JP2019103189A

JP2019103189A - 電源装置及び画像形成装置

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Abstract

【課題】簡易な構成で、トランス及び回路部品の過熱保護を行うこと。【解決手段】一次巻線及び二次巻線を有するトランス１０４と、トランス１０４の一次巻線に直列に接続されたＦＥＴ１０６と、ＦＥＴ１０６をオン状態又はオフ状態にして、トランス１０４の二次巻線に誘起される出力電圧を制御する電源制御ＩＣ１０３と、トランス１０４の過熱状態を検知する過熱保護回路１３６と、を備え、過熱保護回路１３６は、トランス１０４の近傍に設置され、温度により抵抗値が変化するサーミスタ１２６と、分圧抵抗１２３と、を有し、過熱保護回路１３６は、出力電圧を分圧抵抗１２３、サーミスタ１２６で分圧した電圧に基づいてトランス１０４の過熱状態を検知すると、過熱検知信号を電源制御ＩＣ１０３に出力し、電源制御ＩＣ１０３は、入力された過熱検知信号に応じて、ＦＥＴ１０６をオフし、出力電圧の生成を遮断する。【選択図】図１

Description

本発明は、絶縁トランスを用いた電源装置及び画像形成装置に関し、特に過熱保護回路に関する。

昨今、スイッチング電源装置の小型化が求められており、特に基板面積に占める割合の大きいトランスの小型化が課題となっている。トランスの小型化のためには、小型のボビンを用いる必要があり、線材を巻くボビン幅が狭くなってしまう。そのため、大型のボビンを使用する場合に比べ、より細い線材を用いなければならず、その結果、巻線の抵抗値が上昇してしまう。また、コア材も小型化する必要があるため、放熱性も低下し、その結果、トランスの小型化によって、トランスの温度が上昇しやすくなってしまう。そのため、特に小型のトランスでは、トランスの温度を正確に把握し、過熱保護を行うことが重要となる。例えば特許文献１では、トランスの付近に配置された素子に温度検知素子を装着し、トランスの温度が所定の温度となった際に、負荷への電力の供給を停止する方式が提案されている。

また、スイッチング電源装置では、上述した小型化のみならず、待機時の消費電力の低減も同時に求められている。レーザビームプリンタ等の画像形成装置では、画像形成動作時に複数の電圧を使用する場合がある。例えば、モータ等の駆動系は高い電圧（例えばＤＣ２４Ｖ）を用い、マイクロコンピュータ等の制御系は低い電圧（例えばＤＣ３．３Ｖ）を用いる。前者は、ある程度ラフな電圧値でも許容されるが、後者の電圧値は所定の電圧精度を求められる。このような複数の電圧を出力するために、スイッチング電源装置では、駆動系が使用する高い電圧を負荷に供給し、負荷側のＤＣ／ＤＣコンバータで駆動系用に生成された電圧から制御系が使用する高精度な電圧に変換するシステムが広く用いられている。一般的に、画像形成装置は、待機時には制御系のみが動作するため、スイッチング電源装置における待機時の消費電力を低減するためには、ＤＣ／ＤＣコンバータの高効率化が必須である。ＤＣ／ＤＣコンバータの効率は、入力電圧と出力電圧との差が小さい程、高くなる。そのため、例えば特許文献２では、ＤＣ／ＤＣコンバータの入力電圧、すなわちスイッチング電源装置の出力電圧を、負荷側の装置の電力消費量が少ない待機時に低下させることによって、消費電力を低減する方式を用いたスイッチング電源装置が提案されている。

特開２００２−２０９３７８号公報特開２０１０−２０６９８２号公報

スイッチング電源装置に上述した特許文献１、２で提案されている方式を用いた場合、規定温度に到達する前に過熱保護回路により負荷への電力供給が停止され、トランスは保護される。しかしながら、待機時等の低電圧出力時には、過熱保護回路が動作する前に、トランスの二次側に設けられた整流用のショットキーバリアダイオード（以下、ＳＢＤという）が熱暴走してしまう可能性がある。これは、スイッチング電源装置の出力電圧を変化させた際の負荷電流に対する温度上昇勾配が、トランスとＳＢＤとで異なることが原因である。

トランスの損失は、一次電流と、巻線の抵抗値とに依存し、巻線の電気抵抗による損失が熱エネルギーに変換され、トランスの温度上昇となる。スイッチング電源装置が低電圧を出力しているときは、負荷電流に応じて一次電流も少ない。その結果、負荷電流に対するトランスの温度上昇勾配は緩やかとなる。そのため、スイッチング電源装置の出力電圧が低い場合に、トランスの損失を大きくしてトランスの温度を上昇させ、過熱保護回路を動作させるためには、より多くの負荷電流を要する。一方、ＳＢＤの損失は、出力電圧には依存せず、順電圧と負荷電流に依存する。そのため、ＳＢＤの温度上昇勾配は、出力電圧によらず、負荷電流に応じた傾きとなる。上述したように、スイッチング電源装置の出力電圧を下げて低電圧を出力している場合に過熱保護回路を動作させるためには、より多くの負荷電流を要する。その結果、トランスの二次側に大きな負荷電流が流れることにより、過熱保護回路が動作する前に、ＳＢＤが熱暴走により破損する可能性がある。

この課題を解決するために、トランスの近傍のみならず、ＳＢＤにも温度検知素子を備え、ＳＢＤの過熱保護を行う構成が考えられる。ところが、ＳＢＤを保護するための温度検知素子及び保護回路が更に必要となるため、コストアップ及び必要な基板面積の増加という課題が生じる。また、定格電流の大きなＳＢＤを使用することも考えられるが、この場合もコストアップという課題が生じる。

本発明は、このような状況のもとでなされたもので、簡易な構成で、トランス及び回路部品の過熱保護を行うことを目的とする。

前述の課題を解決するために、本発明は、以下の構成を備える。

（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スイッチング素子と、前記スイッチング素子をオン状態又はオフ状態にして、前記トランスの前記二次巻線に誘起される出力電圧を制御する制御手段と、前記トランスの過熱状態を検知する検知手段と、を備え、前記検知手段は、前記出力電圧を分圧する分圧手段を有し、前記分圧手段は、前記トランスの近傍に設置され、温度により抵抗値が変化する温度検知素子と前記温度検知素子に接続された分圧抵抗とを含み、前記検知手段は、前記出力電圧を前記分圧手段で分圧した電圧に基づいて前記トランスの前記過熱状態を検知すると、過熱検知信号を前記制御手段に出力し、前記制御手段は、入力された前記過熱検知信号に応じて、前記スイッチング素子をオフし、前記出力電圧の生成を遮断することを特徴とする電源装置。

（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。

本発明によれば、簡易な構成で、トランス及び回路部品の過熱保護を行うことができる。

実施例１のスイッチング電源装置の構成を示す回路図実施例１、２のサーミスタの温度特性を示すグラフ実施例１の過熱保護回路のコンパレータの温度に対する入力端子電圧の変化を示すグラフ実施例２のスイッチング電源装置の構成を示す回路図実施例３の画像形成装置の構成を示す断面図

以下に、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。

［スイッチング電源の構成］
図１は、実施例１のスイッチング電源装置１００の構成を示す回路図である。スイッチング電源装置１００（図中、一点鎖線で囲まれた枠部）は、インレット１０１から入力される交流電圧をブリッジダイオード１０２で整流し、電解コンデンサ１０５によって直流電圧に平滑するコンデンサインプット型スイッチング電源装置である。電解コンデンサ１０５は、ブリッジダイオード１０２により整流された直流電圧を平滑する平滑手段であり、電解コンデンサ１０５の低電位側をＤＣＬ（グランドと同電位）、高電位側をＤＣＨとする。本実施例のスイッチング電源装置１００は、電解コンデンサ１０５に充電された入力電圧から、トランス１０４の絶縁された二次側に出力電圧Ｖｏを出力する。

スイッチング電源装置１００は、一次側に一次巻線、補助巻線、二次側に二次巻線を備えたトランス１０４を有している。トランス１０４の一次巻線から二次巻線には、後述するスイッチング素子である電解効果トランジスタ（以下、ＦＥＴという）１０６の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１０４の補助巻線は、一次巻線に印加された入力電圧のフォワード電圧を、ダイオード１１０及び電解コンデンサ１０９で整流平滑し、スイッチング電源装置１００を制御する制御手段である電源制御ＩＣ１０３のＶｃｃ端子に電源電圧を供給する。トランス１０４に供給される電力は、トランス１０４の一次巻線に直列に接続されたＦＥＴ１０６のスイッチング動作により制御される。ＦＥＴ１０６は、電源制御ＩＣ１０３のＯｕｔ端子から出力される制御信号によって、オン・オフ制御が行われる。本実施例のスイッチング電源装置１００はフライバック方式であり、トランス１０４に供給された電力は、ＦＥＴ１０６がオフ状態のときに二次側に供給され、二次巻線に電圧が誘起される。トランス１０４により二次側に供給された電力は、整流平滑手段であるＳＢＤ（ショットキーバリアダイオード）１０７及び電解コンデンサ１０８によって整流・平滑され、直流の出力電圧Ｖｏが生成される。そして、出力電圧Ｖｏは、スイッチング電源装置１００の負荷であるＤＣ／ＤＣコンバータ１３５やモータ等の負荷１１１に供給される。

（出力電圧の制御）
次に、電源制御ＩＣ１０３による出力電圧Ｖｏの制御について説明する。電源制御ＩＣ１０３のＯｕｔ端子からＦＥＴ１０６のゲート端子に出力される制御信号のハイレベル又はローレベルは、Ｃｓ端子の入力電圧及びＦＢ端子の入力電圧によって決定される。Ｃｓ端子には、ＦＥＴ１０６がオン状態時にドレイン端子に流れる電流により電流検出抵抗１３４の両端に生じる電圧が入力される。そのため、Ｃｓ端子の入力電圧値は、トランス１０４に供給される入力電力とも言い換えることができる。また、スイッチング電源装置１００は、トランス１０４の出力電圧Ｖｏの目標電圧値と、実際の出力電圧値との偏差をフォトカプラ１１３によって一次側に伝達するフィードバック部１４４（詳細は後述）を有している。フィードバック部１４４は、出力電圧Ｖｏの変動に応じて、電源制御ＩＣ１０３のＦＢ端子の入力電圧を変化させる。電源制御ＩＣ１０３は、Ｃｓ端子の入力電圧がＦＢ端子の入力電圧に等しくなった際にローレベル信号、それ以外はハイレベル信号を出力し、ＦＢ端子に入力される電圧に基づいてＦＥＴ１０６のオン・オフ状態を制御する。これにより、トランス１０４への入力電力が制御され、その結果、出力電圧Ｖｏの電圧値が制御される。

本実施例のスイッチング電源装置１００は、出力電圧Ｖｏを切り替えて負荷に供給することが可能である。供給可能な出力電圧Ｖｏは、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３５のみならず、モータ等の負荷１１１も駆動することができるＤＣ２４Ｖ（第一の出力電圧）と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３５を高効率で動作させるためのＤＣ１２Ｖ（第二の出力電圧）である。なお、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３５は、スイッチング電源装置１００から入力された電源電圧からＤＣ３．３Ｖ（図中、電源電圧Ｖｃｔｒｌ）を生成し、制御系（例えばＣＰＵやＡＳＩＣ等）に供給する。

（フィードバック部）
フィードバック手段であるフィードバック部１４４は、出力電圧Ｖｏの電圧値を検知し、出力電圧Ｖｏの目標電圧値との偏差情報を電源制御ＩＣ１０３に通知する。フィードバック部１４４は、ＤＣ２４Ｖの出力電圧を監視する第一の回路部１４５と、ＤＣ１２Ｖを監視する第二の回路部１４６から構成されている。第一の回路部１４５は、出力電圧Ｖｏを分圧する分圧抵抗１２９、１３０、フォトカプラ１１３のＬＥＤに流れる電流を制限する電流制限抵抗１２８、シャントレギュレータ１１６から構成されている。一方、第二の回路部１４６は、ＦＥＴ１１７、コンパレータ１１８、コンパレータ１１８に基準電圧を供給するツェナーダイオード１１９、出力電圧Ｖｏを分圧する抵抗１３２、１３３、電流制限抵抗１３１から構成されている。ＦＥＴ１１７は、フォトカプラ１１３の二次側ＬＥＤを駆動する。また、コンパレータ１１８は、２つの入力端子（＋端子、−端子）に入力される電圧の大小を比較し、比較結果を出力する。

出力電圧ＶｏのＤＣ２４Ｖ（以下、単に２４Ｖともいう）又はＤＣ１２Ｖ（以下、単に１２Ｖともいう）の切り替えは、外部の制御系（例えばＣＰＵ等）から入力されるＰｏｗｅｒＳａｖｅ信号（パワーセーブ信号）によって行われる。本実施例のスイッチング電源装置１００では、出力電圧Ｖ０は、ＰｏｗｅｒＳａｖｅ信号がローレベルの場合にはＤＣ２４Ｖ、ハイレベルの場合にはＤＣ１２Ｖが出力される構成である。ＰｏｗｅｒＳａｖｅ信号がローレベルの場合には、出力端子がオープンコレクタのコンパレータ１１８は、出力がローレベルに固定されてしまう。コンパレータ１１８の出力端子は、ＦＥＴ１１７のゲート端子に接続されており、コンパレータ１１８の出力がローレベルであるため、ＦＥＴ１１７はオフ状態となる。そのため、出力電圧Ｖｏが２４Ｖの場合の電源制御ＩＣ１０３のＦＢ端子へのフィードバック制御は、第一の回路部１４５により行われることになる。

第一の回路部１４５において、シャントレギュレータ１１６のリファレンス端子（図中、Ｒ）には。出力電圧Ｖｏを分圧抵抗１２９、１３０により分圧された電圧が入力される。シャントレギュレータ１１６は、リファレンス端子より入力された電圧が出力電圧Ｖｏの目標電圧である基準電圧より高くなると、導通状態となる。その結果、シャントレギュレータ１１６のカソード端子Ｋから電流が流れ、電流制限抵抗１２８を介してフォトカプラ１１３の二次側ＬＥＤが導通状態となる。これにより、フォトカプラ１１３の一次側フォトトランジスタがオン状態となり、電源制御ＩＣ１０３のＦＢ端子の入力電圧が低下する。一方、出力電圧Ｖｏの電圧が目標電圧より低くなると、シャントレギュレータ１１６のカソード端子Ｋから電流が流れなくなり、その結果、フォトカプラ１１３の二次側ＬＥＤが非導通状態となる。これにより、フォトカプラ１１３の一次側フォトトランジスタがオフ状態となり、電源制御ＩＣ１０３のＦＢ端子の入力電圧が上昇する。このように、第一の回路部１４５は、ＤＣ２４Ｖの出力電圧Ｖｏの変動に応じて、電源制御ＩＣ１０３のＦＢ端子の入力電圧を変化させる。

一方、ＰｏｗｅｒＳａｖｅ信号がハイレベルの場合には、オープンコレクタのコンパレータ１１８は、出力端子からの出力が有効となる。コンパレータ１１８の出力端子はＦＥＴ１１７のゲート端子に接続されているため、コンパレータ１１８の出力により、ＦＥＴ１１７のオン・オフ状態が制御される。そのため、ＰｏｗｅｒＳａｖｅ信号がハイレベルの場合、すなわち出力電圧ＶｏがＤＣ１２Ｖの場合には、出力電圧Ｖｏの状態の電源制御ＩＣ１０３へのフィードバック制御は、第二の回路部１４６により行われることになる。

第二の回路部１４６において、コンパレータ１１８の非反転入力端子（＋）には、出力電圧Ｖｏを分圧抵抗１３２、１３３により分圧された電圧が入力され、反転入力端子（−）には、ツェナーダイオード１１９によって目標電圧が入力される。なお、ツェナーダイオード１１９はスイッチング電源装置１００の出力電圧ＶｏがＤＣ１２Ｖとなるようなツェナー電圧が選択されている。そのため、フォトカプラ１１３を介して電源制御ＩＣ１０３のＦＢ端子に入力される電圧は、出力電圧Ｖｏが１２Ｖになるように設定される。また、出力電圧Ｖｏが１２Ｖの場合には、第一の回路部１４５のシャントレギュレータ１１６は非導通状態となる。このように、ＰｏｗｅｒＳａｖｅ信号をハイレベル又はローレベルに切り替えることによって、スイッチング電源装置１００は、２種類の出力電圧Ｖｏを切り替えることが可能となる。

（過熱保護回路）
続いて、トランス１０４の過熱状態を検知する検知手段である過熱保護回路１３６について説明する。本実施例の過熱保護回路１３６では、温度検知素子として、温度上昇に対して抵抗値が減少する負の温度係数を有するＮＴＣチップサーミスタ（以下、サーミスタという）１２６を用いている。図２は、サーミスタ１２６の温度特性を示すグラフであり、縦軸は抵抗値［単位：ｋΩ］を示し、横軸は温度［単位：℃］を示す。図２に示すように、サーミスタ１２６の抵抗値は、例えば温度が２５℃のときには約１００ｋΩである。ところが、温度が４５℃、６５℃、８５℃、１０５℃、１２５℃と上昇するにつれ、サーミスタ１２６の抵抗値は、それぞれ約４２ｋΩ、約１９ｋΩ、約１０ｋΩ、約４ｋΩ、約３ｋΩとなり、温度上昇に伴い、抵抗値は、指数関数的に減少していることが分かる。

図１に示すように、過熱保護回路１３６は、コンパレータ１１４、ＰＮＰ型のトランジスタ１１５、フォトカプラ１１２、サーミスタ１２６、抵抗１２０、１２１、１２２、１２３、１２４、１２５から構成されている。コンパレータ１１４の非反転入力端子（＋）には、出力電圧Ｖｏを分圧手段である抵抗１２３、サーミスタ１２６の抵抗により分圧された電圧が入力される。また、コンパレータ１１４の反転入力端子（−）には、基準電圧Ｖｒｅｆを抵抗１２４、１２５で分圧した電圧が入力される。なお、本実施例では、基準電圧Ｖｒｅｆは、スイッチング電源装置１００の負荷であるＤＣ／ＤＣコンバータ１３５で生成され、制御系に供給される高精度の出力電圧Ｖｃｔｒｌが入力される。また、サーミスタ１２６は、トランス１０４の温度を正確に測定するため、トランス１０４の近傍に設置され、かつ、他の主要な発熱素子（例えばＦＥＴ１０６、ＳＢＤ１０７等）からの熱結合を可能な限り小さくするような位置に配置されている。

本実施例の過熱保護回路１３６の特徴は、比較器であるコンパレータ１１４の一方の入力端子（−端子）には所定の電圧を入力し、他方の入力端子（＋端子）には出力電圧Ｖｏをサーミスタ１２６を含む２つの分圧抵抗で分圧した電圧値を用いていることにある。上述したように、サーミスタ１２６の抵抗値は、温度が上昇するに伴い、減少する。そのため、温度が上昇すると、コンパレータ１１４の＋端子に入力される電圧が減少し、−端子に入力される所定の電圧よりも低くなる。その結果、サーミスタ１２６により検知される温度が、所定の温度よりも高い過熱状態になると、コンパレータ１１４の出力端子からはローレベルの信号が出力されることになる。

コンパレータ１１４の出力端子は、抵抗１２０を介して出力電圧Ｖｏでプルアップされ、トランジスタ１１５のベース端子に接続されている。トランジスタ１１５は、エミッタ端子が抵抗１２１を介して出力電圧Ｖｏと接続され、コレクタ端子が抵抗１２２を介してフォトカプラ１１２の二次側ＬＥＤのアノード端子に接続されている。コンパレータ１１４の出力端子からハイレベル信号が出力されている場合、すなわちサーミスタ１２６の温度が所定の温度より低い場合には、トランジスタ１１５はオフ状態である。一方、コンパレータ１１４の出力端子からローレベル信号（過熱検知信号）が出力されている場合、すなわちサーミスタ１２６の温度が所定の温度より高い場合には、トランジスタ１１５はオン状態となる。トランジスタ１１５がオン状態になると、フォトカプラ１１２の二次側ＬＥＤが導通状態となり、一次側フォトトランジスタがオン状態となり、抵抗１２７を介して、電源制御ＩＣ１０３のＬａｔ端子にハイレベルの信号が入力される。電源制御ＩＣ１０３は、Ｌａｔ端子にハイレベル信号が入力されると、Ｏｕｔ端子からの出力信号をローレベルに設定することで、ＦＥＴ１０６のスイッチング動作を強制的に停止し、負荷への電力供給を遮断する。

続いて、過熱保護回路１３６の具体的な動作について説明する。ここで、サーミスタ１２６の抵抗値をＲｔｈ、抵抗１２３、１２４、１２５の抵抗値をそれぞれＲ１、Ｒ２、Ｒ３とする。すると、コンパレータ１１４の２つの入力端子（−端子、＋端子）の電圧Ｖｉｎ−、Ｖｉｎ＋は、それぞれ以下の（式１）、（式２）により表すことができる。

図３は、過熱保護回路１３６のサーミスタ１２６の温度に対する、コンパレータ１１４の入力端子（＋端子、−端子）の入力電圧の変化を示すグラフである。図３において、横軸はサーミスタ１２６の温度［単位：℃］、縦軸は電圧［単位：Ｖ］である。また、実線のグラフは、出力電圧Ｖｏが２４Ｖのときのコンパレータ１１４の非反転入力端子（＋端子）の入力電圧Ｖｉｎ＋の変化を示すグラフである。同様に、破線のグラフは、出力電圧Ｖｏが１２Ｖのときのコンパレータ１１４の非反転入力端子（＋端子）の入力電圧Ｖｉｎ＋の変化を示すグラフである。更に、点線のグラフは、コンパレータ１１４の反転入力端子（−端子）の入力電圧Ｖｉｎ−を示すグラフである。図３に示すように、サーミスタ１２６の温度が上昇するにつれて、コンパレータ１１４の非反転入力端子（＋端子）の入力電圧Ｖｉｎ＋は指数関数的に減少する。一方、コンパレータ１１４の反転入力端子（−端子）の入力電圧Ｖｉｎ−は、サーミスタ１２６の温度に関係なく、（式１）により算出される所定の電圧値となる。

ここで、抵抗１２３の抵抗値Ｒ１を５６ｋΩ、抵抗１２４の抵抗値Ｒ２を４３ｋΩ、抵抗１２５の抵抗値Ｒ３を２７ｋΩとし、サーミスタ１２６は、トランス１０４の自己発熱温度に対して、約９０％の熱結合率を有しているものとする。また、トランス１０４の自己発熱温度は、トランス１０４の出力電力に比例するものとする。上述した抵抗値Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３や出力電圧Ｖｏのパラメータを用いて、過熱保護回路１３６の動作温度を求める。まず、基準電圧Ｖｒｅｆを３．３Ｖとして、上述した（式１）により、コンパレータ１１４の反転入力端子（−端子）の入力電圧Ｖｉｎ−を求めると、Ｖｉｎ−＝３．３Ｖ×２７ｋΩ／（４３ｋΩ＋２７ｋΩ）≒１．２７Ｖと算出される。したがって、図３に示すコンパレータ１１４の反転入力端子の入力電圧Ｖｉｎ−は、１．２７Ｖである。

次に、出力電圧Ｖｏが２４Ｖの場合の、過熱保護回路１３６が動作するサーミスタ１２６の温度を算出する。過熱保護回路１３６が動作するのは、コンパレータ１１４の非反転入力端子（＋）に入力される入力電圧Ｖｉｎ＋が反転入力端子（−）に入力される入力電圧Ｖｉｎ−以下の電圧値となる場合である。上述した（式２）に、入力電圧Ｖｉｎ＋に１．２７Ｖ、出力電圧Ｖｏに２４Ｖ、抵抗値Ｒ１に５６ｋΩを代入して、サーミスタ１２６の抵抗値Ｒｔｈを算出すると、抵抗値Ｒｔｈは、３．１３ｋΩとなる。図２より、サーミスタ１２６の抵抗値が３．１３ｋΩのときのサーミスタ１２６の温度は、１１９℃である。そして、図３の出力電圧Ｖｏが２４Ｖのときの入力電圧Ｖｉｎ＋のグラフ（実線で表示）が入力電圧Ｖｉｎ−のグラフ（点線で表示）と交差するときのサーミスタ１２６の温度（黒丸）が、１１９℃である。そのため、サーミスタ１２６の温度が１１９℃以上の場合には、コンパレータ１１４はローレベル信号を出力し、トランジスタ１１５がオン状態となり、フォトカプラ１１２の二次側ＬＥＤが導通状態となる。その結果、フォトカプラ１１２の一次側フォトトランジスタを介して電源制御ＩＣ１０３のＬａｔ端子にハイレベル信号が入力され、電源制御ＩＣ１０３はＦＥＴ１０６のスイッチング動作を停止し、負荷への電力供給が遮断される。また、サーミスタ１２６は、トランス１０４の自己発熱温度に対して、約９０％の熱結合率を有しているので、サーミスタ１２６の温度が１１９℃のときの、トランス１０４の温度は約１３２℃（＝１１９℃／０．９（９０％））となる。Ａ種線材を用いたトランスの電源定格外負荷時における安全規格上の温度は１５０℃であるため、十分なマージンを有している。また、このときにＳＢＤ１０７に流れる平均電流は４．０Ａである。

続いて、出力電圧Ｖｏが１２Ｖの場合の、過熱保護回路１３６が動作するサーミスタ１２６の温度を算出する。上述した（式２）に、入力電圧Ｖｉｎ＋に１．２７Ｖ、出力電圧Ｖｏに１２Ｖ、抵抗値Ｒ１に５６ｋΩを代入して、サーミスタ１２６の抵抗値Ｒｔｈを算出すると、抵抗値Ｒｔｈは、６．６３ｋΩとなる。図２より、サーミスタ１２６の抵抗値が６．６３ｋΩのときのサーミスタ１２６の温度は、９５℃である。図３の出力電圧Ｖｏが１２Ｖのときの入力電圧Ｖｉｎ＋のグラフ（破線で表示）が入力電圧Ｖｉｎ−のグラフ（点線で表示）と交差するときのサーミスタ１２６の温度（灰色の丸印）が、９５℃である。そのため、サーミスタ１２６の温度が９５℃以上の場合には、過熱保護回路１３６が動作することになる。そして、サーミスタ１２６は、トランス１０４の自己発熱温度に対して、約９０％の熱結合率を有しているので、サーミスタ１２６の温度が９５℃のときの、トランス１０４の温度は約１０６℃（＝９５℃／０．９（９０％））となる。また、このときにＳＢＤ１０７に流れる平均電流は５．５Ａとなる。なお、ＳＢＤ１０７に流れる電流値は、出力電圧Ｖｏが２４Ｖの場合の方が、出力電圧Ｖｏが１２Ｖの場合に比べて小さくなる。

本実施例の過熱保護回路１３６では、出力電圧Ｖｏを分圧する抵抗に、温度に応じて抵抗値が減少するサーミスタを用いることにより、出力電圧Ｖｏが低い電圧の場合にも、トランス１０４の過熱状態を検知し、トランスを過熱から保護することができる。例えば、サーミスタを用いない過熱保護回路の場合には、トランス１０４の過熱状態を検知し、過熱保護回路が動作するときにＳＢＤ１０７に流れる平均電流値は、８．０Ａとなる。ＳＢＤ１０７の発熱量と放熱量の関係が発熱量＞放熱量となると、ＳＢＤ１０７のリーク電流が大きくなり、この状態が所定時間以上続くと、ＳＢＤ１０７は熱暴走する。すなわち、過熱保護回路１３６により、トランス１０４の安全規格上の温度を満たしつつ、ＳＢＤ１０７に流れる平均電流を２．５Ａ（＝８．０Ａ−５．５Ａ）低減することが可能となる。その結果、過熱保護回路１３６が動作する前に、ＳＢＤ１０７が熱暴走することが防ぐことができる。

以上説明したように、本実施例によれば、簡易な構成で、トランス及び回路部品の過熱保護を行うことができる。

実施例１では、コンパレータを用いてトランスの過熱状態を検知する過熱保護回路について説明した。実施例２では、コンパレータの代わりに、ＣＰＵを用いてトランスの過熱状態を検知する過熱保護回路について説明する。

［スイッチング電源の構成］
図４は、本実施例のスイッチング電源装置２００（図中、一点鎖線で囲まれた枠部）の構成を示す回路図である。実施例１の図１に示すスイッチング電源装置１００の過熱保護回路１３６と比べて、本実施例のスイッチング電源装置２００の過熱保護回路１３９では、コンパレータ１１４、抵抗１２４、１２５が削除され、ＦＥＴ１３８が追加されている点が異なる。また、図４に示すＣＰＵ１３７は、出力電圧Ｖｏが供給される負荷側の電子機器のＣＰＵである。ＣＰＵ１３７は、過熱保護回路１３９を介して、トランス１０４の過熱状態を検知すると過熱保護回路１３９を動作させたり、出力電圧Ｖｏの切替を行ったりする。スイッチング電源装置２００のその他の回路構成については、実施例１のスイッチング電源装置１００の回路構成と同様であり、同じ回路部品には同じ符号を用いることにより、ここでの説明を省略する。

（過熱保護回路）
ＣＰＵ１３７の入力ポート１４０には、サーミスタ１２６及び抵抗１２３により、出力電圧Ｖｏを分圧した電圧が入力される。また、ＣＰＵ１３７は記憶手段であるメモリ１４３を有し、メモリ１４３には、予め、出力電圧Ｖｏが２４Ｖ及び１２Ｖの場合に、それぞれ過熱状態と判断するサーミスタ１２６の第一の温度（１２０℃）及び第二の温度（９５℃）が格納されている。更に、メモリ１４３には、図２に示すサーミスタ１２６の抵抗値と温度とを対応付けたデータが記憶されている。また、ＣＰＵ１３７は、ＰｏｗｅｒＳａｖｅ信号を出力する出力ポート１４２を有し、出力電圧Ｖｏが２４Ｖの場合にはローレベル信号、出力電圧Ｖｏが１２Ｖの場合には、ハイレベル信号を出力する。

ＣＰＵ１３７は、出力電圧Ｖｏが２４Ｖのとき、出力ポート１４２からローレベルのＰｏｗｅｒＳａｖｅ信号を出力し、入力ポート１４０に入力される電圧に基づいて、上述した（式２）によりサーミスタ１２６の抵抗値を算出する。そして、ＣＰＵ１３７は、算出したサーミスタ１２６の抵抗値と、メモリ１４３に記憶されたサーミスタ１２６の抵抗値−温度の対応データに基づいて、サーミスタ１２６の温度を取得する。そして、ＣＰＵ１３７は、求められたサーミスタ１２６の温度が第一の温度以上（１２０℃以上）の場合には、出力ポート１４１から過熱保護回路１３９を動作させるため、過熱検知信号でもあるハイレベルの過熱保護動作開始信号（Ｖｏｔｐ信号）を出力する。

ＣＰＵ１３７の出力ポート１４１は、ＦＥＴ１３８のゲート端子に接続されている。また、ＦＥＴ１３８は、ソース端子がトランジスタ１１５のベース端子に接続され、ドレイン端子がグランドに接続されている。ＣＰＵ１３７の出力ポート１４１からハイレベルの過熱保護動作開始信号が出力されると、ＦＥＴ１３８はオン状態となり、その結果、トランジスタ１１５のベース端子はローレベルとなり、トランジスタ１１５はオン状態となる。トランジスタ１１５がオン状態になると、フォトカプラ１１２の二次側ＬＥＤが導通状態となり、一次側フォトトランジスタがオン状態となり、抵抗１２７を介して、電源制御ＩＣ１０３のＬａｔ端子にハイレベルの信号が入力される。電源制御ＩＣ１０３は、Ｌａｔ端子にハイレベル信号が入力されると、Ｏｕｔ端子からの出力信号をローレベルに設定することで、ＦＥＴ１０６のスイッチング動作を強制的に停止し、負荷への電力供給を遮断する。

一方、出力電圧が１２Ｖのときには、ＣＰＵ１３７は、ハイレベルのＰｏｗｅｒＳａｖｅ信号を出力し、入力ポート１４０に入力される電圧に基づいて、上述した（式２）によりサーミスタ１２６の抵抗値を算出する。そして、ＣＰＵ１３７は、算出したサーミスタ１２６の抵抗値と、メモリ１４３に記憶されたサーミスタ１２６の抵抗値−温度データに基づいて、サーミスタ１２６の温度を取得する。そして、ＣＰＵ１３７は、求められたサーミスタ１２６の温度が第二の温度以上（９５℃以上）の場合には、出力ポート１４１から過熱保護回路１３９を動作させるため、ハイレベルのＶｏｔｐ信号を出力する。これにより、ＦＥＴ１３８はオン状態に遷移し、その結果、トランジスタ１１５もオン状態に遷移し、フォトカプラ１１２を介してＬａｔ端子にハイレベル信号が入力され、電源制御ＩＣ１０３による電力供給制御が停止される。

上述したように、本実施例においても、実施例１と同様に、過熱保護回路１３９が動作する前にＳＢＤ１０７が熱暴走することを防止することができる。なお、本実施例では、ＣＰＵ１３７は外部の電子機器のＣＰＵであるとして説明したが、例えばスイッチング電源装置２００に設けられたＣＰＵであってもよい。

実施例１、２で説明したスイッチング電源装置は、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装置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。

［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５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装置１００、２００である電源装置５００を備えている。なお、電源装置５００を適用可能な画像形成装置は、図５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。

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を備えている。コントローラ３２０は、実施例１、２に記載のスイッチング電源装置１００、２００である電源装置５００からＤＣ／ＤＣコンバータ１３５を経由して電力を供給される。また、実施例１、２に記載のスイッチング電源装置１００、２００である電源装置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（例えば図１、図２の負荷１１１）に電力を供給する。更に、実施例１、２に記載のスイッチング電源装置１００、２００である電源装置５００は、実施例１の外部のＣＰＵや、実施例２のＣＰＵ１３７に対応するコントローラ３２０が、出力電圧Ｖｏの切替えを指示するＰｏｗｅｒＳａｖｅ信号を出力する。更に、実施例２のＣＰＵ１３７に対応するコントローラ３２０は、サーミスタ１２６の温度を検知して、過熱保護回路１３９を動作させるＶｏｔｐ信号を出力する。これにより、コントローラ３２０は、電源装置５００の制御を行うことができる。

１０３電源制御ＩＣ
１０４トランス
１０６ＦＥＴ
１２３分圧抵抗
１２６サーミスタ
１３６過熱保護回路

Claims

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スイッチング素子と、
前記スイッチング素子をオン状態又はオフ状態にして、前記トランスの前記二次巻線に誘起される出力電圧を制御する制御手段と、
前記トランスの過熱状態を検知する検知手段と、
を備え、
前記検知手段は、前記出力電圧を分圧する分圧手段を有し、
前記分圧手段は、前記トランスの近傍に設置され、温度により抵抗値が変化する温度検知素子と前記温度検知素子に接続された分圧抵抗とを含み、
前記検知手段は、前記出力電圧を前記分圧手段で分圧した電圧に基づいて前記トランスの前記過熱状態を検知すると、過熱検知信号を前記制御手段に出力し、
前記制御手段は、入力された前記過熱検知信号に応じて、前記スイッチング素子をオフし、前記出力電圧の生成を遮断することを特徴とする電源装置。
前記制御手段は、前記出力電圧を切り替える切替え信号に応じて、前記スイッチング素子を制御して、前記二次巻線に第一の出力電圧又は前記第一の出力電圧よりも低い第二の出力電圧を誘起することを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
前記出力電圧と前記出力電圧に対応する目標電圧との偏差に応じた情報を前記制御手段に出力するフィードバック手段を備え、
前記フィードバック手段は、前記出力電圧が前記第一の出力電圧の場合に動作し、前記第一の出力電圧と前記第一の出力電圧に対応する目標電圧との偏差に応じた前記情報を出力する第一の回路部と、前記出力電圧が前記第二の出力電圧の場合に動作し、前記第二の出力電圧と、前記第二の出力電圧に対応する目標電圧との偏差に応じた前記情報を出力する第二の回路部と、を有し、
前記制御手段は、前記フィードバック手段から出力される前記情報に基づいて、前記スイッチング素子をオン状態又はオフ状態に制御することを特徴とする請求項２に記載の電源装置。
前記切替え信号は、外部から入力されることを特徴とする請求項３に記載の電源装置。
前記温度検知素子は、サーミスタであり、
前記検知手段は、
前記出力電圧が前記第一の出力電圧の場合には、前記第一の出力電圧を前記分圧抵抗の抵抗値と、前記サーミスタの温度が第一の温度のときの前記サーミスタの抵抗値と、に基づいて前記第一の出力電圧を前記分圧手段で分圧した電圧と、に基づいて、前記トランスの過熱状態を検知し、
前記出力電圧が前記第二の出力電圧の場合には、前記第二の出力電圧を前記分圧抵抗の抵抗値と、前記サーミスタの温度が前記第一の温度よりも低い第二の温度のときの前記サーミスタの抵抗値と、に基づいて前記第一の出力電圧を前記分圧手段で分圧した電圧と、に基づいて、前記トランスの過熱状態を検知することを特徴とする請求項４に記載の電源装置。
前記温度検知素子は、サーミスタであり、
前記検知手段は、前記トランスが過熱状態であることを検知するための制御部を有し、
前記制御部は、前記出力電圧が前記第一の出力電圧の場合には、前記第一の出力電圧を前記分圧手段で分圧した電圧に基づいて、前記トランスの過熱状態を検知し、
前記出力電圧が前記第二の出力電圧の場合には、前記第二の出力電圧を前記分圧手段で分圧した電圧に基づいて、前記トランスの過熱状態を検知することを特徴とする請求項３に記載の電源装置。
前記制御部は、前記サーミスタの抵抗値と前記サーミスタの温度とを対応付けたデータを記憶する記憶手段を有し、
前記制御部は、前記記憶手段に記憶された前記データより、前記分圧手段で分圧した前記電圧に基づいて算出された前記サーミスタの抵抗値に対応する前記サーミスタの温度を取得し、
前記取得されたサーミスタの温度が、前記出力電圧が前記第一の出力電圧の場合には前記第一の温度以上の場合、又は前記出力電圧が前記第二の出力電圧の場合には前記第二の温度以上の場合には、前記過熱検知信号を前記制御手段に出力することを特徴とする請求項６に記載の電源装置。
前記制御部は、前記出力電圧を前記第一の電圧又は前記第二の電圧に切り替えるために、前記切替え信号を前記フィードバック手段に出力することを特徴とする請求項７に記載の電源装置。
前記サーミスタの温度は、前記トランスの温度に応じて変化し、
前記第一の温度は、前記出力電圧が前記第一の出力電圧の場合で前記トランスが過熱状態のときの前記サーミスタの温度であり、
前記第二の温度は、前記出力電圧が前記第二の出力電圧の場合で前記トランスが過熱状態のときの前記サーミスタの温度であることを特徴とする請求項５又は請求項８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。
記録材に画像形成を行う画像形成手段と、
前記画像形成手段を制御するコントローラと、
請求項４又は請求項５に記載の電源装置と、
を備え、
前記コントローラは、前記出力電圧を前記第一の電圧又は前記第二の電圧に切り替えるために前記切替え信号を出力することを特徴とする画像形成装置。
記録材に画像形成を行う画像形成手段と、
前記画像形成手段を制御するコントローラと、
請求項６から請求項８のいずれか１項に記載の電源装置と、
を備え、
前記制御部は、前記コントローラであることを特徴とする画像形成装置。