JP6712899B2 - 電源制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、電源制御装置に関し、直流電源投入時に発生する過電圧を抑制すると共に、電源供給側で瞬時低下、瞬時停電が発生した場合に負荷装置の誤動作、破損を防止し、負荷装置を保護する技術に関するものである。

直流電源の投入時に負荷装置側で発生する過電圧から負荷装置を保護する構成としては、一般的に、負荷装置に過電圧保護用のダイオードを備えるもの、負荷装置に発生する過電圧をあらかじめ測定しその電圧に耐え得る素子を選定することで過電圧への耐久性を持たせるもの、過電圧を検出した場合に負荷への通電を制御する負荷駆動スイッチを強制的に導通させることによりこの過電圧を負荷側に逃がす過電圧保護方式が知られている。しかし負荷装置側にそのような構成を設けることは、負荷装置の大型化ないしは、高価格化の原因となる。

一方、特許文献１の図１には、スイッチ１４０と、スイッチ１４０を通じて被保護回路１０１に電圧が印加され、被保護回路１０１に印加される電圧が所定値に達してから所定時間経過後にスイッチ１４０をオンし、被保護回路に過電圧が印加されることを防止するものが開示されている。そして、同文献には、所定時間として１μｓｅｃ以上１０μｓｅｃ以下の時間を設定することで、電源投入に起因する過電圧から確実に負荷装置を保護することが可能である旨、記載されている。

一方、特許文献２の図２には、電源の瞬停による負荷装置の誤動作を防止する構成が開示されている。これは、電圧が所定値以下の低電圧になったことに応答して計時を開始し、所定時間経過後に計時を停止するタイマ回路（１２）と、計時の開始時点および停止時点で発停するアラーム信号を出力する電源異常検出回路（１４）と、アラーム信号がアクティブにされている期間は電源モジュールをオフにするオン・オフ回路（１５）と、を備えるものである。そして、同文献には、瞬停による低電圧が検出された場合に、瞬停時間に関わりなく電源モジュールの出力が所定時間だけオフにされるので、瞬停時間が短いために負荷装置がリセットされる前に入力電圧が復帰することで負荷装置が誤動作する不都合が防止される旨、記載されている。

ここで、特許文献１は、過電圧保護回路が負荷装置自体に配設されることを特定しておらず、また、特許文献２は負荷装置とは別体に設けられる電源装置を開示しており、負荷装置の大型化ないしは高価格化をもたらすものではないものと考えられる。

特開２００８−１０４３２８号公報 特開２００９−３０３２９５号公報

特許文献１および２において、スイッチおよび電源モジュールのオン・オフ回路が使用
されているが、これらの文献はそれぞれ、過電圧からの負荷装置の保護目的および瞬停時の負荷装置の誤動作防止目的に特化した構成を開示している。しかし、実際に使用される直流電源装置には様々な形態のものがあり、いずれの直流電源装置にも対応可能な構成については考慮されていない。

よって本発明は、構成簡単且つ種々の直流電源装置にも対応可能で、負荷装置を確実に保護できる電源制御装置を提供することを目的とする。

そのために、本発明は、直流電源装置と負荷装置との間に介挿される電源制御装置であって、 前記直流電源装置と前記負荷装置をつなぐ電源供給ラインと、該電源供給ラインに接続されたコンデンサと、を備え、該コンデンサは、電源供給ラインの構成によって定まる前記電源制御装置のインダクタンスに対し、前記負荷装置への電源供給時に生じる最大行き過ぎ量が入力電圧の２５％未満となる容量を有することを特徴とする。

本発明では、前記電源供給ラインに介挿されて前記負荷装置への電源供給をオン／オフするスイッチ素子と、前記直流電源装置からの電源電圧を監視し、その電源電圧の立ち上がり時に所定電圧となったことを検出するとともに、当該検出後に所定時間が経過した以降にのみ、前記スイッチ素子による電源供給動作をオンとさせる電源出力制御回路と、計時時間設定回路を備えることができる。

本発明によれば、過電圧発生の原因となる電源供給ラインのインダクタンスおよび電源制御装置に搭載されるコンデンサによる共振現象に着目し、コンデンサの容量を適切に選定することで、負荷装置の過渡応答特性が改善される。また、直流電源装置からの電源電圧を監視し、その電源電圧の立ち上がり時に所定電圧となったことを検出するとともに、当該検出後に所定時間が経過した以降にのみ、スイッチ素子による電源供給動作をオンとする構成を採用する。これらにより、負荷装置や電源装置に過電圧保護回路を設けることなく、また直流電源装置の形態によらず、電源の投入、切替え、交換時に発生する過電圧を抑制し、負荷装置の破壊を防止するとともに、電源の瞬停にも対応できるようになる。

図１は、本発明の一実施形態に係る電源制御装置の構成を示すブロック図である。 図１の構成をモデル化した回路図である。 図２の回路において、コンデンサ容量を適切に選定しなかった場合に生じるオーバーシュートをシミュレートした図である。 図２の回路において、コンデンサ容量を適切に選定した場合をシミュレートした図である。

以下、図面を参照して本発明を詳細に説明する。

図１を参照すると、直流（ＤＣ）電源装置１と負荷装置２との間に、本発明の一実施形態に係る電源制御装置３が介挿されている。電源制御装置３は、概して、電源出力回路１０と、電源出力制御回路２０と、制御回路用電源回路３０と、電圧値検出回路４０と、計時時間設定回路５０と、を含む。

電源出力回路１０はＰチャネルＦＥＴまたはＮチャネルＦＥＴなどを用いたスイッチ素子及び、ＰチャネルＦＥＴまたはＮチャネルＦＥＴを内蔵したＩＣ及び、ＰチャネルＦＥＴまたはＮチャネルＦＥＴを制御することができるＩＣであり、ＤＣ電源装置１と負荷装置２との間の電源供給ラインに配設され、電源出力制御回路２０からの制御信号に応じて、負荷装置２への電源供給をオン／オフする。

電源出力制御回路２０は、制御回路用電源回路３０から電源を供給され、電圧値検出回路４０から供給される電圧を監視する機能と、計時機能とを有し、これらの機能に応じて電源出力回路１０のオン／オフ動作を制御する制御信号を生成する。本実施形態において、電源出力制御回路２０は、電源電圧の立ち上がり時において所定電圧となったことを検出するとともに、当該検出後に所定時間が経過した以降にのみ、電源出力回路１０による電源供給動作をオンとさせる。すなわち、電源出力制御回路は、かかる条件が満たされないとき（所定電圧未満である場合等）には、電源出力回路１０による電源供給動作をオフとさせる。

電源出力制御回路２０が監視する電圧値は、ＤＣ電源装置１からの電源供給ラインに接続された分圧回路を用いた電圧値検出回路４０で設定することが可能である。また、電源出力制御回路２０が計時する所定時間は、コンデンサを用いた計時時間設定回路５０で設定することが可能である。この所定時間は、ＤＣ電源装置１の電源投入時のチャタリングや、ＤＣ電源装置１がバッテリーである場合、バッテリーの交換時のコネクタ挿入ミスの発生を考慮し、０．５秒以上の時間に設定する。このように所定時間を設定すれば電源電圧が十分に安定し、負荷装置２にはステップ状の電源電圧を入力することが可能となる。

制御回路用電源回路３０は、ＤＣ電源装置１と電源出力制御回路２０との間に介挿されて電源出力制御回路２０を動作させるための定電圧回路であり、三端子レギュレーターと、発振防止のための０．１μＦ程度のコンデンサなどから構成される。さらに、このコンデンサへの突入電流を防止するために数Ωの抵抗器が搭載されてもよい。また、三端子レギュレーターの代わりに、シャントレギュレータやツェナーダイオードなどの素子が使用されてもよい。

本実施形態において、ＤＣ電源装置１から入力された電源電圧は制御回路用電源回路３０を介して電源出力制御回路２０に供給される。電源出力制御回路２０は、電圧値検出回路４０から供給される電源電圧を監視し、電圧値検出回路４０によって設定された所定電圧となると計時を開始する。そして、計時時間設定回路５０で設定された所定時間が経過すると、電源出力回路１０に制御信号を出力し、これに応動して、電源出力回路１０は負荷装置２への電源供給をオンとする。また、ＤＣ電源装置１から入力される電源電圧が低下し（遮断を含む）、所定電圧未満となると、電源出力制御回路２０は電源出力回路１０の負荷装置２への電源出力をオフとさせる。その後、ＤＣ電源装置１からの電源電圧の入力が回復し、所定電圧となると、その時点から所定時間の経過後に、電源出力回路１０に制御信号を出力し、これに応動して、電源出力制御回路２０は電源出力回路１０の負荷装置２への電源出力を再びオンとさせる。

本実施形態の構成は、負荷装置２に対して直流電力を供給するＤＣ電源であればその形態を問わず、すなわち、ＤＣ電源装置１がＡＣ／ＤＣコンバーター，ＤＣ／ＤＣコンバーター，バッテリー等のいずれの形態であっても対応可能である。
また所定電圧に達してからさらに適切な所定時間が経過した後に負荷装置２への電源供給がオンとされるため、電源投入時や電源交換時に発生する電源電圧の不安定な状態での負荷装置への給電を回避し、また、瞬停が生じた場合でも特許文献２のように電源モジュールをオフとすることなく（つまり電源出力は維持したまま）、負荷装置２への電源出力を遮断できることで、負荷装置の破壊や誤動作を防止することができる。これは、電源モジュールの出力をオン／オフする機能がないバッテリー等の電源が使用される場合に有利な構成である。

本実施形態に係る電源制御装置荷は、負荷装置を保護するために特許文献１のようにスイッチやダイオードなどの過電圧に応動する機構が設けられていない。その代わりに、本発明は、過電圧発生の原因となる電源供給ラインのインダクタンスＬおよび電源制御装置に搭載されるコンデンサＣによる共振現象に着目し、負荷装置２に加わる過電圧（行き過ぎ量）が軽減されるような回路構成を採用している。上述したように電源出力制御回路２０の動作によって、電源制御装置を介して負荷装置にはステップ状に電源電圧が入力される。この際、二次遅れ（振動）要素であるインダクタンスＬは電源供給ラインに固有であることから、電源制御装置３におけるコンデンサを適切に選定して、負荷装置２に特に悪影響を及ぼす過電圧（最大行き過ぎ量）の発生を抑制することができる。

つまり、本実施形態では、共振周波数（ｆｒ＝１／２π（ＬＣ）^1/2）ないしは固有角振動数を上げ、且つ減衰係数を小さくすることによって、立ち上がり時間および整定時間を短縮し、且つ最大行き過ぎ量を低減して減衰を速めるものである。具体的には、インダクタンスＬは電源供給ラインの構成に応じて決まる固有の値であることから過渡応答特性は電源制御装置３のコンデンサＣの容量のみに依存することになるので、これを必要最低限の容量とすることで、共振周波数を上げ過電圧を抑止することができる。

本発明者は、図２に示す等価回路に基づくシミュレーションを行った。ここで、図２において、インダクタンスＬの値Ｌ１は電源供給ラインの構成に基づいた一定の値であり、ここでは２．２μＨを想定している。また、抵抗Ｒは負荷装置２の等価抵抗であり、一般的な負荷装置２であればその抵抗値Ｒ１を１０Ω〜１００Ωと想定すれば妥当である。一方、コンデンサＣは、ＤＣ電源装置１から負荷装置２への電源供給ラインに介挿されるものであり、電源出力回路１０、電源出力制御回路２０または制御回路用電源回路３０の構成要素とすることができる。

そして、本発明者がコンデンサＣの容量を１００μＦおよび０．１μＦとし、電源電圧１５Ｖを印加したときの応答をシミュレートした結果を、それぞれ、図３および図４に示すような結果を得た。これらの図に示すように、容量がＣ１＝１００μＦと大きい図３では７Ｖ（＝２２Ｖ−１５Ｖ）にも及ぶ最大行き過ぎ量が生じ、且つ振動が減衰する時間も長くなる。これに対し、容量をＣ１＝０．１μＦと小さくした図４では、最大行き過ぎ量は０．３Ｖ程度であり、且つ振動減衰時間も大幅に改善されていることがわかる。

実際には、インダクタンスＬの値Ｌ１および負荷装置２の耐圧性能に応じてコンデンサＣの容量Ｃ１は適宜定め得るものであるがコンデンサの容量を大きくすることはＤＣ電源装置の起動、または交換時に突入電流の増大をまねき、電源制御装置３の部品価格の上昇につながる。このため本発明では、コンデンサの容量を小さくすることとしている。よって、本発明者は、種々の実験およびシミュレーションを通じ、Ｌ１＝１〜１０μＨに対し、最大行き過ぎ量を入力電圧の２５％未満、好ましくは１０％未満に抑制する上では、セラミックコンデンサでは概してＣ１＜０．１μＦとすることが好ましいことを確認した。

なお、本発明は、上述した実施形態および随所に述べた変形例に限られることなく、種々の修正および変更が可能である。

例えば、電圧値検出回路４０に用いられる分圧回路に可変抵抗器を使用し、および／または、計時時間設定回路５０に容量可変コンデンサを使用することで、所定電圧および／または計時時間の調整が可能となるようにしてもよい。または、クロック発振器を元としてカウントし、計時時間を設定するものでもよい。

また、コンデンサＣについてもこれを可変容量形のものとすることで、ＤＣ電源装置が印加する電圧、電源制御装置の電源供給ラインの構成の変更すなわちインダクタンスＬの変化、負荷装置２の変更すなわち等価抵抗値の変化、および、低減すべきオーバーシュート量の変化などに対応できるものとなる。

さらに、上述の実施形態では、１つの負荷装置２に対応した電源制御装置を例示したが、複数の負荷装置に対応したもの、すなわち電源出力制御回路２０および制御回路用電源回路３０を並列化したものであってもよい。

１ 電源装置
２ 負荷装置
１０ 電源出力回路
２０ 電源出力制御回路
３０ 制御回路用電源回路
４０ 電圧値検出回路
５０ 計時時間設定回路

Claims (2)

1. 直流電源装置と負荷装置との間に介挿される電源制御装置であって、
   前記直流電源装置と前記負荷装置をつなぐ電源供給ラインと、
   前記電源供給ラインに接続されたコンデンサと、
   前記電源供給ラインに介挿されて前記負荷装置への電源供給をオン／オフするスイッチ素子と、
   前記直流電源装置からの電源電圧を監視し、前記電源電圧の立ち上がり時に前記電源電圧が所定電圧となったことを検出し、該検出の後に所定時間が経過してから前記スイッチ素子を制御して前記電源供給をオンに切り替える電源出力制御回路と、
   前記所定時間を設定する時間設定回路と、を備え、
   前記コンデンサは可変容量型のセラミックコンデンサであり、前記電源供給ラインの構成によって定まる前記電源制御装置のインダクタンスは１〜１０μＨの範囲内であり、前記コンデンサの容量の上限値は０．１μＦに設定され、前記時間設定回路によって設定可能な前記所定時間の下限値は０．５秒に設定されている、電源制御装置。
2. 前記直流電源装置は、ＡＣ／ＤＣコンバーター、ＤＣ／ＤＣコンバーター、バッテリーのうちの少なくとも１つである、
   請求項１に記載の電源制御装置。