JP5697401B2 - 電源回路 - Google Patents

Description

本発明は、Ｐｏｗｅｒ ｏｖｅｒ Ｅｔｈｅｒｎｅｔ（登録商標）機能を備えた電源回路に関するものである。

近年、イーサネット（登録商標）ケーブルからの電源で装置に給電する方式が知られている。これはＩＥＥＥ８０２．３ａｆ規格に準拠したものであり、Ｐｏｗｅｒ ｏｖｅｒ Ｅｔｈｅｒｎｅｔ（ＰｏＥ）と称される。ＩＥＥＥ８０２．３ａｆ規格では、所定以上の電流が消費されるとＰｏＥ給電装置側で過負荷保護が働き、ＰｏＥ電源の給電を停止する。過負荷保護の最大制限電流値は４００ｍＡであり、最小制限電流値は最大消費電力１５．４ＷをＰｏＥ給電電圧で割った値である。ＰｏＥ給電電圧はＤＣ３６Ｖ〜ＤＣ５７Ｖで、即ち、ＰｏＥ給電電圧がＤＣ５７Ｖのときの過電流制限値は２７０ｍＡ〜４００ｍＡ、ＤＣ４８Ｖのときは３２０ｍＡ〜４００ｍＡ、ＤＣ３７Ｖのときは４００ｍＡの設定となる。

ＰｏＥ電源で動作するように設計された装置でも、設置時の利便性を考慮してＰｏＥ電源以外の汎用電源、例えば、ＡＣアダプタでも動作するように設計されたものがある。そして、ＰｏＥ電源と汎用電源の両方の電源が接続されたときは、どちらの給電を優先して動作するのかを定めている。どちらの電源を優先するかはその製品メーカーの考え方によるが、ＰｏＥ電源を優先する仕様においては次のような問題があった。

ＡＣアダプタ（例えば、ＤＣ１２Ｖ）で動作していた状態からＰｏＥ電源（例えば、ＤＣ４８Ｖ）に切り替わる場合、後段のスイッチング電源部において、切り替えた瞬間はＤＣ１２Ｖで消費されていた電流をそのままＤＣ４８Ｖから引き出そうとする。また、電圧がＤＣ１２ＶからＤＣ４８Ｖになったことからスイッチング電源部の入力段の容量成分に対して更なる突入電流が発生する。この結果、ＰｏＥ制御デバイスから規定以上の電流が引かれることになり、ＰｏＥ給電装置の過電流保護が作動し、ＰｏＥ電源の供給は停止されることになる。

このため、ＰｏＥ電源を優先している負荷電力の大きい電源回路では、通常、ＰｏＥ電源への切替時の電源停止を許容する仕様となっている。特許文献１でも負荷電力が大きいときのＰｏＥ電源切替時の電源停止については触れていない。また、他の従来方式として汎用電源からの入力電圧を高い電圧まで昇圧して使用する方式がある。ＰｏＥ電源と汎用電源との電圧の差を小さくすることで、ＰｏＥ電源に切り替わっても過電流が流れないように構成するものである。

特開２００７−３６８３２号公報

しかしながら、上記他の従来方式では、昇圧回路を追加する必要があり、部品のコストアップ、基板のサイズアップ、電源効率の低下、発熱の増大といった課題があった。

本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、負荷回路の電力が大きい場合でも新たな昇圧回路を追加すること無く、汎用電源入力からＰｏＥ電源入力に電源遮断を発生させずにスムーズに切り替わる電源回路を提供することである。

上記の目的を達成するための本発明による電源回路は以下の構成を備える。即ち、
ＰｏＥ電源及び前記ＰｏＥ電源より電圧の低い第二の電源を接続可能な電源回路であって、負荷部に電力を供給する電源を前記第二の電源から前記ＰｏＥ電源に切り替えるためのスイッチ手段と、前記ＰｏＥ電源と前記スイッチ手段との間に設けられ、前記第二の電源から前記負荷部に給電されている間に前記ＰｏＥ電源によって充電される電荷を蓄積する電荷蓄積手段とを有し、前記スイッチ手段は、前記電荷蓄積手段に充電される充電電圧と前記ＰｏＥ電源からの給電電圧との差が指定された値以下である場合、前記負荷部に電力を供給する電源を前記第二の電源から前記ＰｏＥ電源に切り替え、前記電荷蓄積手段は、前記負荷部に電力を供給する電源が前記第二の電源から前記ＰｏＥ電源へ切り替わった後に、前記負荷部へ前記電荷蓄積手段に蓄積した電荷を供給する。

以上説明したように、本発明によれば、負荷回路の電力が大きい場合でも新たな昇圧回路を追加すること無く、汎用電源入力からＰｏＥ電源入力に電源遮断を発生させずにスムーズに切り替わる電源回路を提供できる。

実施形態１の電源制御システムを示すブロック構成図である。 実施形態１のＰｏＥ電源切替制御のフローチャートである。 ＰｏＥ給電シーケンスのフローチャートである。 実施形態２の電源制御システムを示すブロック構成図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。

＜実施形態１＞
図１は本発明の実施形態１の電源制御システムを示すブロック構成図である。

図１において、１はＰｏＥ電源（ＤＣ３６Ｖ〜ＤＣ５７Ｖ）の給電を受けるための電源回路１００におけるＰｏＥ電源入力Ｉ／Ｆ部である。２はＩＥＥＥ８０２．３ａｆ規格に準拠したＰｏＥ制御部としてのＰｏＥ制御デバイスであり、ＰｏＥ電源のＰｏＥ給電装置（不図示）からの給電シーケンスに対応している。２ａはＰｏＥ制御デバイス２内に備えられたＰｏＥ給電スイッチであり、ＰｏＥ給電装置から給電された電源を後段の構成要素へ供給する。３は電荷蓄積部としてのアルミ電解コンデンサである。

４は充電検知部であり、ＰｏＥ制御デバイス２に給電された電圧（給電電圧）とアルミ電解コンデンサ３に充電された電圧（充電電圧）を比較し、それらがほぼ等しくなったとき、後段のＰｏＥ電源遅延スイッチ５をＯＮ制御すべく信号を出力する。ここで、ほぼ等しいとは、例えば、給電電圧と充電電圧の電圧差が指定された値以下になっている場合を意味する。

５は電源供給のＯＮ／ＯＦＦを制御するＰｏＥ電源遅延スイッチであり、充電検知部４からのＯＮ制御を受けて、ＰｏＥ制御デバイス２からＰｏＥ給電スイッチ２ａを経由して出力されたＰｏＥ電源を、後段のＯＲダイオード６ａへ出力する。６ａ及び６ｂは第１のＯＲダイオード及び第２のＯＲダイオードである。ＰｏＥ電源入力Ｉ／Ｆ部１からのＰｏＥ電源と第二の電源入力Ｉ／Ｆ部９からのＰｏＥ電源より電圧の低い電源（例えば、ＡＣアダプタのＤＣ１２Ｖ）が同時に給電されたとき、自動的に電圧の高いＰｏＥ電源をＤＣ／ＤＣ電源部７に供給するようになっている。

７はＤＣ／ＤＣ電源部であり、入力されたＰｏＥ電源（ＤＣ４８Ｖ）やＡＣアダプタの電源（ＤＣ１２Ｖ）から実際の負荷部８で必要な電圧、例えば、ＤＣ５Ｖを生成する。また、ＤＣ／ＤＣ電源部７の電源入力側の１次回路と負荷部８側の２次回路の間を絶縁する機能を備える。８は負荷部であり、負荷回路を備える。９はＰｏＥ電源より低い電圧の汎用電源から給電を受けるための第二の電源入力Ｉ／Ｆ部である。実施形態１では、ＤＣ１２Ｖ出力のＡＣアダプタ（不図示）を想定している。

このように、電源回路１００は、ＰｏＥ電源とＰｏＥ電源より電圧の低い第二の電源の２つの電源を同時に接続可能とし、２つの電源を同時に接続したときは電源を前記ＰｏＥ電源から供給するように構成されている。

動作について説明する。まず、第二の電源入力Ｉ／Ｆ部９に接続されたＡＣアダプタからＤＣ１２Ｖが入力される。負荷部８の消費電力を８Ｗとすると、単純計算でＤＣ１２Ｖラインには約６７０ｍＡ（＝８Ｗ／１２Ｖ）の電流が流れる。実際は、電源効率が０．７〜０．９くらいになるが、ここでは簡便のために１．０として計算している。入力されたＤＣ１２Ｖは、第２のＯＲダイオード６ｂからＤＣ／ＤＣ電源部７に入り、ＤＣ５Ｖが生成されて負荷部８に給電される。

この状態において、ＰｏＥ電源を接続した場合の動作を図２のフローチャートも参照しながら説明する。

ＰｏＥ電源の給電装置（不図示）からのネットワークケーブルを、電源回路１００のＰｏＥ電源入力Ｉ／Ｆ部１に接続する（ステップＳ２０１）。ＰｏＥ給電装置はＰｏＥ電源入力Ｉ／Ｆ部１を介してＰｏＥ制御デバイス２に低い電圧から徐々に高くしながらＰｏＥ電源の給電シーケンスを実行する（ステップＳ２０２）。給電シーケンスについては後述する。給電シーケンスを実行した結果、給電されていたＰｏＥ電源はＰｏＥ制御デバイス２から出力され、後段のアルミ電解コンデンサ３の充電を開始する（ステップＳ２０３）。

充電検知部４は、アルミ電解コンデンサ３の電圧と給電されているＰｏＥ電源電圧とを比較する（ステップＳ２０４）。その電位差が所定値（例えば、１．５Ｖ）以下であるか否かを判定する（ステップＳ２０５）。充電検知部４が所定値以下でないと判定した場合（ステップＳ２０５でＮＯ）、ステップＳ２０４に戻る。一方、充電検知部４が所定値以下であると判定した場合（ステップＳ２０５でＹＥＳ）、充電検知部４は、後段のＰｏＥ電源遅延スイッチ５をＯＮ状態にするためのＯＮ信号をＰｏＥ電源遅延スイッチ５へ出力する（ステップＳ２０６）。

これにより、ＰｏＥ電源遅延スイッチ５がＯＮされる（ステップＳ２０７）。ＰｏＥ電源のＤＣ４８Ｖが第１のＯＲダイオード６ａへ供給される（ステップＳ２０８）。第１のＯＲダイオード６ａからのＤＣ４８ＶはＤＣ／ＤＣ電源部７に供給される（ステップＳ２０９）。その結果、それより低い電圧であるＡＣアダプタからのＤＣ１２Ｖは自動的に使用されなくなる。つまり、ＤＣ／ＤＣ電源部７に供給される電圧がＤＣ１２ＶからＤＣ４８Ｖへ切り替わるわけであるが、電流自体は急にＤＣ４８Ｖに対応した１６７ｍＡ（＝８Ｗ／４８Ｖ）に切り替われない。ＤＣ１２Ｖで消費されていた６７０ｍＡの電流は、ＤＣ４８Ｖに切り替わった瞬間も一時的に流れようとし、これが第１のＯＲダイオード６ａを経由して流れる（ステップＳ２１０）。さらに、ＤＣ／ＤＣ電源部７の入力段にも容量成分があり、供給される電圧がＤＣ１２ＶからＤＣ４８Ｖに上昇したことでこの容量成分による突入電流が発生する。この突入電流もＯＲダイオード６ａを経由して流れることになる（ステップＳ２１０）。

従来は、アルミ電解コンデンサ３がないため、この６７０ｍＡ＋突入電流分はＰｏＥ制御デバイス２を経由して流れようとしていた。その結果、ＰｏＥ給電装置の過電流保護制限値（最大４００ｍＡ）にかかり、ＰｏＥ電源の供給が遮断された。しかしながら、実施形態１では、この一時的な６７０ｍＡ＋突入電流分はアルミ電解コンデンサ３から供給されることになり（ステップＳ２１１）、ＰｏＥ給電装置の過電流保護が働くことはなくなる。つまり、ＰｏＥ電源へ切替った瞬間も、負荷部８は電源が遮断されること無く今まで通り動作を継続することができる（ステップＳ２１２）。

次に、ステップＳ２０３の給電シーケンスの概要を図３に沿って説明する。

まず、ＰｏＥ給電装置が約１０Ｖ以下の電圧を供給する（ステップＳ３０１）。ＰｏＥ給電装置は、２５ｋΩの認証抵抗が接続されているか否かを判定する（ステップＳ３０２）。ＰｏＥ給電装置は、２５ｋΩの認証抵抗が接続されていないと判定した場合（ステップＳ３０２でＮＯ）、処理を終了する。一方、ＰｏＥ給電装置は、２５ｋΩの認証抵抗が接続されていると判定した場合（ステップＳ３０２でＹＥＳ）、ステップＳ３０３へ進む。ＰｏＥ給電装置は、認証抵抗を検知することでＰＯＥ電源に対応していることを認識する。

次に、ＰｏＥ給電装置は、約２０Ｖ近くの電圧を供給する（ステップＳ３０３）。ＰｏＥ給電装置は、次に、電源を供給される側の電力カテゴリによる分類を行う（ステップＳ３０４）。分類はＰｏＥ制御デバイス２に設定された分類用抵抗値を検出することでなされる。最大１２．９５Ｗとして電力カテゴリは５つあり、電力分類を行うことで、ＰｏＥ給電装置側の効率的な電力分配を行えるようにしている。電力カテゴリ分類が終わったところで、ＰｏＥ給電装置は、０Ｖからフル電圧（４４Ｖ〜５７Ｖ）まで徐々に上げて給電を行う（ステップＳ３０５）。

ＰｏＥ制御デバイス２は、給電される電圧レベルを監視する（ステップＳ３０６）。次に、ＰｏＥ制御デバイス２は、電圧レベルが所定値（約４０Ｖ（例えば、３９．５Ｖ〜４１．５の範囲））に達しているか否かを判定する（ステップＳ３０７）。ＰｏＥ制御デバイス２は、所定値に達していないと判定した場合（ステップＳ３０７でＮＯ）、ステップＳ３０６に戻る。一方、ＰｏＥ制御デバイス２は、所定値に達していると判定した場合（ステップＳ３０７でＹＥＳ）、ＰｏＥ給電スイッチ２ａをＯＮする（ステップＳ３０８）。これにより、ＰｏＥ給電装置から給電された電圧がＰｏＥ制御デバイス２の後段へ出力され、アルミ電解コンデンサ３は徐々に充電されてその両端電圧も徐々に上昇してゆくことになる。

以上が給電シーケンスの概要である。

以上説明したように、実施形態１によれば、電源回路において、ＰｏＥ制御デバイス２の後段にアルミ電解コンデンサ３を構成することにより、負荷回路の電力が大きい場合でも汎用電源からＰｏＥ電源に切り替わるときの電源遮断発生を防止できる。その結果、例えば、連続的な撮像・記録を目的とした監視カメラのように、一時的な電源遮断の影響が大きな装置に対して、この電源遮断を防ぐことができるようになる。

＜実施形態２＞
図４は実施形態２の電源制御システムを示すブロック構成図である。尚、図１と同一の構成要素については、同一の参照番号を付加している。図１と異なるところは、充電検知部４に代えて時間遅延部１０を備えていることである。時間遅延部１０はアルミ電解コンデンサ３の電圧上昇の開始タイミングを監視し、上昇を開始してから所定時間経過後に後段のＰｏＥ電源遅延スイッチ５をＯＮ制御するための信号を出力する。図１ではアルミ電解コンデンサ３が満充電になるのを充電検知部４が検知してからＰｏＥ電源遅延スイッチ５をＯＮしていたが、実施形態２では充電が開始されてから満充電になるまでを経過時間で管理するようにしたものである。

尚、ＰｏＥ制御デバイス２で、ＰｏＥ給電スイッチ２ａをＯＮするタイミングがわかる構成がとられているのであれば、時間遅延部１０におけるアルミ電解コンデンサ３の電圧上昇開始の検知に代えて、その信号を充電開始のタイミング信号として使用できる。

以上説明したように、実施形態２によれば、電源回路において、ＰｏＥ制御デバイス２の後段に時間遅延部１０を構成することにより、負荷回路の電力が大きい場合でも汎用電源からＰｏＥ電源に切り替わるときの電源遮断発生を防止できる。

以上、実施形態１及び２では、ＰｏＥ電源遅延スイッチ５のＯＮ制御信号を充電検知部４や時間遅延部１０からの出力信号を用いる構成としているが、同等の信号がＰｏＥ制御デバイス２が出力していれば、それを使用することができる。また、充電検知部４や時間遅延部１０は電気ハードウェアのみで構成してもよいし、プログラミングされたマイクロコンピュータを用いて構成してもよい。

つまり、充電検知部４や時間遅延部１０は、ＰｏＥ電源遅延スイッチ５のＯＮ制御信号の出力を制御する制御信号出力制御部として機能する。
本発明をその好適な実施形態に基づいて詳述してきたが、これら特定の実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の様々な形態も本発明に含まれる。

Claims (14)

1. ＰｏＥ電源及び前記ＰｏＥ電源より電圧の低い第二の電源を接続可能な電源回路であって、
   負荷部に電力を供給する電源を前記第二の電源から前記ＰｏＥ電源に切り替えるためのスイッチ手段と、
   前記ＰｏＥ電源と前記スイッチ手段との間に設けられ、前記第二の電源から前記負荷部に給電されている間に前記ＰｏＥ電源によって充電される電荷を蓄積する電荷蓄積手段とを有し、
   前記スイッチ手段は、前記電荷蓄積手段に充電される充電電圧と前記ＰｏＥ電源からの給電電圧との差が指定された値以下である場合、前記負荷部に電力を供給する電源を前記第二の電源から前記ＰｏＥ電源に切り替え、
   前記電荷蓄積手段は、前記負荷部に電力を供給する電源が前記第二の電源から前記ＰｏＥ電源へ切り替わった後に、前記負荷部へ前記電荷蓄積手段に蓄積した電荷を供給する
   ことを特徴とする電源回路。
2. 前記ＰｏＥ電源の給電を制御するＰｏＥ制御手段を更に有し、
   前記ＰｏＥ制御手段は、前記ＰｏＥ電源から給電された電圧を、後段の前記電荷蓄積手段へ給電するための給電スイッチ手段を有し、
   前記ＰｏＥ制御手段は、前記ＰｏＥ電源から給電される電圧を監視し、前記電圧が所定値に達していると判定した場合、前記給電スイッチ手段を制御して前記ＰｏＥ電源から給電された電圧を前記電荷蓄積手段へ給電させる
   ことを特徴とする請求項１に記載の電源回路。
3. 前記電荷蓄積手段に充電される充電電圧と前記ＰｏＥ電源からの給電電圧との差が指定された値以下であるか否かを検知する充電検知手段を更に有し、
   前記差が前記指定された値以下であることを検知した場合、前記充電検知手段は、前記負荷部に電力を供給する電源を前記第二の電源から前記ＰｏＥ電源に切り替えさせるための信号を前記スイッチ手段へ出力する
   ことを特徴とする請求項１に記載の電源回路。
4. 前記ＰｏＥ電源は、所定値以上の電流が消費されると給電を停止する
   ことを特徴とする請求項１に記載の電源回路。
5. ＰｏＥ電源及び前記ＰｏＥ電源より電圧の低い第二の電源を接続可能な電源回路であって、
   負荷部に電力を供給する電源を前記第二の電源から前記ＰｏＥ電源に切り替えるためのスイッチ手段と、
   前記ＰｏＥ電源と前記スイッチ手段との間に設けられ、前記第二の電源から前記負荷部に給電されている間に前記ＰｏＥ電源によって充電される電荷を蓄積する電荷蓄積手段とを有し、
   前記スイッチ手段は、前記電荷蓄積手段の充電が開始されてから所定時間経過後に、前記負荷部に電力を供給する電源を前記第二の電源から前記ＰｏＥ電源に切り替え、
   前記電荷蓄積手段は、前記負荷部に電力を供給する電源が前記第二の電源から前記ＰｏＥ電源へ切り替わった後に、前記負荷部へ前記電荷蓄積手段に蓄積した電荷を供給する
   ことを特徴とする電源回路。
6. 前記電荷蓄積手段の充電が開始されてからの経過時間を管理する時間遅延手段を更に有し、
   前記時間遅延手段は、前記電荷蓄積手段の充電の開始を検知する
   ことを特徴とする請求項５に記載の電源回路。
7. 前記ＰｏＥ電源の給電を制御するＰｏＥ制御手段を更に有し、
   前記ＰｏＥ制御手段は、前記ＰｏＥ電源から給電された電圧を、後段の前記電荷蓄積手段へ給電するための給電スイッチ手段を有し、
   前記時間遅延手段は、前記給電スイッチ手段がＯＮになったことを検知することで、前記電荷蓄積手段の充電の開始を検知する
   ことを特徴とする請求項６に記載の電源回路。
8. 前記ＰｏＥ電源は、所定値以上の電流が消費されると給電を停止する
   ことを特徴とする請求項５に記載の電源回路。
9. ＰｏＥ電源及び前記ＰｏＥ電源より電圧の低い第二の電源を接続可能な電源回路の制御方法であって、
   負荷部に電力を供給する電源を前記第二の電源から前記ＰｏＥ電源に切り替えるためのスイッチと前記ＰｏＥ電源との間に設けられた電荷蓄積部に、前記第二の電源から前記負荷部に給電されている間に前記ＰｏＥ電源によって充電される電荷を蓄積する蓄積工程と、
   前記電荷蓄積部に充電される充電電圧と前記ＰｏＥ電源からの給電電圧との差が指定された値以下である場合、前記負荷部に電力を供給する電源を前記第二の電源から前記ＰｏＥ電源に切り替える切替工程と、
   前記負荷部に電力を供給する電源が前記第二の電源から前記ＰｏＥ電源へ切り替わった後に、前記負荷部へ前記電荷蓄積部に蓄積した電荷を供給する供給工程と
   を有することを特徴とする電源回路の制御方法。
10. 前記ＰｏＥ電源の給電を制御するＰｏＥ制御工程を更に有し、
    前記ＰｏＥ制御工程は、前記ＰｏＥ電源から給電される電圧を監視し、前記電圧が所定値に達していると判定した場合、前記ＰｏＥ電源から給電された電圧を後段の前記電荷蓄積部へ給電するための給電スイッチを制御して、前記ＰｏＥ電源から給電された電圧を前記電荷蓄積部へ給電させる
    ことを特徴とする請求項９に記載の電源回路の制御方法。
11. 前記電荷蓄積部に充電される充電電圧と前記ＰｏＥ電源からの給電電圧との差が指定された値以下であるか否かを検知する検知工程と、
    前記差が前記指定された値以下であることを検知した場合、前記負荷部に電力を供給する電源を前記第二の電源から前記ＰｏＥ電源に切り替えさせるための信号を前記スイッチへ出力する出力工程と
    を更に有することを特徴とする請求項９に記載の電源回路の制御方法。
12. ＰｏＥ電源及び前記ＰｏＥ電源より電圧の低い第二の電源を接続可能な電源回路の制御方法であって、
    負荷部に電力を供給する電源を前記第二の電源から前記ＰｏＥ電源に切り替えるためのスイッチと前記ＰｏＥ電源との間に設けられた電荷蓄積部に、前記第二の電源から前記負荷部に給電されている間に前記ＰｏＥ電源によって充電される電荷を蓄積する蓄積工程と、
    前記蓄積工程の充電が開始されてから所定時間経過後に、前記負荷部に電力を供給する電源を前記第二の電源から前記ＰｏＥ電源に切り替える切替工程と、
    前記負荷部に電力を供給する電源が前記第二の電源から前記ＰｏＥ電源へ切り替わった後に、前記負荷部へ前記電荷蓄積部に蓄積した電荷を供給する供給工程と
    を有することを特徴とする電源回路の制御方法。
13. 前記電荷蓄積部の充電が開始されてからの経過時間に基づいて前記電荷蓄積部の充電の開始を検知する時間遅延工程を更に有する
    ことを特徴とする請求項１２に記載の電源回路の制御方法。
14. 前記時間遅延工程は、前記ＰｏＥ電源から給電された電圧を後段の前記電荷蓄積部へ給電するための給電スイッチがＯＮになったことを検知することで、前記電荷蓄積部の充電の開始を検知する
    ことを特徴とする請求項１３に記載の電源回路の制御方法。

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