JP4624113B2 - 電圧監視制御回路 - Google Patents

Description

本発明は、バッテリを電源とし、この電源の直流電圧を安定化するか又は他の電圧に調整して出力し、直流電圧が低下した場合にその出力を停止するとともに、外部に報知する電圧監視制御回路に関する。

バッテリで駆動される機器には、負荷側の回路に必要な電圧を供給するために、ＤＣ−ＤＣコンバータや電圧調整器が用いられる。ＤＣ−ＤＣコンバータは直流電圧を他の直流電圧に調整するものであり、電圧調整器は出力電圧を一定に保つものである。ここでは、出力電圧を一定に保つことも電圧調整に含まれるものとして説明する。ＤＣ−ＤＣコンバータや電圧調整器は、バッテリの過放電を防止するために、電源電圧の監視を行って電圧が低下するとその出力を停止するシャットダウン機能を備えるものが多い。近年、集積回路技術の進歩により、直流電圧が低下したことを検出して外部にアラーム信号を出力する監視機能を備えたＤＣ−ＤＣコンバータも市販され、その応用例及び標準動作回路を記したデータシートが公開されている（例えば、下記の非特許文献１参照）。

このＤＣ−ＤＣコンバータは、バッテリを接続するバッテリ端子、負荷を接続する電圧出力端子、バッテリ電圧に比例した電圧を入力する電圧監視端子、及び外部にアラーム信号を出力する状態出力端子を備え、負荷に応じて最適な外付部品を接続するように構成されている。しかし、上記のデータシートには電圧監視端子に入力するべき電圧を生成する回路についての記載はなかった。

一方、可搬型のＯＡ機器の駆動源として用いられるバッテリの過放電を防止するために、電源経路に電圧安定化回路及びＦＥＴ（Field-Effect Transistor）を直列に接続し、電圧安定化回路の入力側の電圧が規定レベルを下回るとＦＥＴを非導通にして負荷への電源供給を遮断する電源電圧監視回路が開示されている（下記の特許文献１参照）。

この電源電圧監視回路は、電源電圧が低下すると出力を停止するシャットダウン機能を実現するものであり、バッテリの出力電圧を検出するために、２つの抵抗の直列接続回路の両端にバッテリの出力電圧を印加し、これらの抵抗の相互接続点に電圧を発生させる分圧回路を用いている。

そこで、この分圧回路を上記のＤＣ−ＤＣコンバータに適用した回路を従来の電圧監視制御回路として、図４を参照して以下に説明する。図４において、負極が接地されたバッテリ１０の正極がＤＣ−ＤＣコンバータ２０のバッテリ端子ａに接続されている。ＤＣ−ＤＣコンバータ２０の電圧出力端子ｂには負荷回路３０が接続されている。ＤＣ−ＤＣコンバータ２０は、バッテリ端子ａに入力される直流電圧を他の直流電圧に調整して電圧出力端子ｂから出力する制御機能、電圧監視端子ｃに入力される直流電圧が閾値以下に低下した場合、電圧出力端子ｂからの直流電圧の出力を停止させるシャットダウン機能、電圧監視端子ｃに入力される直流電圧が、閾値以下に低下したことを検出して外部に報知するアラーム信号を状態出力端子ｄから出力する監視機能を有している。そして、バッテリ１０の出力電圧を監視するために、抵抗４１、４２が直列接続された分圧回路４０が設けられている。分圧回路４０の一端はバッテリ１０の正極に接続され、その他端は接地され、さらに、抵抗４１、４２の相互接続点が電圧監視端子ｃに接続されている。

次に、図５をも参照して従来の電圧監視制御回路の動作について説明する。ここでは負荷回路３０が通信回路であり、バッテリ１０を電源として通信が行われるものとする。負荷回路３０の通信状態を図５（Ａ）に示す。通信動作が繰り返されると、その回数が増えるに従ってバッテリ電力（以下、電池電力ともいう）が消耗される。電池電力の消耗が少ない場合の通信状態と電池電力をある程度消耗した場合の通信状態とを図５（Ａ）の左側と右側とにそれぞれ例示する。これら左側と右側の消費電流は、図５（Ｂ）に示したように、各通信期間において増加する。この電流増加を伴う電池電力の消耗によりバッテリ電圧（以下、電池電圧ともいう）は、図５（Ｃ）に示したように、次第に低下する。

ここで、バッテリ１０の出力電圧が抵抗４１、４２から構成される分圧回路４０で分圧されて電圧監視端子ｃに入力される。電圧監視端子ｃの電圧は、図５（Ｄ）に示すように、電池電圧に比例して次第に低下する。ＤＣ−ＤＣコンバータ２０の内部において、電池電圧が最初に印加された時点における電圧監視端子ｃの入力電圧に基づいて、これよりも低い閾値が設定される。その設定閾値が図５（Ｃ）及び図５（Ｄ）中に破線で示されている。図５（Ａ）〜（Ｅ）の左側における電池電力の消耗が少ない場合には、通信によって消費電流が増加したとしても電圧低下は少ない。そのため、電池電圧及び電圧監視端子ｃの電圧は、いずれも設定閾値以下にはならないため、シャットダウン機能が動作することはない。

ところが、図５（Ａ）〜（Ｅ）の右側のように、電池電力をある程度消耗して電圧が低下した状態での通信による消費電流の増加により、電池電圧及び電圧監視端子ｃの電圧は共に設定閾値以下に低下する。電圧監視端子ｃの電圧が設定閾値以下になるとシャットダウン機能が動作して電圧出力端子ｂからの電圧出力を停止する。これによって負荷回路３０もその動作を停止する。
ＭＡＸＩＭ社、MAX1795/MAX1796/MAX1797のデータシート （19-1798:Rev0:12/00） 特許第２９８５９８５号公報（段落０００３〜０００７、図６）

上述した従来の電圧監視制御回路は、電池電力をある程度消耗して電圧が低下した状態で通信を行うと、消費電流の一時的な増加によりシャットダウン機能が働いてＤＣ−ＤＣコンバータ２０がシャットダウンする。ＤＣ−ＤＣコンバータ２０のシャットダウン中は通信データの受信が不可能となることから、図５（Ｅ）に示したように、通信エラーが発生する。そして、通信終了後は電池電圧が回復することからシャットダウンは解除される。従来の電圧監視制御回路は、このようにシャットダウンが解除されたとしても、再通信を行えば再度電圧低下が発生するため、一時的なシャットダウンと通信エラーを繰り返してしまうという問題があった。

本発明は、従来の電圧監視制御回路における上記の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、バッテリ電圧の瞬間的な低下により、電圧監視端子の電圧が閾値を下回ってシャットダウン機能が動作し、その後に電圧監視端子の電圧が閾値以上になった場合でも、シャットダウン機能の動作状態が保持され、これによって直流電圧の出力停止の状態を保持することのできる電圧監視制御回路を提供することにある。

上記目的を達成するために請求項１に係る発明は、第１の端子に入力される直流電圧を安定化するか又は他の直流電圧に調整して第２の端子から出力する制御機能、第３の端子に入力される直流電圧が閾値以下に低下した場合、前記第２の端子からの直流電圧の出力を停止するシャットダウン機能、及び前記第３の端子に入力される直流電圧を検出して、閾値以下に低下したときに第４の端子からアラーム信号を出力する監視機能を有する電圧調整回路と、
前記第１の端子に入力される直流電圧と所定の関係にある直流電圧を生成し、得られた直流電圧を前記第３の端子に加える直流電圧生成回路と、
前記第４の端子からアラーム信号が出力されたとき、前記直流電圧生成回路の電圧生成動作に優先して、前記第３の端子に加えられる直流電圧を前記閾値以下に強制的に低下させてその状態を保持する電圧低下手段とを備え、
前記直流電圧生成回路は、直列に接続された複数の抵抗の両端に前記第１の端子に入力される電圧が印加され、前記複数の抵抗の１つの接続点に発生した電圧が前記第３の端子に入力される抵抗分圧回路で構成されており、前記電圧低下手段は、前記抵抗分圧回路の前記１つの接続点に並列接続され、前記第４の端子から出力されるアラーム信号によってターンオンする半導体スイッチング素子で構成される。

請求項２に係る発明は、さらに、第４の端子における電圧の急激な変化を抑制するコンデンサを備えている。

請求項１に係る発明によれば、第４の端子からアラーム信号が出力されたとき、直流電圧生成回路の電圧生成動作に優先して、第３の端子に加えられる直流電圧が閾値以下に強制的に低下させられるため、バッテリ電圧の瞬間的な低下により、電圧監視端子の電圧が閾値を下回ってシャットダウン機能が動作し、その後に電圧監視端子の電圧が閾値以上になった場合でも、シャットダウン機能の動作状態が保持され、これによって直流電圧の出力停止の状態を保持することができる。

請求項２に係る発明によれば、電源投入時に第４の端子の電圧が上昇したためにシャットダウン機能が誤動作することを回避することができる。

＜第１の実施の形態＞
図１は本発明に係る電圧監視制御回路の第１の実施の形態の構成を、その一部をブロックで示した回路図である。同図において、負極が接地されたバッテリ１０の正極がＤＣ−ＤＣコンバータ２０の第１の端子としてのバッテリ端子ａに接続されている。ＤＣ−ＤＣコンバータ２０の第２の端子としての電圧出力端子ｂには負荷回路３０が接続されている。ＤＣ−ＤＣコンバータ２０は、バッテリ端子ａに入力される直流電圧を他の直流電圧に調整して電圧出力端子ｂから出力する制御機能、第３の端子としての電圧監視端子ｃに入力される直流電圧が閾値以下に低下した場合、電圧出力端子ｂからの直流電圧の出力を停止させるシャットダウン機能、電圧監視端子ｃに入力される直流電圧が、閾値以下に低下したことを検出して外部に報知するアラーム信号を第４の端子としての状態出力端子ｄから出力する監視機能を有している。そして、バッテリ１０の出力電圧を監視するために、抵抗４１、４２が直列接続された分圧回路４０が設けられている。分圧回路４０の一端はバッテリ１０の正極に接続され、その他端は接地され、さらに、抵抗４１、４２の相互接続点が電圧監視端子ｃに接続されている。分圧回路４０の低圧側の抵抗４２には、電圧低下手段としてのトランジスタ５０が並列に接続されている。このトランジスタ５０のベースが、抵抗５１を介して、状態出力端子ｄに接続されている。

上記のように構成された電圧監視制御回路の動作について図２をも参照して以下に説明する。負荷回路３０が通信回路であり、バッテリ１０を電源として通信が行われるものとする。負荷回路３０の通信状態を図２（Ａ）に示す。通信動作が繰り返されると、その回数が増えるに従って電池電力が消耗される。電池電力の消耗が少ない場合の通信状態と電池電力をある程度消耗した場合の通信状態とを図２（Ａ）の左側と右側とにそれぞれ例示する。これら左側と右側の消費電流は、図２（Ｂ）に示したように、各通信期間において増加する。この電流増加を伴う電池電力の消耗により電池電圧は、図２（Ｃ）に示したように、次第に低下する。

ここで、バッテリ１０の出力電圧が抵抗４１、４２の直列回路で構成された分圧回路４０で分圧されて電圧監視端子ｃに入力される。電圧監視端子ｃの電圧は、図２（Ｄ）に示すように、電池電圧に比例して次第に低下する。ＤＣ−ＤＣコンバータ２０の内部において、電池電圧が最初に印加された時点における電圧監視端子ｃの入力電圧に基づいて、これよりも低い閾値が設定される。その設定閾値は図２（Ｃ）及び（Ｄ）中に破線で示されている。図２（Ａ）〜（Ｅ）の左側における電池電力の消耗が少ない場合には、通信によって消費電流が増加したとしても電圧低下は少ない。そのため、電池電圧及び電圧監視端子ｃの電圧は、いずれも設定閾値以下にはならないため、シャットダウン機能が動作することはない。

ところが、図２（Ａ）〜（Ｅ）の右側のように、電池電力をある程度消耗して電圧が低下した状態での通信による消費電流の増加により、電池電圧及び電圧監視端子ｃの電圧は共に設定閾値以下に低下する。電圧監視端子ｃの電圧が設定閾値以下になるとシャットダウン機能が動作して電圧出力端子ｂからの電圧出力を停止させる。これによって負荷回路３０もその動作を停止する。

電圧監視端子ｃの電圧が設定閾値以下になってシャットダウン機能が動作すると同時に、状態出力端子ｄの電圧レベルが“Ｌｏｗ”から“Ｈｉｇｈ”に変化して図示を省略した機器にアラーム信号を送信する。状態出力端子ｄの電圧レベルが“Ｈｉｇｈ”になると、抵抗５１を介して、トランジスタ５０にベース電流が供給されてトランジスタ５０はターンオンする。これによって、分圧回路４０を構成する抵抗４２が短絡されて電圧監視端子ｃの電圧はほぼ接地電位に低下する。すなわち、トランジスタ５０は分圧回路４０の分圧動作（直流電圧生成動作）に優先して、電圧監視端子ｃに加えられる直流電圧を強制的に閾値以下に低下させて、その状態を保持する。このため、図２（Ｅ）に示すように、シャットダウン機能は動作状態を維持し、バッテリ１０から負荷回路３０に対する動作電力の供給が阻止される。

このように、状態出力端子ｄからアラーム信号が出力されたとき、分圧回路４０の分圧動作に優先して、電圧監視端子ｃに加えられる直流電圧を閾値以下に低下させてその状態を保持するトランジスタ５０を付加したことによって、一時的なシャットダウンと通信エラーを繰り返してしまうという従来の電圧監視制御回路の問題点が解決される。

したがって、第１の実施の形態によれば、バッテリ電圧の瞬間的な低下により、電圧監視端子の電圧が閾値を下回ってシャットダウン機能が動作し、その後に電圧監視端子の電圧が閾値以上になった場合でも、シャットダウン機能の動作状態が保持され、これによって直流電圧の出力停止の状態を保持することができる。また、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０に外付けする部品が直列接続した抵抗とその一部を短絡する半導体スイッチング素子という汎用の部品で済むという効果も得られる。

＜第２の実施の形態＞
図３は本発明に係る電圧監視制御回路の第２の実施の形態の構成を、その一部をブロックで示した回路図である。図３中、第１の実施の形態を示す図１と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。ここでは、図１に示した第１の実施の形態に対して、一端が状態出力端子ｄに接続され、他端が接地されたコンデンサ６０が新たに設けられている。これ以外は第１の実施の形態と同一に構成されている。

上記のように構成された第２の実施の形態の動作を、特に、第１の実施の形態と構成を異にする部分について以下に説明する。ＤＣ−ＤＣコンバータ２０の状態出力端子ｄの電圧レベルは、バッテリ１０をバッテリ端子ａに接続するまで“Ｌｏｗ”である。しかし、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０のバッテリ端子ａにバッテリ１０を接続したとき、すなわち、電源の投入時にＤＣ−ＤＣコンバータ２０の状態が不安定となり、状態出力端子ｄの電圧レベルが瞬間的に“Ｈｉｇｈ”となる場合がある。その際、コンデンサ６０がないとトランジスタ５０がターンオンして、電圧監視端子ｃの電圧が設定閾値以下となる。その結果、電源の投入時からシャットダウン機能が動作してしまい、負荷回路３０は動作不能に陥る。コンデンサ６０はこのような不具合を回避するために設けられたもので、電源投入時に発生する急激な電圧変化を吸収して状態出力端子ｄの電圧レベルを“Ｌｏｗ”の状態に保持する。この結果、トランジスタ５０がターンオンせず、過渡的な電圧上昇に伴うＤＣ−ＤＣコンバータ２０の初期シャットダウン動作を回避することができる。

以上のように、第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様な効果が得られる他、電源投入時に状態出力端子ｄの電圧が上昇したためにシャットダウン機能が誤動作することを回避することができるという効果も得られる。

なお、上述した第１及び第２の実施の形態では、負荷回路３０として通信回路を例にして説明したが、本発明はこれに適用を限定されず、バッテリ１０を電源としてその電圧をＤＣ−ＤＣコンバータ２０で調整した電圧によって駆動される負荷回路のほとんどに適用することができる。

また、第１及び第２の実施の形態では、抵抗４１、４２を直列接続した分圧回路４０を用いたが、直列接続する抵抗の個数は３個以上であっても、接続形態が直列接続以外の直並列接続や並直列接続であっても、さらに、コンデンサを含む回路で実現したものであっても、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０のバッテリ端子ａに入力される直流電圧を分圧し、得られた直流電圧を電圧監視端子ｃに加える分圧回路であればよい。

さらに、第１及び第２の実施の形態では、分圧回路４０を構成する抵抗４１、４２のうち、低圧側の抵抗４２にトランジスタ５０からなる半導体スイッチング素子を並列接続したが、これに限定されず状態出力端子ｄから出力されるアラーム信号によって電圧監視端子ｃの電圧を低下させる電圧低下手段であればよい。

さらにまた、第１及び第２の実施の形態では、電圧調整回路がＤＣ−ＤＣコンバータである場合について説明したが、この電圧調整回路が直流電圧を安定化して出力する電圧安定化回路である場合にも本発明を適用することができる。

本発明に係る電圧監視制御回路は、半導体スイッチング素子などからなる電圧低下手段により、アラーム信号が出力されたとき電圧監視端子に加えられる直流電圧を閾値以下に低下させてその状態を保持することができる。この構成により、負荷回路が通信回路などの場合、通信時には瞬間的に消費電流が増大して電池電圧が低下するが、その際に一度シャットダウン機能が動作すると電池電圧が設定値以上に復帰してもシャットダウンが解除されない回路が構成できるため、シャットダウンの実行と解除の繰り返しによる通信エラーを回避するのに有用である。

本発明に係る電圧監視制御回路の第１の実施の形態の構成を、その一部をブロックで示した回路図 本発明に係る電圧監視制御回路の第１の実施の形態の動作を説明するためのタイムチャート （Ａ）負荷回路の通信状態を示した図 （Ｂ）通信状態に応じて変化する消費電流を示した図 （Ｃ）通信状態に応じて変化する電池電圧を示した図 （Ｄ）通信状態に応じて変化する電圧監視端子の電圧を示した図 （Ｅ）シャットダウン機能の動作状態を示した図 本発明に係る電圧監視制御回路の第２の実施の形態の構成を、その一部をブロックで示した回路図 従来の電圧監視制御回路の構成を、その一部をブロックで示した回路図 従来の電圧監視制御回路の動作を説明するためのタイムチャート （Ａ）負荷回路の通信状態を示した図 （Ｂ）通信状態に応じて変化する消費電流を示した図 （Ｃ）通信状態に応じて変化する電池電圧を示した図 （Ｄ）通信状態に応じて変化する電圧監視端子の電圧を示した図 （Ｅ）シャットダウン機能の動作状態を示した図

符号の説明

１０ バッテリ
２０ ＤＣ−ＤＣコンバータ（電圧調整回路）
３０ 負荷回路
４０ 分圧回路
４１、４２、５１ 抵抗
５０ トランジスタ（電圧低下手段）
６０ コンデンサ
ａ バッテリ端子
ｂ 電圧出力端子
ｃ 電圧監視端子
ｄ 状態出力端子

Claims (2)

1. 第１の端子に入力される直流電圧を安定化するか又は他の直流電圧に調整して第２の端子から出力する制御機能、第３の端子に入力される直流電圧が閾値以下に低下した場合、前記第２の端子からの直流電圧の出力を停止するシャットダウン機能、及び前記第３の端子に入力される直流電圧を検出して、閾値以下に低下したときに第４の端子からアラーム信号を出力する監視機能を有する電圧調整回路と、
   前記第１の端子に入力される直流電圧と所定の関係にある直流電圧を生成し、得られた直流電圧を前記第３の端子に加える直流電圧生成回路と、
   前記第４の端子からアラーム信号が出力されたとき、前記直流電圧生成回路の電圧生成動作に優先して、前記第３の端子に加えられる直流電圧を前記閾値以下に強制的に低下させてその状態を保持する電圧低下手段とを備え、
   前記直流電圧生成回路は、直列に接続された複数の抵抗の両端に前記第１の端子に入力される電圧が印加され、前記複数の抵抗の１つの接続点に発生した電圧が前記第３の端子に入力される抵抗分圧回路で構成されており、前記電圧低下手段は、前記抵抗分圧回路の前記１つの接続点に並列接続され、前記第４の端子から出力されるアラーム信号によってターンオンする半導体スイッチング素子で構成される電圧監視制御回路。
2. 前記第４の端子における電圧の急激な変化を抑制するコンデンサを備えた、請求項１に記載の電圧監視制御回路。