JP2017017846A - Power supply and image formation apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電源装置及び画像形成装置に関し、特に、フライバックトランスを用いた絶縁型コンバータに、アクティブクランプ方式を用いたスイッチング電源装置に関する。 The present invention relates to a power supply device and an image forming apparatus, and more particularly to a switching power supply device using an active clamp system for an isolated converter using a flyback transformer.
商用電源等の交流電圧から直流電圧に変換するスイッチング電源において、スイッチング電源の消費電力を低減するため、スイッチング電源の効率を改善することが求められている。ここで、スイッチング電源の効率は、スイッチング電源に供給された電力に対する、スイッチング電源が出力する電力の比率で表される。 In a switching power supply that converts an AC voltage into a DC voltage such as a commercial power supply, it is required to improve the efficiency of the switching power supply in order to reduce the power consumption of the switching power supply. Here, the efficiency of the switching power supply is represented by the ratio of the power output from the switching power supply to the power supplied to the switching power supply.
フライバックトランスを用いた絶縁型コンバータにアクティブクランプ方式を用いたスイッチング電源において、スイッチング電源が出力する電力が少ない状態の効率を改善する手段としては、例えば、特許文献1の構成が提案されている。以降、スイッチング電源が出力する電力が少ない状態を軽負荷状態という。
In a switching power supply using an active clamp system for an isolated converter using a flyback transformer, for example, the configuration of
しかし、アクティブクランプ方式を用いたスイッチング電源では、軽負荷状態の効率を、更に改善することが求められている。 However, a switching power supply using an active clamp method is required to further improve the efficiency in a light load state.
本発明は、このような状況のもとでなされたもので、アクティブクランプ方式の電源装置における軽負荷時の電力効率を改善することを目的とする。 The present invention has been made under such circumstances, and an object of the present invention is to improve the power efficiency at the time of light load in an active clamp type power supply device.
上述した課題を解決するために、本発明は、以下の構成を備える。 In order to solve the above-described problems, the present invention has the following configuration.
(1)一次巻線及び二次巻線を有するトランスと、前記トランスの前記一次巻線に直列に接続された第一のスイッチング素子と、前記トランスの前記一次巻線に並列に接続された第二のスイッチング素子と、前記第二のスイッチング素子に直列に接続され、前記第二のスイッチング素子とともに前記トランスの前記一次巻線に並列に接続されたコンデンサと、前記トランスの前記二次巻線に誘起された電圧に応じた情報を出力するフィードバック手段と、前記フィードバック手段から入力された前記情報に基づいて、前記第一のスイッチング素子及び前記第二のスイッチング素子のオン又はオフを制御する制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記第一のスイッチング素子と前記第二のスイッチング素子をともにオフさせるデッドタイムを挟んで前記第一のスイッチング素子と前記第二のスイッチング素子を交互にオン又はオフさせるスイッチング動作を行う第一の期間と、前記スイッチング動作を停止させる第二の期間と、を交互に繰り返す動作を行うことが可能である電源装置であって、前記制御手段は、前記第一の期間から前記第二の期間に移行する際に、前記第二のスイッチング素子をオンしてから前記第二の期間に移行し、前記第二の期間から前記第一の期間に移行する際にも、前記第二のスイッチング素子をオンしてから前記第一の期間に移行することを特徴とする電源装置。 (1) A transformer having a primary winding and a secondary winding, a first switching element connected in series to the primary winding of the transformer, and a first connected in parallel to the primary winding of the transformer Two switching elements, a capacitor connected in series to the second switching element, and a capacitor connected in parallel to the primary winding of the transformer together with the second switching element, and to the secondary winding of the transformer Feedback means for outputting information according to the induced voltage, and control means for controlling on / off of the first switching element and the second switching element based on the information inputted from the feedback means And the control means has a dead time for turning off both the first switching element and the second switching element. The first switching element and the second switching element are alternately turned on or off, and the first period for performing the switching operation and the second period for stopping the switching operation are alternately repeated. In the power supply device, the control means may turn on the second switching element and then turn on the second switching element when shifting from the first period to the second period. The power supply apparatus is further characterized in that when the second switching element is switched to the first period, the second switching element is turned on and then the first period is shifted to.
(2)記録材に画像形成を行う画像形成手段と、前記(1)に記載の電源装置と、を備えることを特徴とする画像形成装置。 (2) An image forming apparatus comprising: an image forming unit that forms an image on a recording material; and the power supply device according to (1).
本発明によれば、アクティブクランプ方式の電源装置における軽負荷時の電力効率を改善することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the power efficiency at the time of the light load in the power supply apparatus of an active clamp system can be improved.
以下、本発明を実施するための形態を、実施例により図面を参照しながら詳しく説明する。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described in detail by way of examples with reference to the drawings.
[電源装置]
図1は実施例1のアクティブクランプ方式を用いたスイッチング電源回路の概略を示す回路図である。商用電源等の交流電源10は交流電圧を出力しており、全波整流手段であるブリッジダイオードBD1で整流された電圧は、スイッチング電源回路100に入力されている。平滑用コンデンサC3は整流された電圧の平滑手段として用いられ、平滑用コンデンサC3の低い側の電位をDCL、高い側の電位をDCHとする。スイッチング電源回路100は、平滑用コンデンサC3に充電された入力電圧Vinから、絶縁された二次側へ電源電圧V11を出力する。本実施例では、スイッチング電源回路100は、電源電圧V11の一例として、例えば5Vの一定の電圧を出力する。
[Power supply]
FIG. 1 is a circuit diagram showing an outline of a switching power supply circuit using an active clamp system according to the first embodiment. The
スイッチング電源回路100は、一次側に一次巻線P1、補助巻線P2、二次側に二次巻線S1を備えた絶縁型のトランスT1を有している。トランスT1の一次巻線P1から二次巻線S1には、後述する図2で説明するスイッチング動作によってエネルギーが供給されている。トランスT1の補助巻線P2は、一次巻線P1に印加された入力電圧Vinのフォワード電圧を、ダイオードD4及びコンデンサC4で整流平滑し、電源電圧V1を供給するために用いられる。
The switching
スイッチング電源回路100の一次側には、トランスT1の一次巻線P1に第1のスイッチング素子である電界効果トランジスタ(以下、FETとする)1が直列に接続されている。電圧クランプ用のコンデンサC2と第2のスイッチング素子であるFET2は直列に接続されている。直列に接続された電圧クランプ用のコンデンサC2とFET2は、トランスT1の一次巻線P1に並列に接続されている。スイッチング電源回路100の一次側には、FET1及びFET2の制御手段として、制御部101及びFET駆動部102を有している。FET1と並列に接続された電圧共振用のコンデンサC1は、FET1及びFET2のスイッチオフ時の損失を低減するために設けられている。電圧共振用のコンデンサC1を設けずに、FET1のドレイン端子とソース端子間の容量を用いてもよい。後述するゼロ電圧でスイッチング素子をオンする動作を容易にするため、電圧共振用のコンデンサC1は、電圧クランプ用のコンデンサC2に比べて、小さい静電容量のものが選択されている。尚、本実施例のダイオードD1は、FET1のボディーダイオードである。同様に、ダイオードD2はFET2のボディーダイオードである。
On the primary side of the switching
スイッチング電源回路100の二次側には、トランスT1の二次巻線S1に生じるフライバック電圧の二次側の整流平滑手段であるダイオードD11及びコンデンサC11を有している。トランスT1の二次巻線S1に誘起された電圧はダイオードD11及びコンデンサC11によって整流平滑され、電源電圧V11として出力される。また、スイッチング電源回路100の二次側には、二次側に出力される電源電圧V11に応じた情報を一次側にフィードバックするフィードバック手段として、フィードバック部115を有している(図中、点線枠部)。尚、本実施例の制御部101には、発信器などによって生成されたクロックで動作するCPU、ASIC等の演算制御手段を用いている。これにより、後述する制御信号DRV1及び制御信号DRV2の複雑な波形制御を簡易で安価な回路構成で実現できる。
The secondary side of the switching
制御部101のVC端子とG端子の間には、DC/DCコンバータ104によって生成された電源電圧V2が、DC/DCコンバータ104のOUT端子から供給されている。制御部101は、フィードバック部115からFB端子に入力された電圧信号に基づき、制御信号DRV1及び制御信号DRV2を出力しており、FET駆動部102を介してFET1及びFET2の制御を行っている。ここで、制御信号DRV1はFET1を駆動するための信号、制御信号DRV2はFET2を駆動するための信号である。
A power supply voltage V <b> 2 generated by the DC /
FET駆動部102は、制御部101から入力された制御信号DRV1に応じてFET1のゲート駆動信号DLを、制御信号DRV2に応じてFET2のゲート駆動信号DHを生成する回路である。FET駆動部102のVC端子とG端子の間には、補助巻線P2で生成された電源電圧V1が供給されている。また、FET2を駆動するため、コンデンサC5及びダイオードD5で構成されるチャージポンプ回路によって、VH端子とGH端子の間に電源電圧V1が供給されている。FET駆動部102は、ハイレベルの制御信号DRV1が入力されると、FET1のゲート駆動信号DLをハイレベルとし、これによりFET1がオン状態となる。同様に、FET駆動部102は、ハイレベルの制御信号DRV2が入力されると、FET2のゲート駆動信号DHをハイレベルとし、これによりFET2がオン状態となる。
The
DC/DCコンバータ104は、3端子レギュレータ又は降圧型スイッチング電源回路であり、VC端子とG端子間に入力された電源電圧V1を変換して、OUT端子から電源電圧V2を出力している。起動回路103は、3端子レギュレータ又は降圧型スイッチング電源であり、VC端子とG端子間に入力された入力電圧Vinを変換して、OUT端子から電源電圧V1を出力している。起動回路103は、補助巻線P2から供給される電源電圧V1が所定の電圧値以下の場合のみ動作する回路であり、スイッチング電源回路100の起動時に電源電圧V1を供給するために用いられる。
The DC /
(フィードバック部)
フィードバック部115は、電源電圧V11を所定の一定電圧に制御するために用いられる。電源電圧V11の電圧値は、シャントレギュレータIC5のリファレンス端子REFの基準電圧、抵抗R52及び抵抗R53によって設定される。電源電圧V11が所定の電圧(ここでは5V)より高くなると、シャントレギュレータIC5のカソード端子Kから電流が流れ、プルアップ抵抗R51を介してフォトカプラPC5の二次側ダイオードが導通状態となる。これにより、フォトカプラPC5の一次側トランジスタが動作し、コンデンサC6から電荷を放電する。このため、制御部101のFB端子の電圧(以下、FB端子電圧という)が低下する。一方、電源電圧V11が5Vより低くなると、二次側ダイオードが非導通状態となる。これにより、フォトカプラPC5の一次側のトランジスタがオフ状態となり、電源電圧V2から抵抗R2を介してコンデンサC6を充電する電流が流れる。このため、制御部101のFB端子電圧が上昇する。このように、フィードバック部115は、電源電圧V11の変動に応じて制御部101のFB端子電圧を変化させる。
(Feedback part)
The
制御部101は、フィードバック部115から入力されたFB端子電圧を検知することで、電源電圧V11を所定の一定電圧に制御するためのフィードバック制御を行っている。このように、制御部101はFB端子電圧を監視することによって、電源電圧V11を間接的にフィードバック制御できる。また、フィードバック部115の代わりに、制御部101を二次側に設けて、電源電圧V11を監視することで、電源電圧V11を直接フィードバック制御してもよい。また、制御部101はFB端子電圧を監視することにより負荷の状態を把握できるため、負荷の状態に応じた適切な制御を行うことができる。負荷の状態を、より正確に判断するためには、FET1や、スイッチング電源回路100の負荷に電力を供給する経路に、電流検出手段を設けてもよい。本実施例における軽負荷状態を判断する手段は、制御部101のFB端子電圧を利用するものとして説明する。
The
[スイッチング電源回路の軽負荷状態の制御方法]
図2は、制御部101によるアクティブクランプ方式を用いたスイッチング電源回路100の軽負荷状態の効率を改善するための制御方法の説明図である。図2において、(i)はFET1のゲート駆動信号DLに対応する制御信号DRV1を示す図、(ii)はFET2のゲート駆動信号DHに対応する制御信号DRV2を示す図である。図2において、(iii)はFET1のドレイン電流を示す図、(iv)はFET1のドレイン端子とソース端子間の電圧を示す図である。横軸はいずれも時間を示す。図3は、図2に示す複数の期間(〔1〕〜〔9〕)における電流の流れを、簡易回路図とともに示したものである。以下に、各期間の動作を説明する。尚、図3では、トランスT1をリーケージインダクタンスLr、結合インダクタンスLs、理想トランスTiに分割して示している。また、図3の回路中に、それぞれの期間で流れる電流を濃い実線矢印で示している。本実施例では、FET1及びFET2を制御する期間が、第一の期間であるスイッチング期間、停止前制御を実施する期間、第二の期間であるスイッチング停止期間、停止後制御を実施する期間、のように分けられる。
[Control method for light load state of switching power supply circuit]
FIG. 2 is an explanatory diagram of a control method for improving the efficiency in the light load state of the switching
(スイッチング期間)
図2のスイッチング期間は、制御部101が、FET1とFET2をともにオフさせるデッドタイムを挟んでFET1とFET2を交互にオン又はオフさせて繰り返し制御する期間である。スイッチング期間におけるFET2と電圧クランプ用のコンデンサC2を用いた動作(以下、アクティブクランプ動作という)を図2、図3の〔1〕〜〔3〕で説明する。
(Switching period)
The switching period in FIG. 2 is a period in which the
FET1がオン状態の間は、トランスT1のリーケージインダクタンスLr、結合インダクタンスLsに電流が流れている(図2(iii)参照)。図3に示す〔1〕の期間は、FET1が時間TL1の間オン状態となった後オフ状態となり、デッドタイムを経てFET2がオン状態となった期間である。FET1がオン状態の間に流れた電流によって、トランスT1から、FET2又はダイオードD2を介して、電圧クランプ用のコンデンサC2の+端子側に充電を行う状態となる。リーケージインダクタンスLrによるキックバック電圧は電圧クランプ用のコンデンサC2によって吸収することができるため、FET1のドレイン端子とソース端子間に印加されるサージ電圧を抑制できる。電圧クランプ用のコンデンサC2の電圧が上昇すると、ダイオードD11がオン状態となり、トランスT1の二次巻線S1を介して、スイッチング電源回路100の二次側に電力が供給される状態になる。
While the
図3に示す〔2〕の期間では、電圧クランプ用のコンデンサC2と、トランスT1のリーケージインダクタンスLr及び結合インダクタンスLsとの共振によって、コンデンサC2の+端子側からFET2を介してトランスT1に電流が流れる状態となる。電圧クランプ用のコンデンサC2の電圧が低下すると、二次側のダイオードD11が非導通状態となり、スイッチング電源回路100の二次側に電力が供給されない状態になる。更に、FET2の導通状態を保持することで、電圧クランプ用のコンデンサC2からトランスT1のリーケージインダクタンスLr及び結合インダクタンスLsに流れる電流が増加する。
In the period [2] shown in FIG. 3, due to resonance between the voltage clamping capacitor C2 and the leakage inductance Lr and coupling inductance Ls of the transformer T1, a current flows from the positive terminal side of the capacitor C2 to the transformer T1 via the FET2. It will be in a flowing state. When the voltage of the voltage clamping capacitor C2 decreases, the secondary-side diode D11 becomes non-conductive, and power is not supplied to the secondary side of the switching
図3に示す〔3〕の期間は、FET1及びFET2がともにオフ状態となっているデッドタイム期間である。図3の〔3〕の期間では、FET2をオフ状態にすることで、トランスT1の一次巻線P1に接続されたコンデンサの容量が電圧クランプ用のコンデンサC2と電圧共振用のコンデンサC1の合成容量の値から、電圧共振用のコンデンサC1の容量に減少する。そのため、トランスT1のリーケージインダクタンスLr及び結合インダクタンスLsに流れる電流によって、電圧共振用のコンデンサC1に充電されていた電荷を、平滑用コンデンサC3に回生することができる。上述した回生の動作が終了すると、ダイオードD1が導通した状態となる。図3に示す〔3〕の期間が終了し、ダイオードD1が導通した状態で、FET1をオン状態にすることで、FET1はゼロボルトの状態でオフ状態からオン状態へと移行するスイッチング動作を行うことができる。FET1がゼロボルトの状態でオフ状態からオン状態へと移行するスイッチング動作を、以下、ゼロボルトスイッチングという。このように、FET2がオン状態となってから、平滑用コンデンサC3への回生の動作が終了するまでの動作を、アクティブクランプ動作という。FET1はその後時間TL2の間オン状態となる。
The period [3] shown in FIG. 3 is a dead time period in which both FET1 and FET2 are in the OFF state. In the period [3] in FIG. 3, by turning off the
このように、図2、図3の〔1〕〜〔3〕で説明したアクティブクランプ動作における電圧クランプ用のコンデンサC2とFET2の働きによって、FET1のサージ電圧を抑制することができる。また、電圧共振用のコンデンサC1の電荷を、平滑用コンデンサC3に回生することができ、更に、FET1のゼロボルトスイッチングを行うことができる。よって、アクティブクランプ方式を用いることで、図2に示すスイッチング期間において、スイッチング電源回路100の効率を改善できる。
Thus, the surge voltage of the
(電源電圧V11の制御方法)
次にスイッチング期間における、二次側の電源電圧V11の制御方法について説明する。スイッチング電源回路100の二次側の電源電圧V11の制御は、FET1とFET2のオン時間の比率を変更することにより行っている。FET2に対するFET1のオン時間の比率が高くなると、二次側の電源電圧V11は上昇する。FET1とFET2のオン時間の比率を制御する方法として、例えば、FET2のオン時間を固定時間として、FET1のオン時間をフィードバック部115から出力されるフィードバック情報、即ちFB端子電圧に基づき可変にする方法が考えられる。同様に、1周期の時間が一定になるように、FET1のオン時間とFET2のオン時間の比率を、フィードバック部115から出力されるFB端子電圧に応じて可変にする方法が考えられる。
(Control method of power supply voltage V11)
Next, a method for controlling the power supply voltage V11 on the secondary side during the switching period will be described. Control of the power supply voltage V11 on the secondary side of the switching
また、入力電圧Vinの電圧値やスイッチング電源回路100の二次側の電源電圧V11等の情報に基づき、FET1のオン時間とFET2のオン時間を最適値に補正する。その上で、FET1のオン時間をフィードバック部115から出力されるFB端子電圧に基づき可変にする方法が考えられる。入力電圧Vinが大きい場合にはFET1のオン時間を短く制御し、二次側の電源電圧V11が大きい場合にはFET2のオン時間を短く制御する。また、トランスT1の一次巻線P1に電流検出手段を設ける構成でもよい。そして、FET1がゼロボルトスイッチングを行うことができるように設定された最適なFET2のオン時間を検出して制御した上で、FET1のオン時間をフィードバック部115から出力されるFB端子電圧に基づき可変にする方法を用いてもよい。
Further, based on information such as the voltage value of the input voltage Vin and the power supply voltage V11 on the secondary side of the switching
(間欠動作)
次に、上述したスイッチング期間と、後述するスイッチング停止期間を交互に繰り返し制御する間欠動作について説明を行う。スイッチング電源回路100の軽負荷状態において、スイッチング期間の制御をそのまま継続すると、次のような課題が生じる。即ち、スイッチング電源回路100の一次側の電流による抵抗損失や、FET1及びFET2のスイッチング損失等によって、スイッチング電源回路100の効率が低下してしまう。
(Intermittent operation)
Next, an intermittent operation in which the above-described switching period and a switching stop period described later are alternately controlled will be described. If the control of the switching period is continued as it is in the light load state of the switching
そのため、スイッチング電源回路100は、フィードバック部115から出力されるFB端子電圧等に基づき、スイッチング電源回路100の軽負荷状態を検出すると、後述する停止前制御を行った後、スイッチング停止期間に移行する。スイッチング電源回路100は、軽負荷状態において、スイッチング期間と後述するスイッチング停止期間を繰り返す間欠動作を行う。これにより、スイッチング電源回路100の一次側の電流や、FET1及びFET2のスイッチング回数を低減させて、スイッチング電源回路100の軽負荷状態の電力効率を改善できる。
Therefore, when the switching
本実施例のスイッチング電源回路100は、図2に示すスイッチング期間からスイッチング停止期間に遷移する際に行われる停止前制御によって、スイッチング電源回路100の損失を改善することを特徴としている。また、スイッチング停止期間からスイッチング期間に遷移する際に行われる停止後制御によって、スイッチング電源回路100の損失を改善することを特徴としている。
The switching
(停止前制御を実施する期間)
次に図3に示す〔4〕の期間で行う、停止前制御について説明する。スイッチング期間におけるFET1のオン時間をTL1、TL2、FET2のオン時間をTH1とする。また、停止前制御を実施する期間におけるFET2のオン時間をTH2とし、オン時間TH2となるFET2がオン状態となる前のFET1のオン時間をTL2とする(図2参照)。更に、停止後制御を実施する期間におけるFET2のオン時間をTH3とする。
(Period for implementing pre-stop control)
Next, the pre-stop control performed during the period [4] shown in FIG. 3 will be described. The on-time of FET1 in the switching period is TL1, TL2, and the on-time of FET2 is TH1. Further, the ON time of the
図3に示す〔4〕の期間の動作は、前述した〔1〕期間の動作と同様である。本実施例では、スイッチング停止期間が継続する時間よりも短い時間でFET2をオンさせる。また、スイッチング期間でFET2をオンさせた時間(TH1)よりも短い時間(TH2)でFET2をオンさせる。更に、スイッチング期間でFET2をオンさせた時間(TH1)の半分以下の時間(≦TH1/2)でFET2をオンさせる。このように、本実施例では、停止前制御を実施する期間におけるFET2のオン時間TH2(〔4〕の期間)は、スイッチング期間におけるFET2のオン時間TH1(〔1〕と〔2〕の和の期間)よりも短くすることを特徴としている。本実施例の停止前制御を実施する期間では、FET1とFET2のオン時間の比率を、スイッチング期間のオン時間の比率(TL1とTH1の比率)の半分以下の比率(TL2とTH2の比率)となるように制御している。FET2のオン時間を短くする類似の制御方法として、スイッチング期間の最後にオンしたFET2のオン時間(TH1)に対して、FET2のオン時間(TH2)を半分以下の時間(TH2≦TH1/2)として制御する方法を用いてもよい。
The operation during the period [4] shown in FIG. 3 is the same as the operation during the period [1] described above. In this embodiment, the
このように、スイッチング期間におけるFET1とFET2のオン時間の比率(TL1とTH1の比率)から、停止前制御時の最適なFET2のオン時間(TH2)を決定する。これにより、電圧クランプ用のコンデンサC2の+端子側からトランスT1に電流が流れる状態(図3の〔2〕の期間)になる前に、FET2をオフ状態とし、スイッチング停止期間、より詳細には〔5〕以降の状態に移行することができる。本実施例では、後述する〔5〕〜〔6〕の期間で説明するように、停止前制御時のFET2のオン時間(TH2)を決定する。これにより、専用の検出手段を設けることなく、トランスT1と電圧クランプ用のコンデンサC2による共振のピーク電圧を電圧クランプ用のコンデンサC2に充電した状態で、スイッチング停止期間に移行することができる(図2(iv)参照)。このため、スイッチング電源回路100の効率を改善できる。
In this way, the optimum on-time (TH2) of the
図3に示す〔5〕の期間では、次のような動作となる。〔4〕の期間でトランスT1から電圧クランプ用のコンデンサC2に充電しきれなかった電流を、電圧共振用のコンデンサC1と、ダイオードD2を介して電圧クランプ用のコンデンサC2に流すことで、電圧クランプ用のコンデンサC2の更なる充電を行う。トランスT1から、電圧クランプ用のコンデンサC2の+端子側に、トランスT1と電圧クランプ用のコンデンサC2と、電圧共振用のコンデンサC1による共振のピーク電圧が充電された後、〔6〕の状態に移行する。 In the period [5] shown in FIG. 3, the following operation is performed. By passing the current that could not be fully charged from the transformer T1 to the voltage clamping capacitor C2 in the period [4], the voltage clamping capacitor C1 and the voltage clamping capacitor C2 are passed through the diode D2. The capacitor C2 is further charged. After the transformer T1, the voltage Clamp capacitor C2 and the resonance peak voltage by the voltage resonance capacitor C1 are charged to the positive terminal side of the voltage clamp capacitor C2, the state of [6] is obtained. Transition.
図3に示す〔6〕の期間では、FET1及びFET2がオフ状態のため、電圧クランプ用のコンデンサC2の+端子側からは、トランスT1に対して電流が流れない。そのため、電圧クランプ用のコンデンサC2には、前述した共振のピーク電圧を保持することができる。この状態では、電圧共振用のコンデンサC1と、トランスT1の共振動作(図3〔6〕中、両矢印で示す)が生じる(図2(iv)参照)。電圧共振用のコンデンサC1の容量は低いため、スイッチング期間に比べて高い周波数の共振動作が生じ、この共振動作の振幅は、抵抗成分による損失等によって、比較的短時間で減衰する(図2の(iv))。 In the period [6] shown in FIG. 3, since FET1 and FET2 are in the OFF state, no current flows to the transformer T1 from the positive terminal side of the voltage clamping capacitor C2. Therefore, the above-described resonance peak voltage can be held in the voltage clamping capacitor C2. In this state, the resonance operation of the capacitor C1 for voltage resonance and the transformer T1 (indicated by a double arrow in FIG. 3 [6]) occurs (see FIG. 2 (iv)). Since the voltage resonance capacitor C1 has a low capacitance, a resonance operation having a higher frequency than that of the switching period occurs, and the amplitude of the resonance operation is attenuated in a relatively short time due to a loss due to a resistance component (FIG. 2). (Iv)).
ここで、本実施例の特徴である、停止前制御による効率改善の効果について説明する。図3に示す〔4〕の期間の動作によって、FET2をオン状態にできる。このため、ダイオードD2のみでトランスT1と電圧クランプ用のコンデンサC2による共振電流を導通させる場合に比べて、ダイオードD2の順方向電圧による損失を低減できる。特に、FET2に、オン抵抗値の低いスーパージャンクションFET等を用いた場合、上述した損失低減の効果が大きくなる。
Here, the effect of the efficiency improvement by the pre-stop control, which is a feature of the present embodiment, will be described. The
また、本実施例のスイッチング電源回路100の制御方法は、図2、図3に示す〔4〕の期間のFET2のオン時間TH2を、スイッチング期間のFET2のオン時間TH1に基づき決定している。このため、本実施例のスイッチング電源回路100の制御方法は、FET2の最適なオン時間を検知するために別途検出用の回路等を設ける必要がない点を特徴としている。このように、スイッチング期間のFET2のオン時間TH1から停止前制御時のFET2のオン時間TH2を決定しているため、この制御を予測制御ということもできる。停止前制御時のFET2のオン時間TH2を決定することによって、トランスT1と電圧クランプ用のコンデンサC2と、電圧共振用のコンデンサC1による共振のピーク電圧が充電された状態で、スイッチング停止期間に移行することができる。また、このように制御することで、ダイオードD1の順方向電圧による損失を低減する効果も、両立して得ることができる。
In the control method of the switching
また、図3に示す〔4〕の期間におけるFET2の最適なオン時間を検知するために、検出用の回路等を設けた場合でも、ダイオードD1の順方向電圧による損失を低減する効果を得ることができる。尚、スイッチング停止期間におけるFET2のオン時間の決定方法は、本実施例の図2、図3で説明した方法(TH1に基づく方法)にのみ限定されるものではない。
Further, even when a detection circuit or the like is provided in order to detect the optimum ON time of the
(スイッチング停止期間)
次に、図2に示すスイッチング停止期間の制御を説明する。図3に示す〔7〕の期間では、電圧クランプ用のコンデンサC2に電圧を保持したまま(図2(iv))、FET1及びFET2をオフ状態として保持している。電圧クランプ用のコンデンサC2に電圧が保持されているため、所定の停止期間が経過した後でも、FET2をオンすることで、コンデンサC2の+端子側からトランスT1に電流が流れる状態(図3の〔2〕の状態)となる。制御部101は、フィードバック部115から出力されるFB端子電圧等に基づき、スイッチング電源回路100の二次側に負荷を供給すべき状態を検出した場合や、所定の時間が経過した場合等に、スイッチング停止期間を終了する。そして、制御部101は、後述する停止後制御を行った後、スイッチング期間に移行する。
(Switching stop period)
Next, the control of the switching stop period shown in FIG. 2 will be described. In the period [7] shown in FIG. 3, the voltage is held in the voltage clamping capacitor C2 (FIG. 2 (iv)), and the FET1 and FET2 are held in the OFF state. Since the voltage is held in the voltage clamping capacitor C2, a current flows from the positive terminal side of the capacitor C2 to the transformer T1 by turning on the
(停止後制御を実施する期間)
次に図3に示す〔8〕〜〔9〕の停止後制御を説明する。図3に示す〔8〕の期間の動作は、前述した〔2〕の期間の動作と同様であるが、図3に示す〔8〕の期間では、FET2のオン時間を短くすることを特徴としている。本実施例では、スイッチング停止期間が継続する時間よりも短い時間でFET2をオンさせる。また、スイッチング期間でFET2をオンさせた時間(TH1)よりも短い時間でFET2をオンさせる。更に、スイッチング期間でFET2をオンさせた時間(TH1)の半分よりも短い時間(<TH1/2)でFET2をオンさせる。本実施例の制御では、FET1とFET2のオン時間の比率を、スイッチング期間のオン時間の比率(TL1とTH1の比率)の半分より小さい比率(TL2とTH3の比率)となるように制御している。
(Period for implementing control after stopping)
Next, the post-stop control of [8] to [9] shown in FIG. 3 will be described. The operation during the period [8] shown in FIG. 3 is the same as the operation during the period [2] described above, but the ON time of the
同様の効果を得るための類似の制御方法として、例えば次のような方法がある。図3に示す〔8〕の停止後制御では、FET2のオン時間TH3を、スイッチング期間の最後にオンしたFET2のオン時間(TH1)(〔1〕と〔2〕の和の時間)の半分より短い時間(TH3<TH1/2)で制御してもよい。更に、FET2のオン時間TH3を、停止前制御のFET2のオン時間TH2より短い時間(TH3<TH2)としてもよい。この場合、FET2のオン時間(TH3)について、「TH1/2≧TH2>TH3」という関係が成り立つ。〔8〕の期間でのFET2のオン時間を短くすることで、スイッチング電源回路100の効率が改善される。即ち、電圧クランプ用のコンデンサC2からトランスT1のリーケージインダクタンスLr及び結合インダクタンスLsに流れる電流が、必要以上に増加してしまわないようにすることができるため、スイッチング電源回路100の効率が改善される。
As a similar control method for obtaining the same effect, for example, there is the following method. In the post-stop control of [8] shown in FIG. 3, the ON time TH3 of the
続いて図3に示す〔9〕の期間では、〔3〕の期間と同様にFET1及びFET2はオフ状態となっており、デッドタイム期間となっている。図3の〔9〕のデッドタイム期間を経過した後、FET1をオン状態にすることで、期間〔3〕の説明と同様にFET1はゼロボルトスイッチングを行うことができる。
Subsequently, in the period [9] shown in FIG. 3, as in the period [3], the FET1 and the FET2 are in an off state, which is a dead time period. After the elapse of the dead time period [9] in FIG. 3, the
本実施例の間欠動作では、図2、図3の〔1〕〜〔3〕で説明したスイッチング期間、〔4〕で説明した停止前制御、〔5〕〜〔7〕で説明したスイッチング停止期間、〔8〕〜〔9〕で説明した停止後制御を繰り返し行う。このとき、停止前制御及び停止後制御のFET2のオン時間TH2、TH3に対して、十分に長いスイッチング停止期間を設ける構成とする。これにより、スイッチング電源回路100の一次側の電流や、FET1及びFET2のスイッチング回数を低減させて、スイッチング電源回路100の軽負荷状態の電力効率を改善できる。
In the intermittent operation of this embodiment, the switching period described in [1] to [3] in FIGS. 2 and 3, the pre-stop control described in [4], and the switching stop period described in [5] to [7]. , [8] to [9] The control after stop is repeatedly performed. At this time, a sufficiently long switching stop period is provided for the ON times TH2 and TH3 of the FET2 for the pre-stop control and the post-stop control. Thereby, the primary side current of the switching
[スイッチング電源回路の制御]
図4は本実施例の制御部101によるスイッチング電源回路100の制御処理を説明するフローチャートである。制御部101は、交流電源10がスイッチング電源回路100に接続され、スイッチング電源回路100に電力が供給される状態になると、以下の制御を開始する。ステップ(以下、Sとする)301で制御部101は、フィードバック部115からFB端子に入力されるFB端子電圧を検知する。S302で制御部101は、S301で検知したFB端子電圧に応じてFET1のオン時間を制御する。例えば、制御部101は、FET1のオン時間をTL1やTL2としてFET1の駆動を制御する。
[Control of switching power supply circuit]
FIG. 4 is a flowchart for explaining control processing of the switching
S303で制御部101は、スイッチング電源回路100が軽負荷状態となっているか否かを判断するため、FB端子電圧が所定の電圧FBL1より小さいか(FB<FBL1)否かを判断する。ここで、軽負荷状態か否かの判断に用いられる所定の電圧FBL1を、以下、停止電圧という。S303で制御部101は、FB端子電圧が停止電圧FBL1以上であると判断した場合、S304の処理に進む。S304で制御部101は、FB端子電圧に応じた時間でFET2のオン時間を決定し、S301の処理に戻る。例えば、制御部101は、FET2のオン時間をTH1としてFET2の駆動を制御する。制御部101は、内部に有する不図示の例えばRAM等の記憶部に、スイッチング期間におけるFET2のオン時間(TH1)を記憶する。尚、制御部101は、FET1のオン時間と、FET2のオン時間の間に、上述した所定のデッドタイムを設けて制御を行っている。この場合、スイッチング電源回路100は軽負荷状態ではないため、制御部101は、スイッチング期間を連続して実施する連続動作を行っている。
In S303, the
S303で制御部101は、FB端子電圧が停止電圧FBL1より小さいと判断した場合、S305の処理に進む。S305で制御部101は、FET2のオン時間がFB端子電圧に応じた時間(TH1)の2分の1(半分)以下の時間(TH2≦TH1/2)となるように、FET2のオン時間を制御する。この制御は、上述した停止前制御に該当する。S306で制御部101は、S305で決定したFET2のオン時間(TH2)が経過した後に、FET1及びFET2をオフ状態とし、そのまま保持する。この制御は、上述したスイッチング停止期間の制御に該当する。制御部101は、不図示のタイマーをリセットしてスタートさせる。
When the
S307で制御部101は、スイッチング電源回路100の二次側の電源電圧V11として供給する電力が不足している状態か否かを検知するため、FB端子電圧が所定の電圧FBL2より大きいか否かを判断する。ここで、スイッチング停止期間からスイッチング期間に遷移するか否かの判断に用いられる所定の電圧FBL2を、以下、復帰電圧という。停止電圧FBL1と復帰電圧FBL2の関係は、ヒステリシスをもたせるために、FBL2>FBL1とする。
In step S307, the
S307で制御部101は、FB端子電圧が復帰電圧FBL2より大きいと判断した場合は、S308の処理に進む。S307で制御部101は、FB端子電圧が復帰電圧FBL2以下の場合、スイッチング停止期間を継続し、S307の処理を繰り返す。S308で制御部101は、不図示のタイマーを参照することにより、S306の処理で開始されたスイッチング停止期間の長さが、制御部101の不図示のメモリに記憶された所定の最短停止期間Tminよりも長いか否かを判断する。このように、制御部101は、スイッチング停止期間の長さを、制御部101の内部タイマーを用いて測定する。
If the
S308で制御部101は、スイッチング停止期間が最短停止期間Tminより長いと判断した場合、S309の処理に進む。S308で制御部101は、スイッチング停止期間が最短停止期間Tmin以下であると判断した場合、S308の処理を繰り返し、スイッチング停止期間を継続する。このように、本実施例では、スイッチング停止期間からスイッチング期間への復帰の判断は、FB端子電圧と所定の時間経過に基づき行っている。しかし、スイッチング停止期間からスイッチング期間への復帰の判断は、FB端子電圧に基づき判断したり、時間経過に基づき判断したり、その他の要因に基づき判断してもよい。S309で制御部101は、FB端子電圧に応じて設定されたFET2のオン時間(TH1)を、S304で記憶したメモリから読み出す。制御部101は、スイッチング期間におけるFET2のオン時間(TH1)の2分の1より短い時間として、FET2のオン時間(TH3<TH1/2)を決定し、FET2をオン状態にし、S301の処理に戻る。この制御は、上述した停止後制御に該当する。上述した制御を繰り返し行うことによって、制御部101は、スイッチング電源回路100の制御を行っている。
If the
以上説明したように、制御部101は、スイッチング期間からスイッチング停止期間に移行する際に、FET2をオンしてからスイッチング停止期間に移行する。そして、制御部101は、スイッチング停止期間からスイッチング期間に移行する際にも、FET2をオンしてからスイッチング期間に移行する。本実施例のスイッチング電源回路100は次の特徴を有している。
・スイッチング電源回路100の軽負荷状態において、スイッチング期間とスイッチング停止期間を繰り返し行う間欠動作を行う。
・スイッチング停止期間の前にFET2をオンする停止前制御を行う。
・スイッチング停止期間の後にFET2をオンする停止後制御を行う。
・停止前制御と停止後制御のFET2のオン時間を、スイッチング期間のFET2のオン時間に対して短く制御する。
As described above, when the
In the light load state of the switching
-Pre-stop control is performed to turn on FET2 before the switching stop period.
-Control after stopping to turn on FET2 after the switching stop period.
Control the on time of the
以上、本実施例によれば、アクティブクランプ方式の電源装置における軽負荷時の電力効率を改善することができる。 As described above, according to this embodiment, it is possible to improve the power efficiency at the time of light load in the active clamp type power supply device.
[スイッチング電源回路の構成]
次に、実施例2のスイッチング電源回路400を説明する。実施例1と同様の構成には同一の符号を付し、説明を省略する。図5に示すスイッチング電源回路400は、フィードバック手段としてフィードバック部116と、切り替え制御部118とを有している。切り替え制御部118は、2つの状態、即ち、二次側の電源電圧V12として第一の電圧である24V電圧を出力するスタンバイ状態と、第二の電圧である5V電圧を出力するスリープ状態とを切り替える。本実施例では、このように、スタンバイ状態とスリープ状態を切り替える切り替え制御部118を有する点が実施例1の構成と異なる。また、本実施例では、スイッチング電源回路400の二次側整流回路は、ダイオードD11の代わりに、後述する同期整流回路と、平滑回路を追加した点が実施例1と異なっている。本実施例の同期整流回路は、FET12、ダイオードD12、同期整流制御部111を有している。また、本実施例の平滑回路は、コイルL11、コンデンサC12を有している。
[Configuration of switching power supply circuit]
Next, the switching
スイッチング電源回路400の同期整流回路の制御は、同期整流制御部111によって行われている。同期整流制御部111は、S端子によって検出されるダイオードD12の導通期間のみ、D端子の出力をハイレベルにすることで、同期整流用のスイッチ素子であるFET12をオン状態にする。これにより、トランスT1の二次巻線S1の電圧が整流される。同期整流制御部111は、例えば、ディスクリート回路や、半導体集積回路として一体形成された制御部である。同期整流制御部111には、VC端子とG端子の間に電源電圧V12が供給されている。ここで、電源電圧V12は、スイッチング電源回路400の出力電圧であり、本実施例では、後述するように24V又は5Vの電圧である。同期整流制御部111により整流された電圧は、コンデンサC11、C12及びコイルL11によって平滑され、電源電圧V12として出力されている。
The synchronous rectification circuit 111 of the switching
(フィードバック部)
フィードバック部116は、実施例1のフィードバック部115に対して、抵抗R53、R54、FET51を用いたフィードバック電圧の切り替え機能を有する点が異なる。FET51のゲート端子とソース端子の間には、抵抗R55が接続されている。フィードバック部116のFET51のゲート端子には、スイッチング電源回路400を搭載している電子機器の制御部等から、フィードバック電圧を切り替えるための信号である24VOUT信号が入力されている。24VOUT信号がハイレベルになると、FET51がオン状態になり、抵抗R54がショートされる。このため、シャントレギュレータIC5のリファレンス端子REFに入力される電圧は、電源電圧V12を抵抗R52、R53で分圧した電圧となる。これにより、スイッチング電源回路400は、二次側の電源電圧V12として24V電圧を出力する状態となる。
(Feedback part)
The
一方、24VOUT信号がローレベルになると、FET51がオフ状態になり、抵抗R53と抵抗R54が直列に接続される。このため、シャントレギュレータIC5のリファレンス端子REFに入力される電圧は、電源電圧V12を抵抗R52と、抵抗R53と抵抗R54の合成抵抗とで分圧した電圧となる。これにより、スイッチング電源回路400は、二次側の電源電圧V12として5V電圧を出力する状態となる。以上のように本実施例では、スイッチング電源回路400の外部から入力された24VOUT信号に応じて、スイッチング電源回路400の電源電圧V12を24V又は5Vに切り替える。
On the other hand, when the 24VOUT signal becomes low level, the FET 51 is turned off, and the resistor R53 and the resistor R54 are connected in series. For this reason, the voltage input to the reference terminal REF of the shunt regulator IC5 is a voltage obtained by dividing the power supply voltage V12 by the resistor R52 and the combined resistor of the resistor R53 and the resistor R54. As a result, the switching
(切り替え制御部)
切り替え制御部118は、STANBY信号に応じてスタンバイ状態とスリープ状態の切り替え制御を行う。切り替え制御部118のFET81のゲート端子には、スイッチング電源回路400を搭載している電子機器の制御部等から、スイッチング電源回路400の動作状態を切り替えるための信号であるSTANBY信号が入力されている。FET81のゲート端子とソース端子の間には、抵抗R82が接続されている。ハイレベルのSTANBY信号が切り替え制御部118に入力されると、FET81がオン状態となり、抵抗R81を介してフォトカプラPC8の二次側ダイオードが導通状態となる。これにより、フォトカプラPC8の一次側トランジスタがオン状態となり、コンデンサC8に充電されていた電荷が放電される。コンデンサC8の一端は、制御部101のSL端子に接続されており、コンデンサC8の電荷が放電されると、制御部101のSL端子の電圧(以下、SL端子電圧という)はローレベルになる。
(Switching control unit)
The switching
一方、ローレベルのSTANBY信号が切り替え制御部118に入力されると、FET81がオフ状態となり、フォトカプラPC8の二次側ダイオードが非導通状態となる。これにより、フォトカプラPC8の一次側トランジスタもオフ状態となり、コンデンサC8は、電源電圧V2から抵抗R1を介して充電され、制御部101のSL端子電圧がハイレベルになる。制御部101は、SL端子電圧に応じて、スイッチング電源回路400をスタンバイ状態とするかスリープ状態とするかの判断を行っている。本実施例では、制御部101のSL端子電圧がローレベルのときにスタンバイ状態、制御部101のSL端子電圧がハイレベルのときにスリープ状態としているが、逆であってもよい。
On the other hand, when the low-level STANDBY signal is input to the switching
図6(A)〜図6(D)のフローチャートは、制御部101によるスイッチング電源回路400の異なる4つの制御方法を示している。制御部101は、スイッチング電源回路400が搭載される電子機器に応じて、以下に説明するような種々の制御を実施することができる。図6(A)に対して図6(B)〜図6(D)で処理が同じになる場合には同じ符号を付し、説明を省略する。尚、本実施例でも、間欠動作を実施する場合には、制御部101は、実施例1で説明した間欠動作(スイッチング期間、停止前制御、スイッチング停止期間、停止後制御)を実施する。停止前制御、停止後制御におけるFET2のオン時間の決定方法も実施例1と同様である。
The flowcharts of FIGS. 6A to 6D show four different control methods of the switching
(24VOUT信号とSTANBY信号が接続されている場合)
(第1の制御シーケンス)
図6(A)は、本実施例の制御部101による、スイッチング電源回路400の第1の制御シーケンスを説明するフローチャートである。尚、図6(A)で説明するフローチャートでは、24VOUT信号とSTANBY信号は接続されているものとする。即ち、図6(A)の第1の制御シーケンスでは、24VOUT信号とSTANBY信号は連動している。24VOUT信号がハイレベルであればSTANBY信号もハイレベルとなり、24VOUT信号がローレベルであればSTANBY信号もローレベルとなる。制御部101は、スイッチング電源回路400に電力が供給される状態になると第1の制御シーケンスを開始する。S511で制御部101は、実施例1で説明したスイッチング電源回路400の間欠動作を有効な状態とする。間欠動作を有効な状態とする、とは、スイッチング電源回路400が、連続動作を行うだけでなく、必要に応じて間欠動作も行えるようにすることをいう。
(When 24VOUT signal and STANDBY signal are connected)
(First control sequence)
FIG. 6A is a flowchart for explaining a first control sequence of the switching
S512で制御部101は、SL端子電圧に基づき電源電圧V12に24V電圧を出力する要求があるか否かを判断する。SL端子電圧は、スイッチング電源回路400のスタンバイ状態とスリープ状態を切り替えるための判断に用いられる電圧である。図6(A)では、STANBY信号と24VOUT信号とが接続されているために、SL端子電圧に基づいて、電源電圧V12を24V電圧とするか5V電圧とするかの判断も行うことができる。尚、制御部101は、24VOUT信号に応じて変化するFB端子電圧に基づき、S512の判断を行ってもよい。S512で制御部101は、24V電圧を出力する要求があると判断した場合S513の処理に進み、S513で、実施例1で説明した間欠動作を無効とする状態とし、S512の処理に戻る。間欠動作を無効とする状態とは、スイッチング電源回路400が間欠動作を行わないようにする、即ち、常に連続動作を行うようにすることをいう。S512で制御部101は、24V電圧を出力する要求がない、即ち、電源電圧V12として5V電圧を出力すると判断した場合S511の処理に戻り、S511で、実施例1で説明した間欠動作を有効とした状態で保持する。
In step S512, the
ここで、表1は、図6(A)と図6(B)を説明する表である。表1の一列目の「A」は図6(A)に、「B」は図6(B)に対応している。表1の二列目はスイッチング電源回路400の電源電圧V12が5V電圧のとき、三列目はスイッチング電源回路400の電源電圧V12が24V電圧のときを示す。また、表1は、スイッチング電源回路400の電源電圧V12がそれぞれの電圧の場合に、軽負荷状態又は重負荷状態におけるスイッチング電源回路400の動作状態を示している。
Here, Table 1 is a table for explaining FIGS. 6A and 6B. “A” in the first column of Table 1 corresponds to FIG. 6A, and “B” corresponds to FIG. 6B. The second column in Table 1 shows when the power supply voltage V12 of the switching
図6(A)の場合、スイッチング電源回路400の電源電圧V12として24V電圧を出力する要求がある場合は、間欠動作を無効にする(S513)。これにより、大電力の出力が要求される24V電圧を出力している際には間欠動作が行われず、スイッチング電源回路400の応答性を高めることができる。即ち、スイッチング電源回路400の電源電圧V12に24V電圧を出力する要求がある場合は、軽負荷状態、重負荷状態ともに、スイッチング電源回路400は連続動作を行う。一方、スイッチング電源回路400の電源電圧V12に24V電圧を出力する要求がない場合、間欠動作が有効とされる(S511)。この場合、スイッチング電源回路400の電源電圧V12として5V電圧が出力される。スイッチング電源回路400の電源電圧V12が5V電圧の場合、間欠動作が有効とされるため(S511)、スイッチング電源回路400は、負荷の状態に応じて連続動作だけでなく間欠動作も行う。具体的には、スイッチング電源回路400の電源電圧V12が5V電圧の場合、軽負荷状態では間欠動作を行い、重負荷状態では連続動作を行う。フィードバック部116には電源電圧V12が入力されており、負荷の状態に応じて、フィードバック部116から制御部101に出力されるFB端子電圧は変化する。このため、軽負荷状態か重負荷状態かは、制御部101がFB端子電圧に基づいて判断する。
In the case of FIG. 6A, if there is a request to output a 24V voltage as the power supply voltage V12 of the switching
(第2の制御シーケンス)
図6(B)は、本実施例の制御部101によるスイッチング電源回路400の第2の制御シーケンスを説明するフローチャートである。尚、図6(B)で説明するフローチャートでも、24VOUT信号とSTANBY信号は接続されているものとする。制御部101は、スイッチング電源回路400に電力が供給される状態になると第2の制御シーケンスを開始する。S521で制御部101は、スイッチング電源回路400が常に間欠動作を行うように制御する。尚、S512、S513は既に説明したため説明を省略する。
(Second control sequence)
FIG. 6B is a flowchart for explaining a second control sequence of the switching
図6(B)の場合、スイッチング電源回路400の電源電圧V12として24V電圧を出力する要求がない場合、即ち、5V電圧を出力する場合、常に間欠動作で制御される(S521、表1)。図6(B)の制御は、例えば、5V電圧を出力しているときには重負荷状態がない、言い換えれば、必ず軽負荷状態となっているような仕様の電源装置等に適用できる。5V電圧を出力しているときに必ず軽負荷状態となっている電源装置の場合、制御部101は、SL端子電圧に基づいて軽負荷状態を判断できる。即ち、このような仕様の電源装置では、間欠動作すべき軽負荷状態を、SL端子電圧のみで判断できる。尚、スイッチング電源回路400の電源電圧V12が24V電圧の場合は、図6(A)と同様であり、説明を省略する。
In the case of FIG. 6B, when there is no request to output 24V voltage as the power supply voltage V12 of the switching
尚、図6(A)及び図6(B)の制御を行う場合、24VOUT信号と、STANBY信号は接続されている。このため、切り替え制御部118の代わりにトランスT1の一次側にフライバック電圧を検出するための補助巻線(不図示)を設けて、補助巻線の電圧を検知する構成としてもよい。これにより、二次側の電源電圧V12の状態(24V電圧を出力している状態か、5V電圧を出力している状態か)を判別してもよい。
Note that in the case of performing the control in FIGS. 6A and 6B, the 24VOUT signal and the STANDBY signal are connected. Therefore, instead of the switching
(24VOUT信号とSTANBY信号が分離されている場合)
(第3の制御シーケンス)
図6(C)は本実施例の制御部101によるスイッチング電源回路400の第3の制御シーケンスを説明するフローチャートである。尚、図6(C)で説明するフローチャートでは、24VOUT信号とSTANBY信号は分離されているものとする。即ち、図6(C)の第3の制御シーケンスでは、24VOUT信号とSTANBY信号は連動しておらず、それぞれ独立にハイレベル又はローレベルの信号となる。制御部101は、スイッチング電源回路400に電力が供給される状態になると第3の制御シーケンスを開始する。
(When 24VOUT signal and STANBY signal are separated)
(Third control sequence)
FIG. 6C is a flowchart for explaining a third control sequence of the switching
S511で制御部101は、間欠動作を有効な状態とする。S532で制御部101は、SL端子電圧に基づきスイッチング電源回路400にスタンバイ状態(スタンバイモード)への移行の要求があるか否かを判断する。S532で制御部101は、スタンバイ状態への移行の要求があると判断した場合S513の処理に進み、間欠動作を無効とする。S532で制御部101は、スタンバイ状態への移行の要求がない、即ち、スリープ状態であると判断した場合S511の処理に戻り、間欠動作を有効な状態で保持する。
In step S511, the
ここで、表2は、図6(C)と図6(D)を説明する表である。表1の一列目の「C」は図6(C)に、「D」は図6(D)に対応している。その他は表1と同様であり、説明を省略する。 Here, Table 2 is a table for explaining FIGS. 6C and 6D. “C” in the first column of Table 1 corresponds to FIG. 6C, and “D” corresponds to FIG. 6D. Others are the same as in Table 1, and a description thereof is omitted.
図6(C)の場合、スイッチング電源回路400の電源電圧V12が24V電圧か5V電圧かに拘らず、大電力を出力する可能性がある場合にはハイレベルのSTANBY信号が切り替え制御部118に入力される。制御部101は、SL端子電圧に基づきスタンバイモードであると判断した場合、間欠動作を無効にする。この場合、制御部101は、スタンバイ状態では間欠動作を行わず、軽負荷状態、重負荷状態によらずスイッチング電源回路400を連続動作とする。これにより、スイッチング電源回路400の応答性を高めることができる。一方、スイッチング電源回路400がスタンバイ状態に移行する要求がない場合、S511で間欠動作が有効とされる。この場合、スイッチング電源回路400はスリープ状態となる。スイッチング電源回路400がスリープ状態の場合、間欠動作が有効とされるため、スイッチング電源回路400は、負荷の状態に応じて連続動作だけでなく間欠動作を行う。具体的には、スイッチング電源回路400がスリープ状態の場合、軽負荷状態では間欠動作を行い、重負荷状態では連続動作を行う。
In the case of FIG. 6C, a high-level STANBY signal is sent to the switching
(第4の制御シーケンス)
図6(D)は、本実施例の制御部101によるスイッチング電源回路400の第4の制御シーケンスを説明するフローチャートである。尚、図6(D)で説明するフローチャートでは、図6(C)同様に、24VOUT信号とSTANBY信号は分離されているものとする。制御部101は、スイッチング電源回路400に電力が供給される状態になると第4の制御シーケンスを開始する。図6(D)の構成は、図6(B)と図6(C)で説明した処理の組み合わせであるため、説明は省略する。
(Fourth control sequence)
FIG. 6D is a flowchart for explaining a fourth control sequence of the switching
図6(D)の場合、スイッチング電源回路400の電源電圧V12が24V電圧か5V電圧かに拘らず、スイッチング電源回路400のモードに応じて常に間欠動作で制御されるか、間欠動作が無効とされるかが決定される。図6(D)の場合、スイッチング電源回路400がスタンバイモードに移行する要求がない場合、即ち、スリープ状態である場合、常に間欠動作で制御される(S521)。図6(D)の制御は、スリープ状態となっている場合に必ず軽負荷状態となっているような仕様の電源装置等に適用できる。スリープ状態となっているときに必ず軽負荷状態となっている電源装置の場合、制御部101はSL端子電圧に基づいて軽負荷状態を判断できる。尚、スイッチング電源回路400がスタンバイモードの場合は、図6(C)と同様であり、説明を省略する。
In the case of FIG. 6D, regardless of whether the power supply voltage V12 of the switching
このように、スイッチング電源回路400の軽負荷状態を判断する手段は、実施例1で説明した、制御部101のFB端子電圧を利用する手段に限定されない。本実施例のスイッチング電源回路400で説明したように、外部から供給されるSTANBY信号等を用いてもよい。本発明は、いずれかの手段を用いてスイッチング電源回路400が軽負荷状態であると判断した場合に、間欠動作を行う制御方法に特徴を有している。
Thus, the means for determining the light load state of the switching
本実施例のスイッチング電源回路400は、スイッチング電源回路100の特徴に加えて、下記の特徴を有している。
・スイッチング電源回路400の電源電圧V12を複数の電圧(24V電圧と5V電圧)に設定できる。
・スイッチング電源回路400はスタンバイ状態とスリープ状態等の複数の状態を有する。
・スタンバイ状態(24V電圧を出力する状態)ではスイッチング電源回路400の間欠動作を無効にする。
・スリープ状態(5V電圧を出力する状態)ではスイッチング電源回路400の間欠動作を有効にする。又は、スイッチング電源回路400を常に間欠動作で制御する。
In addition to the characteristics of the switching
The power supply voltage V12 of the switching
The switching
In the standby state (a state in which a 24V voltage is output), the intermittent operation of the switching
In the sleep state (a state in which a 5 V voltage is output), the intermittent operation of the switching
以上、本実施例によれば、アクティブクランプ方式の電源装置における軽負荷時の電力効率を改善することができる。 As described above, according to this embodiment, it is possible to improve the power efficiency at the time of light load in the active clamp type power supply device.
実施例1、2で説明した電源装置であるスイッチング電源回路は、例えば画像形成装置の低圧電源、即ちコントローラ(制御部)やモータ等の駆動部へ電力を供給する電源として適用可能である。以下に、実施例1、2の電源装置が適用される画像形成装置の構成を説明する。 The switching power supply circuit that is the power supply apparatus described in the first and second embodiments can be applied as a low-voltage power supply for an image forming apparatus, that is, a power supply that supplies power to a drive unit such as a controller (control unit) or a motor. The configuration of the image forming apparatus to which the power supply apparatus according to the first and second embodiments is applied will be described below.
[画像形成装置の構成]
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7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1〜3で説明した電源装置500を備えている。尚、実施例1、2の電源装置500を適用可能な画像形成装置は、図7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。
[Configuration of Image Forming Apparatus]
A laser beam printer will be described as an example of the image forming apparatus. FIG. 7 shows a schematic configuration of a laser beam printer which is an example of an electrophotographic printer. The
レーザビームプリンタ300は、画像形成部による画像形成動作や、シートの搬送動作を制御するコントローラ320を備えており、実施例1、2に記載の電源装置500は、例えばコントローラ320に電力を供給する。また、実施例1、2に記載の電源装置500は、感光ドラム311を回転するため又はシートを搬送する各種ローラ等を駆動するためのモータ等の駆動部に電力を供給する。本実施例の電源装置500が実施例1のスイッチング電源回路100である場合、制御部101は、FB端子電圧に基づいて、間欠動作を行う。この場合、実施例1で説明したように、制御部101は、スイッチング期間からスイッチング停止期間に移行する際には、停止前制御を行い、スイッチング停止期間からスイッチング期間に移行する際には、停止後制御を行う。これにより、電源装置500の軽負荷時の電力効率を改善することができる。
The
また、本実施例の画像形成装置は、通常動作モード、スタンバイモード又はスリープモードで動作することが可能となっている。スタンバイモードは、画像形成動作を行う通常動作モードよりも消費する電力を低減させつつ、印刷指示を受信したらすぐに画像形成動作を実施できる状態となるモードである。スリープモードは、スタンバイモードより更に消費する電力を低減させた状態となるモードである。電源装置500が実施例2のスイッチング電源回路400である場合、例えば、コントローラ320は、スイッチング電源回路400に20VOUT信号やSTANBY信号を出力する。スイッチング電源回路400は、表1、表2等で説明したように、制御部101によりSL端子電圧に基づいて、軽負荷状態時に間欠動作を行う。尚、制御部101は、実施例1で説明した間欠動作の制御を実施する。これにより、電源装置500の軽負荷時の電力効率を改善することができる。
The image forming apparatus according to the present exemplary embodiment can operate in a normal operation mode, a standby mode, or a sleep mode. The standby mode is a mode in which the image forming operation can be performed as soon as a print instruction is received while reducing power consumption compared to the normal operation mode in which the image forming operation is performed. The sleep mode is a mode in which power consumption is further reduced compared to the standby mode. When the
以上、本実施例によれば、アクティブクランプ方式の電源装置における軽負荷時の電力効率を改善することができる。 As described above, according to this embodiment, it is possible to improve the power efficiency at the time of light load in the active clamp type power supply device.
T1 トランス
FET1 第1スイッチ
FET2 第2スイッチ
C2 電圧クランプ用コンデンサ
101 制御部(CPU)
115 フィードバック部
T1 transformer FET1 first switch FET2 second switch C2
115 Feedback section
Claims (15)
前記トランスの前記一次巻線に直列に接続された第一のスイッチング素子と、
前記トランスの前記一次巻線に並列に接続された第二のスイッチング素子と、
前記第二のスイッチング素子に直列に接続され、前記第二のスイッチング素子とともに前記トランスの前記一次巻線に並列に接続されたコンデンサと、
前記トランスの前記二次巻線に誘起された電圧に応じた情報を出力するフィードバック手段と、
前記フィードバック手段から入力された前記情報に基づいて、前記第一のスイッチング素子及び前記第二のスイッチング素子のオン又はオフを制御する制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記第一のスイッチング素子と前記第二のスイッチング素子をともにオフさせるデッドタイムを挟んで前記第一のスイッチング素子と前記第二のスイッチング素子を交互にオン又はオフさせるスイッチング動作を行う第一の期間と、前記スイッチング動作を停止させる第二の期間と、を交互に繰り返す動作を行うことが可能である電源装置であって、
前記制御手段は、前記第一の期間から前記第二の期間に移行する際に、前記第二のスイッチング素子をオンしてから前記第二の期間に移行し、前記第二の期間から前記第一の期間に移行する際にも、前記第二のスイッチング素子をオンしてから前記第一の期間に移行することを特徴とする電源装置。 A transformer having a primary winding and a secondary winding;
A first switching element connected in series to the primary winding of the transformer;
A second switching element connected in parallel to the primary winding of the transformer;
A capacitor connected in series to the second switching element, and connected in parallel to the primary winding of the transformer together with the second switching element;
Feedback means for outputting information according to the voltage induced in the secondary winding of the transformer;
Control means for controlling on or off of the first switching element and the second switching element based on the information input from the feedback means;
With
The control means performs a switching operation for alternately turning on or off the first switching element and the second switching element with a dead time for turning off both the first switching element and the second switching element. A power supply device capable of performing an operation of alternately repeating a first period to be performed and a second period for stopping the switching operation,
When the control means shifts from the first period to the second period, the control means shifts to the second period after turning on the second switching element, and from the second period to the second period. Also when shifting to the one period, the power supply device shifts to the first period after turning on the second switching element.
前記第一の期間から前記第二の期間に移行する際、及び、前記第二の期間から前記第一の期間に移行する際に、前記第二の期間が継続する時間よりも短い時間で前記第二のスイッチング素子をオンさせることを特徴とする請求項1に記載の電源装置。 The control means includes
When shifting from the first period to the second period, and when shifting from the second period to the first period, the second period is shorter than the duration of the period. The power supply device according to claim 1, wherein the second switching element is turned on.
前記第一の期間から前記第二の期間に移行する際、及び、前記第二の期間から前記第一の期間に移行する際に、前記第一の期間で前記第二のスイッチング素子をオンさせた時間よりも短い時間で前記第二のスイッチング素子をオンさせることを特徴とする請求項2に記載の電源装置。 The control means includes
When shifting from the first period to the second period and when shifting from the second period to the first period, the second switching element is turned on in the first period. The power supply device according to claim 2, wherein the second switching element is turned on in a time shorter than a predetermined time.
前記第一の期間から前記第二の期間に移行する際に、前記第一の期間で前記第二のスイッチング素子をオンさせた時間の半分以下の時間で前記第二のスイッチング素子をオンさせることを特徴とする請求項3に記載の電源装置。 The control means includes
When shifting from the first period to the second period, the second switching element is turned on in a time that is half or less of the time during which the second switching element is turned on in the first period. The power supply device according to claim 3.
前記第二の期間から前記第一の期間に移行する際に、前記第一の期間で前記第二のスイッチング素子をオンさせた時間の半分よりも短い時間で前記第二のスイッチング素子をオンさせることを特徴とする請求項3又は4に記載の電源装置。 The control means includes
When shifting from the second period to the first period, the second switching element is turned on in a time shorter than half of the time during which the second switching element was turned on in the first period. The power supply device according to claim 3 or 4, wherein
請求項1から請求項9のいずれか1項に記載の電源装置と、
を備えることを特徴とする画像形成装置。 Image forming means for forming an image on a recording material;
The power supply device according to any one of claims 1 to 9,
An image forming apparatus comprising:
前記制御手段は、
前記制御部から前記第一の電圧を出力するように制御された場合には、前記第一の期間が連続する動作を行うように制御し、
前記制御部から前記第二の電圧を出力するように制御された場合には、前記電源装置が電力を供給する負荷の状態に応じて前記第一の期間が連続する動作又は前記第一の期間と前記第二の期間が交互に繰り返される動作を行うように制御することを特徴とする請求項10に記載の画像形成装置。 A control unit that controls the power supply device to output a first voltage or a second voltage lower than the first voltage;
The control means includes
When controlled to output the first voltage from the control unit, control to perform an operation in which the first period continues,
When the control unit is controlled to output the second voltage, the operation in which the first period continues according to the state of the load to which the power supply device supplies power or the first period The image forming apparatus according to claim 10, wherein the control is performed so as to perform an operation in which the second period and the second period are alternately repeated.
前記制御手段は、
前記制御部から前記第一の電圧を出力するように制御された場合には、前記第一の期間が連続する動作を行うように制御し、
前記制御部から前記第二の電圧を出力するように制御された場合には、前記第一の期間と前記第二の期間が交互に繰り返される動作を行うように制御することを特徴とする請求項10に記載の画像形成装置。 A control unit that controls the power supply device to output a first voltage or a second voltage lower than the first voltage;
The control means includes
When controlled to output the first voltage from the control unit, control to perform an operation in which the first period continues,
The control is performed so as to perform an operation in which the first period and the second period are alternately repeated when the control unit is controlled to output the second voltage. Item 15. The image forming apparatus according to Item 10.
前記制御手段は、
前記制御部から前記第一のモードで動作するように制御された場合には、前記第一の期間が連続する動作を行うように制御し、
前記制御部から前記第二のモードで動作するように制御された場合には、前記電源装置が電力を供給する負荷の状態に応じて前記第一の期間が連続する動作又は前記第一の期間と前記第二の期間が交互に繰り返される動作を行うように制御することを特徴とする請求項10に記載の画像形成装置。 A controller that controls the power supply device to operate in a first mode that consumes predetermined power or a second mode that consumes less power than the first mode;
The control means includes
When the control unit is controlled to operate in the first mode, the control is performed to perform the operation in which the first period continues,
When the control unit is controlled to operate in the second mode, an operation in which the first period continues according to a state of a load to which the power supply device supplies power or the first period The image forming apparatus according to claim 10, wherein the control is performed so as to perform an operation in which the second period and the second period are alternately repeated.
前記制御手段は、
前記制御部から前記第一のモードで動作するように制御された場合には、前記第一の期間が連続する動作を行うように制御し、
前記制御部から前記第二のモードで動作するように制御された場合には、前記第一の期間と前記第二の期間が交互に繰り返される動作を行うように制御することを特徴とする請求項10に記載の画像形成装置。 A controller that controls the power supply device to operate in a first mode that consumes predetermined power or a second mode that consumes less power than the first mode;
The control means includes
When the control unit is controlled to operate in the first mode, the control is performed to perform the operation in which the first period continues,
The control unit performs control so as to perform an operation in which the first period and the second period are alternately repeated when the control unit is controlled to operate in the second mode. Item 15. The image forming apparatus according to Item 10.
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