JP2005245192A - スイッチング電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 周囲温度を考慮し、冷却用モータの回転数を最適に制御するスイッチング電源装置を提供する。
【解決手段】 スイッチング電源回路１の負荷２に供給する電流に応じて変化する発振周波数をＦ／Ｖコンバータ３に与えて電圧に変換し、周囲環境センサ７によって周囲温度を検出してＡ／Ｄコンバータ８によりデジタルの温度信号に変換し、周囲温度が所定の温度を超えるとスイッチ回路６を閉じ、スイッチ回路６を介してＦ／Ｖコンバータ３から発振周波数に対応した電圧を印加電圧制御回路４に入力し、その電圧に反比例する印加電圧を冷却ファン用モータ５に供給する。
【選択図】 図１

Description

この発明はスイッチング電源装置に関し、特に、負荷の状態に応じて冷却ファンの回転数を制御するスイッチング電源装置に関する。

複写機やプリンタなどはその機能の増加により、供給される電源電流が増加の一途をたどってきており、使用されるスイッチング電源装置も大容量化してきている。また、スイッチング電源装置の大容量化に伴い発熱温度も高くなってきており、冷却ファンを回転させて冷却する必要がある。冷却ファンは風切音による騒音を小さくしたり、冷却ファン自体の寿命を長くするため、スイッチング電源装置の温度が低いときには回転数を小さくし、温度が上昇すれば回転数を大きくして冷却効果を高めるように冷却ファンを回転させるために、モータの回転数を制御する必要がある。

特開平５−２０４２２１号公報（特許文献１）には、冷却する負荷の電流をカレントトランスを用いて電流検出回路で検出し、負荷電流の大きさに応じてモータに印加する電圧を定め、この電圧に応じてモータの回転数を制御する画像形成装置について記載されている。

また、特開平５−２０１１０２号公報（特許文献２）には、抵抗を介して電源回路に流れる電流を電圧に変換してモータ制御回路に供給し、この電圧に応じて冷却ファン用のモータを駆動する冷却ファンの制御装置について記載されている。
特開平５−２０４２２１号公報（段落番号００１４〜００２３、図１） 特開平５−２０１１０２号公報（段落番号００１０〜００１４、図１）

特許文献１では電流検出回路としてカレントトランスを利用しており、特許文献２では抵抗により電流を検出しているため、構成部品の大型化による実装面積の増大、コスト高を招くとともに抵抗での損失により、昨今の省エネルギー／小型軽量化に反するという問題があった。

また、上記各特許文献１，２では、周囲温度について考慮されておらず、周囲温度が低い場合であっても負荷が大きくなると、冷却ファンを回転させており、冷却ファンモータ自体の寿命の低下や、不要な電力消費を招いていた。

それゆえに、この発明の目的は、周囲温度を考慮し、冷却用モータの回転数を最適に制御するスイッチング電源装置を提供することである。

この発明は、自励式発振回路と冷却用モータとを含むスイッチング電源装置において、周囲温度を検出するための温度検出手段と、温度検出手段によって検出された周囲温度が所定の温度を超えたことに応じて、自励式発振回路の発振信号を出力する出力手段と、出力手段から出力された発振信号に基づいて、冷却用モータの回転数を制御する制御手段とを備える。

この発明では、周囲温度が低いときには冷却用モータを回転させることがないので、冷却用モータの寿命を長くでき、不要な電力消費を少なくできる。

好ましくは、冷却用モータは冷却ファンを回転駆動するモータであって、自励式発振回路の発振信号を電圧に変換する変換手段を含み、制御手段は出力手段から出力され、変換手段によって変換された電圧に応じて冷却用モータに供給する電圧を制御する電圧制御手段とを含む。

好ましくは、自励式発振回路は、最大負荷電流を供給しているときは発振周波数を低くし、負荷が軽いときは発振周波数を高くし、変換手段は自励式発振回路の発振周波数が低いときは高い電圧を出力し、自励式発振回路の発振周波数が高いときは低い電圧を出力する。

この発明は、検出された周囲温度が所定の温度以下であれば出力手段から発振信号の出力を停止して冷却用モータの駆動を停止し、周囲温度が所定の温度を超えたことに応じて、自励式発振回路の発振信号に基づいて、冷却用モータの回転数を制御することにより、周囲環境を考慮し、負荷に応じて回転数を制御することができる。したがって、周囲温度が低いときには冷却用モータを回転させることがないので、冷却用モータの寿命を長くでき、不要な電力消費を少なくできる。

さらに、周囲温度が高くなっても負荷の軽いときには冷却用モータの回転数を少なくすることにより騒音を少なくできるばかりでなく、冷却用モータの寿命を延ばすことができる。さらに、電流検出のためのカレントトランスなどの磁性部品を用いていないため、電源回路の小型化を図ることができ、また電流検出のために抵抗などを用いていないために、不要な電力損失を低減でき、省エネルギーに寄与できる。

図１はこの発明の一実施形態におけるスイッチング電源装置の全体の構成を示すブロック図である。

図１において、スイッチング電源回路１は自励式であって負荷２に所定の電力を供給する。スイッチング電源回路１は、その回路構成上、負荷電流によって発振周波数が変化する。すなわち、負荷２が小さいときは発振周波数が高く、負荷２が大きいときは発振周波数が低くなる。そして、スイッチング電源回路１は冷却ファンによる冷却が最も必要なとき、つまり最大負荷電流が流れるときで、スイッチング電源回路１の発振周波数が最も低くなったときに、冷却ファン用モータ５の回転数が最大になるように制御する。スイッチング電源回路１から発振周波数成分が抽出されてＦ／Ｖコンバータ３に与えられる。Ｆ／Ｖコンバータ３は周波数を電圧値に変換して出力手段としてのスイッチ回路６の一方入力端に与える。

周囲温度を検出するために、例えばサーミスタなどからなる周囲環境センサ７が設けられており、この周囲環境センサ７で検出された温度信号は、Ａ／Ｄコンバータ８によってデジタル信号に変換されてコンパレータ９の＋入力端に与えられる。コンパレータ９の−入力端には基準電圧Ｅが与えられている。環境センサ７の出力をＡ／Ｄ変換した値が基準電圧以下であれば、コンパレータ９は、周囲温度が所定の温度以下であるので、スイッチ回路６を開いて、Ｆ／Ｖコンバータ３から発振周波数に対応した電圧が印加電圧制御回路４に入力されるのを阻止する。

環境センサ７の出力をＡ／Ｄ変換した値が基準電圧を越えていれば、コンパレータ９は、周囲温度が所定の温度を越えているので、スイッチ回路６を閉じ、Ｆ／Ｖコンバータ３で変換された電圧値を印加電圧制御回路４に供給する。印加電圧制御回路４はＦ／Ｖコンバータ３から与えられる電圧値に反比例する電圧を冷却ファン用モータ５に供給する。

したがって、この実施形態によれば、周囲温度が所定の温度（例えば４０℃）以下であればスイッチ回路６を開いて、Ｆ／Ｖコンバータ３から発振周波数に対応したアナログ電圧が印加電圧制御回路４に入力されるのを禁止し、冷却ファン用モータ５に電圧を供給しない。

これにより、冷却ファン用モータ５の回転駆動が停止されるので、冷却ファン用モータ５の寿命を長くでき、不要な電力消費を少なくできる。そして、周囲温度が所定の温度を超えたときのみスイッチ回路６を閉じ、印加電圧制御回路４に発振周波数に対応した電圧を与えて、冷却ファン用モータ５を回転させて冷却を行うことができる。

図２はこの発明の他の実施形態におけるスイッチング電源装置の全体の構成を示すブロック図である。図１に示した実施形態では、環境センサ7で検出された周囲温度をＡ／Ｄコンバータ８でデジタル信号に変換してコンパレータ９に与え、周囲温度に応じてスイッチ回路６を開閉するようにした。

これに対して、この実施形態は、環境センサ7で検出された周囲温度をＡ／Ｄコンバータ８でデジタル信号に変換してセレクタ１０に与えるとともに、Ｆ／Ｖコンバータ３の出力をＡ／Ｄコンバータ１２に与えて発振周波数に対応した電圧値をデジタル信号に変換してセレクタ１０に与える。セレクタ１０は、Ａ／Ｄコンバータ８の出力である周囲温度のデジタル値が例えば４０℃を示すと、Ａ／Ｄコンバータ１２の出力である発振周波数に対応したデジタル信号をＤ／Ａコンバータ１１に出力する。Ｄ／Ａコンバータ１１は発振周波数に対応したデジタル信号をアナログ信号に変換して印加電圧制御回路４に与える。

この実施形態では、周囲環境センサ７で検出され、Ａ／Ｄコンバータ８でデジタル信号に変換された周囲温度が予め定める基準値以下であれば、セレクタ１０はＡ／Ｄコンバータ１２によってデジタル信号に変換された発振周波数に対応する電圧値を出力しない。このために、発振周波数に対応した電圧が印加電圧制御回路４に入力されるのが禁止され、冷却ファン用モータ５に電圧を供給しない。

環境センサ７の出力をＡ／Ｄ変換した値が基準電圧を越えていれば、セレクタ１０は、Ａ／Ｄコンバータ１２によってデジタル信号に変換された発振周波数に対応する電圧値を印加電圧制御回路４に供給する。印加電圧制御回路４は、Ｆ／Ｖコンバータ３から与えられる電圧値に反比例する電圧を冷却ファン用モータ５に供給する。

したがって、この実施形態においても、周囲温度が所定の温度（例えば４０℃）以下であれば、Ｆ／Ｖコンバータ３から出力され、Ａ／Ｄコンバータ１２でデジタル信号に変換された発振周波数に対応した電圧がセレクタ１０により、Ｄ／Ａコンバータ１１でアナログ信号に変換されて印加電圧制御回路４に入力されるのを禁止し、冷却ファン用モータ５に電圧を供給しない。

これにより、冷却ファン用モータ５の回転駆動が停止されるので、冷却ファン用モータ５の寿命を長くでき、不要な電力消費を少なくできる。そして、周囲温度が所定の温度を超えたときのみ、セレクタ１０を介して印加電圧制御回路４に発振周波数に対応した電圧を与えて、冷却ファン用モータ５を回転させて冷却を行うことができる。

図３は図１に示したスイッチング電源回路１の具体的な回路図例である。図３において、スイッチング電源回路１はトランス１０１を挟んで、１次側回路１０２と２次側回路１０３とに分けられている。１次側回路１０２は、ヒューズ１０４と、ラインフィルタ１０５と、整流回路１０６と、電界効果トランジスタ１０７と、自励発振回路を構成する制御部１０８とを含む。２次回路１０３は整流部１０９と、定電圧制御部１１０とを含む。

商用電源を投入すると、ＡＣ１００Ｖがヒューズ１０４を介してラインフィルタ１０５に与えられてノイズが除去された後、整流回路１０６によって全波整流される。整流された電圧は、トランス１０１の１次側巻線と電界効果トランジスタ１０７との直列回路に印加される。トランス１０１の１次側巻線に印加された印加電圧により、２次側巻線に電圧が発生し、この電圧は２次側回路１０３の整流部１０９により整流され、出力端子１１１，１１２に出力される。

電界効果トランジスタ１０７は、制御部１０８からのパルス幅変調制御信号に基づいてスイッチングを行う。この制御部１０８はトランス１０１の制御巻線と、２次側回路１０３の定電圧制御部１１０に設けられたフォトカプラの発光ダイード１１４からの光を受けるホトトランジスタ１１５と、このホトトランジスタ１１５からの信号をベースに受けて発振動作するトランジスタ１１３とを含む。トランジスタ１１３のコレクタから電界効果トランジスタ１０７のゲートに発振出力のパルス幅変調信号が与えられ、電界効果トランジスタ１０７はスイッチング電源回路１の２次側出力電圧が常に一定値となるようにスイッチングする。すなわち、２次側出力電圧が高くなると、発光ダイオード１１４の発光出力が大きくなり、ホトトランジスタ１１５に流れる電流も大きくなる。これによりトランジスタ１１３のコレクタから出力されるパルス幅変調信号のデューティ比が変化し、電界効果トランジスタ１０７の導通期間が制御されて２次側出力電圧が低くなるように制御される。

図１および図２に示したＦ／Ｖコンバータ３には、制御部１０８におけるトランジスタ１１３のコレクタから発振出力が与えられる。

スイッチング電源回路１が負荷２に最大負荷電流を供給しているときは、図３に示した制御部１０８の発振周波数が最も低くなるので、図１に示したＦ／Ｖコンバータ３はその発振周波数に対応した低い電圧を出力する。そして、周囲温度が所定の温度を超えていることによりスイッチ回路６が閉じられて、印加電圧制御回路４はその低い電圧が入力されると、冷却ファン用モータ５の回転数が最大になるように反比例する印加電圧を冷却ファン用モータ５に供給する。

それによって冷却ファンが最大回転数で回転するので、冷却効果を高めることができる。スイッチング電源回路１から負荷２への供給電流が小さくなると、発振周波数が高くなり、Ｆ／Ｖコンバータ３から高い電圧が出力され、印加電圧制御回路４は出力する電圧を低くして冷却ファン用モータ５に印加する。したがって、負荷２が小さいときには冷却ファンの回転数を小さくできるので、騒音を減少できるとともに、冷却ファン用モータ５の長寿命化が図れる。

このように、周囲温度が所定の温度を超えていれば、スイッチング電源回路１の発振周波数に応じて印加電圧を制御して冷却ファン用モータ５の回転数を制御することにより、冷却ファン用モータ５の寿命を延ばすことができるばかりでなく、冷却ファン用モータ５の回転数を少なくすることにより騒音を少なくできる。また、冷却ファン用モータ５に流れる電流を検出するためのカレントトランスや抵抗などを設ける必要がなくなり、電源回路の小型化および不要な電力損失を低減して省エネルギーに寄与できる。

なお、図１に示した周囲環境センサ７は、スイッチング電源回路１の温度上昇を検出するために設けられているので、スイッチング電源装置１の図示しない筐体に取付けるか、あるいは図３に示すトランス１０１，整流回路１０６，電界効果トランジスタ１０７，整流部１０９などの発熱温度の高い部品のいずれかに接近させて取付けてもよい。

なお、上述の実施形態は、この発明を冷却ファン用モータ５の回転数を制御するものに適用したが、これに限ることなく、水冷冷却装置のポンプを駆動するモータの回転数を制御するものに適用してもよい。

以上、図面を参照してこの発明の実施形態を説明したが、この発明は、図示した実施形態のものに限定されない。図示された実施形態に対して、この発明と同一の範囲内において、あるいは均等の範囲内において、種々の修正や変形を加えることが可能である。

この発明の一実施形態におけるスイッチング電源装置の全体の構成を示すブロック図である。 この発明の他の実施形態におけるスイッチング電源装置の全体の構成を示すブロック図である。 図１および図２に示したスイッチング電源回路の具体的な回路図である。

符号の説明

１ スイッチング電源回路、２ 負荷、３ Ｆ／Ｖコンバータ、４ 印加電圧制御回路、５ 冷却ファン用モータ、６ スイッチ回路、７ 周囲環境センサ、８，１２ Ａ／Ｄコンバータ、１０ セレクタ、１１ Ｄ／Ａコンバータ、１０１ トランス、１０２ １次側回路、１０３ ２次側回路、１０６ 整流回路、１０７ 電界効果トランジスタ、１０８ 制御回路、１０９ 整流部、１１０ 定電圧制御部、１１１，１１２ 出力端子、１１３トランジスタ、１１４ 発光ダイオード、１１５ ホトトランジスタ。

Claims (3)

1. 自励式発振回路と冷却用モータとを含むスイッチング電源装置において、
   周囲温度を検出するための温度検出手段と、
   前記温度検出手段によって検出された周囲温度が所定の温度を超えたことに応じて、前記自励式発振回路の発振信号を出力する出力手段と、
   前記出力手段から出力された発振出力に基づいて、前記冷却用モータの回転数を制御する制御手段とを備えた、スイッチング電源装置。
2. 前記冷却用モータは冷却ファンを回転駆動するモータであって、
   前記出力手段は、前記自励式発振回路の発振信号を電圧に変換する変換手段を含み、
   前記制御手段は、前記出力手段から出力される前記変換手段によって変換された電圧に応じて、前記冷却用モータに供給する電圧を制御する電圧制御手段とを含む、請求項１に記載のスイッチング電源装置。
3. 前記自励式発振回路は、負荷が大きいときは発振周波数を低くし、負荷が軽いときは発振周波数を高くし、
   前記変換手段は、前記自励式発振回路の発振周波数が低いときは高い電圧を出力し、前記自励式発振回路の発振周波数が高いときは低い電圧を出力する、請求項２に記載のスイッチング電源装置。

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