンネルＭＯＳ）１２３ａを介してコンデンサＣが充電される。そして、このコンデンサＣの充電電圧が所定の基準電圧Ｖ_aを超えると、コンパレータ１２１ａによってフリップフロップ１２２がセットされ、その結果、前記一方の開閉素子１２３ａがオフされると共に、他方の開閉素子（例えば、ｎチャンネルＭＯＳ）１２３ｂがオンされる。

これにより、上記コンデンサＣの電荷が前記他方の開閉素子１２３ｂ、抵抗Ｒ_b1及びスイッチＳ_b1を介して放電される。この放電によってコンデンサＣの電圧が基準電圧Ｖ_bまで低下すると、コンパレータ１２１ｂによってフリップフロップ１２２がリセットされるので、上記一方の開閉素子１２３ａがオンし、他方の開閉素子１２３ｂがオフされる。以後、このような動作が繰り返され、その結果、この発振部１２０からは図示のような三角波が出力される。

一方、スイッチＳ_a2，Ｓ_b2がオンされると、抵抗Ｒ_a2，Ｒ_b2がそれぞれ選択されて、上記と同様の発振動作が実行される。この実施形態では、抵抗Ｒ_a1，Ｒ_b1が選択されたときにスイッチング電源１２の発振周波数がｆ₁（例えば、４ＭＨｚ）に設定され、抵抗Ｒ_a2，Ｒ_b2が選択されたときに同発振周波数がｆ₂（例えば、２ＭＨｚ）に設定される。

上記変調制御部１１は、例えば制御データ“１”，“０”，“１”が順次入力された場合に、データ“１”に対してスイッチング電源１２のスイッチＳ_a1，Ｓ_b1をオンさせ、データ“０”に対してスイッチング電源１２のスイッチＳａ２，Ｓ_b2をオンさせる。従って、発振部１２０は、制御データの変化“１”→“０”→“１”に応じてｆ₁→ｆ₂→ｆ₁という形態で発振周波数が変調される。

平滑部１２４は、発振部１２０から出力される三角波を平滑して、所定の直流電圧を電源ライン２０に出力する。平滑部１２４の出力電圧には、図４に示すように、発振部１２０の発振周波数に対応するスイッチングノイズ（開閉素子１２３ａ，１２３ｂのオンオフに伴って生じるノイズ）が重畳している。もちろん、このスイッチングノイズの発生周期は、上記発振周波数ｆ₁もしくはｆ₂に対応したものになる。

図５に示すように、分散電源３０は、上記電源ライン２０にノイズ除去用のインダクタ３１を介して接続されたレギュレータ部３２、このレギュレータ部３２から給電されるノイズ検出部３３、復調部３４およびスイッチング電源３５を備えている。

レギュレータ部３２は、電源ライン２０から供給される直流電圧を安定化するために設けられている。
ノイズ検出部３３は、図６に示すように、電源ライン２０上の直流電圧に重畳された前記スイッチングノイズ（図４参照）が入力される高周波増幅回路３３１と、この高周波増幅回路３３１で増幅された上記スイッチングノイズを包絡線検波する検波回路３３２と、検波された個々のスイッチングノイズを２値化する２値化回路３３３とを備えている。

図７には、上記２値化回路３３３によって２値化された、つまり、パルス化されたスイッチングノイズが例示されている。この２値化回路３３３の出力パルスの周波数は、前記制御データの変化“１”→“０”→“１”に応じてｆ₁→ｆ₂→ｆ₁という形態で変化する。なお、図７に示すＴ₀は、制御データの変化周期（転送周期)である。

前記復調部３４は、図８に例示するような構成を有する。同図において、サンプリング周波数設定部３４１は、図６に示す２値化回路３３３の出力パルスのサンプリング周期を規定するサンプリング周波数を設定するものである。
カウンタ３４２は、上記サンプリング周期において図６に示した２値化回路３３３の出力パルスをカウントする。つまり、このカウンタ３４２は、上記サンプリング周期における前記スイッチングノイズの発生個数を検出する。

ところで、カウンタ３４２は、図７に示すデータ“１”の周期Ｔ₀とデータ“０”の周期Ｔ₀に跨ってカウント動作することもあり得る。したがって、例えば、上記サンプリング周期を制御データの転送周期Ｔ₀と等しくなるように設定した場合、上記周波数ｆ₁とｆ₂を適正に判別できなくなるおそれがある。
そこで、この実施の形態では、上記サンプリング周波数を前記制御データの転送周波数ｆ_Dのｎ倍（ｎは２以上の整数）に設定している。換言すれば、上記サンプリング周期を前記制御データの転送周期Ｔ₀（＝１／ｆ_D）の１／ｎ倍に設定している。このようなオーバーサンプリングを実行すれば、カウンタ３４２がデータ“１”の周期Ｔ₀とデータ“０”の周期Ｔ₀に跨ってカウント動作する確率が低くなるので、カウンタ３４２のカウント値に基づく上記周波数ｆ₁とｆ₂の判別精度が向上する。上記倍数ｎは、上記周波数ｆ₁，ｆ₂や制御データの転送周期Ｔ₀を勘案して適宜に設定され、この実施形態ではｎ＝４に設定している。

上記オーバサンプリング周波数ｎｆ_Dが設定された場合、カウンタ３４２のサンプリング周期は１／（ｎｆ_D）である。このサンプリング周期１／（ｎｆ_D）中において、周波数ｆ₁のパルスがカウンタ３４２に入力される場合、該カウンタ３４２のカウント値は最大カウント値Ｃ_H＝ｆ₁／（ｎｆ_D）となる。また、上記サンプリング周期１／（ｎｆ_D）中において、周波数ｆ₂のパルスがカウンタ３４２に入力される場合、該カウンタ３４２のカウント値は最小カウント値Ｃ_L＝ｆ₂／（ｎｆ_D）となる。

コンパレータ３３３は、カウンタ３４２のカウント値を閾値設定部３４４で設定された閾値と比較する。この閾値は、例えば、上記最大カウント値Ｃ_Hと最小カウント値Ｃ_Lの中間値（Ｃ_H＋Ｃ_L）／２に設定される。この場合、コンパレータ３３３は、カウンタ３４２のカウント値が（Ｃ_H＋Ｃ_L）／２以上であるときに信号“１”を出力し、同カウント値が（Ｃ_H＋Ｃ_L）／２よりも小さいときに信号“０”を出力する。
このように、復調部３４では、カウンタ３４２のカウント値が上記周波数ｆ₁に対応する場合に、コンパレータ３３３から信号“１”が出力され、同カウント値が上記周波数ｆ₂に対応する場合に、該コンパレータ３３３から信号“０”が出力される。復調部３４は、このようにして前記制御データを復調する。

ここで、上記復調の具体例について説明する。制御データにおける各ビットのデータ“１”もしくは“０”の転送周波数ｆ_Dを１０ＫＨｚ、前記オーバーサンプリングのためのサンプリング倍数ｎを４とすると、前記サンプリング周波数ｎｆ_Dは４０ＫＨｚとなる。
このサンプリング周波数４０ＫＨｚに対応するサンプリング周期中に、周波数ｆ₁＝４ＭＨｚのパルスをカウンタ３４２がカウントする場合、該カウンタ３４２のカウント値はＣ_H＝４ＭＨｚ／４０ＫＨｚ＝１００になる。一方、上記サンプリング周期中に、周波数ｆ₂＝２ＭＨｚのパルスをカウンタ３４２がカウントする場合、該カウンタ３４２のカウント値はＣ_L＝２ＭＨｚ／４０ＫＨｚ＝５０になる。

そこで、コンパレータ３４３において上記カウント値Ｃ_H＝１００とカウント値Ｃ_L＝５０の中間値である７５を閾値として設定すると、カウンタ３４２のカウント値が７５以上のときに制御信号 “１”が復号され、カウンタ３４２のカウント値が７５よりも小さいときに制御信号 “０”が復号されることになる。

図５に示す分散電源３０のスイッチング電源３５は、図３に示したスイッチング電源１２とほぼ同様に構成することができる。ただし、このスイッチング電源３５は、単一のスイッチング周波数でスイッチング動作するように構成されている点でスイッチング電源１２と相違する。
このスイッチング電源３５から出力される所定の直流電力は、図示していない負荷（例えばＣＰＵ、メモリ等）に供給される。なお、図１に示す各分散電源３０−１，３０−２，・・・の直流出力の電圧値は、それらに接続される負荷に適合するように設定される。

上記復調部３４で復調された制御データは、該データを読取って対応する制御信号に変換する図示していないデータ読取り手段に入力される。上記制御データが例えばスイッチング電源３５の出力を停止させる命令を含んでいる場合には、上記制御信号によってスイッチング電源３５の発振部１２０の発振動作が停止され、また、上記制御信号がスイッチング電源３５の出力電圧を変化させる命令を含んでいる場合には、上記制御信号によって例えばスイッチング電源３５の発振部１２０におけるコンパレータ１２１ａ，１２１ｂの基準電圧Ｖ_a，Ｖ_bが変化される。

上記のように、この実施の形態に係る分散型電源システムよれば、主電源１０のスイッチング電源が発生するスイッチングノイズを利用して、該主電源１０から各分散電源３０に通信データを伝送することが可能であるので、上記通信データを伝送するための専用の伝送路を設ける必要がない。したがって、例えば携帯機器に適用することにより、該携帯機器の構成の簡単化と小型化を図ることができる。

本発明は，上記実施の形態に限定されず、種々の変形態様を含むものである。すなわち、上記サンプリング周波数設定部３４１は、サンプリング周波数を設定するためのクロック信号を発生するクロック信号発生手段（図示せず）を備えているが、上記クロック信号に代えて、スイッチング電源３５の発振部１２０の出力信号を利用することも可能である。
また、上記制御データ中に図１に示す分散電源３０−１〜３０−ｎの内の特定の分散電源を選択するデータを含ませて、該制御データに含まれる制御命令を上記特定の分散電源にのみ実行させることも可能である。もちろん、この場合には、該分散電源３０−１〜３０−ｎの復調部３４に設けられる前記データ読取り手段に上記選択データが自身を選択するデータであるか否かを認識する機能を持たせておく必要がある。

本発明に係る分散型電源システムの実施形態を示すブロック図である。 主電源の構成を例示したブロック図である。 スイッチング電源の構成を例示した回路図である。 スイッチング電源のスイッチングノイズを示す波形図である。 分散電源の構成を例示したブロック図である。 ノイズ検出部の構成を例示したブロック図である。 ２値化されたスイッチングノイズを示す波形図である。 復調部の構成を例示したブロック図である。

符号の説明

１０ 主電源
１１ 変調制御部
１２ スイッチング電源
２０ 電源ライン
３０ 分散電源
３３ ノイズ検出部
３４ 復調部
３５ スイッチング電源

Claims (3)

1. 通信データに応じてスイッチング周波数を変化することが可能なスイッチング電源を有する主電源と、
   前記主電源に接続された複数の分散電源と、を備え、
   前記各分散電源には、前記スイッチング電源の出力に重畳されたスイッチングノイズに基づいて前記通信データを復調する復調手段と、負荷に電力を供給する電力供給手段とが設けられ、
   前記通信データは複数ビットからなるシリアルデータであり、前記主電源は、前記通信データの各ビットの論理値に応じて前記スイッチング電源のスイッチング周波数をその論理値に対応した２種の周波数に変化させるように構成され、
   前記復調手段は、所定のサンプリング周期における前記スイッチングノイズの発生個数をカウントし、そのカウント値を所定の閾値と比較することによって前記通信データを復調するように構成され、
   前記サンプリング周期は、前記シリアルデータの各データの転送周期の１／ｎ（ｎは２以上の整数）に設定される、
   ことを特徴とする分散型電源システム。
2. 前記分散電源の電力供給手段は、スイッチング電源で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の分散型電源システム。
3. 前記閾値は、前記カウント値の最大値と最小値の中間値に設定されることを特徴とする請求項１に記載の分散型電源システム。

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