JP2005287277A - 電源制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】 小型かつ低コストで、しかも過電流による回路破損を生じない電源制御システムを提供する。
【解決手段】 定電圧制御手段４０１ａと電流制限手段４０１ｂを有する電源回路４１を備えた電源基板４と、複数の負荷回路５１〜５ｘを備えた負荷回路基板５とからなり、上記負荷回路５１〜５ｘが、上記負荷回路基板５上のコネクタＡを介して上記電源回路４１に並列に接続され、該電源回路４１から電力供給を受けるように構成されたものにおいて、上記電源回路４１に定電流制御手段４０１ｃを設けるとともに、上記負荷回路の少なくと電源重畳通信用の通信回路５２に負荷回路側の過電流を検出する過電流検出回路７を設け、この過電流検出回路７での検出結果を電源基板４の負荷電流フィードバック回路８を介して電源回路４１に与えて負荷過電流検出時に定電流制御を行うように構成する。
【選択図】 図１

Description

この発明は電源制御システムに関し、より詳細には、電源基板から複数の負荷回路が電力の供給を受けるように構成された電源システムにおいて、負荷短絡による負荷回路の破損を防止する技術に関する。

従来、給湯装置の分野においては、給湯装置とそのリモコンは２芯の接続線（具体的には、たとえば直流１５Ｖラインと０Ｖラインの２線）で接続され、この接続線を介して給湯装置本体からリモコンに直流電力が供給されるとともに、この接続線（電源ライン）に通信信号を重畳すること（いわゆる電源重畳通信）により給湯装置本体とリモコンの間で通信が行われている（たとえば、下記特許文献１または特許文献２参照）。

図６は、このような電源重畳通信を行う給湯システムにおける電源系統の概略構成を示す説明図である。図において、符号１は給湯装置本体、符号２はリモコン、符号３は２芯の接続線を示している。また、符号４は給湯装置本体１に内蔵される電源基板、符号５は給湯装置の制御基板（負荷回路基板）を示している。

上記電源基板４は、図示しない商用電源から直流電力（たとえば、直流１５Ｖ）を生成する電源回路（電源手段）４１を搭載した基板であって、この基板に搭載される電源回路４１には、スイッチング電源回路等の安定化電源回路が好適に採用される。

図において符号４０１で示すのは、上記電源回路４１の出力電圧Ｖoutを制御する電源制御部である。この電源制御部４０１は、電源基板４に設けられた定電圧フィードバック回路６からの定電圧フィードバック信号に基づいて定電圧制御を行う定電圧制御手段４０１ａと、この電源基板４に設けられた過電流検出回路（図示せず）からの過電流検出信号に基づいて電流制限制御を行う電流制限手段４０１ｂとを備えて構成される。

ここで、上記電流制限手段４０１ｂの制御動作（出力電流対出力電圧特性）の一例を図７に示す。図示例では、電流制限動作としていわゆるフの字特性を採用した場合を示しており、この場合、上記電流制限手段４０１ｂは、出力電流が所定値（図示例では５Ａ）を超えそうになると、図中の鎖線で示すように（いわゆるフの字状に）出力電圧Ｖoutを低下させて、出力電流Ｉoutが５Ａを超えないように動作する。

また、上記定電圧フィードバック回路６は、抵抗６０１〜６０３と、フォトカプラ（図中には発光部（フォトダイオード６０４）のみを示す）と、シャントレギュレータ６０５を主要部として構成される。そして、シャントレギュレータ６０５のリファレンス端子の電圧が所定の基準電圧を超えるとシャントレギュレータ６０５が導通してフォトダイオード６０４が点灯し、これにより図外のフォトカプラの受光部がオンとなって、該フォトカプラの受光部と連動する上記定電圧制御手段４０１ａが作動し、電源回路４１の出力電圧が一定となるような制御を行う。

一方、上記制御基板（負荷回路基板）５は、給湯装置本体各部の制御を行うためのマイコン(図示せず)を搭載した基板であって、この制御基板５には、上記電源回路４１から電源供給を受ける複数の負荷回路（回路ブロック）５１，５２，…，５ｘが設けられている。具体的には、これら各負荷回路５１，５２，…，５ｘは、制御基板５に設けられたコネクタＡを介して上記電源回路４１に並列に接続されている。

なお、図示例では、この負荷回路として、上記マイコンを搭載した制御回路５１と、上記リモコン２との通信回路５２のみを示し、他の負荷回路（たとえば、図示しない電装線を介してセンサと接続され、当該センサに対して電源供給を行うとともに当該センサから生成される信号を取得する検出回路や、弁制御用のモータ駆動回路やその他の負荷駆動用リレー回路など）は図示を省略する。また、上記通信回路５２は、上記マイコンからの信号（図示しない通信インターフェイスＩＣなどを介して与えられる信号）を電源ラインに重畳させ、通信を行うための回路であって、図示例では、特にかかる回路構成のうち、上記電源回路４１の出力端から分岐され、ケーブル接続端子５０１，５０２へとつながる電源ライン（直流１５Ｖライン）のみを示している（なお、以下の説明において通信回路５２と称する場合は、制御基板５側におけるこの電源ラインの構成を指すものとする）。また、図において符号５２１は、重畳伝送される信号を除去するためのフィルタを構成するコイルである。また、符号５０１，５０２は、上記接続線３を給湯装置本体１に接続するためのケーブル接続端子である。

特開昭６０−２２８８２０号公報 特開平８−２７５２６３号公報

しかしながら、このような従来の構成、つまり、制御基板５側に電源基板４から電源供給を受ける複数の負荷回路５１，５２，…，５ｘを設けるとともに、過電流保護のための電流制限手段４０１ｂが電源基板４側の過電流を監視する構成では、以下のような問題があり、その改善が望まれていた。

すなわち、この種の給湯システムでは、上記接続線３の接続作業時の手違いや経年変化による被覆損傷、さらにはリモコン２の短絡試験や故障等の様々な原因によって通信回路（負荷）側で２芯線間（端子５０１，５０２間）が短絡することがある。

このような場合、従来の構成では、電流制限手段４０１ｂが作動して、上記電源基板４の出力電流Ｉoutが、図６に示すフの字垂下特性を示すように構成されているが、接続線３のインピーダンスが高い場合や、リモコン２内部の回路素子がある程度のインピーダンスを持った状態で短絡故障したような場合には、この垂下特性は図６の実線で示すような特性を示し、大きな短絡電流が流れてしまうという問題がある。

そのため、従来の給湯システムでは、このような過大な短絡電流が流れてもコイル５２１が損傷（発熱や破損）しないように、このコイル５２１には、サイズが大きく、定格電流の大きい高価なコイルを用いており、これがために制御基板５の小型化が阻害されるとともに、製造コストの上昇を招いていた。具体的には、たとえば、本来なら定格１Ａ程度のコイルを使用すればよいところでも、過電流を考慮して定格５Ａ程度のコイルが使用されていた。また、このように定格の大きいコイルを使用することに伴って、回路設計上、ヒューズを介装させる必要が生じ、この点でも製造コストの上昇を招いていた。

さらには、接続線３に過大な短絡電流が流れることにより、リモコン２側の回路部品を損傷するおそれもあった。

本発明はこのような従来の問題点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、小型かつ低コストで、しかも過電流による回路破損を生じない電源制御システムを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の請求項１に記載の電源制御システムは、直流電力を生成する電源手段と、この電源手段の定電圧制御手段および電流制限手段と、上記電源手段から電力供給を受ける複数の負荷回路とからなり、これら負荷回路が上記電源手段に対して互いに並列に接続されるとともに、上記負荷回路のうちに電源重畳通信用の通信回路を含むものにおいて、少なくとも上記通信回路に負荷側の過電流を検出する過電流検出手段を設け、この過電流検出手段での検出結果を負荷電流フィードバック手段を介して上記電源手段に与えるように構成したことを特徴とする。

また、本発明の請求項２に記載の電源制御システムは、請求項１に記載の電源制御システムにおいて、上記電源手段に、上記負荷電流フィードバック手段からのフィードバック信号に基づいて定電流制御を行う定電流制御手段が設けられていることを特徴とする。なお、ここで定電流制御とは、図３に示すように、出力電流値が所定の電流値を超えないようにする制御を指すものとする。以下同様。

また、本発明の請求項３に記載の電源制御システムは、請求項２に記載の電源制御システムにおいて、上記負荷電流フィードバック手段においてフィードバック信号を生成する素子として、上記定電圧制御手段において定電圧フィードバック信号生成用に用いられている素子を用いることを特徴とする。

また、本発明の請求項４に記載の電源制御システムは、請求項１に記載の電源制御システムにおいて、上記電源手段に、上記負荷電流フィードバック手段からのフィードバック信号に基づいて上記電源手段の電源出力を停止させる電源出力停止手段が設けられていることを特徴とする。

また、本発明の請求項５に記載の電源制御システムは、請求項４に記載の電源制御システムにおいて、上記電源出力停止手段が、上記電源手段への電源入力を遮断するように構成されていることを特徴とする。

本発明の電源制御システムによれば、上記電源手段から電力供給を受ける複数の負荷回路のうちの少なくとも通信回路に負荷回路側の過電流を検出する過電流検出手段が設けられ、この過電流検出手段での検出結果が負荷電流フィードバック手段を介して上記電源手段に与えられるので、上記電源手段は、当該電源手段側で出力電圧や出力電流の異常を直接的に監視することができる上、通信回路側での過電流についても監視することができる。

そして、電源手段側に、上記負荷電流フィードバック手段からのフィードバック信号に基づいて定電流制御を行う定電流制御手段を設けたり、あるいは上記負荷電流フィードバック手段からのフィードバック信号に基づいて上記電源手段の電源出力を停止させる電源出力停止手段を設けたりすることにより、上記電流制限手段だけでは負荷回路の損傷を免れないような負荷回路側の短絡故障から負荷回路を保護することができる。

したがって、本発明を給湯システムに適用して、上記過電流検出手段を制御基板の通信回路に設けておけば、２芯の接続線やリモコン側で短絡故障が生じた場合でも、通信回路を損傷するおそれがないので、上述したようにフィルタに用いるコイルの定格を予め大きく設定する必要がなく、小型かつ低コストで、しかも過電流による回路破損のおそれのない給湯システムを提供できる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

実施形態１
図１に、本発明を適用した給湯システムの電源系統の概略構成を示す。この給湯システムは、上述した従来の給湯システムを改変したものであって、具体的には、制御基板５の上記通信回路５２に、負荷側の過電流を検出する過電流検出回路（過電流検出手段）７を設ける一方、上記電源基板４に、定電流制御手段４０１ｃと、負荷電流フィードバック回路（負荷電流フィードバック手段）８を設けた点で従来の給湯システムと相違する。なお、その他の構成は図６に示す従来例と同様であるので、構成が共通する部分は同一の符号を付して説明を省略する。

上記過電流検出回路７は、図示のように、通信回路５２において、上記２芯の接続線３が接続されるケーブル接続端子５０１，５０２のうちのローサイド（０Ｖライン）の端子５０２と接続された線路に直列に電流検出用の抵抗７０１を挿入するとともに、この抵抗７０１の一端に抵抗７０２を介してトランジスタ７０３のベース端子を接続し、その他端にトランジスタ７０３のエミッタ端子を接続することにより構成される。なお、トランジスタ７０３のコレクタ端子は、電源基板４側と接続された過電流検出信号ライン９と接続される。

一方、上記負荷電流フィードバック回路８は、上記電源基板４のハイサイド（１５Ｖライン）の線路に、抵抗８０１とフォトカプラの発光部（フォトダイオード８０２のアノード端子）とが直列に接続された直列回路を接続するとともに、上記フォトダイオード８０２のカソード端子を上記過電流検出信号ライン９に結線することにより構成されている。

本実施形態では、これら過電流検出回路７と負荷電流フィードバック回路８とがこのような構成を備えることにより、たとえば２芯の接続線３が短絡したり、あるいはリモコン２側の回路で短絡があったりするなどして、ケーブル接続端子５０１，５０２間が短絡し過電流検出用の抵抗７０１に過電流が流れると、トランジスタ７０３がオンとなって、上記負荷電流フィードバック回路８を介してトランジスタ７０３にコレクタ電流（過電流検出信号）が流れるとともに、上記フォトカプラ８０２が点灯するものとされる。

図２は、電源回路４１の回路構成の一例を示すブロック図である。図示のように、本実施形態に示す電源回路４１としてはスイッチング電源回路が用いられる。具体的には、直流電源４０２と、一次巻線の両端が上記直流電源４０２に接続された出力トランス４０３と、この出力トランス４０３の一次巻線に直列に挿入され、上記直流電源４０２から出力トランス４０３に供給される直流電力を高周波スイッチングするスイッチング素子４０４と、このスイッチング素子４０４の動作を制御する電源制御部４０１とを備えて構成され、上記出力トランス４０３の二次巻線が上記定電圧フィードバック回路６に接続されている。

そして、上記定電圧フィードバック回路６のフォトカプラの受光部（フォトトランジスタ６０６）と、上記負荷電流フィードバック回路８のフォトカプラの受光部（フォトトランジスタ８０３）とが並列に接続され、各フィードバック回路６，８からのフィードバック信号が電源制御部４０１に入力可能とされている。なお、図示例では、これらフィードバック信号が一つの端子（図中のＦＢ入力端子）に入力される場合を示したが、たとえば、電源制御部４０１が定電圧制御用のフィードバック入力端子と定電流制御用のフィードバック入力端子の二端子を備える場合には、定電圧フィードバック回路６の定電圧フィードバック信号と負荷電流フィードバック回路８の負荷電流フィードバック信号は、それぞれ対応する端子に入力されるように構成される。

ここで、本実施形態に示す上記電源制御部４０１には、上述した上記定電圧制御手段４０１ａと電流制限手段４０１ｂに加えて、定電流制御手段４０１ｃが設けられている（図１参照）ので、以下においてはこの定電流制御手段４０１ｃについて説明する。

この定電流制御手段４０１ｃは、上記負荷電流フィードバック回路８からのフィードバック信号が入力されると、所定の定電流制御を実行する回路で構成される。具体的には、本実施形態では、この定電流制御手段４０１ｃによる定電流制御動作（出力電流対出力電圧特性）は、図３に符号ａで示すように、出力電流Ｉoutが所定値以下になる（図示例では１．５Ａに固定される）ように出力電圧Ｖoutを制御するものとされている。なお、同図において符号ｂで示すのは、上述したように上記電流制限手段４０１ｂによる電流制限特性（出力電流対出力電圧特性）を示している。

しかして、このように構成された給湯システムでは、電源回路４１で生成された直流電力が制御基板５に供給され、該制御基板５のコネクタＡを介して各負荷回路５１，５２，…，５ｘに供給される。そして、たとえば２芯の接続線３が短絡するなどして過電流検出用の抵抗７０１に過電流が流れると、上述したように、トランジスタ７０３がオンとなってフォトダイオード８０２が点灯する。そして、これにより電源制御部４０１のフォトトランジスタ８０３がオンとなり、上記電源制御部４０１のフィードバック入力端子にフィードバック信号が与えられ、上記定電流制御手段４０１ｃが作動する。

つまり、電源制御部４０１が作動することで、電源回路４１からの出力電圧が抑制され、その結果、通信回路５２の過電流が解消される。換言すれば、本発明によれば、通信回路５２のコイル５２１として定格の小さなコイルを使用することができ、小型かつ低コストで制御基板５を提供することができる。また、上記過電流検出回路７は、部品点数が少なく負荷回路（通信回路５２）を構成する回路ブロック中に組み込むことができるので、回路設計上も余計な回路ブロックを設ける必要がなく有利である。

このように、本実施形態に示す給湯システムでは、制御基板５上の通信回路５２に過電流検出回路７が設けられ、この過電流検出回路で過電流が検出されると電源基板４側の負荷電流フィードバック手段８からのフィードバック信号に基づいて定電流制御手段４０１ｃが作動して出力電流を抑制するが、これは過電流検出回路７が設けられた負荷回路側で過電流が検出された場合であり、電源基板４側で過電流が検出された場合には、従来どおり電流制限手段４０１ｂによる電流制限が行われる。つまり、本実施形態に示す給湯システムでは、上記電源回路４１は、電流制限手段４０１ｂによる電流制限制御と、定電流制御手段４０１ｃによる定電流制御の二つの過電流保護特性を備えており、過電流保護の面では従来品以上の信頼性が得られる。

なお、上述した実施形態では、負荷電流フィードバック手段８を定電圧フィードバック手段６とは別個に構成した場合を示したが、電源制御部４０１のフィードバック入力端子が一つであるような場合には（図２参照）、図４に示すように、トランジスタ７０３のコレクタ端子（過電流検出信号ライン９）を上記定電圧フィードバック手段６のフォトダイオード６０４とシャントレギュレータ６０５の中間に結線し、定電圧フィードバック手段６においてフィードバック信号を生成する素子（フォトダイオード６０４）を用いて、過電流検出回路７による過電流検出時のフィードバック信号を生成するように構成することもできる。そして、このように構成することにより電源基板４側の素子を減らすことができ、基板の小型化、低コスト化を図ることができる。

実施形態２
次に、本発明の第２の実施形態を図５を用いて説明する。この第２の実施形態は上記実施形態１の改変例であって、上記負荷電流フィードバック手段８からのフィードバック信号に基づいて電源回路４１の電源出力を停止させる電源出力停止手段を備えて構成される。

具体的には、本実施形態では、負荷電流フィードバック手段８のフィードバック信号を電源回路４１の前段に設けられたリレー回路（電源入力遮断手段）に与えるように構成されている。また、これに伴って電源制御部４０１における定電流制御手段４０１ｃは設けられていない。その他の構成は上述した実施形態１と同様であるので、同一部分については同一の符号を付して説明を省略する。

図示例では、上記電源回路４１は、交流電源１０から電力の供給を受けて直流電力を生成する電源回路で構成される。そして、この交流電源１０と電源回路４１との間には電源回路４１への電力供給を遮断可能なようにリレー接点１１が介装されている。また、図において符号１２で示すのは上記リレー１１のソレノイド、符号１３は自己保持回路を形成するサイリスタをそれぞれ示している。そして、本実施形態では、上記サイリスタ１３のゲート端子に、上記フォトダイオード８２の受光部を構成するフォトトランジスタ８０３が接続されている。なお、図中に示す直流電源Ｖccは、電源回路４１とは無関係にリレー接点１１の上流側（交流電源１０側）で生成された電源を示している。

以上のように構成された本実施形態の給湯システムでは、上記リレー接点１１は通常時には閉じられている（つまり、電源回路４１には交流電源１０から電力が供給されている）が、過電流検出回路７で過電流が検出され、負荷電流フィードバック手段８のフォトダイオード８２が点灯すると、フォトトランジスタ８０３がオンとなって上記サイリスタ１３がオンし、これに伴ってリレー接点１１が開放される。つまり、過電流検出回路７により過電流が検出されると、リレー接点１１が開放されるため、電源回路１１への入力電力が遮断され、これにより電源回路４１から制御基板５への電力供給が遮断される。

なお、本実施形態では、上記電源入力遮断手段として電源回路４１の電源入力側にリレー接点１１等のリレー回路を新たに設ける構成を示したが、このリレー接点１１は電源回路４１の前段にあればよく、たとえば、給湯装置に内蔵され、漏電を検出した場合に作動する漏電ブレーカのリレー接点を電源入力遮断手段として用いることも可能である。

また、本実施形態では、上記電源回路４１の出力を停止させるための構成（電源出力停止手段）として、電源回路４１への電源入力を遮断する構成を採用したが、たとえば上記電源制御部４０１の制御によって電源回路４１の電源出力を停止させるように構成することも可能である。

なお、上述した実施形態１および２は、あくまでも本発明の好適な実施態様を示すものであって、本発明はこれらに限定されることなくその範囲内で種々の設計変更が可能である。

たとえば、上述した実施形態では、上記電流制限手段４０１ｂの出力電流対出力電圧特性がいわゆるフの字特性である場合を示したが、この電流制限手段４０１ｂの出力電流対出力電圧特性はこれに限定されるものではなく、たとえばヘの字特性など適宜変更可能である。

また、上述した実施形態では、本発明の電源制御システムを給湯システムに適用した場合を示したが、本発明は、給湯システム以外のものにも適用可能である。殊に、上述した実施形態のように、本体装置（給湯装置）と、この本体装置から２芯の接続線を介して電力供給を受ける端末装置（リモコン）とでシステムが構成され、これらの間で上記２芯の接続線に通信信号を重畳させて通信可能に構成したものであれば、本発明を適用するのに適している。

また、上述した実施形態では、電源基板４と制御基板（負荷回路基板）５とを別基板とした場合を示したが、これらを一枚の基板で構成することも可能であり、また、負荷回路のうち通信回路５２にのみ過電流検出回路７を設けた場合を示したが、他の負荷回路５ｘにも過電流検出回路７を設けることも可能である。

さらに、上述した実施形態では、過電流検出回路７において過電流検出用の抵抗７０１を電源ラインのローサイドに設ける構成を示したが、電源ラインのハイサイドに設けることも可能である。

また、上述した実施形態ではケーブル接続端子５０１，５０２にはリモコン２が１台接続される場合を示したが、このケーブル接続端子５０１，５０２には、複数のリモコン２，２，…が並列に接続されてもよい。また、上述した実施形態では、ケーブル接続端子５０１，５０２にリモコン２を接続する場合を示したが、このケーブル接続端子５０１，５０２には、リモコン以外の他の端末装置（すなわち、本体装置に接続され、本体装置の電源手段から電力供給を受けるとともに、本体装置の制御回路との間で通信を行うことで所定の機能を果たす装置）が接続されてもよい。

本発明を適用した給湯システムの第１の実施形態における電源系統の概略構成を示す説明図である。 同給湯システムの電源回路の回路構成の一例を示すブロック図である。 同給湯システムの過電流保護特性の一例を示す出力電流対出力電圧特性図である。 同給湯システムの第１の実施形態の改変例を示す概略構成図である。 同給湯システムの第２の実施形態における電源系統の概略構成を示す説明図である。 従来の給湯システムにおける電源系統の概略構成を示す説明図である。 従来の給湯システムにおける過電流保護特性の一例を示す出力電流対出力電圧特性図である。

符号の説明

１ 給湯装置本体（本体装置）
２ リモコン（端末装置）
３ ２芯の接続線
４ 電源基板
５ 制御基板（負荷回路基板）
６ 定電圧フィードバック回路
７ 過電流検出回路（過電流検出手段）
８ 負荷電流フィードバック回路（負荷電流フィードバック手段）
４１ 電源回路（電源手段）
４０１ 電源制御部
４０１ａ 定電圧制御手段
４０１ｂ 電流制限手段
４０１ｃ 定電流制御手段
Ａ コネクタ

Claims (5)

1. 直流電力を生成する電源手段と、この電源手段の定電圧制御手段および電流制限手段と、前記電源手段から電力供給を受ける複数の負荷回路とからなり、これら負荷回路が前記電源手段に対して互いに並列に接続されるとともに、前記負荷回路のうちに電源重畳通信用の通信回路を含むものにおいて、
   少なくとも前記通信回路に負荷側の過電流を検出する過電流検出手段を設け、
   この過電流検出手段での検出結果を、負荷電流フィードバック手段を介して前記電源手段に与えるように構成した
   ことを特徴とする電源制御システム。
2. 前記電源手段に、前記負荷電流フィードバック手段からのフィードバック信号に基づいて定電流制御を行う定電流制御手段が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の電源制御システム。
3. 前記負荷電流フィードバック手段においてフィードバック信号を生成する素子として、前記定電圧制御手段において定電圧フィードバック信号生成用に用いられている素子を用いることを特徴とする請求項２に記載の電源制御システム。
4. 前記電源手段に、前記負荷電流フィードバック手段からのフィードバック信号に基づいて前記電源手段の電源出力を停止させる電源出力停止手段が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の電源制御システム。
5. 前記電源出力停止手段は、前記電源手段への電源入力を遮断するように構成されていることを特徴とする請求項４に記載の電源制御システム。

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