JPH1020947A - リダンダント型安定化電源装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】簡易電流バランスをとりながら並列運転を実現
する。 【解決手段】並列運転用リダンダント型安定化電源装置
である。安定化電源回路１０Ａ，１０Ｂには負荷１２の
一方のセンス端と電源供給路を流れる出力電流に基づく
電圧降下分が供給される電流バランス回路３０Ａと３０
Ｂとが設けられ、この電流バランス回路の入力段で、自
己と相手方の電源路を流れる出力電流が抵抗器３４ａ，
３４ｂで加算される。そして両安定化電源回路を流れる
出力電流（電源路Ｌａ′、Ｌｂ′を流れる電流Ｉａ，Ｉ
ｂ）が等しくなるように電流バランスをとりながら並列
運転する。相手方を流れる電流を見ながら相互の電流が
バランスするようにしたので、完全な電流バランスをと
らないでも双方を並列運転させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、ＡＶサーバーや
コンピュータ装置などに適用できるリダンダント型安定
化電源回路に関する。詳しくは、それぞれの安定化電源
回路に電流バランス回路を設け、それぞれの出力電流を
監視しながら出力電圧を安定化することによって、負荷
変動に拘わらず一対の安定化電源回路を並列運転できる
ようにしたものである。

【０００２】

【従来の技術】オーディオ・ビデオサーバ（ＡＶサー
バ）やコンピュータ装置などでは、これに供給される交
流電源が瞬断したときでも、瞬断期間中、装置駆動電圧
が規定値以上の電圧となっているように、最近では並列
運転を行う安定化電源回路が使用されるようになってき
ている。

【０００３】図８はその一例を示す従来例であって、こ
の並列運転を行う電源回路は、通常リダンダント（Redu
ndant）安定化電源回路と呼ばれている。

【０００４】図８において、一対の安定化電源回路１０
Ａ，１０Ｂがそれぞれ逆流防止素子であるダイオードＤ
ａ，Ｄｂを介して負荷（ＩＣ回路など）１２に接続され
る。

【０００５】一対の電源回路１０Ａ，１０Ｂが並列運転
されるための条件としては、これらの電源電圧（出力電
圧）の差が通常±５０ｍＶ就中±３０ｍＶ以下に保持さ
れていなければならない。これ以上の電位差が発生する
と、電圧の低い方の電源回路はカットオフされてしま
う。出力電圧の高い方によって他方の電源回路に接続さ
れたダイオードＤａ若しくはＤｂがカットオフされ、カ
ットオフされた電源回路側の出力電圧が負荷１２に印加
されないようになるからである。

【０００６】したがって例えば第２の安定化電源回路１
０Ｂがカットオフされ、第１の安定化電源回路１０Ａの
みで負荷１２が駆動されているときは、図９Ａのように
出力電流はＩｂ＝０，Ｉａ＝ＩL（ＩLは負荷電流）とな
る。出力電圧ＶａとＶｂの電位差が逆転すると、Ｉａ＝
０，Ｉｂ＝ＩLとなって、電源回路１０Ａ，１０Ｂのカ
ットオフ関係が逆転する。そして、図９ＢのようにＩａ
＝Ｉｂ（＝ＩL）となる時点ｔａでバランスされ、一対
の電源回路１０Ａ，１０Ｂの双方で負荷１２が駆動（並
列運転）されることになる。

【０００７】図８の場合には並列運転条件が、両出力電
圧ＶａとＶｂとの差が少なくとも±５０ｍＶ以内となる
ように出力電圧を安定化する必要がある。これに対して
図１０に示すようにダイオードＤａ，Ｄｂに抵抗器Ｒ
ａ，Ｒｂを接続すると、図１１に示すように電流バラン
スするまでの期間Ｗを図９の場合よりも長くすることが
できる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上述したリダンダント
型電源装置１０においては、並列運転すべき条件として
は上述したようにそれぞれの出力電圧Ｖａ，Ｖｂがほぼ
等しくなければならない。しかし、両電位差が±５０ｍ
Ｖ以下となるようにそれぞれの出力電圧を安定化させる
には、安定化電源回路１０Ａ，１０Ｂの素子常数を厳密
に選定する必要がある。さらに負荷が変動してもこれに
よる影響を受けないで並列運転させる必要がある。しか
し、従来例、特に抵抗器を挿入した図１０の例では、並
列運転が負荷変動による影響を受け易いといった問題が
ある。

【０００９】そこで、この発明はこのような従来の課題
を解決したものであって、それぞれの安定化電源回路に
電流バランス機能を付加して、互いに出力電流を監視し
ながら並列運転を行うことによって、素子常数などを厳
密に選定しないでも安定した並列運転を実現したリダン
ダント型安定化電源装置を提案するものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上述の課題を解決するた
め、この発明に係るリダンダント型安定化電源回路で
は、２つの安定化電源回路を並列的に負荷に供給して上
記負荷を同時に駆動する並列運転用リダンダント型安定
化電源装置において、それぞれの安定化電源回路にはレ
ギュレータと、負荷の一方のセンス端と電源供給路との
間を流れる出力電流に基づく電圧降下分が供給される電
流バランス回路とが設けられ、この電流バランス回路の
入力段には、相手方の安定化電源回路を流れる出力電流
に基づく電圧降下分が加算されるようになされ、上記両
安定化電源回路を流れる出力電流が等しくなるように電
流バランスをとりながら並列運転するようにしたことを
特徴とする。

【００１１】この発明では、負荷１２を流れる出力電流
Ｉａ，Ｉｂを電源供給路Ｌａ′，Ｌｂ′の線路インピー
ダンスを利用して検出する。電流Ｉａ，Ｉｂによって電
圧降下分が相違するからである。したがって出力電流Ｉ
ａ，Ｉｂはその電圧降下によって監視できる。

【００１２】出力電流Ｉａ，Ｉｂを抵抗加算して電流バ
ランス回路のオペアンプに与えて出力電圧Ｖａ，Ｖｂの
一方をコントロールして出力電流Ｉａ，Ｉｂをバランス
させる。そうすると、出力電圧Ｖａ，Ｖｂも一定するよ
うになるから一対の安定化電源回路１０Ａ，１０Ｂをそ
れぞれ出力５０％の状態で並列運転させることができ
る。

【００１３】

【発明の実施の形態】続いて、この発明に係るリダンダ
ント型安定化電源回路の一実施形態を図面を参照して詳
細に説明する。

【００１４】図１はこの発明に係るリダンダント型安定
化電源回路の一実施態様を示す接続図であって、負荷１
２に対して並列接続された第１および第２の安定化電源
回路１０Ａと１０Ｂはそれぞれ直流電源１４ａ，１４ｂ
を有する。これら直流電源１４ａ，１４ｂとしては交流
電源を別々に整流・平滑したものが使用される。一対の
安定化電源回路１０Ａと１０Ｂは同一構成であるので、
一方のみを例示して他方の構成は関連する符号を付し、
その説明は割愛する。

【００１５】安定化電源回路１０Ａとしてはシリーズレ
ギュレータを例示するが、スイッチングレギュレータで
あっても差し支えない。本例ではシリーズレギュレータ
が使用され、安定化電源回路１０Ａを構成する電源供給
路Ｌａ，Ｌａ′にシリーズレギュレータ１６Ａが接続さ
れる。

【００１６】シリーズレギュレータ１６Ａとして本例で
はシリーズレギュレータとシャントレギュレータを組み
合わせて構成された高精度のシリーズレギュレータを例
示する。そのため、電源供給路Ｌａに対してシリーズト
ランジスタ（制御トランジスタ）Ｑａが接続され、この
トランジスタＴａがシャントレギュレータ２０Ａによっ
て制御される。

【００１７】シャントレギュレータ２０Ａのシンボルマ
ークとしては図３のようなシンボルを使用することとす
る。シャントレギュレータ２０Ａは図２に示すように、
電圧比較器２２ａを有し、その反転端子には内蔵された
電圧基準源２４ａが接続され、非反転端子には端子２６
ａよりリファレンス電圧ＲＥＦａが供給される。

【００１８】電圧比較器２２ａの出力でトランジスタ２
８ａが制御される結果、そのコレクタ電流が変化して、
プラス側電源端子（カソードＫ）とマイナス側電源端子
（アノードＡ）との間のアノード・カソード電流値（シ
ャント電流値）がリファレンス電圧ＲＥＦａによってコ
ントロールされる。リファレンス電圧ＲＥＦａが高くな
るとそれに伴ってシャント電流が増えるように制御され
る。

【００１９】このようなシャントレギュレータ２０Ａ
は、図１に示すようにそのカソードＫがプラス電源側と
なるように抵抗器２１ａと直列接続され、さらにこのカ
ソードＫがシリーズトランジスタＴａのベース側に接続
されることによって、全体として高精度なシリーズレギ
ュレータ１６Ａを構成することができる。

【００２０】シリーズトランジスタＴａはダイオードＤ
ａを介してプラス側の電源端子１７ａ側につながり、電
源端子１７ａはプラス側の電源供給路Ｌａを介して負荷
１２に接続される。負荷１２に接続されたマイナス側の
電源供給路Ｌａ′は電源端子１７ｂを介して直流電源１
４ａのマイナス側に接続される。

【００２１】負荷１２の両端からはさらにセンス（SENS
E）端子１８ａ，１８ｂが導出され、負荷１２の両端電
圧がセンスされる。そのため、このセンス端子１８ａ，
１８ｂ間に得られる電圧はまず直列接続された３つの抵
抗器１９ａ〜１９ｃよりなる電圧検出手段１９によって
分圧されて所定値のリファレンス電圧ＲＥＦａとなさ
れ、これがシャントレギュレータ２０Ａのリファレンス
端子に与えられる。

【００２２】負荷１２への駆動電圧が変動すると、その
変動分がセンスされてリファレンス電圧ＲＥＦａも変動
し、これに応じて負荷端の電圧が一定するように負帰還
がかかり駆動電圧の安定化が図られる。

【００２３】この発明ではこのような構成に対して電流
バランス回路３０Ａが設けられる。電流バランス回路３
０Ａは誤差増幅器として機能する単電源用のオペアンプ
４０Ａを有し、その出力が抵抗器３１ａ，３１ｂを介し
てシャントレギュレータ２０Ａのアノードに供給され
る。

【００２４】オペアンプ４０Ａの非反転端子は抵抗器３
２ａを介してセンス端子１８ｂに接続されると共に、抵
抗器３３ａを介してマイナス電源端子１７ｂ側の電源路
Ｌａ′に接続される。接続点をａとする。

【００２５】さらにａ点は電流加算用の抵抗器３４ａを
介して、また反転端子は抵抗器３５ａを介してそれぞれ
電流バランス端子３６ａに接続される。抵抗器３４ａと
３５ａの接続点をｃとする。

【００２６】上述した電流バランス回路３０Ａを構成す
るオペアンプ４０Ａは図４のように構成されたものを使
用することができる。同図は複数のＰＮＰ型トランジス
タで構成した場合であって、トランジスタＱａ，Ｑｂで
構成された差動アンプ４１と、同じくトランジスタＱ
ｃ，Ｑｄで構成された差動アンプ４２とを有し、これら
は同一電流源４３で駆動されると共に、トランジスタＱ
ｃ，Ｑｄより導出された端子４４に差動増幅すべき信号
が与えられる。第１の差動アンプ４１の電流通路上には
カレントミラー回路４５が接続され、その一方のトラン
ジスタＱｅ側の出力が電流源４６に接続された終段の出
力トランジスタＱｆに導かれて端子４７より出力信号Ｖ
outがえられる。

【００２７】この電流バランス回路４０Ａは図５のよう
に、−Ｖから＋Ｖまでの入力信号に対しては線形な出力
信号Ｖoutとなって得られるが、−Ｖ以下の信号に対し
ては０レベルにクランプされる。したがって入力信号の
電圧レベルが−Ｖ以下では０ボルトが出力されることに
なる。

【００２８】図１のように、電流バランス回路３０Ａを
含む安定化電源回路１０Ａと全く同じように、第２の安
定化電源回路１０Ｂも構成され、同一の負荷１２に対し
て並列に接続される。第１の安定化電源回路１０Ａと同
一部分には関連する符号を付しその説明は省略するも、
電源端子を５０ａ，５０ｂで示し、センス端子を５１
ａ，５１ｂで示し、電流バランス端子を３６ｂで示す
と、プラス電源端子５０ａ，５０ｂが負荷１２の両端に
接続され、センス端子５１ａ，５１ｂが負荷１２の両端
電位をセンスするように接続される。

【００２９】さて、このように構成されたリダンダント
型安定化電源装置１０において、電流バランス端子３６
ａ，３６ｂ同士を接続しない状態で、しかも出力電圧Ｖ
ａとＶｂとがバランスせず、Ｖａ＞Ｖｂの関係にあった
ときには、図６のように電流Ｉａが負荷電流ＩLとな
り，Ｉｂ＝０である。しかし、出力電圧ＶａとＶｂとの
大小関係が逆転すると、Ｉｂ＝ＩL，Ｉａ＝０となり、
電流がバランスしてＩａ＝Ｉｂとなったとき並列運転状
態となる。

【００３０】電流バランスがとれていない時点で電流バ
ランス端子３６ａと３６ｂを接続すると、電流バランス
回路３０Ａと３０Ｂが動作して、Ｉａ＝Ｉｂとなるよう
なバランス制御となる。このバランス制御について図７
を参照しながら説明する。

【００３１】図７のように時点ｔ１までは、Ｖａ＞Ｖｂ
で、しかも電流バランス端子３６ａと３６ｂが接続され
ていないので、電流Ｉａ＝ＩL，Ｉｂ＝０となってい
る。

【００３２】この時点ｔ１では電流Ｉａが線路Ｌａ′を
流れているので、その線路インピーダンスＲｉ（数ｍ
Ω）による電圧降下が発生し、点ａ、つまり電流加算点
ｃでは（−Ｉａ・Ｒｉ）のような電位−Ｖｘとなってい
る。これに対してＩｂ＝０であるので点ａ′つまり、点
ｃ′は、−センス電位となっている。

【００３３】時点ｔ１で電流バランス端子同士を接続す
ると、点ｃ′の電位は、−Ｖｘとなる。その結果、オペ
アンプ４０Ｂのマイナス端子側の電位が下がるので電流
増幅が行われ、その出力電流は抵抗器３１ａ，３１ｂに
よって電圧Ｖ２に変換されてシャントレギュレータ２０
Ｂのアノードに印加される。

【００３４】シャントレギュレータ２０Ｂには内蔵の基
準電源２４ａがあり、この基準電源２４ａの電圧が電圧
Ｖ２によって嵩上げされるので、シャントレギュレータ
２０Ｂを流れるシャント電流が減り、これが基でシリー
ズトランジスタＴｂへのベース電流が増えてトランジス
タＱｂがオンすると共に、それに伴ってダイオードＤｂ
のアノード電圧つまり出力電圧Ｖｂが上昇する（図７参
照）。出力電圧Ｖｂが上昇してダイオードＤｂが導通状
態になると出力電流Ｉｂが流れるようになる。

【００３５】出力電流Ｉｂが電源線路Ｌｂ′を流れる
と、センス端子ｃ′と点ａ′との間にもマイナスの電圧
降下（マイナスＶｘ′）が発生し、これが第１の安定化
電源回路１０Ｂ側の点ａｃ間で発生したマイナス電圧−
Ｖｘと加算される。その結果、点ｃ′の電位はさらに下
がりオペアンプ４０Ｂの出力電圧がさらに上昇すると共
に、出力電流Ｉｂが大きくなる。

【００３６】一方、オペアンプ４０Ａ側では点ａの電位
が−Ｖ以下になると、図５のようにその出力電圧はクラ
ンプされてゼロになるから、シリーズレギュレータ１６
Ａに対する電流バランス回路３０Ａからの影響は全くな
い。したがって出力電圧Ｖａは変動しない（図７参
照）。しかし、負荷電流ＩLは、 ＩL＝Ｉａ＋Ｉｂ であるため、ダイオードＤｂの導通によって出力電流Ｉ
ｂが大きくなるに伴って他方の出力電流Ｉａは減少する
（図７）。そして、図７のようにＩａ＝Ｉｂとなる時点
ｔ２で、点ａとａ′との電位が平衡し、ｃ＝ｃ′＝ａ＝
ａ′となって、出力電流ＩａとＩｂがバランスして並列
運転状態となる。電流バランスが崩れると、再び同じよ
うな電流制御が行われて平衡状態を維持することにな
る。

【００３７】出力電圧の関係が、Ｖｂ＞Ｖａの関係にあ
るときには、第２の安定化電源回路１０Ｂを基準にし
て、電流バランス回路３０Ａ，３０Ｂが動作して、並列
運転状態が保たれる。

【００３８】このように電流バランス回路３０Ａ，３０
Ｂを利用することによって常に並列運転ができるように
制御される。その結果、完全な電流バランスを採らない
でも並列運転を実現できる。電流バランスを実現する場
合に、線路インピーダンスを利用できるので電流検出抵
抗が不要になる。

【００３９】単電源構成のオペアンプ４０Ａ，４０Ｂを
用いて電流バランス回路３０Ａ，３０Ｂを駆動している
ので出力電圧の高い方（出力電流の大きな方）の出力電
圧を固定し、別の出力電流を増やすように制御できるよ
うになるので過渡応答が素早くなる。マイナス電圧側を
基準にしたオペアンプ４０Ａ，４０Ｂを使用しているの
で、プラス、マイナス両電圧を利用する場合よりも構成
が簡単になる。電流バランス回路３０Ａ，３０Ｂそのも
のの構成素子数も少ないことから、並列運転を行うため
の回路規模を縮小できる。

【００４０】

【発明の効果】以上説明したようにこの発明では、２つ
の安定化電源回路を並列的に負荷に供給して負荷を同時
に駆動する並列運転用リダンダント型安定化電源装置で
あって、それぞれの電源供給路を流れる出力電流に基づ
く電圧降下分が供給される電流バランス回路を設け、相
手方の安定化電源回路を流れる出力電流に基づく電圧降
下分を加算した電圧で電流バランス回路を制御すること
によって、互いの出力電流が等しくなるように制御した
ものである。

【００４１】これによれば、完全な電流バランス状態で
ない場合でも、簡単に電流バランスをとることができる
から、比較的簡単な構成でリダンダント型安定化電源回
路の並列運転を実現できる特徴を有する。したがってこ
の発明では上述したようにＡＶサーバーやコンピュータ
装置などの電源装置に適用して極めて好適である。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に係るリダンダント型安定化電源装置
の一実施態様を示す要部の系統図である。

【図２】シャントレギュレータの構成図である。

【図３】そのシンボルマークである。

【図４】電流バランス回路の具体例を示す接続図であ
る。

【図５】その動作説明図である。

【図６】電流バランスをとる前の出力電流の関係を示す
図である。

【図７】電流バランスをとったときの出力電流および出
力電圧の関係を示す図である。

【図８】リダンダント型安定化電源装置の従来例を示す
系統図である。

【図９】並列運転の動作説明図である。

【図１０】リダンダント型安定化電源装置の他の従来例
を示す系統図である。

【図１１】並列運転の動作説明図である。

【符号の説明】

１０・・・安定化電源装置、１０Ａ，１０Ｂ・・・安定
化電源回路、１２・・・負荷、１６Ａ，１６Ｂ・・・シ
リーズレギュレータ、１８ａ，１８ｂ・・・センス端、
２０Ａ，２０Ｂ・・・シャントレギュレータ、３０Ａ，
３０Ｂ・・・電流バランス回路、３４ａ，３４ｂ・・・
電流加算回路、４０Ａ，４０Ｂ・・・オペアンプ、Ｌ
ａ，Ｌａ′，Ｌｂ，Ｌｂ′・・・電源供給路、Ｔａ，Ｔ
ｂ・・・シリーズトランジスタ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ２つの安定化電源回路を並列的に負荷に
   供給して上記負荷を同時に駆動する並列運転用リダンダ
   ント型安定化電源装置において、 それぞれの安定化電源回路にはレギュレータと、負荷の
   一方のセンス端と電源供給路との間を流れる出力電流に
   基づく電圧降下分が供給される電流バランス回路とが設
   けられ、 この電流バランス回路の入力段には、相手方の安定化電
   源回路を流れる出力電流に基づく電圧降下分が加算され
   るようになされ、 上記両安定化電源回路を流れる出力電流が等しくなるよ
   うに電流バランスをとりながら並列運転するようにした
   ことを特徴とするリダンダント型安定化電源装置。
2. 【請求項２】 上記レギュレータは、誤差増幅器として
   機能するシャントレギュレータを含むシリーズレギュレ
   ータ若しくはスイッチングレギュレータが使用され、上
   記シャントレギュレータの出力でシリーズトランジスタ
   がコントロールされるようになされたことを特徴とする
   請求項１記載のリダンダント型安定化電源装置。
3. 【請求項３】 上記電流バランス回路には、誤差増幅器
   が設けられると共に、 その入力段には電流加算用の抵抗器を介して電流加算端
   子が設けられ、 上記電流加算用抵抗器の他端には自己の電源供給路を流
   れる出力電流が加算されるようになされ、 上記一方の安定化電源回路を流れる出力電流に対し、他
   方の安定化電源回路の出力電流が一致するように上記電
   流バランス回路が動作するようになされたことを特徴と
   する請求項１記載のリダンダント型安定化電源装置。