(57)【要約】【課題】従来に比べて少数部品で構成し、ＥＭＩの低減を実現することが可能な電源アイソレーション装置を提供する【解決手段】制御装置１６が出力する第１ＩＳＬ信号１８によって、第１スイッチ群１２がＯＮ動作し、第２スイッチ群１４がＯＦＦ動作すると、ＤＣ電源からの電力は第１キャパシターＣ１に蓄積される。次に、制御装置１６からの第１ＩＳＬ信号１８が反転し第２ＩＳＬ信号２０が出力されると、第１スイッチ群１２がＯＦＦ動作し、第２スイッチ群１４がＯＮ動作すると、第１キャパシターＣ１に蓄積された電力は、第２スイッチ群１４を介して、第２キャパシターＣ２に供給される。この第２キャパシターＣ２から出力電力が取り出される。第１スイッチ群１２と第２スイッチ群１４とは、同時にＯＮ動作することはないので、ＤＣ電源と出力とは、互いにアイソレートされる。【選択図】図１
2010045933.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１スイッチ群と、第１キャパシターと、第２スイッチ群と、第２キャパシターと、制御装置と、からなり、電源と出力とをアイソレーションする電源アイソレーション装置において、
前記第１スイッチ群は、
前記電源のプラス側と前記第１キャパシターのホット側端子とを接続する第１ホット側スイッチと、
前記電源のマイナス側と前記第１キャパシターのコールド側端子とを接続する第１コールド側スイッチと、
を有し、
前記第２スイッチ群は、
前記第１キャパシターのホット側端子と前記第２キャパシターのホット側端子とを接続する第２ホット側スイッチと、
前記第１キャパシターのコールド側端子と前記第２キャパシターのコールド側端子とを接続する第２コールド側スイッチと、
を有し、
前記制御装置は、前記第１スイッチ群と前記第２スイッチ群とを交互にＯＮ動作させ、前記第２キャパシターのホット側端子とコールド側端子から前記出力が取り出されていることを特徴とする電源アイソレーション装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電源アイソレーション装置において、
前記第１キャパシター及び第２キャパシターの代わりに、充放電可能なバッテリーを用いたことを特徴とする電源アイソレーション装置。
【請求項３】
請求項１に記載の電源アイソレーション装置において、
前記第１スイッチ群及び第２スイッチ群は、ＦＥＴから構成されることを特徴とする電源アイソレーション装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電源アイソレーション装置に関し、ノイズや電波の影響を低減・除去する目的で電気的に絶縁する必要がある装置、及びその他種々のアイソレーションをする必要がある装置と共に用いられる電源アイソレーション装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
タッチセンサを始めとする種々の電子機器の電源は、従来から、トランス等を用いてアイソレーションを行うことが一般的である。
【０００３】
一方、電子機器の開発者には、より一層ノイズや電波障害に強い製品を設計することが求められており、それに伴って、電源のアイソレーションも電子機器の設計における重要なテーマとなっている。
【０００４】
例えば、下記特許文献１には、フォトダイオードとフォトトランジスタと抵抗とを組み合わせた半２重シリアル伝送に用いられるアイソレーション回路が開示されている。
【０００５】
また、下記特許文献２には、広域用絶縁トランスと低域用絶縁パルストランスとを組み合わせることによって周波数帯域を広げたアイソレーションアンプが開示されている。
【０００６】
また、下記特許文献３には、発光ダイオードとフォトトランジスタと増幅器とを組み合わせてなるアイソレーション装置が開示されている。
【０００７】
【特許文献１】特開２００１−３６５０７号公報
【特許文献２】特開２００２−２７１１５３号公報
【特許文献３】特開２００７−３１９４８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上に述べたように、従来から、トランス等を用いてアイソレーションを行うものが広く知られている。
【０００９】
例えば、トランス等を使用したＤＣ／ＤＣインバータが知られている。このＤＣ／ＤＣインバータによれば、アイソレーションが実現できるが、しかし一方で、ＥＭＩの問題が発生しがちであり、この問題を解決することが望まれている。また、このＤＣ／ＤＣインバータは、部品点数が多くなりやすいという課題もある。
【００１０】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、従来に比べて少数部品で構成し、ＥＭＩの低減を実現することが可能な電源アイソレーション装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本件発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、本件発明に係る電源アイソレーション装置は、以下に示す構成からなる。
【００１２】
（１）本発明は、上記課題を解決するために、第１スイッチ群と、第１キャパシターと、第２スイッチ群と、第２キャパシターと、制御装置と、からなり、電源と出力とをアイソレーションする電源アイソレーション装置において、前記第１スイッチ群は、前記電源のプラス側と前記第１キャパシターのホット側端子とを接続する第１ホット側スイッチと、前記電源のマイナス側と前記第１キャパシターのコールド側端子とを接続する第１コールド側スイッチと、を有し、前記第２スイッチ群は、前記第１キャパシターのホット側端子と前記第２キャパシターのホット側端子とを接続する第２ホット側スイッチと、前記第１キャパシターのコールド側端子と前記第２キャパシターのコールド側端子とを接続する第２コールド側スイッチと、を有し、前記制御装置は、前記第１スイッチ群と前記第２スイッチ群とを交互にＯＮ動作させ、前記第２キャパシターのホット側端子とコールド側端子から前記出力が取り出されていることを特徴とする電源アイソレーション装置である。
【００１３】
（２）また、本発明は、上記課題を解決するために、上記（１）に記載の電源アイソレーション装置において、前記第１キャパシター及び第２キャパシターの代わりに、充放電可能なバッテリーを用いたことを特徴とする電源アイソレーション装置である。
【００１４】
（３）また、本発明は、上記課題を解決するために、上記（１）に記載の電源アイソレーション装置において、前記第１スイッチ群及び第２スイッチ群は、ＦＥＴから構成されることを特徴とする電源アイソレーション装置である。
【発明の効果】
【００１５】
以上述べたように、本件発明によれば、少数の部品によって効果的なアイソレーション機能を備える電源アイソレーション装置を構成することが可能である。
【００１６】
さらに、本件発明によれば、ＥＭＩの問題を低減することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本件発明に係る電源アイソレーション装置の実施の形態を、図面に基づき説明する。
【００１８】
（１）実施の形態１
回路構成
図１には、電源アイソレーション装置１０の構成を示す模式図が示されている。
【００１９】
この図１に示されるように、電源アイソレーション装置１０は、第１スイッチ群１２と第２スイッチ群１４とを備える。
【００２０】
第１スイッチ群１２は、第１ホット側スイッチＩＳＬ１と第１コールド側スイッチＩＳＬ２とを備える。第１ホット側スイッチＩＳＬ１は、ＤＣ電源のプラス側と第１キャパシターＣ１のホット側とを接続している。また、第１コールド側スイッチＩＳＬ２は、ＤＣ電源のマイナス側と第１キャパシターＣ１のコールド側とを接続している。
【００２１】
第２スイッチ群１４は、第２ホット側スイッチＩＳＬ３と第２コールド側スイッチＩＳＬ４とを備える。第２ホット側スイッチＩＳＬ３は、第１キャパシターＣ１のホット側と第２キャパシターＣ２のホット側とを接続している。また、第２コールド側スイッチＩＳＬ４は、第１キャパシターＣ１のコールド側と第２キャパシターＣ２のコールド側とを接続している。
【００２２】
このように、第１スイッチ群１２と第２スイッチ群１４とが２段縦続接続されるいる。
【００２３】
なお、第１ホット側スイッチＩＳＬ１、第１コールド側スイッチＩＳＬ２、第２ホット側スイッチＩＳＬ３、第２コールド側スイッチＩＳＬ４としては、例えばフォトＭＯＳリレーやＦＥＴなどのアイソレーションデバイスが好適に用いられる。
【００２４】
第１キャパシターＣ１及び第２キャパシターＣ２は、種々のキャパシターを用いることが可能であるが、用途によっては、充放電可能ないわゆるバッテリーを用いることも可能である。もちろん、このようなバッテリーをキャパシターとして用いる場合には、使用する電圧と、そのバッテリーの電圧とを合わせる必要があることに留意されたい。一般に、バッテリーは、その規定電圧が予め決まっているので、その電圧と異なる電圧の充放電は困難だからである。
【００２５】
第１キャパシターＣ１は、第２キャパシターＣ２の入力電源となり、第１キャパシターＣ１に充電された電力は、第２スイッチ群１４を介して第２キャパシターＣ２に伝送される。また、第２キャパシターＣ２に充電された電力は、外部に取り出される。
【００２６】
制御装置１６は、スイッチング動作のために第１ＩＳＬ信号１８を送信する。第１スイッチ群１２は、この制御装置１６が送信した第１ＩＳＬ信号１８を受信し、それに基づきスイッチング動作を行う。この第１ＩＳＬ信号１８とは、矩形波である。一方、制御装置１６は、上記第１ＩＳＬ信号１８とは逆位相の第２ＩＳＬ信号２０をも出力している。第２スイッチ群１４は、この第２ＩＳＬ信号２０を受信し、スイッチング動作を行っている。
【００２７】
従って、第１スイッチ群１２及び第２スイッチ群１４が、同時にＯＮ動作することはなく、交互に、互いにＯＮ動作を行う。すなわち、電源アイソレーション装置１０の出力が、ＤＣ電源と直接接続されることはない。この結果、（ＡＣノイズを含む）ＤＣ電源からの入力が、電源アイソレーション装置１０の出力とアイソレーションされたことになる。
【００２８】
回路動作
以下に、図１の電源アイソレーション装置１０の動作シーケンスを説明する。
【００２９】
第１ホット側スイッチＩＳＬ１及び第１コールド側スイッチＩＳＬ２は、ＩＳＬ信号がＯＮの時に導通状態となる。
【００３０】
第１ホット側スイッチＩＳＬ１及び第１コールド側スイッチＩＳＬ２が導通状態のとき、第１キャパシターＣ１は充電される。
【００３１】
第１ホット側スイッチＩＳＬ１及び第１コールド側スイッチＩＳＬ２が不導通状態のとき、第２ホット側スイッチＩＳＬ３及び第２コールド側スイッチＩＳＬ４は導通状態となる。
【００３２】
第２ホット側スイッチＩＳＬ３及び第２コールド側スイッチＩＳＬ４が導通状態のとき、第１キャパシターＣ１から電流が流れ、第２キャパシターＣ２に充電される。
【００３３】
このように、第１スイッチ群１２及び第２スイッチ群１４は、交互に、導通状態と不導通状態とを繰り返すため、電源アイソレーション装置１０の入力側と出力側が同時に接続されることはなく、アイソレーションが保たれる。
【００３４】
本実施の形態においては、スイッチング動作を制御するために、第１ＩＳＬ信号１８及び第２ＩＳＬ信号２０を出力している。これらは、互いに１８０度位相が異なる。すなわち、逆位相の矩形信号でありデューティー比５０％の矩形波信号である。
【００３５】
第１スイッチ群１２と、第２スイッチ群１４とが同時にＯＮ動作することを防止するために、第１ＩＳＬ信号１８と、第２ＩＳＬ信号２０との間にいわゆるデッドタイムを設け、一方のスイッチ群が確実にＯＦＦ動作した後に、他方のスイッチ群をＯＮ動作するようにすることも望ましい。
【００３６】
このようにして、電源アイソレーション装置１０は、ＤＣ／ＡＣアイソレーションを簡便な回路で構成することができる。また、ＥＭＩの発生を低減することを可能とする。
【００３７】
（２）実施の形態２
回路構成
図２には、双極双投スイッチ２２を用いて構成した図１と同様の機能を有する電源アイソレーション装置１０’の回路構成が示されている。
【００３８】
この図２に示されるように、電源アイソレーション装置１０’は、双極双投スイッチ２２と、第１キャパシターＣ１と、第２キャパシターＣ２とを備える。
【００３９】
双極双投スイッチ２２は、ホット側単極双投スイッチ２４とコールド側単極双投スイッチ２６とを備える。
【００４０】
ホット側単極双投スイッチ２４は、第１端子２８と、第２端子３０と、第３端子３２とを備える。第１端子２８は、ＤＣ電源プラス側に接続されている。また、第２端子３０は、第１キャパシターＣ１ホット側端子に接続されている。また、第３端子３２は、第２キャパシターＣ２ホット側端子に接続されている。
【００４１】
コールド側単極双投スイッチ２６は、第４端子３４と、第５端子３６と、第６端子３８とを備える。第４端子３４は、ＤＣ電源マイナス側に接続されている。また、第５端子３６は、第１キャパシターＣ１ホット側端子に接続されている。また、第６端子３８は、第２キャパシターＣ２ホット側端子に接続されている。
【００４２】
双極双投スイッチ２２は、以下に説明する２つの接続状態のうち、いずれかの接続状態を取る。
【００４３】
第１の接続状態は、ホット側単極双投スイッチ２４が、第１端子２８と第２端子３０とを接続し、コールド側単極双投スイッチ２６が、第４端子３４と第５端子３６とを接続する状態である。図２には、この第１の接続状態が示されている。
【００４４】
第２の接続状態は、ホット側単極双投スイッチ２４が、第２端子３０と第３端子３２とを接続し、コールド側単極双投スイッチ２６が、第５端子３６と第６端子３８とを接続する状態である。
【００４５】
なお、双極双投スイッチ２２は、所定の制御装置を用いて動作させても良いし、使用者が手動で操作しても良い。
【００４６】
回路動作
以下に、図２の電源アイソレーション装置１０’の動作シーケンスを説明する。
【００４７】
双極双投スイッチ２２が、上記第１の接続状態にあるとき、第１キャパシターは充電される。
【００４８】
双極双投スイッチ２２の接続状態が上記第２の接続状態に切り替わると、第１キャパシターＣ１から電流が流れ、第２キャパシターＣ２に充電される。そして、この第２キャパシターＣ２に充電された電力が、電源アイソレーション装置１０’から出力される電力となる。
【００４９】
このように、双極双投スイッチ２２は、上記第１の接続状態と第２の接続状態とを交互に繰り返すので、電源アイソレーション装置１０’の入力側と出力側が同時に接続されることはなく、アイソレーションが保たれる。
【００５０】
（３）実施の形態３
回路構成
図３には、トランス方式を採用する電源アイソレーション装置１０’’の回路構成が示されている。この図３に示される電源アイソレーション装置１０’’によって、簡単に電源をアイソレートすることができる。
【００５１】
図３に示されるように、電源アイソレーション装置１０’’は、以下に挙げる４つの部品を備える。
【００５２】
クロックドライバー４０またはＴＴＬゲート（ロジック）
フェライトトランスＴ１
ダイオードブリッジ４２（ショットキーダイオード）
第１キャパシターＣ１（０．０１μＦ）
また、フェライトトランスＴ１は、コイルＬ１及びＬ２と、高周波フェライトコア４４と、からなる。
【００５３】
回路動作
クロックドライバー４０は、所定の出力波形で表される信号をフェライトトランスＴ１に供給する。この際、直流成分を除去するため、第１キャパシターＣ１が設けられている。フェライトトランスＴ１によって、アイソレートが行われた後、フェライトトランスＴ１の二次側にはブリッジダイオード４２を介して、二次側の第１キャパシターＣ１に蓄電される。そして、第１キャパシターＣ１に蓄電された電力は、アイソレーテッド電源出力として外部に出力される。
【００５４】
本実施の形態３に係る電源アイソレーション装置１０’’は、ＤＣ／ＤＣコンバータとしての機能を備え、従来から知られたＤＣ／ＤＣインバータよりも更なるローコスト化が可能である。
【００５５】
電源アイソレーション装置１０’’の出力電圧は、フェライトトランスＴ１の１次／２次の巻き数比で決定される。
【００５６】
また、システムクロック等を利用すると、通常では数ＭＨｚ以上なので、直径数ミリのトロイダルコアが使用できる。
【００５７】
（４）応用例
本実施の形態の電源アイソレーション装置１０は、以下に挙げるシステムに応用することも好ましい。
【００５８】
１．医療関連機器の電撃防止策やノイズ防止が要求されるシステム。
【００５９】
２．ＥＭＩの解決が強く要求され、ＤＣ／ＤＣインバータの使用が困難なシステム。
【００６０】
３．電子機器の電源をＤＣ／ＡＣ共に他から分離したいシステム。
【００６１】
４．シングルエンデッド入力回路を擬似的にバランス入力として動作させるシステム。
【００６２】
５．入力電圧とアイソレーテッド電源を相互に接続して各種電圧を得る。（後述する回路例１〜３を参照）
６．その他システムの要求により、共通グランドに不都合がある場合。
【００６３】
（５）他の電圧を得る回路例
以下、回路例１〜３には、電源アイソレーション装置１０を利用して各種電圧を得る例が示されている。
【００６４】
回路例１
図４には、電源アイソレーション装置１０にＤＣ５Ｖの電源が接続されている回路構成が示されている。
【００６５】
この図４において特徴的なことは、電源アイソレーション装置１０のマイナス側出力が電源アイソレーション装置１０のプラス側入力に接続されていることである。
【００６６】
この結果、図４に示されるように、ＤＣ＋５Ｖ、及びＤＣ＋１０Ｖの２種類の異なる電圧の出力が得られる。
【００６７】
回路例２
図５には、電源アイソレーション装置１０のプラス側出力がグランド端子に接続された例が示されている。
【００６８】
この結果、図５に示されるように、ＤＣ−５Ｖの出力が得られる。
【００６９】
回路例３
図６には、電源アイソレーション装置１０のマイナス側出力が電源アイソレーション装置１０のプラス側入力に接続された例が示されている。
【００７０】
この結果、図６に示されるように、ＤＣ−５Ｖ、及びＤＣ＋５Ｖの２種類の異なる電圧の出力が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】電源アイソレーション装置１０の回路構成を示す図である。
【図２】双極双投スイッチ２２を利用した電源アイソレーション装置１０’の回路構成を示す図である。
【図３】トランス方式を採用する電源アイソレーション装置の回路構成を示す図である。
【図４】マイナス側出力とプラス側入力とを接続した電源アイソレーション装置１０の回路構成を示す図である。
【図５】プラス側出力とグランド端子とを接続した電源アイソレーション装置１０の回路構成を示す図である。
【図６】マイナス側出力とプラス側入力とを接続した電源アイソレーション装置１０の回路構成を示す図である。
【符号の説明】
【００７２】
１０、１０’、１０’’  電源アイソレーション装置
１２  第１スイッチ群
１４  第２スイッチ群
１６  制御装置
１８  第１ＩＳＬ信号
２０  第２ＩＳＬ信号
２２  双極双投スイッチ
２４  ホット側単極双投スイッチ
２６  コールド側単極双投スイッチ
２８  第１端子
３０  第２端子
３２  第３端子
３４  第４端子
３６  第５端子
３８  第６端子
４０  クロックドライバー
４２  ダイオードブリッジ
４４  高周波フェライトコア
Ｃ１  第１キャパシター
Ｃ２  第２キャパシター
ＩＳＬ１  第１ホット側スイッチ
ＩＳＬ２  第１コールド側スイッチ
ＩＳＬ３  第２ホット側スイッチ
ＩＳＬ４  第２コールド側スイッチ
Ｌ１、Ｌ２  コイル
Ｔ１  フェライトトランス
【図１】
2010045933.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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