JP7128046B2

JP7128046B2 - ２線式プロセス装置

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Publication number: JP7128046B2
Application number: JP2018129757A
Authority: JP
Inventors: 圭吾見澤
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 2018-07-09
Filing date: 2018-07-09
Publication date: 2022-08-30
Anticipated expiration: 2038-07-09
Also published as: CN110707907B; CN110707907A; JP2020009159A

Description

本発明は、２線式の伝送路を介して供給される電流から内部回路への電源電圧を生成する電源回路を備えた２線式プロセス装置に関する。

従来より、工業用プロセスの動作の監視や制御に用いられる装置として、２線式の伝送路を介して供給される電流から内部回路への電源電圧を生成する電源回路を備えた２線式プロセス装置が用いられている。

この２線式プロセス装置において、例えば、２線式の伝送路を介して供給される電流（電流信号）を４～２０ｍＡとした場合、２線式プロセス装置で利用できる電流は常に確保することの可能な４ｍＡ以下（例えば、３．６ｍＡ）に制限されるため、内部回路への電源電圧を生成する電源回路は高効率とすることが望まれる。

図５に、スイッチングレギュレータを用いることによって電源回路を高効率とした２線式プロセス装置の一例を示す（例えば、特許文献１参照）。この２線式プロセス装置２００において、フィールド装置回路（内部回路）２１へ供給する電源電圧を生成する電源回路２２は、フィルタ回路２２_１とシリーズ電圧レギュレータ２２_２と大容量コンデンサ２２_３とスイッチングレギュレータ２２_４とを備えた構成とされている。

この電源回路２２において、シリーズ電圧レギュレータ２２_２は、２線式の伝送路Ｌを介して供給される電流より調整された電圧Ｖ１を生成する。スイッチングレギュレータ２２_４は、シリーズ電圧レギュレータ２２_２からの調整された電圧Ｖ１を入力とし、この入力される電圧Ｖ１を調整してフィールド装置回路２１への電源電圧Ｖ２を生成する。

なお、この電源回路２２において、大容量コンデンサ２２_３はシリーズ電圧レギュレータ２２_２を通して供給される電力を蓄え、この蓄えられた電力によってシリーズ電圧レギュレータ２２_２からのスイッチングレギュレータ２２_４への電圧Ｖ１の安定化を図る。また、フィルタ回路２２_１は、スイッチングレギュレータ２２_４がスイッチングした際のラッシュ電流がノイズとなって２線式の伝送路Ｌへ流出しないように、すなわちスイッチングレギュレータ２２_４からの２線式の伝送路Ｌへのノイズの流出を防ぐように、シリーズ電圧レギュレータ２２_２の前段に設けられている。

特許第４６８１６０４号公報

この２線式プロセス装置２００は、工業用プロセスの動作の監視や制御に用いられるが、設置場所によっては本質安全防爆規格を満たす必要がある。この場合、規格により、回路電圧が高いほど使用できるコンデンサ容量が制約されるため、電源回路２２のフィルタ回路２２_１には容量の大きなコンデンサを使用することがでず、スイッチングレギュレータ２２_４から２線式の伝送路Ｌへ流出しようとするノイズを遮るのに十分な性能を実現できない可能性がある。

この懸念に対する案として、特許文献１に示された２線式プロセス装置では、フィルタ回路２２_１をトランジスタなどの能動素子を使用したフィルタとしている。しかし、トランジスタなどの能動素子は電源電圧が高いほど消費電流が増大する傾向があり、それをシリーズ電圧レギュレータ２２_２の前段という電圧が高い箇所に挿入することは、消費電流の制約が厳しい２線式プロセス装置にとってはあまり好ましくない。

本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、低消費電流で、かつ効果的に、スイッチングレギュレータからの２線式の伝送路へのノイズの流出を防ぐことが可能な２線式プロセス装置を提供することにある。

このような目的を達成するために本発明は、２線式の伝送路（Ｌ）を介して供給される電流から内部回路（１１）への電源電圧（Ｖ２）を生成する電源回路（１２）を備えた２線式プロセス装置（１００）において、電源回路（１２）は、２線式の伝送路を介して供給される電流より調整された電圧（Ｖ１）を生成するように構成されたシリーズ電圧レギュレータ（１２_１）と、シリーズ電圧レギュレータの後段に設けられたローパスフィルタ（１２_２）と、ローパスフィルタを介するシリーズ電圧レギュレータからの調整された電圧を入力とし、この入力される電圧を調整して内部回路への電源電圧（Ｖ２）を生成するように構成されたスイッチングレギュレータ（１２_３）とを備え、ローパスフィルタ（１２_２）は、スイッチングレギュレータがスイッチングした際のラッシュ電流を減衰することによって、スイッチングレギュレータからの２線式の伝送路へのノイズの流出を防ぐように構成されていることを特徴とする。

本発明では、シリーズ電圧レギュレータとスイッチングレギュレータとの間に設けられたローパスフィルタによって、スイッチングレギュレータからの２線式の伝送路へのノイズの流出が防がれる。この場合、ローパスフィルタは、シリーズ電圧レギュレータ（１段目のレギュレータ）の前段ではなく、シリーズ電圧レギュレータ（１段目のレギュレータ）の後段に位置しているので、すなわち電圧が高い前段ではなく、電圧が低い後段に位置しているので、本質安全防爆規格上の制約が緩くなる。

このため、本発明において、ローパスフィルタを例えばコンデンサと電流制限抵抗とから構成した場合、ローパスフィルタにおけるコンデンサとして、シリーズ電圧レギュレータの前段にフィルタ回路を設ける場合よりも容量の大きいコンデンサを使用することができ、スイッチングレギュレータからの２線式の伝送路へのノイズの流出を効果的に防ぐことが可能となる。また、コンデンサと電流制限抵抗とから構成されるローパスフィルタは、パッシブフィルタであるため、トランジスタなどの能動素子を使用した場合と比べて、安価であり、電流の消費も少ない。

本発明において、ローパスフィルタは、トランジスタなどの能動素子を含む構成とされていてもよい。この場合、能動素子を含むローパスフィルタは、電圧が低いシリーズ電圧レギュレータ（１段目のレギュレータ）の後段に位置するので、能動素子での消費電流は少ない。

なお、上記説明では、一例として、発明の構成要素に対応する図面上の構成要素を、括弧を付した参照符号によって示している。

以上説明したように、本発明によれば、シリーズ電圧レギュレータの後段にローパスフィルタを設け、スイッチングレギュレータがスイッチングした際のラッシュ電流を減衰することによって２線式の伝送路へのノイズの流出を防ぐようにしたので、ローパスフィルタをコンデンサと電流制限抵抗とから構成したり、能動素子を含む構成としたりして、低消費電流で、かつ効果的に、スイッチングレギュレータからの２線式の伝送路へのノイズの流出を防ぐことが可能となる。

図１は、本発明の実施の形態に係る２線式プロセス装置の要部を示す図である。図２は、ローパスフィルタをトランジスタなどの能動素子を含む構成とした例を示す図である。図３は、デジタル回路とアナログ回路とに分けてフィールド装置回路へ電源電圧を供給するようにした例を示す図である。図４は、親機と子機の構成としたシステムに本発明を適用した例を示す図である。図５は、スイッチングレギュレータを用いることによって電源回路を高効率とした２線式プロセス装置の一例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明の実施の形態に係る２線式プロセス装置１００（１００Ａ）の要部を示す図である。

この２線式プロセス装置１００Ａにおいて、フィールド装置回路（内部回路）１１への電源電圧を生成する電源回路１２は、シリーズ電圧レギュレータ１２_１と、ローパスフィルタ１２_２と、スイッチングレギュレータ１２_３とを備えた構成とされている。ローパスフィルタ１２_２は、シリーズ電圧レギュレータ１２_１の後段に設けられており、コンデンサ（大容量コンデンサ）１２_４と電流制限抵抗１２_５とから構成されている。

この電源回路１２において、シリーズ電圧レギュレータ１２_１は、２線式の伝送路Ｌを介して供給される電流より調整された電圧Ｖ１を生成する。ローパスフィルタ１２_２は、電圧Ｖ１を入力とし、高周波成分を減衰させ、電圧Ｖ１’を生成する。スイッチングレギュレータ１２_３は、ローパスフィルタ１２_２からの電圧Ｖ１’を入力とし、この入力される電圧Ｖ１’を調整してフィールド装置回路１１への電源電圧Ｖ２を生成する。

また、この電源回路１２において、ローパスフィルタ１２_２は、スイッチングレギュレータ１２_３がスイッチングした際のラッシュ電流を減衰することによって、スイッチングレギュレータ１２_３からの２線式の伝送路Ｌへのノイズの流出を防ぐ。

本実施の形態において、ローパスフィルタ１２_２は、シリーズ電圧レギュレータ１２_１（１段目のレギュレータ）の前段ではなく、シリーズ電圧レギュレータ１２_１（１段目のレギュレータ）の後段に位置しているので、すなわち電圧が高い前段ではなく、電圧が低い後段に位置しているので、本質安全防爆規格上の制約が緩くなる。

このため、本実施の形態では、ローパスフィルタ１２_２におけるコンデンサ１２_４として、シリーズ電圧レギュレータ１２_１の前段にフィルタ回路を設ける場合よりも容量の大きいコンデンサを使用することができ、スイッチングレギュレータ１２_３からの２線式の伝送路Ｌへのノイズの流出を効果的に防ぐことができるようになる。また、コンデンサ１２_４と電流制限抵抗１２_５とから構成されるローパスフィルタ１２_２は、パッシブフィルタであるため、トランジスタなどの能動素子を使用した場合と比べて、安価であり、電流の消費も少ない。

また、ローパスフィルタ１２_２において、コンデンサ１２_４はシリーズ電圧レギュレータ１２_１を通して供給される電力を蓄え、この蓄えられた電力によってシリーズ電圧レギュレータ１２_１からのスイッチングレギュレータ１２_３への電圧Ｖ１の安定化を図る役割も果たす。

なお、この実施の形態では、ローパスフィルタ１２_２をコンデンサ１２_４と電流制限抵抗１２_５とから構成するようにしたが、図２に示す２線式プロセス装置１００（１００Ｂ）のように、トランジスタＴｒなどの能動素子を含む構成としてもよい。この場合、能動素子を含むローパスフィルタ１２_２は、電圧が低いシリーズ電圧レギュレータ１２_１の後段に位置するので、能動素子での消費電流は少ない。

また、図３に示す２線式プロセス装置１００（１００Ｃ）のように、シリーズ電圧レギュレータ１２_１を第１のシリーズ電圧レギュレータとし、この第１のシリーズ電圧レギュレータ１２_１からの調整された電圧Ｖ１を分岐して第２のシリーズ電圧レギュレータ１２_６へ与え、第１のシリーズ電圧レギュレータ１２_１からの電圧Ｖ１を第２のシリーズ電圧レギュレータ１２_６で調整して電源電圧Ｖ２₂とし、スイッチングレギュレータ１２_３からの電源電圧（第１の電源電圧）Ｖ２₁をフィールド装置回路１１内のデジタル回路１１_１へ、第２のシリーズ電圧レギュレータ１２_６からの電源電圧（第２の電源電圧）Ｖ２₂をフィールド装置回路１１内のアナログ回路１１_２へ与えるようにしてもよい。

また、図４に示すように、親機と子機の構成としたシステムに本発明を適用してもよい。図４に示したシステムでは、２線式プロセス装置１００Ｃ₁を親機とし、２線式プロセス装置１００Ｃ₂，１００Ｃ₃を子機としている。この例では、親機１００Ｃ₁のシリーズ電圧レギュレータ１２_１の前段にシリーズ電圧レギュレータ１２_７を設け、このシリーズ電圧レギュレータ１２_７によって調整された電圧Ｖ０を子機１００Ｃ₂，１００Ｃ₃のシリーズ電圧レギュレータ１２_１，１２_１へ与えるようにしている。

〔実施の形態の拡張〕
以上、実施の形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明の技術思想の範囲内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。

１１…フィールド装置回路（内部回路）、１１_１…デジタル回路、１１_２…アナログ回路、１２…電源回路、１２_１…シリーズ電圧レギュレータ、１２_２…ローパスフィルタ、１２_３…スイッチングレギュレータ、１２_４…コンデンサ（大容量コンデンサ）、１２_５…電流制限抵抗、１００（１００Ａ～１００Ｃ）…２線式プロセス装置、Ｌ…２線式の伝送路、Ｔｒ…トランジスタ。

Claims

２線式の伝送路を介して供給される電流から内部回路への電源電圧を生成する電源回路を備えた２線式プロセス装置において、
前記電源回路は、
前記２線式の伝送路を介して供給される電流より調整された電圧を生成するように構成されたシリーズ電圧レギュレータと、
前記シリーズ電圧レギュレータの後段に設けられたローパスフィルタと、
前記ローパスフィルタを介する前記シリーズ電圧レギュレータからの調整された電圧を入力とし、この入力される電圧を調整して前記内部回路への電源電圧を生成するように構成されたスイッチングレギュレータとを備え、
前記ローパスフィルタは、前記スイッチングレギュレータがスイッチングした際のラッシュ電流を減衰することによって、前記スイッチングレギュレータからの前記２線式の伝送路へのノイズの流出を防ぐ、コンデンサと電流制限抵抗とから構成されたパッシブフィルタである、
ことを特徴とする２線式プロセス装置。
前記シリーズ電圧レギュレータを第１のシリーズ電圧レギュレータとし、前記スイッチングレギュレータからの前記内部回路への電源電圧を第１の電源電圧とする、請求項１に記載された２線式プロセス装置において、
前記第１のシリーズ電圧レギュレータからの調整された電圧を入力とし、この入力された電圧を調整して前記内部回路への第２の電源電圧を生成する第２のシリーズ電圧レギュレータを備え、
前記内部回路は、
前記スイッチングレギュレータからの第１の電源電圧を入力として動作するデジタル回路と、
前記第２のシリーズ電圧レギュレータからの第２の電源電圧を入力として動作するアナログ回路と
を備えることを特徴とする２線式プロセス装置。