(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エネルギー供給部（２）および負荷（３）に接続可能な無停電電源装置のための回路（５）であって、
容量性エネルギー蓄積部（５２）と、
上記エネルギー供給部（２）および負荷（３）に接続可能であって、上記容量性エネルギー蓄積部（５２）に接続され、電圧が上記エネルギー供給部を介して印加される際に第１の所定の電圧降下が発生すると、上記エネルギー供給部を介する負荷へのエネルギー供給から、上記容量性エネルギー蓄積部からの負荷へのエネルギー供給に切り替えるように設計された切り替えスイッチ（５１）と、
上記エネルギー供給部（２）に接続可能であって、上記容量性エネルギー蓄積部に接続され、上記容量性エネルギー蓄積部を充電するように設計された充電装置（５３）と、
上記容量性エネルギー蓄積部（５２）および充電装置（５３）に接続され、この容量性エネルギー蓄積部の電圧を評価することによって容量性エネルギー蓄積部を監視し、異常が確認されると上記充電装置をスイッチオフするように設計された充電制御装置（５７）と、
上記エネルギー供給部に接続可能であって、上記電圧が上記エネルギー供給部を介して印加される際に第１の所定の電圧降下より小さな第２の所定の電圧降下が発生すると、検出し、異常信号の形態で信号送信するように設計された電圧監視装置（５５）と、
上記容量性エネルギー蓄積部（５２）と切り替えスイッチ（５１）との間に接続され、さらに上記電圧監視装置（５５）に接続され、この電圧監視装置の異常信号が存在すると、アクティブモードに切り替わり、容量性エネルギー蓄積部を放電させることによって、上記負荷（３）に供給するために必要なエネルギーを切り替えスイッチ（５１）に印加できるように設計された放電装置（５４）とを備えた、回路（５）。
【請求項２】
上記容量性エネルギー蓄積部（５２）が、複数の蓄積セル（５２１）と、上記充電装置（５３）と蓄積セルとの間に接続され、蓄積セルを一様に充電するように作用する補償回路（５２２）とを備え、
上記充電制御装置（５７）が、過度に大きな偏差が確認されると充電装置をスイッチオフするために、個々の蓄積素子の電圧を比較する、請求項１に記載の回路。
【請求項３】
蓄積セルをスイッチオンおよびスイッチオフするために、交換回路（５２３）が設けられている、請求項２に記載の回路。
【請求項４】
上記充電制御装置（５７）が、上記容量性エネルギー蓄積部の充電状態を判定するために、容量性エネルギー蓄積部（５２）の電圧を充電制御装置の供給電圧と比較する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の回路。
【請求項５】
上記充電装置（５３）が、電流および電圧リミタ（５３２）および／または消費電力リミタ（５３３）を有する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の回路。
【請求項６】
上記充電装置（５３）が、上記エネルギー供給部（２）にエネルギーが帰還供給されることを防止するための遮断装置（５３１）を有する、請求項１〜５のいずれか一項に記載の回路。
【請求項７】
上記放電装置（５４）が、上記容量性エネルギー蓄積部（５２）によって供給される電圧を、上記負荷（３）の供給電圧に適合させるための電圧変換器として設計された、請求項１〜６のいずれか一項に記載の回路。
【請求項８】
上記放電装置（５４）が、上記電圧監視装置（５５）の異常信号が存在すると、スタンバイモードまたはオフモードからアクティブモードに切り替わるように設計された、請求項１〜７のいずれか一項に記載の回路。
【請求項９】
上記切り替えスイッチ（５１）が、上記容量性エネルギー蓄積部（５２）からエネルギー供給部（２）へのエネルギーの供給を防止するための遮断装置（５１３）を有する、請求項１〜８のいずれか一項に記載の回路。
【請求項１０】
上記電圧監視装置（５５）に接続され、上記電圧監視装置の異常信号が存在すると、上記負荷の部品をスイッチオフするように、および／または、本回路に関する情報を供給するように設計されたステータス監視装置（５６）を備えた、請求項１〜９のいずれか一項に記載の回路。
【請求項１１】
電源ユニット（２）と、
メインプロセッサ（３）と、
この電源ユニットとメインプロセッサとの間に配置された請求項１〜１０のいずれか一項に記載の回路（５）とを備え、
上記電源ユニットがエネルギー供給部（２）として作用し、
上記メインプロセッサ（３）が負荷（３）として作用する、マザーボード（１）。
【請求項１２】
負荷（３）に対して無停電電源を提供する方法であって、
エネルギー供給部（２）に接続された容量性エネルギー蓄積部（５２）を充電し、
上記容量性エネルギー蓄積部（５２）の電圧を評価することによって、容量性エネルギー蓄積部の上記充電を監視し、異常が確認されると上記充電を終了させ、
電圧が上記エネルギー供給部（２）を介して印加される際に第１の所定の電圧降下が発生すると、上記容量性エネルギー蓄積部（５２）を放電させることによって、上記負荷に供給するために必要なエネルギーを印加可能にし、
上記電圧が上記エネルギー供給部（２）を介して印加される際に第１の所定の電圧降下より大きな第２の所定の電圧降下が発生すると、上記エネルギー供給部（２）を介する負荷（３）へのエネルギー供給から、上記容量性エネルギー蓄積部（５２）からの負荷へのエネルギー供給に切り替えることを含む、方法。
【請求項１３】
上記容量性エネルギー蓄積部（５２）が複数の蓄積セル（５２１）を備え、
過度に大きな偏差が確認されると充電プロセスをスイッチオフするために、上記個々の蓄積素子の電圧を充電中に比較する、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
上記蓄積セル（５２１）がスイッチオンまたはスイッチオフ可能な、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
上記エネルギー供給部（２）を介して印加された電圧において第１の所定の電圧降下が発生すると、上記負荷（３）の部品をスイッチオフする、および／または、上記容量性エネルギー蓄積部（５２）からのエネルギー供給に関する情報を利用可能にする、請求項１２〜１４のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、容量性エネルギー蓄積部を備えた、特にコンピュータシステムにおいて使用するための、電子モジュール形態の無停電電源装置のための回路および方法に関する。
【０００２】
各種コンピュータシステムにおいてエネルギーの供給が途切れることは望ましくなく、このような停電が発生すると、たとえ数ミリ秒程度であっても、一般に、コンピュータシステムの機能が十分に破壊される。コンピュータシステムの場合には、重要なコンピュータデータの消失を回避するための制御されたスイッチオフ・プロセスを実行するために、ここでは、コンピュータシステムを無停電電源装置の補助によって正しくシャットダウンするために必要な時間の間、通常のエネルギー供給に不具合がある間の橋渡しをすることが必要である。コンピュータシステムは、この橋渡し期間に、開いているファイル（例えば非常に重要なデータベース）を閉じて、非揮発性読み出し専用メモリに重要なコンピュータデータを保存する。
【０００３】
無停電電源装置（特にコンピュータシステムにおいて使用される無停電電源装置）は、一般に、エネルギー蓄積部として充電式電池を備えている。しかしながら、このような充電式電池は充電時間が長い。さらに、充電式電池の場合には、電流強度が限定される。コンピュータシステム、特にオートメーション技術において使用するためのコンピュータシステムの場合、無停電電源装置をプラグインカードとして、または、コンピュータのマザーボードの一部として設計することが好ましい。ただし、エネルギー蓄積部としての充電式電池は広い空間を必要とし、その結果、充電式電池を備えた無停電電源装置は、コンピュータシステムに組み込むことができても困難がともなう。
【０００４】
コンピュータシステムの場合には、一般に、エネルギーの通常供給が数秒間途切れる間の橋渡しさえすればよいので（これは、この保持時間があれば、コンピュータシステムを制御下においてスイッチオフするためには通常十分だからである）、短い時間ではあるが高い電流強度が実現でき、また、大きな空間を必要としないという特徴を有するる容量性エネルギー蓄積部の使用が増加している。いわゆる二層コンデンサは高い効率および長い寿命を有し、無停電電源装置において使用する容量性エネルギー蓄積部として適している。
【０００５】
主にコンピュータシステムにおいて使用される際に、容量性エネルギー蓄積部を有する無停電電源装置に対して要求される重要な条件の１つは、エネルギーの通常の供給が中断される場合に、制御下におけるシャットダウンまたは重要なコンピュータデータの保存が高い信頼性で保証されるように、迅速に起動することである。容量性エネルギー蓄積部を使用する際には、一般に、無停電電源装置の蓄積素子が指定する電圧をコンピュータの供給電圧に適合させることが必要である。さらに、容量性エネルギー蓄積部を使用する際には、容量性エネルギー蓄積部の破損または破壊を回避するために、個々の要素が一様に充電または放電することを保証ことが必要である。さらに、無停電電源装置は、特にコンピュータシステムにおいて使用する際には、異常が発生した充電プロセスまたは放電プロセス、および、欠陥を有する容量性エネルギー蓄積部を高い信頼性で確定できるように設計する必要がある。
【０００６】
本発明の目的の１つは、接続されてエネルギーの供給をうけるメインシステムの供給電圧、所望の保持時間、および、通信プロトコルに簡便な様態で適合すことができ、さらに、高い信頼性で迅速に反応して、通常のエネルギー供給が途切れる間の橋渡しを確実に実行する、容量性エネルギー蓄積部の補助を用いた電子モジュール形態の無停電電源装置のための回路および方法を提供することである。
【０００７】
この目的は、本発明にしたがって、請求項１の回路、請求項１１のマザーボード、および、請求項１２の方法によって達成される。好ましい具体的な特徴点は従属項に記載する。
【０００８】
本発明によれば、エネルギー供給部と負荷との間に接続された無停電電源装置のための回路は、容量性エネルギー蓄積部を備えている。この場合、上記エネルギー供給部と容量性エネルギー蓄積部とは、電圧が上記エネルギー供給部を介して印加される際に第１の所定の電圧降下が発生すると、上記エネルギー供給部を介する負荷へのエネルギー供給から、上記容量性エネルギー蓄積部からの負荷へのエネルギー供給に切り替えるように設計された切り替えスイッチに接続されている。上記無停電電源装置のための回路は、上記エネルギー供給部と容量性エネルギー蓄積部との間に接続され、この容量性エネルギー蓄積部を充電するように作用する充電装置をさらに備えている。この充電装置は、上記容量性エネルギー蓄積部を監視するために充電制御装置に接続され、異常が確認されると充電装置をスイッチオフする。さらに、上記無停電電源装置のための回路には、上記電圧が上記エネルギー供給部を介して印加される際に第１の所定の電圧降下より小さな第２の所定の電圧降下が発生すると、異常信号を出力する電圧監視装置が配置されている。電圧監視装置のこの異常信号に基づいて、上記容量性エネルギー蓄積部に接続された放電装置が、次に、上記容量性エネルギー蓄積部を放電させることによって、負荷に供給するために必要なエネルギーを切り替えスイッチに印加できるようにする。
【０００９】
本発明に係る上記無停電電源装置のための回路、および、この電源装置を動作させる様態によれば、回路を柔軟に使用することが可能になり、また、回路構成または設備におけるわずかな変化を用いて、複数の入力電圧および供給電圧、所望の保持時間、および、外部通信のための複数のプロトコルに合わせて調整することが可能になる。
【００１０】
本発明によれば、上記容量性エネルギー蓄積部のエネルギーは、上記切り替えスイッチに印加されるようになる。この切り替えスイッチは、上記エネルギー供給部を介して印加される電圧が第１の所定の値だけ低下すると、また、早期にフロントエンド部においては、エネルギー供給部の電圧が第１の値より小さい第２の値未満に低下すると、エネルギー供給部を介する負荷へのエネルギー供給から容量性エネルギー蓄積部からのエネルギー供給に切り替える。この切り替えの結果、無停電電源装置の反応速度は大幅に短縮され、通常のエネルギー供給が中断した後に、エネルギーの供給が変動を発生させずにただちに橋渡しされる。これは、上記無停電電源装置の容量性エネルギー蓄積部のエネルギーが、切り替えスイッチにおいて切り替え時点にはすでに存在しており、切り替えの直後に容量性エネルギー蓄積部から読み出されるわけではないからである。このような読み出しを行うと遅延が発生し、したがって、切り替え中にエネルギーの供給に望ましくない変動が発生する。
【００１１】
本発明に係る上記無停電電源装置のための回路は、大きな空間を必要とせず、したがって、電源ユニットおよびメインプロセッサとともにマザーボード上に直接集積することができるという特徴を有する。本発明にしたがって容量性エネルギー蓄積部の充電プロセスおよび放電プロセスを制御する結果として、具体的には、容量性エネルギー蓄積部の電圧を評価することによって充電プロセスをリアルタイムで監視する結果として、上記容量性エネルギー蓄積部の信頼性の高い機能および長い寿命が実現される。
【００１２】
１つの好適な実施形態によれば、上記容量性エネルギー蓄積部は複数の蓄積セルからなる。また、この蓄積セルの上流には一様に充電するための補償回路が接続され、上記充電制御装置は個々の蓄積セルの電圧を比較して、過度に大きな偏差が確認されると充電装置をスイッチオフする。この過程によって、すべての容量性蓄積素子に同じ電圧が印加され、したがって、各蓄積素子が容量一杯まで充電されることが保証される。この場合、充電プロセスは監視され、個々の容量性蓄積素子の電圧に大きな乖離が発生するとスイッチオフされて、こうすることによって、容量性蓄積素子の破損が回避される。
【００１３】
別の好適な実施形態によれば、上記充電制御装置は、個々の蓄積セルをスイッチオンするまたはスイッチオフできるように設計される。その結果、例えばここでは破損が発生しても動作中に各容量性蓄積素子を交換することができるようになる、または、無停電電源装置に蓄積素子をさらに後付けして、蓄積能力を増加させ、したがって、保持時間を延長することができるようになる。
【００１４】
別の好適な実施形態によれば、上記充電制御装置は、上記各容量性エネルギー蓄積部の電圧を充電制御装置の供給電圧と比較することによって、上記無停電電源装置の容量性エネルギー蓄積部の全体の充電状態を連続的に監視できるように設計される。したがって、無停電電源装置は、各蓄積素子の状態に関する情報、または、保持時間の長さに関する情報を連続的に出力することができる。各容量性蓄積素子の電圧を参照電圧としての充電制御装置の供給電圧と比較するこの過程によって、簡便かつ信頼性の高い評価が提供される。
【００１５】
別の好適な実施形態によれば、上記充電装置は電流および電圧リミタを有し、好ましくは、消費電力リミタをさらに有する。こうすることによって、上記充電プロセスが徐々に進行することが保証され、したがって、容量性エネルギー蓄積部の長寿命が保証される。さらに、このように電力消費を限定することによって、エネルギー供給部を過負荷から高い信頼性で保護することができ、したがって、下流に接続された負荷をエネルギー供給において発生する望ましくない変動から保護することができる。
【００１６】
別の好適な実施形態によれば、上記充電装置は、エネルギーがエネルギー供給部に帰還供給されることを防止するための遮断装置を有する。その結果、エネルギーが容量性エネルギー蓄積部からエネルギー供給部に帰還供給される結果発生する充電損失が回避されるので、より速い充電プロセスが達成される。
【００１７】
別の好適な実施形態によれば、上記放電装置は、上記容量性エネルギー蓄積部によって供給される電圧を負荷の供給電圧に適合させるための電圧変換器として具現化される。これにより、上記無停電電源装置を、下流に接続された負荷が必要とする供給電圧に簡便かつ迅速に適合させることができるようになる。上記放電装置は、通常の動作時にはスタンバイモードまたはオフモードであり、上記電圧監視装置の異常信号が送信されると、すなわち、上記エネルギー供給部を介して印加される電圧が切り替えスイッチの閾値未満である第１の値だけ低下すると、アクティブモードに切り替わることが、さらに好ましい。この回路設計によって、通常のエネルギー供給が途切れると上記放電装置が素早く反応することが保証され、したがって、容量性エネルギー蓄積部のエネルギーが切り替えスイッチに素早く印加されることが保証される。このスタンバイモードまたはオフモードによって、さらに、通常の動作時には、通常のエネルギー供給が機能していれば、上記容量性エネルギー蓄積部からはほんのわずかなエネルギーだけしか流れ出ないことが保証される。こうすることによって、早すぎる放電、および、不必要な充電プロセスの結果として発生する電力需要の増加が防止される。同時に、上述の結果として、容量性エネルギー蓄積部の蓄積能力は、充電プロセスおよび放電プロセスをある特定の回数繰り返すと一般に減少するので、容量性エネルギー蓄積部の寿命が延長される。
【００１８】
別の好適な実施形態によれば、上記切り替えスイッチは、エネルギーが容量性エネルギー蓄積部からエネルギー供給部に帰還供給を防止するための遮断装置を有する。こうすることによって、容量性エネルギー蓄積部の迅速な放電が防止される。
【００１９】
以下の記載において、添付の図面を参照しながら本発明についてより詳細に説明する。
【００２０】
図１は、本発明に係る無停電電源装置のブロック図を示している。
【００２１】
図２は、充電制御装置が、容量性蓄積素子またはその充電装置を監視するためのフローチャートを示している。
【００２２】
無停電電源装置は、電力供給グリッドにおいて障害が発生した場合に、重要な電気的負荷のためにエネルギーを確実に供給するために使用される。したがって、例えばコンピュータシステムの場合、特に制御用機器やオートメーション設備を配備する場合に、電力供給が途切れた際のデータの消失を回避するために、無停電電源装置が設置される。たとえミリ秒単位の電力供給の不具合であっても、コンピュータシステムの場合には、コンピュータシステムのクラッシュにつながる可能性がある。電力供給の不具合が発生した時に、重要なコンピュータデータが非揮発性読み出し専用メモリに保存できる、制御下におけるシャットダウンを実行するだけの十分な時間をコンピュータシステムに与えるために、エネルギーの供給は、無停電電源装置の補助を用いて変動がない状態で維持される。
【００２３】
コンピュータシステムにおける使用例、および、ここではメインプロセッサを備えたマザーボードの一部として、本発明に係る無停電電源装置について説明する。コンピュータシステムの場合に制御下においてシャットダウンを実行するために必要な橋渡し期間は一般に秒単位であって、本発明に係る無停電電源装置はこの橋渡し期間に対応する保持時間に合わせて設計されている。ただし、本発明に係る無停電電源装置を、コンピュータシステムではなく、より長いまたは短い保持時間を必要とする下流に接続された他の負荷に用いる可能性もある。
【００２４】
図１は、電源ユニット２、メインプロセッサ３、メモリ４、および、無停電電源装置５を装備したマザーボード１を示している。この場合、電源ユニット２が供給線６を介してメインプロセッサ３にエネルギーを供給する。この供給線６には、無停電電源装置５が挟み込まれている。図１に示す無停電電源装置５は、下流に接続されたメインプロセッサ３を、電源ユニット２による通常の電圧供給の不具合発生後の数秒間という短い期間、正常に機能している状態で維持するように設計されている。無停電電源装置５をこのように設計することによって、メインプロセッサ３は制御された状態でシャットダウンすることができ、さらに、この場合であれば重要なプロセッサのデータを、例えば作動中の揮発性メモリから非揮発性のメモリ４に保存することができる。また、例えばＢＩＯＳチップ、インターフェースに関する各種部品、機能拡張カード（例えば、グラフィックスカード、サウンドカード、ネットワークカード）などの、その他の部品をマザーボード１に搭載してもかまわない。これらの他の部品は一般に、メインプロセッサ３と同様に無停電電源装置５を介して電源ユニット２に接続されて、エネルギーが供給される。ただし、上記他の部品が、電力供給グリッドにおける障害時に変動を発生させずにエネルギーの供給を確保しなければならないほど重要な負荷ではないのであれば、これらの部品を、無停電電源装置を通さずに電源ユニット２に直接接続する可能性もある。
【００２５】
電源ユニット２は、マザーボード１に組み込むのではなく、独立した部品として具現化してもかまわない。コンピュータの場合、電源ユニット２の出力は通常２００Ｗ〜６００Ｗであるが、要件に応じてもっと高くてもよい。さらに、電源ユニット２は、複数の電圧で作動できるように設計されてもよい。この場合、複数の電圧間の切り替えは手動で行っても、自動的に行ってもかまわない。こうすることによって、コンピュータ電源ユニットは、例えば１００Ｖ〜２５０ＶのＡＣ電源電圧、または、例えば２４ＶのＤＣ電圧で作動可能である。さらに、電源ユニット２は、一般にＡＣ／ＤＣ変換器として設計されており、例えばグラフィックスカードおよび駆動系には１２Ｖ、メインプロセッサおよび外部接続には５Ｖ、および、メモリには３．３Ｖという具合に、複数の出力電圧を供給することができる。
【００２６】
無停電電源装置の切り替えスイッチ５１は、電源ユニット２と下流に位置する電力供給が重要な各種負荷（例えば図１のメインプロセッサ３）との間の供給線６の途中に配置されている。切り替えスイッチ５１はパワースイッチ５１２を有する。このパワースイッチ５１２は、通常の動作時に、電源ユニット２によって障害のない電力供給が行われている場合には、電源ユニットの電力をそのまま下流のメインプロセッサ３に導く。ただし、電源ユニット２から供給されて供給線６を流れる、メインプロセッサ３の所望の供給電圧が所定の閾値未満に低下すると、切り替えスイッチ５１は、無停電電源装置５によるメインプロセッサ３へのエネルギー供給に切り替える。
【００２７】
この目的を達成するために、切り替えスイッチ５１は比較器５１２を有する。この比較器５１２は、電源ユニット２が供給する供給線６上の電圧をサンプリングし、保存されている閾値と比較して、供給電圧が閾値未満に低下すると対応する異常信号を発信する。これによって、切り替えスイッチ５１中のパワースイッチ５１１が、電源ユニット２によるエネルギー供給から無停電電源装置５によるエネルギー供給に切り替える。この場合、切り替えスイッチ５１中の比較器５１２は、電源ユニット２が供給する供給電圧が所定の閾値を再度超えると、直ちに、無停電電源装置５によるメインプロセッサ３へのエネルギー供給から電源ユニット２によるエネルギー供給に切り替えて元に戻すように設計される。
【００２８】
さらに、切り替えスイッチ５１は遮断装置５１３を有する。この遮断装置５１３は、無停電電源装置５から電源ユニット２へエネルギーが供給され、さらにその結果、電力供給グリッドへエネルギーが供給されることを防止する。切り替えスイッチ５１をこのように帰還供給を抑制するように設計することによって、無停電電源装置を介して負荷に供給する間の電力損失が確実に防止される。さらに、切り替えスイッチ５１中のパワースイッチ５１１は、接続されている負荷（つまり図１のメインプロセッサ３）に対して、エネルギー供給が電源ユニット２を介して行われているのか、または、無停電電源装置５によって行われているのかをデータインターフェース５１４を介して示唆する、ステータス信号を生成する。
【００２９】
無停電電源装置５の中心となる部品は容量性エネルギー蓄積部５２である。容量性エネルギー蓄積部は、自己放電がほとんどないこと、ならびに、化学的な変換プロセスを用いないでエネルギーを蓄積し、その結果、高い効率および長い寿命が達成可能であることに特徴がある。容量性エネルギー蓄積部５２は、好ましくは、複数の容量性蓄積セル５２１の組み合わせからなる。この場合、大きな空間を必要としないこと、長寿命であること、および、自己放電がほとんどないことを特徴とする、いわゆる二層コンデンサが容量性蓄積セルの主要な例として適している。図１に概略的に示すように、各容量性蓄積セル５２１を直列回路および／または並列回路の形態で適切に相互接続することによって、所望の電力パラメータ、具体的には保持時間および出力電力が設定できる可能性がある。したがって、複数の長さの保持時間を設定することが可能である。例えば、一般に、図１に示すメインプロセッサ３の場合に、メインプロセッサを制御しながらスイッチオフできるように、無停電電源装置が電力供給の不具合の間の橋渡しをするためには、数秒間程度の保持時間を設定すれば十分である。また、例えばオートメーションシステムにおける重要な電気的負荷への供給を確保するためには、数十分間の保持時間が必要である。
【００３０】
容量性蓄積セル５２１の組み合わせの上流には、補償回路５２２が接続されている。この補償回路は、容量性蓄積セルを完全に充電できるように、容量性蓄積セル５２１を一様に充電することを可能にする、すなわち、充電中のすべての容量性蓄積セル５２１に同じ電圧が印加されることを保証する。異なる充電電圧が容量性蓄積セル５２１に印加されると、個々の蓄積セルが過充電されて、蓄積セルが破壊される原因となる危険性がある。この場合には、補償回路５２２は、一般に製造過程によって決まる様態のわずかな違いがある蓄積セル５２１の内部抵抗を補償して、個々の蓄積セルにおいて同一の充電電圧を供給できるように設計される。
【００３１】
さらに、容量性エネルギー蓄積部５２は交換装置５２３（以下の記載ではホットプラグ回路とも称する）を有する。このホットプラグ回路５２３は、エネルギー供給が電源ユニットを介して行われる無停電電源装置の通常動作中に、個々の容量性蓄積セル５２１の切り替え、または、スイッチオンもしくはスイッチオフを可能にする。したがって、ホットプラグ回路５２３は、特に、並列に接続された蓄積セルを有する容量性エネルギー蓄積部５２において使用するために適している。ホットプラグ回路５２３を用いることによって、個々の蓄積セルの枝部を取り外したり、追加したりできるようになる。したがって、ホットプラグ回路５２３は、たとえ作動中であっても、例えば無停電電源装置がオートメーションシステムにおいて制御コンピュータとして使用されるのであれば、異常が発生した容量性蓄積セルを交換することを可能にし、また、他の場合であれば、使用条件の変更（例えば保持時間の延長）に対して無停電電源装置を柔軟に適合させることを可能にする。
【００３２】
上記無停電電源装置中の容量性エネルギー蓄積部５２の上流には、エネルギー蓄積部５２の容量性蓄積セルを電源ユニット２を介して充電するための充電装置５３が接続されている。充電装置５３は、好ましくは帰還供給抑制型の電圧電流レギュレータであって、電源ユニット２の供給電圧を容量性蓄積セル５２１の充電電圧に合わせて調整する。この場合、電圧電流レギュレータ５３は、容量性蓄積セル５２１を充電するために電源ユニット２の供給電圧を上昇させなければならないのであれば、いわゆるステップアップレギュレータとして設計され、電源ユニット２の供給電圧が容量性蓄積セル５２１の充電電圧より高いのであれば、ステップダウンレギュレータとして設計され、電源ユニット２の供給電圧が容量性蓄積セル５２１の充電電圧を超えることも、これに満たないこともあるのであれば、Ｓｅｐｉｃコンバータとして設計される。このように充電装置５３の補助を利用して供給電圧を容量性エネルギー蓄積部の充電電圧に合わせる電圧調整を行う結果として、無停電電源装置は、エネルギー供給部の複数の供給電圧で柔軟かつ簡便に動作可能である。
【００３３】
上述の充電装置５３の帰還供給を抑制する設計は、容量性エネルギー蓄積部５２からのエネルギーが電源ユニット２、つまりエネルギー供給部へ流れて戻ることを防止する遮断装置５３１を用いて実現される。さらに、充電装置５３は、容量性エネルギー蓄積部５２の充電プロセスが徐々に進行することを保証し、こうすることによって容量性エネルギー蓄積部の寿命を延ばすために、電圧電流リミタ５３２を有する。さらに、好ましくは、充電装置５３には、供給電源ユニット２を過負荷から保護し、こうすることによって、下流に接続された負荷をエネルギー供給の不安定要素から保護する消費電力リミタ５３３も設けられる。
【００３４】
さらに、容量性エネルギー蓄積部５２と切り替えスイッチ５１との間には、放電装置５４が配置されている。この放電装置５４は、下流に接続された負荷（つまり図１のメインプロセッサ３）に対する供給電圧が、無停電電源装置を介して負荷に供給されるのであれば、容量性エネルギー蓄積部によって供給される電圧より高いのかもしくは低いのか、または、容量性エネルギー蓄積部によって供給される電圧が負荷の供給電圧より高いか低いかのいずれかであるのかに応じて、ステップアップ電圧変換、ステップダウン電圧変換、または、Ｓｅｐｉｃ電圧コンバータとして設計される。
【００３５】
放電装置５４は、容量性エネルギー蓄積部５２によって供給される電圧を、切り替えスイッチ５１のパワースイッチ５１１に印加し、次に、パワースイッチ５１１がこの電圧を切り替えて、電源ユニット２を介するエネルギー供給から無停電電源装置５へ切り替えた後に、さらに下流の負荷に印加し、こうすることによって、容量性エネルギー蓄積部５２が放電するまで上記負荷にエネルギーを供給する。この場合、放電装置５４は、通常の動作時には、負荷に電源ユニット２を介して供給され、かつ、無停電電源装置５がアクティブではなければ、放電装置５４がスイッチオフされる、または、スタンバイ状態にあるように設計される。こうすることによって、放電装置５４が、通常の動作時には、容量性エネルギー蓄積部５２からできるかぎりエネルギーを引き抜かないという効果が達成される。これによって、望ましくない容量性エネルギー蓄積部の恒常的な再充電が防止される。容量性エネルギー蓄積部が耐えられる充電および放電の繰り返し回数には一般に限りがあるので、こうすることによって、容量性エネルギー蓄積部５２の寿命が延びる。
【００３６】
また、供給線６上の電圧または電源ユニット２における電圧を常時監視する、電圧監視装置５５が設けられる。電圧監視装置５５を設置する目的は、供給電圧におけるたとえ小さな変動でもクラッシュにつながり、これによってデータの消失にもつながる可能性がある、メインプロセッサ３のエネルギー供給の橋渡しとして使用する場合に特に必要とされるように、電源ユニット２を介する通常のエネルギー供給が中断された際に無停電電源装置の高い反応速度を達成するためである。この場合、一般的には、電圧監視装置５５は、印加供給電圧を電源ユニット２の上流でエネルギー供給線に直接つながれる。ただし、供給電圧がＡＣ電圧であって、電源ユニット２においてＤＣ電圧に変換されるのであれば、供給電圧は電源ユニット２の下流で監視される。電源ユニットが存在せず、かつ、下流の負荷のための供給電圧が外部から供給されるのであれば、供給電圧は供給点において測定される。
【００３７】
電圧監視装置５５は、測定した供給電圧を閾値と比較し、電圧値が閾値未満に低下すると異常信号を発信する比較器５５１を有する。この第２の閾値は、切り替えスイッチ５１のために定めた第１の閾値の場合に比べると、所望値との差が小さい。この結果、切り替えスイッチ５１が電源ユニットによって供給される供給電圧から無停電電源装置に切り替える前に、電圧監視装置５５の方が、先に、通常のエネルギーの供給の異常を知らせる信号を発する。閾値の比較の代替として、電圧監視装置５５の比較器５５１は、供給電圧の低下が確認されると、異常信号を発信するように設計されてもかまわない。この場合、供給電圧における降下（が切り替えスイッチによって確認されること）によって通常のエネルギー供給から無停電電源装置への切り替えプロセスが実行される前に、電圧監視装置５５はすでに異常信号を送信している。
【００３８】
電圧監視装置５５は異常信号を放電装置５４に送信し、この信号送信に伴って放電装置５４はオフモードまたはスタンバイモードからアクティブモードに遷移し、ただちに、容量性エネルギー蓄積部５２によって供給される電圧を切り替えスイッチ５１に印加する。この過程によって、通常のエネルギー供給から無停電電源装置への切り替えプロセスが実際に起こる前に、無停電電源装置の容量性エネルギー蓄積部５２の電圧が切り替えスイッチにおいてすでに存在していることが保証され、さらに、その結果、切り替えの間に変動を発生させない遷移が保証され、これによって、下流の負荷のための信頼性の高いエネルギー供給が提供される。
【００３９】
さらに、無停電電源装置は、電圧監視装置５５に接続されたステータス監視装置（好ましくはマイクロコントローラ）５６を有する。電圧監視装置５５は、通常のエネルギー供給において障害が確認されると、異常信号をステータス監視装置５６に送信する。ステータス監視装置５６は無停電電源装置の外部の通信の役割を負い、この目的を達成するために、図１に示すように、外部タッピンクのための対応するデータインターフェース５６１を有する。具体的には、今起ころうとしている通常のエネルギー供給の中断が先に早期に負荷に知らされるように、ステータス監視装置５６は、無停電電源装置を下流の負荷（ここではメインプロセッサ３）に接続する。さらに、ステータス監視装置５６は、無停電電源装置の機能を監視するために、例えば全動作時間のカウンター、動作時間のカウンター、温度測定装置などの、別の機能を有していてもよい。具体的には、無停電電源装置を駆動する場合に、周囲の環境の変数（例えばマザーボードの動作温度）を求め、そして、これらのデータをメモリ内において、続いてインターフェースを介して外部へ読み出しできる状態にし、そして、このデータから例えば通常のエネルギー供給が中断された理由を判定できるように、ステータス監視装置５６を設計することも可能である。
【００４０】
さらに、電圧監視装置５５からの異常信号が存在すれば、下流に接続された個々の負荷部品を予想される時間スケジュールに合わせてスイッチオフし、こうすることによって、無停電電源装置の駆動時に電力の供給が非常に重要な負荷にだけ電力が供給されることを保証し、さらに、無停電電源装置に対して不必要な負荷をかけることを回避して、保持時間の延長を達成するように、ステータス監視装置５６を対応する制御装置を介して設計してもかまわない。無停電電源装置に切り替える前に通常のエネルギー供給の中断をこのように早期に信号で知らせる結果として、メインプロセッサ３は、早期に、重要なデータを読み出し専用メモリ４に保存するために制御下におけるシャットダウンを始めることができる。この結果、データ消失に対する安全性が増加する。
【００４１】
さらに、無停電電源装置５は、容量性エネルギー蓄積部５２および充電装置３３に接続された充電制御装置５７を有する。充電制御装置５７は、好ましくはマイクロコントローラであって、容量性エネルギー蓄積部５２の電圧を評価することによって、容量性エネルギー蓄積部５２の充電状態を監視し、異常が確認されると充電装置５３をスイッチオフするように設計される。この場合、充電制御装置５７が容量性エネルギー蓄積部５２の１つの蓄積セル５２１において電圧降下を記録すると、すなわち、１つの蓄積セルにおける電圧がその他の蓄積セルにおける電圧未満に低下し、それゆえ、個々の蓄積セル５２１における電圧間にアンバランスが発生すると、充電制御装置５７は、過充電によって上記他の蓄積セルを破壊してしまうことを防止するために、充電装置５３を介してさらに充電するプロセスを確実に終了させる。
【００４２】
さらに、充電制御装置５７は、容量性エネルギー蓄積部５２およびその各蓄積セルの状態に関する情報、さらに、この場合には、特に蓄積セル５２１の充電状態に関する情報を、ステータス監視装置５６に連続的に送信するために、ステータス監視装置５６に接続される。そして、ステータス監視装置５６は充電制御装置５７が送信してきた情報を、次に例えばメインプロセッサに送信して、メインプロセッサが無停電電源装置の各種機能または性能に関する最新情報を常に保有し、これに応じて反応できるようにする。
【００４３】
充電制御装置５７は、容量性エネルギー蓄積部５１の個々の蓄積セル５２１間の電圧または充電容量の差を測定して、すべての蓄積セルが正しく機能しているかどうか、または、どの蓄積セルに欠陥があるのかを確認することも、絶対的な測定を実施して、容量性エネルギー蓄積部５１の全体の充電状態を判定することも、どちらもできる。この絶対的な測定を実施する場合、充電制御装置の供給電圧は、さらに比較器５７１を介して監視され、好ましくは、参照値として使用される。また、充電制御装置５７は、電圧監視装置５５から上記異常信号の供給を受けて、充電装置５３をスイッチオフする。
【００４４】
さらに、充電制御装置５７は、内的保護のために内部監視装置５７２を有する。この内部監視装置５７２は、異常がおきた場合、機能的な異常が充電制御装置において発生すると、容量性エネルギー蓄積部５２の機能的な監視を再度改めて開始するために、充電制御装置をリセットする。
【００４５】
図２は、充電制御装置５７が実施する機能監視のフローチャートを示している。この場合、監視サイクルの長さは一般に１ｍｓ未満である。充電制御装置５７の内部監視装置５７２は、通常定期的に生成される内部信号が特定の期間（例えば２０ｍｓ）トリガーされなければ、充電制御装置５７のリセットが実行されるように設計される。このようなリセットは、例えば、充電制御装置５７の内部ソフトウェアのクラッシュまたは誤動作によってトリガーすることができる。
【００４６】
充電制御装置による機能監視の開始時に、初期状態を第１のステップＳ１において規定する。この初期状態の規定には、測定ループの回数を規定（図２に示す一例としての実施形態ではｉ＝１０）し、こうして監視サイクルの長さを規定することをともなう。さらに、出力電圧値を固定（Ｍ＿ＯＬＤ＝０）し、通常のエネルギー供給が正常に実施されると仮定する（ＳＴＡＴＵＳ＝０）。
【００４７】
ステップＳ２では、充電制御装置が、容量性エネルギー蓄積部の合計電圧Ｍ（ｉ）および個々の蓄積セルの電荷量ＣＳを求める。次に、ステップＳ３において、測定した個々の蓄積セルの電荷量がほぼ等しいかどうか、または、所定の許容範囲ＴＯＬに収まっているかどうかを、差の算出の補助を用いて確認する。この結果が「ｎｏ」であれば、ステップＳ４において充電装置をスイッチオフし、ステップＳ５において、好ましくは、蓄積セルの機能異常ＦＡＩＬをステータス監視装置に知らせる。そして、監視はステップＳ６において終了する。
【００４８】
差を算出した上記結果が「ｙｅｓ」であれば、ステップＳ７において、通常のエネルギー供給のステータスを求める。この目的を達成するために、電圧監視装置によって供給され、通常の動作（Ｓ＝０）または通常の電圧供給の中断（Ｓ＝１）を知らせる信号を、充電装置に保存されているステータス値と比較する。この比較結果が「ｎｏ」であれば、ステップＳ８において、充電制御装置に保存されているステータス値ＳＴＡＴＵＳを、電圧監視装置によって転送されるステータス値に設定する。そして、ステップＳ９において、このステータス値が通常のエネルギー供給の中断を知らせるものである（ＳＴＡＴＵＳ＝１）かどうかをチェックする。この結果が「ｙｅｓ」であれば、ステップＳ１０において、好ましくは、異常信号ＦＡＩＬをステータス監視装置に送信する。一方で、上記結果が「ｎｏ」であれば、ステップＳ１１において通常の動作ＯＫを示唆する。
【００４９】
ステップＳ１０またはステップＳ１１の後に、ステップＳ１２において、所定の供給電圧ＶＳが存在するかどうかを、充電制御装置の比較器の補助を用いてチェックする。ステップＳ７において通常のエネルギー供給を予め保存されている値とステータスについて比較した結果が、一致することを示唆していれば、フローは直接ステップＳ１２に進む。充電制御装置の供給電圧ＶＳが所望の値Ｗを有しなければ、このことがステップＳ１３において信号ＦＡＩＬによって、好ましくはステータス監視装置に知らされて、フローは次にステップＳ２に進む。
【００５０】
充電制御装置の所望の供給電圧ＶＳが確認されれば、ステップＳ１４では、充電制御装置に予め保存されている電圧値Ｍ＿ＯＬＤが０、すなわち、リセットされた初期値であるかどうかをチェックする。「ｙｅｓ」であれば、ステップＳ１５において、電圧値Ｍ＿ＯＬＤをステップＳ２で測定された電圧値Ｍ（ｉ）に設定し、フローは次にステップＳ２に進む。
【００５１】
この結果が「ｎｏ」、すなわち、充電制御装置に保存されている電圧値Ｍ＿ＯＬＤがリセットされた初期値０に対応しなければ、ステップＳ１６において、上記測定ループの所定回数が完了したかどうか、すなわち、ループ変数が０であるかどうかをチェックする。この結果が「ｎｏ」であれば、ステップＳ１７では、ループ変数ｉを１だけ減じ、フローはステップＳ２に進む。
【００５２】
測定ループの所定回数が完了したのであれば、すなわち、ループ変数ｉが０であれば、ステップＳ１８において、保存されている電圧値Ｍ＿ＯＬＤが現在の測定電圧値Ｍ（ｉ）に対応するかどうか比較する。この比較結果が、容量性エネルギー蓄積部の状態が変化していないことを意味する「ｙｅｓ」であれば、ステップＳ１９においてループ変数ｉを再度リセットし（ｉ＝１０）、新しい監視サイクルをステップＳ２において開始する。
【００５３】
上記比較結果が「ｎｏ」であれば、すなわち、現在の測定電圧値Ｍ（ｉ）が予め保存されている充電制御装置の電圧値Ｍ＿ＯＬＤに対応しないのであれば、ステップＳ２０において、現在の電圧値Ｍ（ｉ）が保存されている電圧値Ｍ＿ＯＬＤより大きいかどうかをチェックする。この結果が「ｎｏ」であれば、ステップＳ２１において、好ましくは、容量性エネルギー蓄積部が放電したことをステータス監視装置に知らせる。上記結果が「ｙｅｓ」であれば、つまり、上記測定電圧値が保存されている電圧値より大きければ、ステップＳ２２では充電プロセスを示唆する。
【００５４】
ステップＳ２１またはステップＳ２２の後に、ステップＳ２３において、保存されている充電制御装置の電圧値を、現在の測定電圧値に設定し、フローは次にステップＳ１９に進み、測定ループの回数を再度１０に設定する、すなわちリセットする。
【００５５】
図２に示すように充電制御装置の機能を監視するスキームを用いれば、容量性エネルギー蓄積部の監視を簡便に、かつ、高い信頼性で実施することができる。本発明に係る無停電電源装置のための回路を用い、さらに、この回路を提示したように動作させることによって、負荷への通常のエネルギー供給が途切れる間、信頼性が高く迅速に反応する橋渡しが実現できる。この場合、上記回路を、エネルギーを供給する対象となる接続されている各負荷の供給電圧、設計上の保持時間、および、通信プロトコルに合わせて簡便かつ柔軟に調節することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明に係る無停電電源装置のブロック図を示している。
【図２】充電制御装置が、容量性蓄積素子またはその充電装置を監視するためのフローチャートを示している。
【図１】
0005289616.tif 000002
【図２】
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