特許 7617209 リップル電圧算出装置、コンピュータプログラム、リップル電圧算出方法及び電源装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2025-01-08

(45)【発行日】2025-01-17

(54)【発明の名称】リップル電圧算出装置、コンピュータプログラム、リップル電圧算出方法及び電源装置

(51)【国際特許分類】

   H02M 3/00 20060101AFI20250109BHJP

【ＦＩ】

H02M3/00 C

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2023146234

(22)【出願日】2023-09-08

【審査請求日】2023-09-08

(73)【特許権者】

【識別番号】000195029

【氏名又は名称】星和電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100114557

【弁理士】

【氏名又は名称】河野 英仁

(74)【代理人】

【識別番号】100078868

【弁理士】

【氏名又は名称】河野 登夫

(72)【発明者】

【氏名】福井 道

【審査官】今井 貞雄

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１６－１０９４９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０８－１７８９６４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－１６５５２８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｍ ３／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

入力部を通じて入力された電圧波形を所定のサンプリング周期でサンプリングしてデジタル値に変換するＡＤ変換部と、
所要期間に亘って前記ＡＤ変換部で変換したデジタル値の度数を示すヒストグラムを生成する生成部と、
生成したヒストグラムの度数の変動の統計量を算出する統計量算出部と、
算出した統計量に基づいて前記所要期間のリップル電圧を算出するリップル電圧算出部と
を備え、
前記統計量算出部は、
前記ヒストグラムの隣り合うデジタル値の度数の度数差を前記変動として算出し、
算出した度数差の移動平均を前記統計量として算出する、
リップル電圧算出装置。

【請求項2】

入力部を通じて入力された電圧波形を所定のサンプリング周期でサンプリングしてデジタル値に変換するＡＤ変換部と、
所要期間に亘って前記ＡＤ変換部で変換したデジタル値の度数を示すヒストグラムを生成する生成部と、
生成したヒストグラムの度数の変動の統計量を算出する統計量算出部と、
算出した統計量に基づいて前記所要期間のリップル電圧を算出するリップル電圧算出部と
を備え、
前記リップル電圧算出部は、
前記ヒストグラムのデジタル値のうち、前記統計量が所定の閾値を超える最小デジタル値及び最大デジタル値を特定し、
特定した最大デジタル値と最小デジタル値との差を前記リップル電圧として算出する、
リップル電圧算出装置。

【請求項3】

前記統計量算出部は、
前記ヒストグラムの隣り合うデジタル値の度数の度数差を前記変動として算出し、
算出した度数差の移動平均を前記統計量として算出する、
請求項２に記載のリップル電圧算出装置。

【請求項4】

前記入力部は、
ＤＣ成分を除去するＡＣカップリング回路を有する、
請求項１から請求項３のいずれか一つに記載のリップル電圧算出装置。

【請求項5】

前記ＡＤ変換部は、
分解能が１２ビット以下であり、サンプリング・レートが１Ｍｓｐｓ以下である、
請求項１から請求項３のいずれか一つに記載のリップル電圧算出装置。

【請求項6】

所要期間に亘って、入力部を通じて入力された電圧波形を所定のサンプリング周期でサンプリングして変換したデジタル値の度数を示すヒストグラムを生成し、
生成したヒストグラムの度数の変動の統計量を算出し、
算出した統計量に基づいて前記所要期間のリップル電圧を算出し、
前記ヒストグラムの隣り合うデジタル値の度数の度数差を前記変動として算出し、
算出した度数差の移動平均を前記統計量として算出する、
処理をコンピュータに実行させるコンピュータプログラム。

【請求項7】

所要期間に亘って、入力部を通じて入力された電圧波形を所定のサンプリング周期でサンプリングして変換したデジタル値の度数を示すヒストグラムを生成し、
生成したヒストグラムの度数の変動の統計量を算出し、
算出した統計量に基づいて前記所要期間のリップル電圧を算出し、
前記ヒストグラムのデジタル値のうち、前記統計量が所定の閾値を超える最小デジタル値及び最大デジタル値を特定し、
特定した最大デジタル値と最小デジタル値との差を前記リップル電圧として算出する、
処理をコンピュータに実行させるコンピュータプログラム。

【請求項8】

入力部を通じて入力された電圧波形を所定のサンプリング周期でサンプリングしてデジタル値に変換し、
所要期間に亘って変換したデジタル値の度数を示すヒストグラムを生成し、
生成したヒストグラムの度数の変動の統計量を算出し、
算出した統計量に基づいて前記所要期間のリップル電圧を算出し、
前記ヒストグラムの隣り合うデジタル値の度数の度数差を前記変動として算出し、
算出した度数差の移動平均を前記統計量として算出する、
リップル電圧算出方法。

【請求項9】

入力部を通じて入力された電圧波形を所定のサンプリング周期でサンプリングしてデジタル値に変換し、
所要期間に亘って変換したデジタル値の度数を示すヒストグラムを生成し、
生成したヒストグラムの度数の変動の統計量を算出し、
算出した統計量に基づいて前記所要期間のリップル電圧を算出し、
前記ヒストグラムのデジタル値のうち、前記統計量が所定の閾値を超える最小デジタル値及び最大デジタル値を特定し、
特定した最大デジタル値と最小デジタル値との差を前記リップル電圧として算出する、
リップル電圧算出方法。

【請求項10】

請求項１から請求項３のいずれか一つに記載のリップル電圧算出装置を備え、前記リップル電圧算出装置でリップル電圧が計測可能である電源装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、リップル電圧算出装置、コンピュータプログラム、リップル電圧算出方法及び電源装置に関する。

【背景技術】

【0002】

安定化電源装置などの電源装置は、出力電圧のリップル電圧を抑制するために電源装置の出力側等に電解コンデンサを備えるものがある。このような電源装置は、電解コンデンサが劣化すると所要の電圧を出力することができなくなるため、リップル電圧を検出して電解コンデンサの劣化を判定する技術が開発されている。

【0003】

リップル電圧の計測には、例えば、特許文献１に開示されているようなオシロスコープを用いた試験測定システムが用いられる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１９－７９５９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかし、特許文献１に開示されたオシロスコープのような計測機器は、高性能なセンシング回路を実現するために高サンプリング及び高分解能のＡＤ変換器が必要である。このため、計測機器のコストが高くなる。

【0006】

本発明は、斯かる事情に鑑みてなされたものであり、高機能かつ低価格でリップル電圧を算出できるリップル電圧算出装置、コンピュータプログラム、リップル電圧算出方法及び電源装置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】

【0007】

本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、リップル電圧算出装置は、入力部を通じて入力された電圧波形を所定のサンプリング周期でサンプリングしてデジタル値に変換するＡＤ変換部と、所要期間に亘って前記ＡＤ変換部で変換したデジタル値の度数を示すヒストグラムを生成する生成部と、生成したヒストグラムの度数の変動の統計量を算出する統計量算出部と、算出した統計量に基づいて前記所要期間のリップル電圧を算出するリップル電圧算出部とを備える。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、高機能かつ低価格でリップル電圧を算出できる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本実施形態のリップル電圧算出装置の構成の一例を示す図である。

【図2】マイコンに入力される電圧波形の一例を模式的に示す図である。

【図3】ヒストグラムの一例を示す図である。

【図4】ヒストグラムの度数の度数差の一例を示す図である。

【図5】度数差の移動平均の一例を示す図である。

【図6】リップル電圧の算出方法の一例を示す図である。

【図7】リップル電圧算出装置によるリップル電圧算出処理の手順の一例を示す図である。

【図8】本実施形態のリップル電圧算出装置を備える電源装置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、本発明を実施の形態を示す図面に基づいて説明する。図１は本実施形態のリップル電圧算出装置５０の構成の一例を示す図である。リップル電圧算出装置５０は、入力部５１、マイコン５３、出力部５９、及び記憶部６０を備える。入力部５１は、ＡＣカップリング回路５２を備える。マイコン５３は、ＣＰＵ５４、ＲＯＭ５５、ＲＡＭ５６、ＡＤ変換部５７、及び入出力インタフェース５８を備える。記憶部６０は、例えば、ハードディスク又は半導体メモリ等で構成することができ、コンピュータプログラム（プログラム製品）６１、及び所要の情報を記憶することができる。リップル電圧算出装置５０は、リップル電圧計測用の計測器に組み込むこともでき、あるいは電源装置に組み込むこともできる。

【0011】

入力部５１は、電圧波形が入力されると、ＡＣカップリング回路５２で電圧波形のＤＣ成分が除去され、ＡＣ成分だけが取り出される。入力部５１は、ＡＣ成分うちの負値の部分が正値になるように、オフセット電圧を加える。入力部５１は、ＡＣ成分にオフセット電圧が重畳された電圧波形を増幅してマイコン５３へ出力する。ここで、オフセット電圧は、マイコン５３のＡＤ変換部５７が測定できる電圧範囲（０Ｖ～Ｖｒｅｆ）の中間電位とすることができる。

【0012】

図２はマイコン５３に入力される電圧波形の一例を模式的に示す図である。図２に示すように、マイコン５３に入力される電圧波形は、ＡＣ成分の電圧にオフセット電圧及びリップル電圧（リップルノイズ成分を含む）が重畳している。ＡＣカップリング回路５２により、入力される電圧波形のＤＣ成分が除去される。

【0013】

マイコン５３に入力された電圧波形は、入出力インタフェースを介してＡＤ変換部５７に入力される。ＡＤ変換部５７は、入力された電圧波形（アナログ値）を所定のサンプリング周期でサンプリングしてデジタル値に変換する。ＡＤ変換部５７は、マイコン５３の周辺機能として提供されるＡＤ変換機能を実現するものであり、比較的安価な部品で構成される。また、マイコン５３の周辺機能であるＡＤ変換部５７を利用することで、別途ＡＤ変換回路を構成する必要がなく、低コストで実現できる。

【0014】

ＡＤ変換部５７は、例えば、分解能が１２ビット以下であり、サンプリング・レートが１Ｍｓｐｓ以下である。例えば、オシロスコープ等の高性能なセンシング回路に用いられるＡＤ変換器は、分解能が、例えば、１４ビット以上と高分解能であり、サンプリング・レートも、例えば、２５Ｍｓｐｓと高速サンプリングが可能である。本実施形態のＡＤ変換部５７は、高性能のＡＤ変換器と比べて、低分解能、低速サンプリングであるが、低コストである。

【0015】

ＡＤ変換部５７に入力される電圧波形は、ＤＣ成分が除去されたＡＣ成分とリップル電圧を含むので、ＤＣ成分が存在しない分だけ等価的に分解能を下げることができ、ＡＤ変換部５７の分解能が低分解能であっても、電圧波形（アナログ値）をデジタル値に変換することが可能となる。

【0016】

ＣＰＵ５４は、ＲＡＭ５６に展開されたコンピュータプログラム６１を実行することができる。ＣＰＵ５４による処理は、コンピュータプログラム６１による処理でもある。

【0017】

ＣＰＵ５４は、生成部としての機能を実行する。ＣＰＵ５４は、所要期間に亘ってＡＤ変換部５７で変換したデジタル値の度数を示すヒストグラムを生成する。所要期間は、変換したデジタル値のサンプル数が所定値以上となる期間とすることができる。所定値は、例えば、３０００、４０００、５０００などとすることができるが、これらに限定されない。所定値は、ＡＤ変換部５７のサンプリング・レートに応じて決定すればよく、統計的な演算が可能になる数のデジタル値が得られればよい。別言すれば、本実施形態によれば、入力される電圧波形のリップル波形に対して粗くサンプリングするが、粗くサンプリングする分、所要時間に亘ってデジタル値を収集することで、オシロスコープ等で使用される高機能、高分解能のＡＤ変換器による短い期間内での高速サンプリングと同等のサンプル数を得ることができる。

【0018】

図３はヒストグラムの一例を示す図である。横軸は、ＡＤ変換部５７が変換したデジタル値の最小値から最大値までの範囲を所要の区分で区切った各区分範囲を示し、縦軸は、各区分範囲に属するデジタル値の度数（個数）を示す。なお、横軸は、デジタル値に代えて、別の指標を用いてもよい。図３に示すヒストグラムは、所要期間に亘ってサンプリングされたデジタル値の分布を示す。

【0019】

ＣＰＵ５４は、統計量算出部としての機能を実行する。ＣＰＵ５４は、生成したヒストグラムの度数の変動の統計量を算出する。より具体的には、ＣＰＵ５４は、ヒストグラムの隣り合うデジタル値の度数の度数差を当該変動として算出し、算出した度数差の移動平均を当該統計量として算出する。

【0020】

図４はヒストグラムの度数の度数差の一例を示す図である。度数差は、ある区分のデジタル値の度数と、当該区分の右隣の区分のデジタル値の度数との差分として求めることができる。図４は、ヒストグラムのすべての区分について度数差を算出してプロットしたものである。

【0021】

図５は度数差の移動平均の一例を示す図である。デジタル値の各区分の度数差の移動平均は、当該区分を含む一定区間における区分の度数差の平均値である。移動平均は、各区分とその前後の区分の度数差の平均値を用いる中央移動平均、各区分とそれ以前の区分の平均値を用いる後方移動平均、各区分とそれ以降の区分の平均値を用いる前方移動平均のいずれでもよい。移動平均を用いることにより、度数差の値を平滑化することができる。

【0022】

ＣＰＵ５４は、リップル電圧算出部としての機能を実行する。ＣＰＵ５４は、算出した統計量（度数差の移動平均）に基づいて所要期間のリップル電圧を算出する。より具体的には、ＣＰＵ５４は、ヒストグラムのデジタル値のうち、度数差の移動平均が所定の閾値を超える最小デジタル値及び最大デジタル値を特定し、特定した最大デジタル値と最小デジタル値との差を所要期間のリップル電圧として算出する。

【0023】

図６はリップル電圧の算出方法の一例を示す図である。横軸はデジタル値（各区分のデジタル値）を示し、縦軸は度数差の移動平均を示す。図６に示すように、移動平均の閾値（＋閾値及び－閾値）を設定し、デジタル値の小さい方から度数差の移動平均が最初に閾値（＋閾値及び－閾値の範囲）を超えるときのデジタル値を最小デジタル値として特定し、さらにデジタル値の大きい方へ移動平均を探索し、最後に閾値（＋閾値及び－閾値の範囲）を超えるときのデジタル値を最大デジタル値として特定する。所要期間のリップル電圧は、最大デジタル値から最小デジタル値を差し引いた値として求めることができる。

【0024】

出力部５９は、算出したリップル電圧を外部に出力する。

【0025】

図７はリップル電圧算出装置５０によるリップル電圧算出処理の手順の一例を示す図である。以下では便宜上、処理の主体をＣＰＵ５４として説明する。ＣＰＵ５４は、入力された電圧波形を所定のサンプリング周期でサンプリングしてデジタル値に変換し（Ｓ１１）、所要期間に亘って変換したか否かを判定する（Ｓ１２）。所定期間に亘って変換していない場合（Ｓ１２でＮＯ）、ＣＰＵ５４は、ステップＳ１１以降の処理を行う。

【0026】

所定期間に亘って変換した場合（Ｓ１２でＹＥＳ）、ＣＰＵ５４は、変換したデジタル値の度数を示すヒストグラムを生成し（Ｓ１３）、生成したヒストグラムの隣り合うデジタル値の度数の度数差を算出する（Ｓ１４）。ＣＰＵ５４は、度数差の移動平均を算出する（Ｓ１５）。

【0027】

ＣＰＵ５４は、移動平均が所定の閾値を超える最小デジタル値及び最大デジタル値を特定し（Ｓ１６）、最大デジタル値と最小デジタル値とに基づいて所要期間のリップル電圧を算出する（Ｓ１７）。ＣＰＵ５４は、処理を終了するか否かを判定し（Ｓ１８）、処理を終了しない場合（Ｓ１８でＮＯ）、ステップＳ１１以降の処理を行い、処理を終了する場合（Ｓ１８でＹＥＳ）、処理を終了する。

【0028】

本実施形態のリップル電圧算出装置５０によれば、高分解能のＡＤ変換器と同等の精度でリップル電圧を計測することができる。

【0029】

上述のように、本実施形態によれば、比較的低価格な低分解能のＡＤ変換部５７で変換したデジタル値を統計的処理が行えるような所要期間に亘って蓄積することで、高分解能のＡＤ変換器と同等の精度でリップル電圧を算出でき、また、高機能かつ低価格でリップル電圧を算出できる。

【0030】

図８は本実施形態のリップル電圧算出装置５０を備える電源装置１００の構成の一例を示す図である。電源装置１００は、例えば、整流回路１０、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０、電解コンデンサやフィルタ回路などを有するフィルタ部３０、制御部４０、及びリップル電圧算出装置５０などを備える。リップル電圧算出装置５０は、電源装置１００の出力端の電圧波形を取得してリップル電圧を算出し、算出したリップル電圧を制御部４０へ出力する。制御部４０は、リップル電圧算出装置５０から入力されたリップル電圧に応じてフィルタ部３０（電解コンデンサ）の劣化状態を判定する。制御部４０は、劣化状態に応じて、警告を出力してもよく、電源装置１００の動作を停止させてもよい。なお、電源装置１００の構成は一例であって、図８の構成に限定されるものではない。また、電解コンデンサがフィルタ部３０以外で使用されている場合には、電解コンデンサの使用箇所に応じてリップル電圧算出装置５０が当該使用箇所の電圧波形を取得すればよい。

【0031】

（付記１）リップル電圧算出装置は、入力部を通じて入力された電圧波形を所定のサンプリング周期でサンプリングしてデジタル値に変換するＡＤ変換部と、所要期間に亘って前記ＡＤ変換部で変換したデジタル値の度数を示すヒストグラムを生成する生成部と、生成したヒストグラムの度数の変動の統計量を算出する統計量算出部と、算出した統計量に基づいて前記所要期間のリップル電圧を算出するリップル電圧算出部とを備える。

【0032】

（付記２）リップル電圧算出装置は、付記１において、前記統計量算出部は、前記ヒストグラムの隣り合うデジタル値の度数の度数差を前記変動として算出し、算出した度数差の移動平均を前記統計量として算出する。

【0033】

（付記３）リップル電圧算出装置は、付記１又は付記２において、前記リップル電圧算出部は、前記ヒストグラムのデジタル値のうち、前記統計量が所定の閾値を超える最小デジタル値及び最大デジタル値を特定し、特定した最大デジタル値と最小デジタル値との差を前記リップル電圧として算出する。

【0034】

（付記４）リップル電圧算出装置は、付記１から付記３のいずれか一つにおいて、前記入力部は、ＤＣ成分を除去するＡＣカップリング回路を有する。

【0035】

（付記５）リップル電圧算出装置は、付記１から付記４のいずれか一つにおいて、前記ＡＤ変換部は、分解能が１２ビット以下であり、サンプリング・レートが１Ｍｓｐｓ以下である。

【0036】

（付記６）コンピュータプログラムは、所要期間に亘って、入力部を通じて入力された電圧波形を所定のサンプリング周期でサンプリングして変換したデジタル値の度数を示すヒストグラムを生成し、生成したヒストグラムの度数の変動の統計量を算出し、算出した統計量に基づいて前記所要期間のリップル電圧を算出する、処理をコンピュータに実行させる。

【0037】

（付記７）リップル電圧算出方法は、入力部を通じて入力された電圧波形を所定のサンプリング周期でサンプリングしてデジタル値に変換し、所要期間に亘って変換したデジタル値の度数を示すヒストグラムを生成し、生成したヒストグラムの度数の変動の統計量を算出し、算出した統計量に基づいて前記所要期間のリップル電圧を算出する。

【0038】

（付記８）電源装置は、前述のリップル電圧算出装置を備え、前記リップル電圧算出装置でリップル電圧が計測可能である。

【0039】

各実施形態に記載した事項は相互に組み合わせることが可能である。また、特許請求の範囲に記載した独立請求項及び従属請求項は、引用形式に関わらず全てのあらゆる組み合わせにおいて、相互に組み合わせることが可能である。さらに、特許請求の範囲には他の２以上のクレームを引用するクレームを記載する形式（マルチクレーム形式）を用いているが、これに限るものではない。マルチクレームを少なくとも一つ引用するマルチクレーム（マルチマルチクレーム）を記載する形式を用いて記載してもよい。

【符号の説明】

【0040】

５０ リップル電圧算出装置
５１ 入力部
５２ ＡＣカップリング回路
５３ マイコン
５４ ＣＰＵ
５５ ＲＯＭ
５６ ＲＡＭ
５７ ＡＤ変換部
５８ 入出力インタフェース
５９ 出力部
６０ 記憶部
６１ コンピュータプログラム

【要約】

【課題】高機能かつ低価格でリップル電圧を算出できるリップル電圧算出装置、コンピュータプログラム、リップル電圧算出方法及び電源装置を提供する。
【解決手段】リップル電圧算出装置は、入力部を通じて入力された電圧波形を所定のサンプリング周期でサンプリングしてデジタル値に変換するＡＤ変換部と、所要期間に亘ってＡＤ変換部で変換したデジタル値の度数を示すヒストグラムを生成する生成部と、生成したヒストグラムの度数の変動の統計量を算出する統計量算出部と、算出した統計量に基づいて所要期間のリップル電圧を算出するリップル電圧算出部とを備える。
【選択図】図１

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】