JP5058047B2 - バックアップ回路 - Google Patents

Description

本発明は、例えば電源装置に適用され、入力電源の遮断時に電源装置としての出力を安定的に維持するためのバックアップ回路に関する。

図３は、従来の昇圧型のバックアップ回路の構成を示す回路図である。このバックアップ回路は、入力電圧を昇圧してコンデンサバンクに充電することで電力を蓄積するもので、エネルギーを蓄積するコンデンサバンクＣ２、コンデンサバンクＣ２を充電するための充電回路、コンデンサバンクＣ２の電圧を制御する制御回路Ｕ１、および、制御回路Ｕ１に供給される電圧を制御する制御用電圧回路から構成されている。

コンデンサバンクＣ２は、バックアップコンデンサとして機能するものであり、複数の高耐圧の電解コンデンサが直並列に接続され（詳細な接続関係は省略する）て構成されている。これにより、大容量のバックアップコンデンサが形成されている。

充電回路は、スイッチング素子Ｓ１、インダクタＬ１および転流ダイオードＣＲ１から成る昇圧チョッパ回路により構成されている。この充電回路において、インダクタＬ１の一端は入力電源Ｖｉｎの正極に接続され、他端は転流ダイオードＣＲ１のアノードに接続されている。

転流ダイオードＣＲ１のカソードは、コンデンサバンクＣ２の一端に接続されており、コンデンサバンクＣ２の他端は、入力電源Ｖｉｎの負極に接続されている。このコンデンサバンクＣ２の両端の電圧が出力電圧として負荷回路に供給される。

また、スイッチング素子Ｓ１は、インダクタＬ１と転流ダイオードＣＲ１のアノードとの接続点と、入力電源Ｖｉｎの負極との間に接続されており、その開閉を制御する制御端子は、制御回路Ｕ１に接続されている。以上のように構成される充電回路は、入力電源Ｖｉｎからの入力電圧を昇圧し、充電電圧としてコンデンサバンクＣ２に供給する。

制御回路Ｕ１は、制御用電圧回路から供給される電圧が動作開始電圧まで上昇したときに動作を開始する。この制御回路Ｕ１には、コンデンサバンクＣ２の電圧がフィードバックされている。

制御回路Ｕ１は、コンデンサバンクＣ２からフィードバックされた電圧に応じたパルス幅を有する制御信号を生成してスイッチング素子Ｓ１の制御端子に送る。これにより、スイッチング素子Ｓ１が開閉されてＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御が行われ、コンデンサバンクＣ２の両端電圧、つまり出力電圧が所定値になるように制御される。

制御用電圧回路は、入力電源Ｖｉｎの両端間に接続された、制限抵抗Ｒ２とコンデンサＣ１とから成る直列回路と、制限抵抗Ｒ２とコンデンサＣ１との接続点と、入力電源Ｖｉｎの負極との間に接続されてツェナーダイオードＶＲ１とから構成されている。制限抵抗Ｒ２とコンデンサＣ１との接続点の電圧は、制御回路Ｕ１の電源として、制御回路Ｕ１に供給される。

次に、上記のように構成される従来のバックアップ回路の動作を、図４に示す動作波形を参照しながら説明する。

入力電源Ｖｉｎが投入されると、制限抵抗Ｒ２を通してコンデンサＣ１に電流Ｉ２が流れ込む。これによりコンデンサＣ１は、制限抵抗Ｒ２とによって決定される時定数によって充電され、図４（ｃ）に示すように、コンデンサＣ１の両端電圧、つまり制御回路Ｕ１に電源として供給される制御電圧は徐々に上昇する。

そして、制御電圧が制御回路Ｕ１の動作開始電圧以上に上昇すると、ツェナーダイオードＶＲ１により制御電圧の上昇が制限され、一定の制御電圧が制御回路Ｕ１に供給される。これにより制御回路Ｕ１は、動作を開始し、コンデンサＣ１の蓄積電力を使用して充電回路のスイッチング素子Ｓ１を駆動する。

その結果、図４（ｂ）に示すように、スイッチング素子Ｓ１はスイッチングし、図４（ａ）に示すように、コンデンサバンクＣ２の充電電圧は徐々に上昇して一定電圧で安定する。

この場合、制限抵抗Ｒ２の抵抗値は、制御回路Ｕ１が連続して動作することによってコンデンサＣ１の蓄積電力を消費したとしても、コンデンサＣ１の電圧が制御回路Ｕ１の動作停止電圧まで低下しないように、比較的大きな電流Ｉ２をコンデンサＣ１に供給できる値に設定されている。

なお、従来のこの種のバックアップ回路として、特許文献１は、コンデンサの容量を増加させなくても、コンデンサからの電力を負荷に供給し続ける保持時間を簡単に延ばすことができ、既設のスイッチング電源への接続を容易にした電圧低下保護装置を開示している。この電圧低下保護装置は、商用交流電源とスイッチング電源ユニットとの間に接続される。入力端子に供給される商用交流電源からの交流入力電圧が正常の場合は、整流器により整流された直流電圧が、出力電圧として出力端子からスイッチング電源ユニットの入力端子に供給されると共に、充電回路によりコンデンサが充電される。一方、交流入力電圧が停電の場合は、当該コンデンサの端子電圧が出力端子からスイッチング電源ユニットの入力端子に印加される。
特開２００５−２６９７５３号公報

しかしながら、図３に示す従来の昇圧型のバックアップ回路では、図４（ｂ）に示すように、制御回路Ｕ１によりスイッチング素子Ｓ１を連続的にスイッチング動作させているため、制御回路Ｕ１の駆動を停止させないように、制限抵抗Ｒ２を小さくしてコンデンサＣ１に十分な電流を供給していた。その結果、制限抵抗での損失が大きかった。

また、スイッチング素子Ｓ１は連続的に動作しているため、スイッチング損失が常時、発生するという問題がある。

さらに、コンデンサＣ２の充電が完了した後にも、制限抵抗Ｒ２に電流が流れているため、制限抵抗での損失があり、また、スイッチング素子Ｓ１のスイッチング損失が発生している。つまり、待機電力が大きいという問題がある。

本発明の課題は、制限抵抗による損失とスイッチング損失とを低減するとともに待機電力を小さくすることができるバックアップ回路を提供することにある。

上記課題を解決するために、第１の発明は、負荷に供給する電力を蓄えるバックアップコンデンサと、入力電源からの電圧を昇圧してバックアップコンデンサを充電する昇圧チョッパ回路から成る充電回路と、充電回路のスイッチング動作を制御する制御回路と、制御回路に間欠的に電源を供給して間欠動作させる制御用電圧回路とを備え、前記制御用電圧回路は、前記入力電源に接続され、制限抵抗とコンデンサとから成る直列回路を備え、
前記入力電源から前記制限抵抗を介して流れる電流により充電された前記コンデンサの電圧を前記制御回路の電源として該制御回路に供給し、前記制限抵抗は、前記コンデンサの電圧が前記制御回路の動作開始電圧まで上昇した場合に前記コンデンサの電圧と前記電流とにより前記制御回路が駆動し、前記コンデンサの電圧が前記制御回路における電力消費によって該制御回路の動作停止電圧まで低下した場合に前記コンデンサへの充電を開始するように、前記電流を制限する大きさの抵抗値を有することを特徴とする。

本発明によれば、制御回路に間欠的に電源を供給することにより制御回路を間欠動作させてスイッチング回数を減らすので、スイッチング素子のスイッチング損失を低減でき、このスイッチング損失の低減によりコンデンサ充電後の待機電力を小さくすることができる。

また、制限抵抗を大きくすることにより、電流を減らし、制限抵抗での損失を低減でき、この制限抵抗での損失低減により、コンデンサ充電後の待機電力を小さくすることができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明の実施例１に係るバックアップ回路の構成を示す回路図である。このバックアップ回路は、背景技術の欄で説明した従来のバックアップ回路の制限抵抗Ｒ２が他の制限抵抗Ｒ１に変更されて構成されている。以下においては、従来のバックアップ回路の構成部分に相当する部分には、背景技術の欄で使用した符号と同じ符号を付して説明を省略し、相違する部分を中心に説明する。

制限抵抗Ｒ１は、従来のバックアップ回路の制限抵抗Ｒ２より大きい抵抗値を有する。具体的には、制限抵抗Ｒ１は、コンデンサＣ１の電圧が制御回路Ｕ１の動作開始電圧まで上昇した場合にコンデンサＣ１の電圧と制限抵抗Ｒ１を流れる電流とにより制御回路Ｕ１が駆動し、コンデンサＣ１の電圧が制御回路Ｕ１における電力消費によって制御回路Ｕ１の動作停止電圧まで低下した場合にコンデンサＣ１への充電を開始するように、入力電源ＶｉｎからコンデンサＣ１に流れる電流を制限する大きさの抵抗値を有する。

また、制御回路Ｕ１は、動作開始電圧が動作停止電圧よりも高くなるヒステリシスを有するように構成されている。制御回路として電源制御用ＩＣを使用する場合には、そのＵＶＬＯ（UnderVoltage LockOut；低電圧ロックアウト)機能を使用すれば、簡単にヒステリシスを実現することができる。

次に、上記のように構成される本発明の実施例１に係るバックアップ回路の動作を、図２に示す動作波形を参照しながら説明する。

入力電源Ｖｉｎが投入されると、制限抵抗Ｒ１を通してコンデンサＣ１に電流Ｉ１が流れ込む。これによりコンデンサＣ１は、制限抵抗Ｒ１とによって決定される時定数によって充電され、図２（ｃ）に示すように、コンデンサＣ１の両端電圧、つまり制御回路Ｕ１に電源として供給される制御電圧は徐々に上昇する。

そして、時刻ｔ１において、制御電圧が制御回路Ｕ１の動作開始電圧まで上昇すると、ツェナーダイオードＶＲ１により制御電圧の上昇が制限され、この時点で一定の制御電圧が制御回路Ｕ１に供給される。

これにより制御回路Ｕ１は、動作を開始し、コンデンサＣ１の蓄積電力を使用して充電回路のスイッチング素子Ｓ１の駆動を開始する。その結果、図２（ｂ）に示すように、スイッチング素子Ｓ１はスイッチングを開始し、図２（ａ）に示すように、コンデンサバンクＣ２の充電電圧は徐々に上昇する。

ところで、制限抵抗Ｒ１の抵抗値は、制御回路Ｕ１が連続して動作することによってコンデンサＣ１の蓄積電力を消費した場合に、コンデンサＣ１の電圧が制御回路Ｕ１の動作停止電圧まで低下するような比較的小さな電流Ｉ１をコンデンサＣ１に供給するように設定されている。具体的には、制限抵抗Ｒ１は、コンデンサＣ１の電圧が制御回路Ｕ１の動作開始電圧まで上昇した場合にコンデンサＣ１の電圧と制限抵抗Ｒ１を流れる電流とにより制御回路Ｕ１が駆動し、コンデンサＣ１の電圧が制御回路Ｕ１における電力消費によって制御回路Ｕ１の動作停止電圧まで低下した場合にコンデンサＣ１への充電を開始するように、入力電源ＶｉｎからコンデンサＣ１に流れる電流を制限する大きさの抵抗値を有する。

このため、制御回路Ｕ１が動作を開始すると、図２（ｃ）に示すように、コンデンサＣ１の両端の制御電圧は徐々に低下する。そして、時刻ｔ２において、制御電圧が制御回路Ｕ１の動作停止電圧に達すると、制御回路Ｕ１は制御電圧不足となって動作を停止する。

制御回路Ｕ１の動作が停止すると、コンデンサＣ１の蓄積電力は消費されないので、制限抵抗Ｒ１を通してコンデンサＣ１が再度充電され、コンデンサＣ１の両端の制御電圧は徐々に上昇する。

そして、時刻ｔ３において、制御電圧が制御回路Ｕ１の動作開始電圧まで上昇すると、制御回路Ｕ１は、再び動作を開始し、コンデンサＣ１の蓄積電力を使用して充電回路のスイッチング素子Ｓ１の駆動を開始する。

以下同様にして、制御回路Ｕ１への制御電圧の供給と停止とが繰り返されるので、昇圧回路は間欠発振する。その結果、図２（ａ）に示すように、コンデンサバンクＣ２の充電電圧は、昇圧と電圧維持とを繰り返しながら徐々に上昇する。

このように、本発明の実施例１に係るバックアップ回路によれば、制御回路Ｕ１に間欠的に電源を供給することにより制御回路Ｕ１を間欠動作させてスイッチング回数を減らすので、スイッチング素子Ｓ１のスイッチング損失を低減できる。

また、制限抵抗Ｒ２を大きくすることにより、制限抵抗Ｒ２に流れる電流を減らし、制限抵抗Ｒ２での損失を低減できる。

また、スイッチング損失の低減と、制限抵抗Ｒ２での損失低減により、コンデンサＣ２充電後の待機電力を小さくすることができる。

また、充電時の消費電流を低減するだけでなく使用部品も小さくて済み、バックアップ回路を小型化することができる。

また、制御回路Ｕ１としてＵＶＬＯ機能を有する電源制御用ＩＣを使用すれば、抵抗とコンデンサの定数を設定するだけで簡単にバックアップ回路を実現できる。

本発明は、省電力かつ小型化が要求される電源装置のバックアップ回路として利用可能である。

本発明の実施例１に係るバックアップ回路の構成を示す回路図である。 本発明の実施例１に係るバックアップ回路の動作を示す動作波形図である。 従来のバックアップ回路の構成を示す回路図である。 従来のバックアップ回路の動作を示す動作波形図である。

符号の説明

Ｖｉｎ 入力電源
Ｌ１ インダクタ（充電回路）
ＣＲ１ 転流ダイオード（充電回路）
Ｓ１ スイッチング素子（充電回路）
Ｃ２ コンデンサバンク（バックアップコンデンサ）
Ｒ１ 制限抵抗（制御用電圧回路）
Ｃ１ コンデンサ（制御用電圧回路）
ＶＲ１ ツェナーダイオード（制御用電圧回路）
Ｕ１ 制御回路

Claims (1)

1. 負荷に供給する電力を蓄えるバックアップコンデンサと、
   入力電源からの電圧を昇圧して前記バックアップコンデンサを充電する昇圧チョッパ回路から成る充電回路と、
   前記充電回路のスイッチング動作を制御する制御回路と、
   前記制御回路に電源を供給して間欠動作させる制御用電圧回路と、
   を備え、
   前記制御用電圧回路は、
   前記入力電源に接続され、制限抵抗とコンデンサとから成る直列回路を備え、
   前記入力電源から前記制限抵抗を介して流れる電流により充電された前記コンデンサの電圧を前記制御回路の電源として該制御回路に供給し、
   前記制限抵抗は、前記コンデンサの電圧が前記制御回路の動作開始電圧まで上昇した場合に前記コンデンサの電圧と前記電流とにより前記制御回路が駆動し、前記コンデンサの電圧が前記制御回路における電力消費によって該制御回路の動作停止電圧まで低下した場合に前記コンデンサへの充電を開始するように、前記電流を制限する大きさの抵抗値を有することを特徴とするバックアップ回路。

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