JP3047287B2 - 冗長化電源装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電力と通信信号を
同一のバスを用いて伝送するバスシステムに接続され、
バスに対して電力を供給する冗長化電源装置に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】電源装置の信頼性を高めるために、電源
装置を冗長化し、１台の電源装置が故障しても他の電源
装置でバックアップすることが通常行われている。この
ような構成をとる電源装置は冗長化電源装置といわれて
いる。

【０００３】図２は従来における冗長化電源装置の構成
例を示した図である。図２の破線で囲んだ部分が冗長化
電源装置である。図２で、１₁〜１_N（Ｎは２以上の整
数）は冗長化された電源装置、２は電力と通信信号の両
方を伝送するバスである。３₁〜３_Nはダイオードで、電
源装置１₁〜１_Nの出力端子をバス２に接続する線路４₁
〜４_Nにそれぞれ挿入されていて、アノードは電源装置
の出力端子に接続され、カソードはバス２に共通に接続
されている。電源装置１₁〜１_Nの出力は線路４₁〜４_Nの
共通接続点Ａで突き合わせられ、バス２に供給される。
５はバス２に接続された通信ノードである。バス２がプ
ラント制御システムに引かれたフィールドバスである場
合は、通信ノード５は、例えばセンサである。センサ等
の通信ノードは、バス２から一定の直流電流を受けて回
路動作をするためのエネルギーを得るとともに、直流電
流の上に通信キャリアの周波数になった交流成分を重畳
することによって送信動作を行う。

【０００４】図２の冗長化電源装置では、冗長化された
電源装置１₁〜１_Nは、それぞれ等しい出力電圧を発生し
ている。電源装置１₁〜１_Nの１つが故障しても残りの電
源装置がバックアップする。

【０００５】電力と通信信号を同一のバスを用いて伝送
するバスシステムでは、バスに電力を供給する電源装置
の出力インピーダンスが所定の値以上である必要があ
る。これは次の理由による。すなわち、通信キャリアの
周波数付近において電源装置の出力インピーダンスが低
いと、電流信号の通信キャリアをバスに送り出したとき
に、バス上にあらわれる通信キャリアの振幅電圧は小さ
くなる。これにより、通信キャリアが減衰しやすく、通
信距離を長くできなくなる。従って、電源装置の出力イ
ンピーダンスが所定の値以上である必要がある。このこ
とを定めた規約がフィールドバスでは制定されている。

【０００６】図２の冗長化電源装置では、Ｎ台の電源装
置１₁〜１_Nが並列接続されているため、Ｎ台の電源装置
１₁〜１_Nの合成出力インピーダンスは、１台の電源装置
の出力インピーダンスの１／Ｎとなる。このため、１台
の電源装置の出力インピーダンスが所定の値以上で規約
を満たしていても、Ｎ台の電源装置の合成出力インピー
ダンスは規約を満たさないことがあるという問題点があ
った。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上述した問題
点を解決するためになされたものであり、冗長化された
電源装置の出力電圧を切り換え、電源装置の出力端子に
接続されたダイオードのバイアス状態を変えることによ
り、電源装置を並列接続して冗長化しても合成出力イン
ピーダンスの低下を防止できる冗長化電源装置を実現す
ることを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、電力と通信信
号を同一のバスを用いて伝送するバスシステムに接続さ
れ、電源装置が冗長化されていて、冗長化された電源装
置の出力端子は電力の供給方向を順方向にして挿入され
たダイオードを介して前記バスに共通に接続された冗長
化電源装置において、前記電源装置は、バスに接続され
る通信ノードの動作電圧の範囲内で出力電圧が高電圧と
低電圧に切り換えられ、高電圧と低電圧の差は通信信号
の振幅電圧よりも大きく設定され、冗長化された電源装
置の中で、稼働側として動作することを指示した電源装
置の出力電圧は高電圧に設定し、他の電源装置の出力電
圧は低電圧に設定し、各電源装置の出力電圧を監視し、
稼働側の電源装置の出力電圧が所定の電圧よりも低くな
ったときは、前記他の電源装置の中の１つの電源装置の
出力電圧を高電圧に設定し新たな稼働側の電源装置とす
る冗長制御手段と、を具備したことを特徴とする冗長化
電源装置である。

【０００９】

【作用】このような本発明では、冗長制御手段は、稼働
側として動作することを指示した電源装置の出力電圧は
高電圧に設定し、他の電源装置の出力電圧は低電圧に設
定する。これにより、電源装置の出力端子に接続された
ダイオードは、稼働側で順バイアス、待機側では逆バイ
アスされる。逆バイアスされたダイオードの抵抗は電源
装置自身の出力インピーダンスに比べて十分大きくな
る。逆バイアスされたダイオードの抵抗と電源装置自身
の出力インピーダンスを並列接続した回路の合成出力イ
ンピーダンスは１台の電源装置自身の出力インピーダン
スと等しくなる。従って、冗長化された電源装置の合成
出力インピーダンスは１台の電源装置自身の出力インピ
ーダンスと等しくなる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、図面を用いて本発明を説明
する。図１は本発明の一実施例を示した構成図である。
図１で図２と同一のものは同一符号を付ける。図１の破
線で囲んだ部分が冗長化電源装置である。図１で、６₁
〜６₃は冗長化された電源装置である。図１では３個の
電源装置で冗長化されている例を示しているが、電源装
置はこれ以外の数で冗長化されていてもよい。電源装置
６₁〜６₃で、６０１は電源で、バス２の動作電圧の範囲
内で出力電圧が高電圧と低電圧に切り換えられる。高電
圧と低電圧の差は通信キャリア（通信信号）の振幅電圧
よりも大きく設定されている。図１の例では、高電圧が
２０Ｖ、低電圧が１８Ｖである。電力と通信信号を同一
のバスを用いて伝送するバスシステムでは、バスでの電
圧降下は、バスの長さまたは抵抗値、バスに接続される
通信ノードの数または各通信ノードにおける消費電流等
によって左右される。従って、個々の通信ノードの動作
電圧の範囲は広くとられるのが一般的である。例えば、
動作電圧の範囲は９Ｖ以上３２Ｖ以下に設定されてい
る。このような動作電圧の範囲では、上記の２０Ｖと１
８Ｖは通信ノード５が動作する上で問題とならない。ま
た、フィールドバスの例では、通信キャリアの振幅電圧
は約０．５Ｖで、２０Ｖと１８Ｖの電圧差２Ｖに比べて
小さい。

【００１１】６０２は電源装置６₁〜６₃自身の出力イン
ピーダンスを表したインピーダンス素子である。インピ
ーダンス素子６０２は電源装置６₁〜６₃自身の出力イン
ピーダンスをＺで代表して表している。７は冗長制御手
段で、動作指示を電源装置６₁〜６₃に与えることによ
り、冗長化された電源装置６₁〜６₃の中で、稼働側とし
て動作することを指示した電源装置の出力電圧は高電圧
に設定し、他の電源装置の出力電圧は低電圧に設定す
る。また、冗長制御手段７は、各電源装置６₁〜６₃の出
力電圧を監視し、稼働側の電源装置の出力電圧が所定の
電圧よりも低くなったときは、他の電源装置の中の１つ
の電源装置の出力電圧を高電圧に設定し新たな稼働側の
電源装置とする。

【００１２】図１の冗長化電源装置の動作を説明する。
まず、電源装置６₁が稼働側、電源装置６₂と６₃が待機
側になっているとする。このとき、冗長制御手段７は、
電源装置６₁の出力電圧を２０Ｖ、電源装置６₂と６₃の
出力電圧を１８Ｖに設定する。ダイオード３₁は順バイ
アスされる。ダイオード３₁の順方向の電圧降下量は約
０．６Ｖであるため、バス２の電圧は、ほぼ１９．４Ｖ
になる。これにより、ダイオード３₂と３₃は逆バイアス
される。ここで、バス２からみたインピーダンスに着目
すると、電源装置６₁のインピーダンスは、 （電源装置６₁自身の出力インピーダンスＺ）＋（順バ
イアスされている状態でのダイオード３₁の等価内部抵
抗値Ｒｆ） にみえる。一般に、Ｚ>>Ｒｆであるため、電源装置６₁
のインピーダンスはほぼＺにみえる。一方、バス２から
みた電源装置６₂と６₃のインピーダンスは、 （電源装置６₂と６₃自身の出力インピーダンスＺ）＋
（逆バイアスされている状態でのダイオード３₂，３₃の
等価内部抵抗値Ｒｒ） にみえる。逆バイアスされている状態でのダイオード３
₂，３₃の漏れ電流は、一般にμＡのオーダーになってい
ることから、ＲｒはＺに比べて十分に大きい。従って、
バス２からみた電源装置６₂と６₃のインピーダンスはＲ
ｒにみえる。これらのことから、バス２からみた電源装
置６₁〜６₃の合成インピーダンスＺ _Tは次のとおりにな
る。 Ｚ_T＝１／｛（１／Ｚ）＋（１／Ｒｒ）＋（１／Ｒ
ｒ）｝ ここで、（１／Ｚ）>>（１／Ｒｒ）より、 Ｚ_T≒１／（１／Ｚ） ＝Ｚ 結局、バス２からみた冗長化された電源装置６₁〜６₃の
合成出力インピーダンスは、ほぼＺにみえる。

【００１３】次に、電源装置６₁が故障したときの動作
を説明する。今、電源装置６₁の出力電圧が０に向かっ
て低下していくと、やがてダイオード３₂と３₃が順バイ
アスされ、電源装置６₂と６₃から電力が供給される。こ
れにより、バス２上の電圧は１Ｖだけ低下する。このと
き、電源装置６₂と６₃の両方から電力が供給されること
から、バス２からみた冗長化電源装置のインピーダンス
は、Ｚ／２に低下する。これにより通信に障害は出る
が、各通信ノードの最低動作電圧９Ｖに対しては十分な
余裕があるため、通信ノードがリセットされることはな
い。冗長制御手段７は、電源装置６₁〜６₃の出力電圧を
監視していて、電源装置６ ₁の出力電圧が所定の電圧よ
りも低くなったときに電源装置６₁が故障したと判断す
る。ここで、所定の電圧とは、例えば、バス２上の電圧
が１８Ｖよりも低くなるような電源装置６₁の出力電圧
である。バス２上の電圧が１８Ｖよりも低くなると、ダ
イオード３₂と３₃が順バイアスされ始め、電源装置６₂
と６₃の出力インピーダンスが低下する。このとき、冗
長制御手段７は、電源装置６₁に出していた稼働側とし
て動作することの指示を取下げ、残された健全な電源装
置、例えば６₂に対して稼働側として動作することを指
示する。電源装置６₂は、この指示を受けて出力電圧を
１８Ｖから２０Ｖに上昇させる。これにより、電力は電
源装置６₂だけから供給される。このとき、ダイオード
３₂は順バイアス、ダイオード３₁と３₃は逆バイアスさ
れているため、バス２からみた冗長化された電源装置６
₁〜６₃の合成出力インピーダンスは、再びＺに上昇す
る。そして、バス２上の通信が回復する。結局、バス２
上で通信不能となる時間は、 （冗長制御手段７が電源装置６₁を故障と判断する時
間）＋（電源装置６₂が稼働側として動作することを指
示されてから実際に出力電圧を上昇するまでの時間） となる。故障を検出し、稼働側を切り換える処理をハー
ドウェアで実現できるときは、処理に要する時間は数十
ｍｓｅｃ程度に抑えられる。

【００１４】

【発明の効果】本発明によれば、冗長化された電源装置
は、出力電圧が高電圧と低電圧に切り換えられる。稼働
側の電源装置は出力電圧が高電圧に、待機側の電源装置
は出力電圧が低電圧に設定される。このため、電源装置
の出力端子に接続されたダイオードは、稼働側では順バ
イアス、待機側では逆バイアスになる。逆バイアスされ
たダイオードの抵抗値Ｒｒは、電源装置自身の出力イン
ピーダンスＺに比べて十分大きくなる。従って、冗長化
された電源装置の合成出力インピーダンスＺ_Tは次のと
おりになる。 Ｚ_T＝１／｛（１／Ｚ）＋（１／Ｒｒ）…＋（１／Ｒｒ）｝ ≒１／（１／Ｚ） ＝Ｚ この式に示すように、冗長化された電源装置の合成出力
インピーダンスＺ_Tは、１台の電源装置の出力インピー
ダンスＺと等しくなる。これによって、電源装置を並列
接続して冗長化しても合成出力インピーダンスの低下を
防止できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示した構成図である。

【図２】従来における冗長化電源装置の構成例を示した
図である。

【符号の説明】

２ バス ３₁〜３₃ ダイオード ４₁〜４₃ 線路 ５ 通信ノード ６₁〜６₃ 電源装置 ７ 冗長制御手段

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電力と通信信号を同一のバスを用いて伝
   送するバスシステムに接続され、電源装置が冗長化され
   ていて、冗長化された電源装置の出力端子は電力の供給
   方向を順方向にして挿入されたダイオードを介して前記
   バスに共通に接続された冗長化電源装置において、 前記電源装置は、バスに接続される通信ノードの動作電
   圧の範囲内で出力電圧が高電圧と低電圧に切り換えら
   れ、高電圧と低電圧の差は通信信号の振幅電圧よりも大
   きく設定され、 冗長化された電源装置の中で、稼働側として動作するこ
   とを指示した電源装置の出力電圧は高電圧に設定し、他
   の電源装置の出力電圧は低電圧に設定し、各電源装置の
   出力電圧を監視し、稼働側の電源装置の出力電圧が所定
   の電圧よりも低くなったときは、前記他の電源装置の中
   の１つの電源装置の出力電圧を高電圧に設定し新たな稼
   働側の電源装置とする冗長制御手段と、を具備したこと
   を特徴とする冗長化電源装置。