JP5540582B2 - スイッチング電源 - Google Patents

Description

本発明は、スイッチング電源に関する。特に、スイッチング電源の停止と共に出力を強制オフするスイッチング電源に関する。

例えばスイッチング電源として、図５に示すようなＲＣＣ方式のスイッチング電源が知られている。
図５において、入力端子１にＡＣ電源が投入されると、整流素子２を介してコンデンサ３の両端に直流出力が得られる。この整流出力電圧は制御回路６を介してトランジスタ５に印加され、トランジスタ５にベース電流が流れて、トランジスタ５はオンする。トランジスタ５がオンすると、トランス４の１次側の巻線Ｎ１に整流出力電流が流れ、これによって、トランス４の１次側の巻線Ｎ２に電流が流れ、その両端に電圧が発生し、トランジスタ５をスイッチングさせる。トランジスタ５がオフするとトランス４に蓄えられたエネルギーはトランス４の２次側の巻線Ｎ３に接続された整流ダイオード９，平滑用コイル７，逆流防止ダイオード８を介して出力端子１９に出力される。整流ダイオード９のカソード側では、出力ラインとグランドライン間に平滑用コンデンサ１０が接続される。

この図５のスイッチング電源の定電圧動作は、次の通りに行われる。即ち、図５において、１２はフォトカプラであって、その発光ダイオードはトランス４の出力電圧を分圧抵抗１５で分圧検出し、発光はシャントレギュレータ１４でオン／オフし、これを受けた受光トランジスタがスイッチングして、トランジスタ５を制御し出力電圧を定電圧制御する。また、フォトカプラ１２の故障時もしくは何らかの原因により、トランス４の２次側出力ラインの電圧が、所定の過電圧検出レベル（降伏電圧）を設定しているツェナダイオード１６の降伏電圧以上となった場合、フォトカプラ１３の発光ダイオード、抵抗１７を介して電流が流れ、フォトカプラ１３の受光トランジスタを動作させることでメインのトランジスタ５がオフされる。

また、例えば特許文献１に記載されたスイッチング電源は、出力端子１９に所定の電圧を出力中の時は、コンデンサ２４を充電する。２次側出力ラインの電圧がツェナダイオード２０の降伏電圧以上でトランジスタ２７がオンし、トランジスタ２７に電流が流れている。この状態で電源をオフすると、２次側出力ラインの電圧がツェナーダイオード２０の降伏電圧以下になりトランジスタ２７がオフし、コンデンサ２４からの放電電流がトランジスタ２６とトランジスタ２９のベースに供給されて、コンデンサ２４と抵抗２３，抵抗２５の時定数で決定される時間だけトランジスタ２６，２９がオンし、過電圧保護用のフォトカプラ１３が動作して１次側のメイントランジスタをオフすると同時に、トランジスタ２９のオンにより抵抗２８を介して２次側出力ラインを瞬時に放電するように構成されている。

特開２００３−１２５５７８号公報

このように特許文献１に記載された従来のスイッチング電源は、電源出力端から電流の逆流を阻止するためのダイオードが設けられているため、該スイッチング電源を複数台用意して出力端子を互いに接続して並列運転することができる。しかしながら、特許文献１に記載された従来のスイッチング電源は並列運転の最中に１台もしくは数台のスイッチング電源が停止した時、この停止した電源の２次側出力ラインの放電作用が働くため運転中の電源から電流を一瞬引き込む事象が発生する。このため、停止したスイッチング電源が運転中のスイッチング電源に影響を与えるという問題があった。

また、稼動と待機を切替えて運転する冗長化運転において、稼動側電源が停止された直後に待機側の電源が起動された場合も前述と同様である。すなわち、停止された稼動側のスイッチング電源の２次側出力ラインの放電作用が働いている最中に待機側のスイッチング電源が起動されるので、該起動された待機側のスイッチング電源は停止された稼動側のスイッチング電源からの影響を受けるという問題があった。

そして、これら並列運転や冗長化運転時に停止したスイッチング電源の２次側出力ラインを放電させるための放電回路部は、高い電圧が維持された状態で放電電流を流すため、該放電回路部が過熱し破損する可能性もあった。

本発明は、上記のような問題点を鑑みてなされたものであり、その目的は、電源の単独運転時には電源の停止に応答して出力を瞬時にオフし、電源が並列運転された時は電源の停止に伴う影響を他の電源に与えない安定した電源を提供することにある。

上述した課題を達成するため本発明の請求項１に係るスイッチング電源は、トランスの１次側に供給されるスイッチング電流を制御する制御手段と、トランスの２次側出力ラインと当該スイッチング電源の出力端子ラインとの間に挿入された出力端子ラインから２次側出力ラインへ電流が流れることを防止する逆流防止手段と、２次側出力ラインもしくは出力端子ラインのいずれか一方の電圧が規定電圧を超えているときはオンし、２次側出力ラインと出力端子ラインの両方の電圧が規定電圧以下になったときはオフする第１スイッチ手段と、２次側出力ラインから第１ダイオードを介して充電され又は出力端子ラインから第２ダイオードを介して充電され、第１スイッチ手段がオフで且つ第１ダイオードおよび第２ダイオードを介しての充電電流の供給が尽きると放電する蓄電手段と、第１スイッチ手段に接続され、該第１スイッチ手段がオフしているときは蓄電手段の放電電流によって２次側出力ラインと出力端子ラインの電荷を放電する第２スイッチ手段を備えたことを特徴とする。

請求項２に係るスイッチング電源は、請求項１に記載のスイッチング電源であって、蓄電手段はコンデンサであることを特徴とする。
請求項３に係るスイッチング電源は、請求項１に記載のスイッチング電源であって、蓄電手段はコンデンサと抵抗の直列回路であることを特徴とする。

請求項４に係るスイッチング電源は、請求項１に記載のスイッチング電源であって、更に、第１スイッチ手段に接続して、当該第１スイッチ手段がオンしているときはオフし、当該第１スイッチ手段がオフしているときは蓄電手段の放電電流によってオンする第３スイッチ手段と、この第３スイッチ手段に接続されて、当該第３スイッチ手段がオンしているときは、蓄電手段の放電電流に応答して制御手段の動作をオフする動作オフ手段を備えることを特徴とする。

本発明は、自己の電源の出力電圧の監視に加えて、並列運転時に他の電源の出力が接続される出力端子の電圧を監視することにより、他の電源の起動状態を検知する構成としたので、例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータを搭載するＰＬＣを構成するモジュールが複数台接続されたシステムに本発明の電源を適用すれば、電源が複数接続されて並列運転している最中に電源が故障し停止したときや、冗長化運転中に瞬時に電源を切替えしたときであっても停止した電源が他の電源に影響を与えることはなく、安定した電源の供給が可能となり、前述システムは安定して継続運転することができる。

そして、電源が単体で運転される単独運転に本発明の電源を適用すれば、該電源の停止に追従して電源の出力を瞬時にオフし、その後一定時間のオフ状態が保持される。そして、電源を停止した直後に再度電源を起動しても十分な電源出力のオフ期間を前述システムに与えることができる。このため、前述システムは不安定な電源の供給が避けられるため予期せぬエラーから回避される。

このように本発明は、前述単独運転における電源停止時の出力瞬時オフと前述並列運転の電源停止や前述冗長化運転時の電源切替えにおける継続運転を両立することができる。
また、本発明の構成は一般用途品からシステム機器品のさまざまな電源に適用可能である。

本発明の実施例に係る電源の回路図である。 本発明の実施例に係る電源を並列接続したブロック図である。 本発明の実施例に従って、電源を単独で使用したときの電源オフシーケンスを示す波形図である。 本発明の実施例に従って、電源を並列接続して並列運転したときの電源オフシーケンスを示す波形図である。 従来のスイッチング電源を示す回路図である。 電源停止と共に出力を強制オフする従来のスイッチング電源を示す回路図である。

以下、本発明の好適な実施形態について図１〜図６の図面を基に説明する。尚、これらの図面は本発明の一実施形態を説明するための図面であって、これらの図面によって本発明が限定されるものではない。

図１は本発明のスイッチング電源の実施例を示す回路図である。図１において、従来例である図５および図６と同様部分は同一符号を付した。そして、スイッチング電源の基本動作については、従来例と同様であるので、図１におけるトランス４の１次側の構成は図示省略した。また、フォトカプラ１２，１３の受光トランジスタの出力の接続先は、図５のそれと同じである。

図１において、第１のスイッチ手段であるトランジスタ２７のベースは逆流防止ダイオード８のアノード（すなわち２次側出力ライン）からダイオード２２を介して、そして逆流防止ダイオード８のカソード（すなわち出力端子ライン）からダイオード３０を介して結合されたツェナーダイオード２０に接続される。

また、抵抗２３とコンデンサ２４は、２次側出力ラインからダイオード２２を介して、そして出力端子ラインからダイオード３０を介して結合されたツェナーダイオード２１を介して直列に接続されている（蓄電手段）。蓄電手段はコンデンサのみで構成しても良い。

また、第２のスイッチ手段であるトランジスタ２９は、ベースがトランジスタ２７のコレクタに結合されて、コレクタが抵抗２８を介して出力端子ラインに接続される。このトランジスタ２９はトランジスタ２７がオフしているときにコンデンサ２４からの放電電流に応答してオンする。尚、トランジスタ２９はＭＯＳＦＥＴで代用することも可能である。

また、第３のスイッチ手段であるトランジスタ２６は、ベースがトランジスタ２７のコレクタに結合され、トランジスタ２７がオンしているときはオフし、トランジスタ２７がオフしているときはコンデンサ２４からの放電電流に応答してオンする。

また、動作オフ手段はフォトカプラ１３およびフォトカプラ１３に接続されるトランス１次側回路である。
そして、本発明のスイッチング電源は、出力端子ラインからの逆流を防止するための逆流防止ダイオード８が設けられているため、該スイッチング電源を複数台用意して出力端子ラインを互いに接続して並列運転することができるよう構成されている。また、稼動と待機を切替えて運転する冗長化運転も同様の接続形態で運転可能である。

同様図１において、本発明スイッチング電源が出力端子ラインに所定の電圧を出力中の時、ダイオード２２,ツェナーダイオード２１,抵抗２３を介して電流が流れ、コンデンサ２４を充電する。更に、本発明のスイッチング電源の出力端子ラインに他の電源の出力が接続されて所定の電圧が印加されている時、ダイオード３０,ツェナーダイオード２１,抵抗２３を介して電流が流れ、コンデンサ２４を充電する。このようにコンデンサ２４は、自己の電源、もしくは、出力端子ラインに接続された他の電源のいずれか一方が起動された状態であれば充電される構成となっている。ここでツェナーダイオード２１（の降伏電圧）とツェナーダイオード１６（の降伏電圧）は合わせて過電圧レベルを決定している（過電圧検出手段）。

また、ダイオード２２は、コンデンサ２４に充電された電荷が２次側出力ラインに流れることを防止するものである。そして、ダイオード３０は、コンデンサ２４に充電された電荷が出力端子ラインに流れることを防止するものである。

次に、コンデンサ２４が充電されると、ツェナーダイオード２１と抵抗２３の接続点から抵抗２５を通じてトランジスタ２７にコレクタに電流が流れる。但し、この時、トランジスタ２７にはツェナーダイオード２０を介してベース電流が供給されているものとする。

さて、図２は、本発明のスイッチング電源を２台用意して並列運転又は冗長化運転するときの接続構成を説明するブロックである。このように並列運転時の接続構成は、逆流防止ダイオード８をつき合わせる形態で出力端子１９が互いに接続される。

（本発明の電源を単独運転した時の電源オフ時の動作説明）
本発明のスイッチング電源を単独運転している時に、コンデンサ２４が充電された状態でスイッチング電源をオフすると、２次側出力ラインの電圧が徐々に低下してツェナーダイオード２０の規定値（降伏電圧）以下になるとトランジスタ２７がオフし、抵抗２３，２５を介してコンデンサ２４からの放電電流がトランジスタ２６とトランジスタ２９のベースに供給されて、コンデンサ２４と抵抗２３，抵抗２５の時定数で決定される時間だけトランジスタ２６，２９がオンする。このトランジスタ２６のオンにより過電圧保護用のフォトカプラ１３の発光ダイオードが発光し、受光トランジスタがオンして１次側のメイントランジスタ（５）をオフする（すなわち絶縁が維持されたまま検出信号は伝達される）と同時に、トランジスタ２９のオンにより抵抗２８を介して出力端子ラインの電荷を瞬時に放電すると共に、逆流防止ダイオード８を介して２次側出力ラインの電荷を瞬時放電する。すなわち、トランジスタ２９はコンデンサ２４から流出される電流によって出力端子ラインを介して接地する。上記の時定数内においては、この状態、すなわち、１次側のメイントランジスタ（５）のオフ状態、そして出力端子ラインと２次側出力ラインの放電状態が継続され、この間に、スイッチング電源の再オン指令（電源再投入）が入ったとしても、オフ状態を継続する。

図３は、本発明のスイッチング電源を単独運転している時の電源オフ時における各部信号の状態を説明する波形図である。図３に示した各種信号は、図２に付された信号であり、図２は並列運転又は冗長化運転するときの接続構成図であるが、単独運転時の接続構成は出力端子１９が接続されないものであるので、ここでは便宜上図２の符合を用いてスイッチング電源の単独運転時の回路の動作を説明する。

図３において、Ｐ１時点で電源のオフ操作が行われＶｉｎ，Ｖｏｕｔ，そしてＡ点の電圧は徐々に下降している。ここで、ＶｉｎおよびＶｏｕｔは正常に電源が駆動されていれば２４Ｖである。続いて、Ｐ２時点において、２次側出力ラインの電圧がツェナーダイオード２０の規定値（降伏電圧）１５Ｖ以下になるとトランジスタ２７がオフする（Ｂ点ＯＦＦ）。同様Ｐ２時点において、Ｂ点のオフによってコンデンサ２４から放出される放電電流ｉＢはトランジスタ２９のベース電流として供給される。ベース電流が供給されたトランジスタ２９は抵抗２８を介して出力端子ラインおよび逆流防止ダイオードを介して２次側出力ラインを瞬時に放電する。この放電時間は、放電電流ｉＢがトランジスタ２９を駆動する時間で規定され、コンデンサ２４と抵抗２３，抵抗２５の時定数で決定される。この例の場合の放電時間は、抵抗２８を介してトランジスタ２９が放電する放電電流とトランジスタ２９の特性の兼ね合いから１秒以下に設定されている。

（本発明の電源を並列運転した時の電源オフ時の動作説明）
図２は、本発明のスイッチング電源を２台用意して並列運転する接続例を示すブロック図である。このように並列運転時の接続構成は、それぞれのスイッチング電源の逆流防止ダイオード８をつき合わせる形態で出力端子１９を互いに接続する。

さて、本発明のスイッチング電源が並列運転されているとき、上述のようにダイオード２２又はダイオード３０を介してコンデンサ２４が充電される。この状態で第１のスイッチング電源をオフすると、出力端子ラインには第２のスイッチング電源からの出力電圧の印加が維持されているのでツェナーダイオード２０の規定値（降伏電圧）以下にはならず、トランジスタ２７はオンの状態を継続する。従って、トランジスタ２９に対してベース電流が供給されないためトランジスタ２９の放電作用は発生しない。

このため、並列運転時に第１のスイッチング電源をオフしても、トランジスタ２９による出力端子ラインの放電が発生しないので、第２の電源に影響を与えることは無い。
この後、第２のスイッチング電源がオフされると、出力端子ラインには第２のスイッチング電源からの出力電圧が印加されなくなるので、出力端子ラインの電圧はツェナーダイオード２０の降伏電圧以下になるためトランジスタ２７がオフし、トランジスタ２９は抵抗２８を介して上述単独運転の説明と同様に出力端子ラインおよび２次側出力ラインを瞬時に放電する。その後の電源再投入における動きは上述単独運転時の説明と同様である。

（本発明の電源を冗長化運転した時の電源切替え時の動作説明）
図２において、第１のスイッチング電源を稼動側電源とし、第２の電源を待機側電源として冗長化運転したときも上述のようにダイオード２２を介して第１のスイッチング電源のコンデンサ２４が充電される。この状態で第１のスイッチング電源をオフし、瞬時に第２のスイッチング電源がオンされると、第１のスイッチング電源の２次側出力ラインと出力端子ラインの電圧が徐々に低下するが、オンされた第２のスイッチング電源の出力電圧が出力端子ラインに印加されるため、該出力端子ラインの電圧はツェナーダイオード２０による降伏電圧以下にはならない。このためトランジスタ２７はオンの状態を維持し、トランジスタ２９による放電作用は発生しない。

また、第１のスイッチング電源がオフされた後、該電源のトランジスタ２９による放電作用が働いている最中に第２のスイッチング電源がオンされたときの動作例として図４を参照しながら説明する。

図４において、Ｐ１は第１のスイッチング電源をオフしたときである。このＰ１時点でのスイッチング電源の各部の動きは、上述単独運転時の説明と同じである。同様図４のＰ２時点において、２次側出力ラインの電圧がツェナーダイオード２０の規定値（降伏電圧）１５Ｖ以下になりトランジスタ２７がオフする（Ｂ点ＯＦＦ）。そしてコンデンサ２４から放出される放電電流ｉＢは、トランジスタ２９のベース電流として供給されるためトランジスタ２９は抵抗２８を介して出力端子ラインおよび逆流防止ダイオード８を介して２次側出力ラインを放電している。この放電中に第２のスイッチング電源がオンされたためＶｏｕｔの電圧は上昇に転じ（Ｐ３の少し前）、そして、Ｐ３時点において、Ｖｏｕｔの電圧がツェナーダイオード２０の規定値（降伏電圧）１５Ｖ以上となったのでトランジスタ２７がオンしている（Ｂ点ＯＮ）。同様Ｐ３時点において、トランジスタ２７がオンすると同時にトランジスタ２９へのベース電流が供給されなくなるのでトランジスタ２９は瞬時にオフされる。このようにして、放電作用はトランジスタ２９のオフと同時に解除される。

このように、冗長化運転時における電源の切替えにおいても、本発明のスイッチング電源は他の電源に影響を与えることがなく、システムの動作を安定に保つことができる。
また、出力端子ラインの電圧がツェナーダイオード２０の降伏電圧以上となると瞬時に放電作用が解除されるので、本発明はトランジスタ２９と抵抗２８で構成される放電回路部の過熱や破損を防止することができる。

尚、本発明に係る実施例においては２台のスイッチング電源を並列運転する例を説明したが、３台以上のスイッチング電源を並列運転するときにも適用可能であることは勿論である。

４ トランス
７ 平滑用コイル
８ 逆流防止ダイオード
９ 整流ダイオード
１０ 平滑用コンデンサ
１２ フォトカプラ
１３ フォトカプラ
１４ シャントレギュレータ
１５ 分圧抵抗
１６ ツェナダイオード
１７ 抵抗
１９ 出力端子
２０ ツェナダイオード
２１ ツェナダイオード
２２ ダイオード
２３ 抵抗
２４ コンデンサ
２５ 抵抗
２６ トランジスタ
２７ トランジスタ
２８ 抵抗
２９ トランジスタ
３０ ダイオード

Claims (4)

1. スイッチング電源であって、
   当該スイッチング電源はトランスの１次側に供給されるスイッチング電流を制御する制御手段と、前記トランスの２次側出力ラインと前記スイッチング電源の出力端子ラインとの間に挿入された前記出力端子ラインから前記２次側出力ラインへ電流が流れることを防止する逆流防止手段と、
   前記２次側出力ラインもしくは前記出力端子ラインのいずれか一方の電圧が規定電圧を超えているときはオンし、前記２次側出力ラインと前記出力端子ラインの両方の電圧が規定電圧以下になったときはオフする第１スイッチ手段と、
   前記２次側出力ラインから第１ダイオードを介して充電され又は前記出力端子ラインから第２ダイオードを介して充電され、前記第１スイッチ手段がオフで且つ前記第１ダイオードおよび第２ダイオードを介しての充電電流の供給が尽きると放電する蓄電手段と、
   前記第１スイッチ手段に接続され、該第１スイッチ手段がオフしているときは前記蓄電手段の放電電流によって前記２次側出力ラインと前記出力端子ラインの電荷を放電する第２スイッチ手段を備えたことを特徴とするスイッチング電源。
2. 前記蓄電手段はコンデンサであることを特徴とする請求項１に記載のスイッチング電源。
3. 前記蓄電手段はコンデンサと抵抗の直列回路であることを特徴とする請求項１に記載のスイッチング電源。
4. 請求項１に記載のスイッチング電源であって、更に、
   前記第１スイッチ手段に接続されて、当該第１スイッチ手段がオンしているときはオフし、当該第１スイッチ手段がオフしているときは前記蓄電手段の放電電流によってオンする第３スイッチ手段と、
   この第３スイッチ手段に接続されて、当該第３スイッチ手段がオンしているときは、前記蓄電手段の放電電流に応答して前記制御手段の動作をオフする動作オフ手段を備えることを特徴とするスイッチング電源。

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