JP2007325428A - スイッチング電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】入力電圧に過大電圧が印加された場合でも、破損せずに安全に停止し、電源装置の発火発煙を防止するスイッチング電源装置を提供する。
【解決手段】交流電源に接続された整流平滑回路で１次側直流電圧に変換し、その１次側直流電圧を、スイッチング素子とＰＷＭ制御ＩＣによりトランスをスイッチして前記トランスの２次側に電力を誘起させ、その電力を整流平滑回路で整流平滑して直流出力を得る様に構成されたスイッチング電源装置であって、前記トランスを介して前記１次側直流電圧を検出する１次側電圧検出手段と、前記１次側直流電圧が設定電圧値以上であることを検出する過電圧検出手段と、前記過電圧検出手段により前記設定電圧値以上の電圧が検知された場合、前記スイッチング電源装置の動作を停止する停止手段と、を具備する構成となっている。
【選択図】図１

Description

この発明は、複写機、レーザプリンタの様なＯＡ機器等の交流電源で入力電圧が不安定な環境で使用するスイッチング電源装置に関し、特に、入力電圧に過大電圧が印加された場合でも、破損せずに安全に停止し、電源装置の発火発煙を防止するスイッチング電源装置に関するものである。

一般に、複写機、レーザプリンタの様なＯＡ機器等の交流電源で入力電圧が不安定な環境で使用するスイッチング電源装置が知られている。
なお、先行技術としては、特許文献１として、定格より電圧の高い交流電源と入力端子を接続してしまった場合、又は雷サージの高電圧が入力された場合、ツェナーダイオードは導通し、トランジスタがオンし、導通していたリレー用のトランジスタが不導通となるためリレーがオフし、過電圧保護用スイッチが開き、さらに、コンパレータに電圧がかかるため、Ｈレベルの信号が出力され、制御用マイコンは、コンパレータからＨレベルの信号を受けると、端子がＨレベルとなり、制御用マイコンの端子がＨレベルになると、サイリスタとしての機能を有する電源ラッチ回路がオンし、リレー及びスイッチのオフを保持し、電源をオフの状態に保つ技術が開示されている。

また特許文献２として、交流電圧を整流回路で整流して直流に変換し、この直流の電圧を電圧検出部で比較して過電圧を検出し、負荷部を駆動してヒューズに流れる電流を増加させて溶断させるようにし、過電圧を検出したときにスイッチング電源のスイッチング素子を連続的にオンにして電流を増加させ、ヒューズを溶断させ、動作点を正確に設定でき、かつ確実にヒューズを溶断させることができる技術が開示されている。
また特許文献３として、交流（商用）電源は、スイッチを介してリレーを経て複写機の機械部分へのルートと、リレーの前で直流電源ユニットに至るルートに分れ、直流電源ユニットは、交流電圧の交直変換を行い、安定化回路からＣＰＵを含む制御ユニットに電力を供給し、制御ユニットは、安定化回路の入口部の直流電圧をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換部、スイッチ及びリレーを制御する信号発生部、タイマを備え、交流電源に異常が発生すると、その異常は電源ユニットからのＡ／Ｄ変換器に伝わり、Ａ／Ｄ変換された値を基に異常を検出し、制御ユニットからリレー及びスイッチを作動させ、交流電源の入力を遮断し、タイマにより、瞬時的な異常には反応しないようにする技術が開示されている。

また特許文献４として、商用電源の中立線と高電位線から電力供給を受ける電源の電力供給側に装備される過電圧保護装置であって、高電位線と中立線間に接続されるサージ吸収素子と、サージ吸収素子より商用電源側の高電位線に直列に挿入される正特性サーミスタと、サージ吸収素子で発生した熱を正特性サーミスタに良好に伝える熱収縮チューブとを有し、過電圧が印加された場合には、サージ吸収素子の発熱により正特性サーミスタの抵抗値が上がり、その正特性サーミスタの抵抗値の上昇により電流値が下がってサージ吸収素子の発熱は抑圧され、最終的にサージ吸収素子の発熱と正特性サーミスタの抵抗値の上昇が平衡になるところまででサージ吸収素子の発熱（温度上昇）は制限される技術が開示されている。
特開２００２−５１４５３公報 特開２００３−１６４０５４公報 特開平１１−１１３１６４号公報 特開平１１−２５２７８９号公報

しかしながら、上記従来のスイッチング電源装置には、以下のような問題点があった。
すなわち、従来においては、交流入力電圧の過電圧をバリスター等の電圧検出素子で検出し、ヒューズ等の遮断素子で交流入力電源を遮断し停止するが、その場合バリスター等又はヒューズ等は破損し入力過電圧が解消しても復帰できないと言う課題があった。
そこで、復帰させる為には電源装置の交換又はヒューズの交換が必要で、安全に係わる部品で、高度な訓練を受けたサービスマンによるメンテナンスを必要となると言う課題がある。
また、従来技術では保護素子は破損せずに過電圧を検出し停止可能であるが、交流電源又は整流平滑後の直流電圧に入力電圧検出手段を接続し入力電圧を検出する為、待機時の消費電力が入力電圧検出手段の消費電力分増加すると言う課題がある。最近、特に待機時の消費電力の低減が重要になり、入力電圧検出手段で消費する電力も無視できないと言う課題がある。

本発明は、これらの課題を解消するためになされたものであって、その目的は、待機時消費電力の増加がない、入力過電圧検出手段を提供し、入力過電圧が印加されてもスイッチング電源装置の動作を停止して、電源装置及びシステムの発火発煙を防止することができるスイッチング電源装置を提供することである。
また、本発明の他の目的は、入力過電圧検出を検出した場合、バリスター短絡やヒューズ溶断などの部品破損をせずに、動作を停止させ、過電圧が解消した後は、容易に再起動出来できるスイッチング電源装置を提供することである。

上述の目的を達成するために、請求項１記載の発明は、交流電源に接続された整流平滑回路で１次側直流電圧に変換し、その１次側直流電圧を、スイッチング素子とＰＷＭ制御ＩＣによりトランスをスイッチして前記トランスの２次側に電力を誘起させ、その電力を整流平滑回路で整流平滑して直流出力を得る様に構成されたスイッチング電源装置であって、前記トランスを介して前記１次側直流電圧を検出する１次側電圧検出手段と、前記１次側直流電圧が設定電圧値以上であることを検出する過電圧検出手段と、前記過電圧検出手段により前記設定電圧値以上の電圧が検知された場合、前記スイッチング電源装置の動作を停止する停止手段と、を具備する事を特徴とする。

また、請求項２記載の発明は、前記１次側電圧検出手段が、前記ＰＷＭ制御ＩＣの補助電源回路であり、前記過電圧検出手段は、ツェナーダイオードと抵抗器の直列回路であり、前記停止手段は、前記ＰＷＭ制御ＩＣの過電圧保護回路であることを特徴とする。
また、請求項３記載の発明は、前記１次側電圧検出手段が、一次側直流電圧と比例する電圧を取り出すように前記スイッチング素子がオンの時に出力される極性として前記２次側の整流平滑回路に接続され、前記過電圧検出手段が、電圧依存素子を用いて入力過電圧を検出し、前記停止手段が、前記電源装置の２次側過電圧保護手段に連動されることを特徴とする。

本発明によれば、交流入力の電圧が設定の電圧（入力過電圧検出電圧）以上に高くなった場合、スイッチング動作を停止することにより、１次側平滑コンデンサに流れるリプル電流が少なく、入力過電圧が印加された場合でも、このコンデンサの発熱が少なくて済むため、より高い電圧までコンデンサの防爆弁の作動を防止できる。よって、１次側平滑コンデンサに低耐圧で小型な部品を選定でき、低価格で安全なスイッチング電源装置を提供出来る。
また、一次側直流電圧検出回路は、巻き線Ｔ１-Ｗ１と巻き線Ｔ１−Ｗ４の巻き数比で分圧された低い電圧を使って入力過電圧を検出するため、一次側直流電圧検出回路及び過電圧検出回路で消費する電力は小さく、待機時の消費電力が少ないスイッチング電源装置を提供できる。

また、補助電源回路を一次側直流電圧検出回路として使用可能となり、少ない部品点数で、入力過電圧保護機能が実現し、より低価格な電源装置を提供出来る。
また、スイッチング電源装置の２次側整流平滑回路に、一次側直流電圧検出回路を設ける事により、スイッチング電源装置の動作を停止する停止手段を、電源装置の２次側過電圧保護手段に連動させる事が可能となり、ＰＷＢ設計時の部品配置の自由度も高くなり、設計が容易になる効果がある。

以下に添付の図を参照してこの発明の実施形態を詳細に説明する。
図１は、本発明によるスイッチング電源装置の一実施形態の回路図である。
図１に示すように、このスイッチング電源装置は、交流電源(ＡＣ)１にヒューズ（Ｆ１）２を経由して整流回路（ＤＢ）３を接続し、整流した電圧を１次側平滑コンデンサ（Ｃ１）４で平滑して１次側直流電圧に変換し、一次側直流電圧に接続したスイッチングトランス（Ｔ１）５、スイッチング素子（Ｑ１）６、ＰＷＭ制御ＩＣ（ＩＣ１）７でスイッチングトランス５の巻き線（Ｔ１−Ｗ１）の電流をＯＮ／ＯＦＦして２次側に電力を誘起させ、その電力を２次側整流平滑回路（Ｔ１−Ｗ２、Ｄ２、Ｃ２）２０で平滑して直流出力を得る。

そして、スイッチング電源装置は、スイッチングトランス（Ｔ１）５を介して１次側直流電圧を検出する回路である１次側電圧検出回路（Ｔ１−Ｗ４、Ｄ５、Ｃ５、Ｒ５）９を有し、この１次側電圧検出回路９では、スイッチング素子（Ｑ１）６がＯＮの時にプラス極性に出力をする様にＴ１−Ｗ４の極性に巻いてある。
この一次側直流電圧は、Ｔ１−Ｗ１とＴ１−Ｗ４の巻き数比で分圧された電圧がコンデンサＣ５の両端に現れ、その電圧を過電圧検出回路（ＺＤ１、Ｒ６）１０で検出し、スイッチング電源停止回路（Ｃ６、ＩＣ１―ＯＶＰ）１１に供給する。
なお、補助電源回路（Ｔ１−Ｗ３、Ｄ４、Ｃ４）８は、ＰＷＭ制御ＩＣ（ＩＣ１）７の補助電源回路であり、ＩＣ１のＰＷＭ制御動作を維持するための電力を供給する。

上述のようなスイッチング電源装置において、ＡＣ１の入力電圧が上昇すると、１次側電圧検出回路９のコンデンサＣ５の両端電圧も上昇し、ツェナ−ダイオードＺＤ１で決定される過電圧検出電圧（設定電圧）以上にコンデンサＣ５の電圧が高くなった場合、ツェナーダイオードＺＤ１は導通し、ＰＷＭ制御ＩＣ７のＯＶＰ端子に電流が流れ、そこに接続されたコンデンサＣ６が充電され電圧が上昇する。そして、コンデンサＣ６−ＯＶＰ端子の電圧が所定の電圧に達した時点で、ＰＷＭ制御ＩＣ７はＰＷＭ制御動作を停止し、ＯＶＰ保護動作となり、その状態を維持する。ＰＷＭ制御ＩＣ７がＰＷＭ制御動作を停止する事により、スイッチング電源装置の直流出力は停止する。すなわち、スイッチング電源停止回路１１は、ＰＷＭ制御ＩＣ７の過電圧保護回路となる。
そして、この保護動作状態は、交流電源１を遮断するなどの、リセット操作を行うまで保持される。

このような構成によれば、交流入力の電圧が設定の電圧（入力過電圧検出電圧）以上に高くなった場合、スイッチング動作を停止することにより、１次側平滑コンデンサに流れるリプル電流が少なく、入力過電圧が印加された場合でも、このコンデンサの発熱が少なくて済むため、より高い電圧までコンデンサの防爆弁の作動を防止できる。よって、１次側平滑コンデンサに低耐圧で小型な部品を選定でき、低価格で安全なスイッチング電源装置を提供出来る。

また、一次側直流電圧検出回路は、巻き線Ｔ１-Ｗ１と巻き線Ｔ１−Ｗ４の巻き数比で分圧された低い電圧を使って入力過電圧を検出するため、一次側直流電圧検出回路及び過電圧検出回路で消費する電力は小さく、待機時の消費電力が少ないスイッチング電源装置を提供できる。
なお、過電圧検出回路１０は、ＰＷＭ制御ＩＣ７内部に作り込まれたコンパレータ・オペアンプ等で構成され、スイッチング電源停止回路１１は、ＰＷＭ制御回路７内部で、ＩＣの過電圧保護回路に連動するように構成しても良い。
このように、過電圧検出回路１０はＰＷＭ制御ＩＣ７の内部に構成され、ＰＷＭ制御ＩＣ７のＶＣＣ電圧を過電圧検出回路１０で検出し、ＩＣ内部の過電圧保護回路に接続して連動させることにより、更に少ない部品点数で、入力過電圧保護機能を実現することができる。

次に、この発明の第２実施形態について説明する。
図２は、本発明によるスイッチング電源装置の第２実施形態の回路図である。
図２に示すように、このスイッチング電源装置の第２実施形態は、図１の第１実施形態における１次側電圧検出回路（Ｔ１−Ｗ４、Ｄ５、Ｃ５、Ｒ５）９を削除し、補助電源回路（Ｔ１−Ｗ３、Ｄ４、Ｃ４）８で一次側直流電圧を検出し、その電圧を過電圧検出回路（ＺＤ１、Ｒ６）１０で検出し、スイッチング電源停止回路（Ｃ６、ＩＣ１―ＯＶＰ）１１に接続しており、その他の回路構成は、図１の第１実施形態と同じである。
なお、補助電源回路８の巻き線（Ｔ１−Ｗ３）は、スイッチング素子（Ｑ１）６がＯＮの時にプラス極性に出力をする様に巻いてある。

このように構成されたスイッチング電源装置の第２実施形態においては、ＡＣ入力電圧が上昇すると、補助電源回路８の電圧も上昇する、この電圧はＴ１−Ｗ１とＴ１−Ｗ３の巻き数比で分圧された一次側直流電圧としてコンデンサＣ４の両端に現れる。ツェナーダイオードＺＤ１決定される過電圧検出電圧以上にコンデンサＣ４の電圧が高くなった場合、ツェナーダイオードＺＤ１は導通し、ＰＷＭ制御ＩＣ７のＯＶＰ端子電流が流れ、そこに接続されたコンデンサＣ６が充電され電圧が上昇する。ＰＷＭ制御ＩＣ１のＯＶＰ端子の電圧が所定の電圧に達したと時点で、ＰＷＭ制御ＩＣ７はＰＷＭ制御動作を停止し、ＯＶＰ保護動作となり、その状態を維持する。そして、ＰＷＭ制御ＩＣ７がＰＷＭ制御動作を停止する事により、スイッチング電源装置の直流出力は停止する。
そして、この保護動作状態は、交流電源１を遮断するなどの、リセット操作を行うまで保持される。
よって、１次側電圧検出回路（Ｔ１−Ｗ４、Ｄ５、Ｃ５、Ｒ５）９を削除し、補助電源回路（Ｔ１−Ｗ３、Ｄ４、Ｃ４）８で一次側直流電圧を検出する事により、第１実施形態と同様の機能を少ない部品で実現可能となる。

図３は、図２に示した第２実施形態における補助電源回路８の変形例を示す回路図である。
図３に示すように、この補助電源回路８ａは、第２実施形態の補助電源回路８に、倍電圧整流回路（Ｄ４１、Ｃ４１）１２を付加したものである。他の部分の回路構成は図２の第２実施形態の補助電源回路８と共通とする。
図３に示した補助電源回路８ａにおいて、コンデンサＣ４１とダイオードＤ４１からなる倍電圧整流回路１２を付加することで、スイッチング素子６がＯＮの時と、ＯＦＦ時どちらも補助電源回路８ａのコンデンサＣ４に充電することが可能となり、１次側直流電圧に比例する補助電源電圧を得られ、その補助電源回路８ａの出力電圧は、１次側直流電圧の変化に対し、緩やかな変化となる。
よって、交流電源１の入力電圧範囲の広い電源装置においても、容易に入力過電圧保護回路を構成できる。
また、図１に示した実施形態では、１次側直流電圧を検出する１次側電圧検出回路９および過電圧を検出する過電圧検出回路１０を１次側に設けた構成となっているが、この１次側電圧検出回路９および過電圧検出回路１０を２次側に設けることもできる。

図４および図５は、２次側に１次側電圧検出回路および過電圧検出回路を設けた実施形態を示す回路図である。
図４および図５に示す実施形態では、２次側整流平滑回路２０に一次側直流電圧検出回路９ａ、９ｂを接続し、過電圧検出回路１０ａ、１０ｂは、電圧依存素子を用い電源装置の２次側過電圧保護回路３０ａ、３０ｂに接続した構成となっている。
そして、この一次側電圧検出回路９ａ、９ｂは、一次側直流電圧と比例する電圧を取り出すようにスイッチング素子がオンの時に出力される極性として前記２次側の整流平滑回路に接続されると共に、スイッチング電源装置の２次側過電圧保護回路３０ａ、３０ｂと連動させるようになっている。

このように、スイッチング電源装置の２次側整流平滑回路に、一次側直流電圧検出回路を設ける事により、スイッチング電源装置の動作を停止する停止手段を、電源装置の２次側過電圧保護手段に連動させる事が可能となり、ＰＷＢ設計時の部品配置の自由度も高くなり、設計が容易になる効果がある。
また、上述した実施形態では、２次側整流平滑回路２０は、スイッチング素子（Ｑ１）７がオフの時に２次側に電圧が伝達され、フライバックコンバータで表現してあるが、２次側整流平滑回路は、スイッチング素子（Ｑ１）７がＯＮの時に２次側に電圧が伝達されるフォワードコンバータであっても、同様に入力過電圧保護機能を実現可能である。

本発明によるスイッチング電源装置の一実施形態の回路図である。 本発明によるスイッチング電源装置の第２実施形態の回路図である。 図２に示した第２実施形態における補助電源回路８の変形例を示す回路図である。 ２次側に１次側電圧検出回路および過電圧検出回路を設けた実施形態を示す回路図である。 ２次側に１次側電圧検出回路および過電圧検出回路を設けた他の実施形態を示す回路図である。

符号の説明

１…交流電源、５…スイッチングトランス、６…スイッチング素子、７…ＩＣ、８…補助電源回路、９…１次側電圧検出回路、１０…過電圧検出回路、１２…倍電圧整流回路、２０…１次側整流平滑回路、３０…１次側過電圧保護回路

Claims (3)

1. 交流電源に接続された整流平滑回路で１次側直流電圧に変換し、その１次側直流電圧を、スイッチング素子とＰＷＭ制御ＩＣによりトランスをスイッチして前記トランスの２次側に電力を誘起させ、その電力を整流平滑回路で整流平滑して直流出力を得る様に構成されたスイッチング電源装置であって、
   前記トランスを介して前記１次側直流電圧を検出する１次側電圧検出手段と、
   前記１次側直流電圧が設定電圧値以上であることを検出する過電圧検出手段と、
   前記過電圧検出手段により前記設定電圧値以上の電圧が検知された場合、前記スイッチング電源装置の動作を停止する停止手段と、を具備することを特徴とするスイッチング電源装置。
2. 前記１次側電圧検出手段が、前記ＰＷＭ制御ＩＣの補助電源回路であり、前記過電圧検出手段は、ツェナーダイオードと抵抗器の直列回路であり、前記停止手段は、前記ＰＷＭ制御ＩＣの過電圧保護回路であることを特徴とする請求項１に記載のスイッチング電源装置。
3. 前記１次側電圧検出手段が、一次側直流電圧と比例する電圧を取り出すように前記スイッチング素子がオンの時に出力される極性として前記２次側の整流平滑回路に接続され、前記過電圧検出手段が、電圧依存素子を用いて入力過電圧を検出し、前記停止手段が、前記電源装置の２次側過電圧保護手段に連動されることを特徴とする請求項１に記載のスイッチング電源装置。

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