特開 2022-182448 Ａ／Ｄ変換システム、およびＡＤ変換装置の故障検出方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022182448

(43)【公開日】2022-12-08

(54)【発明の名称】Ａ／Ｄ変換システム、およびＡＤ変換装置の故障検出方法

(51)【国際特許分類】

   H03M 1/10 20060101AFI20221201BHJP

【ＦＩ】

H03M1/10 C

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021090010

(22)【出願日】2021-05-28

(71)【出願人】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(71)【出願人】

【識別番号】317015294

【氏名又は名称】東芝エネルギーシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001634

【氏名又は名称】弁理士法人志賀国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】板垣 大樹

(72)【発明者】

【氏名】前原 宏之

【テーマコード（参考）】

5J022

【Ｆターム（参考）】

5J022AA01

5J022AC04

5J022BA06

(57)【要約】

【課題】各系統へ電源電圧を供給する内部電源を共通としつつ、当該内部電源が故障した場合に確実に故障を検出することができる、Ａ／Ｄ変換システム、およびＡＤ変換装置の故障検出方法を提供すること。
【解決手段】１つのアナログ入力に対して並列に設けられた複数のＡ／Ｄ変換器と、前記複数のＡ／Ｄ変換器に共通に設けられた電源と、前記電源から前記複数のＡ／Ｄ変換器のそれぞれに印加される電圧を異ならせる電圧調整部と、前記複数のＡ／Ｄ変換器による出力結果に基づいて、前記電源の故障を検出する故障検出部と、を備える、Ａ／Ｄ変換システム。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

１つのアナログ入力に対して並列に設けられた複数のＡ／Ｄ変換器と、
前記複数のＡ／Ｄ変換器に共通に設けられた電源と、
前記電源から前記複数のＡ／Ｄ変換器のそれぞれに印加される電圧を異ならせる電圧調整部と、
前記複数のＡ／Ｄ変換器による出力結果に基づいて、前記電源の故障を検出する故障検出部と、を備える、
Ａ／Ｄ変換システム。

【請求項2】

前記電圧調整部は、前記複数のＡ／Ｄ変換器のうちの１つと前記電源との間に設けられるダイオードを含む、
請求項１に記載のＡ／Ｄ変換システム。

【請求項3】

前記電圧調整部は、前記複数のＡ／Ｄ変換器と前記電源との間に設けられ、かつ異なる電圧降下を有する複数のダイオードを含む、
請求項１に記載のＡ／Ｄ変換システム。

【請求項4】

前記電圧調整部は、前記複数のＡ／Ｄ変換器のうちの１つと前記電源との間に設けられるダイオード及びコンデンサを含む、
請求項１に記載のＡ／Ｄ変換システム。

【請求項5】

前記電圧調整部は、前記複数のＡ／Ｄ変換器と前記電源との間に設けられ、かつ異なる電圧降下を有する複数のダイオードと、前記複数のＡ／Ｄ変換器と前記電源との間に設けられ、かつ異なる容量を有する複数のコンデンサとを含む、
請求項１に記載のＡ／Ｄ変換システム。

【請求項6】

１つのアナログ入力に対して並列に設けられた複数のＡ／Ｄ変換器と、
前記複数のＡ／Ｄ変換器に共通に設けられた電源と、
前記電源から前記複数のＡ／Ｄ変換器のそれぞれに印加される電圧を異ならせる電圧調整部と、を備えるＡＤ変換装置の故障検出方法であって、
前記複数のＡ／Ｄ変換器による出力結果に基づいて、前記電源の故障を検出する、
ＡＤ変換装置の故障検出方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、Ａ／Ｄ変換システム、およびＡＤ変換装置の故障検出方法に関する。

【背景技術】

【0002】

逐次比較形のＡ／Ｄ変換器を適用したＡ／Ｄ変換装置において、複数のアナログ信号を入力する場合、回路規模を合理化するためマルチプレクサを用いて各入力信号を切り替え、一つのＡ／Ｄ変換器へ順次入力して変換することが一般的である。例えば、特許文献１には、電圧値が既知である監視用電圧をマルチプレクサ経由でＡ／Ｄ変換器へ入力し、Ａ／Ｄ変換器の変換結果が所定範囲にあるか否かに応じて、Ａ／Ｄ変換装置の健全性を判定する技術が記載されている。

【0003】

一方、ΔΣ形のようなオーバサンプリング型のＡ／Ｄ変換器においては、入力信号を連続してオーバサンプリングする必要が有り、マルチプレクサが適用できない場合が多い。そのため入力信号のそれぞれに対してＡ／Ｄ変換器を設けることが必須となり、監視用電圧とマルチプレクサを用いてＡ／Ｄ変換装置の健全性を確認することが困難となる。この場合には、特許文献２に記載の通り、１つの入力信号を２系統に分岐し、それぞれの系統にアナログ部およびＡ／Ｄ変換器を接続して両者のデジタル出力結果を比較することにより、Ａ／Ｄ変換装置の健全性を判断することができる。

【0004】

特許文献２に記載の技術によれば、アナログ部またはＡ／Ｄ変換器の１箇所に故障が発生した場合、その故障を検出することができる。しかしながら、両系統に電源電圧を供給する内部電源が共通である場合、当該電源の故障を検出できないという課題がある。例えば、内部電源の出力電圧が故障により徐々に低下した時、２系統の回路の動作下限電圧が同じである場合、両方のＡ／Ｄ変換器が類似した異常結果を出力することとなる。その結果、両者の出力を比較しても、電源の故障を正しく検出できない場合がある。

【0005】

この課題を解決する１つの方法として、内部電源を共通化せず、各系統にそれぞれ専用の電源を設けることが考えられるが、Ａ／Ｄ変換装置内部の電源数が倍増するので、装置コストの増大と故障率の増大という新たな課題が生じる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特許第３４４６７５５号公報

【特許文献2】特開２０００－１５１４０５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、各系統へ電源電圧を供給する内部電源を共通としつつ、当該内部電源が故障した場合に確実に故障を検出することができる、Ａ／Ｄ変換システム、およびＡＤ変換装置の故障検出方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

実施形態のＡ／Ｄ変換システムは、複数のＡ／Ｄ変換器と、電源と、電圧調整部と、故障検出部とを持つ。複数のＡ／Ｄ変換器は、１つのアナログ入力に対して並列に設けられる。電源は、複数のＡ／Ｄ変換器に共通に設けられる。電圧調整部は、電源から複数のＡ／Ｄ変換器のそれぞれに印加される電圧を異ならせる。故障検出部は、複数のＡ／Ｄ変換器による出力結果に基づいて、電源の故障を検出する。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】第１実施形態に係るＡ／Ｄ変換システム１の構成の一例を示す図である。

【図2】第１実施形態における、電源３０が故障した際に第１系統に供給される電源電圧と第２系統に供給される電源電圧の時間的推移の一例を示す図である。

【図3】第１実施形態の変形例に係るＡ／Ｄ変換システム１の構成の一例を示す図である。

【図4】第２実施形態に係るＡ／Ｄ変換システム２の構成の一例を示す図である。

【図5】第２実施形態における、電源３０が故障した際に第１系統に供給される電源電圧と第２系統に供給される電源電圧の時間的推移の一例を示す図である。

【図6】第２実施形態の変形例に係るＡ／Ｄ変換システム２の構成の一例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、実施形態のＡ／Ｄ変換システム、およびＡＤ変換装置の故障検出方法を、図面を参照して説明する。

【0011】

＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態に係るＡ／Ｄ変換システム１の構成の一例を示す図である。図１に示す通り、Ａ／Ｄ変換システム１は、アナログ回路１０－１及び１０－２（以下、「アナログ回路１０」と総称する場合がある）と、ＡＤ変換器２０－１及び２０－２（以下、「ＡＤ変換器２０」と総称する場合がある）と、電源３０と、ダイオード４０と、故障検出器５０と、を備える。以下、アナログ回路１０－１とＡＤ変換器２０－１との組み合わせを「第１系統」と称する場合があり、アナログ回路１０－２とＡＤ変換器２０－２との組み合わせを「第２系統」と称する場合がある。図１において、点線は信号線を示し、実線は電圧の供給線を示す。すなわち、第１系統と第２系統とは、１つのアナログ信号の入力に対して並列に設けられた複数のＡ／Ｄ変換器として機能するものである。

【0012】

アナログ回路１０は、例えば、増幅回路であり、入力したアナログ信号を増幅する。アナログ回路１０は、増幅したアナログ信号をＡＤ変換器２０に出力する。またはフィルタ回路であり、不要な周波数成分を除去したアナログ信号を出力する。

【0013】

ＡＤ変換器２０は、例えば、ΔΣ形のＡＤ変換器であり、ＡＤ変換器２０から出力されたアナログ信号をデジタル信号に変換する。ＡＤ変換器２０は、変換したデジタル信号を外部に出力すると同時に、故障検出器５０にも出力する。なお、本実施形態において、ＡＤ変換器２０の動作下限電圧は３Ｖであるものとする。

【0014】

電源３０は、アナログ回路１０及びＡＤ変換器２０に電源電圧を供給する内部電源である。すなわち、電源３０は、第１系統のアナログ回路１０－１及びＡＤ変換器２０－１と、第２系統のアナログ回路１０－２及びＡＤ変換器２０－２の双方に共通して電源電圧を供給する。本実施形態において、電源３０は、アナログ回路１０及びＡＤ変換器２０に５Ｖの電源電圧を供給するものとする。また、本実施形態において、アナログ回路１０は増幅回路であるため、電源３０はアナログ回路１０に電源電圧を供給しているが、アナログ回路１０が増幅回路ではない場合、アナログ回路１０の構成によっては、電源３０は、アナログ回路１０に電源電圧を供給しなくともよい。

【0015】

ダイオード４０は、例えば、ｐｎ接合ダイオードであり、アナログ回路１０－２及びＡＤ変換器２０－２と電源３０との間に設けられる。すなわち、ダイオード４０は、図１に示す通り、電源３０からアナログ回路１０－２及びＡＤ変換器２０－２の方向にのみ電流を流し、逆方向の電流を阻害する（整流する）。ダイオード４０は、所定の電圧降下を有するため、電源３０からダイオード４０を介して第２系統に供給される電源電圧は、電源３０から第１系統に供給される電源電圧よりも小さい値を取る。本実施形態において、電源３０の正常時に電源３０から第１系統に供給される電源電圧は５Ｖであり、電源３０から第２系統に供給される電源電圧は４．３Ｖであるものとする。ダイオード４０は、「電圧調整部」の一例である。

【0016】

故障検出器５０は、例えば、プログラムを実行するＣＰＵ又はＩＣなどの専用回路であり、ＡＤ変換器２０－１から出力されたデジタル信号と、ＡＤ変換器２０－２から出力されたデジタル信号とに基づいて、電源３０の故障を検出する。より具体的には、故障検出器５０は、ＡＤ変換器２０－１から出力されたデジタル信号とＡＤ変換器２０－２から出力されたデジタル信号とを比較し、二つのデジタル信号の差分が所定範囲外にあるときに、電源３０が故障したと判定する。

【0017】

上述した通り、電源３０の正常時には、電源３０から第１系統に５Ｖの電源電圧が供給され、電源３０から第２系統に４．３Ｖの電源電圧が供給され、これらの電源電圧はいずれもＡＤ変換器２０の動作下限電圧である３Ｖを上回っているため、ＡＤ変換器２０－１が出力するデジタル信号と、ＡＤ変換器２０－２が出力するデジタル信号は略同一となる。そのため、故障検出器５０は、二つのデジタル信号の差分は所定範囲内にあると判定し、電源３０は正常であると判定する。

【0018】

一方、電源３０が故障し、電源３０が供給する電源電圧が徐々に低下した場合、ある時点において、電源３０から第１系統に供給される電源電圧は３Ｖを上回ると同時に、電源３０から第２系統に供給される電源電圧は３Ｖを下回る。このとき、アナログ回路１０－２及びＡＤ変換器２０－２は正常な動作が不可能となり、ＡＤ変換器２０－２が出力するデジタル信号は、ＡＤ変換器２０－１が出力するデジタル信号（すなわち、本来出力されるべきデジタル信号）とは異なるものとなる。すなわち、故障検出器５０は、二つのデジタル信号の差分が所定範囲外にあると判定し、電源３０の故障を検知する。

【0019】

図２は、第１実施形態における、電源３０が故障した際に第１系統に供給される電源電圧と第２系統に供給される電源電圧の時間的推移の一例を示す図である。図２において、太い実線は、電源３０から第１系統に供給される電源電圧を示し、細い実線は、電源３０から第２系統に供給される電源電圧を示す。時点ｔ１において、電源３０が故障した場合、第１系統に供給される電源電圧と第２系統に供給される電源電圧の双方が徐々に低下するが、ＡＤ変換器２０の動作下限電圧は３Ｖであるため、ＡＤ変換器２０－１が出力するデジタル信号と、ＡＤ変換器２０－２が出力するデジタル信号はいずれも正常となり、故障検出器５０は、電源３０が正常であると判定する。

【0020】

その後、時点ｔ２において、電源３０から第２系統に供給される電源電圧は３Ｖに到達し、それ以降は、３Ｖを下回る。一方、時点ｔ２において、電源３０から第１系統に供給される電源電圧は３Ｖ以上であり、時点ｔ３に到達するまでは３Ｖ以上を維持する。そのため、時点ｔ２と時点ｔ３の間の時間区間において、ＡＤ変換器２０－１が出力するデジタル信号とＡＤ変換器２０－２が出力するデジタル信号とは乖離し、故障検出器５０は、電源３０の故障を検知することができる。

【0021】

なお、図２は、第１系統に供給される電源電圧と第２系統に供給される電源電圧が、電源３０の故障に起因して、線形かつ同一の傾きで低下する例を示しているが、本実施形態はこのような例に限定されない。少なくとも、第２系統に供給される電源電圧が、第１系統に供給される電源電圧よりも先に動作下限電圧を下回る場合であれば、本実施形態の構成により、電源３０の故障を検出することができる。

【0022】

以上の通り説明した第１実施形態の構成により、ＡＤ変換器２０がΔΣ形のＡＤ変換器であることに起因してマルチプレクサが適用できない場合であっても、Ａ／Ｄ変換システム１がダイオード４０を備えることによって、少ない部品点数かつ低コストで電源３０の故障を検出することができる。

【0023】

＜第１実施形態の変形例＞
図３は、第１実施形態の変形例に係るＡ／Ｄ変換システム１の構成の一例を示す図である。図１で示した構成とは異なり、本変形例に係るＡ／Ｄ変換システム１では、ダイオード４０－１が、アナログ回路１０－１及びＡＤ変換器２０－１と電源３０との間に設けられ、ダイオード４０－２が、アナログ回路１０－２及びＡＤ変換器２０－２と電源３０との間に設けられる。

【0024】

ダイオード４０－１とダイオード４０－２は、それぞれ第１系統と第２系統に供給される電源電圧が３Ｖ以上となる範囲内で、異なる電圧降下を有するものとする。これにより、第１実施形態と同様に、第１系統に供給される電源電圧と第２系統に供給される電源電圧は異なり、電源３０が故障した際には、第１系統に供給される電源電圧と第２系統に供給される電源電圧のいずれか一方が先に３Ｖを下回ることによって、故障検出器５０は、電源３０の故障を検出することができる。

【0025】

＜第２実施形態＞
第１実施形態では、電源３０の故障が発生した際に、第２系統に供給される電源電圧が、第１系統に供給される電源電圧よりも先に動作下限電圧を下回ることに基づいて、電源３０の故障を検出している。しかしながら、電源３０の故障により、例えば、電源３０が０Ｖにショートした場合、第１系統に供給される電源電圧と第２系統に供給される電源電圧は、同時に動作下限電圧を下回ることになるため、その場合、第１実施形態の構成では、電源３０の故障を検出することができない。第２実施形態は、このような状況においても、電源３０の故障を検出することを可能にさせるものである。

【0026】

図４は、第２実施形態に係るＡ／Ｄ変換システム２の構成の一例を示す図である。図４に示す通り、Ａ／Ｄ変換システム２は、アナログ回路１０－１及び１０－２と、ＡＤ変換器２０－１及び２０－２と、電源３０と、ダイオード４０と、コンデンサ４２と、故障検出器５０と、を備える。アナログ回路１０－１及び１０－２と、ＡＤ変換器２０－１及び２０－２と、電源３０と、ダイオード４０と、故障検出器５０の構成は第１実施形態の構成と同様であるため、説明を省略する。

【0027】

コンデンサ４２は、アナログ回路１０－２及びＡＤ変換器２０－２とダイオード４０との間に設けられ、電源３０から第２系統に供給される電源電圧により充電する。すなわち、図４において、電源３０から第２系統には４．３Ｖの電源電圧が供給されるため、コンデンサ４２は、４．３Ｖに相当する電荷を蓄積する。

【0028】

コンデンサ４２の充電が完了した後に、電源３０が故障により０Ｖにショートした場合、電源３０から第１系統に供給される電圧は０Ｖとなる一方、コンデンサ４２からは第２系統に４．３Ｖの電圧が供給される。これにより、ＡＤ変換器２０－１が出力するデジタル信号には異常が発生する一方、ＡＤ変換器２０－２が出力するデジタル信号は、コンデンサ４２から供給される電圧が３Ｖ以上である限り、正常のままとなる。そのため、故障検出器５０は、二つのデジタル信号の差分が所定範囲外にあると判定し、電源３０の故障を検出することができる。

【0029】

電源３０の故障により、電源３０から供給される電源電圧が徐々に低下する場合は、第１実施形態と同様の仕組みにより、故障検出器５０は、電源３０の故障を検出することができる。すなわち、第１系統に供給される電源電圧が、第２系統に供給される電源電圧よりも先に３Ｖを下回ることにより、故障検出器５０は、二つのデジタル信号の差分が所定範囲外にあると判定し、電源３０の故障を検出することができる。

【0030】

図５は、第２実施形態における、電源３０が故障した際に第１系統に供給される電源電圧と第２系統に供給される電源電圧の時間的推移の一例を示す図である。図５において、太い実線は、電源３０から第１系統に供給される電源電圧を示し、細い実線は、電源３０から第２系統に供給される電源電圧を示す。時点ｔ１において、電源３０が故障により０Ｖにショートした場合、電源３０から第１系統に供給される電源電圧は０Ｖとなり動作下限電圧である３Ｖを下回る一方、コンデンサ４２から第２系統に供給される電源電圧は４．３から徐々に低下し、時点ｔ２において３Ｖを下回る。そのため、時点ｔ１と時点ｔ２の間の時間区間において、ＡＤ変換器２０－１が出力するデジタル信号とＡＤ変換器２０－２が出力するデジタル信号とは乖離し、故障検出器５０は、電源３０が故障したと判定することができる。

【0031】

以上の通り説明した第２実施形態の構成により、電源３０の故障により、電源３０から供給される電源電圧が徐々に低下する場合と、電源３０が０Ｖにショートする場合の双方において、電源３０の故障を検出することができる。さらに、ＡＤ変換器２０がΔΣ形のＡＤ変換器であることに起因してマルチプレクサが適用できない場合であっても、Ａ／Ｄ変換システム２がダイオード４０とコンデンサ４２を備えることによって、少ない部品点数かつ低コストで電源３０の故障を検出することができる。

【0032】

＜第２実施形態の変形例＞
図６は、第２実施形態の変形例に係るＡ／Ｄ変換システム２の構成の一例を示す図である。図４で示した構成とは異なり、本変形例に係るＡ／Ｄ変換システム２では、ダイオード４０－１とコンデンサ４２－１が、アナログ回路１０－１及びＡＤ変換器２０－１と電源３０との間に設けられ、ダイオード４０－２とコンデンサ４２－２が、アナログ回路１０－２及びＡＤ変換器２０－２と電源３０との間に設けられる。

【0033】

ダイオード４０－１とダイオード４０－２は、それぞれ第１系統と第２系統に供給される電源電圧が３Ｖ以上となる範囲内で異なる電圧降下を有し、また、コンデンサ４２－１とコンデンサ４２－２は異なる容量を有する。これにより、第２実施形態と同様に、第１系統に供給される電源電圧と第２系統に供給される電源電圧は異なり、電源３０が故障により０Ｖにショートした場合も含めて、コンデンサ４２－１から第１系統に供給される電源電圧とコンデンサ４２－２から第２系統に供給される電源電圧のいずれか一方が先に３Ｖを下回ることによって、故障検出器５０は、電源３０の故障を検出することができる。さらに、コンデンサ４２－１とコンデンサ４２－２の容量を異ならせる、例えば、一方のコンデンサ４２の容量を他方のコンデンサ４２の容量よりも小さく設定することにより、短絡が発生した際の放電スピードの差を大きくし、電源３０の故障をより確実に検出することができる。

【0034】

以上の通り説明した各実施形態によれば、ダイオード４０を用いて、電源３０から第１系統と第２系統とに供給される電源電圧を異ならせることにより、電源３０の故障の検知を可能にさせる。すなわち、各系統へ電源電圧を供給する内部電源を共通としつつ、当該内部電源が故障した場合に確実に故障を検出することができる。

【0035】

以上、本発明を実施するための形態について実施形態を用いて説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変形及び置換を加えることができる。

【符号の説明】

【0036】

１０…アナログ回路、２０…ＡＤ変換器、３０…電源、４０…ダイオード、４２…コンデンサ、５０…故障検出器

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】