JP2012016181A - 電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】有限電源規制に適合しつつ、コストダウンを図ることが可能な電源装置を提供する。
【解決手段】トランス１、ダイオードＤ１、Ｄ２、コンデンサＣ１及びＣ２から構成される生成回路は、電源装置から出力される各電力の電流の合計電流が流れる電流経路Ｘを介して、複数の電力を生成する。出力端子Ｖ１およびＶ２は、生成回路にて生成された複数の電力のそれぞれを出力する。そして、ヒューズＦＵ１は、電流経路Ｘに設けられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電圧がそれぞれ異なる複数の出力電力が得られる電源装置に関し、特には、有限電源(ＬＰＳ：Limited Power Source)規制に適合したスイッチング電源装置に関する。

プリンタなどの情報処理機器（ＩＴＥ：Information Technology Equipment）は、各国の安全規格（例えば、ＵＬ６０９５０−１、ＩＥＣ６０９５０−１またはＥＮ６０９５０−１など）に適合しなければならない。特に、ＡＣ−ＤＣコンバータとして機能するスイッチング電源装置は、その電力供給能力に応じて、有限電源規制に適合しなければならないことがある。

有限電源規制とは、簡単に述べれば、所定値以上の皮相電力が出力可能な電源装置に対して、ヒューズなどの過電流保護装置の実装を義務付ける安全規制のことである。なお、所定値は、具体的に言えば、１００ＶＡ（Volt-Ampere）である。

有限電源規制の対象となるスイッチング電源装置の一例は、特許文献１に記載されている。特許文献１の図１を参照すると、スイッチング電源装置は、電力を出力する２つの出力端子（Ａ、Ｂ）を有し、各出力端子に個別にヒューズ（ＦＵ１、ＦＵ２）が接続されている。このように、有限電源規制の対象となるスイッチング電源装置では、過電流保護装置として、出力端子ごとに個別にヒューズが設けられることが一般的である。

また、有限電源規制の対象となるスイッチング電源装置の別の例を図４に示す。図４に示すスイッチング電源装置は、インクジェットプリンタ用のスイッチング電源装置であり、ＡＣ−ＤＣコンバータとして機能する。なお、インクジェットプリンタなどの情報処理機器では、電源から見た負荷側の力率はほぼ１．０であるので、皮相電力[ＶＡ]と有効電力[Ｗ]とはほぼ同等な値となる。このため、以下では、皮相電力と有効電力とを同意語として扱うものとし、単に電力と呼ぶこともある。

図４に示すスイッチング電源装置は、ＡＣ−ＤＣコンバータ用のトランス１１を含む。トランス１１は、１次巻線１２と、２次巻線１３及び１４を含む。当業者には周知のように、トランスでは、スイッチング作用により１次巻線１２に蓄えられたエネルギーが、２次巻線１３及び１４に所定の効率で伝達する。これにより、２次巻線１３及び１４のそれぞれに電圧が誘起される。

以下では、２次巻線１３及び１４の巻き数比は３対１であるとする。この場合、例えば、２次巻線１３がＤＣ２４Ｖの電圧を誘起すれば、２次巻線１４では、その３分の１、つまり、ＤＣ８Ｖの電圧を誘起する。また、２次巻線１３及び１４は、２次巻線１３には、所定電圧値（例えば、グランド電圧値）を基準とする電圧が誘起され、２次巻線１４には、２次巻線１３で誘起された電圧を基準とした電圧が誘起されるように配置される。このため、２次巻線１３に対応する出力電圧ｗ１はＤＣ２４ＶＡであるが、２次巻線１４に対応する出力電圧ｗ２は、ＤＣ２４ＶとＤＣ８Ｖとの合計電圧、つまり、ＤＣ３２Ｖとなる。

なお、出力電圧ｗ１は、記録ヘッド用の駆動電圧であるヘッド駆動電圧となり、出力電圧ｗ２は、ＤＣモータやステッピング・モータなどの駆動源用の駆動電圧であるモータ駆動電圧となる。

図５は、図４で示したスイッチング電源装置の各出力電圧に対応する負荷電流の波形を示す図である。なお、図５では、Ｊ１は、２次巻線１３からの出力電圧（ヘッド駆動電圧）ｗ１に対応する負荷電流を表し、Ｊ２は、２次巻線１４からの出力電圧（モータ駆動電圧）ｗ２に対応する負荷電流を表す。

図５で示すように、インクジェットプリンタの印字動作では、当業者には周知のように、記録ヘッドの記録幅に相当する量だけ記録用紙を送り出す紙送り区間と、実際に記録ヘッドを用いて印字を行う印字区間とが交互に発生する。

印字区間では、ヘッド駆動電圧ｗ１に対する負荷電流Ｊ１がモータ駆動電圧ｗ２に対応する負荷電流Ｊ２より大きく、紙送り区間では、モータ駆動電圧ｗ２に対応する負荷電流Ｊ２がヘッド駆動電圧ｗ１に対応する負荷電流Ｊ１よりも大きい。

また、紙送り区間における負荷電流Ｊ２のピーク値は３Ａまで達している。なお、負荷電流Ｊ２がピーク値となるピーク電流区間は、記録ヘッドを記録用紙の幅方向に沿って往復移動させる不図示のキャリッジモータにランプアップ電流を供給する期間に相当する。ピーク電流区間に続いて発生する１．２５Ａの電流が流れる区間は、記録用紙を記録ヘッドの記録幅分だけ送り出す紙送りモータに電流を供給する期間に相当する。

図５に示すように、ピーク電流区間では、モータ駆動電圧ｗ２（ＤＣ３２Ｖ）に対応する負荷電流Ｊ２が３Ａとなり、ヘッド駆動電圧ｗ１（ＤＣ２４Ｖ）に対する負荷電流Ｊ１は、０．０５Ａとなる。このため、モータ駆動電圧ｗ２に対応する負荷電力が９６ＶＡとなり、ヘッド駆動電圧ｗ１に対応する負荷電力が１．２ＶＡとなるので、スイッチング電源装置の負荷電力は、９７．２ＶＡとなる。したがって、負荷電力に対するマージンを考慮すれば、図５に示すスイッチング電源装置は、９７．２ＶＡ以上の電力を出力可能とする必要があり、通常、１００ＶＡ以上の電力を出力可能とした仕様が取られる。この場合、スイッチング電源装置は、有限電源規制の対象となる。

したがって、有限電源規制に適合するために、スイッチング電源装置では、図４に示すように、出力電圧ｗ１およびｗ２のそれぞれを出力する２つの出力端子のそれぞれに、ヒューズｆｕ１またはｆｕ２が個別に接続されている。

特開平０６−１８９５３７号公報

特許文献１に記載のスイッチング電源装置や、図４で示したスイッチング電源装置では、各出力端子に個別にヒューズが設けられているため、ヒューズの数が多くなり、コストがかかっていた。特に、ヒューズの安全規格は国ごとに異なるため、ヒューズの数が多くなると、国ごとに交換する部品点数の数が多くなり、コストが高くなる。

本発明の目的は、有限電源規制に適合しつつ、コストダウンを図ることが可能な電源装置を提供することである。

本発明による電源装置は、電圧がそれぞれ異なる複数の電力を出力する電源装置であって、各電力の電流の合計電流が流れる電流経路を介して、前記複数の電力を生成する生成回路と、前記生成回路にて生成された複数の電力のそれぞれを出力する複数の出力端子と、前記電流経路に設けられたヒューズと、を有する。

本発明によれば、電圧がそれぞれ異なる複数の出力電力のそれぞれの電流の合計電流が流れる電流経路にヒューズが設けられるので、各出力端子に個別にヒューズを設ける必要がなくなる。したがって、ヒューズの数を軽減することができるので、有限電源規制に適合しつつ、コストダウンを図ることが可能になる。

本発明の一実施例である電源装置の構成を示す図である。 タイムラグタイプのヒューズの溶断特性を示す図である。 本発明の別の実施例である電源装置を示す図である。 従来の複数の出力端子を有する電源装置の他の例を示す図である。 図４に示す電源装置の出力電圧に対応する負荷電流波形を示す図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の説明では、同じ機能を有する構成には同じ符号を付け、その説明を省略する場合がある。

図１は、本発明の一実施例である電源装置の構成を示した図である。図１において、電源装置は、インクジェットプリンタ用のスイッチング電源装置であり、電圧がそれぞれ異なる複数の電力を出力する多出力電源装置である。なお、図１で示した電源装置は、電圧がそれぞれ異なる２つの電力を出力するものである。

図１において、トランス１と、出力端子Ｖ１及びＶ２と、ダイオードＤ１及びＤ２と、コンデンサＣ１及びＣ２と、ヒューズＦＵ１とを有する。トランス１は、１次巻線２と、２次巻線３及び４とを有する。

トランス１、ダイオードＤ１、Ｄ２、コンデンサＣ１及びＣ２は、生成回路を構成する。生成回路は、各出力電力の電流の合計電流が流れる電流経路Ｘをさらに有し、その電流経路Ｘを介して、複数の出力電力を生成する。

具体的には、トランス１の２次巻線３及び４のそれぞれは、１次巻線２と磁気的に結合されており、１次巻線２の入力電圧に応じた電圧を誘起する。より具体的には、２次巻線３及び４は、電流経路Ｘを介して直列に接続されている。そして、２次巻線３は、予め設定された設定電圧（例えば、グランド電圧）を基準とする基準誘起電圧である第１の誘起電圧を誘起する第１の２次巻線である。また、２次巻線４は、第１の誘起電圧を基準とする従属誘起電圧である第２の誘起電圧を誘起する第２の２次巻線である。

また、ダイオードＤ１及びコンデンサＣ１は、２次巻線３に対応する整流回路を構成する。この整流回路は、２次巻線３に誘起された第１の誘起電圧を整流した直流出力電圧ｖ１を有する第１の電力を生成する。

そして、ダイオードＤ２及びコンデンサＣ２は、２次巻線４に対応する整流回路を構成する。この整流回路は、２次巻線３及び４に誘起された第１の誘起電圧及び第２の誘起電圧のそれぞれの合計電圧を整流した直流出力電圧ｖ２を有する第２の電力を生成する。

なお、ダイオードＤ１及びコンデンサＣ１から構成される整流回路は、第１の整流回路の一例であり、ダイオードＤ２及びコンデンサＣ２から構成される整流回路は、第２の整流回路の一例である。

出力端子Ｖ１およびＶ２は、生成回路にて生成された複数の電力（本実施例では、２つの電力）のそれぞれを出力する。より具体的には、出力端子Ｖ１は、不図示の第１の負荷が接続され、第１の電力を第１の負荷に出力する。出力端子Ｖ２は、不図示の第２の負荷が接続され、第２の電力を第２の負荷に出力する。

ヒューズＦＵは、電流経路Ｘ上に設けられる。ヒューズＦＵ１の定格電流は、出力電力のそれぞれの直流出力電圧のうち、最も高い電圧(本実施例では、直流出力電圧ｖ２)に応じて、その電圧を有する電力（皮相電力）が１００ＶＡ以下になるように設定される。例えば、直流出力電圧ｖ１がＤＣ２４Ｖであり、直流出力電圧ｖ２がＤＣ３２Ｖの場合、ヒューズＦＵ１の定格電流は３．１５Ａに設定される。このとき、直流出力電圧ｖ２「ＤＣ３２Ｖ」と定格電流「３．１５Ａ」との積は１００ＶＡになる。

次に、ヒューズが１本で電源装置が有限電源規制に適合する理由について説明する。なお、第１の負荷がインクジェットプリンタ用の記録ヘッドであり、第２の負荷がＤＣモータなどの駆動源であるとする。つまり、直流出力電圧ｖ１は、記録ヘッドを駆動するためのヘッド駆動電圧であり、直流出力電圧ｖ２は、駆動源を駆動するためのモータ駆動電圧であるとする。また、直流出力電圧ｖ１がＤＣ２４Ｖであり、直流出力電圧ｖ２がＤＣ３２Ｖであるとする。

ヒューズＦＵ１は電流経路Ｘ上に設けられるので、第１の電力の負荷電流Ｉ１は、ダイオードＤ１から出力され、ヒューズＦＵ１を経由して出力端子Ｖ１から記録ヘッドに供給される。また、第２の電力の負荷電流Ｉ２は、ダイオードＤ１から出力され、ヒューズＦＵ１、２次巻線４及びダイオードＤ２を経由して出力端子Ｖ１から駆動源に供給される。

したがって、ヒューズＦＵ１には、負荷電流Ｉ１及びＩ２の両方、つまり、負荷電流Ｉ１及びＩ２の合計電流が流れることになる。したがって、ヒューズＦＵ１の定格電流が３．１５Ａの場合、電源装置から出力される電力は、最大で直流出力電圧ｖ２「ＤＣ３２Ｖ」と定格電流「３．１５Ａ」との積、つまり、１００ＶＡとなる。よって、電源装置は、有限電源規制に適合する。

なお、第１の電力は、最大で直流出力電圧ｖ１「ＤＣ３２Ｖ」と定格電流「３．１５Ａ」との積、つまり、７５ＶＡとなる。このため、第１の電力は１００ＶＡ以下となるので、有限電源規制を満足する。また、負荷電流Ｉ１及びＩ２の合計電流が３．１５Ａの場合、電源装置から出力される電力の合計電力は、７５ＶＡ〜１００ＶＡの間の値となることは明らかであり、有限電源規制を満足する。

また、負荷電流（負荷電流Ｉ１及びＩ２）波形が、図５で示した背景技術の負荷電流の波形と同等になるか否かを検証する。図５を参照すると、電力が最大となるのは、紙送り区間における負荷電流Ｉ２（図５では、負荷電流Ｊ２）が３Ａとなるときであり、その時の電力の合計は、９７．２ＶＡになる。このため、紙送り区間であっても、ヒューズＦＵ１の定格電流「３．１５Ａ」が、負荷電流Ｉ１およびＩ２の合計電流の最大値「３．０５Ａ」よりも大きいので、ヒューズＦＵ１が溶断されることがない。したがって、負荷電流Ｉ１及びＩ２の波形は、図５で示した背景技術の負荷電流Ｊ１及びＪ２の波形と同等になる。

以上説明したように、ヒューズが１本だけであっても、第１の電力及び第２の電力のそれぞれに対する有限電源規制を同時に適合させることが可能になる。

以下、参考であるが、図１で示した電源装置の適用が適切な場合とそうでない場合とについて検討する。有限電源規制の適合のために使用されるヒューズは、通常、タイムラグタイプであるので、以下では、ヒューズＦＵ１をタイムラグタイプとして検討する。タイムラグタイプのヒューズとは、定格電流より大きい電流が流れてからヒューズが溶断されるまでに、溶断時間（タイムラグ）が存在するヒューズである。例えば、定格電流の２倍の電流が流れる場合、溶断時間は、典型的には１２０秒程度になる。なお、ヒューズに定格電流と同じ値の電流が流れても、ヒューズは溶断されない。

図２は、タイムラグタイプのヒューズの溶断特性の典型例を示す図である。なお、図２において、横軸は、タイムラグタイプのヒューズを流れる電流の定格電流に対する電流比率を表し、縦軸は、溶断時間[秒]を表す。なお、横軸は、対数目盛りが取られている。

図２に示すように、第１の電力及び第２の電力の合計電力の最大値が１００ＶＡを超えても、その持続時間が短時間であれば、ヒューズＦＵ１が溶断しない。

このため、図１で示した電源装置は、例えば、次の場合でも実質的に問題がない。つまり、例えば、合計電力の最大値が１２０ＶＡであり、その持続期間が短時間（例えば、数百ミリ秒）であり、その繰り返し周期が持続期間の数１０倍以上であっても、合計電力の時間平均値が１００ＶＡ以下であれば、実質的に問題がない。より具体的には、ヒューズＦＵ１の劣化の懸念がなく、かつヒューズＦＵ１だけで有限電源規制に適合することができる。

ただし、上記のような判断は、ヒューズの溶断特性を十分に調査した結果なされるべきである。また、電源装置の合計最大電力が１００ＶＡを超える期間が全期間において相対的に大きな割合を占める場合には、溶断特性上ではヒューズが溶断しなくても、本実施形態の電源装置を用いることは不適切である。この場合、背景技術で説明したように、出力端子のそれぞれに個別にヒューズを設けることが望ましい。

以上説明したように、本実施例では、直流出力電圧ｖ１およびｖ２が電流経路Ｘを経由して生成され、その電流経路Ｘにヒューズが１本だけ設けられている。このため、各出力端子に個別にヒューズを設ける必要がなくなり、ヒューズの数を軽減することができるので、有限電源規制に適合しつつ、コストダウンを図ることが可能になる。

また、本実施例では、第１の電力と第２の電力の合計電力は、常に７５ＶＡ〜１００ＶＡの間の値となるので、第１の電力と第２の電力の合計電力の時間平均値が１００ＶＡ以下になる。したがって、本電源装置は、有限電源規制を満足する。なお、１００ＶＡという値は、現行の有限電源規制によって決められた値であり、有限電源規制の変更があった場合には、それに合わせて変更される。なお、合計電力の時間平均値が１００ＶＡを超える場合、従来通り、出力端子のそれぞれにヒューズを配置するべきである。

次に本発明の別の実施例について説明する。

上記の実施例では、出力電力が２つの電源装置について説明したが、出力電力の数が３つ以上であってもよい。本実施例では、出力電力が３つの電源装置について説明する。

図３は、本実施例の電源装置の構成を示した図である。図３で示した電源装置は、図１で示した電源装置の構成に加えて、２次巻線５と、ダイオードＤ３と、コンデンサＣ３と、出力端子Ｖ３とをさらに有する。

２次巻線５は、トランス１に含まれ、１次巻線２と磁気的に結合されている。２次巻線５は、２次巻線４と同様に、２次巻線３と電流経路Ｘを介して直列に接続されており、２次巻線３で誘起された第１の誘起電圧を基準とする第３の誘起電圧を誘起する。なお、第３の誘起電圧は、第２の誘起電圧と同様に第１の誘起電圧を基準した従属誘起電圧であるが、その値は第２の誘起電圧と異なる。また、２次巻線５は、第２の２次巻線に含まれる。

本実施例では、２次巻線４および５は、中間タップ６を介して一体形成されている。中間タップ６を利用した一体形成された巻線の構成方法は、当業者であれば周知であるので、ここではその説明を省略する。なお、２次巻線３〜５の巻数に関しては、所望の直流出力電圧が得られるように調整される。

ダイオードＤ３およびコンデンサＣ３は、２次巻線５に対応する整流回路を構成し、２次巻線３及び５に誘起された第１の誘起電圧および第３の誘起電圧の合計電圧を整流した直流出力電圧ｖ３を有する第３の電力を生成する。なお、この整流回路は、第２の整流回路の一例である。

また、ヒューズＦＵ１は、図３に示すように、第１〜第３の電力のそれぞれの電流の合計電流が流れる電流経路Ｘに１本だけ設けられる。ヒューズＦＵ１の定格電流は、第１〜第３の電力のそれぞれの電圧うち、最も高い電圧である直流出力電圧ｖ３と定格電流との積が１００ＶＡ以下になるように設定される。つまり、ヒューズＦＵ１の定格電流は、式「（直流出力電圧ｖ３）×（ヒューズＦＵ１の定格電流）≦100ＶＡ」を満たすように設定される。

なお、図１及び図３では、直流出力電圧ｖ１がアンレギュレーテッド（Unregulated）の状態で示されるが、高精度の出力電圧を得るためにレギュレート（Regulated）されてもよい。

また、当業者には明らかなように、図３では、３つの出力電力が得られていたが、さらに多い出力電力を得られる電源装置に対しても本発明は適用可能である。

そして、図１及び図３において、例えば、ダイオードＤ１〜Ｄ３が短絡した場合など、異常状態における電源装置の安全性は、電源装置が安全規格で要求されるショート/オープン試験を満足するように構成することで確保している。

以上説明した各実施形態において、図示した構成は単なる一例であって、本発明はその構成に限定されるものではない。

１ トランス
２ １次巻線
３〜５ ２次巻線
ＦＵ１ ヒューズ
Ｖ１〜Ｖ３ 出力端子

Claims (4)

1. 電圧がそれぞれ異なる複数の電力を出力する電源装置であって、
   各電力の電流の合計電流が流れる電流経路を介して、前記複数の電力を生成する生成回路と、
   前記生成回路にて生成された複数の電力のそれぞれを出力する複数の出力端子と、
   前記電流経路に設けられたヒューズと、を有する電源装置。
2. 請求項１に記載の電源装置において、
   前記複数の電力の合計電力の時間平均値が１００ＶＡ以下である、電源装置。
3. 請求項２に記載の電源装置において、
   前記ヒューズの定格電流は、前記複数の電力のそれぞれの電圧うち、最も高い電圧と当該定格電流の積が１００ＶＡ以下になるように設定される、電源装置。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項に記載の電源装置において、
   前記生成回路は、
   １次巻線と、前記電流経路を介してそれぞれ接続された複数の２次巻線とを含み、前記複数の２次巻線のいずれかである第１の２次巻線は、予め設定された設定電圧を基準とする基準誘起電圧を誘起し、前記第１の２次巻線と異なる２次巻線である第２の２次巻線は、前記基準誘起電圧を基準とする従属誘起電圧を誘起するトランスと、
   前記基準誘起電圧を整流した電圧を有する電力を生成する第１の整流回路と、
   前記基準誘起電圧と前記従属誘起電圧の合計電圧を整流した電圧を有する電力を生成する第２の整流回路と、を含む、電源装置。

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