JP2014138500A - 電源装置及び画像形成装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】インダクタLsと、電圧の入力側とインダクタLsの間に接続され、インダクタLsを介して出力される出力電圧を制御するFET1と、出力電圧に応じた電圧が入力され、入力される出力電圧に応じた電圧と基準電圧を比較した結果に基づいて、FET1をオン又はオフするコンパレータCmp1と、FET1を流れる電流が所定の値を超えたことを検知すると、出力電圧に応じた電圧に入力側の入力電圧を重畳した電圧をコンパレータCmp1に入力することにより過負荷保護を行うトランジスタTr1と、トランジスタTr1がFET1を流れる電流が所定の値を超えたことを検知すると、コンパレータCmp1に入力される基準電圧を変更するトランジスタTr3と、を備える。
【選択図】図6
Description
まず、後述する実施例との比較のために、従来の一般的なDC−DCコンバータの回路構成と動作について、図1を用いて説明する。図1は、チョッパ電源を適用した、従来のDC−DCコンバータの構成を示す回路図である。図1のDC−DCコンバータは、コンパレータCmp1、電界効果トランジスタFET1、回生ダイオードDs、チョークコイルLs(以下、「インダクタLs」という)、ダイオードD1、トランジスタTr1、電解コンデンサCsを備えている。更に、DC−DCコンバータは、電流検出抵抗Ris、抵抗Ra、R1、R2、R3、R10を備えている。
図1において、電圧の入力側の入力電圧Vinは、インダクタLsの電流制御を行うスイッチング素子である電界効果トランジスタFET1(以下、「FET1」という)に入力される。電源制御手段であるFET1は、オン・オフ動作によりインダクタLsにパルス電圧を出力する。このパルス電圧は、インダクタLs、回生ダイオードDs、電解コンデンサCsによって平滑整流され、出力電圧Voutが生成される。電圧の出力側の出力電圧Voutは、差動増幅手段であるコンパレータCmp1の非反転入力端子(「V+端子」ともいう)に入力される。一方、コンパレータCmp1の反転入力端子(「V−端子」ともいう)には、抵抗R10を介して、基準電圧Vref1が入力される。なお、基準電圧Vref1は、入力電圧Vinよりも低い電圧となる電圧値が設定される(入力電圧Vin>基準電圧Vref1)。更に、コンパレータCmp1のV−端子は、ダイオードD1を介して、FET1の電流流出端子であるドレイン端子に接続されている。また、コンパレータCmp1の出力端子は、FET1の制御端子であるゲート端子Vgに接続されると共に、抵抗R1を介して入力電圧Vinにプルアップされている。
図2は、図1のDC−DCコンバータの動作波形を示したタイムチャートである。図2に示す動作波形は、縦軸の上から順に、以下の波形を示している。即ち、図2(a)は、FET1のゲート端子Vgに入力される電圧波形、図2(b)は、出力電圧Voutの電圧波形、図2(c)は、コンパレータCmp1のV+端子、V−端子の入力電圧波形を示している。そして、図2(d)は、FET1のドレイン電流Id、回生ダイオードDsの回生電流If、出力電流Ioutの電流波形を示している。また、図2の横軸は、時間軸であり、t80〜t89は、時刻(時間タイミング)を示している。
ところで、上述した電流不連続型のDC−DCコンバータには、次のような課題がある。図2に示すように、DC−DCコンバータの出力電流Iout(太い実線にて表示)の電流値は、インダクタLsに流れる電流の平均値である。電流不連続型のDC−DCコンバータでは、インダクタLsに流れる電流は、0からピーク電流値Ipkまで変化するため、その変動幅ΔIrはピーク電流値Ipkの電流値と同じ値である。出力電圧Voutを平滑する電解コンデンサCsは、その内部に直流抵抗成分Resrを有するため、電流の変動幅ΔIrによって、ΔVout=Resr×ΔIrで表される電圧変動ΔVoutが生じる。図2に示すように、この電圧変動ΔVoutが、出力電圧Voutの電圧波形にリップル電圧となって現れる。そのため、電流不連続型のDC−DCコンバータでは、出力電流Ioutが増えるに従って、電流変動幅ΔIr(=Ipk)も増加するため、リップル電圧ΔVoutも大きくなってしまう。
そこで、上述した課題を解決するために、“電流連続型(電流連続モードともいう)”と呼ばれるDC−DCコンバータが考案されている。図3は、電流連続型のDC−DCコンバータの構成を示す回路図である。図3に示す電流連続型のDC−DCコンバータでは、図1の電流不連続型のDC−DCコンバータからダイオードD1が削除され、誤差増幅装置であるコンパレータCmp1をシュミットトリガ回路にするために、正帰還抵抗Rcが追加されている。シュミットトリガ回路にすることにより、ノイズ等のわずかな電圧差でコンパレータCmp1の出力が変化し、不安定になることを防ぐ。これにより、FET1が一旦オフ状態になるとオフ状態を継続し、すぐにオン状態になることを防ぐことができる。更に、図3の回路では、後述するタイマ回路、及び出力電圧検知回路が追加されている。
図4は、図3のDC−DCコンバータの動作波形を示したタイムチャートである。図4に示されている波形は、図2と同じ回路素子の波形であるため、電流連続型のDC−DCコンバータにおける特徴的な波形について説明することとし、各々の波形についての説明は省略する。
また、電流連続型のDC−DCコンバータでは過電流保護のために、前述したIdリミット回路の他に、タイマ回路及び出力電圧検知回路が追加されている。タイマ回路は、コンデンサC1、抵抗R4、ダイオードD4からなり、ソフトスタートのために設けられている。FET1がオン状態のときに、電流検出抵抗Risに流れる電流が増加してトランジスタTr1がオン状態になると、トランジスタTr1のコレクタ電圧が抵抗R3を介してコンデンサC1に印加され、コンデンサC1が概ね入力電圧Vinまで充電される。そして、コンデンサC1の充電電圧は、抵抗R4及びダイオードD4を介して、抵抗Raから放電されて低下する。そのため、コンデンサC1の充電電圧が入力電圧Vinから基準電圧Vref1に低下するまでの所定の時間だけ、コンパレータCmp1の出力はハイインピーダンス状態を保持することとなり、その間、FET1はオフ状態を継続する。
一方、出力電圧検知回路は、抵抗R5、抵抗R9、抵抗R11、ツェナーダイオードZD1、トランジスタTr2から構成され、出力負荷異常を検知するために設けられている。トランジスタTr2のベース端子には、入力電圧Vinを抵抗R9と抵抗R11で分圧された基準電圧Vref2が入力される。トランジスタTr2のコレクタ端子は、ツェナーダイオードZD1のアノードに接続され、エミッタ端子は出力電圧Voutの出力端子に接続されている。ツェナーダイオードZD1のカソードは、抵抗R5の一端に接続され、抵抗R5の他端は、Idリミット回路を構成する抵抗R2の一端、及びトランジスタTr1のベース端子に接続されている。なお、ツェナーダイオードZD1のツェナー電圧は、トランジスタTr2がオン状態のときに導通状態となる電圧値とする。
電源装置の安全性を確保するために、出力電流Ioutの過電流領域の最大電流値において、インダクタLsの巻線が安全規格等に定められた温度以下である必要がある。過電流領域が広がるほど、インダクタLsの発熱が大きくなるため、ファンモータ等の冷却装置の追加や、巻線径を太くした大型のインダクタが必要となり、その結果、電源装置の大型化やコストアップが生じるという第1の課題がある。
図6では、従来例のDC−DCコンバータの回路図を示す図3と比べて、トランジスタTr3、Tr4、ダイオードD1、D2、D3、D5、抵抗R6、R8、コンデンサC2が追加されている。以下、図3に示した電流連続型のDC−DCコンバータの従来例と同様の部分については説明を省略し、追加された部分について説明する。
図7は、図6のDC−DCコンバータの動作波形を示したタイムチャートである。図7に示す動作波形は、縦軸の上から順に、以下の波形を示している。即ち、図7(a)は、FET1のゲート端子Vgに入力される電圧波形、図7(b)は、FET1のドレイン端子から出力される電圧波形、図7(c)は、トランジスタTr3(ダイオードD1)のオン・オフ状態を示す波形を示している。そして、図7(d)は、FET1のドレイン電流Id、回生ダイオードDsの回生電流Ifの電流波形を示している。また、図2の横軸は、時間軸であり、t20〜t29は、時刻(時間タイミング)を示している。
図10は、本実施例の電流連続型のDC−DCコンバータの構成を示す回路図である。図10では、従来例のDC−DCコンバータの回路図を示す図3と比べて、コンパレータCmp2、ダイオードD2、D6、抵抗R7、R12、コンデンサC2が追加されている。以下、図3に示した電流連続型のDC−DCコンバータの従来例と同様の部分については説明を省略し、追加された部分について説明する。
図11は、図10のDC−DCコンバータの動作波形を示したタイムチャートである。図11に示す動作波形は、縦軸の上から順に、以下の波形を示している。即ち、図11(a)は、FET1のゲート端子Vgに入力される電圧波形、図11(b)は、コンパレータCmp2のV2+端子に入力される電圧波形、図11(c)は、コンパレータCmp2の出力端子から出力される電圧波形を示している。そして、図11(d)は、FET1のドレイン電流Id、回生ダイオードDsの回生電流Ifの電流波形を示している。また、図11の横軸は、時間軸であり、t30〜t39は、時刻(時間タイミング)を示している。
画像形成装置の一例として、レーザビームプリンタを例にあげて説明する。図12に電子写真方式のプリンタ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300は、静電潜像が形成される像担持体としての感光ドラム311、感光ドラム311を一様に帯電する帯電部317(帯電手段)、感光ドラム311に形成された静電潜像をトナーで現像する現像部312(現像手段)を備えている。そして、感光ドラム311に現像されたトナー像をカセット316から供給された記録材としてのシート(不図示)に転写部318(転写手段)によって転写して、シートに転写したトナー像を定着器314で定着してトレイ315に排出する。この感光ドラム311、帯電部317、現像部312、転写部318が画像形成部である。また、レーザビームプリンタ300は、実施例1、2で説明した電源装置400を備えている。なお、実施例1、2の電源装置を適用可能な画像形成装置は、図12に例示したものに限定されず、例えば複数の画像形成部を備える画像形成装置であってもよい。更に、感光ドラム311上のトナー像を中間転写ベルトに転写する一次転写部と、中間転写ベルト上のトナー像をシートに転写する二次転写部を備える画像形成装置であってもよい。
FET1 電界効果トランジスタ
Ls インダクタ
Tr1、Tr3 トランジスタ
Claims (8)
- 一端が電圧の出力側となるインダクタと、
電圧の入力側と前記インダクタの間に接続され、前記インダクタを介して出力される出力電圧を制御する電源制御手段と、
前記出力電圧に応じた電圧が入力され、入力される前記出力電圧に応じた電圧と基準電圧を比較した結果に基づいて、前記電源制御手段をオン又はオフする差動増幅手段と、
前記電源制御手段を流れる電流が所定の値を超えたことを検知すると、前記出力電圧に応じた電圧に前記入力側の入力電圧を重畳した電圧を前記差動増幅手段に入力することにより過負荷保護を行う過負荷保護手段と、
前記電源制御手段を流れる電流が所定の値を超えたことを前記過負荷保護手段が検知すると、前記差動増幅手段に入力される前記基準電圧を変更する変更手段と、
を備えることを特徴とする電源装置。 - 前記電源制御手段の電流流出端子にカソードが接続され、アノードが前記入力側と前記出力側の低電位側に接続された整流手段を有し、
前記変更手段は、前記電源制御手段を流れる電流が所定の値を超えたことを前記過負荷保護手段が検知し、前記整流手段が導通状態になるとオンするスイッチ手段であることを特徴とする請求項1に記載の電源装置。 - 前記スイッチ手段は、PNP型のトランジスタとダイオードを有し、
前記トランジスタは、エミッタ端子が前記差動増幅手段の前記基準電圧が入力される端子に接続され、コレクタ端子が前記ダイオードのアノードに接続され、
前記ダイオードは、アノードが前記トランジスタのコレクタ端子に接続され、カソードが前記電源制御手段の電流流出端子に接続され、
前記トランジスタは、前記電源制御手段を流れる電流が所定の値を超えたことを前記過負荷保護手段が検知し、前記整流手段が導通状態になるとオンし、前記差動増幅手段の前記基準電圧が入力される端子の入力電圧を下げることを特徴とする請求項2に記載の電源装置。 - 前記スイッチ手段は、2つの入力端子と、前記差動増幅手段の前記基準電圧が入力される端子に接続された出力端子を有するコンパレータであり、
前記コンパレータは、前記2つの入力端子のうちの一方の端子に、前記過負荷保護手段が前記電源制御手段を流れる電流が所定の値を超えたことを検知した場合に出力する前記入力側の入力電圧が入力され、他方の端子に、前記整流手段が導通状態のときの前記整流手段のカソード電圧に応じた所定の電圧が入力されると、前記差動増幅手段の前記基準電圧が入力される端子の入力電圧を下げることを特徴とする請求項2に記載の電源装置。 - 前記インダクタは、一端が前記電源制御手段の電流流出端子に接続され、他端が前記差動増幅手段の前記出力電圧に応じた電圧が入力される端子に接続されたチョークコイルであり、
前記電源制御手段は、電流流入端子が前記入力側に接続され、電流流出端子が前記インダクタに接続され、制御端子が前記差動増幅手段の出力端子に接続されたスイッチング素子であり、
前記差動増幅手段は、前記出力電圧に応じた電圧が入力される端子の入力電圧が前記基準電圧の入力される端子の入力電圧より高いときには前記電源制御手段をオフし、前記出力電圧に応じた電圧が入力される端子の入力電圧が前記基準電圧の入力される端子の入力電圧より低いときには前記電源制御手段をオンするコンパレータであることを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1項に記載の電源装置。 - 前記過負荷保護手段は、
一端が前記電圧の入力側に接続され、他端が前記電源制御手段の電流流入端子に接続された電流検出抵抗と、
電流流入端子が前記電圧の入力側に接続され、電流流出端子が前記差動増幅手段の前記出力電圧に応じた電圧が入力される端子と前記変更手段に接続され、前記電流検出抵抗の電圧降下が閾値を越えたときにオン状態となるスイッチング素子と、を有し、
前記スイッチング素子がオン状態となったとき、前記出力電圧に応じた電圧に前記電圧の入力側の電圧を重畳した電圧を前記差動増幅手段に入力すると共に、前記変更手段に前記電圧の入力側の電圧を出力することを特徴とする請求項1ないし5のいずれか1項に記載の電源装置。 - 前記電源制御手段を流れる電流が所定の値を超えないときには電流連続モードで動作し、前記電源制御手段を流れる電流が所定の値を超えたときには電流不連続モードで動作することを特徴とする請求項1ないし6のいずれか1項に記載の電源装置。
- シートに画像形成を行う画像形成手段を有する画像形成装置であって、
請求項1ないし7のいずれか1項に記載の電源装置を備えたことを特徴とする画像形成装置。
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