JP2017017847A - 電源装置及び画像形成装置 - Google Patents
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図1は、実施例1のスイッチング電源であるアクティブクランプ方式を用いたフライバック電源を説明する回路図である。尚、本実施例のスイッチング電源の回路は、スイッチング電源回路100として説明する。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Voutを出力する。スイッチング電源回路100は、電圧値の異なる複数の電源電圧Voutを出力することが可能である。本実施例では、スイッチング電源回路100は、電源電圧Voutの一例として、例えば24V又は5Vの一定の電圧を出力する。
フィードバック部115は、電源電圧Voutを、所定の電圧(以下、目標電圧とする)に制御するために用いられ、電源電圧Voutに応じた信号を出力する。電源電圧Voutは、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(即ち、基準電圧)の電源電圧Voutに対する分圧比によって設定される。即ち、分圧抵抗R52、R53、R54によって電源電圧Voutが設定される。電源電圧Voutが目標電圧(24V又は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が電流を引き込み、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から電荷が放電される。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Voutが目標電圧より低くなると、シャントレギュレータIC5のカソード端子Kが電流を引き込まなくなり、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に充電電流が流れる。このため、制御部101のFB端子電圧が上昇する。
また、目標電圧切り替え部(以下、切り替え部とする)117は、FET71の制御端子に24VSL信号が入力されている。24VSL信号が切り替えられることで、電源電圧Voutに第一の電圧である5V電圧が出力される第一の状態と、第一の電圧よりも大きい第二の電圧である24V電圧が出力される第二の状態の2つの状態が切り替えられる。切り替え部117には、スイッチング電源回路100が搭載された電子機器の制御部等から出力された24VSL信号が入力される。具体的には、切り替え部117は、24VSL信号がハイレベルのときに電源電圧Voutとして24V電圧を出力するように第二の状態に切り替える。また、切り替え部117は、24VSL信号がローレベルのときに電源電圧Voutとして5V電圧を出力するように第一の状態に切り替える。尚、24VSL信号は、FET71のゲート端子に入力されている。FET71は、ドレイン端子にフォトカプラPC7のフォトダイオードと抵抗R71を介して電源電圧Voutが接続され、ソース端子は接地されている。FET71のゲート端子とソース端子間には抵抗R72が接続されている。
また、入力電圧検出部116は、電源電圧V1を抵抗R61、R62で分圧した電圧を、制御部101のV1SN端子に入力している。これにより、制御部101は、入力電圧Vinの電圧を検出できる。
本実施例のスイッチング電源回路100の動作について、図2を用いて説明する。スイッチング電源回路100は、制御部101がFET1とFET2を、同時にオン状態とならないようにデッドタイムを介して交互にオン/オフすることで、二次側に電力を供給している。図2(A)は、FET1及びFET2の端子の電圧及び電流波形を、複数の期間(〔11〕〜〔14〕)に分けて示したグラフである。図2(A)において、(i)は、FET1のゲート−ソース間電圧、即ち、FET駆動部102からFET1のゲート端子に入力されるゲート駆動信号DRV−Lを示す図である。(ii)は、FET2のゲート−ソース間電圧、即ち、FET駆動部102からFET2のゲート端子に入力されるゲート駆動信号DRV−Hを示す図である。(iii)は、FET1のドレイン−ソース間電圧を示す図である。(iv)は、FET1のドレイン電流を示す図、(v)は、FET2のドレイン電流を示す図、(vi)は、ダイオードD11に流れる電流を示す図である。FET1のドレイン電流には、ダイオードD1及びコンデンサC1に流れる電流を、FET2のドレイン電流には、ダイオードD2に流れる電流をそれぞれ含んでいる。横軸はいずれも時間である。図2(B)は、図2(A)に示す複数の期間(〔11〕〜〔14〕)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2(B)では、トランスT1を、リーケージインダクタンスLr、励磁インダクタンスLs、理想トランスTiに分割して示している。また、図2(B)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。
次に、制御部101によってスイッチング期間とスイッチング停止期間が繰り返し制御される、スイッチング電源回路100の間欠動作について説明する。図3(A)はスイッチング電源回路100の連続動作時の波形を示す図であり、図3(B)はスイッチング電源回路100の間欠動作時の波形を示す図である。いずれも(i)は、FET1のダイオードD1の電圧、即ち、FET1のゲート駆動電圧DRV−Lを示す。(ii)は、FET2のダイオードD2の電圧、即ち、FET2のゲート駆動電圧DRV−Hを示す。(iii)は、FET1のドレイン電流を示す。(iv)は、FET1のドレイン端子とソース端子間の電圧を示す。(v)は、制御部101のFB端子電圧を示し、後述するFBL1、FBL2を点線で示している。横軸はいずれも時間である。
図3(B)の間欠動作周期における停止前制御について説明する。停止前制御は、制御部101のFB端子電圧が電圧FBL1を下回った後(FB<FBL1)、FET1のオン状態が終了したタイミングで開始される。停止前制御を行うことで、電力効率を改善することができる。停止前制御の期間は、FET1がオフしてからFET2がオフするまでの期間であり、停止前制御の期間には、FET2のオン時間〔4〕が含まれる。停止前制御の期間におけるFET2のオン時間〔4〕は、スイッチング期間のFET2のオン時間(〔1〕と〔2〕の和)の半分に設定されている。停止前制御の期間では、FET2がオン状態となり、図2の〔13〕のcの状態から〔13〕のdの状態になる前に、言い換えれば共振電流の向きが切り替わるタイミング以前に、FET2をオフ状態とする。これは、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による共振電流を流す時間をできるだけ短くできるようにするためである。
図3(B)の間欠動作周期における停止後制御について説明する。停止後制御は、制御部101のFB端子電圧が電圧FBL2を上回り(FB>FBL2)、且つ、スイッチング停止期間が最短停止時間Tminよりも長くなると開始される。停止後制御を行うことで電力効率を改善することができる。停止後制御におけるFET2のオン時間〔8〕の最適値は、図3(B)の〔4〕に示すFET2のオン時間よりも更に短い時間に設定される。スイッチング停止期間中に、トランスT1の磁気リセットは終了している。このため、図3(B)に示す停止後制御のFET2のオン時間〔8〕は、スイッチング期間の〔2〕のオン時間に対して短い時間であってもよい。このように設定したとしても、〔9〕の期間で電圧共振用のコンデンサC1の電荷を移動させるために必要なエネルギーを、電圧クランプ用のコンデンサC2から、トランスT1に供給できる。
続いて、二次側出力電圧である電源電圧Voutの制御方法について説明する。まず、本実施例におけるスイッチング電源回路100において、電源電圧Voutは、おおよそ次の式(1)で表わされる。
ここで、TIME1はFET1のオン時間であり、図2の〔11〕の期間である。TIME2はFET2のオン時間であり、図2の〔13〕の期間である。NrはトランスT1の一次巻線P1の巻数Np1と二次巻線S1の巻数Ns1の比(Np1/Ns1)である。
図4は、TIME1とTIME2の比を一定としたとき、トランスT1の励磁インダクタンスLsに流れる電流が、負荷に応じて変わる様子を示している。図4(A)はスイッチング周波数がfaのとき、図4(B)はスイッチング周波数がfbのときを示している。尚、図4(B)のスイッチング周波数fbは、図4(A)のスイッチング周波数faよりも小さい(fa>fb)。更に、図4(A)、図4(B)は、通常負荷時、軽負荷時、重負荷時の励磁インダクタンスLsに流れる電流を示しており、励磁インダクタンスLsに流れる電流の最大値をピーク電流Ip、最小値をボトム電流Ibとする。
次に、本実施例の特徴的な構成である、目標電圧に応じたTIME1とTIME2の制御方法について、図5を用いて説明する。図5(A)は目標電圧が24Vのときに、入力電圧Vinごとに制御部101のFB端子電圧に対応したTIME1、TIME2、TIME1とTIME2との比(TIME1/TIME2)のテーブルの一例を示したものである。図5(B)は、図5(A)と同様のテーブルであり、目標電圧が5Vのときのテーブルである。具体的には、それぞれの目標電圧のときに、交流電源電圧225Vに相当するV1SN端子電圧である51decのときと、交流電源電圧215Vに相当するV1SN端子電圧である48decのときの値を示している。TIME1は、交流電源電圧に反比例して決定される。即ち、TIME1は、交流電源電圧が大きいほど、短い時間に設定される。一方、TIME2は、二次側の出力電圧が一定に制御されるため、交流電源電圧に依存せず一定となっている。
実施例2について説明する。本実施例におけるスイッチング電源について実施例1で説明した構成と同じ構成には、同一符号を付して説明を省略する。図6は本実施例の電源装置の回路であるスイッチング電源回路500である。スイッチング電源回路500は、負荷が通常の状態であるドライブ状態、負荷が軽い状態であるスタンバイ状態、負荷が軽く負荷変動も小さいスリープ状態、負荷が更に軽いディープスリープ状態の4つの状態を有している。ドライブ状態及びスタンバイ状態における目標電圧は24Vで、スリープ状態及びディープスリープ状態における目標電圧は5Vである。制御部101は、FET1のオン時間が所定の時間以下となった場合に連続動作から間欠動作に移行する。ここで、本実施例では、連続動作から間欠動作に移行する閾値となるFET1のオン時間である所定の時間を、目標電圧が5Vのときと24Vのときとで異なる時間とする。連続動作時のFET1のオン時間は、FB端子電圧に応じて変化するため、本実施例では、所定の時間に相当するFB端子電圧の値に基づき連続動作から間欠動作に移行するか否かを決定する。
次に、本実施例における、目標電圧に応じたTIME1とTIME2の制御方法について、図7を用いて説明する。図7(A)は図5(A)に、図7(B)は図5(B)に、図7(C)は図5(C)に、それぞれ対応しており、重複する説明は省略する。目標電圧が24Vの状態において、スイッチング電源回路500がドライブ状態のとき、即ち、FB端子電圧が第二のレベルである21dec以上のとき、FB端子電圧が大きいほど負荷が大きくなる関係となるように、TIME1、TIME2を設定している。即ち、目標電圧が24VでFB端子電圧が21dec以上のとき、FB端子電圧の増加に伴いTIME1、TIME2ともに増加し、且つ、TIME1とTIME2の比(TIME1/TIME2)も増加するように設定する(図7(C)(a)、(b))。
以上説明した、制御部501の目標電圧に応じた制御の切り替えの流れについて、図8のフローチャートを用いて説明する。ステップ(以下、Sとする)701で制御部501は、制御部501の24SL端子に入力される電圧がハイレベルか否かを判断する。S701で制御部501は、24SL端子にハイレベルの信号が入力されていると判断した場合、S702で目標電圧を24Vに設定する。S703で制御部501は、FB端子電圧が21dec以上か否かを判断する。
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9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で説明したスイッチング電源回路100又はスイッチング電源回路500を電源装置400として備えている。尚、実施例1、2の電源装置400を適用可能な画像形成装置は、図9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。
115 フィードバック部
C2 コンデンサ
FET1 第一のスイッチング素子
FET2 第二のスイッチング素子
T1 トランス
Claims (14)
- 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を整流平滑する整流平滑手段と、
前記整流平滑手段により整流平滑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、前記整流平滑手段により整流平滑された電圧が所定の電圧となるように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、前記所定の電圧が第一の電圧となるように制御される第一の状態と、前記所定の電圧が前記第一の電圧よりも大きい第二の電圧となるように制御される第二の状態とで動作することが可能な電源装置であって、
前記制御手段は、前記第二の状態において、前記第一の状態に比べて、前記第一のスイッチング素子のオン時間が長く、前記第二のスイッチング素子のオン時間が短く、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とが交互にオン又はオフする周期が短くなるように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制御することを特徴とする電源装置。 - 前記制御手段は、前記フィードバック手段により出力される情報に応じた信号のレベルに応じて前記第一の状態または前記第二の状態に切り換えることを特徴とする請求項1に記載の電源装置。
- 前記制御手段は、前記第一の状態及び前記第二の状態の少なくともいずれか一方で、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、を繰り返す間欠動作を行うことを特徴とする請求項2に記載の電源装置。
- 前記制御手段は、前記第二の状態では、前記第一の期間を繰り返す連続動作を行うことを特徴とする請求項3に記載の電源装置。
- 前記制御手段は、前記第一の状態において、前記信号のレベルが所定のレベルより低い場合に前記間欠動作を行い、前記信号のレベルが所定のレベル以上の場合に前記第一の期間を繰り返す連続動作を行うことを特徴とする請求項3に記載の電源装置。
- 前記制御手段は、前記第一の状態で前記間欠動作を行う際には、前記第二のスイッチング素子のオン時間を、前記第二の状態における前記第二のスイッチング素子のオン時間よりも長くすることを特徴とする請求項3に記載の電源装置。
- 前記制御手段は、前記第一の状態で前記間欠動作を行う際には、前記第一のスイッチング素子のオン時間と前記第二のスイッチング素子のオン時間の比が前記信号のレベルによらず一定となるように制御することを特徴とする請求項6に記載の電源装置。
- 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を整流平滑する整流平滑手段と、
前記整流平滑手段により整流平滑された電圧に応じた信号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信号に基づいて、前記整流平滑手段により整流平滑された電圧が所定の電圧となるように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、前記第一の状態及び前記第二の状態の両方で、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を繰り返す連続動作と、前記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繰り返す間欠動作と、を行うことが可能であり、
前記所定の電圧が第一の電圧となるように制御される第一の状態と、前記所定の電圧が前記第一の電圧よりも大きい第二の電圧となるように制御される第二の状態とで動作することが可能な電源装置であって、
前記制御手段は、前記第一のスイッチング素子のオン時間が所定の時間以下となった場合に前記連続動作から前記間欠動作に移行し、
前記所定の時間は、前記第一の状態と前記第二の状態とで異ならせることを特徴とする電源装置。 - 前記制御手段は、前記間欠動作時の前記第一のスイッチング素子を前記信号のレベルによらず一定に制御し、且つ、前記間欠動作時の前記第二のスイッチング素子のオン時間を、前記間欠動作に移行した際の前記第二のスイッチング素子のオン時間以上の長さに制御することを特徴とする請求項8に記載の電源装置。
- 前記制御手段は、前記間欠動作時の周波数が所定の周波数以上とならないように、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時間を制御することを特徴とする請求項8又は請求項9に記載の電源装置。
- 前記所定の周波数は、150kHzであることを特徴とする請求項10に記載の電源装置。
- 前記制御手段は、前記第一の状態において、前記信号のレベルが前記所定の時間に相当する第一のレベルより低い場合には前記間欠動作を行い、前記信号のレベルが前記第一のレベル以上の場合には前記連続動作を行うことを特徴とする請求項8から請求項11のいずれか1項に記載の電源装置。
- 前記制御手段は、前記第二の状態において、前記信号のレベルが前記所定の時間に相当する第二のレベルより低い場合には前記間欠動作を行い、前記信号のレベルが前記第二のレベル以上の場合には前記連続動作を行うことを特徴とする請求項8から請求項12のいずれか1項に記載の電源装置。
- 記録材に画像形成を行う画像形成手段と、
請求項1から請求項13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。
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