JP6571442B2 - 交流入力直流出力型電源およびその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、交流入力直流出力型電源およびその制御方法に関する。

商用電源を入力とした、交流入力直流出力型の電源が、広く利用されている。このような電源では、種々の観点から日々改良が試みられている。例えば特許文献１には、高効率化、低消費電力化を行う技術が開示されている。特許文献２には、電解コンデンサの破損を防止する技術が開示されている。特許文献３には、出力電圧の精度を向上する技術が開示されている。特許文献４には、ノイズを低減する技術が開示されている。

上記のような電源を利用する電気・電子機器の多くは、クロック信号を利用して動作する。クロック信号の基準振動発生手段は、多くの場合、水晶振動子やセラミック振動子などが用いられているが、これらの精度はそれほど高くない。そこで、高い周波数精度を有する商用電源周波数を利用する方法が提案されている。商用交流電源の周波数偏差は、長期的に約０．１６７ｐｐｍであり、一般的に使用される水晶振動子に比べて３０倍以上の精度を有している。例えば、特許文献５には、商用電源の周波数を用いて、計時カウンタを補正する時計装置の技術が開示されている。また、特許文献６には、ＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ Ｌｏｃｋｅｄ Ｌｏｏｐ）回路を用いて商用周波数の整数倍のパルスを発生するパルス発生装置の技術が開示されている。

上記の交流入力直流出力型電源とクロック発生装置を用いて、電気・電子機器に直流電圧とクロック信号とを供給することができる。

特開２０１２−１３９０２４号公報 特開２０１３−１３８６０８号公報 特開２０１４−１３８５２３号公報 特開２０１４−２０４５４４号公報 特開２０１２−８８２０２号公報 実開平１−７２７３７号公報

しかしながら、特許文献１−４の交流入力直流出力型電源と特許文献５−６のクロック発生装置とを用いる方法では、電源とクロック発生装置とを別々に用意しなければならないという問題があった。別々に用意することで、小型化および低価格化が困難であった。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、小型、低コストで直流電圧と高精度のクロック信号とを供給できる交流入力直流出力型電源を提供することを目的としている。

上記の課題を解決するため、本発明の交流入力直流出力型電源は、交流電圧を入力して２次電圧を生成し前記２次電圧を第１の２次交流電圧と第２の２次交流電圧とに分岐して出力する電圧変換手段と、前記第１の２次交流電圧を入力し所定の直流電圧を出力する直流電圧生成手段と、前記第２の交流電圧を入力し矩形波電圧信号を出力する波形整形手段と、前記矩形波電圧信号の周波数を所定の周波数に調整してクロック信号を出力する周波数調整手段と、を有している。

本発明の効果は、小型、低コストで直流電圧と高精度のクロック信号とを供給できる交流入力直流出力型電源を提供できることである。

第１の実施の形態を示すブロック図である。 第２の実施の形態を示すブロック図である。 第３の実施の形態を示すブロック図である。 第４の実施の形態を示すブロック図である。 第５の実施の形態を示すブロック図である。 第６の実施の形態を示すブロック図である。 第７の実施の形態を示すブロック図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を詳細に説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい限定がされているが、発明の範囲を以下に限定するものではない。なお各図面の同様の構成要素には同じ番号を付し、説明を省略する場合がある。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態の交流入力直流出力型電源を示すブロック図である。交流入力直流出力型電源１０００は、電圧変換手段１００と、直流電圧生成手段２００と、波形整形手段３００と、周波数調整手段４００と、を有している。

電圧変換手段１００は交流電圧１の入力を受けて、２次交流電圧に変換する。そしてその２次電圧を第１の２次交流電圧２と第２の２次交流電圧３に分岐して出力する。

直流電圧生成手段２００は、第１の２次交流電圧２を入力されて、所定の直流電圧４を出力する。

波形整形手段３００は、第２の２次交流電圧３の入力を受けて矩形波電圧信号５を出力する。

周波数調整手段４００は、矩形波電圧信号５の入力を受けて、周波数を所定値に調整し、クロック信号６を出力する。

以上説明したように、本実施形態によれば、１つ交流電源から、直流電圧と、クロック信号を同時に出力する交流入力直流出力型電源を構成することができる。

（第２の実施形態）
図２は、第２の実施形態を示すブロック図である。本実施形態では、交流入力直流出力型電源１０００の具体的な構成の一例について説明する。交流入力直流出力型電源１０００は、電圧変換手段としてトランス１００ａを有し、波形整形手段３００としてコンパレータ３００ａを有している。また、この例では、商用交流電圧１ａを入力としている。

次に動作について説明する。トランス１００ａは、商用交流電圧１ａを所定の２次電圧に変換し、第１の２次交流電圧２と、第２の２次交流電圧３とを出力する。直流電圧生成手段２００は、第１の２次交流電圧から所定の直流電圧４を生成し出力する。直流電圧生成には各種の周知技術を用いることができる。

コンパレータ３００ａは、第２の２次交流電圧の入力を受けて矩形波の電圧信号を出力する。例えば、入力電圧が閾値以上なら論理値１を、閾値未満なら理論値０を出力するように動作する。この動作により、正弦波等で入力された第２の２次交流電圧３から、矩形波電圧信号５を生成し出力する。周波数調整手段４００は、矩形波電圧信号５の周波数を所定の値に調整し、クロック信号６を生成し出力する。周波数調整方法の詳細については後述する。

以上説明したように、本実施形態によれば、簡易な構成で、１つ交流電源から、直流電圧と、クロック信号とを同時に出力する交流入力直流出力型電源を提供することができる。

（第３の実施形態）
図３は周波数調整手段４００の具体的な構成を示すブロック図である。周波数調整手段４００は、位相周波数比較器４１０と、ループフィルタ４２０と、電圧制御発信器４３０と、可変分周器４４０と、を有している。この構成は、ＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ Ｌｏｃｋｅｄ Ｌｏｏｐ）周波数シンセサイザと呼ばれるものである。また可変分周器４４０には分周比設定手段４５０が接続し、外部から可変分周器４４０の分周比を設定できるようになっている。周波数調整手段４００は、周波数ｆｉの基準信号から、分周比設定手段４５０で設定した分周比に応じた周波数ｆｏの出力パルス信号を出力する。

位相周波数比較器４１０は、入力された２つのパルス信号の位相比較を行い、位相差に比例した電圧の誤差パルス信号を出力する。

ループフィルタ４２０は、誤差パルス信号を平均化し直流信号にして出力する。

電圧制御発信器４３０は、入力電圧に対して直線的に出力周波数が変化する領域を持った発振器である。ループフィルタが出力する直流信号を入力として、それに応じて周波数を調整したパルス信号を出力する。

可変分周器４４０は、電圧制御発信器４３０から入力された周波数ｆｏの信号を周波数ｆｏ／Ｎにして出力する。

次に動作について説明する。ここで、可変分周器４４０に分周比Ｎ（Ｎは整数）を設定しているとする。

位相周波数比較器４１０に周波数ｆｉの基準信号と周波数ｆｏ／Ｎの信号が入力される。位相周波数比較器４１０は、２つの信号の位相差に比例した電圧の誤差パルス信号を出力する。誤差パルス信号はループフィルタ４２０によって直流信号に変換され電圧制御発信器４３０に入力される。電圧制御発信器４３０は、ｆｉ＞ｆｏ／Ｎであればｆｏが大きくなるように、ｆｉ＜ｆｏ／Ｎであればｆｏが小さくなるように周波数を調整する。こうしてｆｉ＝ｆｏ／Ｎの状態を保つように周波数を調整する。その結果、ｆｏ＝Ｎ＊ｆｉが出力信号の周波数となる。すなわち周波数調整手段４００は、入力信号のＮ倍の周波数の信号を出力する。

上述の分周比Ｎは、分周比設定手段４５０によって、外部から設定できる。このため、本実施形態によれば、出力するクロック周波数を所望の値に設定することができる。なお日本国内で商用電源を元電源とする場合には、周波数が５０Ｈｚと６０Ｈｚの場合があるが、分周比はそれを考慮して設定すればよい。

（第４の実施形態）
本実施形態では、可変分周器４４０と分周比設定手段４５０の具体的な構成例について説明する。可変分周器４４０はカウンタ４４１と、一致回路４４２と、フリップフロップ４４３と、を有する。また分周比設定手段として、分周比設定スイッチ４５０ａを有する。

カウンタ４４１は入力されたパルス（ここでは周波数ｆｏ）をカウントする。ここでは、２進法でカウントし、各桁（図４では４桁）が０（＝Ｌｏｗ）または１（＝Ｈｉｇｈ）のカウント値ＣＮＴを出力するものとする。

分周比設定スイッチ４５０ａは各桁のスイッチに０（＝Ｌｏｗ）または１（＝Ｈｉｇｈ）の値を設定する。

一致回路４４２は、分周比設定スイッチ４５０ａの設定値とカウント値ＣＮＴが一致したときに一致信号ＥＱを出力する。

ＥＱ信号はフリップフロップ４４３に入力され、フリップフロップ４４３は、ＥＱ信号が入力される毎に出力を反転する。また、ＥＱ信号はカウンタ４４１にも入力され、カウンタ４４１はＥＱ信号が入力される毎に、カウント値をリセットする。

以上のような構成とすると、入力パルスのカウント数が、設定スイッチで設定した値になる毎にフリップフロップ４４３の出力が反転する。このため、出力パルスの周期は入力パルスの周期×設定カウント数×２（＝Ｎとする）になる。すなわち周波数が１／Ｎに分周される。以上のようにして、可変分周器に所望の分周比を設定することができる。なお、スイッチの実装形態は任意であるが、シンプルな形としては、例えば桁ごとに１、０を選択するディップスイッチとすることができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、外部から簡単に分周比を設定できる。すなわち、簡単な操作で所望の周波数のクロック信号を電源から出力することができる。

（第５の実施形態）
図５は第５の実施形態を示すブロック図である。本実施形態は、第４の実施形態の分周比設定スイッチ４５０ａを、レジスタ４５０ｂに置き換えた構成となっている。レジスタ４５０ｂは、所望の分周比を得るための設定値を保持する。レジスタ４５０ｂの設定値は、例えば外部から入力する分周比制御信号７で設定することができる。可変分周器４４０の動作は、第４の実施形態と同様である。

（第６の実施形態）
図６は、第６の実施形態を示すブロック図である。本実施形態の交流入力直流出力型電源１０００は、第１の実施の形態の構成に加えて、電圧変換手段１００の入力側に、周波数変換手段５００を有している。周波数変換手段５００は交流電圧１の周波数を異なる周波数に変換して、変換交流電圧１ａを出力する。なお周波数変換手段５００が変換する周波数の倍率は、可変としておくこともできる。変換交流電圧１ａから直流電圧４と、クロック信号６とを出力する動作は、第１の実施形態と同様であるため説明を省略する。

このように、元の電源の周波数を変換する一つのメリットは、出力するクロック信号６の周波数範囲を用途に合わせて変更できることである。例えば、周波数調整手段４００の調整範囲を超えた高周波クロックがほしい場合には、元の周波数を高くしておくことによって、当該周波数を得ることが可能になる。

変換交流電圧１ａの周波数を高くする場合には、電圧変換手段１００を小型化できるというメリットもある。電圧変換手段１００に電磁誘導を利用したトランスを用いる場合、原理的に周波数が高いほどトランスは小さくできるからである。

以上説明したように、本実施形態によれば、交流入力直流出力型電源から出力するクロック周波数の調整範囲を広くしたり、装置全体を小型化したりすることができる。

（第７の実施形態）
図７は、第７の実施形態を示すブロック図である。本実施形態の交流入力直流出力型電源１０００は、複数のクロック信号を出力することができる。そのために、第６の実施形態の構成に加えて、波形整形手段３００の後段に、複数の周波数調整手段（４００＿１、４００＿２、・・・４００＿ｍ）を有している。図中で、各周波数調整手段４００に向かう点線矢印は、手動や制御信号による周波数の設定を表している。周波数調整手段４００＿１、４００＿２、・・・４００＿ｍの出力する周波数は、互いに独立に設定され、クロック信号６＿１（ＣＬＫ１）、６＿２（ＣＬＫ２）、・・・、６＿ｍ（ＣＬＫｍ）、を出力する。このような構成とすることにより、複数のクロック信号を同時に出力することができる。一般的に、電気、電子機器で用いられるクロックの周波数は、複数であることが多く、本実施形態はそのような場合に、好適である。

なお、ここでは直流電圧４を１系統としているが、直流電圧を４の出力が複数ある構成としても良い、また、周波数変換手段５００を用いない構成とすることもできる。

以上、上述した実施形態を模範的な例として本発明を説明した。しかしながら、本発明は、上記実施形態には限定されない。即ち、本発明は、本発明のスコープ内において、当業者が理解し得る様々な態様を適用することができる。

１ 交流電圧
２ 第１の２次交流電圧
３ 第２の２次交流電圧
４ 直流電圧
５ 矩形波電圧信号
６ クロック信号
７ 分周比制御信号
１００ 電圧変換手段
２００ 直流電圧生成手段
３００ 波形整形手段
４００ 周波数調整手段
４１０ 位相周波数比較器
４２０ ループフィルタ
４３０ 電圧制御発信器
４４０ 可変分周器
４５０ 分周比設定手段
５００ 周波数変換手段

Claims (9)

1. 入力された交流電圧を入力電圧よりも高い周波数の第２の交流電圧に変換する周波数変換手段と、
   前記第２の交流電圧をトランスの１次側に入力して前記トランスの２次側に２次電圧を生成し、前記２次電圧を第１の２次交流電圧と第２の２次交流電圧とに分岐して出力する電圧変換手段と、
   前記第１の２次交流電圧を入力し所定の直流電圧を出力する直流電圧生成手段と、
   前記第２の２次交流電圧を入力し矩形波電圧信号を出力する波形整形手段と、
   前記矩形波電圧信号の周波数を所定の周波数に調整してクロック信号を出力する周波数調整手段と、
   を有することを特徴とする交流入力直流出力型電源。
2. 交流電圧をトランスの１次側に入力してトランスの２次側に２次電圧を生成し、前記２次電圧を第１の２次交流電圧と複数の第２の２次交流電圧とに分岐して出力する電圧変換手段と、
   前記第１の２次交流電圧を入力し所定の直流電圧を出力する直流電圧生成手段と、
   前記複数の第２の２次交流電圧のそれぞれを入力しそれぞれの矩形波の電圧信号を出力する複数の波形整形手段と、
   前記それぞれの矩形波の電圧信号の周波数を所定の周波数に調整してクロック信号を出力する複数の周波数調整手段と、
   を有することを特徴とする交流入力直流出力型電源。
3. 前記周波数調整手段が、クロック信号の周波数を外部から設定する周波数設定手段を有する、
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の交流入力直流出力型電源。
4. 前記周波数調整手段が、可変分周器を備えたＰＬＬ分周回路を有する、
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の交流入力直流出力型電源。
5. 前記可変分周器が、
   入力パルスのパルス数をカウントするカウンタと、
   前記カウントが所定値に達したときに一致信号を出力する一致回路と、
   前記所定値を設定する所定カウント値設定手段と、
   前記一致信号が入力されたときに出力を反転させるフリップフロップと、
   を有することを特徴とする請求項４に記載の交流入力直流出力型電源。
6. 前記所定カウント値設定手段が、
   前記所定値を手動で設定するスイッチ群であることを特徴とする請求項５に記載の交流入力直流出力型電源。
7. 前記所定カウント値設定手段が、
   前記所定値を保持するレジスタである
   ことを特徴とする請求項５に記載の交流入力直流出力型電源。
8. 入力された交流電圧を入力電圧よりも高い周波数の第２の交流電圧に変換し、
   前記第２の交流電圧をトランスの１次側に入力して前記トランスの２次側に２次電圧を生成し
   前記２次電圧を第１の２次交流電圧と第２の２次交流電圧とに分岐して出力し、
   前記第１の２次交流電圧を入力して所定電圧の直流電圧を出力し、
   前記第２の２次交流電圧の波形を整形して矩形波の電圧信号を生成し、
   前記矩形波の電圧信号を入力して周波数を所定の周波数に調整してクロック信号を出力する、
   ことを特徴とする交流入力直流出力型電源の制御方法。
9. 交流電圧をトランスの１次側に入力してトランスの２次側に２次電圧を生成し、
   前記２次電圧を第１の２次交流電圧と複数の第２の２次交流電圧とに分岐して出力し、
   前記第１の２次交流電圧を入力して所定の直流電圧を出力し、
   前記複数の第２の２次交流電圧のそれぞれを入力しそれぞれの矩形波の電圧信号を出力し、
   前記それぞれの矩形波の電圧信号の周波数を所定の周波数に調整してクロック信号を出力する
   ことを特徴とする交流入力直流出力型電源の制御方法。

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