JP4552212B2 - バックアップ用直流電源装置およびその制御方法 - Google Patents

Description

本発明はＤＣ／ＤＣコンバータを用いたバックアップ用直流電源装置およびその制御方法に関する。

近年、電源としてＡＣアダプタを用いる電子機器が広く普及しているが、コンピュータや通信機器などでは停電に対する対策が不可欠である。このような対策として、ＡＣアダプタに接続するバックアップ用直流電源装置が種々提案されている。

たとえば、特許文献１に開示されたバックアップ用直流電源装置は、負荷機器とＡＣアダプタとの間に接続され、停電時には蓄電池からの直流電圧をＤＣ／ＤＣコンバータにより一定電圧に変換し負荷機器へ供給する。

特開２００５−１６０２１０号公報

しかしながら、上述したバックアップ用直流電源装置は、その出力電圧がＤＣ／ＤＣコンバータにより固定されるので、負荷機器に使用されるＡＣアダプタの出力電圧に合わせて設計する必要がある。このために、特許文献１に開示された構成を有するバックアップ直流電源装置は、特定のＡＣアダプタだけに接続でき、利用範囲が極めて狭くなる。

そこで、本発明の目的は、ＡＣアダプタから入力する直流電圧によらず利用可能なバックアップ用直流電源装置およびその制御方法を提供することにある。

本発明によるバックアップ用直流電源装置は、入力直流電源の供給停止時にバックアップ用直流電源を供給する装置であって、内部電池と、前記内部電池により動作可能であり、参照電圧により制御される出力電圧をバックアップ用直流電源として供給するＤＣ／ＤＣコンバータと、正常時の入力直流電源に基づいて前記参照電圧を生成する参照電圧生成手段と、前記入力直流電源のモニタ電圧と前記参照電圧とを比較し、その比較結果に従って前記ＤＣ／ＤＣコンバータの停止／起動を制御する比較手段と、を有することを特徴とする。

本発明によるバックアップ用直流電源装置は、ＡＣアダプタからの入力する直流電圧によらず利用可能となる。

１．第１実施形態
１．１）構成
図１は本発明の第１実施形態によるバックアップ用直流電源装置の構成を回路図である。バックアップ用直流電源装置１０の入力電圧Ｖ_INはＡＣアダプタ１０から入力し、出力電圧Ｖ_OUTは負荷装置１２へ出力される。負荷装置１２は、ＡＣアダプタ１０に接続して使用される携帯電話機、携帯情報通信端末、その他電子機器である。

バックアップ用直流電源装置１０には、制御部１００、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０１および電池１０２が設けられている。後述するように、制御部１００はＤＣ／ＤＣコンバータ１０１を制御し、停電等による電源断によりＤＣ／ＤＣコンバータ１０１を起動する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１０１は、電池１０２から供給される入力電圧Ｖｉを出力電圧Ｖｏに変換するが、出力電圧Ｖｏは固定ではなく参照電圧Ｖ_REFに応じて変化する。一般的なＤＣ／ＤＣコンバータは内部に出力電圧の基準となるリファレンス電圧を持っており、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧を分圧してフィードバックし、出力電圧を制御している。本実施形態では、このリファレンス電圧を参照電圧Ｖ_REFとしてＤＣ／ＤＣコンバータの外部より入力し、出力電圧Ｖｏの可変制御に利用したものである。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０１は、制御電圧Ｖ４のハイレベル／ローレベルに依存して起動（ＯＮ）／停止（ＯＦＦ）する。さらに、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０１は、出力電圧をモニタするフィードバック電圧Ｖ_FBによって出力電圧Ｖｏを安定化する。

ＡＣアダプタ１０から入力する入力電圧Ｖ_INは、抵抗Ｒ１およびＲ２により分圧され、分圧電圧Ｖ１がモニタ電圧として電圧保持器１０３に保持される。電圧保持器１０３は、スイッチＳＷが閉じられたタイミングでモニタ電圧Ｖ１を取り込んで保持するキャパシタなどの回路素子を用いることができる。スイッチＳＷは手動により操作されてもよいが、所定周期で自動的に閉じられるように構成することもできる。

電圧保持器１０３は参照電圧を生成する回路であり、その出力電圧Ｖ２は、比較器１０４の非反転（＋）入力端子に印加され、参照電圧Ｖ_REFとしてＤＣ／ＤＣコンバータ１０１に印加される。また、比較器１０４の反転（−）入力端子には、入力電圧Ｖ_INが抵抗Ｒ３およびＲ４により分圧されたモニタ電圧Ｖ３が印加される。したがって、比較器１０４は、モニタ電圧Ｖ３が保持電圧Ｖ２より高いときにはローレベルの制御電圧Ｖ４を、低いときにはハイレベルの制御電圧Ｖ４をそれぞれＤＣ／ＤＣコンバータ１０１へ出力する。ここでは、比較器１０４の出力である制御電圧Ｖ４がローレベルの時にＤＣ／ＤＣコンバータ１０１は停止状態（ＯＦＦ）、ハイレベルの時に動作状態（ＯＮ）になるものとする。ＤＣ／ＤＣコンバータ１０１が起動する時のモニタ電圧Ｖ３と保持電圧Ｖ２との電位差は抵抗Ｒ１〜Ｒ４の抵抗値を選択することにより設定することができる。

ＡＣアダプタ１０から入力する入力電圧Ｖ_INが正常であれば、ダイオードＤ１を通してそのまま出力電圧Ｖ_OUTとして負荷装置１２へ供給される。入力電圧Ｖ_INが低下すると、後述するように、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０１が起動され、その出力電圧ＶｏがダイオードＤ２を通して出力電圧Ｖ_OUTとして負荷装置１２へ供給される。この出力電圧Ｖｏは抵抗Ｒ５およびＲ６により分圧され、その分圧電圧がフィードバック電圧Ｖ_FBとしてＤＣ／ＤＣコンバータ１０１へ戻る。

なお、ダイオードＤ１およびＤ２は、入力電圧Ｖ_INあるいはＤＣ／ＤＣコンバータ１０１の出力電圧Ｖｏがそれぞれ逆流しないように阻止することができる。すなわち、ダイオードＤ１は、入力電圧Ｖ_INがグランドレベルであるときに、動作中のＤＣ／ＤＣコンバータ１０１の出力電圧Ｖｏが制御部１００へ逆流しないように阻止する。

１．２）動作
図２は図１に示すバックアップ用直流電源装置の動作を説明するための電圧波形図である。まず、ＡＣアダプタ１０から入力する入力電圧Ｖ_INが正常であれば、ダイオードＤ１の電圧降下分だけで、ほぼそのまま出力電圧Ｖ_OUTとして負荷装置１２へ供給される（図２（Ｅ）参照）。その際、ＡＣアダプタモニタ電圧Ｖ１が電圧保持器１０３に印加される（図２（Ａ）参照）。そして、スイッチＳＷを閉じるタイミングで、電圧保持器１０３は、そのときの電圧Ｖ１を保持電圧Ｖ２として保持する。

入力電圧Ｖ_INが正常であれば、モニタ電圧Ｖ３は保持電圧Ｖ２よりも高い状態にあるので（図２（Ｂ）参照）、比較器１０４からはローレベルの制御電圧Ｖ４がＤＣ／ＤＣコンバータ１０１へ出力され、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０１は停止状態（ＯＦＦ）にある（図２（Ｃ）参照）。

ある時点Ｔ１において停電などにより電源断となり入力電圧Ｖ_INが低下したとする。これに従ってモニタ電圧Ｖ３も低下し、時点Ｔ２において、モニタ電圧Ｖ３が保持電圧Ｖ２より下回ると比較器１０３の出力がハイレベルに立ち上がる（図２（Ｂ）、（Ｃ）参照）。これによりＤＣ／ＤＣコンバータ１０１が起動され、参照電圧Ｖ_REFに従った出力電圧Ｖｏを出力し、それがダイオードＤ２の電圧降下分だけで、ほぼそのまま出力電圧Ｖ_OUTとして負荷装置１２へ供給される。ＤＣ／ＤＣコンバータ１０１は、電圧保持器１０３の保持電圧Ｖ２がそのまま参照電圧Ｖ_REFとして入力しているので、正常時の入力電圧Ｖ_INと同じ電圧の出力電圧Ｖｏを出力することができる（図２（Ｅ）参照）。

時点Ｔ３において停電が復旧し、ＡＣアダプタ１０から入力する入力電圧Ｖ_INが立ち上がり始めたとすると、これに従ってモニタ電圧Ｖ３も上昇する。時点Ｔ４において、モニタ電圧Ｖ３が保持電圧Ｖ２より高くなると、比較器１０３の出力がハイレベルからローレベルに立ち下がり、これによりＤＣ／ＤＣコンバータ１０１が停止する。そして、正常時と同様に、入力電圧Ｖ_INがダイオードＤ１を通して出力電圧Ｖ_OUTとして負荷装置１２へ供給される。

このようにして、本実施形態では、スイッチＳＷ操作時の保持電圧Ｖ２を基準として、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０１の出力電圧Ｖｏを制御しているので、ＡＣアダプタ１１の出力電圧が低下した場合でも、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０１から正常時と同じ出力電圧Ｖｏを負荷装置１２に供給することができる。また、ＡＣアダプタ１１の出力電圧が正常に復帰した場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０１は停止するので、電池１０２の不要な消耗が回避される。

１．３）効果
上述したように、本実施形態によるバックアップ用直流電源装置は、入力電圧Ｖ_INによりバックアップ時の電圧Ｖｏが決定されるので、出力電圧の異なる別のＡＣアダプタにも共通に使用可能となり、利用範囲が広くなる。

また、入力電圧Ｖ_INから得られた保持電圧Ｖ２およびモニタ電圧Ｖ３により比較器１０４を動作させるので、バックアップのタイミングおよび正常復帰によるバックアップ停止のタイミングをＡＣアダプタの出力電圧にかかわらず自動で設定可能である。

さらに、正常動作時は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０１の動作が停止することにより電池１０２の消耗を防止することができる。

２．第２実施形態
２．１）構成
図３は本発明の第２実施形態によるバックアップ用直流電源装置の構成を回路図である。ただし、図１に示す回路と同一機能を有する回路要素には同一参照番号あるいは参照符号を付して説明は省略する。本実施形態における制御部２００は、図１に示す第１実施形態における制御部１００と異なる。

本実施形態によれば、制御部２００はＡＤ(Analog-to-Digital）変換器２０１、マイクロコントローラ２０２およびＤＡ(Digital-to-Analog)変換器２０３を有し、ＡＣアダプタモニタ電圧Ｖ１は所定のサンプリング周期でＡＤ変換器２０１によりデジタル信号に変換され、そのサンプル値がマイクロコントローラ２０２へ出力される。

マイクロコントローラ２０２は、デジタル回路あるいはプログラムを実行するＣＰＵ等のプログラム制御プロセッサであり、主な機能として平均化処理部２１０および比較部２１１を有する。平均化処理部２１０は、所定サンプリング周期で入力するＡＣアダプタモニタ電圧Ｖ１のサンプル値を用いてその平均値を求め、ＤＡ変換器２０３へ出力する。ＤＡ変換器２０３は、ＡＣアダプタモニタ電圧Ｖ１の平均値をアナログ信号に変換し、上述した参照電圧Ｖ_REFとしてＤＣ／ＤＣコンバータ１０１へ出力する。ここでは、平均化処理部２１０およびＤＡ変換器２０３が参照電圧生成回路に相当する。

また、比較部２１１は、ＡＤ変換器２０１から出力されたある時点のサンプル値と、平均化処理部２１０により生成あれた平均値とを比較し、その比較結果を制御電圧Ｖ４としてＤＣ／ＤＣコンバータ１０１へ出力する。以下、マイクロコントローラ２０２の動作を詳細に説明する。

２．２）動作
図４は本発明の第２実施形態によるバックアップ用直流電源装置の制御方法を示すフローチャートである。まず、制御部２００は、安定化フラグＦＬＡＧなどのパラメータを初期化し（ステップＳ３０１）、ＡＤ変換器２０１を動作させる。ＡＤ変換器２０１は、その時点のＡＣアダプタモニタ電圧Ｖ１をサンプリングし、サンプル値Ｖ_SMPをマイクロコントローラ２０２へ出力する（ステップＳ３０２）。

続いて、マイクロコントローラ２０２は、安定化ＦＬＡＧが１であるか否かを判定する（ステップＳ３０３）。安定化ＦＬＡＧ≠１であれば（ステップＳ３０３：ＮＯ）、比較部２１１は、平均化処理部２１０により得られた平均値Ｖ_AVRと現在のサンプル値Ｖ_SMPとを比較し、Ｖ_AVR−Ｖ_SMPが所定の電位差Δ１以上であるか否かを判定する（ステップＳ３０４）。

Ｖ_AVR−Ｖ_SMPが所定の電位差Δ１未満の場合、すなわち現在のサンプル値Ｖ_SMPが平均値Ｖ_AVRに比べて実質的に低下していない場合（ステップＳ３０４：ＮＯ）、比較部２１１はローレベルをＤＣ／ＤＣコンバータ１０１に出力し、これによってＤＣ／ＤＣコンバータ１０１は停止状態（ＯＦＦ）を維持する（ステップＳ３０５）。すなわち、ＡＣアダプタ１０から入力する入力電圧Ｖ_INは正常であるから、ダイオードＤ１の電圧降下分だけで、ほぼそのまま出力電圧Ｖ_OUTとして負荷装置１２へ供給される。

一方、平均化処理部２１０は、現在のサンプル値Ｖ_SMPを入力すると、それまでの平均値Ｖ_AVRと現在のサンプル値Ｖ_SMPとを用いて平均値を更新する（ステップＳ３０６）。比較部２１１は、この更新された平均値Ｖ_AVRと現在のサンプル値Ｖ_SMPとを比較し、｜Ｖ_AVR−Ｖ_SMP｜が所定の電位差Δ２以下であるか否かを判定する（ステップＳ３０７）。｜Ｖ_AVR−Ｖ_SMP｜が所定の電位差Δ２以下であれば（ステップＳ３０７：ＹＥＳ）、安定化ＦＬＡＧを“１”にセットし（ステップＳ３０８）、｜Ｖ_AVR−Ｖ_SMP｜＞Δ２であれば（ステップＳ３０７：ＮＯ）、安定化ＦＬＡＧを“０”にリセットする（ステップＳ３０９）。そして、平菊花処理部２１０は、平均値Ｖ_AVRをＤＡ変換器２０３へ出力して、上述した参照電圧Ｖ_REFとしてＤＣ／ＤＣコンバータ１０１へ出力する（ステップＳ３１０）。そして、マイクロコントローラ２０２の制御はステップＳ３０２へ戻り、次のサンプリングによりサンプル値を入力する。

ステップＳ３０８において、安定化ＦＬＡＧが“１”にセットされた場合は、サンプル値が平均値から大きく外れていない安定状態にあると判断できるので、ステップＳ３０３においてステップ３０４をスキップし（ステップＳ３０３：ＹＥＳ）、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０１の停止状態（ＯＦＦ）を維持する（ステップＳ３０５）。

逆に、ステップＳ３０７において｜Ｖ_AVR−Ｖ_SMP｜＞Δ２となり、安定化ＦＬＡＧが“０”にリセットされた場合は、サンプル値が平均値から大きく外れた状態にあると判断できるので、ステップ３０４を実行する。このステップ３０４においても、Ｖ_AVR−Ｖ_SMPが所定の電位差Δ１以上であれば、現在のサンプル値Ｖ_SMPが平均値Ｖ_AVRに比べて実質的に低下していると判断され（ステップＳ３０４：ＹＥＳ）、比較部２１１はハイレベルをＤＣ／ＤＣコンバータ１０１に出力し、これによってＤＣ／ＤＣコンバータ１０１は起動（ＯＮ）される（ステップＳ３１１）。その際、平均化処理部２１０で計算された平均値Ｖ_AVRは、参照電圧Ｖ_REFとしてＤＣ／ＤＣコンバータ１０１へ出力されているので（ステップＳ３１０）、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０１の出力電圧ＶｏはＡＣアダプタ１０が正常時の入力電圧Ｖ_INと等しい電圧となる。このＤＣ／ＤＣコンバータ１０１の出力電圧ＶｏがダイオードＤ２の電圧降下分だけで、ほぼそのまま出力電圧Ｖ_OUTとして負荷装置１２へバックアップ供給される。

安定化ＦＬＡＧを“０”の状態で入力電圧Ｖ_INが正常状態に復旧すると、マイクロコントローラ２０２はステップ３０４を実行する。Ｖ_AVR−Ｖ_SMPが所定の電位差Δ１未満であれば、すなわち現在のサンプル値Ｖ_SMPが平均値Ｖ_AVRの近くに復旧している場合（ステップＳ３０４：ＮＯ）、比較部２１１はローレベルをＤＣ／ＤＣコンバータ１０１に出力し、これによってＤＣ／ＤＣコンバータ１０１は停止（ＯＦＦ）する（ステップＳ３０５）。したがって、復旧した入力電圧Ｖ_INは、ダイオードＤ１の電圧降下分だけで、ほぼそのまま出力電圧Ｖ_OUTとして負荷装置１２へ供給される。また、｜Ｖ_AVR−Ｖ_SMP｜が所定の電位差Δ２以下であれば（ステップＳ３０７：ＹＥＳ）、安定化ＦＬＡＧが“１”にセットされ（ステップＳ３０８）、以後ステップＳ３０４はスキップされる。

２．３）効果
本発明の第２実施形態によれば、上述した第１実施形態と同様の効果を得ることができると共に、所定のサンプリング周期でサンプル値が自動的に取り込まれるので、ＡＣアダプタ１０の出力を常時モニタすることが可能となる。

３．第３実施形態
図５は本発明の第３実施形態によるバックアップ用直流電源装置の構成を回路図である。ただし、図１および図２に示す回路と同一機能を有する回路要素には同一参照番号あるいは参照符号を付して説明は省略する。

本実施形態によるバックアップ用直流電源装置は、電池１０２の代わりに二次電池４０１を用い、これを充電する充電回路４０２を設けた点が異なる。充電回路４０２は、入力電圧Ｖ_INを用いて二次電池４０１を充電するので、入力電圧Ｖ_INが正常であるときに二次電池４０１を充電することができ、効率的な利用が可能となる。

本発明は携帯電話機などの小型通信機器のＡＣアダプタに接続して利用することができる。

本発明の第１実施形態によるバックアップ用直流電源装置の構成を回路図である。 図１に示すバックアップ用直流電源装置の動作を説明するための電圧波形図である。 本発明の第２実施形態によるバックアップ用直流電源装置の構成を回路図である。 本発明の第２実施形態によるバックアップ用直流電源装置の制御方法を示すフローチャートである。 本発明の第３実施形態によるバックアップ用直流電源装置の構成を回路図である。

符号の説明

１０ バックアップ用直流電源装置
１１ ＡＣアダプタ
１２ 負荷装置
１００ 制御部
１０１ ＤＣ／ＤＣコンバータ
１０２ 電池
１０３ 電圧保持器
１０４ 比較器
２００ 制御部
２０１ ＡＤ変換器
２０２ マイクロコントローラ
２０３ ＤＡ変換器
２１０ 平均化処理部
２１１ 比較部

Claims (14)

1. 入力直流電源の供給停止時にバックアップ用直流電源を供給する装置であって、
   内部電池と、
   前記内部電池により動作可能であり、参照電圧により制御される出力電圧をバックアップ用直流電源として供給するＤＣ／ＤＣコンバータと、
   正常時の入力直流電源に基づいて前記参照電圧を生成する参照電圧生成手段と、
   前記入力直流電源のモニタ電圧と前記参照電圧とを比較し、その比較結果に従って前記ＤＣ／ＤＣコンバータの停止／起動を制御する比較手段と、
   を有することを特徴とするバックアップ用直流電源装置。
2. 前記比較手段は、前記参照電圧に比べて前記入力直流電源のモニタ電圧の低下幅が所定値以上になった時に前記ＤＣ／ＤＣコンバータを起動することを特徴とする請求項１に記載のバックアップ用直流電源装置。
3. 前記比較手段は、前記参照電圧に比べて前記入力直流電源のモニタ電圧の低下幅が前記所定値以上から所定値未満になった時に前記ＤＣ／ＤＣコンバータを停止することを特徴とする請求項２に記載のバックアップ用直流電源装置。
4. 前記参照電圧生成手段は、前記入力直流電源を周期的にモニタして得られたモニタ電圧を平均し、その平均値を前記参照電圧として出力することを特徴とする請求項１−３のいずれか１項に記載のバックアップ用直流電源装置。
5. 前記参照電圧生成手段は、正常時の入力直流電源のモニタ電圧を保持し前記参照電圧として出力することを特徴とする請求項１−３のいずれか１項に記載のバックアップ用直流電源装置。
6. 前記内部電池は二次電池であり、前記二次電池を充電するための充電手段を更に有し、前記充電手段は、前記入力直流電源から電源を供給されることを特徴とする請求項１−５３のいずれか１項に記載のバックアップ用直流電源装置。
7. 入力直流電源の供給停止時にバックアップ用直流電源を供給する装置の制御方法であって、
   正常時の入力直流電源に基づいて参照電圧を生成し、
   前記入力直流電源のモニタ電圧と前記参照電圧とを比較し、その比較結果に従って停止／起動制御信号を生成し、
   内部電池により動作可能なＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧を前記参照電圧により制御してバックアップ用直流電源として出力し、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの動作を前記停止／起動制御信号により制御する、
   ことを特徴とするバックアップ用直流電源装置の制御方法。
8. 前記参照電圧に比べて前記入力直流電源のモニタ電圧の低下幅が所定値以上になった時に前記ＤＣ／ＤＣコンバータを起動することを特徴とする請求項７に記載のバックアップ用直流電源装置の制御方法。
9. 前記参照電圧に比べて前記入力直流電源のモニタ電圧の低下幅が前記所定値以上から所定値未満になった時に前記ＤＣ／ＤＣコンバータを停止することを特徴とする請求項８に記載のバックアップ用直流電源装置の制御方法。
10. 前記入力直流電源を周期的にモニタして得られたモニタ電圧を平均し、その平均値を前記参照電圧として用いることを特徴とする請求項７−９のいずれか１項に記載のバックアップ用直流電源装置の制御方法。
11. 正常時の入力直流電源のモニタ電圧を保持し前記参照電圧として用いることを特徴とする請求項７−９のいずれか１項に記載のバックアップ用直流電源装置の制御方法。
12. 入力直流電源の供給停止時にバックアップ用直流電源を供給する装置の制御を行う制御部としてコンピュータを機能させるプログラムであって、
    正常時の入力直流電源に基づいて参照電圧を生成する機能と、
    前記入力直流電源のモニタ電圧と前記参照電圧とを比較し、その比較結果に従って停止／起動制御信号を生成する機能と、
    内部電池により動作可能なＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧を前記参照電圧により制御してバックアップ用直流電源として出力し、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの動作を前記停止／起動制御信号により制御する機能と、
    を有することを特徴とするバックアップ用直流電源装置の制御プログラム。
13. 前記参照電圧に比べて前記入力直流電源のモニタ電圧の低下幅が所定値以上になった時に前記ＤＣ／ＤＣコンバータを起動することを特徴とする請求項１２に記載のバックアップ用直流電源装置の制御プログラム。
14. 前記参照電圧に比べて前記入力直流電源のモニタ電圧の低下幅が前記所定値以上から所定値未満になった時に前記ＤＣ／ＤＣコンバータを停止することを特徴とする請求項１３に記載のバックアップ用直流電源装置の制御プログラム。

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