JP2008079380A - 電源装置および電源システム - Google Patents

Abstract

【課題】接地に対する電子機器のグランド電位を安定化させ、電子機器の安定性を高め、ノイズの発生を抑えた電源装置および電源システムを提供する。
【解決手段】商用交流電源ＡＣを入力して整流する整流回路２と平滑回路３によってコンデンサインプット型の整流平滑回路を構成し、ＤＣ−ＤＣコンバータ４に対して直流電圧を供給するようにし、全波整流ダイオードブリッジ回路である整流回路２の４つのダイオードＤ１〜Ｄ４にコンデンサＣ１〜Ｃ４を並列接続する。ダイオードＤ１〜Ｄ４は商用交流電源のピーク電圧付近でのみ導通するが、コンデンサＣ１〜Ｃ４を介してグランド電位が接地されるので電子機器のグランド電位が安定化し、雑音の発生が防止でき回路動作の安定性が向上する。
【選択図】図２

Description

この発明は商用交流電源を入力して電子機器に対して直流の電源電圧を供給する電源装置およびそれを備えた電源システムに関するものである。

一般に、例えば５Ｖ〜２５Ｖ程度の低い電圧で動作する小型の電子機器用の電源装置は、商用交流電源をダイオードおよびコンデンサで直接整流平滑して直流化し、その電圧をＤＣ−ＤＣコンバータで所定電圧まで降下させるように構成されている。このような電源装置はＡＣアダプタとして構成されるか、電子機器内部に組み込まれる。

ここで従来の電源装置の構成例を図１に示す。電源装置１１０はＥＭＩフィルタ１、整流回路２、平滑回路３、およびＤＣ−ＤＣコンバータ４を備えている。入力端子ＩＮには商用交流電源が入力される。整流回路２はＥＭＩフィルタ１を介して入力した商用交流電源を整流し、平滑回路３はそれを平滑する。ＤＣ−ＤＣコンバータ４は平滑回路３の電圧を所定電圧にまで降下させて出力端子ＯＵＴへ出力する。

一方、日本国内での一般家庭においてＡＣコンセントは２極のみの場合がほとんどであり、電子機器のフレームグランドを大地に接地することは困難である。またノートパソコンなどの携帯用電子機器のＡＣアダプタは携帯性が重視されていて接地端子が備えられていないので、たとえＯＡ対応のオフィスビルにおいてもフレームグランドは接地されない（例えば特許文献１参照）。

そのため電子機器のフレームグランドが接地電位に対して浮いている状態で使用される場面が非常に多い。特許文献１はこのような状況の下、電子機器に人間が触れた時の漏洩電流の低減を図るものである。特許文献１では、商用交流電源ラインに対して直列挿入した２個のコンデンサによる分圧点とＤＣ−ＤＣコンバータのトランスの２次側との間にコンデンサ（Ｙコンデンサ）を設けて、電子機器のフレームと大地との間の電位差を低減しようとするものである。
特開２００１−２３８４３９号公報

ところが、このように電源装置のフレームグランドが接地されていなくて、商用交流電源を直接整流平滑しＤＣ−ＤＣコンバータへ与えるようにした電源装置では次のような問題が生じる。

まず既に述べたとおり、日本国内の商用交流電源は一般的に片方が接地された２線式であり、接地線が引かれていないので、特別に接地線が引かれていて且つコンセントが３極式でない限りフレーム接地はなされない。そのため、特許文献１に示されているように電子機器のフレーム（金属部分）に人体が触れることによって人体を介して接地され、そのことでグランド電位が決定されるので、人体がフレーム部分に触れる／触れない等の使用環境に応じて、電子機器と人体との間の等価インピーダンス（高抵抗＋容量成分）によって接地に対するフレームグランドの電位が変動する。しかも上記等価インピーダンスは状況によって変動する。このことは電子機器の動作上安定性の面で悪影響を及ぼす。

また、商用交流電源を整流平滑するいわゆるコンデンサインプット型の電源装置では商用交流電源の１周期の間のダイオードの導通期間が短く、ダイオードが逆バイアス状態となっている期間ではＤＣ−ＤＣコンバータの１次側（２次側も）が接地から浮いた状態となり、人体がフレーム部分に触れている状態でも、商用交流電源周波数の周期毎にグランド電位が不安定となる（変動する）。このようなことから、例えば負荷である電子機器が電話機等の音声信号を扱う機器である場合に雑音が生じるという問題があった。

この発明の目的は上述の問題を解消するものであり、接地に対する電子機器のグランド電位を安定化させ、電子機器の安定性を高め、ノイズの発生を抑えた電源装置および電源システムを提供することにある。

この発明は、商用交流電源を入力して整流する整流回路と、該整流回路の出力電圧を平滑する平滑回路と、該平滑回路の出力電圧を入力して所定電圧の直流電圧を発生するとともに負荷へ供給するＤＣ−ＤＣコンバータとを備えた電源装置において、前記整流回路を、整流ダイオードと該整流ダイオードに並列接続したコンデンサとで構成するとともに、前記コンデンサの静電容量を、前記整流ダイオードの逆バイアス時に前記整流ダイオードの導通期間に比べて充分に長い期間にわたって電流が流れるように定めたことを特徴としている。

前記整流回路は例えば４つのダイオードを備える全波整流ダイオードブリッジ回路であり、その４つのダイオードのうち正電圧出力側または負電圧出力側の少なくとも２つに前記コンデンサを並列接続する。

また、この発明の電源システムは、前記電源装置とその負荷とを備え、前記電源装置および前記負荷のフレームはいずれも接地されていなくて、前記負荷は音声信号を扱う電子機器とする。

この発明によれば整流ダイオードに対して並列にコンデンサを接続し、整流ダイオードの逆バイアス時に整流ダイオードの導通期間に比べて充分に長い期間にわたって電流が流れるように構成することによって、ダイオードのオフ期間にもコンデンサを介して電流が微少に流れ、接地側のラインを介して接地されることによって電子機器の高周波的なグランド電位は安定化する。そのため人体が電子機器のフレーム（金属部分）に接触する状態と接触しない状態とでグランド電位が変動したりすることもなく、雑音の発生が抑制でき、回路動作の安定性も増す。

なお、ダイオードに並列接続したコンデンサの静電容量が大き過ぎると、ダイオードの逆バイアス時にコンデンサを介して通電されて整流・平滑効果が著しく低下するが、整流ダイオードの逆バイアス時に商用交流電源周波数の半周期より十分に短い期間だけ充電電流が流れるように前記コンデンサの静電容量を定めることによってその問題は生じない。また小型のコンデンサを用いることができるため、装置サイズが大型化することもない。

図２はこの発明の実施形態に係る電源装置およびそれを備えた電源システムの構成を示す図である。電源装置１００はＥＭＩフィルタ１、整流回路２、平滑回路３、およびＤＣ−ＤＣコンバータ４とで構成している。この電源装置１００には商用交流電源ＡＣが入力され、出力には電子機器として、この例ではＩＰ電話用ルータ２００および電話機２１０が接続される。ＩＰ電話用ルータ２００には電話線およびＬＡＮケーブル等の通信ライン２０１が接続される。

図２に示した例では、電源装置１００はいわゆるＡＣアダプタの形状をなすが、この電源装置をＩＰ電話用ルータ等の電子機器内に組み込んでもよい。

ＥＭＩフィルタ１はコモン・モード・チョーク、ノーマル・モード・チョーク、ライン・バイパス・コンデンサ、アクロス・ザ・ライン・コンデンサ等を含み、ノーマルモードノイズとコモンモードノイズについて商用交流電源からのノイズの流入および商用交流電源へのノイズの流出を抑制する。

整流回路２は４つのダイオードＤ１〜Ｄ４をブリッジ接続するとともに、それぞれのダイオードにコンデンサＣ１〜Ｃ４を並列接続している。この全波整流ダイオードブリッジ回路によって商用交流電源電圧を全波整流する。

上記コンデンサＣ１〜Ｃ４の静電容量は、整流ダイオードＤ１〜Ｄ４の逆バイアス時にこれら整流ダイオードＤ１〜Ｄ４の導通期間に比べて充分に長い期間にわたって電流が流れるように定める。例えば数十ｐＦ〜数μＦ程度の小さなものでよい。

平滑回路３は平滑コンデンサからなり、ラインの抵抗成分とこの平滑コンデンサの静電容量とで定まる時定数が商用交流電源周波数の半波長より十分大きくなるような値に設定している。また、瞬時停電などの際に平滑出力電圧を所定電圧以上に保つように設定している。したがって整流回路２とともにコンデンサインプット型の整流平滑回路を構成している。

ＤＣ−ＤＣコンバータ４は、コンバータトランスＴ１の１次巻線Ｎ１にスイッチング素子Ｑ１を直列に接続し、２次巻線Ｎ２にダイオードＤ１２およびコンデンサＣ１２からなる整流平滑回路を接続している。またコンバータトランスＴ１の２次側のグランドと１次側のグランドとの間はコンデンサＣ１３で接続している。このコンデンサＣ１３はライン・バイパス・コンデンサとして設けている。すなわち電源装置１００の−出力端子はＩＰ電話用ルータ２００内でグランド（フレームグランド）に接続する。制御回路ＳＣはスイッチング素子Ｑ１をスイッチングすることによってコンバータトランスＴ１の１次巻線Ｎ１に流れる電流を断続し、これにともない２次巻線Ｎ２に誘起される電圧がダイオードＤ１２で整流されコンデンサＣ１２で平滑される。これによりいわゆるフライバック方式のＤＣ−ＤＣコンバータを構成している。

図３（Ｅ）は、図２に示した電源装置１００の整流回路２の動作波形図であり、図３（Ａ）〜（Ｄ）は他の回路構成の電源装置における整流回路の動作波形図である。具体的には、図３（Ａ）〜（Ｅ）において上部の波形は一つのダイオードの端子間電圧波形、下部の波形は整流回路の入力側に流れる電流波形である。

図３（Ａ）は、整流回路２にコンデンサＣ１〜Ｃ４のいずれも設けない状態での波形図、図３（Ｂ）は、４つのコンデンサＣ１〜Ｃ４のうちＣ１，Ｃ２のみを設けた場合の波形図、図３（Ｃ）は、４つのコンデンサＣ１〜Ｃ４のうちＣ１，Ｃ３のみを設けた場合の波形図、図３（Ｄ）は、４つのコンデンサＣ１〜Ｃ４のうちＣ２，Ｃ４のみを設けた場合の波形図、（Ｅ）は４つのコンデンサＣ１〜Ｃ４の全てを設けた場合の波形図である。

ここで、整流回路２にコンデンサＣ１〜Ｃ４のいずれも設けない状態で図３（Ａ）のような電圧波形になる理由について図４を参照して説明する。
図４（Ａ）は、商用交流電源電圧Ｖｉｎ、入力整流回路のダイオードに印加される電圧Ｖｄ、および平滑コンデンサの充電電圧Ｖｃ３の関係を示す図である。

任意の整流ダイオードの端子間電圧Ｖｄは、Ｖｄ＝Ｖｃ３−Ｖｉｎの関係より、Ｖｄ＝０（正確には−（順方向降下電圧））となるのは、ダイオードに電流Ｉｄが流れる期間のみの筈である。図４（Ｂ）中Ｖｄはその様子を示している。

しかし、実際には図４（Ｃ）に示すようにＶｄが０になっている期間はＩｄが流れている期間以外にも及んでいる。このことは以下に述べることに起因している。

まず、電圧ＶｉｎやＶｃ３は整流ダイオードに並列接続するコンデンサの有無には影響を受けない。したがってＶｄ＝Ｖｃ３−Ｖｉｎの関係で考えると波形は変化しない。

しかし、ここで接地と電源のグランド電位が時間によって変動するならば、Ｖｄ波形は変わることになる。すなわち図４（Ｃ）に示すように接地と電源のグランドがずれることが原因であるものと考えられる。

さて、図２に示した電源装置の整流平滑回路はコンデンサインプット型であるので、この図３に示すように商用交流電源電圧のピーク電圧付近でのみ整流回路２に電流が流れ、コンデンサＣ１〜Ｃ４が存在しない場合、ダイオードＤ１〜Ｄ４の全てがオフしている期間はＤＣ−ＤＣコンバータ４の入力側が接地から浮いた状態となるので、図４（Ｃ）で示したと同様に、電子機器のグランドが接地に対して或る電位をもつことになり、且つそのグランド電位が商用交流電源周波数の周期で変動する。このグランド電位の変動により電圧波形は正弦波から歪むことになる。図３（Ａ）の電圧波形の歪みはこのようにして観測されたものと推察できる。

これに対して４つのコンデンサＣ１〜Ｃ４を設けた場合、図３（Ｅ）に示すように整流回路２の入力電源ライン間の電圧はほぼ正弦波となっている。この電流波形は図４（Ｂ）に示した電流波形に近い。このように整流ダイオードに並列にコンデンサを接続することによって微少電流が常に流れ、このことで結果的に電源のグランド電位が安定しているものと推察できる。加えてダイオードの端子間電圧の歪みに伴う高周波ノイズの発生が抑えられるため、一層の雑音低減効果が得られるものと考えられる。

また図３（Ｃ），（Ｄ）に示すように、整流回路の入力ラインから＋出力または−出力側の２つのダイオードにのみコンデンサを並列接続した場合でも正弦波の歪みが低減されていてグランド電位の安定効果があることがわかる。

なお、図３（Ｂ）のように、整流回路の入力ラインの片側から＋出力と−出力の２つのダイオードにそれぞれコンデンサを並列接続した場合には、整流回路の不平衡性の影響で電圧波形としては（Ａ）の場合より歪んだように見える。したがって、電子機器（ＩＰ電話用ルータ）のグランド電位の安定性の向上および雑音低減効果が低いことが間接的に推察できる。

このように４つのダイオードＤ１〜Ｄ４のすべてにコンデンサを並列接続した場合に最も高い雑音低減効果が得られるが、少なくとも２つのダイオードにのみコンデンサを並列接続してもある程度の雑音低減効果が得られる。

なお、この実施形態ではＤＣ−ＤＣコンバータ４としてフライバック方式の例を挙げたがフォワードコンバータ方式、プッシュプル方式、ハーフブリッジ方式、フルブリッジ方式等の構成であっても同様の作用効果を奏する。

従来の電源装置の構成を示す図である。 この発明の実施形態に係る電源装置および電源システムの構成を示す図である。 図２に示す整流回路２の入力側電圧および入力側電流の波形図、およびコンデンサＣ１〜Ｃ４の接続有無による波形の変化を示す図である。 整流回路に接続するコンデンサの作用を示す波形図である。

符号の説明

１−ＥＭＩフィルタ
２−整流回路
３−平滑回路
４−ＤＣ−ＤＣコンバータ
１００，１１０−電源装置
２００−電子機器（負荷）
２０１−通信ライン
２１０−電話機
ＡＣ−商用交流電源
Ｃ１〜Ｃ４−コンデンサ
Ｄ１〜Ｄ４−ダイオード

Claims (3)

1. 商用交流電源を入力して整流する整流回路と、該整流回路の出力電圧を平滑する平滑回路と、該平滑回路の出力電圧を入力して所定電圧の直流電圧を発生するとともに負荷へ供給するＤＣ−ＤＣコンバータとを備えた電源装置において、
   前記整流回路を、整流ダイオードと該整流ダイオードに並列接続したコンデンサとで構成するとともに、前記コンデンサの静電容量を、前記整流ダイオードの逆バイアス時に前記整流ダイオードの導通期間に比べて充分に長い期間にわたって電流が流れるように定めたことを特徴とする電源装置。
2. 前記整流回路は４つのダイオードを備える全波整流ダイオードブリッジ回路であり、前記４つのダイオードのうち正電圧出力側または負電圧出力側の少なくとも２つのダイオードに前記コンデンサを並列に接続した請求項１に記載の電源装置。
3. 請求項１または２に記載の電源装置と前記負荷とを備える電源システムであって、
   前記電源装置および前記負荷のフレームはいずれも接地されていなくて、前記負荷は音声信号を扱う電子機器である電子機器の電源システム。

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