JP2006101596A - 電源回路 - Google Patents

Abstract

【課題】省電力化を図りつつ単一のトランスで複数の安定した出力電圧を発生することが可能な電源回路を提供する。
【解決手段】 トランス１０の２次側巻線２２が駆動回路５におよび制御回路６に接続される。通常動作時には、トランス１０のスイッチング動作を制御して駆動回路５に供給される第１の出力電圧の値が調整され、省電力モード時には、トランス１０のスイッチング動作を制御して制御回路６に供給される第２の出力電圧の値が調整される。２次側巻線２２と制御回路６とを接続する電圧ラインには、通常動作モード時にのみ、シリーズレギュレータ８が接続される。
【選択図】図１

Description

この発明は、複写機等の電化製品に備えられる電源回路に関し、特に、１つのトランスを使用して複数の出力電圧を生成する電源回路に関する。

従来から、電源回路のスイッチング方式として、Ｒｉｎｇｉｎｇ Ｃｈｏｋｅ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ（以下、ＲＣＣという。）方式が広く採用されている。この方式においては、トランスの１次側巻き線に直流電圧を加え、その直流電圧を所定の周期で発振させることによりトランスの１次側コイルに磁界が発生するとともに、１次側コイルと平行に巻かれた２次側コイルが１次側で発生した磁界に励磁され、２次側コイルに所定の出力電圧が発生する。

ところが、１つのトランスで駆動系回路に供給される電圧および制御系回路に供給される電圧を発生させる場合、トランスのスイッチング動作の制御によって駆動系回路に供給される電圧の値および制御系回路に供給される電圧の値を別個に調整することができない。

そこで、従来、駆動系回路用電圧の値をスイッチング制御によって調整しつつ、制御系回路用電圧の値をシリーズレギュレータを用いて調整する手法が採られることがあった（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００３−２５９６４５号公報

しかしながら、上述の特許文献１の発明では、シリーズレギュレータを使用する分だけ消費電力が大きくなる。特許文献１の発明に係るシリーズレギュレータは制御系回路に対して低リップルで精度の良い出力電圧を供給するが、制御系回路に対して常に低リップルで精度の良い出力電圧を供給する必要はない。例えば、制御系回路に求められる機能が起動要求の検出のみである省電力モード時には、制御系回路に対して精度の良い出力電圧を供給しなくても動作上問題は生じない。制御系回路に対して高精度の電圧が要求されないときにもシリーズレギュレータを使用した場合、電源回路において無駄な電力を消費することになる。

この発明の目的は、省電力化を図りつつ単一のトランスで複数の安定した出力電圧を発生することが可能な電源回路を提供することである。

（１）単一のトランスにより駆動系回路に供給される第１の出力電圧および制御系回路に供給される第２の出力電圧を発生させる電源回路であって、
出力側の電圧値を応じて前記トランスのスイッチング動作を制御するスイッチング制御手段と、
前記駆動系回路を動作させる通常動作モードまたは前記駆動系回路を停止させる省電力モードとの切換を行うモード切換手段と、
前記トランスと前記駆動系回路との間に配置される平滑回路と、
前記平滑回路と前記駆動系回路との間に配置される第１のスイッチと、
を備え、
通常動作モード時には前記スイッチング制御手段によって前記第１の出力電圧の値を調整し、かつ、省電力モード時には前記スイッチング制御手段によって前記第２の出力電圧の値を調整するとともに前記第１のスイッチがオフにされることを特徴とする。

本発明に係る電源回路は、モード切換手段によって、通常動作モードまたは省電力動作モードのいずれかに切り換えられる。通常動作モード時にはスイッチング制御手段が第１の出力電圧の値を調整するためにトランスのスイッチング動作を制御するが、省電力動作モード時には同じスイッチング制御手段によって第２の出力電圧の値が調整される。省電力動作モード時における第２の出力電圧の値もスイッチング制御手段によって調整することで、省電力動作モード時の電源効率が高められる。

また、省電力モード時には、トランスと駆動系回路との間が遮断されるため、消費電力が減じられる。さらに、省電力動作モード時において平滑回路の平滑電圧を高く保てるため、省電力動作モードから通常動作モードへの復帰が速やかに行われる。

（２） （１）に記載の電源回路であって、
前記トランスと前記制御系回路との間に選択的に接続されるシリーズレギュレータを備え、
通常動作モード時にのみ、前記シリーズレギュレータを用いて前記第２の出力電圧の値を調整することを特徴とする。

この構成においては、通常動作モード時には第２の出力電圧がシリーズレギュレータによって調整され、省電力動作モード時には第２の出力電圧がスイッチング制御手段によって調整される。

このため、通常動作モード時には第２の出力電圧が低リップルで精度の良く調整され、省電力動作モード時には電源効率を優先させて第２の出力電圧が調整される。この第２の出力電圧の値の調整は、通常動作モード時には第２の出力電圧がＡＤコンパータのレファレンス値に用いられるなど精度が要求されるのに対し、省電力動作モード時には第２の出力電圧が起動要求の検出に使用され精度が要求されないことを考慮したものである。

（３） （１）または（２）に記載の電源回路であって、
前記トランスと前記平滑回路との間に配置される第２のスイッチをさらに備え、
省電力動作モード時に第２の出力電圧の値が基準値より高い場合には、前記第２のスイッチをオフにすることを特徴とする。

この構成においては、省電力動作モード時に第２の出力電圧の値が基準値より高い場合には、駆動系回路側の平滑回路に電力の供給がされないように第２のスイッチが操作される。このため、省電力動作モード時に第１の出力電圧が上昇し、駆動系の回路素子の耐圧を超えるという不具合の発生が防止される。

（４） （１）〜（３）のいずれかに記載の電源回路であって、
前記スイッチング制御手段は、シャントレギュレータを備えており、
省電力動作モード時に前記シャントレギュレータにヒステリシス特性を付加するヒステリシス付加回路をさらに備えたことを特徴とする。

この構成においては、省電力動作モード時にはシャントレギュレータにヒステリシス特性が付加され、トランスのスイッチング動作のオン／オフの切り換え頻度が低下する。

以上のように、この発明によれば、以下の効果を奏することができる。

（１）省電力化を図りつつ単一のトランスで複数の安定した出力電圧を発生することが可能になる。

（２）通常動作モード時および省電力動作モード時にそれぞれ適した手法で、制御系回路に供給される電圧値を調整することができる。

（３）駆動系の回路素子の破損を防止できる。

（４）省電力モード時の時間欠発振となり、電源効率を向上することが可能になる。

以下、本発明の電源回路１を画像形成装置に適用する実施形態を説明する。

図１（Ａ）は、本発明の電源回路１の構成を示している。同図が示すように、電源回路１は、単一のトランス１０を備える。トランス１０の１次側と２次側とは絶縁されているが、フォトカプラＰＣ１，ＰＣ３およびフォトトライアックカプラＰＣ２Ａ，ＰＣ２Ｂを介して帰還信号や制御信号の伝達がされる。

トランス１０の１次側巻線２１は、メインスイッチ３、ノイズフィルタ１１、および平滑回路１２を介して商用電源２に接続される。商用電源２は、リレー接点１８を介してソータや両面自動搬送装置等のオプション装置、画像形成装置のヒータに接続される。

一方、トランス１０の２次側巻線２２は、駆動回路５に接続される。また、２次側巻線２２は中間タップ１３を備えており、中間タップ１３を介して制御回路６に接続される。トランス１０は、駆動回路５に供給される駆動系電圧、および制御回路６に供給される制御系電圧を生成する。本実施形態では、駆動系電圧は２４Ｖであり本発明の第１の出力電圧を構成する。制御系電圧は５Ｖであり本発明の第２の出力電圧を構成する。ただし、駆動系電圧および制御系電圧の値は例示であり、これらの値に限られるものではない。

トランス１０の２次側巻線２２と駆動回路５との間に配置される電源ラインＬ１には、ダイオード３１Ａ、平滑コンデンサ３２Ａ、出力電圧検出部Ｔ１、および第１のスイッチ７Ａが接続される。トランス１０の２次側巻線２２は、ダイオード３１Ａのアノードに接続され、ダイオード３１Ａのカソードはスイッチ７Ａを介して駆動回路５のＶＭ端子に接続される。

また、ダイオード３１Ａのカソードは、接地された平滑コンデンサ３２Ａにも接続され、平滑コンデンサ３２Ａおよび第１のスイッチ７Ａの間に、出力電圧検出部Ｔ１が配置される。出力電圧検出部Ｔ１は、直列に接続された抵抗Ｒ１，Ｒ２を介して接地されており、抵抗Ｒ１および抵抗Ｒ２の間に配置された接続部が切換スイッチ７Ｃを介してシャントレギュレータ９の電圧検出端子Ｔ０に接続される。本実施形態では、出力電圧検出部Ｔ１の電圧値が２４Ｖのときに、抵抗Ｒ１および抵抗Ｒ２の間に配置された接続部が５Ｖになるように抵抗Ｒ１および抵抗Ｒ２の抵抗値が設定される。出力電圧検出部Ｔ１とスイッチ７Ａとの間には、発光ダイオード１５Ａおよびシャントレギュレータ９を介して接地される接続部が配置される。この接続部は、カソードがシャントレギュレータ９に接続された発光ダイオード１５Ａのアノードに接続される。なお、発光ダイオード１５Ａのカソードがシャントレギュレータ９を介して接地されると、この接続部を介して発光ダイオード１５Ａに電流が流れる。

一方、トランス１０の２次側巻線２２の中間タップ１３と制御回路６との間に配置される電源ラインＬ２には、ダイオード３１Ｂ、平滑コンデンサ３２Ｂ、出力電圧検出部Ｔ２、およびシリーズレギュレータ８が接続される。シリーズレギュレータ８は、電圧降下型の電圧レギュレータである。中間タップ１３にはダイオード３１Ｂのアノードが接続され、ダイオード３１Ｂのカソードが接地された平滑コンデンサ３２Ｂおよびシリーズレギュレータ８に接続される。平滑コンデンサ３２Ｂおよびシリーズレギュレータ８の間には、出力電圧検出部Ｔ２と、スイッチ７Ｂを介してシリーズレギュレータ８の下流側に接続された接続部と、が配置される。出力電圧検出部Ｔ２は、切換スイッチ７Ｃを介してシャントレギュレータ９の電圧検出端子Ｔ０に接続される。

図１（Ｂ）は、シャントレギュレータ９の構成を示している。シャントレギュレータ９は、コンパレータ３０とトランジスタＱ３とを備えている。コンパレータ３０は、電圧検出端子Ｔに入力される電圧値が５Ｖを超える場合にトランジスタＱ３を導通させる信号を出力する。トランジスタＱ３が導通すると、フォトカプラＰＣ１の発光ダイオード１５Ａのカソード側がトランジスタＱ３を介して接地され、発光ダイオード１５Ａに電流が流れる。発光ダイオード１５Ａが発光すると、フォトカプラＰＣ１のフォトトランジスタＱ４が導通し、トランジスタＱ５を導通させる。トランジスタＱ５が導通することにより、スイッチング発振しているＦＥＴ１４のゲートが強制的に接地され、トランス１０の発振が抑えられて、トランス１０の２次側の出力電圧値が低下する。

図２は、制御回路６の構成を示している。制御回路６は、ＣＰＵ６１、信号出力部６２、ＲＯＭ６３、ＲＡＭ６４、および駆動制御部６５を備えている。信号出力部６２は、ＶＣＣ端子、ＳＷ端子、ＰＳ端子、ＨＬ１端子、ＨＬ２端子、ＰＲ端子、およびＦＷ端子を有している。ＳＷ端子を介して各スイッチの接続状態を制御する信号が出力される。

ＰＳ端子を介して駆動回路５を停止させて省電力動作モードに移行させる信号が出力される。ＨＬ１端子およびＨＬ２端子を介して、定着器のヒータランプの熱が必要以上に上がりすぎるのを防止するための信号が出力される。つまり、ＨＬ１，ＨＬ２端子から所定の信号が出力されると、トランジスタＱ６，Ｑ８が導通し、フォトトライアックカプラＰＣ２の発光ダイオード１５Ｂ，１５Ｃに電流が流れるため、フォトトライアック１６Ａ，１６Ｂが導通する。そして、フォトトライアック１６Ａ，１６Ｂによりトライアック１７Ａ，１７Ｂを位相制御することによりヒータランプＨＬの温度調整が行われる。

ＰＲ端子を介してリレー接点１８のオン／オフを切り換える信号が出力される。ＦＷ端子には、トランス１０の１次側より、フォトカプラＰＣ３を介して、交流のゼロクロス信号が入力する。

駆動制御部６５は、駆動回路５の動作を制御するとともに、駆動系回路により動作するモータ、ヒータ、およびソレノイド等の動作を監視している。そのため、駆動制御部６５は、画像形成装置で使用されている電力を計測することなく、モータ、ヒータ、およびソレノイド等の動作状態から、画像形成装置の動作状態、ひいては、電源回路１の動作状態を把握することができる。

ＣＰＵ６１は、電源回路１の動作を統括的に制御する。ＣＰＵ６１は、信号出力部６２を制御し、ＶＣＣ端子、ＳＷ端子、ＰＳ端子、ＨＬ１端子、ＨＬ２端子、ＰＲ端子、およびＦＷ端子を介して制御信号を出力される。ＣＰＵ６１は、通常動作モード時に、スイッチ７Ａをオンにし、スイッチ７Ｂをオフにし、切換スイッチ７Ｃを図１中下側の端子に接続されるようにする。さらに、これに対して、ＣＰＵ６１は、省電力モード時に、スイッチ７Ａをオフにし、スイッチ７Ｂをオンにし、切換スイッチ７Ｃを図１中上側の端子に接続する。また、ＣＰＵ６１は、通常動作モード時にリレー接点１８をオンにし、省電力モード時にリレー接点１８をオフにする。

このＣＰＵ６１のスイッチ制御により、通常動作モード時には、駆動回路５に供給される電圧の値がスイッチング制御により調整され、制御回路６に供給される電圧の値がシリーズレギュレータ８によって調整される。一方、省電力モード時には、駆動回路５への電力供給が遮断され、制御回路６に供給される電圧の値がスイッチ制御によって調整される。このため、省電力モード時には、シリーズレギュレータ８における電圧降下が生じず、消費電力が低減する。また、省電力モードから通常動作モードに復帰する際に、平滑コンデンサ３２Ａから駆動回路５に電力供給がされるため、通常動作モードへの移行が迅速に行われる。

図３は、起動時の電源回路の動作の一例を示すタイミングチャートである。同図において、Ｐ．Ｓはパワーセーブ信号であり、パワーセーブ信号がハイレベルのときに電源回路１が省電力モードになる。Ｐ．Ｒは、リレー接点１８を制御する信号であり、Ｐ．Ｒがハイレベルのときにリレー接点がオンになる。ＨＬ１，ＨＬ２は、ヒータの動作を制御する信号である。ＴＭＰは、画像形成装置の定着ローラの温度を示している。省電力モードメインＳＷがオンすると、電圧検出部Ｔ１，Ｔ２における電圧値が上昇し、ＶＣＣ端子に供給される電圧がほぼ５Ｖに調整される。

図４は、印刷時の電源回路の動作の一例を示すタイミングチャートである。印刷命令があると、平滑コンデンサ３２Ａから駆動回路５に電力が供給されるため、ＶＭの値は速やかに２４Ｖまで復帰する。制御回路６に供給される電圧値の調整手法が、スイッチ制御からシリーズレギュレータ８による制御に切り換わるため、ＶＣＣ端子に供給される電圧にリップルが発生しにくくなる。

上述の実施形態によれば、省電力モード時に、シリーズレギュレータ８における電圧降下を防止して消費電力を低減できる。つまり、省電力モード時に、通常動作モード時より効率的に第２の出力電圧（５Ｖ）を調整できる。

図５は、第２の実施形態に係る電源回路の構成を示す図である。第２の実施形態における電源回路は、第１の実施形態に係る電源回路のシャントレギュレータ９にヒステリシス特性を付加させた構成になっている。同図に示すように、第２の実施形態では、電圧検出部Ｔ２が、抵抗ＲＨ１、抵抗ＲＨ２、オープンコレクタのインバータ４、および抵抗ＲＨ３を介して、発光ダイオード１５Ａとシャントレギュレータ９との間の接続部に接続される。抵抗ＲＨ１は１ｋΩであり、抵抗ＲＨ２および抵抗ＲＨ３は４７ｋΩである。シャントレギュレータ９がオフの時にインバータ４をオン、シャントレギュレータ９がオンの時にインバータ４をオフにすることによりシャントレギュレータ９にヒステリシス特性を持たせることができる。本実施形態では、Ｖｒｅｆが５Ｖ、Ｖｔｈ＿Ｈが５．１Ｖ、Ｖｔｈ＿Ｌが５．０Ｖになり、０．１Ｖのヒステリシスが得られる。ここでは、抵抗ＲＨ１、抵抗ＲＨ２、インバータ４、および抵抗ＲＨ３によって、本発明のヒステリシス付加回路が構成される。

また、第２の実施形態では、平滑コンデンサ３２Ａの前段にスイッチ７Ｄが配置される。スイッチ７Ｄは、省電力モード時に、制御系電圧の値が基準値（５Ｖ）を超えたときにオフになるように設定される。この結果、平滑コンデンサ３２Ａが必要以上に充電されることがない。したがって、平滑コンデンサ３２Ａから駆動回路５に供給される電圧によって回路素子が破損されることが防止される。

第２の実施形態によれば、シャントレギュレータ９のオン／オフの頻度を低下させて、電源効率を向上させることができる。

図６は、第３の実施形態に係る電源回路の構成を示す図である。第３の実施形態における電源回路の基本構成は、第１の実施形態における電源回路と略同様である。第３の実施形態では、平滑コンデンサ３２Ａの前段にリレー接点７Ｅが配置されており、リレー接点７Ｅの後段に、リレーコイル１９′およびシャントレギュレータ９′を介して接地される接続部が配置される。この接続部は平滑コンデンサ３２Ａに接続される。

リレーコイル１９′は、リレー接点７Ｅのオン／オフを切り換える。シャントレギュレータ９′は、平滑コンデンサ３２Ａの充電電圧が２４Ｖに達するとオンになる。シャントレギュレータ９がオンになることで、リレーコイル１９′に電流が流れ、リレー接点７Ｅがオフになる。なお、シャントレギュレータ９′にも、第２の実施形態と同様のヒステリシス付加回路が接続される。

第３の実施形態によれば、平滑コンデンサ３２Ａの充電電圧が２４Ｖを超えることがなく、平滑コンデンサ３２Ａから駆動回路５に供給される電圧によって駆動回路５の回路素子が破損することが防止できる。

最後に、上述の実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲には、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

第１の実施形態に係る電源回路の構成を示す図である。 電源回路の制御回路を概略構成を示すブロック図である。 起動時の電源回路の動作を示すタイミングチャートである。 印刷時の電源回路の動作を示すタイミングチャートである。 第２の実施形態に係る電源回路の構成を示す図である。 第３の実施形態に係る電源回路の構成を示す図である。

符号の説明

１−電源回路
２−商用電源
３−メインスイッチ
５−駆動回路
６−制御回路
７Ａ，７Ｂ，７Ｃ−スイッチ
８−シリーズレギュレータ
９−シャントレギュレータ
１０−トランス
１１−ノイズフィルタ
１２−平滑回路
１３−中間タップ
１４−ＦＥＴ

Claims (4)

1. 単一のトランスにより駆動系回路に供給される第１の出力電圧および制御系回路に供給される第２の出力電圧を発生させる電源回路であって、
   出力側の電圧値を応じて前記トランスのスイッチング動作を制御するスイッチング制御手段と、
   前記駆動系回路を動作させる通常動作モードまたは前記駆動系回路を停止させる省電力モードとの切換を行うモード切換手段と、
   前記トランスと前記駆動系回路との間に配置される平滑回路と、
   前記平滑回路と前記駆動系回路との間に配置される第１のスイッチと、
   を備え、
   通常動作モード時には前記スイッチング制御手段によって前記第１の出力電圧の値を調整し、かつ、省電力モード時には前記スイッチング制御手段によって前記第２の出力電圧の値を調整するとともに前記第１のスイッチがオフにされることを特徴とする電源回路。
2. 前記トランスと前記制御系回路との間に選択的に接続されるシリーズレギュレータを備え、
   通常動作モード時にのみ、前記シリーズレギュレータを用いて前記第２の出力電圧の値を調整することを特徴とする請求項１に記載の電源回路。
3. 前記トランスと前記平滑回路との間に配置される第２のスイッチをさらに備え、
   省電力動作モード時に第２の出力電圧の値が基準値より高い場合には、前記第２のスイッチをオフにすることを特徴とする請求項１または２に記載の電源回路。
4. 前記スイッチング制御手段は、シャントレギュレータを備えており、
   省電力動作モード時に前記シャントレギュレータにヒステリシス特性を付加するヒステリシス付加回路をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電源回路。

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