特開 2023-141944 バックアップ電源装置及びバックアップ電源装置の制御方法

(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】P2023141944

(43)【公開日】2023-10-05

(54)【発明の名称】バックアップ電源装置及びバックアップ電源装置の制御方法

(51)【国際特許分類】

   H02J 9/06 20060101AFI20230928BHJP

   H02J 1/00 20060101ALI20230928BHJP

   H02J 7/34 20060101ALI20230928BHJP

   G05F 1/56 20060101ALI20230928BHJP

【ＦＩ】

H02J9/06 110

H02J1/00 309C

H02J7/34 G

G05F1/56 310C

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022048544

(22)【出願日】2022-03-24

(71)【出願人】

【識別番号】000237721

【氏名又は名称】ＦＤＫ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002952

【氏名又は名称】弁理士法人鷲田国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】加藤 雅人

(72)【発明者】

【氏名】近田 尚章

【テーマコード（参考）】

5G015

5G165

5G503

5H430

【Ｆターム（参考）】

5G015FA10

5G015GB06

5G015HA03

5G015JA08

5G015JA32

5G015JA34

5G015JA35

5G015JA53

5G015JA55

5G015KA03

5G015KA05

5G165AA08

5G165BB02

5G165CA04

5G165DA01

5G165DA02

5G165EA02

5G165EA06

5G165HA02

5G165HA07

5G165HA16

5G165KA02

5G165LA01

5G165LA02

5G165MA10

5G165NA02

5G165NA05

5G165PA01

5G503AA01

5G503BA01

5G503BB02

5G503CA01

5G503CA11

5G503CC02

5G503DA04

5G503DA07

5G503EA06

5G503GA01

5H430BB01

5H430BB09

5H430BB11

5H430EE06

5H430FF04

5H430FF08

5H430FF13

5H430GG08

5H430HH03

(57)【要約】

【課題】構成部品点数の顕著な増加を抑制しつつ、蓄電部電圧の降圧を適応的に実行することができる、バックアップ電源装置及びバックアップ電源装置の制御方法を提供する。
【解決手段】バックアップ電源装置は、外部電源からの給電により動作する給電対象装置に対し、前記外部電源の給電状態の非常時に給電を行うバックアップ電源装置であって、蓄電部と、前記蓄電部と前記給電対象装置とを接続する経路上に配置されるシリーズレギュレータと、前記外部電源の給電状態変化及び前記蓄電部の電圧変化に伴って前記シリーズレギュレータの出力電圧を多段階に変化させる制御回路と、を備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

外部電源からの給電により動作する給電対象装置に対し、前記外部電源の給電状態の非常時に給電を行うバックアップ電源装置であって、
蓄電部と、
前記蓄電部と前記給電対象装置とを接続する経路上に配置されるシリーズレギュレータと、
前記外部電源の給電状態変化及び前記蓄電部の電圧変化に伴って前記シリーズレギュレータの出力電圧を多段階に変化させる制御回路と、
を備えるバックアップ電源装置。

【請求項2】

前記シリーズレギュレータは、前記経路上に配置される駆動素子を有し、
前記制御回路は、
通常時には、前記外部電源の電圧より低い第１定電圧を出力させ、
非常時かつ前記蓄電部の電圧が所定値を超過するときには、前記所定値以下かつ前記第１定電圧よりも高い第２定電圧を出力させ、
非常時かつ前記蓄電部の電圧が前記所定値を超過しないときには、前記蓄電部の電圧を出力させるよう、
前記駆動素子を制御する、
請求項１に記載のバックアップ電源装置。

【請求項3】

前記シリーズレギュレータは、前記経路上に配置されるトランジスタと、前記外部電源の給電状態変化及び前記蓄電部の電圧変化に伴って前記トランジスタのゲート電圧を多段階に変化させるゲート電圧調整回路と、を有する、
請求項１に記載のバックアップ電源装置。

【請求項4】

ゲート電圧調整回路は、出力側で前記トランジスタのゲートに接続され、前記ゲート電圧を制御するオペアンプと、前記出力電圧を分圧して前記オペアンプに入力する分圧回路と、を有し、
前記制御回路は、前記分圧回路の分圧比を、前記外部電源の給電状態変化に伴って変化させる、
請求項３に記載のバックアップ電源装置。

【請求項5】

前記分圧回路は、互いに直列接続され中間部に前記オペアンプが接続される第１抵抗部及び第２抵抗部を有し、
前記第１抵抗部及び前記第２抵抗部の少なくとも一方は、複数の抵抗素子と分圧抵抗制御用切替素子とを含み、
前記制御回路は、前記外部電源の給電状態が通常か非常かに応じて前記分圧抵抗制御用切替素子を制御して、前記複数の抵抗素子の合成抵抗値を変化させる、
請求項４に記載のバックアップ電源装置。

【請求項6】

前記経路上に配置された素子により出力電流を検出する電流検出回路をさらに有し、
前記制御回路は、前記電流検出回路の検出結果に基づいて前記外部電源の給電状態が通常か非常かを判定する、
請求項５に記載のバックアップ電源装置。

【請求項7】

前記ゲート電圧調整回路は、前記トランジスタのゲートとグランドとの接続状態を導通状態と非導通状態との間で切り替えて、前記トランジスタのオン抵抗を変化させるオン抵抗制御用切替素子を有し、
前記制御回路は、前記ゲートとグランドとの接続状態を、通常時には非導通状態としかつ非常時には前記蓄電部の電圧に応じて非導通状態又は導通状態のいずれかとするよう、前記オン抵抗制御用切替素子を制御する、
請求項３に記載のバックアップ電源装置。

【請求項8】

前記トランジスタは、ｐ型電界効果トランジスタであり、
前記制御回路は、前記ゲートとグランドとの接続状態を、非常時かつ前記蓄電部の電圧が所定値を超過しないときには導通状態とする、
請求項７に記載のバックアップ電源装置。

【請求項9】

外部電源からの給電により動作する給電対象装置に対し、前記外部電源の給電状態の非常時に給電を行うバックアップ電源装置の制御方法であって、
蓄電部と前記給電対象装置とを接続する経路上のシリーズレギュレータの出力電圧を、前記外部電源の給電状態変化及び前記蓄電部の電圧変化に伴って多段階に変化させる、
制御方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、バックアップ電源装置及びバックアップ電源装置の制御方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、外部電源から給電対象装置への給電が不能となる停電時等の非常時に備えて、蓄電池を有するバックアップ電源装置が給電対象装置に接続される場合がある。バックアップ電源装置は、例えば停電時等、外部電源に代わって給電対象装置に給電を行う。

【0003】

蓄電池を含む蓄電部を有する従来の電源装置として、蓄電部の電圧を給電対象装置に直接出力しないものが知られている。例えば特許文献１に記載の電源装置では、レギュレータによりバッテリ電圧を昇圧又は降圧して目標電圧を生成する。

【0004】

バックアップ電源装置の場合、例えば非停電時には、蓄電部の電圧（以下「蓄電部電圧」という）が、外部電源の電圧（以下、蓄電部電圧と区別して「電源電圧」という）よりも低い電圧まで降圧される。このようにして、非停電時には、バックアップ電源装置から出力される電圧（出力電圧）が電源電圧よりも低く保たれ、非停電時の蓄電池の使用頻度を低減させ、蓄電池の劣化を抑制する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００４－１２９３５０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

ところで、バックアップ電源装置に、例えば多数の蓄電池を設けることで大容量化された蓄電部が搭載される場合があり、このような場合は一般に、蓄電部電圧が高くなる。そして、蓄電部電圧が高くなると、電源電圧との差が拡大して、非停電時に必要な、降圧前後の電圧差（降圧量）が増大する場合がある。但し、蓄電部電圧の降圧量増大のために例えば降圧用の素子（例えばダイオード）の個数を多数設けることは、バックアップ電源装置の構成部品点数の顕著な増加につながり、装置サイズや電力ロスが増大するおそれもあるので、望ましくない。

【0007】

また、蓄電部電圧が高くなると、蓄電部電圧と給電対象装置の定格電圧との差も増大し、その結果、停電時に必要な降圧量、つまり蓄電部電圧から定格電圧までの降圧量が増大する場合がある。

【0008】

すなわち、蓄電部電圧から出力電圧への降圧を、状況の変化に対応して適応的に実行することが、求められる。

【0009】

本開示の目的は、構成部品点数の顕著な増加を抑制しつつ、蓄電部電圧の降圧を適応的に実行することができる、バックアップ電源装置及びバックアップ電源装置の制御方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本開示のバックアップ電源装置は、外部電源からの給電により動作する給電対象装置に対し、前記外部電源の給電状態の非常時に給電を行うバックアップ電源装置であって、蓄電部と、前記蓄電部と前記給電対象装置とを接続する経路上に配置されるシリーズレギュレータと、前記外部電源の給電状態変化及び前記蓄電部の電圧変化に伴って前記シリーズレギュレータの出力電圧を多段階に変化させる制御回路と、を備える。

【0011】

本開示のバックアップ電源装置の制御方法は、外部電源からの給電により動作する給電対象装置に対し、前記外部電源の給電状態の非常時に給電を行うバックアップ電源装置の制御方法であって、蓄電部と前記給電対象装置とを接続する経路上のシリーズレギュレータの出力電圧を、前記外部電源の給電状態変化及び前記蓄電部の電圧変化に伴って多段階に変化させる。

【発明の効果】

【0012】

本開示によれば、構成部品点数の顕著な増加を抑制しつつ、蓄電部電圧の降圧を適応的に実行することができる、バックアップ電源装置及びバックアップ電源装置の制御方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】図１は、実施形態に係るバックアップ電源装置を示す回路図である。

【図2】図２は、実施形態に係るバックアップ電源装置による電圧制御の一例を説明するタイミングチャートである。

【図3】図３は、実施形態に係るバックアップ電源装置の電圧制御動作の一例を示すフローチャートである。

【図4】図４は、変形例１に係るバックアップ電源装置を示す回路図である。

【図5】図５は、変形例２に係るバックアップ電源装置を示す回路図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、本開示の実施形態に係るバックアップ電源装置について、図面を参照しながら説明する。

【0015】

（回路構成）
図１は、実施形態に係るバックアップ電源装置１００を示す回路図である。バックアップ電源装置１００は、入出力端子１９１、１９２を介して外部電源１及び給電対象装置２と電気的に接続している。外部電源１は、例えば、商用の交流電力を直流電力に変換して出力する装置である。外部電源１は、給電対象装置に電力を供給する。給電対象装置２は、給電を受けて動作する装置である。給電対象装置２は、例えば、サーバ装置であってもよい。

【0016】

バックアップ電源装置１００は、外部電源１の給電状態の非常時に、典型的には停電時に、給電対象装置２に給電を行う電源装置である。

【0017】

バックアップ電源装置１００は、蓄電部１１０、シリーズレギュレータ１３０、及び、制御回路１４０を備えている。制御回路１４０は、蓄電部１１０の電圧、及び、外部電源１の給電状態の変化に基づいて、シリーズレギュレータ１３０の出力電圧を多段階に制御する。

【0018】

蓄電部１１０は、電力供給経路ＰＬを介して入出力端子１９１、１９２に接続されている。電力供給経路ＰＬは、蓄電部１１０に蓄電されている電力を給電対象装置２に供給する供給路である。

【0019】

蓄電部１１０は、蓄電池１１１を備えている。本実施形態では、図１に例示するように、蓄電部１１０は、１つの蓄電池１１１を備えている。よって、本実施形態では、蓄電部電圧は、蓄電池１１１の電圧と等価である。なお、蓄電部１１０は、蓄電池１１１を複数個備えていてもよい。例えば、蓄電部１１０は、直列接続された１０個の蓄電池１１１を備えていてもよい。蓄電部１１０が蓄電池１１１を複数個備えている場合、蓄電部電圧は、複数の蓄電池１１１の合成電圧に相当する。

【0020】

蓄電池１１１は、例えば、ニッケル水素蓄電池及びリチウムイオン蓄電池などの二次電池である。

【0021】

バックアップ電源装置１００は、電流検出回路１２０を備えている。電流検出回路１２０は、電力供給経路ＰＬを流れる電流を測定することで、バックアップ電源装置１００の出力電流を検出し、検出結果を制御回路１４０に出力する。

【0022】

電流検出回路１２０は、例えば、抵抗素子１２１及びオペアンプ１２２を備えている。抵抗素子１２１は、電力供給経路ＰＬ上に配置されている。抵抗素子１２１の両端の電圧がオペアンプ１２２の２つの入力端子それぞれに入力されると、オペアンプ１２２は電圧差に基づく信号を制御回路１４０に出力する。

【0023】

シリーズレギュレータ１３０は、電力供給経路ＰＬ上に配置されており、蓄電部電圧の入力を受け、制御回路１４０による制御の下、出力電圧として所定の電圧を出力する。本実施形態では、シリーズレギュレータ１３０の出力電圧は、給電対象装置２に出力されるので、バックアップ電源装置１００の出力電圧と同じものを指す。

【0024】

シリーズレギュレータ１３０は、駆動素子１３１及びゲート電圧調整回路１３２を備えている。

【0025】

駆動素子１３１は、トランジスタである。図１には、駆動素子１３１が、ｐ型電界効果トランジスタ（Field Effect Transistor:FET）であることが示されている。駆動素子１３１は、電力供給経路ＰＬ上に配置されており、オン抵抗に応じて出力電圧が変化する。

【0026】

ゲート電圧調整回路１３２は、制御回路１４０の制御の下、駆動素子１３１のゲート電圧を多段階に変化させる。このゲート電圧の変化により、駆動素子１３１のオン抵抗が変化する。

【0027】

ゲート電圧調整回路１３２は、分圧回路１３３、基準電源１３７、切替素子１５０、オペアンプ１６０、及び、切替素子１７０を備えている。

【0028】

分圧回路１３３は、駆動素子１３１のドレイン側からフィードバックされた出力電圧を分圧してオペアンプ１６０に入力する回路であり、抵抗素子１３４～１３６を備えている。

【0029】

抵抗素子１３４は、駆動素子１３１のドレイン側からオペアンプ１６０の非反転入力端子に対するフィードバック経路上に配置されている。本実施形態では、１つの抵抗素子１３４で第１抵抗部を構成する。

【0030】

抵抗素子１３５は、抵抗素子１３４と直列接続されており、オペアンプ１６０の非反転入力端子及びグランドに接続されている。なお、抵抗素子１３４及び抵抗素子１３５の中間部がオペアンプ１６０の非反転入力端子に接続されている。

【0031】

抵抗素子１３６は、抵抗素子１３５と並列に接続されている。また、抵抗素子１３６は、切替素子１５０を介してグランドに接続するとともに、オペアンプ１６０の非反転入力端子に接続されている。本実施形態では、抵抗素子１３５及び抵抗素子１３６で第２抵抗部を構成する。

【0032】

基準電源１３７は、出力電圧の制御を行う上での基準電圧を、オペアンプ１６０の反転入力端子に出力する電源である。基準電圧は、給電対象装置２の定格電圧、及び、外部電源１の電圧等に応じて決定される。

【0033】

本実施形態では、図１に例示するように、切替素子１５０は、ｎ型電界効果トランジスタ（Field Effect Transistor:FET）である。切替素子１５０は、ソースが抵抗素子１３６、ドレインがグランド、及び、ゲートが制御回路１４０にそれぞれ接続されている。切替素子１５０のゲートに電圧が印加されると、それに基づくゲートドレイン間電圧Ｖｇｄに起因して切替素子１５０が非導通状態から導通状態に変化する。

【0034】

切替素子１５０が非導通状態と導通状態との間で切り替えられることで、抵抗素子１３５と抵抗素子１３６との合成抵抗値（以下、単に「合成抵抗値」ということもある）が変化する。合成抵抗値の変化に伴い、分圧回路１３３の分圧比が変化する。その結果、オペアンプ１６０の非反転入力端子に入力される電圧が変化する。

【0035】

オペアンプ１６０は、反転入力端子及び非反転入力端子に入力された電圧の電圧差に基づく電圧を出力する。オペアンプ１６０の出力端子は、駆動素子１３１のゲートに接続されている。なお、オペアンプ１６０の出力端子と駆動素子１３１のゲートと間に抵抗素子１８４が配置されていてもよい。

【0036】

本実施形態では、図１に例示するように、切替素子１７０は、ｎ型電界効果トランジスタである。切替素子１７０は、ソースが駆動素子１３１のゲート、ドレインがグランド、及び、ゲートが制御回路１４０にそれぞれ接続されている。切替素子１７０のゲートに電圧が印加されると、それに基づくゲートドレイン間電圧Ｖｇｄに起因して切替素子１７０が非導通状態から導通状態に変化する。

【0037】

切替素子１７０が非導通状態と導通状態との間で切り替わることで、駆動素子１３１のゲートのグランドに対する非接続及び接続が切り替わる。駆動素子１３１のゲートがグランドに接続されると、駆動素子１３１のゲートソース間電圧Ｖｇｓが極めて大きくなり、その結果、駆動素子１３１のオン抵抗が極めて小さくなる。

【0038】

なお、駆動素子１３１のソースとゲートとの間に抵抗素子１８５が配置されていてもよい。

【0039】

制御回路１４０は、電流検出回路１２０からの信号に基づいて、外部電源１の給電状態を判定する。また、制御回路１４０は、蓄電部電圧を検出する。そして、制御回路１４０は、外部電源１の給電状態の変化及び蓄電部電圧に基づいて、切替素子１５０、１７０を、導通状態と非導通状態との間で切り替える。

【0040】

（出力電圧制御）
以下、バックアップ電源装置１００の出力電圧制御について説明する。ここでは一例として、電源電圧Ｖｄが１２Ｖ、給電対象装置２の定格電圧Ｖｓが１４Ｖ、及び、バックアップ電源装置１００が充電率１００％のときの蓄電部電圧Ｖｕの最大値ＶＭが１４．５Ｖであると仮定する。なお、電源電圧Ｖｄの一例として挙げた１２Ｖは外部電源１の仕様に基づく固定値である。停電状態となれば外部電源１から出力される電圧がほぼ０Ｖとなり又は１２Ｖから著しく低下することは、言うまでもない。

【0041】

図２は、バックアップ電源装置１００による電圧制御を説明するタイミングチャートである。実線は蓄電部電圧Ｖｕの変化、一点鎖線（太線）は駆動素子１３１のゲート電圧Ｖｇの変化、破線（太線）は出力電圧Ｖｏｕｔの変化をそれぞれ示している。

【0042】

通常時、すなわち、非停電時、外部電源１は電源電圧Ｖｄで給電対象装置２に給電を行っている。バックアップ電源装置１００が充電率１００％である場合、蓄電部電圧Ｖｕは１４．５Ｖ（最大値ＶＭ）であり、電源電圧Ｖｄ（１２Ｖ）よりも高い。このため、制御回路１４０は、出力電圧Ｖｏｕｔを電源電圧Ｖｄ未満に制御する。出力電圧Ｖｏｕｔが電源電圧Ｖｄ未満とされるため、バックアップ電源装置１００から電流は出力されない。すなわち、非停電時、出力電流Ｉｏｕｔはほぼ０Ａである。

【0043】

具体的には、制御回路１４０は、例えば、切替素子１５０を非導通状態にする。オペアンプ１６０の非反転入力端子及び反転入力端子には、それぞれ、分圧回路１３３の分圧比に基づく電圧、及び、基準電源１３７からの基準電圧がそれぞれ入力される。そして、オペアンプ１６０は、分圧回路１３３の分圧比に基づく電圧と基準電圧との差に基づく電圧を出力する。オペアンプ１６０の出力電圧は、抵抗素子１８４を通して駆動素子１３１のゲートに入力される。ちなみに、非停電時、制御回路１４０は、切替素子１７０を常時、非導通状態にする。切替素子１７０が導通状態となるとオペアンプ１６０から駆動素子１３１にゲート電圧が印加されなくなるからである。

【0044】

このゲート電圧により、駆動素子１３１による導通状態が制御されている。ここで説明する出力電圧制御の一例では、出力電圧Ｖｏｕｔは、電源電圧Ｖｄ未満の一定電圧値Ｖ１（例えば、１１Ｖ）に制御されている（図２を参照）。

【0045】

その後、時刻Ｔ１に、外部電源１の停電が発生すると、外部電源１からの出力電圧がほぼ０Ｖとなり又は１２Ｖから著しく低下して、出力電圧Ｖｏｕｔとの大小関係が逆転するため、出力電流Ｉｏｕｔが電力供給経路ＰＬを流れ始める。なお、出力電流Ｉｏｕｔが増加し始まると、蓄電部電圧Ｖｕが最大値ＶＭから低下し始まる。さらに、蓄電部電圧Ｖｕの低下に伴い、ゲート電圧Ｖｇが低下する。

【0046】

そして、時刻Ｔ２で、出力電流Ｉｏｕｔが閾値Ｉｔｈに達し、制御回路１４０は、外部電源１の給電状態が非常状態、つまり、停電状態であると判定する。閾値Ｉｔｈは、例えば、バックアップ電源装置１００から給電対象装置２に給電が行われるときの最大電流値未満、かつ、０Ａよりも高い値である。このとき、蓄電部１１０から給電対象装置２に給電を行うために、制御回路１４０は、出力電圧Ｖｏｕｔを、定格電圧Ｖｓを超えない程度に大きくする。

【0047】

具体的には、制御回路１４０は、例えば、切替素子１５０を非導通状態から導通状態に切り替える。切替素子１５０が非導通状態から導通状態に切り替わることで、抵抗素子１３５及び抵抗素子１３６の合成抵抗値が変化する。それに伴い、分圧回路１３３における分圧比が変化し、オペアンプ１６０の非反転入力端子に入力される電圧が変化する。その結果、オペアンプ１６０から出力される電圧が変化するので、駆動素子１３１のゲート電圧Ｖｇが段階的に低下する。

【0048】

ゲート電圧Ｖｇの低下に伴い、駆動素子１３１の導通状態が変化する。具体的には、駆動素子１３１のオン抵抗が小さくなる。よって、出力電圧Ｖｏｕｔが定格電圧Ｖｓ以下の一定電圧値Ｖ２（例えば、１３．６Ｖ）に増加し、維持される。なお、一定電圧値Ｖ２は、定格電圧Ｖｓ以下かつ一定電圧値Ｖ１よりも高ければよく、例えば、定格電圧Ｖｓと同じ値（１４Ｖ）であってもよい。

【0049】

これにより、定格電圧Ｖｓを超えない程度の電圧で定電圧制御されるとともに、バックアップ電源装置１００から給電対象装置２に対する給電が開始される。

【0050】

なお、時刻Ｔ２において、制御回路１４０は、切替素子１５０の非導通状態と導通状態との切り替えを行うこと以外の手法で、切替素子１５０のオン抵抗を変化させてもよい。切替素子１５０のオン抵抗が変化すると、抵抗素子１３５及び抵抗素子１３６の合成抵抗値が変化し、分圧回路１３３の分圧比が変化する。その結果、オペアンプ１６０の非反転入力端子に対して入力される電圧が変化する。

【0051】

時刻Ｔ２以降、給電対象装置２に対する給電に伴い、蓄電部電圧Ｖｕは次第に低下する。また、蓄電部電圧Ｖｕの低下に伴い、駆動素子１３１のゲート電圧Ｖｇも次第に低下する。

【0052】

時刻Ｔ３に、蓄電部電圧Ｖｕが定格電圧Ｖｓとなる。すなわち、蓄電部電圧Ｖｕを出力電圧Ｖｏｕｔとして出力したとしても、出力電圧Ｖｏｕｔが定格電圧Ｖｓを超えることがない状況となる。このとき、制御回路１４０は、蓄電部電圧Ｖｕを直接出力電圧Ｖｏｕｔとして出力するように、切替素子１７０を制御する。

【0053】

具体的には、制御回路１４０は、切替素子１７０を非導通状態から導通状態に切り替える。これにより、駆動素子１３１のゲートがグランドに接続するようになる。すなわち、駆動素子１３１のゲート電圧Ｖｇが０Ｖになる。よって、駆動素子１３１のゲートソース間電圧Ｖｇｓが蓄電部電圧Ｖｕと一致する。

【0054】

ゲートソース間電圧Ｖｇｓが大きいほど、駆動素子１３１のオン抵抗が小さくなるので、駆動素子１３１のゲート電圧Ｖｇが０Ｖとなることで、駆動素子１３１のオン抵抗が極めて小さい値となる。すなわち、駆動素子１３１のソースドレイン間を導通する電流が大きくなる。よって、蓄電部電圧Ｖｕが直接的に出力電圧Ｖｏｕｔとしてシリーズレギュレータ１３０から出力されるようになる。

【0055】

図３は、バックアップ電源装置１００の出力電圧制御動作を示すフローチャートの一例である。

【0056】

まず、ステップＳ１において、制御回路１４０は、バックアップ電源装置１００が外部電源１及び給電対象装置２に接続されたか否かを判定する。バックアップ電源装置１００が外部電源１及び給電対象装置２に接続されていない場合（ステップＳ１の“ＮＯ”）、出力電圧制御動作が終了する。バックアップ電源装置１００が外部電源１及び給電対象装置２に接続されている場合（ステップＳ１の“ＹＥＳ”）、ステップＳ２に遷移する。

【0057】

ステップＳ２において、制御回路１４０は、電流検出回路１２０からの信号に基づいて、外部電源１の給電状態が非常であるか否かを判定する。例えば、電流検出回路１２０は、電流検出回路１２０からの信号を出力電流Ｉｏｕｔに読み替え、出力電流Ｉｏｕｔと閾値Ｉｔｈとを比較する。そして、制御回路１４０は、出力電流Ｉｏｕｔが閾値Ｉｔｈ以下であった場合、給電状態が正常であると判定し、出力電流Ｉｏｕｔが閾値Ｉｔｈを超過したしている場合、給電状態が非常であると判定する。

【0058】

給電状態が正常である場合（ステップＳ２の“ＮＯ”）、ステップＳ７に遷移して、制御回路１４０は、出力電圧Ｖｏｕｔを電源電圧Ｖｄ未満に制御する。具体的には、制御回路１４０は、切替素子１５０を非導通状態とする。より具体的には、制御回路１４０は、切替素子１５０が元々導通状態であれば非導通状態に切り替え、切替素子１５０が元々非導通状態であればその非導通状態を維持する。よって、切替素子１５０が非導通状態のときの合成抵抗値と抵抗素子１３４との分圧比に基づく電圧がオペアンプ１６０の非反転入力端子に入力される。オペアンプ１６０は、分圧比に基づく電圧と基準電圧との差に基づく電圧を出力する。当該電圧は、抵抗素子１８４を通して、駆動素子１３１のゲートに入力される。ゲートに入力される電圧に基づいて、駆動素子１３１のオン抵抗が決まり、ひいては、シリーズレギュレータ１３０の出力電圧が決まる。例えば、出力電圧は、一定電圧値Ｖ１に定電圧制御される（図２の時刻Ｔ１より前の時刻）。

【0059】

なお、給電状態が正常である場合（ステップＳ２の“ＮＯ”）、制御回路１４０は、切替素子１７０を常時、非導通状態とする。但し、制御回路１４０は、給電状態が正常であるとともに、蓄電部電圧Ｖｕが電源電圧Ｖｄ未満であることを検出した場合に限り、切替素子１７０を非導通状態から導通状態に切り替えて、駆動素子１３１のゲートをグランドに接続させてもよい。すなわち、制御回路１４０は、蓄電部電圧Ｖｕを出力電圧Ｖｏｕｔとして出力させてもよい。

【0060】

その後、ステップＳ８において、制御回路１４０は、バックアップ電源装置１００と外部電源１及び給電対象装置２との接続が解除されたか否かを判定する。バックアップ電源装置１００と外部電源１及び給電対象装置２との接続が解除された場合（ステップＳ８の“ＹＥＳ”）、出力電圧制御動作が終了する。バックアップ電源装置１００と外部電源１及び給電対象装置２とが接続されている場合（ステップＳ８の“ＮＯ”）、ステップＳ２に遷移する。

【0061】

給電状態が非常である場合（ステップＳ２の“ＹＥＳ”）、ステップＳ３において、制御回路１４０は、蓄電部電圧Ｖｕが所定値を超過しているか否かを判定する。ここで、所定値とは、給電対象装置２の定格電圧Ｖｓである。

【0062】

蓄電部電圧Ｖｕが所定値を超過している場合（ステップＳ３の“ＹＥＳ”）、ステップＳ４に遷移して、制御回路１４０は、出力電圧Ｖｏｕｔを所定値以下の一定電圧値Ｖ２に定電圧制御を行う。具体的には、制御回路１４０は、切替素子１５０を非導通状態から導通状態に変化させて、合成抵抗値を変化させる（図２の時刻Ｔ２における制御）。切替素子１５０が元々導通状態にある場合は、制御回路１４０その導通状態を維持する。

【0063】

次いで、ステップＳ５において、制御回路１４０は、バックアップ電源装置１００と外部電源１及び給電対象装置２との接続が解除されたか否かを判定する。バックアップ電源装置１００と外部電源１及び給電対象装置２との接続が解除された場合（ステップＳ５の“ＹＥＳ”）、出力電圧制御動作が終了する。バックアップ電源装置１００と外部電源１及び給電対象装置２とが接続されている場合（ステップＳ５の“ＮＯ”）、ステップＳ２に遷移する。

【0064】

蓄電部電圧Ｖｕが所定値を超過していない場合（ステップＳ３の“ＮＯ”）、ステップＳ６に遷移して、制御回路１４０は、蓄電部電圧Ｖｕを出力電圧Ｖｏｕｔとして出力する。

【0065】

ステップＳ６において、制御回路１４０は、切替素子１７０を非導通状態から導通状態に切り替えて、駆動素子１３１のゲートをグランドに接続させる（図２の時刻Ｔ３における制御と同様）。その後、ステップＳ５の処理が実行される。切替素子１７０が元々導通状態にある場合は、制御回路１４０はその導通状態を維持する。

【0066】

以上、説明した通り、本実施形態に係るバックアップ電源装置１００は、蓄電部１１０と、蓄電部１１０と給電対象装置２とを接続する電力供給経路ＰＬに配置されるシリーズレギュレータ１３０と、外部電源１の給電状態の変化及び蓄電部電圧Ｖｕの変化に伴ってシリーズレギュレータ１３０の出力電圧Ｖｏｕｔを多段階に変化させる制御回路１４０と、を備える。

【0067】

本実施形態に係るバックアップ電源装置１００の制御方法は、蓄電部１１０と給電対象装置２とを接続する電力供給経路ＰＬ上のシリーズレギュレータ１３０の出力電圧Ｖｏｕｔを、外部電源１の給電状態の変化及び蓄電部電圧Ｖｕの変化に伴って多段階に変化させる。

【0068】

本実施形態によれば、電力供給経路ＰＬ上にシリーズレギュレータ１３０を配置し、このシリーズレギュレータ１３０の出力電圧を多段階に変化させることで、様々な状況に応じて、蓄電部電圧Ｖｕの降圧を適応的に実行することができる。また、蓄電部電圧Ｖｕの降圧のために多数のダイオードを直列接続する等の構成を採らないため、蓄電部電圧Ｖｕの降圧に必要な構成部品点数の顕著な増加を抑制することができ、電力ロスや、装置規模の増大等も、抑制することができる。

【0069】

シリーズレギュレータ１３０は、電力供給経路ＰＬに配置される駆動素子１３１を有する。そして、制御回路１４０は、通常時には、電源電圧Ｖｄより低い第１定電圧（一定電圧値Ｖ１）を出力させ、非常時かつ蓄電部電圧Ｖｕが所定値（外部電源１の定格電圧Ｖｓ）を超過するときには、所定値以下かつ一定電圧値Ｖ１よりも高い第２定電圧（一定電圧値Ｖ２）を出力させ、非常時かつ蓄電部電圧Ｖｕが定格電圧Ｖｓを超過しないときには、蓄電部電圧Ｖｕを出力させるように、駆動素子１３１を制御する。

【0070】

本実施形態によれば、電力供給経路ＰＬ上に駆動素子１３１を配置するだけで、様々な状況に応じて、出力電圧Ｖｏｕｔを多段階に制御できる。

【0071】

例えば、バックアップ電源装置１００が比較的大きい電池容量を有し、定格電圧Ｖｓと蓄電部電圧Ｖｕとの差が比較的大きい場合であっても、少ない部品点数で、通常時には、非停電時の蓄電池の使用頻度を低減させ、蓄電池の劣化を抑制するとともに、非常時には給電対象装置２に対する負担を軽減するように出力電圧を制御できる。

【0072】

シリーズレギュレータ１３０は、電力供給経路ＰＬ上に配置されるトランジスタ（駆動素子１３１）と、外部電源１の給電状態変化及び蓄電部電圧の変化に伴ってトランジスタ（駆動素子１３１）のゲート電圧を多段階に変化させるゲート電圧調整回路１３２と、を有する。

【0073】

すなわち、簡易的かつ安価な素子であるトランジスタを電力供給経路ＰＬ上に配置し、そのゲート電圧を、給電状態変化及び蓄電部電圧の変化に応じて変化させることで、様々な状況に応じて、出力電圧Ｖｏｕｔを多段階に制御できる。

【0074】

電力供給経路ＰＬ上に配置する部品、例えば、蓄電部電圧の降圧のためのダイオードやトランジスタの数が多いほど、給電時のバックアップ電源装置の電力ロスが大きくなる。本実施形態によれば、電力供給経路ＰＬ上にトランジスタを配置して、そのゲート電圧を制御するだけで、出力電圧Ｖｏｕｔを多段階に制御できるので、給電時のバックアップ電源装置１００の電力ロスを低減できる。また、蓄電部電圧の降圧のためのダイオードやトランジスタの数が多ければ、バックアップ電源装置の装置規模が増大するおそれもあるが、本実施形態によれば、そのおそれもない。

【0075】

ゲート電圧調整回路１３２は、出力側でトランジスタ（駆動素子１３１）のゲートに接続され、ゲート電圧Ｖｇを制御するオペアンプ１６０と、出力電圧Ｖｏｕｔを分圧してオペアンプ１６０に入力する分圧回路１３３と、を有する。そして、制御回路１４０は、分圧回路１３３の分圧比を、外部電源１の給電状態の変化に伴って変化させる。

【0076】

よって、通常時には、出力電圧Ｖｏｕｔを電源電圧Ｖｄ以下に維持するとともに、非常時には、給電対象装置２の定格電圧Ｖｓ以下に維持する制御を、アナログ的に実行できる。

【0077】

より具体的には、分圧回路１３３は、互いに直列接続され中間部にオペアンプ１６０が接続される一対の抵抗素子１３４、１３５と、抵抗素子１３５に並列接続される抵抗素子１３６と、を有する。また、ゲート電圧調整回路１３２は、抵抗素子１３６とグランドとの接続状態を導通状態と非導通状態との間で切り替えて、抵抗素子１３５と抵抗素子１３６との合成抵抗値を変化させる切替素子１５０を有する。さらに、制御回路１４０は、抵抗素子１３６とグランドとの接続状態を、通常時には非導通状態としかつ非常時には導通状態とするよう、切替素子１５０を制御する。

【0078】

すなわち、切替素子１５０の導通状態と非導通状態とを切り替えるという簡単な制御により、トランジスタ（駆動素子１３１）のゲート電圧を変化させることで、出力電圧Ｖｏｕｔを多段階に変化させることができる。

【0079】

バックアップ電源装置１００は、電力供給経路ＰＬに配置された抵抗素子１２１により出力電流を検出する電流検出回路１２０を有する。また、制御回路１４０は、電流検出回路１２０の検出結果に基づいて外部電源１の給電状態が通常か非常かを判定する。

【0080】

よって、簡単かつ安価な回路構成で、外部電源１の給電状態の変化を検出できる。

【0081】

ゲート電圧調整回路１３２は、トランジスタ（駆動素子１３１）のゲートとグランドとの接続状態を導通状態と非導通状態との間で切り替えて、トランジスタ（駆動素子１３１）のオン抵抗を変化させる切替素子１７０を有する。また、制御回路１４０は、ゲートとグランドとの接続状態を、通常時には非導通状態としかつ非常時には蓄電部電圧Ｖｕに応じて非導通状態又は導通状態のいずれかとするよう、切替素子１７０を制御する。

【0082】

切替素子１７０を導通状態とすることで、トランジスタ（駆動素子１３１）のゲートをグランドに接続し、ゲートソース間電圧を極めて大きくできる。これにより、トランジスタ（駆動素子１３１）のオン抵抗が極めて小さくなるので、バックアップ電源装置１００から給電対象装置２に対する給電時に、トランジスタ（駆動素子１３１）での電力ロスを極力小さくできる。

【0083】

トランジスタ（駆動素子１３１）は、ｐ型電界効果トランジスタである。制御回路１４０は、ゲートとグランドとの接続状態を、非常時かつ蓄電部電圧Ｖｕが所定値（定格電圧Ｖｓ）を超過しないときには導通状態とする。

【0084】

よって、トランジスタ（駆動素子１３１）としてｎ型電界効果トランジスタを使用する場合と比べて、簡単な回路構成により、バックアップ電源装置１００による給電時のトランジスタ（駆動素子１３１）での電力ロスを極力小さくできる。

【0085】

（変形例１）
以下、変形例１について、主に実施形態と異なる点を説明する。図４は、変形例１に係るバックアップ電源装置１００を示す回路図である。

【0086】

図４に示されているように、分圧回路１３３は、抵抗素子１３６、及び、切替素子１５０の組を複数備え、それらの組がオペアンプ１６０の非反転入力端子とグランドとの間で並列に接続されている。よって、変形例１では、抵抗素子１３５と複数の抵抗素子１３６とにより第２抵抗部が構成される。なお、図４では、分圧回路１３３に、抵抗素子１３６及び切替素子１５０の組が２組設けられていることが示されているが、３組以上設けられていてもよい。

【0087】

変形例１によれば、制御回路１４０は、複数の切替素子１５０の通電状態及び非通電状態の切替を個別に制御することで、抵抗素子１３５と複数の抵抗素子１３６との合成抵抗値としてより多くの値を設定できる。よって、分圧回路１３３における分圧比としてより多くの値を設定することができる。

【0088】

（変形例２）
以下、変形例２について、主に実施形態と異なる点を説明する。図５は、変形例２に係るバックアップ電源装置１００を示す回路図である。

【0089】

図５に示されているように、分圧回路１３３は、抵抗素子１３６及び切替素子１５０に替えて、抵抗素子１３４と並列に接続する抵抗素子１３９及び切替素子１８０を備えていてもよい。その切替素子１８０は、電界効果トランジスタ等である。よって、変形例２では、抵抗素子１３４及び抵抗素子１３９により第１抵抗部が構成される。

【0090】

変形例２では、制御回路１４０は、通常時には導通状態とし、非常時には非導通状態とするよう切替素子１８０を制御する。これにより、フィードバック経路上の抵抗素子１３４と抵抗素子１３９との合成抵抗値を変更することができるので、分圧回路１３３の分圧比を変更できる。

【0091】

（その他の変形例）
実施形態及び上述の各変形例では、抵抗素子１２１を使用して出力電流を検出したが、ホール素子を使用して検出してもよい。ホール素子を使用する場合、抵抗素子１２１と比べて発熱しにくいので、バックアップ電源装置１００の温度上昇を抑制できる。

【0092】

実施形態及び上述の各変形例では、閾値Ｉｔｈが給電状態の判定に用いられている。閾値Ｉｔｈが微小値に設定されてもよい。すなわち、制御回路１４０は、わずかでも出力電流Ｉｏｕｔが流れた場合に、外部電源１が非常状態、すなわち、停電状態にあると判定してもよい。また、制御回路１４０は、ユーザーの設定に応じて閾値Ｉｔｈを変更してもよい。

【0093】

また、制御回路１４０が、停電を知らせる信号を所定の通信機器から受信したときに、外部電源１が停電状態にあると判定してもよい。

【0094】

制御回路１４０は、切替素子１５０の非導通状態と導通状態との切替制御だけでなく、外部電源１の電圧Ｖｄ、及び、給電対象装置２の定格電圧Ｖｓの設定を受け付け、受付内容に基づいて上述の電圧値Ｖ１、Ｖ２を決定してもよい。すなわち、バックアップ電源装置１００が接続する外部電源１の電圧Ｖｄ、及び、給電対象装置２の定格電圧Ｖｓに応じて、通常時の出力電圧Ｖｏｕｔの目標値（上述の電圧値Ｖ１）、及び、非常時の出力電圧Ｖｏｕｔの目標値（上述の電圧値Ｖ２）を決定してもよい。

【0095】

このとき、抵抗素子１３６は、可変抵抗素子であってもよい。また、制御回路１４０は、可変抵抗の抵抗値を制御することで、電源電圧Ｖｄ、及び、給電対象装置２の定格電圧Ｖｓに応じて、上述の電圧値Ｖ１、Ｖ２を変更してもよい。

【0096】

また、駆動素子１３１は、可変抵抗素子であってもよい。さらに言えば、駆動素子１３１は、ｎ型電界効果トランジスタであってもよい。ｎ型電界効果トランジスタの場合、ゲート電圧調整回路１３２は、駆動素子１３１のソース電圧よりも高電位のゲート電圧を印加するように構成される。これに対しｐ型電界効果トランジスタの場合は、ソース電圧に対してゲート電圧を小さくしてゲートソース間電圧を大きくすれば、オン抵抗を小さくできる。ここで、ゲート電圧を小さくする構成は、ゲート電圧を大きくする構成に比べて、比較的簡単な回路構成で実現しやすい。特に、本実施形態では、蓄電部電圧Ｖｕを降圧せずそのまま出力電圧Ｖｏｕｔとして出力しようとする場合がある。このとき、単純にゲートを接地させるだけでゲート電圧を容易に最小化することができる。この点で、本実施形態のように、電力供給経路ＰＬ上に配置する駆動素子１３１としてｐ型電界効果トランジスタを採用する構成は、有利である。

【産業上の利用可能性】

【0097】

本開示は、外部電源からの給電により動作する給電対象装置に対し、外部電源の給電状態の非常時に給電を行うバックアップ電源装置及びバックアップ電源装置の制御方法に好適に利用される。

【符号の説明】

【0098】

１ 外部電源
２ 給電対象装置
１００ バックアップ電源装置
１１０ 蓄電部
１１１ 蓄電池
１２０ 電流検出回路
１２１ 抵抗素子
１２２ オペアンプ
１３０ シリーズレギュレータ
１３１ 駆動素子
１３２ ゲート電圧調整回路
１３３ 分圧回路
１３４～１３６、１３９ 抵抗素子
１３７ 基準電源
１４０ 制御回路
１５０、１７０、１８０ 切替素子
１６０ オペアンプ
１８４、１８５ 抵抗素子
１９１、１９２ 入出力端子
ＰＬ 電力供給経路

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】