JP2014100063A - 電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】１つの出力端子で複数種類の電圧が得られ、出力電圧が変わっても出力容量が維持される電源装置を提供すること。
【解決手段】出力電圧を変更するための切替信号に応じて出力電流の制限値を補正する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電源装置に関する。

図４は一般的なプログラマブルコントローラに適用される電源給電図である。図４において、システム電源はベースボードを介してプログラマブルコントローラの機能モジュール（例えば入／出力モジュールなど）それぞれに電圧を供給する。この電圧を受けた各機能モジュールは、該モジュール内の回路を駆動させるためのモジュール内電圧を生成すると共に、該モジュールに接続される外部機器向けに外部用電圧を生成し出力する。

このような機能モジュールは、多種存在する外部機器の仕様に対応するため、複数種類の電圧を生成するＤＣ／ＤＣコンバータを実装し、このＤＣ／ＤＣコンバータによって得られた電圧それぞれを出力するように構成されている。外部機器はこの出力された電圧を該外部機器の仕様に合わせて適宜選択して使用する。

例えば、図５（ａ）のＤＣ／ＤＣコンバータは、トランスの２次側巻線の所定部から２つの出力を得て、この２つの出力それぞれにレギュレータを接続して外部機器向けに２種類の電圧を出力するものである。また、図５（ｂ）のＤＣ／ＤＣコンバータは、トランスの２次側に２つのレギュレータを接続して外部機器向けに２種類の電圧を出力するものである。

このような２種類の電圧を出力する電源は例えば特許文献１に開示されており、この電源は、トランスの巻線に中間タップを設けて２種類の出力を得て、その２種類の出力を切替えて使用するように構成されている。

特開平５−２５２４１２号公報

しかしながら、このような従来のプログラマブルコントローラの電源供給方法では、機能モジュールが出力した２つの外部用電圧のうち、いずれかの出力が選択され該外部機器（ユーザ）に供給される。

このため、使用されない方のレギュレータが常時起動されているため無駄な消費がある。例えば、外部機器をｎ台接続するとき外部機器用の電源がｎ台必要になる。このような場合、無駄な消費が増大することになりシステム電源がダウンすることがあった。また、外部機器での短絡や過負荷を想定して定常運用の負荷容量に加えてさらに大きな容量を見積もってシステム電源を構築する必要があり、システム電源が必要以上に高価で大きくになるという問題があった。

本発明は、上記のような問題点を鑑みてなされたものであり、その課題は、１つの出力端子で複数種類の電圧を効率よく得る電源装置を提供することにある。また、出力する電圧が変更されても電源の出力容量を維持することにある。

上述した課題を達成するため、本発明の請求項１に係る電源装置は、スイッチング手段を用いて第一の直流電圧から第二の直流電圧を生成し、出力部を介して外部に出力電圧を出力する電源装置において、出力部は所定の閾値を超えて外部に電流が流れないように、出力電流を制限する電流制限手段と、出力電圧を所定の電圧に設定するための切替信号に応じて、出力電力を維持するように出力電流の制限値を補正する制限値補正手段を備えることを特徴とする。

請求項２に係る電源装置は、請求項１に記載の電源装置であって、電流制限手段は、第二の直流電圧から第一の電圧降下手段を介して所定の電流を流す定電流源と、出力電流に応じて第二の直流電圧から電圧降下する第二の電圧降下手段と、を備え過負荷のとき、第二の電圧降下手段に生じた電圧と第一の電圧降下手段に生じた電圧とが等しくなるように出力電流を調整することを特徴とする。

請求項３に係る電源装置は、請求項２に記載の電源装置であって、制限値補正手段は、定電流源が流す電流の大きさを変えることにより閾値を補正することを特徴とする。
請求項４に係る電源装置は、出力部は第二の電圧降下手段を介して出力電圧を出力し、過負荷時の出力電圧の低下を検出してスイッチング手段にフィードバック信号を与える出力電圧連動部を更に備え、該出力電圧連動部からのフィードバック信号を受けてスイッチング手段が第二の直流電圧を低下させることを特徴とする。

請求項５に係る電源装置は、請求項４に記載の電源装置であって、出力電圧連動部は、第二の直流電圧と出力電圧とを分圧する分圧回路と、該分圧回路によって分圧された電圧の大きさに応じて所定の電圧を出力する基準電圧源にて構成され、この基準電圧源の出力電圧をフィードバック信号とすることを特徴とする。

請求項６に係る電源装置は、請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の電源装置であって、出力部は第二の直流電圧にて駆動されることを特徴とする。

本発明は、出力電圧の設定を目的とする切替信号を受け、トランスのスイッチングを制御するよう構成したので、１つの出力端子にて２種類の電圧を出力することができる。加えて、出力電圧の切替えに伴って出力電流の制限値を調整する構成としたので、本発明の電源装置は出力電圧の変更に影響されず、その出力容量（ワット）が維持される。また、外部負荷のインピーダンスが所定の許容値よりも低下したこと（すなわち、過負荷）による出力電圧の低下に追従して、第二の直流電圧を低下させるよう構成した。このようにすることにより、外部負荷のインピーダンスが所定の許容値よりも低下したときの無駄な消費エネルギーが抑制されるため、発熱を抑えることができ、装置の小型化が可能になる。

本発明の実施例に係る電源装置のブロック図である。 本発明の実施例に係る出力部、出力電圧連動部、電圧制御部の回路図である。 本発明の実施例に従った電源装置の出力電圧に対する出力電流の制限値を示す特性図である。 プログラマブルコントローラに適用される一般的な電源給電図である。 図４に示す外部機器に電源を供給する従来の電源装置のブロック図である。

以下、本発明の好適な実施形態について図１〜図３の図面を基に説明する。尚、これら
の図面は本発明の一実施形態を説明するための図面であって、これらの図面によって本発明が限定されるものではない。また、同構成は同符号を付してある。

図１は本発明の電源装置の１例を示すブロック図である。図１を参照しながら本発明に係る電源装置の概略機能を説明する。
電源装置１は、入力された所定の直流電圧をＭＯＳ−ＦＥＴ（不図示）などのスイッチング手段５により制御しトランス６の２次側に発生した電圧を整流回路によって整流して直流電圧（Ｖ１）を生成する。

９は後述の出力電圧連動部３が出力するフィードバック信号（ＦＢ２）をスイッチング手段５に伝達するフォトカプラである。また、５はフォトカプラ８もしくはフォトカプラ９によって出力されたコントロール信号ＦＢを受けて、トランス６へのスイッチング周波数やパルス幅を制御するスイッチング手段である。

電圧制御部４は、フォトカプラ７を介して電源装置１の出力電圧（Ｖ２）の設定を目的とするＭＯＤＥ信号を受け、この信号に応じスイッチング手段５にフォトカプラ８を介してコントロール信号ＦＢを与える。この電圧制御部４は、ＭＯＤＥ信号がオン（Ｈ）されると、トランス６へのスイッチングパルス幅が拡大されるようフィードバック信号ＦＢ１を出力する。従って、電源装置１は電圧制御部４の作用により、ＭＯＤＥ信号のオン／オフに応じてその直流電圧Ｖ１を変更することができる。このＭＯＤＥ信号のオン／オフは、スイッチやこの電源装置１を制御するＣＰＵなどによって行われる。このように電圧制御部４は、ＭＯＤＥ信号に連動して直流電圧Ｖ１の電圧を切替える役割を果たす。

続いて、２は外部負荷に負荷電流ＩＬ（以下、電流ＩＬ）を流すと共に、所定の閾値を超えた電流の出力を制限する出力部である。すなわち、出力部２は電源装置１の外部に接続される外部負荷のインピーダンスが所定の許容値から低下したとき、所定以上の電流ＩＬを流さないように作用する電流制限機能（電流制限手段）を有している。また、出力部２は、ＭＯＤＥ信号によりその出力電圧が変更されると、この変更に応じて出力電流の制限値を補正する機能（制限値補正手段）を備えている。なお、出力部２は直流電圧Ｖ１にて駆動されている。

続いて、３は出力部２が出力した出力電圧Ｖ２を入力し、フォトカプラ９を介してスイッチング手段５にコントロール信号ＦＢを与える出力電圧連動部である。この出力電圧連動部３は、出力電圧Ｖ２の変動に追従してトランス６へのスイッチング電圧のパルス幅を制御するようフィードバック信号ＦＢ２を出力する。出力電圧連動部３の作用により、直流電圧Ｖ１は出力電圧Ｖ２の変動に追従して電圧が調整される。

図２は本発明の実施例に係る出力部２、出力電圧連動部３、そして電圧制御部４の回路例である。
図２において、電圧制御部４は、抵抗４１，４２，４３，４４、基準電圧源４５、そしてトランジスタＴｒ３によって構成される。電圧制御部４は、抵抗４２，４３，４４にて直流電圧Ｖ１を分圧し、抵抗４４に発生した電圧によってＦＢ１信号を制御する。

出力部２は、オペアンプ２２、ＦＥＴ２４、抵抗２３、抵抗２５、抵抗２５１によって構成される定電流回路を備える。この定電流回路は基準電圧ＩＣ２０が出力する基準電圧を電流に変換するものである。この定電流回路が流す電流は抵抗２３を介して直流電圧Ｖ１から流れており、抵抗２３にはこの電流に応じた電圧が発生している。２７は、電流ＩＬに応じて電圧を発生する抵抗である。

２６はオペアンプであり、このオペアンプ２６の一方の入力端子には抵抗２３が接続され、抵抗２３の電圧が印加されている。また、オペアンプ２６のもう一方の入力端子には抵抗２７が接続され、抵抗２７の電圧が印加されている。オペアンプ２６の出力端子にはＦＥＴ２８のゲートが接続されている。

トランジスタＴｒ１，Ｔｒ２、抵抗２９によって構成される回路は、ＭＯＤＥ信号を受信しフォトカプラ７によって駆動される切り替え信号Ｓ１に応じて、抵抗２５１の両端を短絡するスイッチ回路である。

以降図１、図２を参照しながらＭＯＤＥ信号がオフ（Ｌ）のときと、オン（Ｈ）のときに分けて本発明に係る電源装置の動きを説明する。

（ＭＯＤＥ信号がオフのときの動き）
ＭＯＤＥ信号がオフ、すなわち切り替え信号Ｓ１がオフ（Ｈ）のとき、電圧制御部４はトランジスタＴｒ３がオフするので直流電圧Ｖ１は抵抗４２，４３，４４にて分圧される。基準電圧源４５は抵抗４４に発生した電圧を基に信号ＦＢ１を出力する。フォトカプラ８は信号ＦＢ１を受信して信号ＦＢをスイッチング手段５に与え、スイッチング手段５は信号ＦＢを基にトランスへのスイッチング幅を制御する。トランス６の２次側出力ラインにはスイッチング手段５によるスイッチングに応じた直流電圧Ｖ１が生成される。出力部２は直流電圧Ｖ１をもとに、出力電圧Ｖ２を出力する。

すなわち、ＭＯＤＥ信号がオフのときは抵抗４２がトランジスタＴｒ３によってバイパスされず直流電源Ｖ１と抵抗４３の間に抵抗４２が挿入された状態になる。このとき信号ＦＢ１は、抵抗４４に発生する電圧に従って例えば１５Ｖの直流電圧Ｖ１を得るようにスイッチング手段５に作用する。このようにして、電源装置１はデフォルトの直流電圧Ｖ１（１５Ｖ）を生成すると共に、出力部２を介して出力電圧Ｖ２（１５Ｖ）を出力する（出力部２の動きは後述）。

一方、出力部２は、ＭＯＤＥ信号がオフのとき、トランジスタＴｒ１およびトランジスタＴｒ２がオフするので抵抗２５１の両端は短絡されない。従って、定電流回路が流す電流はオペアンプ２２が出力する電圧を抵抗２５と抵抗２５１との合成抵抗値で割った値で決定される。この定電流回路に流れる電流は常に抵抗２３に流れ、抵抗２３にはこの電流に応じた電圧が発生し、この電圧はオペアンプ２６の片端に印加されている。

電流ＩＬが外部負荷に流れると、抵抗２７は電流ＩＬに応じて電圧を発生する。外部負荷のインピーダンスが小さくなって電流ＩＬが増え、抵抗２７の電圧が抵抗２３の電圧よりも低くなると、オペアンプ２６はその出力電圧を上昇させ、電流ＩＬを抑制するようにＦＥＴ２８を制御する。この結果、抵抗２７の電圧は上昇へと転じ、オペアンプ２６の２つの入力端子はその電圧が等しくなるように電流ＩＬが調整されることになる。すなわち、オペアンプ２６は抵抗２７の電圧が抵抗２３の電圧より低くならないようにＦＥＴ２８を制御し、電流ＩＬを調整する。

すなわち、過負荷のとき抵抗２７の電圧は抵抗２３の電圧とほぼ等しい電圧が維持される。抵抗２７の電圧が抵抗２３の電圧で維持されるということは、抵抗２７に流れる電流ＩＬは所定の電流を超えて流れないよう制限されることになる。

言い換えれば、外部負荷のインピーダンスが所定の許容値よりも低下したことを検知するために、オペアンプ２６は抵抗２３の電圧を基準として抵抗２７の電圧を比較している
。オペアンプ２６は抵抗２７に発生した電圧が抵抗２３の電圧よりも低下しないようにＦＥＴ２８を介して電流ＩＬを調整する。

例えば、外部負荷の許容値を２０Ωとするところ、１５Ωまで外部負荷が低下したとき、外部負荷（１５Ω）とＦＥＴ２８によって補足されたインピーダンスの合計値が２０ΩになるようＦＥＴ２８のソース−ドレイン間のインピーダンスはオペアンプ２６によって制御される。このように制御されたＦＥＴ２８のソース−ドレイン間には、５Ωが補われるため、ＦＥＴ２８のソース−ドレイン間には電流ＩＬの出力に伴った電圧が発生し出力電圧Ｖ２は低下する。

また、オペアンプ３０、抵抗３１、抵抗３２、基準電圧ＩＣ３３によって構成される回路は出力電圧連動部３である。オペアンプ３０はボルテージフォロアなので、その出力電圧は出力電圧Ｖ２と同じ電圧である。抵抗３１と抵抗３２は直流電圧Ｖ１と出力電圧Ｖ２を分圧する分圧回路である。基準電圧ＩＣ３３は、抵抗３１と抵抗３２によって分圧された電圧を入力し所定の電圧を出力（ＦＢ２）する制御ＩＣである。尚、抵抗３１と抵抗３２によって分圧された電圧は、直流電圧Ｖ１と出力電圧Ｖ２の差が大きくなると、微小に下降するようにそれぞれ乗数が決定されている。

上述の如く外部負荷の過負荷によって出力電圧Ｖ２が低下すると、直流電圧Ｖ１と出力電圧Ｖ２の差が大きくなる。このように直流電圧Ｖ１と出力電圧Ｖ２の電圧差が大きくなると、抵抗３１と抵抗３２との連結点の電圧は微小に低下する。こうなると、基準電圧ＩＣ３３は出力電圧を下げてフォトカプラ５から電流ＩＢを引き込むように作用する。基準電圧ＩＣ３３がフォトカプラ９から電流ＩＢを引き込むと、フォトカプラ９はスイッチング手段５に制御信号（ＦＢ）を与えて、スイッチング手段５は直流電圧Ｖ１を低下させるようにスイッチングパルス幅を制御する。

すなわち、外部負荷の過負荷により出力電圧Ｖ２が低下すると、出力電圧連動部３は、直流電圧Ｖ１と出力電圧Ｖ２の電圧差に応じた信号ＦＢ２を出力する。信号ＦＢ２を受信したスイッチング手段５は、トランス６へのスイッチングパルス幅を制御し、この結果、直流電圧Ｖ１は出力電圧Ｖ２の低下に追従して低下されていく。

このように、外部負荷の過負荷に伴う出力電圧Ｖ２の低下に追従して直流電圧Ｖ１が低下するので、ＦＥＴ２８のソース−ドレイン間の電圧は維持される。従って、外部負荷が過負荷時になってもＦＥＴ２８の発熱が抑制され、無駄なエネルギーの消費がなくなる。

（ＭＯＤＥ信号がオンのときの動き）
続いて、図１と図２を参照しながらＭＯＤＥ信号がオン（Ｈ）のときの電源装置１の動きを説明する。以降の説明は、ＭＯＤＥ信号がオフの状態で電源装置１が１５Ｖを出力中にＭＯＤＥ信号がオンされ出力電圧が１２Ｖに変更されるときを例にしている。

尚、ＭＯＤＥ信号のオン／オフに関わらず同じ動きをする部分（出力電圧連動部３など）の説明を省略する。
ＭＯＤＥ信号がオフからオン、すなわち切り替え信号Ｓ１がオフ（Ｈ）からオン（Ｌ）になると、トランジスタＴｒ３がオンするので、抵抗４２を介さず直流電圧Ｖ１は抵抗４３と抵抗４４にて分圧される。このとき、抵抗４２がトランジスタＴｒ３にてバイパスされるので、抵抗４３と抵抗４４の合成抵抗値は抵抗４２が挿入された値に比べて小さくなる。

従って、この時点（ＭＯＤＥ信号のオフからオンになった瞬時点）において、直流電圧
Ｖ１は１５Ｖであるため、抵抗４３と抵抗４４を流れる電流は、抵抗４２がバイパスされる前に比べて多くなる。よって、抵抗４４に発生する電圧は抵抗４２がバイパスされる前に比べて上昇する。抵抗４４の電圧が上昇すると、信号ＦＢ１はフォトカプラ８を介して直流電圧Ｖ１の電圧を下降するようスイッチング手段５に作用し、スイッチング手段５はトランスのスイッチング幅を制御することで直流電圧Ｖ１の電圧を下げる。

直流電圧Ｖ１の電圧が下がってくると抵抗４３，４４に流れる電流は序々に低下し、この電流の低下に伴い抵抗４４に発生する電圧も低下する。以降、抵抗４４に発生する電圧が所定の電圧になるまで、信号ＦＢ１は直流電圧Ｖ１を下降させるように作用する。抵抗４４の電圧が所定の電圧になると、信号ＦＢ１は直流電圧Ｖ１を維持させるように作用し、以降、直流電圧Ｖ１は所定の電圧（１２Ｖ）に維持される。

一方、出力部２は直流電圧Ｖ１（１２Ｖ）にて駆動されるので、該出力部の出力電圧Ｖ２は１２Ｖになる。
また、ＭＯＤＥ信号がオンに伴いトランジスタＴｒ２がオンするので、抵抗２５１がバイパスされる。定電流回路に流れる電流は抵抗２５とオペアンプ２２の出力電圧で決定される。従って、Ｔｒ２がオンして抵抗２５１がバイパスされると、定電流回路の電流はＭＯＤＥ信号がオフのときに比べて増加する。この電流の増加に伴い抵抗２３の電圧降下が増えるため、オペアンプ２６に印加される抵抗２３の電圧はＭＯＤＥ信号がオフのときに比べて下がる。このように、抵抗２３の電圧が下がると、抵抗２７を経由して出力される電流ＩＬの制限値（閾値）は、ＭＯＤＥ信号がオフのときに比べて大きくなる。

例えば、ＭＯＤＥ信号がオフのときの出力電圧を１５Ｖ、電流ＩＬの制限値を１Ａとした場合、その出力容量は１５Ｗである。これに対し、ＭＯＤＥ信号がオンされて出力電圧が１２Ｖに変更されたとき、出力容量１５Ｗを維持するための電流ＩＬの制限値は１．２５Ａである。このように、ＭＯＤＥ信号がオフのときの電流ＩＬの制限値を１Ａとし、ＭＯＤＥ信号がオンのときの電流ＩＬの制限値を１．２５Ａとするように抵抗２３と抵抗２７の乗数を決定すれば、電源装置の出力容量は出力電圧の変更に関わらず維持されることになる。

図３は、本発明に係る電源装置１の特性図である。図３において、ＭＯＤＥ信号がオフのとき出力電圧は１５Ｖであり、その出力電流の制限値は１Ａである。ＭＯＤＥ信号がオンになると出力電圧は１２Ｖになり、その出力電流の制限値は１．２５Ａになっている。また、電源装置の１次側に流れる電流は出力電圧に関わらず一定である。この理由は前述の如く、電源装置１の出力容量は出力電圧に関わらず維持されるためである。

従って、図４に示すような機能モジュールの外部機器用電源に本発明の電源装置を適用すれば、外部機器用電源の出力電圧の変更に伴ってシステム電源を再構築する必要がないなど、システム電源の選定やその設計が容易になる。また、無駄にスイッチングレギュレータを起動しないので、省エネルギー化が成される。

以上に説明したように、ＭＯＤＥ信号がオンされると、電圧制御部４の作用により直流電圧Ｖ１が変更（１５Ｖ→１２Ｖ）されるため、外部への出力電圧Ｖ２は直流電圧Ｖ１の変更と共に変更（１５Ｖ→１２Ｖ）される。また、出力部２の作用により電流ＩＬの制限値が拡大される。よって、本発明の電源装置は出力電圧の変更に影響されずその出力容量（ワット）が維持される。

よって、本発明の電源装置は、ＭＯＤＥ信号が設定されることによりトランスのスイッチング幅を制御するよう構成したので、１出力端子にて２種類の電圧を出力することができる。加えて、出力電圧の切替えに伴って出力電流の制限値を調整する構成としたので、
本発明の電源装置は出力電圧に影響されずその出力容量（ワット）が維持される。また、外部負荷のインピーダンスが所定の許容値よりも低下したことよる出力電圧Ｖ２の低下に追従して直流電圧Ｖ１の電圧を低下させるよう構成した。このようにすることにより、外部負荷のインピーダンスが所定の許容値よりも低下したときのＦＥＴ２８の無駄な消費エネルギーが抑制されるため発熱を抑えることができ、装置の小型化が可能になる。

１ 電源装置
２ 出力部
３ 出力電圧連動部
４ 電圧制御部
５ スイッチング手段
６ トランス
７，８，９ フォトカプラ
２０，３３，４５ 基準電圧ＩＣ
２１，２３，２５，２５１，２７，２９，３１，３２，４１，４２，４３，４４ 抵抗
２２，２６，３０ オペアンプ
２４，２８ ＦＥＴ
Ｔｒ１，Ｔｒ２，Ｔｒ３ トランジスタ

Claims (6)

1. スイッチング手段を用いて第一の直流電圧から第二の直流電圧を生成し、出力部を介して外部に出力電圧を出力する電源装置において、
   前記出力部は
   所定の閾値を超えて外部に電流が流れないように、出力電流を制限する電流制限手段と、
   前記出力電圧を所定の電圧に設定するための切替信号に応じて、出力電力を維持するように前記出力電流の制限値を補正する制限値補正手段を備えることを特徴とする電源装置。
2. 請求項１に記載の電源装置であって、
   前記電流制限手段は、
   前記第二の直流電圧から第一の電圧降下手段を介して所定の電流を流す定電流源と、
   前記出力電流に応じて第二の直流電圧から電圧降下する第二の電圧降下手段と、を備え、
   過負荷のとき、前記第二の電圧降下手段に生じた電圧と前記第一の電圧降下手段に生じた電圧とが等しくなるように前記出力電流を調整することを特徴とする電源装置。
3. 請求項２に記載の電源装置であって、
   前記制限値補正手段は、前記定電流源が流す電流の大きさを変えることにより前記閾値を補正することを特徴とする電源装置。
4. 請求項２に記載の電源装置であって、
   前記出力部は前記第二の電圧降下手段を介して前記出力電圧を出力し、
   過負荷時の前記出力電圧の低下を検出して前記スイッチング手段にフィードバック信号を与える出力電圧連動部を更に備え、
   該出力電圧連動部からのフィードバック信号を受けて前記スイッチング手段が前記第二の直流電圧を低下させることを特徴とする電源装置。
5. 請求項４に記載の電源装置であって、
   前記出力電圧連動部は、前記第二の直流電圧と前記出力電圧とを分圧する分圧回路と、
   該分圧回路によって分圧された電圧の大きさに応じて所定の電圧を出力する基準電圧源にて構成され、この基準電圧源の出力電圧を前記フィードバック信号とすることを特徴とする電源装置。
6. 請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の電源装置であって、
   前記出力部は前記第二の直流電圧にて駆動されることを特徴とする電源装置。
   

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