JP2007060812A - Power supply device and power supply system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、圧電トランスを内蔵し、前記圧電トランスにパルス電圧を印加し所定の昇圧比で出力電圧を得る電源装置、及び、この電源装置を複数有する電源システムに関する。 The present invention relates to a power supply device incorporating a piezoelectric transformer, applying a pulse voltage to the piezoelectric transformer to obtain an output voltage at a predetermined step-up ratio, and a power supply system having a plurality of power supply devices.
近年、液晶ディスプレイの薄型化に伴い、バックライトのインバータ用の電源装置に圧電トランスが用いられるようになっている(例えば、特許文献1又は2参照)。圧電トランスは、圧電振動子に一次と二次の電極を設け、一次側を圧電振動子の厚み方向に分極させるとともに、二次側を圧電振動子の長さ方向に分極したものである。この圧電トランスは、一次側に所定周波数のパルス電圧が入力されると、逆圧電効果によって、その所定周波数に応じた昇圧比で昇圧し、二次側から出力する。昇圧比がピークとなる際のパルス電圧の周波数(共振周波数)は、圧電振動子の長さに応じて定められ、パルス電圧の周波数が共振周波数である場合の昇圧比は、圧電振動子の長さを厚みで除したものとなる。このような圧電トランスは、磁気トランスと比較すると、小型化、薄型化、軽量化が図られ、更には、電磁界ノイズが発生することもなく、利点が多い。
In recent years, with the thinning of liquid crystal displays, piezoelectric transformers have been used for power supply devices for backlight inverters (see, for example,
ところで、コピー機、プリンタ、あるいはこれらの機能を併せ持ついわゆるデジタル複合機等の画像形成装置には、近年、画像のカラー化、高画質化や、処理の高速化のみならず、機器の小型化も要求されるようになっている。これに対して電源装置の要求仕様は、出力数の増加、複雑化、出力精度性能向上等を招き、高圧電源装置の大型化、コストアップに繋がっている。このため、電源装置に上述した圧電トランスを用いることが提案されている(例えば、特許文献3参照)。図1は、従来の電源システムの構成を示すブロック図である。図1に示す電源システム700は、高圧電源装置710及びPWM信号回路730を有する。このうち、高圧電源装置710は、制御回路711、駆動回路712、圧電トランス713、二次側回路714、検知回路715、クロック信号回路720及び矩形波制御回路721を有する。この電源システム700では、圧電トランス713は、クロック信号回路720からのクロック信号の周波数に応じた昇圧比で、駆動回路712からのパルス電圧を昇圧して二次側回路714へ出力する。図2は、PWM信号出力回路730が出力するPWM信号のデューティ比と出力負荷800に供給される電圧(出力電圧)との対応関係を示す図であり、PWM信号のデューティ比が大きいほど、出力電圧が大きくなる。また、図3は、出力電圧が大きい場合と小さい場合とにおけるクロック信号回路720、矩形波制御回路721及び駆動回路712の出力信号の一例を示す図である。図3に示すように、クロック信号回路720の出力信号波形は、出力電圧を大きくする場合と小さくする場合とで変化はない。一方、矩形波制御回路721の出力信号波形は、出力電圧を大きくする場合と小さくする場合とで周波数に変化はないが、出力電圧を大きくする場合の方がデューティ比は大きくなっている。また、駆動回路712の出力信号波形は、出力電圧を大きくする場合と小さくする場合とで周波数に変化はないが、出力電圧を大きくする場合の方が内蔵するスイッチング素子のオン期間が長くなることに対応して、オフ期間が長くなる。
しかし、上述した従来の高圧電源装置710では、圧電トランス713に入力される周波数の電圧に対応するクロック信号を発生させるクロック信号回路720が高圧電源装置710の内部に構成されているため、装置構成の複雑化を招き、小型化の妨げとなっていた。すなわち、コピー機等の電源装置は前述したとおり出力数が多くなってきており、圧電トランスの共振周波数は数百kHzと高いため、出力相互間で出力誘導等による出力リップル増加や出力不安定動作等の不具合が発生してしまう。その対応として出力容量のアップや機能絶縁以上の距離を確保する必要がある。このため、立ち上がり・立ち下がり時間特性の遅れや、小型化の妨げとなってしまう。また、特許文献1に記載の電源装置のように、個々の圧電トランスに対応してクロック信号回路が設けられる場合には、小型化が困難である。
However, in the above-described conventional high-voltage
本発明は、前述したような従来の問題を解決するためになされたもので、更なる小型化を図った電源装置及び電源システムを提供するものである。 The present invention has been made to solve the conventional problems as described above, and provides a power supply device and a power supply system that are further miniaturized.
本発明は、圧電トランスを内蔵し、前記圧電トランスの入力にパルス電圧を印加し共振させることで所定の昇圧比で出力電圧を得る電源装置であって、前記パルス電圧の周波数は、外部から入力するクロック信号の周波数により決定されるとともに、外部から入力するPWM信号により前記出力電圧のオン、オフ及び可変を行うことを特徴とする電源装置。 The present invention is a power supply device that has a built-in piezoelectric transformer and obtains an output voltage at a predetermined step-up ratio by applying a pulse voltage to the input of the piezoelectric transformer and causing it to resonate. A power supply apparatus that is determined by a frequency of a clock signal to be turned on, and that the output voltage is turned on, off, and varied by a PWM signal inputted from outside.
この構成により、電源装置内部には、クロック信号を発生させる回路が必要でなく、電源装置の小型化が可能となる。 With this configuration, a circuit for generating a clock signal is not required in the power supply device, and the power supply device can be downsized.
また、本発明の電源装置は、前記圧電トランスの前段において、前記PWM信号のデューティ比に応じて、前記パルス電圧のレベルの変換を行うために入力電圧可変回路を有する。 The power supply apparatus of the present invention includes an input voltage variable circuit for converting the level of the pulse voltage in accordance with the duty ratio of the PWM signal in the previous stage of the piezoelectric transformer.
この構成により、PWM信号のデューティ比を変化させることによって、入力パルス電圧のレベルを変化させ、出力電圧の制御及び可変させることが可能となる。 With this configuration, by changing the duty ratio of the PWM signal, the level of the input pulse voltage can be changed, and the output voltage can be controlled and varied.
また、本発明の電源装置は、前記圧電トランスの前段において、前記PWM信号のデューティ比に応じて、前記パルス電圧のデューティ可変を行うためにスイッチング素子のデューティ可変回路を有する。 The power supply device of the present invention further includes a duty variable circuit for the switching element in order to change the duty of the pulse voltage in accordance with the duty ratio of the PWM signal in the previous stage of the piezoelectric transformer.
この構成により、PWM信号のデューティ比を変化させることによって、パルス電圧のデューティ可変をさせ、出力電圧の制御及び可変をさせることが可能となる。 With this configuration, by changing the duty ratio of the PWM signal, the duty of the pulse voltage can be varied, and the output voltage can be controlled and varied.
また、本発明の電源システムは、上述の電源装置を複数有する構成である。 Moreover, the power supply system of this invention is the structure which has multiple said power supply devices.
また、本発明の電源システムは、前記複数の電源装置へ前記クロック信号を出力するクロック信号回路と、前記複数の電源装置へ前記PWM信号を出力するPWM信号回路とを有する。 The power supply system of the present invention includes a clock signal circuit that outputs the clock signal to the plurality of power supply devices, and a PWM signal circuit that outputs the PWM signal to the plurality of power supply devices.
この構成により、単一のクロック信号回路により複数の電源装置に対してクロック信号を出力するため、小型化を図ることが可能となる。 With this configuration, a single clock signal circuit outputs a clock signal to a plurality of power supply devices, so that the size can be reduced.
また、本発明の電源システムは、前記複数の電源装置が、共通の前記クロック信号を入力する。 In the power supply system of the present invention, the plurality of power supply devices input the common clock signal.
また、本発明の電源システムは、前記複数の電源装置が、独立の前記PWM信号を入力する。 In the power supply system of the present invention, the plurality of power supply devices input the independent PWM signals.
また、本発明の電源システムは、前記複数の電源装置に内蔵される前記圧電トランスのそれぞれが、同一の形状である。 In the power supply system of the present invention, each of the piezoelectric transformers incorporated in the plurality of power supply devices has the same shape.
また、本発明の電源システムは、前記複数の電源装置に内蔵される前記圧電トランスのそれぞれが、厚みが異なる。 In the power supply system of the present invention, each of the piezoelectric transformers incorporated in the plurality of power supply devices has a different thickness.
この構成により、圧電トランスを収容するパッケージの深さに余裕を持たせることにより、個々の圧電トランスが厚みの相違によって特性が異なる場合においても同一のパッケージを用いることができる。 With this configuration, by providing a margin for the depth of the package that accommodates the piezoelectric transformer, the same package can be used even when the characteristics of the individual piezoelectric transformers differ due to differences in thickness.
また、本発明の電源システムは、前記クロック信号回路が、前記圧電トランスの昇圧比の変化が所定範囲内となる周波数の範囲に対応するクロック信号を出力する。 In the power supply system of the present invention, the clock signal circuit outputs a clock signal corresponding to a frequency range in which the change in the step-up ratio of the piezoelectric transformer falls within a predetermined range.
この構成により、圧電トランスの周波数と昇圧比の関係で、昇圧比の変化(傾き)が小さくなる周波数が設定できるため、安定した制御が可能となる。 With this configuration, it is possible to set a frequency at which the change (inclination) of the boost ratio is small in accordance with the relationship between the frequency of the piezoelectric transformer and the boost ratio, so that stable control is possible.
また、本発明の電源システムは、前記クロック信号回路が、前記圧電トランスの特性およびマシン制御で可変される出力要求に応じて前記クロック信号の周波数を設定する。 In the power supply system of the present invention, the clock signal circuit sets the frequency of the clock signal in accordance with the characteristics of the piezoelectric transformer and an output request that is varied by machine control.
この構成により圧電トランスの昇圧比をその出力に最適な(効率良く)周波数を選択することが可能となる。 With this configuration, it is possible to select an optimum (efficient) frequency for the output of the step-up ratio of the piezoelectric transformer.
本発明によれば、電源装置内部に、クロック信号を発生させる回路が必要でなく、電源装置の小型化が可能となる。 According to the present invention, a circuit for generating a clock signal is not required in the power supply device, and the power supply device can be downsized.
以下、本発明の実施の形態の電源システムについて、図面を用いて説明する。図4は、第1の電源システムの構成を示すブロック図である。図4に示す電源システム100−1は、高圧電源装置110a、110b、クロック信号回路120及びPWM信号回路130を有する。これらのうち、高圧電源装置110aは、直流電圧を入力し、出力負荷600aに対して電圧供給を行うものであり、制御回路111a、駆動回路112a、圧電トランス113a、二次側回路114a及び検知回路115aを有する。同様に、高圧電源装置110bは、出力負荷600bに対して電圧供給を行うものであり、制御回路111b、駆動回路112b、圧電トランス113b、二次側回路114b及び検知回路115bを有する。
Hereinafter, a power supply system according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 4 is a block diagram showing a configuration of the first power supply system. A power supply system 100-1 illustrated in FIG. 4 includes high-voltage
クロック回路120は、圧電トランス113a及び113bを動作させるためのクロック信号を、高圧電源装置110a内の駆動回路112a及び高圧電源装置110b内の駆動回路112bへ出力する。PWM信号回路130は、高圧電源装置110aの出力電圧のオン、オフ及び可変を行うための第1のPWM信号を高圧電源装置110a内の制御回路111aへ出力するとともに、高圧電源装置110bの出力電圧のオン、オフ及びレベルの変換を行うための第2のPWM信号を高圧電源装置110b内の制御回路111bへ出力する。
The
高圧電源装置110a内の駆動回路112aは、圧電トランス113aを駆動させるためのものであり、外部からの直流電圧を圧電トランス113aに供給する。この際、駆動回路112aは、圧電トランス113aに供給する電圧について、制御回路111aを介してPWM信号回路130から入力したPWM信号のデューティ比に応じて、オン、オフ及び可変を行うとともに、周波数をクロック回路120からのクロック信号の周波数に一致させる。同様に、高圧電源装置110b内の駆動回路112bは、圧電トランス113bを駆動させるためのものであり、外部からの直流電圧を圧電トランス113bに供給する。この際、駆動回路112bは、圧電トランス113bに供給する電圧について、制御回路111bを介してPWM信号回路130から入力したPWM信号のデューティ比に応じてオン、オフ及び可変を行うとともに、周波数をクロック回路120からのクロック信号の周波数に一致させる。
The
高圧電源装置110a内の圧電トランス113aは、駆動回路112aによって制御されたパルス電圧を一次側に入力し、そのパルス電圧の周波数に応じた昇圧比で昇圧して二次側から出力する。昇圧された電圧は、二次側回路114aを介して出力負荷600aに供給される。同様に、高圧電源装置110b内の圧電トランス113bは、駆動回路112bによって制御された電圧を一次側に入力し、その入力電圧の周波数に応じた昇圧比で昇圧して二次側から出力する。昇圧された電圧は、二次側回路114bを介して出力負荷600bに供給される。
The
高圧電源装置110a内の検知回路115aは、二次側回路114aに接続されており、出力負荷600aに供給される電圧を検出して制御回路111aへ出力する。制御回路111aは、検知回路115aによって検知された電圧が出力負荷600aに供給すべき電圧であるか否か、換言すれば、所望の電圧であるか否かを判定し、所望の電圧でない場合には、駆動回路112aを制御する。同様に、高圧電源装置110b内の検知回路115bは、二次側回路114bに接続されており、出力負荷600bに供給される電圧を検出して制御回路111bへ出力する。制御回路111bは、検知回路115bによって検知された電圧が出力負荷600bに供給すべき電圧であるか否か、換言すれば、所望の電圧であるか否かを判定し、所望の電圧でない場合には、駆動回路112bを制御する。
The
上述した電源システム100−1では、クロック信号を発生させるクロック信号回路120及びPWM信号を発生させるPWM信号回路130が高圧電源装置110a及び110bの外部に構成されており、更には、1つのクロック信号が高圧電源装置110a及び110bで共用されている。従って、高圧電源装置110a及び110bの小型化が可能となり、更には電源システム100−1全体の小型化も可能となる。
In the power supply system 100-1 described above, the
また、PWM信号回路130が高圧電源装置110a及び110bのそれぞれに対して、異なるPWM信号を入力することができるため、高圧電源装置110a内の圧電トランス113aと、高圧電源装置110b内の圧電トランス113bとが、同一形状であって同一の特性となっていても、高圧電源装置110a及び110bのそれぞれから所望の電圧を出力させることが可能である。
Since the
一方、例えば、図5に示すように、厚みのみが異なる圧電トランス間では、昇圧比や出力パワーが異なっている。このため、適切な厚みの圧電トランス113a及び113bが用いられることによって、高圧電源装置110a及び110bのそれぞれから所望の電圧を出力させることが可能であり、PWM信号によって出力電圧を更に調整することも可能である。すなわち、厚みの異なる圧電トランス113a及び113bを用いることが可能であり、その場合、圧電トランス113a及び113bを収容するパッケージの深さに余裕を持たせることにより、同一のパッケージを用いることができ、コスト削減が図られる。
On the other hand, for example, as shown in FIG. 5, the step-up ratio and the output power are different between piezoelectric transformers having different thicknesses. For this reason, it is possible to output a desired voltage from each of the high-voltage
図6は、第2の電源システムの構成を示すブロック図である。図6に示す電源システム100−2は、図4に示した電源システム100−1と比較すると、高圧電源装置110a内に入力電圧可変回路116aを有するとともに、高圧電源装置110b内に入力電圧可変回路116bを有する。
FIG. 6 is a block diagram showing a configuration of the second power supply system. Compared with the power supply system 100-1 shown in FIG. 4, the power supply system 100-2 shown in FIG. 6 has an input
図7は、電源システム100−2の回路図である。図7に示す電源システム100−2において、高圧電源装置110aでは、基準電圧回路212aは、24V入力ラインと24VRTN(接地)ラインとに接続されている。D/A変換回路214aは、PWM信号回路130からのPWM信号をアナログ信号に変換してOPアンプ218aの一方の入力端子へ出力する。OPアンプ218は、一方の入力端子がD/A変換回路214aに、他方の入力端子が抵抗246aの一端、コンデンサ244aの一端及び抵抗252aの一端にそれぞれ接続されるとともに、出力端子が抵抗220aの一端に接続されている。PNP型のトランジスタ216aは、エミッタが24V入力ライン、ベースが抵抗220aの他端、コレクタが磁心入りのインダクタンス222aの一端に接続され、OPアンプ218aの出力によってオン状態となり、24Vの直流電圧をインダクタンス222aに供給する。
FIG. 7 is a circuit diagram of the power supply system 100-2. In the power supply system 100-2 shown in FIG. 7, in the high voltage
圧電トランス113aは、圧電振動子に一次と二次の電極が設けられており、一方の一次電極がインダクタンス222aの他端、N型のMOSFET224aのドレイン、コンデンサ234aの一端に接続され、他方の一次電極が24VRTNラインに接続されている。また、二次電極がダイオード240aのカソード、ダイオード238aのアノードに接続されている。この圧電トランス113は、一次電極に供給される電圧の周波数に応じた昇圧比で、その電圧を昇圧し、二次電極から出力する。
In the
ダイオード240aのアノードは抵抗246aの他端、及び、抵抗248aの一端に接続されており、抵抗248aの他端が高圧電源装置110aの出力電圧となる。ダイオード238aのカソードとコンデンサ242aの一端は、24VRTNラインに接続されている。また、抵抗246aの一端は、一端が24VRTNラインに接続されたコンデンサ244aの他端、及び、抵抗252aの一端に接続されている。
The anode of the
MOSFET224aのゲートは、抵抗226aの一端、及び、N型のMOSFET228aのドレインに接続され、ソースは、24VRTNラインに接続されている。また、MOSFET228aのゲートは、抵抗230aの一端に接続され、ソースは、24VRTNラインに接続されている。抵抗230aの他端は、クロック信号回路120と、抵抗232aの一端に接続され、抵抗232aの他端は、24VRTNラインに接続されている。また、抵抗226aの他端は、抵抗250aの一端、抵抗252aの他端、及び基準電圧回路252に接続され、抵抗250aの他端は、D/A変換回路214aに接続されている。なお、高圧電源装置110bの回路構成は、高圧電源装置110aと同様であるので、その説明は省略する。
The gate of the
再び、図6に戻って説明する。電源システム100−2において、高圧電源装置110a内の入力電圧可変回路116aは、外部からの直流電圧のレベルを変換して駆動回路112aを介して圧電トランス113aに供給する。同様に、高圧電源装置110b内の入力電圧可変回路116bは、外部からの直流電圧のレベルを変換して駆動回路112bを介して圧電トランス113bに供給する。
Again, referring back to FIG. In the power supply system 100-2, the input
従って、圧電トランス113a及び113bは、入力電圧可変回路116a及び116bによるレベルを変換して駆動回路112a及び112bを介したパルス電圧を昇圧して出力することになり、クロック信号回路120からのクロック信号の周波数やPWM信号回路130からのPWM信号のデューティ比だけでなく、入力電圧のレベルを変換させることによっても、高圧電源装置110a及び110bの出力電圧を適切に制御及び可変することが可能となる。また、高圧電源装置110a及び110bのそれぞれにおいて入力電圧のレベルが変換されるため、高圧電源装置110a内の圧電トランス113aと、高圧電源装置110b内の圧電トランス113bとが、同一形状であって同一の特性となっていても、厚みが異なることによって異なる特性となっていても、高圧電源装置110a及び110bのそれぞれから所望の電圧を出力させることが可能である。
Accordingly, the
図8は、出力負荷660a及び600bに供給される電圧(出力電圧)が大きい場合と小さい場合とにおけるクロック信号回路120、PWM信号回路130、入出力可変回路116a、116b、駆動回路112a、112bの出力信号の一例を示す図である。図8に示すように、クロック信号回路120の出力信号波形は、出力電圧を小さくする場合と大きくする場合とで変化はない。一方、PWM信号回路130の出力信号(PWM信号)波形は、出力電圧を小さくする場合にはデューティ比が小さくなり、出力電圧を大きくする場合にはデューティ比が大きくなる。また、入力電圧可変回路116a、116bは、出力電圧を小さくする場合には、直流電圧回路からの直流電圧のレベルを24Vから1Vに変換して出力し、出力電圧を大きくする場合には、直流電圧回路からの直流電圧のレベルを24Vから8Vに変換して出力する。また、駆動回路112の出力信号波形は、PWM信号のオフ期間にオンとなるものであり、出力電圧を大きくする場合と小さくする場合とで周波数に変化はなく、デューティ比もほぼ同一であるが、出力電圧を大きくする場合の方がピーク値が大きくなる。
FIG. 8 shows the
図9は、第3の電源システムの構成を示すブロック図である。図9に示す電源システム100−3は、図4に示した電源システム100−1と比較すると、高圧電源装置110aの制御回路111aがデューティ可変回路117a及び可変制御回路118aにより構成されるとともに、高圧電源装置110bの制御回路111bがデューティ可変回路117b及び可変制御回路118bにより構成される。
FIG. 9 is a block diagram showing the configuration of the third power supply system. Compared with the power supply system 100-1 shown in FIG. 4, the power supply system 100-3 shown in FIG. 9 includes a
図10は、電源システム100−3の回路図である。図10に示す電源システム100−3において、高圧電源装置210aでは、基準電圧回路212aは、24V入力ラインと24VRTN(接地)ラインとに接続されている。D/A変換回路214aは、PWM信号回路130からのPWM信号をアナログ信号に変換してOPアンプ218aの一方の入力端子へ出力する。OPアンプ218は、一方の入力端子がD/A変換回路214aに、他方の入力端子が抵抗246aの一端、コンデンサ244aの一端及び抵抗252aの一端にそれぞれ接続されるとともに、出力端子がN型のMOSFET228aのゲートに接続されている。磁心入りのインダクタンス222aは、一端が24V入力ラインに接続されている。
FIG. 10 is a circuit diagram of the power supply system 100-3. In the power supply system 100-3 shown in FIG. 10, in the high voltage
圧電トランス113aは、一方の一次電極がインダクタンス222aの他端、N型のMOSFET224aのドレイン、コンデンサ234aの一端に接続され、他方の一次電極が24VRTNラインに接続されている。また、二次電極がダイオード240aのカソード、ダイオード238aのアノードに接続されている。この圧電トランス113aは、一次電極に供給される電圧の周波数に応じた昇圧比で、その電圧を昇圧し、二次電極から出力する。
In the
ダイオード240aのアノードは抵抗246aの他端、及び、抵抗248aの一端に接続されており、抵抗248aの他端が高圧電源装置110aの出力電圧となる。ダイオード238aのカソードとコンデンサ242aの一端は、24VRTNラインに接続されている。また、抵抗246aの一端は、一端が24VRTNラインに接続されたコンデンサ244aの他端、及び、抵抗252aの一端に接続されている。
The anode of the
MOSFET224aのゲートは、抵抗262aの一端、及び、N型のMOSFET228aのドレインに接続され、ソースは、24VRTNラインに接続されている。また、MOSFET228aのゲートは、抵抗226aの一端に接続され、ソースは、24VRTNラインに接続されている。更に、抵抗226aの他端は、基準電圧回路212a、抵抗254aの一端に接続されている。N型のトランジスタ256aとP型のトランジスタ258aは、ベースがクロック信号回路120及び抵抗254aの他端に接続されている。また、トランジスタ256aのコレクタは、基準電圧回路212aに接続され、トランジスタ258aのコレクタは、24VRTNラインに接続されている。更にトランジスタ256aのエミッタと、トランジスタ258aのエミッタは、抵抗262aの他端に接続されている。
The gate of the
また、抵抗226aの他端は、抵抗250aの一端、抵抗252aの他端、及び基準電圧回路252に接続され、抵抗250aの他端は、D/A変換回路214aに接続されている。なお、高圧電源装置110bの回路構成は、高圧電源装置110aと同様であるので、その説明は省略する。
The other end of the
再び、図9に戻って説明する。電源システム100−3において、高圧電源装置110a内のデューティ可変回路117aは、PWM信号回路130からのPWM信号を、可変制御回路118aを介して入力し、デューティ比を調整して駆動回路112aに出力する。駆動回路112aは、圧電トランス113aに供給するパルス電圧について、デューティ可変回路117aから入力したPWM信号のデューティ比に応じてパルス電圧のデューティを調整して出力の制御及び可変を行うとともに、周波数をクロック回路120からのクロック信号の周波数に一致させる。同様に、高圧電源装置110bのデューティ可変回路117bは、PWM信号回路130からのPWM信号を、可変制御回路118bを介して入力し、デューティ比を調整して駆動回路112bに出力する。駆動回路112bは、圧電トランス113bに供給するパルス電圧について、デューティ可変回路117bから入力したPWM信号のデューティ比に応じてパルス電圧のデューティを調整して出力の制御及び可変を行うとともに、周波数をクロック回路120からのクロック信号の周波数に一致させる。
Again, returning to FIG. In the power supply system 100-3, the
従って、圧電トランス113a及び113bは、駆動回路112a及び112bがデューティ可変回路117a及び117bのよってデューティ比が調整された後のPWM信号に基づいて、パルス電圧のデューティを調整した後の入力電圧を昇圧して出力することになり、PWM信号回路130からのPWM信号のデューティ比を調整することによって、高圧電源装置110a及び110bの出力電圧を適切に制御することが可能となる。また、高圧電源装置110a及び110bのそれぞれにおいてPWM信号のデューティ比が調整されるため、高圧電源装置110a内の圧電トランス113aと、高圧電源装置110b内の圧電トランス113bとが、同一形状であって同一の特性となっていても、厚みが異なることによって異なる特性となっていても、高圧電源装置110a及び110bのそれぞれから所望の電圧を出力することが可能である。
Therefore, the
図11は、出力負荷660a及び600bに供給される電圧(出力電圧)が大きい場合と小さい場合とにおけるクロック信号回路120、PWM信号回路130、デューティ可変回路117a、117b、駆動回路112a、112bの出力信号波形の一例を示す図である。図11に示すように、クロック信号回路120の出力信号波形は、出力電圧を小さくする場合と大きくする場合とで変化はない。一方、PWM信号回路130の出力信号(PWM信号)波形は、出力電圧を小さくする場合にはデューティ比が小さくなり、出力電圧を大きくする場合にはデューティ比が大きくなる。また、デューティ可変回路117a、117bの出力信号波形は、PWM信号のデューティ比に応じて基準となる信号がカットされてデューティ比が調整されたものである(カットされる部分は斜線部)。このデューティ可変回路117a、117bの出力信号波形のデューティ比は、出力電圧を小さくする場合にはPWM信号のデューティ比が小さいために基準となる信号の多くがカットされて小さくなり、出力電圧を大きくする場合にはPWM信号のデューティ比が小さいために基準となる信号が出力電圧を小さくする場合よりも少なくカットされて大きくなる。また、駆動回路112の出力信号波形は、デューティ可変回路117a、117bの出力信号のオフ期間にオンとなるものであり、出力電圧を大きくする場合と小さくする場合とで周波数に変化はない。しかし、出力電圧を小さくする場合にはデューティ可変回路117a、117bの出力信号のデューティ比が小さいため、駆動回路112の出力信号波形のデューティ比は大きくなり、出力電圧が大きくする場合にはデューティ可変回路117a、117bの出力信号のデューティ比が大きいため、駆動回路112の出力信号波形のデューティ比は小さくなる。
FIG. 11 shows outputs of the
図12は、第4の電源システムの構成を示すブロック図である。図12に示す電源システム100−4は、高圧電源装置110a、110b、及び、マシンコントロールユニット(MCU)150を有する。高圧電源装置110a及び110bは、上述した電源システム100−1乃至100−3における高圧電源装置110a及び110bのいずれかと同一の構成である。MCU150は、クロック信号回路120、PWM信号回路130及びタイマ資源部140を有する。このタイマ資源部140は、クロック周波数演算部142、クロック周波数設定部146、PWMデューティ比設定部146を有する。
FIG. 12 is a block diagram showing the configuration of the fourth power supply system. A power supply system 100-4 illustrated in FIG. 12 includes high-voltage
クロック周波数演算部142は、クロック信号回路120が発生するクロック信号の周波数、すなわち、高圧電源装置110a及び110b内の圧電トランス113a及び113b(図12では図示せず)を共振させるための周波数を演算する。
The clock
図13は、圧電トランス113a及び113b(以下、これら圧電トランス113a及び113bをまとめて、適宜「圧電トランス113」と称する)に入力される電圧の周波数と、圧電トランス113の昇圧比との対応関係を示す図である。
FIG. 13 shows the relationship between the frequency of the voltage input to the
図13(a)に示すように、昇圧比は、入力電圧の周波数が、昇圧比がピークとなる際の周波数(共振周波数)の近傍である場合には、急激な変化を示している。このように昇圧比が急激な変化を示す部分では、入力電圧の周波数がわずかに変化しただけでも昇圧比の変化が大きくなり、安定した制御が困難である。このため、クロック周波数演算部142は、入力電圧の周波数、換言すれば、クロック信号の周波数を、昇圧比の変化が所定範囲内に収まるような周波数帯域(例えば、図13(a)の設定周波数帯)内の周波数とする。
As shown in FIG. 13A, the boost ratio shows a rapid change when the frequency of the input voltage is in the vicinity of the frequency (resonance frequency) when the boost ratio reaches its peak. Thus, in the portion where the boost ratio shows a sudden change, even if the frequency of the input voltage slightly changes, the change in the boost ratio becomes large, and stable control is difficult. For this reason, the clock
また、図13(b)に示すように、昇圧比や共振周波数は、出力負荷600a及び600b(以下、これら出力負荷600a及び600bをまとめて、適宜「出力負荷600」と称する)のインピーダンス(負荷インピーダンス)の変化によって変動する。また、昇圧比は、周囲の温度や圧電トランス113のばらつきによっても変動する。このため、クロック周波数演算部142は、入力電圧の周波数、換言すれば、クロック信号の周波数を、負荷インピーダンスが変化して昇圧比及び共振周波数が変動しても、昇圧比の変化が所定範囲内に収まるような周波数帯域(例えば、図13(b)の設定周波数帯)内の周波数とする。
Further, as shown in FIG. 13B, the step-up ratio and the resonance frequency are determined based on the impedance (load) of the
クロック周波数設定部144は、上述したクロック周波数演算部142によって算出された周波数をクロック信号回路120が出力するクロック信号の周波数として設定する。クロック信号回路120は、設定された周波数のクロック信号を高圧電源装置110a及び110bに対して出力する。
The clock
一方、PWMデューティ比設定部146は、PWM信号回路130が高圧電源装置110a及び110bに対して出力するPWM信号のデューティ比を設定する。上述したように、PWM信号のデューティ比によって、圧電トランス113に入力されるパルス電圧を制御し、更には、出力電圧の制御及び可変を行う。PWMデューティ比設定部146は、高圧電源装置110a及び110bのそれぞれから所望の電圧が出力されるように、高圧電源装置110aに対して出力するPWM信号のデューティ比と、高圧電源装置110bに対して出力するPWM信号のデューティ比とを設定する。このため、PWMデューティ設定部146からの出力値に応じて、圧電トランスが効率良く使えるような周波数をクロック周波数演算部142において設定することができる。
On the other hand, the PWM duty
以上、説明したように、本発明に係る電源装置及び電源システムは、電源装置の小型化が可能となり、電源装置及び電源システムとして有用である。 As described above, the power supply device and the power supply system according to the present invention can be miniaturized, and are useful as a power supply device and a power supply system.
100−1、100−2、100−3、100−4 電源システム
110a、110b 高圧電源装置
111a、111b 制御回路
112a、112b 駆動回路
113a、113b 圧電トランス
114a、114b 二次側回路
115a、115b 検知回路
116a、116b 入力電圧可変回路
117a、117b デューティ可変回路
118a、118b 可変制御回路
120 クロック信号回路
130 PWM信号回路0
140 タイマ資源部
142 クロック周波数設定部
144 クロック周波数設定部
146 PWMデューティ比設定部
150 マシンコントロールユニット(MCU)
100-1, 100-2, 100-3, 100-4
140
Claims (11)
前記パルス電圧の周波数は、外部から入力するクロック信号の周波数により決定されるとともに、外部から入力するPWM信号により前記出力電圧のオン、オフ及び可変を行うことを特徴とする電源装置。 A power supply device that includes a piezoelectric transformer and obtains an output voltage at a predetermined step-up ratio by applying a pulse voltage to the input of the piezoelectric transformer to cause resonance,
The frequency of the pulse voltage is determined by the frequency of a clock signal input from the outside, and the output voltage is turned on, off, and varied by a PWM signal input from the outside.
前記複数の電源装置へ前記PWM信号を出力するPWM信号回路とを有することを特徴とする請求項4に記載の電源システム。 A clock signal circuit for outputting the clock signal to the plurality of power supply devices;
The power supply system according to claim 4, further comprising a PWM signal circuit that outputs the PWM signal to the plurality of power supply devices.
The power supply system according to claim 5, wherein the clock signal circuit sets a frequency of the clock signal in accordance with characteristics of the piezoelectric transformer.
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