CN102629832B - 切换电源和图像形成装置 - Google Patents

Abstract

本公开涉及切换电源和图像形成装置。在切换电源中，电流检测电阻器与切换单元连接以检测流过切换单元的电流。二极管与电流检测电阻器并联连接以减少由通过电流检测电阻器的电感分量产生的反电动势在切换单元中产生的热。

Description

切换电源和图像形成装置

技术领域

本发明涉及用于向电子器件供给电力的切换电源。

背景技术

以下参照图8和图9描述切换电源的例子。在图8中，在一次电解电容器C1中充电的直流电压Vin通过变压器T1的一次绕组被供给到用作切换元件的场效应晶体管FET1的漏极端子。场效应晶体管FET1的源极端子通过电流检测电阻器Ris与一次电解电容器C1连接。变压器T1的二次绕组通过二次整流器二极管D3与二次电解电容器C2连接。跨二次电解电容器C2存储的直流电压Vout作为来自切换电源的输出电压被输出。直流电压Vout通过电阻器R3和电阻器R4被分压，并且被分压的电压被供给到分路调节器IC2的基准端子。分路调节器IC2的阴极端子与光电耦合器PC-FB的LED连接。光电耦合器PC-FB的光电晶体管与PWM控制模块IC1连接。光电耦合器PC-FB的光电晶体管的集电极电压用作切换电源的输出电压Vout的反馈信号(也称为FB信号)。FB信号被PWM控制模块IC1中的电阻器R1上拉并被输入到PWM放大器AMP1的反相输入端子。从三角波信号产生器向PWM放大器AMP1的非反相输入端子供给三角波信号(也称为OSC信号)。

参照图9，当OSC信号的电压比FB信号的电压高时，如在时间t0，PWM放大器AMP1输出高电平(H电平)信号。从PWM放大器AMP1输出的信号被供给到OR电路的输入端子。OR电路的另一输入端子被供给来自双稳态多谐振荡器(flip-flop)电路FF的Q输出。在时间t0，双稳态多谐振荡器电路FF的Q输出如后面解释的那样处于低电平(也称为L电平)，并且由此OR电路的输出处于高电平(也称为H电平)。来自OR电路的输出被供给到包含用作切换元件的场效应晶体管FET2(为P沟道MOSFET)和也用作切换元件的场效应晶体管FET3(为N沟道MOSFET)的输出缓冲器电路。因此，来自PWM控制模块IC1的输出信号(也称为OUT信号)处于L电平。OUT信号被供给到场效应晶体管FET1的栅极端子。因此，场效应晶体管FET1关断。

在时间t1，如果OSC信号的电压变得低于FB信号的电压，则PWM放大器AMP1的输出变为L电平，OR电路的输出变为L电平，并且，OUT信号变为H电平。因此，场效应晶体管FET1接通，并且漏极电流Id流过场效应晶体管FET1。在时间t2，如果OSC信号的电压再次变得比FB信号的电压高，则PWM放大器AMP1的输出变为H电平，OR电路的输出变为H电平，并且OUT信号变为L电平。因此，场效应晶体管FET1关断，并且，漏极电流Id的流动停止。

然后，在时间t3以及在随后的时段中，切换电源的输出电流Iout增加并且输出电压Vout轻微下降。作为响应，分路调节器IC2减少流过光电耦合器PC-FB的LED的电流。作为结果，FB信号增加，并且，场效应晶体管FET1的t4～t5的ON时段(也称为ON脉冲宽度)的长度增加。作为结果，输出电压Vout轻微地增加。

PWM控制模块IC1控制场效应晶体管FET1的ON时段(通过PWM控制)以按上述的方式使输出电压Vout稳定化。

上述的类型的切换电源通常具有过载保护电路。更具体而言，过载保护电路操作以使得通过与场效应晶体管FET1的源极端子连接的电流检测电阻器Ris检测场效应晶体管FET1的漏极电流Id，并且，如果漏极电流Id变得等于预定值，更具体而言，等于Vref/Ris，则场效应晶体管FET1被接通，由此，切换电源的负载电流限于预定的额定值Ip或更小。

以下进一步详细描述过载保护电路的操作。场效应晶体管FET1的漏极电流Id通过电流检测电阻器Ris被转变成电压，并且作为电流检测信号IS被供给到PWM控制模块IC1中的电流感测放大器AMP2的非反相输入端子。电流感测放大器AMP2的反相输入端子与恒定电压源Vref连接。当如在t0～t8的时段中漏极电流Id的值小于Vref/Ris时，电流检测信号IS的电压低于Vref，并且，放大器AMP2的输出处于L电平。放大器AMP2的输出被供给到双稳态多谐振荡器FF的S输入端子。

双稳态多谐振荡器FF的R输入端子被供给OSC信号，使得当OSC信号具有峰值时双稳态多谐振荡器FF被复位。因此，双稳态多谐振荡器FF在OSC信号处于其峰值的时间t1、t4、t6、t8被复位。在该时段中，双稳态多谐振荡器FF的S输入端子处于L电平，因此，双稳态多谐振荡器FF的Q输出处于H电平。双稳态多谐振荡器FF的Q输出被供给到OR电路。因此，在t0～t8的时段中，场效应晶体管FET1的切换操作不接收任何影响。在时间t9，如果漏极电流Id的值达到Vref/Ris，则电流检测信号IS的电压变得高于Vref，并且，放大器AMP2的输出变为H电平。作为结果，双稳态多谐振荡器FF的Q端子变为H电平，OR电路的输出变为H电平，并且，OUT信号变为L电平，由此，场效应晶体管FET1关断。在时间t10，双稳态多谐振荡器FF被复位，并且，场效应晶体管FET1再次接通。但是，当漏极电流Id达到Vref/Ris(在时间t11)时，场效应晶体管FET1关断。如上所述，漏极电流Id被限制为等于Vref/Ris的预定值。因此，切换电源的输出电流Iout也被限制为预定值Ip。例如，可以在日本专利公开No.2004-312901中找到上述技术的描述。

上述切换电源具有以下的问题。

场效应晶体管FET1的漏极电流Id具有间歇的三角波形。因此，流过电流检测电阻器Ris的电流也具有间歇的三角波形。鉴于以上的情况，通常，使用具有高脉冲电阻的电阻器作为电流检测电阻器Ris。例如，图10A所示的通过将金属导线缠绕成线圈的形式而形成的绕线(wirewound)电阻器、图10B所示的通过在圆筒电阻器膜中切割螺旋状狭缝形成的膜电阻器。

借助于它们的线圈结构，这些类型的电阻器具有电感Lis。如以下参照图11和图12描述的那样，电流检测电阻器Ris的电感Lis影响操作。

在时间t21，如果场效应晶体管FET1的栅极-源极电压Vgs增加到超过栅极阈值电压Vth，则漏极电流Id开始流动并且漏极电流Id的值逐渐增加。漏极电流Id还流过电流检测电阻器Ris的电感Lis。在时间t22，如果栅极-源极电压Vgs下降至低于栅极阈值电压Vth，则漏极电流Id突然减小。这导致跨电感Lis出现反电动势Vs。该反电动势Vs出现，使得其极性在场效应晶体管FET1的源极端子上为负，并且在PWM控制模块IC1的GND端子上为正。PWM控制模块IC1中的FET3包含体二极管D1。因此，如图11中的虚线所示，通过包含IC1的GND端子→体二极管D1→场效应晶体管FET1的栅极的路径，在场效应晶体管FET1的栅极和源极之间施加反(back)电动势(反电动电压)Vs。作为响应，如图12中的时间t23所示，场效应晶体管FET1的栅极-源极电压Vgs增加至超过阈值电压Vth，这导致场效应晶体管FET1再次接通。作为结果，漏极电流Id开始流动。在这种状态下，场效应晶体管FET1的漏极-源极电压Vds具有非常高的值，这会导致在场效应晶体管FET1中发热。在最坏的情况下，场效应晶体管FET1被破坏。

鉴于上述的问题，本发明提供减少由通过电流检测电阻器的电感产生的反电动势导致的在切换元件中产生的热的技术。

发明内容

在一个方面中，本发明提供一种切换电源，该切换电源包括：被配置为驱动变压器的一次绕组的切换单元；与切换单元连接并被配置为检测流过切换单元的电流的电流检测单元；和与电流检测单元并联连接并被配置为降低由电流检测单元的电感产生的电动势的电动势降低单元。

参照附图阅读示例性实施例的以下说明，本发明的其它特征将变得十分明显。

附图说明

图1是根据本发明的第一实施例的切换电源的电路图。

图2是示出与根据本发明的第一实施例的电路相关的操作波形的示图。

图3是根据本发明的第二实施例的切换电源的电路图。

图4是示出与根据本发明的第二实施例的电路相关的操作波形的示图。

图5是根据从本发明的第二实施例修改的替代性实施例的切换电源的电路图。

图6是根据本发明的第三实施例的切换电源的电路图。

图7是示出与根据本发明的第三实施例的电路相关的操作波形的示图。

图8是示出切换电源的示图。

图9是示出与图8所示的电路相关的操作波形的示图。

图10A和图10B是示出电流检测电阻器的结构的示图。

图11示出切换电源的电路的例子。

图12示出与图11所示的电路相关的操作波形。

图13A和图13B是示出切换电源的应用的例子的示图。

具体实施方式

以下结合附图参照实施例进一步详细描述本发明。更具体而言，以下描述根据本发明的实施例的切换电源的结构及其操作。注意，作为例子而不是限制提供这些实施例。

参照图1和图2，以下描述根据本发明的第一实施例的切换电源。在第一实施例中，二极管Dc1与电流检测电阻器Ris并联连接，使得由电流检测电阻器的电感Lis产生的反电动势(反电动电压)通过二极管Dc1的正向电压Vf被箝位，以由此防止场效应晶体管FET1再次接通。即，二极管Dc1用作电动势减小电路。注意，电流检测电阻器可以是通过将金属导线缠绕成线圈的形式而形成的绕线电阻器、或通过在圆筒电阻器膜中切割螺旋状狭缝形成的膜电阻器(参见图10A和图10B)。

图1示出根据第一实施例的切换电源的主要部分。切换电源的主要部分以与图8所示类似的方式被配置，即，以预定的频率通过切换元件驱动变压器的一次绕组，使得从变压器的二次绕组输出电压。在图1中，与图8类似的元件由类似的附图标记表示。但是，图1所示的切换电源与图8所示的不同在于其另外包含二极管Dc1。

图2示出根据第一实施例的用作切换元件的场效应晶体管FET1的漏极-源极电压、漏极电流和栅极-源极电压的操作波形。在图2中的时间t31，如果场效应晶体管FET1的栅极-源极电压Vgs增加至超过栅极阈值电压Vth，则漏极电流Id开始流动，并且漏极电流Id的值逐渐增加。该漏极电流Id还流过电流检测电阻器Ris的电感Lis。在时间t32，如果漏极-源极电压Vgs下降至低于栅极阈值电压Vth，则漏极电流Id突然减小。这导致跨电感Lis出现反电动势Vs。该反电动势Vs出现，使得其极性在场效应晶体管FET1的源极端子处为负并且在PWM控制模块IC1的GND端子处为正。

在本实施例中，二极管Dc1与电流检测电阻器Ris并联连接。在这种状态下，二极管Dc1的正向电压降Vf比场效应晶体管FET1的栅极阈值电压Vth小。因此，如图1中的虚线所示，产生的反电动势Vs通过二极管Dc1的正向电压降Vf被箝位。即，在时间t32～t34的时段中，场效应晶体管FET1的栅极-源极电压Vgs也通过二极管Dc1的Vf被箝位，由此，场效应晶体管FET1的栅极-源极电压Vgs不变得大于阈值电压Vth。

在本实施例中，如上所述，二极管与电流检测电阻器(绕线电阻器)并联连接，并且，二极管的正向电压降被设为小于场效应晶体管FET1的栅极阈值电压Vth。这防止场效应晶体管FET1通过电流检测电阻器的反电动势被再次接通，并由此防止漏极电流Id开始流过场效应晶体管FET1。因此，实现场效应晶体管FET1中的产生的热的减少。场效应晶体管FET1中的产生的热的减少使得减少由发热导致的诸如毁坏的故障的出现。

下面，参照图3和图4，描述根据第二实施例的切换电源的结构及其操作。在本实施例中，电容器Cc1与电流检测电阻器Ris并联连接，以由此降低由电流检测电阻器的电感Lis产生的反电动势Vs，使得防止场效应晶体管FET1被再次接通。即，电容器Cc1用作电动势降低电路。电流检测电阻器可以是通过将金属导线缠绕成线圈的形式而形成的绕线电阻器、或通过在圆筒电阻器膜中切割螺旋状狭缝形成的膜电阻器(参见图10A和图10B)。

图3示出根据第二实施例的切换电源的主要部分。切换电源的主要部分以与图8所示类似的方式被配置，即，以预定的频率通过切换元件驱动变压器的一次绕组，使得从变压器的二次绕组输出电压。在图3中，与图8中的类似的元件由类似的附图标记表示。但是，图3所示的切换电源与图8所示的不同在于：其另外包含电容器Cc1。

图4示出根据第二实施例的用作切换元件的场效应晶体管FET1的漏极-源极电压、漏极电流和栅极-源极电压的操作波形。在时间t41，如果场效应晶体管FET1的栅极-源极电压Vgs增加到超过栅极阈值电压Vth，则漏极电流Id开始流动并且漏极电流Id的值逐渐增加。该漏极电流Id还流过电流检测电阻器Ris的电感Lis。在时间t42，如果栅极-源极电压Vgs下降至低于栅极阈值电压Vth，则漏极电流Id突然减小。这导致跨电流检测电阻器Ris的电感Lis出现反电动势Vs。该反电动势Vs出现，使得其极性在场效应晶体管FET1的源极端子为负并且在PWM控制模块IC1的GND端子处为正。

在该第二实施例中，电容器Cc1与电流检测电阻器Ris并联连接。通过在电感Lis中产生的反电动势Vs在电容器Cc1中存储的能量等于在前一状态(immediatelypreviousstate)中通过流过电感Lis的漏极电流Idp被存储于电感Lis中的能量。即，下式(1)基本上成立。

$\frac{1}{2}\·C_{\mathrm{cl}}\·V_s^2\≅\frac{1}{2}\·L_{\mathrm{is}}\·{I_{\mathrm{dp}}}^2---\left(1\right)$

通过关于Vs求解式(1)，获得表示Vs的下式(2)。

$V_s\≅\sqrt{\frac{L_{\mathrm{is}}}{C_{\mathrm{cl}}}}\·I_{\mathrm{dp}}---\left(2\right)$

在时间t42～t43的时段中，场效应晶体管FET1的栅极-源极电压Vgs增加，直到它达到由式(2)描述的Vs。注意，在本实施例中，电容器Cc1的电容被设定为使得满足以下描述的式(3)。

$V_s\&cong;\sqrt{\frac{L_{\mathrm{is}}}{C_{\mathrm{cl}}}}\&CenterDot;I_{\mathrm{dp}}<<V_{\mathrm{th}}---\left(3\right)$

通过以上述的方式设定电容器Cc1的电容，确信Vs不超过栅极阈值电压Vth。

在本实施例中，如上所述，二极管与电流检测电阻器(绕线电阻器)并联连接，并且，二极管的正向电压降被设为小于场效应晶体管FET1的栅极阈值电压Vth。这防止场效应晶体管FET1通过电流检测电阻器的反电动势被再次接通并由此防止漏极电流Id开始流过场效应晶体管FET1。因此，实现场效应晶体管FET1中产生的热的减少。场效应晶体管FET1中产生的热的减少使得减少由发热导致的诸如毁坏的故障的出现。

在从第二实施例修改的替代性实施例中，如图5所示，电阻器Rc1可以与电容器Cc1串联连接，以实现与在第二实施例中获得的效果类似的效果。在该配置中，跨电容器Cc1和电阻器Rc1的串联连接的电压被设为低于阈值电压Vth。

下面，参照图6和图7，描述根据第三实施例的切换电源的结构及其操作。在该第三实施例中，本发明被应用于DC-DC转换器。如第一实施例那样，二极管Dc1与电流检测电阻器Ris并联连接，使得通过电流检测电阻器的电感Lis产生的反电动势(反电动电压)通过二极管Dc1的正向电压降Vf被箝位，以由此防止场效应晶体管FET1被再次接通。电流检测电阻器可以是通过将金属导线缠绕成线圈的形式而形成的绕线电阻器、或通过在圆筒电阻器膜中切割螺旋状狭缝形成的膜电阻器(参见图10A和图10B)。

首先，参照图6，描述DC-DC转换器的电路配置。在图6中，与图8所示的变压器的一次侧的电路类似的元件由类似的附图标记表示，或者没有被示出。在图6中，在一次电解电容器C1中充电的直流电压Vin通过电流检测电阻器Ris被供给到场效应晶体管FET1的源极端子。输入到场效应晶体管FET1的电压Vin通过场效应晶体管FET1被切换以产生脉冲电压，并且，得到的产生的脉冲电压从场效应晶体管FET1的漏极端子被输出。

由场效应晶体管FET1产生的脉冲电压通过二极管D3、电感器L1和二次电解电容器C2被平滑化，并且作为输出电压Vout被供给到负载电阻器RL。场效应晶体管FET1的栅极端子被供给来自PWM控制模块IC1的OUT信号。PWM控制模块IC1通过使用PWM信号控制场效应晶体管FET1的切换操作，使得输出电压Vout被稳定化。以上描述了根据本实施例的DC-DC转换器的电路配置。

下面，参照图7讨论与上述的电路相关联的操作波形。在时间t51，如果场效应晶体管FET1的栅极-源极电压Vgs降低至低于栅极阈值电压Vth，则漏极电流Id流过场效应晶体管FET1。该漏极电流Id还流过电流检测电阻器Ris的电感Lis。在时间t52，如果栅极-源极电压Vgs增加至超过栅极阈值电压Vth，则漏极电流Id突然下降。这导致跨电流检测电阻器Ris的电感Lis出现反电动势Vs。该反电动势Vs出现，使得其极性在输入电压Vin为负并在场效应晶体管FET1的源极端子为正。

在本实施例中，二极管Dc1与电流检测电阻器Ris并联连接。在这种状态下，二极管Dc1的正向电压降Vf小于场效应晶体管FET1的栅极阈值电压Vth。如图6中的虚线所示，反电动势Vs通过二极管Dc1的正向电压降Vf被箝位。因此，在时间t52～时间t53的时段中，场效应晶体管FET1的栅极-源极电压Vgs也通过二极管Dc1的电压降Vf被箝位，由此，场效应晶体管FET1的栅极-源极电压Vgs不变得低于栅极阈值电压Vth。

在本实施例中，如上所述，二极管与电流检测电阻器(绕线电阻器)并联连接，并且，二极管的正向电压降被设为小于场效应晶体管FET1的栅极阈值电压Vth。这防止场效应晶体管FET1通过电流检测电阻器的反电动势被再次接通，并由此防止漏极电流Id开始流过场效应晶体管FET1。因此，实现场效应晶体管FET1中产生的热的减少。场效应晶体管FET1中产生的热的减少使得减少由发热导致的诸如毁坏的故障的出现。

以下，描述切换电源的应用。

根据上述的实施例中的一个的切换电源可被用作诸如激光束打印机、复印机、传真机等的图像形成装置中的低电压电源。以下描述这样的应用的具体例子。切换电源被用于向图像形成装置的控制器(控制单元)或用作用于驱动传输辊以传输纸的驱动单元的电动机供给电力。

图13A示意性地示出作为图像形成装置的例子的激光束打印机200的结构。激光束打印机200包括图像形成单元211和显影单元212，所述图像形成单元211包含用作上面形成潜像的图像承载部件的感光鼓213，所述显影单元212通过调色剂将在感光鼓上形成的潜像显影。感光鼓213上显影的调色剂图像被转印到从盒216供给的用作记录介质的片材(未示出)上。转印到片材的调色剂图像接着通过定影单元214被定影，并且片材被排出到托盘215上。图13B示出从电源到控制器(控制单元)的电源线和用作图像形成装置中的驱动单元的电动机。上述的切换电源可被用作用于向控制器300以及向电动机312和电动机313供给电力的低电压电源，控制器300包含控制上述的图像形成操作的CPU310，电动机312和电动机313用作图像形成操作中的驱动单元。供给电压，例如，对于控制器300为3.3伏特，对于电动机为24伏特。例如，电动机312驱动传输辊以传输片材，并且，电动机313驱动定影单元214。当切换电源以上述的方式被用作图像形成装置中的低电压电源时，如同上述的实施例，能够减少低电压电源中的切换元件的温度的升高并供给稳定的电压，并由此能够以稳定的方式操作图像形成装置。注意，根据上述的实施例中的一个的切换电源不仅可被用作图像形成装置中的低电压电源，而且还可被用作其它电子装置的低电压电源。

虽然已参照示例性实施例说明了本发明，但应理解，本发明不限于公开的示例性实施例。以下的权利要求的范围应被赋予最宽的解释以包含所有这样的变更方式和等同的结构和功能。

Claims (4)

1.一种切换电源，包括：

切换元件，被配置为驱动变压器的一次绕组；

电流检测电阻器，与所述切换元件连接，以便检测流过该切换元件的电流；

其中，所述电流检测电阻器包括绕线电阻器或膜电阻器；和

二极管，与所述电流检测电阻器并联连接并被配置为降低与由所述电流检测电阻器产生的反电动势对应的电压，

其中，被所述二极管降低的电压比切换元件接通所需要的阈值电压低。

2.根据权利要求1所述的切换电源，其中，二极管的正向电压被设为比切换元件接通所需要的所述阈值电压低。

3.一种图像形成装置，包括：

图像形成单元；

控制单元，被配置为控制图像形成单元的操作；和

被配置为向控制单元供给电力的切换电源，

切换电源包含：

切换元件，被配置为驱动变压器的一次绕组；

电流检测电阻器，与所述切换元件连接，以便检测流过该切换元件的电流；

其中，所述电流检测电阻器包括绕线电阻器或膜电阻器；和

二极管，与所述电流检测电阻器并联连接并被配置为降低与由所述电流检测电阻器产生的反电动势对应的电压，

其中，被所述二极管降低的电压比切换元件接通所需要的阈值电压低。

4.根据权利要求3所述的图像形成装置，其中，二极管的正向电压被设为比切换元件接通所需要的所述阈值电压低。