JP2012120315A

JP2012120315A - スイッチング電源装置、及び、スイッチング電源装置を備えた画像形成装置

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Publication number: JP2012120315A
Application number: JP2010267295A
Authority: JP
Inventors: Atsunobu Mori; 厚伸森
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2010-11-30
Filing date: 2010-11-30
Publication date: 2012-06-21
Anticipated expiration: 2030-11-30
Also published as: US20120134706A1; JP5729990B2; US8655216B2; CN102487249B; CN102487249A

Abstract

【課題】起動開始電圧と動作停止電圧のヒステリシス幅が小さい発振制御回路を用いた場合に安定した電源起動を実現する。
【解決手段】スイッチング電源装置の制御部のオンオフ端子に電圧を入力することにより祈祷タイミングを制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、商用交流電源から交流電圧を入力して直流電圧を生成するスイッチング電源装置に関する。

従来、様々な電子機器においてＣＰＵを含む制御部やモータ等の駆動部に電圧を供給するスイッチング電源装置が知られている。従来のスイッチング電源装置の回路構成を図７に示す。このスイッチング電源装置は、一次巻線９ａ、二次巻線９ｂおよび補助巻線９ｃを有するトランス９と、ブリッジ整流回路２及び平滑コンデンサ３により商用交流電源１からの交流電圧を整流して直流電圧をこのトランス９の一次巻線９ａに供給する一次側の整流回路を有する。また、トランス９の一次巻線９ａに直列接続されたスイッチング素子５（図７では一例としてはＭＯＳＦＥＴを適用している）と、このスイッチング素子５のスイッチングを制御する発振制御回路６を有する。また、整流ダイオード７及びコンデンサ８を有し、トランス９の補助巻線９ｃの出力を整流して発振制御回路６の電源端子３６に供給する補助側の整流回路と、一次側の整流回路の正の電圧出力側と発振制御回路６の電源端子３６との間に起動抵抗４が接続されている。

トランス９の二次巻線９ｂには整流ダイオード１０及びコンデンサ１１が接続されおり、トランスの二次側からの出力を整流し直流電圧を生成する。また、トランスの二次側には出力電圧を分圧する抵抗１４と抵抗１５、シャントレギュレータ１２、フォトカプラ１３が接続されている。シャントレギュレータ１２は、抵抗１４と抵抗１５によって分圧された電圧と内部の基準電圧を比較し、その誤差を増幅して検出する。

シャントレギュレータ１２の出力はフォトカプラ１３に接続されており、発振制御回路６のフィードバック端子３３に伝達される。発振制御回路６はフォトカプラ１３のフォトトランジスタに流れる電流に応じてスイッチング素子５をＰＷＭ制御する。この回路はフィードバック制御ループを構成し、二次側からの出力電圧を目標電圧に制御することができる。

次に、図８を参照して、図７で示したスイッチング電源装置の起動時の動作を説明する。商用交流電源１から交流電圧が供給されると、トランスの一次側の整流回路からの出力によって、まず起動抵抗４を通してコンデンサ８が充電される。コンデンサ８が充電されることにより、発振制御回路６の電源端子３６への供給電圧Ｖ１が上昇する。電圧Ｖ１が発振制御回路６の起動開始電圧（ここでは２０Ｖに設定）になると、発振制御回路６が動作してスイッチング素子５のスイッチング動作が開始する（図８の期間１）。

スイッチング動作時の発振制御回路６の消費電流は、起動抵抗４からの供給電流より大きいので電源端子３６の電圧は低下する（図８の期間２）。しかし、スイッチングを開始することによりトランス９の補助巻線９ｃに電圧が発生し、この電圧が補助側の整流回路を介して発振制御回路６の電源端子３６に供給されてＶ１の電圧値は再び上昇する（図８の期間３）。発振制御回路６には、起動抵抗４による電力供給を受けて起動した後は、補助側の整流回路からの電圧が供給される。なお、図８の期間２におけるＶ１の電圧値が発振制御回路６の動作停止電圧以上（ここでは１０Ｖに設定）を維持するように起動抵抗４の抵抗値およびコンデンサ８の容量を設定する。特許文献１には、このような起動抵抗４を用いた電源装置の起動方法が開示されている。

特開２００３−３３３８４１号公報

上記で説明した起動抵抗４を用いて発振制御回路６を起動させる電源においては、発振制御回路６の起動開始電圧と動作停止電圧のヒステリシス幅が小さい場合には、正しく起動できないことがある。具体的に説明すると、図９に示すように起動開始電圧と起動停止電圧のヒステリシス幅が小さいと、発振制御回路６の電源端子の電圧Ｖ１が起動開始電圧を超えてスイッチング動作を開始しても、起動後の電圧ドロップにより動作停止電圧を下回りスイッチング動作が停止する。その後も、電源は起動と停止のサイクルを繰り返すことになり起動することができない状態になってしまう。

このようなヒステリシス幅が小さいことによる起動不良の課題を解決するために、従来は、補助側の平滑コンデンサ８の容量を大きくする、または、起動抵抗４の抵抗値を小さくする等の対策を施していた。しかし、この手法では、次に説明する課題が発生する。

（１）平滑コンデンサの容量を大きくすると、発振制御回路の電源端子の電圧が起動開始電圧に到達するまでの時間が長くなり、電源が起動するまでの時間が長くなる。つまり、電源起動のための時間長くなり装置に適用した場合には、起動までの待ち時間が長くなる可能性がある。
（２）起動抵抗の抵抗値を小さくすると、起動抵抗の電力損失が大きくなり、電源装置の電力変換効率が低下する。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、スイッチング電源において、スイッチング動作を制御する制御回路の起動開始電圧と動作停止電圧のヒステリシス幅が小さい場合でも、短時間で、かつ、安定して電源を起動することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明のスイッチング電源装置は、一次巻線と二次巻線と補助巻線を有するトランスと、前記トランスの一次巻線に流れる電流をスイッチングするスイッチング手段と、前記スイッチング手段のスイッチング動作を制御する制御手段と、前記一次巻線に対する電圧の入力側と前記制御手段の電源端子の間に接続された起動抵抗と、前記補助巻線から出力される電圧を整流及び平滑して前記電源端子に供給する電圧供給手段と、前記一次巻線に対する電圧の入力側と前記補助巻線のグランド側との間に接続されており、前記制御手段のオンオフ端子に電圧を入力することにより前記制御手段の起動タイミングを制御する起動制御手段とを備えたことを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、スイッチング電源において、スイッチング動作を制御する制御回路の起動開始電圧と動作停止電圧のヒステリシス幅の小さい場合でも、短時間で、かつ、安定して電源を起動することができる。

実施例１にかかわる電源回路図実施例１にかかわる発振制御回路のブロック図実施例１にかかわる電源起動時の電源端子とＯＮ／ＯＦＦ端子の電圧を示す図実施例２にかかわる電源回路図実施例２にかかわるフローチャート実施例２にかかわる電源起動時の電源端子とＯＮ／ＯＦＦ端子の電圧を示す図従来のスイッチング電源装置の回路図従来のスイッチング電源装置の起動時の電源端子の電圧波形を示す図従来のスイッチング電源装置の起動時における起動不良の状態を示す図電源装置の適用例を示す図

次に、上述した課題を解決するための本発明の具体的な構成について、以下に実施例に基づき説明する。なお、以下に示す実施例は一例であって、この発明の技術的範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

（実施例１）
図１、図２を参照して、実施例１のスイッチング電源装置について説明する。図８で説明した構成と同一または対応する部分には同一符号を付して説明を省略する。以下では、図８の構成例との相違点について詳細に説明する。

図２は実施例１における発振制御回路６の内部構成を示すブロック図である。スイッチング電源装置の発振制御回路６としては専用のＩＣ（集積回路）が用いられている。この発振制御回路６は、ＰＷＭ制御回路２２と電源端子３６に接続されている起動停止制御回路１９とＯＮ／ＯＦＦ制御回路２０及びＡＮＤ回路２１で構成される。

ＰＷＭ制御回路２２はフィードバック端子３３を経由してトランス９の二次側から入力されるフィードバック信号（後述するフォトカプラ１３からの信号）に基づいて、スイッチング素子５に与える駆動信号のＯＮデューティを決定する。ここでＯＮデューティとは、スイッチング素子５をオンする時間のことである。なお、本実施例ではスイッチング素子５としてＭＯＳＦＥＴを適用している。ＰＷＭ制御回路２２は発振制御回路６の出力端子３７と接続されており、この出力端子３７はスイッチング素子５のゲート端子に接続されている。

起動停止制御回路１９は電源端子３６に接続されており、電源の起動と停止を制御する。実施例１では、図８の従来例よりも起動開始電圧と電源停止電圧に設けられたヒステリシス幅が小さいＩＣを適用している。具体的には、本実施例では、電源起動時に電源端子３６の電圧Ｖ１が起動開始電圧の１２Ｖを超えた場合、ＰＷＭ制御回路２２をＯＮする。また、電源の起動後に電源端子３６の電圧Ｖ１が電源停止電圧の１０Ｖを下回るとＰＷＭ制御回路２２をＯＦＦするという仕様である。つまり、図８の従来例では１０Ｖのヒステリシス幅があったのに対して、本例では２Ｖという小さなヒステリシス幅のものを適用している。

ＯＮ／ＯＦＦ制御回路２０は、発振制御回路６のＯＮ／ＯＦＦ端子（オンオフ端子ともいう）３５の電圧（Ｖ２とする）が２Ｖ以上の時に、ＰＷＭ制御回路２２をＯＮする。ＯＮ／ＯＦＦ制御回路２０と起動停止制御回路１９の出力をＡＮＤ回路２１で論理積した結果をＰＷＭ制御回路２２へ入力する。つまり、ＰＷＭ制御回路２２はＯＮ／ＯＦＦ制御回路２０と起動停止制御回路１９の両方がＯＮすることで動作する構成となっている。また、端子３４はグランド端子である。

図１は実施例１のスイッチング電源の回路図である。図８と同様、一次巻線９ａ、二次巻線９ｂおよび補助巻線９ｃを有するトランス９を備えたスイッチング電源である。図８の従来例に対して、抵抗１６と抵抗１７とコンデンサ１８を追加し、一次平滑コンデンサ３の出力を抵抗１６及び抵抗１７で分圧して、発振制御回路のＯＮ／ＯＦＦ端子３５に入力している。この回路は図で示されるように、トランス９の一次巻線９ａに対する電圧の入力側と補助巻線９ｃのグランド側との間に接続されてうる。この回路が本実施例における特徴であり、発振制御回路６の起動タイミングを制御する起動制御部として機能する回路である。

図３は実施例１におけるスイッチング電源装置の起動時の電源端子３６とＯＮ／ＯＦＦ端子３５の電圧波形を示す図である。商用交流電源１から交流電圧が供給されると、一次側の整流回路からの出力によって、まず、起動抵抗４を通してコンデンサ８が充電される。コンデンサ８が充電されることによって発振制御回路６の電源端子３６に入力される電圧Ｖ１が上昇する。実施例１の回路では、電圧Ｖ１と共に抵抗１６を通してコンデンサ１８が充電されて、ＯＮ／ＯＦＦ端子３５に入力される電圧も上昇する。

電源端子３６に入力される電圧Ｖ１が発振制御回路６の起動開始電圧（本例では１２Ｖ）になっても、ＯＮ／ＯＦＦ端子３５に入力される電圧Ｖ２がＯＮ／ＯＦＦ閾値電圧の２Ｖに到達していない。したがって電源は起動しない。Ｖ２が閾値電圧である２Ｖを超えると、発振制御回路６が動作してスイッチング素子５のスイッチング動作開始する（図３の期間１）。スイッチング動作時における発振制御回路６の消費電流は、起動抵抗４からの供給電流より大きいので電源端子３５への電圧Ｖ１は低下する（図３の期間２）。しかし、スイッチングを開始することによりトランス９の補助巻線９ｃに電圧が発生し、この電圧が補助側の整流回路を通して発振制御回路６の電源端子３６に供給されるため電圧Ｖ１の値は再び上昇する（図３の期間３）。

また、商用交流電源１からの交流電圧の値が低い場合、一次平滑コンデンサ３の電圧が低くなり、抵抗１６と抵抗１７で分圧した電圧Ｖ２が上記のＯＮ／ＯＦＦしきい値電圧２Ｖを下回った状態となる。その結果、入力される交流電圧の低い状態では、発振制御回路６を動作させることを回避することが可能となり、スイッチング素子５が低入力電圧状態で駆動して発熱して破壊するのを防止できる。実施例１においては、抵抗１６は７２０ｋΩ、抵抗１７は３６ｋΩと設定することで、一次平滑コンデンサ３の電圧が４２Ｖ以上にならないとスイッチング動作を開始しないように設定している。

以上、説明したように、本実施例によれば、発振制御回路（ＩＣ）の電源端子に入力される電圧が起動開始電圧を超えても、オンオフ端子に入力される電圧が閾値電圧を超えなければスイッチング動作を停止させる。つまり、オンオフ端子への入力電圧によって起動タイミングを制御する。これにより、起動開始電圧と動作停止電圧のヒステリシス幅が小さい発振制御回路を用いたとしても、安定して電源を起動することができる。

また、スイッチング動作を起動時に停止させる回路に使用したＯＮ／ＯＦＦ端子及び抵抗１６を共用して商用交流電源の電圧が低い時にスイッチング動作を停止させる回路を構成することで安価な回路構成でスイッチング素子の破壊を防ぐことができる。

（実施例２）
実施例２では、スイッチング電源の起動時に発振制御回路の電源端子の電圧が所定値以上にならないように定電圧回路を追加する。また、ＯＮ／ＯＦＦ端子の電圧を電源の起動時に放電（ディスチャージともいう）する回路も追加する。なお、実施例２における要部の回路構成は実施例１と同様であるため、その説明は省略する。

図４は実施例２の回路構成を示す図である。２７はスイッチング電源２３の外部に設けられ、スイッチング電源２３への電圧供給やその動作を制御するＣＰＵである。２６はＣＰＵ２７に電力を供給する電源回路である。スイッチング電源２３へ供給される商用交流電源１からの交流電圧は、リレー２４によってＯＮ／ＯＦＦされる構成である。このリレー２４は、ＣＰＵ２７のＩ／Ｏポート（以下、Ｐ１という）をＨｉｇｈレベルにすることでリレー駆動回路２５を介してＯＮされ、Ｉ／Ｏポート（Ｐ１）をＬｏｗレベルにすることでＯＦＦされる。また、発振制御回路６のＯＮ／ＯＦＦ端子３５には、抵抗３８を介してフォトカプラ３１が接続されている。フォトカプラ３１の２次側はＣＰＵ２７からの制御信号によって制御され、ＣＰＵ２７のＩ／Ｏポート（以下、Ｐ２という）がＨｉｇｈレベルになるとトランジスタ２８がＯＮして抵抗２９を介してフォトカプラ３１の発光ダイオードに電流が流れる。その結果、フォトカプラ３１のフォトトランジスタがＯＮしてコンデンサ１８を略０Ｖまでディスチャージとすることが可能となる。

図５は、ＣＰＵ２７がスイッチング電源２３を起動する際の制御を示すフローチャートである。制御が開始されて、ステップ１でＰ２を所定時間ＨｉｇｈレベルにしてＯＮ／ＯＦＦ端子３５の電圧をディスチャージする。その後、ステップ２でＰ２をＬｏｗレベルに戻して、ステップ３でＰ１をＨｉｇｈレベルに設定しリレー２４をＯＮして、電源を起動する。

このような制御を行うことで、スイッチング電源２３のＯＦＦ／ＯＮを短時間で行った場合でも、コンデンサ１８に電圧が残ったままの状態で電源を起動することを防止できる。その結果、常に電源端子３６の電圧が十分に高くなった状態から安定して電源を起動することができる。

さらに、実施例２においては電源端子３６にツェナーダイオード３２を追加している。図６は実施例２におけるスイッチング電源の起動時の電源端子３６とＯＮ／ＯＦＦ端子３５の電圧波形を示す図である。図５（ａ）は、ＯＮ／ＯＦＦ閾値電圧が１．５Ｖの場合を示しており、図５（ｂ）はＯＮ／ＯＦＦ閾値電圧が２．５Ｖの場合を示している。ツェナーダイオード３２を設けていない場合は、例えば、起動抵抗４を７０ｋΩ、コンデンサ８を４７μＦ、抵抗１６を７２０ｋΩ、抵抗１７を３６ｋΩ、コンデンサ１８を４７μＦとすると、商用交流電源１の実効電圧が１００Ｖ時のＶ１の電圧は以下の値となる。
ＯＮ／ＯＦＦ閾値電圧１．５Ｖ ⇒ Ｖ１：１６．５Ｖ
ＯＮ／ＯＦＦ閾値電圧２．５Ｖ ⇒ Ｖ１：２８．８Ｖ
ツェナーダイオード３２はＶ１の電圧を２５Ｖで制限するものを適用しているので、ＯＮ／ＯＦＦ閾値電圧が発振制御回路毎にばらつきを持っていたとしても、スイッチング電源の起動時に電源端子への電圧Ｖ１が最大定格電圧を超えることを回避することができる。

以上、説明したように本実施例においては、発振制御回路の電源端子に定電圧回路を追加することで、ＯＮ／ＯＦＦ閾値電圧のばらつきによって起動時に電源端子への供給電圧が最大定格電圧以上になることを防止することができる。また、電源の起動時にＯＮ／ＯＦＦ端子に取り付けられたコンデンサをディスチャージする構成としたことで、電源の起動不良を防止することができる。

（スイッチング電源装置の適用例）
実施例１及び２で説明した電流共振方式のスイッチング電源装置を、例えばレーザビームプリンタ、複写機、ファクシミリ等の画像形成装置における低電圧電源として適用することができる。以下に適用例を説明する。スイッチング電源装置は、画像形成装置における制御部としてのコントローラへの電力供給、また、用紙を搬送する搬送ローラの駆動部としてのモータへの電力を供給するための電源装置として適用される。

図１０（ａ）に画像形成装置の一例であるレーザビームプリンタの概略構成を示す。レーザビームプリンタ２００は、画像形成部２１０として潜像が形成される像担持体としての感光ドラム２１１、感光ドラムに形成された潜像をトナーで現像する現像部２１２を備えている。そして感光ドラム２１１に現像されたトナー像をカセット２１６から供給された記録媒体としてのシート（不図示）に転写して、シートに転写したトナー像を定着器２１４で定着してトレイ２１５に排出する。また、図９（ｂ）に画像形成装置の制御部としてのコントローラと駆動部としてのモータへの電源からの電力供給ラインを示す。前述の電流共振電源は、このような画像形成動作を制御するＣＰＵ３１０有するコントローラへ３００の電力供給、また、画像形成のための駆動部としてのモータ３１２、３１３に電力を供給する低圧電源として適用できる。供給する電力としては、コントローラ３００へは３．３Ｖ、モータへは２４Ｖを供給する。例えばモータ３１２はシートを搬送する搬送ローラを駆動するモータ、モータ３１３は定着器２１４を駆動するモータである。レーザビームプリンタのような画像形成装置に適用する場合、スイッチング電源としてより安価なＩＣやアナログ制御回路で構成して装置全体を低コスト化する場合もある。上記の電流共振方式のスイッチング電源装置を適用すれば、ヒステリシス幅の小さい安価なＩＣや制御回路のスイッチング電源を適用することができる。また、商用交流電源からの入力電圧が低下するような場合であっても、電源の起動不良を防止することができる。なお、実施例１，２で説明した電流共振方式の電源装置は、ここで説明した画像形成装置に限らず他の電子機器の低電圧電源としても適用可能である。

１商用交流電源
２整流回路
３、８、１１平滑コンデンサ
４起動抵抗
５スイッチング素子
６発振制御回路
７、１０整流ダイオード
９トランス
１６、１７抵抗
１８コンデンサ

Claims

一次巻線と二次巻線と補助巻線を有するトランスと、
前記トランスの一次巻線に流れる電流をスイッチングするスイッチング手段と、
前記スイッチング手段のスイッチング動作を制御する制御手段と、
前記一次巻線に対する電圧の入力側と前記制御手段の電源端子の間に接続された起動抵抗と、
前記補助巻線から出力される電圧を整流及び平滑して前記電源端子に供給する電圧供給手段と、
前記一次巻線に対する電圧の入力側と前記補助巻線のグランド側との間に接続されており、前記制御手段のオンオフ端子に電圧を入力することにより前記制御手段の起動タイミングを制御する起動制御手段と
を備えたことを特徴とするスイッチング電源装置。
前記起動抵抗を介して制御手段に入力される電圧を制限する制限手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
更に、前記電源装置の起動時に前記制御手段のオンオフ端子への電圧を放電する放電手段を備えた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。
外部からの制御信号に応じて、放電手段が前記制御手段のオンオフ端子への電圧を放電することを特徴とする請求項３に記載のスイッチング電源装置。
像担持体に画像を形成する画像形成手段を備えた画像形成装置において、
前記画像形成手段による画像形成動作を制御する制御手段と、
前記制御手段に電力を供給するスイッチング電源と、を備え、
前記スイッチング電源は、一次巻線と二次巻線と補助巻線を有するトランスと、前記トランスの一次巻線に流れる電流をスイッチングするスイッチング手段と、前記スイッチング手段のスイッチング動作を制御する制御手段と、前記一次巻線に対する電圧の入力側と前記制御手段の電源端子の間に接続された起動抵抗と、前記補助巻線から出力される電圧を整流及び平滑して前記電源端子に供給する電圧供給手段と、
前記一次巻線に対する電圧の入力側と前記補助巻線のグランド側との間に接続されており、前記制御手段のオンオフ端子に電圧を入力することにより前記制御手段の起動タイミングを制御する起動制御手段と
を備えたことを特徴とする画像形成装置。
前記起動抵抗を介して制御手段に入力される電圧を制限する制限手段を備えたことを特徴とする請求項５に記載の画像形成装置。
更に、前記電源装置の起動時に前記制御手段のオンオフ端子への電圧を放電する放電手段を備えたことを特徴とする請求項５に記載の画像形成装置。
外部からの制御信号に応じて、放電手段が前記制御手段のオンオフ端子への電圧を放電することを特徴とする請求項７に記載の画像形成装置。