JP6725309B2 - 電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、過電流による異常を検知する機能を備えた電源装置に関する。

従来、電源回路から電気負荷への通電経路に設けられたスイッチング素子と、通電経路に流れる電流を検出する電流検出回路とを備え、電気負荷の故障が生じて電源回路から電気負荷に過電流が流れていることを検出したときに、スイッチング素子を遮断状態として電源回路を保護するようにした電源装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１２−１５７０８８号公報

電源装置において、電源回路から電気負荷への通電経路には、平滑用のコンデンサ等の電気部品が設けられるが、これらの電気部品の短絡故障が生じる場合がある。そして、このような短絡故障により局所的な過電流が流れて、故障した電気部品あるいは周囲の他の電気部品が過熱する場合がある。

そして、局所的な過電流がある程度大きければ、電源回路の保護機能が働いて電源回路からの電力の出力が遮断されるが、局所的な過電流が小さいときには電源回路の保護機能が働かないため、電気部品が過熱した状態が継続する。そして、このような電気部品の過熱状態が継続することにより、電源装置の性能劣化等が生じるおそれがある。

本発明はかかる背景に鑑みてなされたものであり、電源回路から電気負荷への通電経路の異常により生じた過熱状態が継続することを防止した電源装置を提供することを目的とする。

本発明の電源装置は、第１電源端子と第２電源端子と第３電源端子とを有し、前記第１電源端子と前記第３電源端子間に第１レベルの電圧を出力すると共に、前記第２電源端子と前記第３電源端子間に前記第１レベルよりも低い第２レベルの電圧を出力する電源回路と、
前記第１電源端子と接続された第１負荷接続端子及び前記第３電源端子と接続された第２負荷接続端子からなり、電気負荷が接続される一対の負荷接続端子と、
前記第１電源端子と前記第１負荷接続端子との間の通電経路を流れる電流を検出する電流検出部と、
前記第１負荷接続端子と前記第２負荷接続端子との間を、導通状態と遮断状態とに切り替える電源短絡部と、
前記電源回路から前記電気負荷に電力を供給し、前記電源短絡部により前記第１負荷接続端子と前記第２負荷接続端子との間を導通状態としたときに、前記通電経路のうち前記第１電源端子と前記電流検出部との間の経路に接続されたコンデンサの故障によって、前記電流検出部により所定の通電経路異常判定レベル以下の電流が検出されたときには、前記電源回路から前記通電経路への電力供給を遮断することで前記通電経路の異常の継続を防止するための処理を実行する通電経路異常対処部と
を備え、
前記電流検出部は、前記通電経路の前記第１電源端子と前記第１負荷接続端子との間で前記電源短絡部と接続されていることを特徴とする（第１発明）。

第１発明によれば、一対の負荷接続端子に接続された電気負荷に対して電源回路から電力が供給される。そして、第１電源端子から第１負荷接続端子への通電経路において、電流検出部による電流の検出箇所よりも上流側で、例えば、第１電源端子と第２電源端子間に設けられたコンデンサの短絡故障や、脱落部品による第１電源端子と第２電源端子間の導通等が生じて、第１電源端子と第２電源端子間が短絡する異常が生じる場合がある。

このような第１電源端子と第２電源端子間が短絡する異常が生じると、第１電源端子から第１負荷接続端子への通電経路に印加される電圧が、第１レベルから第２レベル付近まで低下する。そのため、電源短絡部により一対の負荷接続端子間を導通状態としたときに、第１電源端子と第２電源端子間が短絡する異常が生じていない場合よりも、通電経路に流れる電流が減少する。

そこで、通電経路異常対処部は、電源短絡部により一対の負荷接続端子間を導通状態としたときに、電流検出部により通電経路異常判定レベル以下の電流が検出されたときには、通電経路の異常（部品の故障に起因する異常過熱等）の継続を防止するための処理を実行する。これにより、通電経路の異常により生じた過熱状態が継続することを防止することができる。

また、電源回路から通電経路への電力供給を遮断する処理を実行することにより、通電経路への通電を停止して、故障した電気部品或はその周辺の電気部品に流れていた過電流による過熱状態を解消することができる。

また、前記通電経路に設けられて、該通電経路を導通状態と遮断状態とに切り替えるスイッチング素子と、
前記スイッチング素子により前記通電経路を導通状態として、前記電源回路から前記電気負荷に電力を供給しているときに、前記電気負荷の故障によって、前記電流検出部により所定の負荷異常判定レベル以上の電流が検出されたときには、前記スイッチング素子を遮断状態とする負荷異常対処部とを備えていることを特徴とする（第２発明）。

電源装置においては、電気負荷の故障により電源回路から過電流が出力された場合に、電気負荷への電力供給を遮断して電源回路を保護するために、電源回路から電気負荷への通電経路に流れる電流を検出する電流検出部と、通電経路を導通状態と遮断状態とに切り替えるスイッチング素子と、電流検出部により負荷異常判定レベル以上の電流が検出されたときにスイッチング素子を遮断状態とする負荷異常対処部とが、一般的に備えられている。そして、第３発明によれば、このように電源装置に一般的に備えられる電流検出部を利用して、通電経路の異常により生じた過熱状態が継続することを防止するための構成を実現することができる。

電源装置の構成図。 電源短絡部により負荷接続端子間を短絡したときの電流検出部の出力電圧の変化を示した説明図。図２Ａは通電経路の異常が生じていない場合を示し、図２Ｂは通電経路の異常が生じている場合を示す。

本発明の実施形態について、図１〜図２を参照して説明する。

［１．電源装置の構成］
図１を参照して、本実施形態の電源装置１は、電源回路１０（スイッチング電源回路）から出力される電力を第１負荷接続端子７０及び第２負荷接続端子７１からなる一対の負荷接続端子７０，７１に接続された電気負荷１００に供給する。

電源装置１には、電源装置１の全体的な作動を制御するマイクロコンピュータ６０（以下、マイコン６０という）が備えられている。マイコン６０は、ＣＰＵ、メモリ、インターフェース回路等を含んで構成されており、メモリに保持された電源装置１用の制御プログラムをＣＰＵで実行することによって、電気負荷１００の異常に対処する負荷異常対処部６１、及び電源回路１０から第１負荷接続端子７０への通電経路５の異常に対処する通電経路異常対処部６２として機能する。

電源回路１０は、第１電源端子Ｐs1（ＤＣ２４Ｖ生成用の交流電力が出力される端子）、第２電源端子Ｐs2（ＤＣ１３Ｖ生成用の交流電力が出力される端子）、第３電源端子Ｐs3（ＧＮＤ端子）、及びエラー入力端子Ｐerを備えている。電源回路１０は、商用電源（図示しない）から供給される交流電力を整流して直流電力化し、この直流電力をスイッチングしてＤＣ２４Ｖ生成用の交流電力とＤＶ１３Ｖ生成用の交流電力を出力する。

ここで、第１電源端子Ｐs1から出力される交流電力の電圧値が本発明の第１レベルに相当し、第２電源端子Ｐs2から出力される交流電力の電圧値が本発明の第２レベルに相当する。

第１電源端子Ｐs1から出力される交流電力は、ダイオード１１で整流されると共にコンデンサ１２により平滑されてＤＣ２４Ｖの直流電力に変換される。また、第２電源端子Ｐs2は、ダイオード１３を介して、コンデンサ１４，１６とレギュレータ１５とからなる並列回路に接続されている。

第２電源端子Ｐs2から出力される交流電力は、ダイオード１３で整流されると共にコンデンサ１４で平滑されてＤＣ１３Ｖの直流電力に変換される。そして、さらにレギュレータ１５により、ＤＣ１３Ｖの出力電圧が安定化されている。

第１電源端子Ｐs1と第１負荷接続端子７０を接続する通電経路５には、ダイオード１１、通電経路５を流れる電流Ｉ2を検出する電流検出部２０、通電経路５を通電状態と遮断状態とに切り替えるＦＥＴ３０（本発明のスイッチング素子に相当する）、及び第１負荷接続端子７０と第２負荷接続端子７１間を導通状態と遮断状態とに切り替える電源短絡部５０が設けられている。

電流検出部２０は、通電経路５の途中に接続された電流検出用の抵抗２１、抵抗２１の上流側の端部とＧＮＤとの間に接続されたトランジスタ２３と抵抗２４，２５からなる直列回路、及び抵抗２１の下流側の端部とトランジスタ２３のベース間に接続された抵抗２２を備えている。

電流検出部２０は、通電経路５に流れる電流が所定レベル（後述する負荷異常判定レベルＶth1及び通電経路異常判定レベルＶth2よりも低く設定される）以上となったときに、トランジスタ２３がＯＦＦ（遮断状態）からＯＮ（導通状態）に切り替わるように構成されている。ここで、トランジスタ２３がＯＦＦであるときは、電流検出部２０から出力される電流検出信号Ｖisはほぼ０Ｖ（ＧＮＤレベル）になる。

一方、トランジスタ２３がＯＮであるときには、電流検出部２０から出力される電流検出信号Ｖisは、電流検出部２０への入力電圧（抵抗２１の上流側の端部とＧＮＤ間の電圧）Ｖaをトランジスタ２３及び抵抗２４と抵抗２５とにより分圧した電圧となる。この場合、電圧Ｖaが低下して通電経路５を流れる電流が減少すると、これに応じて電流検出信号Ｖisのレベルが低下する。

電流検出部２０の出力部（抵抗２４，２５の接続箇所）はマイコン６０のＡＤ入力ポート（アナログ／デジタル変換入力ポート）Ｐadに接続されており、電流検出信号ＶisがＡＤ入力ポートＰadに入力される。マイコン６０は、電流検出信号Ｖisのレベルをデジタル値に変換して認識する。

ＦＥＴ３０のゲートとソース間には抵抗３１が接続され、ＦＥＴ３０のゲートは抵抗３３及びトランジスタ３４を介してＧＮＤに接続されている。また、ＦＥＴ３０のゲートはトランジスタ２３のコレクタに接続されている。トランジスタ３４のベースはマイコン６０の出力ポートＰo1に接続されており、出力ポートＰo1の出力がＨighレベル（ＤＣ５Ｖレベル）であるときはトランジスタ３４がＯＮ（導通状態）になって、ＦＥＴ３０がＯＮ（導通状態）となる。

一方、出力ポートＰo1の出力がＬow（ＧＮＤレベル）であるときには、トランジスタ３４がＯＦＦ（遮断状態）になって、ＦＥＴ３０がＯＦＦ（遮断状態）となる。また、電流検出部２０のトランジスタ２３がＯＮであるときにも、ダイオード３２によりＦＥＴ３０のソース−ゲート間の電圧が０ＶになってＦＥＴ３０がＯＦＦになる。

電源短絡部５０は、第１負荷接続端子７０とＧＮＤ間に接続されたコンデンサ５２、コンデンサ５２と並列に接続された抵抗５１とＦＥＴ５３からなる直列回路、及びＦＥＴ５３のゲート−ソース間に接続された抵抗５４を備えている。

ＦＥＴ５３のゲートはマイコン６０の出力ポートＰo2に接続されている。出力ポートＰo2の出力がＨighレベルであるときはＦＥＴ５３がＯＮ（導通状態）となり、出力ポートＰo2の出力がＬowレベルであるときにはＦＥＴ５３がＯＦＦ（遮断状態）となる。ＦＥＴ５３がＯＮ状態であるときは、第１負荷接続端子７０が抵抗５１及びＦＥＴ５３を介してＧＮＤに導通する。

マイコン６０の出力ポートＰo3は、電源回路１０のエラー入力端子Ｐerに接続されている。電源回路１０は、出力ポートＰo3からエラー信号Ｓer（Ｈighレベルのデジタル信号）が出力されていないときは第１電源端子Ｐs1，第２電源端子Ｐs2から電力を出力し、エラー信号Ｓerが出力されているときには第１電源端子Ｐs1，第２電源端子Ｐs2からの電力の出力を停止する。

マイコン６０は、電源装置１が正常に作動しているときには、出力ポートＰo1の出力をＨighレベル、出力ポートＰo2の出力をＬowレベルとして、負荷接続端子７０，７１に接続された電気負荷１００に電力を供給する。

［２．電気負荷の異常に対する処理］
負荷異常対処部６１は、ＡＤ入力ポートＰadに入力される電流検出信号Ｖisを監視し、Ｖisが負荷異常判定レベルＶth1（例えば、１３Ｖに設定される）以上になったときに、出力ポートＰo1の出力をＬowレベルに切り替える。電流検出信号Ｖisが負荷異常判定レベルＶth1以上となる要因としては、電気負荷１００の故障により電気負荷１００に過電流が流れ込む場合、負荷接続端子７０，７１間が短絡している場合等がある。

これにより、トランジスタ３４がＯＦＦしてＦＥＴ３０がＯＦＦ状態となり、電源回路１０から電気負荷１００への電力供給が遮断されて電源回路１０が保護される。負荷異常対処部６１は、このようにＦＥＴ３０をＯＦＦしたときに、異常報知（図示しないランプの点灯、図示しないブザーの鳴動等）を行う。

［３．通電経路の異常に対する処理］
通電経路異常対処部６２は、所定のタイミング（電源装置１の電源スイッチ（図示しない）がＯＮされたとき等）で、出力ポートＰo2の出力をＨighにして電源短絡部５０のＦＥＴ５３をＯＮし、この状態でＡＤ入力ポートＰadに入力される電流検出信号Ｖisのレベルを認識する。

ここで、図２Ａ，図２Ｂは、ｔ1，ｔ2でＦＥＴ５３がＯＦＦからＯＮに切り替わった時の電流検出信号Ｖisと負荷接続端子７０，７１間の電圧Ｖbの変化を示したグラフであり、縦軸が電圧（Ｖ）に設定され、横軸が時間（ｔ）に設定されている。図２Ａは通電経路５の異常が生じていない場合を示し、図２Ｂは通電経路５の異常が生じている場合を示している。

図２Ａのｔ1で出力ポートＰo2の出力がＬowからＨighに切り替わると、負荷接続端子７０，７１間の電圧Ｖbが２４Ｖから０Ｖ付近まで低下し、電流検出信号Ｖisが０Ｖから２４Ｖ付近にまで上昇している。

一方、図２Ｂはコンデンサ１２の短絡故障が生じている場合を示している。コンデンサ１２の短絡故障が生じると、図１の破線で示した電流Ｉ3がコンデンサ１２を介してレギュレータ１５に流れ込んで、電流検出部２０の入力電圧Ｖaが１３Ｖ付近にまで低下する。また、ダイオード１１に過電流が流れて、ダイオード１１が過熱状態となる。

この場合、電流検出部２０の抵抗２１に流れる電流Ｉ2がＩ3分だけ減少し（Ｉ2＝Ｉ1−Ｉ3）、電流検出部２０から出力される電流検出信号Ｖisのレベルが１３Ｖ付近まで低下する。

そこで、通電経路異常対処部６２は、電源短絡部５０のＦＥＴ５３をＯＮ状態にしたときに、ＡＤ入力ポートＰadに入力される電流検出信号Ｖisが通電経路異常判定レベルＶth2（例えば、１８Ｖに設定される）以下になるか否かを判断する。そして、電流検出信号Ｖisが通電経路異常判定レベルＶth2以下になったときに、異常報知を行うと共に、出力ポートＰo3からエラー信号Ｓerを出力して、電源回路１０からのＤＣ２４Ｖ及びＤＣ１３Ｖの電力の出力を停止する。

これにより、通電経路異常対処部６２は、故障したコンデンサ１２に過電流が流れてダイオード１１が過熱した状態が継続されることを防止している。なお、通電経路異常対処部６２が異常報知を行う処理、及び出力ポートＰo3からエラー信号Ｓerを出力して電源回路１０からのＤＣ２４Ｖの電力の出力を停止する処理は、本発明の通電経路の異常の継続を防止するための処理に相当する。

［４．他の実施形態］
本実施形態において、マイコン６０は、電流検出部２０から出力されるアナログの電流検出信号ＶisをＡＤ入力ポートにより入力し、デジタル値に変換して電流検出信号Ｖisのレベルを認識したが、比較回路により電流検出信号Ｖisと通電経路異常判定レベルＶth2とを比較し、比較信号（Ｈigh／Ｌowのデジタル値）を、マイコン６０のデジタル入力ポートに入力する構成としてもよい。

また、本発明の通電経路の異常の継続を防止するための処理として、通電経路異常対処部６２により、電気負荷１００の消費電力又はＤＣ１３Ｖの電力が供給される他の電気負荷の消費電力を低減させる処理（例えば、電気負荷１００がモータであるときにはその出力を低下させる処理）を行うようにしてもよい。この処理により通電経路５を流れる電流を減少させることによって、例えば上述したようにコンデンサ１２の短絡故障が生じてダイオード１１が過熱状態になっているときに、ダイオード１１に流れる電流を減少させてダイオード１１の過熱状態を解消することができる。

本実施形態において、電流検出部２０は、抵抗２１に過電流が流れたときにトランジスタ２３がＯＮ状態となって、電流検出信号Ｖisのレベルが切り替わる構成となっているが、抵抗２１に生じる電圧又はその増幅電圧を電流検出信号として、マイコン６０のＡＤ入力ポートＰadに入力する構成としてもよい。

本実施形態では、コンデンサ１２の短絡故障による通電経路５の異常を例に説明したが、電子部品の脱落等の他の要因により、第１電源端子Ｐs1と第２電源端子Ｐs2間が導通状態になって、電流検出部２０の入力電圧ＶaがＤＣ１３Ｖ付近まで低下した場合であっても、本発明により対処することが可能である。

１…電源装置、５…通電経路、１０…電源回路、２０…電流検出部、３０…ＦＥＴ（スイッチング素子）、５０…電源短絡部、６０…マイクロコンピュータ、６１…負荷異常対処部、６２…通電経路異常対処部、７０，７１…負荷接続端子、１００…電気負荷。

Claims (2)

1. 第１電源端子と第２電源端子と第３電源端子とを有し、前記第１電源端子と前記第３電源端子間に第１レベルの電圧を出力すると共に、前記第２電源端子と前記第３電源端子間に前記第１レベルよりも低い第２レベルの電圧を出力する電源回路と、
   前記第１電源端子と接続された第１負荷接続端子及び前記第３電源端子と接続された第２負荷接続端子からなり、電気負荷が接続される一対の負荷接続端子と、
   前記第１電源端子と前記第１負荷接続端子との間の通電経路を流れる電流を検出する電流検出部と、
   前記第１負荷接続端子と前記第２負荷接続端子との間を、導通状態と遮断状態とに切り替える電源短絡部と、
   前記電源回路から前記電気負荷に電力を供給し、前記電源短絡部により前記第１負荷接続端子と前記第２負荷接続端子との間を導通状態としたときに、前記通電経路のうち前記第１電源端子と前記電流検出部との間の経路に接続されたコンデンサの故障によって、前記電流検出部により所定の通電経路異常判定レベル以下の電流が検出されたときには、前記電源回路から前記通電経路への電力供給を遮断することで前記通電経路の異常の継続を防止するための処理を実行する通電経路異常対処部とを備え、
   前記電流検出部は、前記通電経路の前記第１電源端子と前記第１負荷接続端子との間で前記電源短絡部と接続されていることを特徴とする電源装置。
2. 請求項１に記載の電源装置において、
   前記通電経路に設けられて、該通電経路を導通状態と遮断状態とに切り替えるスイッチング素子と、
   前記スイッチング素子により前記通電経路を導通状態として、前記電源回路から前記電気負荷に電力を供給しているときに、前記電気負荷の故障によって、前記電流検出部により所定の負荷異常判定レベル以上の電流が検出されたときには、前記スイッチング素子を遮断状態とする負荷異常対処部とを備えていることを特徴とする電源装置。