JPH01252169A - 安定化電源装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、スイッチングトランジスタを用いた安定化電
源装置に関する。

（従来の技術） 一般にコンピュータ等の機器には、入力交流を整流、平
滑およびスイッチングして変圧トランスの１次側に供給
し、この変圧トランスの２次側に生じる交流を整流およ
び平滑して負荷に供給するように構成された安定化電源
装置が用いられているが、この種の安定化電源装置にお
いて、ＤＣ電圧出力端（＋５．Ｖ）に設けられている平
滑用電解コンデンサが寿命になると、リップルノイズま
たはスパイクノイズの電圧が大きくなる。

このリップルノイズまたはスパイクノイズの電圧が大き
いことは、負荷側の装置の誤動作の発生から判断するこ
とができるが、このリップルノイズまたはスパイクノイ
ズの原因が、電解コンデンサの容量抜けであった場合に
は、安定化電源装置が寿命であるとみなす必要がある。

（発明が解決しようとする課題） ところでリップルノイズまたはスパイクノイズの原因を
究明するためには相当の時間がかかるため、この種の装
置では、予防的な方法として、電解コンデンサを定期的
（たとえば３年毎）に新品と交換している。

しかしながらこの交換は非常に手間がかかる上、交換を
怠ると、電源を供給している機器が誤動作する場合があ
るという問題があった。

本発明はこのような事情によりなされたもので、平滑コ
ンデンサの寿命を早期かつ確実に予測し、電源を供給し
ている機器の誤動作を回避することができる安定化電源
装置の提供を目的としている。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明はこの目的を実現するために、入力交流を整流、
平滑およびスイッチングして変圧トランスの１次側に供
給し、この変圧トランスの２次側に生じる交流を整流お
よび平滑して負荷に供給するように構成された安定化電
源装置において、前記負荷に供給される電流に含まれる
ノイズのレベルを検出する検出手段と、このノイズが所
定のレベルに達したとき外部に対して警告信号を出力す
る監視手段とを設けたものである。

（作　用） 本発明は特に出力側のコンデンサの容量が低下すると、
出力直流に含まれるノイズのレベルが高くなるという事
実に基づいて成されたものである。

すなわち負荷に供給される電流に含まれるノイズのレベ
ルを検出し、このノイズが所定のレベルに達したとき外
部に対して警告信号を出力することによりコンデンサの
劣化を早期に知らせる。

（実施例） 以下、本発明の実施例の詳細を図面に基づいて説明する
。

第１図は本発明の安定化電源装置の一実施例の構成を示
す図である。

同図において１は入力交流のノイズ成分を除去するフィ
ルタ、２は入力交流を整流する整流器、３は整流後の電
圧を蓄積して平滑する電解コンデンサ、４はスイッチン
グ用のパワートランジスタ（以下パワトラと称する）、
５はパワトラ４のオフ時にトランス６に蓄積したエネル
ギを消費するスナバ回路、７は各多出力（＋５■、＋１
２Ｖ、・・・＋２４■）の電圧を監視し、パワトラ４の
パルス幅を制御する制御回路である。

またＤ４４．Ｄ１２．Ｄ２＋５Ｄ２２．Ｄｎ＋５Ｄｎ２
はトランス６の２次側の整流ダイオード、Ｃ１、Ｃ２・
・・Ｃｎはトランス７の２次側の平滑コンデンサ、Ｌｌ
、Ｌ２・・・Ｌｎはパワトラ４を流れる電流のピーク値
を低減するとともにリップル電圧を低下させるチョーク
コイルである。

さらにＣＦＩ、ＣＦ２・・・ＣＦｎは負荷側の平滑コン
デンサ、ＲＦ　＋　、ＲＦ　２・・・ＲＦｎは負荷抵抗
を示す。

本実施例においてＡＣｌｏｏＶは、まずフィルタ１を通
って整流器２により全波整流されるが、このとき電解コ
ンデンサ３には約Ｄｅ１４０Ｖで電荷が蓄積される。

一方、制御回路７はパワトラ４をオン／オフさせるドラ
イブ信号のパルス幅制御を行う。

すなわちトランス６の２次側の＋５ＶＤ　Ｃ出力電圧の
モニタライン（ａ）　（ｂ）が制御回路７のＡＭＰ／切
換器１５に導かれ、Ａ／Ｄ変換器１４を経て、電圧レジ
スタ１３に出力され、マイクロコンピュータ１２がその
データを読む。

同様にマイクロコンピュータ１２が、トランス６の２次
側（７）＋１２ＶＤＣ出力電圧、＋２４ＶＤＣ出力電圧
をＡＭＰ／切換器１５により選択し、それぞれのデジタ
ルデータを電圧レジスタ１３から読み込み、これら＋５
Ｖ、　＋１２Ｖ、　＋２４Ｖノ電圧値を監視する。

これら電圧値が低くなっている場合には、トランス６か
ら２次側にエネルギを多く送るため、パワトラ４のオン
時間が長くなり、パルスレジスタ９のＬＳＢビット“０
“をセットする時間が長くなる。

第２図はパワトラ４のオン／オフ期間（上段）と、スパ
イクおよびリップル電圧との関係を示す図である。

まず出力電圧が低めになっている場合には、パワトラ４
のオン時間をｔｌからｔ２のごとく大きくすると、パワ
トラ４に流れるコレクタ電流１ｃおよびトランス６を通
して２次側に出すエネルギが大きくなり、出力電圧が高
くなる。

逆に出力電圧が高めになっている場合には、パワトラ４
のオン時間を短くし、コレクタ電流１ｃの流れる時間お
よび大きさを小さくする。これによりトランス６を通し
て２次側に出すエネルギが小さくなり、出力電圧が低く
なる。

このような制御作用により、安定したＤＣ出力電圧が得
られる。

なお本実施例ではマイクロコンピュータ１２がパルスレ
ジスタ９に“００１１ＥＸ”を書くと、ドライバ８によ
りパワトラ４のベースが十となってパワトラ４がオンす
る。またマイクロコンピュータ１２がパルスレジスタ９
に“０１　ＨＥＸ　”を書くと、ＬＳＢ−１となってド
ライバ８の出力が−となり、パワトラ４がオフとなる。

第２図のｔｌ、ｔｌの間はパワトラ４がオン状態であり
、パルスレジスタ９のＬＳＢが“０１の場合を示す。

トランス６を通して２次側のＤＣ出力を得る動作を以下
に説明する。

まずパワトラ４のベースにオンパルスが入力され、パワ
トラ４がオン状態になると、電解コンデンサ３に蓄えら
れていた電荷は、Ａ→Ｂ→Ｃ−Ｄ−Ｅ−Ｆ−Ｇ−Ｈの方
向に電流として流れる〇この時、トランス６の２次側Ｊ
、Ｋ・・・Ｌのそれぞれに１次巻線：２次巻線の比に応
じた電圧が生じ、整流ダイオードＤ１１、Ｄ２１、Ｄｎ
ｌ、チョークコイルＬ１、Ｌ２・・・Ｌｎに電流が流れ
、負荷抵抗ＲＦ　１、ＲＦ　２・・・ＲＦｎに至るリッ
プル成分は平滑コンデンサＣ１、Ｃ２、・・・Ｃｎに電
荷として蓄積され、各々のＤＣ電圧を出力する。

またパワトラ４がオフすると、トランス６のＣ→Ｄに流
れる励磁電流はそのまま流れ続けようとし、このエネル
ギと漏れインダクタンスに蓄積されたエネルギとがスナ
バ回路５において消費される。

この時、トランス６の２次側の各チョークコイルに蓄積
されたエネルギによって逆起電圧が発生し、パワトラ４
のオン期間にチョークコイルＬ１、Ｌ２・・・Ｌｎに流
れていた電流は、電流ダイオードＤ＋　２、Ｄ２２、Ｄ
ｎ　２を介して流れ続け、負荷抵抗ＲＦ　＋　、ＲＦ　
２・・・ＲＦｎに至る。そしてリップル成分はＣ１、Ｃ
２・・・Ｃｎに電荷として蓄積される。

ところで、スイッチング周波数に同期したリップルノイ
ズおよびスパイクノイズは、チョークコイルおよび平滑
コンデンサＬ、Ｃ，、ｔ、２　Ｃ２・・・Ｌｎ　Ｃｎに
よっても完全に取り除くことができないが、平滑コンデ
ンサＣ１〜Ｃｎが経年変化して寿命（容量抜け）になる
と、リップルノイズおよびスパイクノイズがより大きく
なり、負荷側に送られて誤動作に至るようになる。

第２図に従ってリップルノイズとスパイクノイズについ
て説明する。

まずパワトラ４がオンすると、パルス状の？Ｉｉ流が、
Ａ−４８４Ｃ−４Ｄ→Ｅ→Ｆ→Ｇ→Ｈの経路で流れるた
め、チョークコイルＬｎに電流が流れ、平滑コンデンサ
Ｃｎの電圧が高くなる。エネルギがチョークコイルＬｎ
より供給されない時は、負荷抵抗ＲＦｎに電流が流れる
だけでエネルギが消費され、平滑コンデンサＣｎの電圧
が下がる。この高低の差がリップルノイズとなる。第２
図ではＶリップルがこれに該当する。

またスパイクノイズは、パワトラ４のオン／オフ時に電
流１ｃの急激な変化により発生するノイズ電圧であり、
第２図ではＶスパイクがこれに該当する。

本実施例ではＤＣ出力電圧をモニタライン（ａ）（ｂ）
、（ｃ）（ｄ）、（ｅ）（ｆ’）を通じて制御回路７に
より検知しくその電圧の高低によりパワトラ４のオン時
間幅を制御する。マイクロコンピュータ１２はＤＣ出力
電圧の安定化制御を行いながら第２図のＡ点またはＣ点
すなわちパルスレジスタ９のＬＳＢ−０とする前（−パ
ワトラ５をオンにする前）に電圧値を読む。

そして各ＤＣ出力電圧のモニタライン（ａ）　（ｂ）、
（ｃ）　（ｄ）、（ｅ）（［’）をそれぞれＡＭＰ／切
換器１５で切り換え、Ａ／Ｄ変換器１４、電圧レジスタ
１３より読み込む。

次にパルスレジスタ９をＬＳＢ−“０”からしＳＢ−“
１”にした後、すなわちパワトラ４をオフし、スパイク
ノイズがおさまった後、Ｂ点または０点で電圧値を読む
。ここで（Ｂ点電圧）−（Ａ点電圧）が１つのリップル
電圧であり、また（Ｄ点電圧）−（Ｃ点電圧）が１つの
リップル電圧である。

ここで第２図のＶ−Ｔを示す側のグラフ（下段）が例え
ば＋５ｖだとすると、第１図の平滑コンデンサが経年変
化により寿命に近づいてＣ１容量が抜け、チョークコイ
ルＬ１のインダクタンスが一定不変であるとすると、負
荷抵抗ＲＦ＋の消費電力（一定）に対しＡ点、６点はＣ
１容量が少ないために電圧が下がる。

一方、第２図ｔ１またはｔ２でエネルギが供給されると
、Ｃ１の容量が少いため、逆に電圧が上がってしまう。

すなわちＢ電圧−Ａ電圧またはＤ電圧−〇電圧の値（リ
ップル電圧）が大きくなる。

この電圧が一定値以上になるとマイクロコンピュータ１
２は、リップル電圧が大きくなり過ぎたと判断し、パル
スレジスタ９のＭＳＢを使用して上位装置に異常信号を
送る。異常信号としては例えば１本の信号線上に、マイ
クロコンピュータ１２がパルスレジスタ９のＭＳＢを１
”、“０゜にして予め定義したパルス信号を発生させる
ことが考えられる。これによると数種類の異常を上位装
置に知られることが可能である。

シリアルインターフェイスとして、８ビツトから構成し
た場合、たとえば’０１ＨＥＸ　”　−＋５ＶＣ１寿命
、“０２１ＥＸ　”　−＋１２Ｖ　Ｃ２寿命、１０３Ｈ
ＥＸ“−＋　２４Ｖ　Ｃｎ寿命として上位装置に信号を
送る。

同様にスパイク電圧の検知はマイクロコンピュータ１２
が、パルスレジスタ９のＬＳＢを０→１または１−０に
変更した後、すなわちパワトラ４をオンまたはオフした
後、一定時間後にＥ点の電圧、Ｆ点の電圧、Ｇ点の電圧
、Ｈ点の電圧等を測定し、（Ｅ点の電圧）−（Ｆ点の電
圧）または（Ｇ点の電圧）−（Ｈ点の電圧）をＶスパイ
クとして検知し、これが一定値以上であればスパイク電
圧異常ということで、同様にパルスレジスタ９のＭＳＢ
を“１または０″にしてパルスを発生させ、“１０１１
ＥＸ　”　−＋５Ｖスパイク電圧異常、“１１″１１Ｅ
Ｘ　−＋１２Ｖ　スパイク電圧異常、１２ＨＥＸ　−＋
　２４Ｖスパイク電圧異常として上位装置に知らせるこ
とができる。

ここで上位装置に知らせる代わりにパルスレジスタ９が
使用している各ビット出力をランプドライバ（図示せず
）に接続し、ランプ表示にしてもよい。

第３図および第４図はマイクロコンピュータ１２の制御
フローを示す図である。なおこの制御フローは、電源が
入って出力電圧が安定した後の制御フローを示している
。

まずステップＡとしてパワトラ４の状態を調べ、パワト
ラ４がオフ状態である場合にはステップＢに移る。もし
パワトラ４がオン状態の場合にはオフ状態に変えるが、
通常はこのルーチンを通ることはない。

ステップＢでは５μｓ経過を待ち、ステップＣに移る。

ここでは各ＤＣ出力電圧の値を読み、次のパワトラ４の
オン幅をどれだけにして、エネルギを多くするか少くす
るかを決める。本実施例ではＲＯＭＩＱのテーブルによ
りオン幅を知ることができる。ステップＥではパワトラ
４がオフしてｌＯμＳ経過するのを待ち、ステップＦで
たとえばｒｒｌのとき＋５ｖのＡ点を読む。

次にステップＦに来たときはｎ＝２となり＋１２ＶのＡ
点を読む。その次は＋２４ＶのＡ点を読む。そしてステ
ップＧでパワトラ４をオンし、第４図のステップＨでオ
ン幅だけ時間をカウントしてオフする。ステップＩでは
＋５ｖのＥ点およびＦ点のスパイク電圧を読む。次にス
テップＩに来たときは＋１２ＶのＥ点およびＦ点を読み
、その次は＋２４ＶのＥ点およびＦ点を読む。

そしてステップＪで＋５ｖのＢ点の電圧値を読み、ステ
ップにで（Ｂ点）−（Ａ点）の電位差を計算し、これが
一定値を超えた場合には、リップル電圧が異常としてス
テップＮに進む。もし値が小さいとステップＬに進み、
（Ｅ点）−（Ｆ点）の電位差（スパイク電圧値）が一定
値より大きいとステップＯに進む。もし値が小さいなら
ステップＭに行く。

ステップＭでは、ステップＦの切換用データとしてｎを
書き換える。ここでステップＮではリップル電圧が大き
くなった場合で、それぞれ平滑コンデンサＣ＋（ｎ−１
のとき）　、Ｃ２（ｎ−２のとき）、およびＣｎ（ｎ−
ｎのとき）が寿命であると判断する。これは容量波は等
で特性変化したためであるが、上位装置にこのデータを
送る。上位装置は保守員にこれを知らせ、電源自体の交
換または平滑コンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃｎを交換する。

同様にステップＯでは、スパイク電圧が大きい場合に、
電源自体または平滑コンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃｎの中で
寿命の来たものを交換する。

かくして本実施例によれば平滑コンデンサに寿命がきた
ことを検出することができるが、リップル電圧だけを検
出する場合には、ステップＬおよびステップ０は削除し
てよい。また第１図においてＤＣ出力のモニタラインは
（ａ）　（ｂ）だけで、（Ｃ）（ｄ）、（ｅ）（Ｄは無
くてもよい。この場合にはＡＭＰ／切換回路１５が不要
になり、第３図のステップＦ１第４図のステップＭも不
要になる。またこの場合には＋　５ｖだけのリップル電
圧を検出してもよい。

また第３図および第４図のフローには述べなかったが、
第１図の電解コンデンサ３の寿命を知らせるためには商
用周波数に同期したリップル電圧を見ればよい。

すなわち絶対電圧値を一定時間（たとえば２０ｆｆｌｓ
以上）読み取り、その（最大値）−（最小値・）が一定
値を超えた場合には商用周波数のリップルが大きいと判
定し、これにより電解コンデンサ３に寿命がきたことを
判定する。

なお外部のノイズで誤検出されることがあるので、第３
図および第４図のフローで１回だけの検出ではステップ
Ｎ、Ｏには進まず、たとえば１０，０００回検出されて
初めてステップＮ、０に処理が移るようにするとよい。

前述したように出力電圧のリップル成分は、平滑コンデ
ンサ０１〜Ｃｎの静電容量によって決定される。なお平
滑コンデンサには寄生素子として、等価直列抵抗（ＥＳ
Ｒ）が含まれている（ＥＳＲはｔａｎδと関連があり、
寿命末期にはｔａｎδならびにＥＳＲが増大する）。こ
のため出力電荷のリップル成分は、静電容量による成分
とＥＳＲによる成分との和（ベクトル和）になる。

また出力電圧の成分は、平滑コンデンサの寄生素子であ
る寄生インダクタンス（主にリード線のインダクタンス
）によって決まる。

平滑コンデンサの劣化診断はこれら寄生素子の影響も考
慮して行う場合もあり得る。同様に入力側の電解コンデ
ンサ３についてもＥＳＲを考慮する必要がある。

また出力電圧のリップル成分、スパイク成分は、負荷電
流の大小により変化する。したがってリップル電圧およ
びスパイク電圧の観測にあたって負荷電流が当初リップ
ル電圧、スパイク電圧を観測したときと同じであるかど
うかが問題になる。これに対応するには次のような方法
が考えられる。

（ａ）初期値を負荷電流と対にして、これをいくつかの
負荷電流について表にして記述しておき、劣化診断時に
該当するリップル電圧を基準値としてとり出す。

（ｂ）劣化診断時の負荷電流に対する基準リップル電圧
を計算により換算する。

（ｃ）固定負荷においては負荷電流を観測しない。

そして本実施例ではＡＣ人カーＤＣ出力の場合について
説明したが、本発明はＤＣ−ＤＣコンバータにも応用す
ることができる。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明の安定化電源装置は、ＤＣ出
力におけるリップルノイズまたはスパイクノイズを稼動
中に検知し、リップルノイズまたはスパイクノイズが基
準値に達したときにコンデンサの寿命を知らせるので、
電源を供給する装置が誤動作するおそれがない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の構成を示す図、第２図は同
実施例におけるパワトラの動作とノイズとの関係を説明
する図、第３図および第４図は同実施例において出力電
圧が安定するまでの動作を示す流れ図である。 １・・・フィルタ、２・・・整流器、３・・・電解コン
デンサ、４・・・パワトラ、５・・・スナバ回路、６・
・・トランス、７・・・制御回路、８・・・ドライバ、
９・・・パルスレジスタ、１０・・・ＲＯＭ、１１・・
・ＲＡＭ、１２・・・マイクロコンピュータ、１３・・
・電圧レジスタ、１４・・・Ａ／Ｄ変換器、１５・・・
ＡＭＰ／切換器。 出願人　　　　　株式会社　東芝 代理人　弁理士　須　山　佐　− ３、゛・

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）入力交流を整流、平滑およびスイッチングして変
   圧トランスの１次側に供給し、この変圧トランスの２次
   側に生じる交流を整流および平滑して負荷に供給するよ
   うに構成された安定化電源装置において、前記負荷に供
   給される電流に含まれるノイズのレベルを検出する検出
   手段と、このノイズが所定のレベルに達したとき外部に
   対して警告信号を出力する監視手段とを設けたことを特
   徴とする安定化電源装置。