JP2019149914A - Power-supply device and image formation apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電流共振電源を含む電源装置及び画像形成装置に関する。 The present invention relates to a power supply device including a current resonance power supply and an image forming apparatus.
従来から、商用交流電源から電力が供給され、所定の定格レベルの直流電圧を負荷に供給するスイッチング電源装置が使用されている。これらスイッチング電源装置では、電源が投入された初期の過渡状態における過電圧、過電流を防止するため、出力電圧を徐々に立ち上げるソフトスタートが一般に行われている。従来のソフトスタート方法では、スイッチング周波数Fsが高いとき出力電圧が低くなり、スイッチング周波数Fsが低いとき出力電圧が高くなることを利用している(例えば、特許文献1参照)。スイッチング電源装置としては、商用交流電源の電圧レベルが100V系や200V系等の商用交流電源から電力が供給されるワイドレンジ対応型のものが対象とされている。この場合、商用交流電源の電圧レベルに応じた変化割合で、ソフトスタート時のスイッチング周波数Fsを所定の周波数から徐々に低くし、その電圧レベルにかかわらずソフトスタート時間が一定となるようにしている。 2. Description of the Related Art Conventionally, a switching power supply device is used in which power is supplied from a commercial AC power supply and a DC voltage of a predetermined rated level is supplied to a load. In these switching power supply devices, in order to prevent an overvoltage and an overcurrent in an initial transient state when the power is turned on, a soft start that gradually raises the output voltage is generally performed. The conventional soft start method utilizes the fact that the output voltage is low when the switching frequency Fs is high and the output voltage is high when the switching frequency Fs is low (see, for example, Patent Document 1). As a switching power supply device, a wide range compatible device in which electric power is supplied from a commercial AC power source such as a commercial AC power source having a voltage level of 100 V or 200 V is targeted. In this case, the switching frequency Fs at the time of soft start is gradually lowered from a predetermined frequency at a change rate corresponding to the voltage level of the commercial AC power supply so that the soft start time is constant regardless of the voltage level. .
また、昨今、省電力化が進むにあたり、電流共振コンバータにおいてはソフトスタートを用いたバースト動作を行うことも一般に行われるようになった。例えば、FB端子電圧に基づいて、出力電圧が低下したときに、ソフトスタートを開始させ、出力電圧が復帰したときに、スイッチングパルスの発振動作を停止させるバースト動作となるようにしている(例えば、特許文献2参照)。例えば、図12は、従来技術による電流共振型のスイッチング電源装置の構成を示す回路図である。なお、図12の各部名称や動作の詳細は後述する。図12に示すようなスイッチング電源装置では、トランス13と電流共振コンデンサ14とに応じた共振周波数Foからスイッチング周波数Fsが高域側にずれると、出力電力は小さくなる。また、スイッチング周波数Fsが共振周波数Foを下回ると、共振はずれ現象が発生し、スイッチング素子11、12に貫通電流が流れる。したがって、従来のスイッチング電源装置では、起動時の貫通電流を防止するため、ソフトスタートを行っている。図13(a)に従来のソフトスタート動作時の時間変化を示す。ソフトスタート動作時は、ゲート制御回路15からソフトスタート用のコンデンサ27に定電流を流すことで、コンデンサ27にかかる電圧VCssを徐々に所定電圧まで上昇させる(時刻t120〜時刻t121)。ゲート制御回路15は、コンデンサ27の電圧VCssに応じてスイッチング周波数Fsを変化させ、通常動作時のスイッチング周波数Fsnよりも高い周波数で起動を開始する。その後、スイッチング周波数Fsを通常動作時のスイッチング周波数Fsnまで徐々に周波数を低下させる。
In recent years, as power saving progresses, a burst operation using soft start is generally performed in a current resonance converter. For example, based on the FB terminal voltage, a soft start is started when the output voltage drops, and a burst operation that stops the oscillation operation of the switching pulse when the output voltage is restored (for example, Patent Document 2). For example, FIG. 12 is a circuit diagram showing a configuration of a current resonance type switching power supply device according to the prior art. Details of the names and operations of each part in FIG. 12 will be described later. In the switching power supply device as shown in FIG. 12, when the switching frequency Fs shifts from the resonance frequency Fo corresponding to the
しかしながら、従来のソフトスタート動作では通常動作時のスイッチング周波数Fsnよりも高い周波数で起動を開始し、通常動作時のスイッチング周波数Fsnまで徐々に周波数を低下させるため、起動に時間がかかる。昨今レーザープリンタなど高速起動化が進む機器においては、起動時間に時間がかかることが課題となる。また、従来のソフトスタート動作を用いたバースト動作では、図13(a)のように出力電圧Voが所望の出力電圧になるまで(時刻t120〜時刻t121)のスイッチング回数が多く、スイッチング素子の累積のクロス損失が大きくなる。更にスイッチング周波数のみで制御を行うため、図13(b)に示すようにスイッチング素子11のドレイン電流IQ1が多く流れている位相でスイッチング素子11はターンオフしてしまう。このため、スイッチング素子の1回当たりのクロス損失(図13(b)斜線部)が大きくなる。これらの損失は、省電力化を進める上での課題となっている。
However, in the conventional soft start operation, the start-up is started at a frequency higher than the switching frequency Fsn in the normal operation, and the frequency is gradually lowered to the switching frequency Fsn in the normal operation. In recent years, devices such as laser printers that are starting up at a high speed have a problem that it takes a long time to start up. Further, in the burst operation using the conventional soft start operation, as shown in FIG. 13A, the number of times of switching is large until the output voltage Vo reaches a desired output voltage (time t120 to time t121). Cross loss increases. Further, since control is performed only with the switching frequency, the
本発明は、このような状況のもとでなされたもので、スイッチング電源装置の起動に要する時間を短縮し、起動時の消費電力を低減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 shorten the time required to start up the switching power supply device and reduce the power consumption at the time of startup.
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)1次巻線と2次巻線とを有するトランスと、前記1次巻線に直列に接続された第1のスイッチング素子と、前記1次巻線に直列に接続されたコンデンサと、直列に接続された前記1次巻線及び前記コンデンサに並列に接続された第2のスイッチング素子と、前記第1のスイッチング素子及び前記第2のスイッチング素子のスイッチング動作を制御する制御手段と、を有し、前記2次巻線から出力される出力電圧が所定の電圧となるように所定の周波数で前記スイッチング動作を行う電源装置であって、前記制御手段は、前記スイッチング動作が停止された状態から前記スイッチング動作を開始するときに、前記所定の周波数よりも低い周波数で前記スイッチング動作を開始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; a capacitor connected in series to the primary winding; A first switching element connected in series and a second switching element connected in parallel to the capacitor; and a control means for controlling a switching operation of the first switching element and the second switching element. A power supply device that performs the switching operation at a predetermined frequency so that an output voltage output from the secondary winding becomes a predetermined voltage, wherein the control means is in a state in which the switching operation is stopped When the switching operation is started from the above, the switching operation is started at a frequency lower than the predetermined frequency.
(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、スイッチング電源装置の起動に要する時間を短縮し、起動時の消費電力を低減することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the time which a switching power supply device starts can be shortened, and the power consumption at the time of starting can be reduced.
[一般的な電流共振型のスイッチング電源装置]
図12は、一般的な電流共振型のスイッチング電源装置の構成を示す回路図である。電解コンデンサ10によって平滑された直流電圧Vinには、ハイサイドの第1のスイッチング素子(以下、スイッチング素子という)11とローサイドの第2のスイッチング素子(以下、スイッチング素子という)12が直列に接続されている。ボディダイオード31はハイサイドのスイッチング素子11に逆方向に並列に接続されている。ボディダイオード32はローサイドのスイッチング素子12に逆方向に並列に接続されている。また、ローサイドのスイッチング素子12には、電圧共振コンデンサ19が並列に接続されている。更にローサイドのスイッチング素子12には、トランス13の1次巻線Npと電流共振コンデンサ14(コンデンサ)とが直列に接続された直列共振回路が、並列に接続されている。トランス13の2次巻線Ns1にはダイオード20が直列に接続され、2次巻線Ns2にはダイオード21が直列に接続されている。更に2次巻線Ns1には平滑コンデンサ23が直列に接続され、平滑コンデンサ23により平滑された直流電圧が負荷24に供給されている。2次巻線Ns1に接続されたダイオード20及び平滑コンデンサ23、2次巻線Ns2に接続されたダイオード21及び平滑コンデンサ23は、それぞれ半波整流回路を構成する。なお、ハイサイド及びローサイドのスイッチング素子11、12は、例えばMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)が使用される。また。IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等がスイッチング素子11、12に使用されてもよい。
[General current resonance type switching power supply]
FIG. 12 is a circuit diagram showing a configuration of a general current resonance type switching power supply device. A high-side first switching element (hereinafter referred to as a switching element) 11 and a low-side second switching element (hereinafter referred to as a switching element) 12 are connected in series to the DC voltage Vin smoothed by the
ハイサイドのスイッチング素子11のゲート端子は、抵抗17を介してゲート制御回路15に接続され、スイッチング素子11はゲート制御回路15によって制御されることによりスイッチング動作を行う。ローサイドのスイッチング素子12のゲート端子は、抵抗18を介してゲート制御回路15に接続され、スイッチング素子12はゲート制御回路15によって制御されることによりスイッチング動作を行う。コンデンサ27はソフトスタートを行うためのコンデンサである。
The gate terminal of the high-
次に図12に示す電流共振型のスイッチング電源装置の動作について説明する。電流共振型のスイッチング電源装置では、ゲート制御回路15がスイッチング素子11、12の各ゲート端子に制御信号(ゲート信号ともいう)を入力し、制御信号に従ってスイッチング素子11、12が交互にオン・オフ動作する。直流電圧Vinがトランス13の1次巻線Npに印加され、1次巻線Npに交流電流が流れる。以下に、この交流電流の流れをスイッチング素子11、12のオン・オフ状態に合わせて、順序を追って示す。
Next, the operation of the current resonance type switching power supply device shown in FIG. 12 will be described. In the current resonance type switching power supply device, the
順序1:スイッチング素子11がオン状態、スイッチング素子12がオフ状態
直流電圧Vin→スイッチング素子11→トランス13の1次巻線Np→電流共振コンデンサ14→直流電圧Vinの経路で電流が流れる。
Sequence 1: The
順序2:スイッチング素子11がオフ状態、スイッチング素子12オフ状態
スイッチング素子11がオン状態からオフ状態になっても、トランス13の1次巻線Npを流れる電流は維持しようと働き、トランス13の1次巻線Np→電流共振コンデンサ14→スイッチング素子12に内蔵のボディダイオード32の経路で電流が流れる。
Order 2: switching
順序3:スイッチング素子11がオフ状態、スイッチング素子12がオン状態
順序2の状態でスイッチング素子12をオン状態にしても、引き続きトランス13の1次巻線Np→電流共振コンデンサ14→スイッチング素子12の経路で電流が流れる。ただし、トランス13の漏洩インダクタンスLrと電流共振コンデンサ14との共振作用により、次第に電流の流れは、電流共振コンデンサ14→トランス13の1次巻線Np→スイッチング素子12の経路に変化する。
Sequence 3: switching
順序4:スイッチング素子11がオフ状態、スイッチング素子12がオフ状態
順序3の状態のまま、スイッチング素子12をオフ状態にしても、トランス13の1次巻線Npを流れる電流は維持しようと働き、トランス13の1次巻線Np→スイッチング素子11に内蔵のボディダイオード31→直流電圧Vinの経路で電流が流れる。
Order 4: switching
順序5:スイッチング素子11がオン状態、スイッチング素子12がオフ状態
順序4の状態でスイッチング素子11をオン状態にしても、引き続きトランス13の1次巻線Np→スイッチング素子11→直流電圧Vinの経路で電流が流れる。ただし、トランス13の漏洩インダクタンスと電流共振コンデンサ14との共振作用により、次第に電流の流れは、直流電圧Vin→スイッチング素子11→トランス13の1次巻線Np→電流共振コンデンサ14→直流電圧Vinの経路に変化する。
Sequence 5: switching
このようにして、トランス13の1次巻線Npには、所定の方向(正方向)、所定の方向とは逆方向といったように交流の電流が流れることになる。これによって、トランス13の2次巻線Ns1、Ns2に交流電流が誘起され、この誘起電圧は2つのダイオード20、21と平滑コンデンサ23とからなる整流平滑回路により整流平滑されて直流電圧を出力する。この直流電圧を出力電圧、その電力を出力電力という。また、出力電力はスイッチング素子11、12のスイッチング動作の周波数であるスイッチング周波数Fsに依存する。
In this way, an alternating current flows through the primary winding Np of the
式(1)は、トランス13と電流共振コンデンサ14とからなる直列共振回路の共振周波数Foを表す式である。ここで、Lrはトランス13の漏洩インダクタンス、Crは電流共振コンデンサ14の容量である。
Fo=1/(2π√(LrCr))・・・式(1)
スイッチング電源装置は、式(1)に示すトランス13と電流共振コンデンサ14との共振周波数Foとスイッチング周波数Fsとが等しいとき、1次側に流れる電流、2次側に流れる電流とも、最も大きい電力(以下、最大電力とう)を出力することができる。また、共振周波数Foからスイッチング周波数Fsが高域側(周波数が高い方)に遠ざかるにつれて(Fo<Fs)1次側に流れる電流、2次側に流れる電流とも最も小さくなり出力電力は小さくなる。また、スイッチング周波数Fsが共振周波数Foを下回ると(Fs<Fo)、共振はずれ現象が発生し、スイッチング素子11、12に貫通電流が流れる。したがって、一般的なスイッチング電源装置では、起動時の貫通電流を防止するため、ソフトスタートを行っている。
Expression (1) is an expression representing the resonance frequency Fo of the series resonance circuit including the
Fo = 1 / (2π√ (LrCr)) Formula (1)
When the resonance frequency Fo and the switching frequency Fs of the
[ソフトスタート動作]
図13(a)に一般的なスイッチング電源装置におけるソフトスタート動作時の時間変化を示す。図13(a)で、(i)はスイッチング素子11のゲート−ソース間電圧VQ1gsの波形を示す図、(ii)はスイッチング素子12のゲート−ソース間電圧VQ2gsの波形を示す図である。(iii)はソフトスタート用のコンデンサ27にかかる電圧VCssを示す図、(iv)はスイッチング電源装置の出力電圧Voを示す図である。横軸はいずれも時間tである。
[Soft start operation]
FIG. 13A shows a time change during a soft start operation in a general switching power supply device. 13A shows a waveform of the gate-source voltage VQ1gs of the switching
時刻t120から時刻t121までのソフトスタート動作期間では、ゲート制御回路15からソフトスタート用のコンデンサ27に定電流を流すことで、コンデンサ27にかかる電圧VCssが徐々に所定電圧まで上昇する。ゲート制御回路15は、(i)、(ii)に示すように、ソフトスタート用のコンデンサ27の電圧VCssに応じてスイッチング周波数Fsを変化させる。これにより、時刻t121以降の通常動作期間におけるスイッチング周波数Fsnよりも高い周波数で起動を開始し、通常動作期間におけるスイッチング周波数Fsnまで徐々に周波数を低下させる。
In the soft start operation period from time t120 to time t121, the voltage VCss applied to the
図13(b)は一般的なスイッチング電源装置におけるスイッチング損失を説明する図である。図13(b)で、(i)はスイッチング素子11のゲート−ソース間電圧VQ1gsを示す図、(ii)はスイッチング素子12のドレイン−ソース間電圧VQ1dsを示す図、(iii)はスイッチング素子11のドレイン電流IQ1を示す図である。横軸はいずれも時間tを示す。図13(a)で説明したように、ソフトスタート動作期間ではスイッチング周波数Fsで制御を行っている。このため、図13(b)(iii)に示すように、スイッチング素子11のドレイン電流IQ1が多く流れている位相で(時刻t130)、スイッチング素子11がターンオフしてしまう。このため、スイッチング素子11の1回当たりのクロス損失(斜線部)が大きくなる。これらの損失は、省電力化を進める上での課題となっている。
FIG. 13B is a diagram illustrating switching loss in a general switching power supply device. In FIG. 13B, (i) is a diagram showing the gate-source voltage VQ1gs of the switching
[スイッチング電源装置]
図1は実施例1の電流共振型のスイッチング電源装置の回路図である。図1において、図12に示した電流共振型のスイッチング電源装置と同一符号で示されるものは、同じ機能を有する構成要素を示している。図1は、図12に示す一般的なスイッチング電源装置に比べると、ソフトスタート用のコンデンサ27を削除し、起動周波数設定用のツェナーダイオード16が追加されている。なお、実施例1で示す起動周波数設定用のツェナーダイオード16は、請求の範囲を限定するものではない。例えば、ツェナーダイオード16の代わりに、抵抗分圧回路や、外部アナログ信号入力、マイクロコンピュータ等によるデジタル信号入力等、起動時の周波数を決定できる構成であればよい。また、実施例1のように、起動時の周波数を所定電圧で定めることも、請求の範囲を限定するものではなく、電流や周波数等に応じて決定してもよい。また、図2は図1のゲート制御回路15の詳細を示す回路図である。以下、図1、図2を参照して実施例1における電流共振型のスイッチング電源装置の構成を具体的に説明する。
[Switching power supply]
1 is a circuit diagram of a current resonance type switching power supply device according to a first embodiment. In FIG. 1, the same reference numerals as those of the current resonance type switching power supply device shown in FIG. 12 denote components having the same functions. Compared with the general switching power supply device shown in FIG. 12, FIG. 1 has the
図1において、制御手段であるゲート制御回路15は、ハイサイドのスイッチング素子11と、ローサイドのスイッチング素子12に対して、ゲート信号を生成して出力する。なお、ハイサイドとローサイドのスイッチング素子11、12は、ともにオンすることがないように、ともにオフするデッドタイムを設けて交互にオン/オフされる。このデッドタイムは、ゲート制御回路15が生成するようにしている。したがって、図2に示したゲート制御回路15にはデッドタイム生成回路が存在する。しかしながら、ゲート制御回路15とは別にデッドタイムを生成するようにすることもできる。
In FIG. 1, a
電解コンデンサ10には、商用交流電源を全波整流した電圧が印加され、電解コンデンサ10によって平滑することにより直流電圧Vinを得る。そして、直列に接続したNチャンネルMOSFETからなるハイサイドのスイッチング素子11とローサイドのスイッチング素子12とが電解コンデンサ10の両端に接続される。ローサイドのスイッチング素子12には電圧共振コンデンサ19が並列に接続され、更に、直列に接続されたトランス13の1次巻線Npと電流共振コンデンサ14とがローサイドのスイッチング素子12に並列に接続されている。トランス13について、リーケージインダクタンスをLr、励磁インダクタンスをLpとする。電流共振コンデンサ14の容量をCrとする。
A voltage obtained by full-wave rectification of a commercial AC power supply is applied to the
直列に接続されたダイオード20及び平滑コンデンサ23、ダイオード21及び平滑コンデンサ23は、それぞれトランス13の2次巻線Ns1、Ns2に並列に接続されている。トランス13の1次巻線Npと2次巻線Ns1、Ns2は、図示の極性マークで示した電圧極性になるように巻回され、整流平滑回路を構成している。ダイオード20、21と平滑コンデンサ23とで構成される整流平滑回路で得られた直流電圧は、電流共振型のスイッチング電源装置の出力電圧Voとなり、平滑コンデンサ23に並列に接続された負荷24に直流電力を供給する。電圧帰還回路(フィードバック回路)25は、平滑コンデンサ23の電圧、すなわち出力電圧Voを検知してゲート制御回路15に帰還させる。電圧帰還回路25は、例えば公知のフィードバック回路等で構成してもよい。ゲート制御回路15は、電圧帰還回路25によって検知された電圧(以下、検知電圧という)に基づいてゲート信号を調整し、出力電圧Voを所定の電圧に保持する。電圧帰還回路25がゲート制御回路15に出力する検知電圧(フィードバック電圧)を、以下、フィードバック(以下、FBとする)回路電圧Vfbという。
The
次に、電解コンデンサ10より直流電圧Vinが投入されたときのスイッチング電源装置の起動時の起動シーケンス及びスタート動作について説明する。実施例1のスイッチング電源装置におけるスタート動作は、起動時及び間欠動作時の再起動において、リーケージインダクタンスLrと電流共振コンデンサ14の容量Crとから決定される共振周波数Foよりも少し高いスイッチング周波数Fsで行われる。実施例1のスイッチング電源装置の起動時のスイッチング周波数(以下、起動周波数という)Fssの設定は、ゲート制御回路15に設定される電圧に応じてスイッチング周波数Fsを変更できるようになっている。ゲート制御回路15に設定される電圧が高くなると、スイッチング周波数Fsは低くなる。そのため、起動時のスイッチング周波数Fssは、起動周波数設定用のツェナーダイオード16により定められた電圧(ツェナー電圧)に応じて決定される。起動周波数設定用のツェナーダイオード16のツェナー電圧を起動設定回路電圧Vzとする。電流共振型のスイッチング電源装置の共振周波数Foは、装置に用いられるトランス13及び電流共振コンデンサ14によって装置固有の値となる(式(1)参照)。そのため、用いられるトランス13のリーケージインダクタンスLrと共振コンデンサ14の容量Crとから決定される共振周波数Foに合わせて、起動周波数設定用のツェナーダイオード16が選定される。
Next, a startup sequence and a start operation at the startup of the switching power supply device when the DC voltage Vin is input from the
また、ゲート制御回路15から出力されるゲート信号(制御信号)をオフしてから実際にスイッチング素子11、12がオフするまでにはディレイがある。もし、起動時のスイッチング周波数Fssが、トランス13のリーケージインダクタンスLrと電流共振コンデンサ14の容量Crとから決定される共振周波数Foよりも低くなると、共振はずれ現象が発生する。そして、スイッチング素子11とスイッチング素子12に貫通電流が流れる。そのため、スイッチング電源装置の共振周波数Foとスイッチング素子11、12との応答性を鑑みて、共振周波数Foよりも少し高いスイッチング周波数Fssで起動動作を行うように調整する。
Further, there is a delay from when the gate signal (control signal) output from the
[ゲート制御回路]
続いてゲート制御回路15の詳細について説明する。図2は、ゲート制御回路15の構成を示した図である。ゲート制御回路15は、コンパレータ101、制御切替回路102、誤差増幅器103、発振器(OSC)104、鋸歯状波信号生成回路105から構成されている。また、ゲート制御回路15は、基準電圧Vref3、コンパレータ106、ドライバ(Driver1)108、ドライバ(Driver2)109、インバータ(反転回路)107から構成されている。更に、ゲート制御回路15は、ハイサイドのスイッチング素子11用のデッドタイム生成器(DT_Hi)110、ローサイドのスイッチング素子12用のデッドタイム生成器(DT_Lo)111等から構成されている。ドライバ109、デッドタイム生成器111はスイッチング素子12を制御するための制御信号を生成する生成手段として機能する。インバータ107、ドライバ108、デッドタイム生成器110はスイッチング素子11を制御するための制御信号を生成する生成手段として機能する。
[Gate control circuit]
Next, details of the
コンパレータ101は、(−)入力端子に、出力電圧Voを電圧帰還回路25によって反比例させたFB回路電圧Vfbが入力されている。また、コンパレータ101は、(+)入力端子に、基準電圧Vref1が接続されている。コンパレータ101の出力は、制御切替回路102に出力されている。
In the
制御切替回路102は、FB回路電圧Vfbが接続された接点102bと、起動周波数設定用のツェナーダイオード16が接続され、ツェナーダイオード16により定められた起動設定回路電圧Vz(ツェナー電圧)が入力される接点102cと、を有している。また、制御切替回路102は、誤差増幅器103の(+)入力端子に接続された接点102aを有している。制御切替回路102は、コンパレータ101の出力に基づきFB回路電圧Vfbが基準電圧Vref1より高い場合には、接点102cと接点102aとを接続して誤差増幅器103に起動設定回路電圧Vzを出力する。制御切替回路102は、コンパレータ101の出力に基づきFB回路電圧Vfbが基準電圧Vref1以下(所定の電圧以下)である場合には、接点102bと接点102aとを接続して誤差増幅器103にFB回路電圧Vfbを出力する。基準電圧Vref1は、例えばFB回路電圧Vfbに応じて設定される。なお、図2では、接点102cと接点102aとが接続された状態を示している。
The
誤差増幅器103は、(+)入力端子に入力された電圧(起動設定回路電圧Vz又はFB回路電圧Vfb)と、(−)入力端子に入力された基準電圧Vref2との差分を誤差増幅する。誤差増幅器103は、電圧Viを発振器104に出力する。基準電圧Vref2は、例えば起動設定回路電圧Vz及びFB回路電圧Vfbに応じて設定される。発振器104は、誤差増幅器103から入力された電圧Viに応じた周波数のパルス信号を発生し、鋸歯状波信号生成回路105にパルス信号を出力する。具体的には、発振器104によって発生されたパルス信号は、鋸歯状波信号生成回路105内にあるスイッチ素子Q1のゲート端子に出力される。
The
鋸歯状波信号生成回路105は、定電流源Ic、スイッチ素子Q1、コンデンサC1等から構成されている。スイッチ素子Q1のドレイン−ソース間にはコンデンサC1が並列に接続されている。スイッチ素子Q1のドレインとコンデンサC1の一端との接続点は定電流源Icの一端に接続され、定電流源Icの他端は直流電源電圧Vccに接続されている。定電流源Icの他端は抵抗を介して起動設定回路電圧Vzにも接続されており、抵抗はツェナーダイオード16に流れる電流を制限するために設けられている。更に、スイッチ素子Q1のドレインとコンデンサC1の一端との接続点はコンパレータ106の(−)入力端子に接続されている。また、スイッチ素子Q1のソースとコンデンサC1の他端との接続点は接地されている。このように構成された鋸歯状波信号生成回路105では、スイッチ素子Q1がオフしているときに、コンデンサC1が定電流源Icにより所定の傾斜を持って充電され、スイッチ素子Q1がオンすると放電する。すなわち、発振器104からパルス信号が発生しスイッチ素子Q1がオンするとコンデンサC1の電荷は放電し、また、発振器104からパルス信号が発生していない期間はスイッチ素子Q1がオフとなり、コンデンサC1が定電流源Icにより充電される。鋸歯状波信号生成回路105は、以上の動作を繰り返す。これにより鋸歯状波信号生成回路105は鋸歯状波信号VC1をコンパレータ106に出力する。鋸歯状波信号VC1はコンパレータ106の(−)入力端子に入力される。なお、定電流源IcによるコンデンサC1の過充電をツェナーダイオードなどで保護することもある。
The sawtooth
コンパレータ106の(+)入力端子には基準電圧Vref3が入力される。コンパレータ106は、鋸歯状波信号生成回路105から出力された鋸歯状波信号VC1が(−)入力端子に入力され、基準電圧Vref3が(+)入力端子に入力され、これら電圧の比較を行う。コンパレータ106は、鋸歯状波信号VC1よりも基準電圧Vref3の方が高い期間にハイレベルの電圧を出力する。これにより、一定期間のパルス信号を、ドライバ109、デッドタイム生成器111を介してローサイドのスイッチング素子12に出力する。また、ハイサイドのスイッチング素子11に対しては、コンパレータ106の出力がインバータ107によって反転され、反転された信号は、ドライバ108、デッドタイム生成器110を介して出力される。これにより、ローサイドのスイッチング素子12がオフしている期間にハイサイドのスイッチング素子11がオンする。
The reference voltage Vref3 is input to the (+) input terminal of the
一度のスイッチング動作でトランス13の2次側に送られるエネルギーは、電流共振コンデンサ14の充電量で決まる。そのため、スイッチング電源装置のスタート時は、電流共振コンデンサ14の充電量を、共振はずれしない範囲で最大にすることで、少ないスイッチング回数で出力電圧Voを所定電圧まで上昇させることができる。
The energy sent to the secondary side of the
[動作シーケンス]
図3〜図5は、横軸を時間tとして各部の動作シーケンスを説明するものである。図3において、(i)の「OSC」は発振器104の出力波形を示し、誤差増幅器103から出力される電圧Viに応じた周波数でパルス信号が出力されている。(ii)の「VC1」は鋸歯状波信号生成回路105から出力される電圧VC1の波形を示す。(ii)には、基準電圧Vref3を破線で示している。(ii)で、発振器104の出力(OSC)が時刻t31でローベルからハイレベルに変化した(以下、パルス信号を出力したという)ときに電圧VC1は0Vとなり、パルス信号が出力されている間の時刻t32まで0Vを維持する。一方、時刻t32で発振器104の出力(OSC)がハイレベルからローレベルに変化(以下、パルス信号を出力しないという)ときに電圧VC1は上昇し始め、時刻t32から時刻t33まで、電圧VC1は徐々に立ち上がる鋸歯状波信号となっている。
[Operation sequence]
3 to 5 illustrate the operation sequence of each part with the horizontal axis as time t. In FIG. 3, “OSC” in (i) indicates an output waveform of the
図3の(iii)の「QL」はゲート制御回路15のドライバ109からの出力波形を実線で示し、デッドタイム生成器111を介し、ローサイドのスイッチング素子12に向けて出力されるゲート信号を破線で示している。(iv)の「QH」はゲート制御回路15のドライバ108からの出力波形を実線で示し、デッドタイム生成器110を介し、ハイサイドのスイッチング素子11に向けて出力されるゲート信号を破線で示している。
“QL” in (iii) of FIG. 3 indicates the output waveform from the
(ii)の電圧VC1と基準電圧Vref3はコンパレータ106によって比較される。(iii)のQLは、電圧VC1が基準電圧Vref3以上となる時刻t34でオフとなり、電圧VC1が基準電圧Vref3より小さくなる時刻t33でオンとなっている。また、(iv)のQHは、(iii)のQLの波形を反転した信号となっている。ここで、ドライバ108(又はドライバ109)から出力される電圧(波形QH(又は波形QL))の立ち下がりから次の立ち下がり(又は立ち上がりから次の立ち上がり)までの周期がスイッチング周期Ts(=1/Fs)である。また、デッドタイム生成器110、111によって、(iii)のQLの破線で示す波形と(iv)のQHの破線で示す波形とが、ともにオンとなることがないようにデッドタイムが設けられるようになっている。
The voltage VC1 and the reference voltage Vref3 in (ii) are compared by the
図4は、スイッチング電源装置のスタート時の、FB回路電圧Vfbの変化に伴い、波形QL、波形QHのスイッチング周波数Fs(言い換えればスイッチング周期Ts)がどのように変化するか、その様子を示したものである。図4において、(i)の電圧Viはスタート時の誤差増幅器103の波形を示し、(ii)はFB回路電圧Vfbを示し、(iii)は平滑コンデンサ23の電圧である出力電圧Voを示す。また、(ii)にはコンパレータ101によって比較される基準電圧Vref1を破線で併記している。(iv)の波形QL、(v)の波形QHは図3の(iii)、(iv)の波形と同じ波形である。横軸はいずれも時間tを示す。
FIG. 4 shows how the switching frequency Fs of the waveform QL and the waveform QH (in other words, the switching cycle Ts) changes with the change of the FB circuit voltage Vfb at the start of the switching power supply device. Is. In FIG. 4, the voltage Vi in (i) indicates the waveform of the
電源が投入された起動時や間欠動作時の再起動時に対応する時刻t40には、出力電圧Voが低く、出力電圧Voに反比例したFB回路電圧Vfbは基準電圧Vref1よりも高くなっている(Vfb>Vref1)。そのため、制御切替回路102は起動周波数設定用のツェナーダイオード16のツェナー電圧、すなわち起動設定回路電圧Vzが誤差増幅器103の(+)入力端子に入力されるように動作する。これにより誤差増幅器103から発振器104に出力される電圧Viは、起動設定回路電圧Vz(ツェナー電圧)と基準電圧Vref2との差を増幅した値となる。上述したように、誤差増幅器103から出力される電圧Viは発振器104に入力され、発振器104、鋸歯状波信号生成回路105、コンパレータ106を介し、ドライバ109を経て波形QL、ドライバ108を経て波形QHとなる。このときのスイッチング素子11、12の詳細波形を図5に示す。
At time t40 corresponding to the start-up when the power is turned on or the restart during the intermittent operation, the output voltage Vo is low, and the FB circuit voltage Vfb inversely proportional to the output voltage Vo is higher than the reference voltage Vref1 (Vfb > Vref1). Therefore, the
図5において、(i)の波形QL、(ii)の波形QHは、図4の(iv)の波形QL、(v)の波形QHと同じ信号である。(iii)のIQLはローサイドのスイッチング素子12のドレイン電流の波形を示し、(iv)のIQHはハイサイドのスイッチング素子11のドレイン電流の波形を示す。横軸はいずれも時間tを示す。波形QL、波形QHの周波数(スイッチング周波数Fs(=1/Ts))は、起動周波数設定用のツェナーダイオード16のツェナー電圧である起動設定回路電圧Vzによって、次のように設定されている。すなわち、スイッチング素子11、12の応答性を鑑みて、共振周波数Fo(=1/(2π√LrCr))よりも少し高くなるように設定されている。
In FIG. 5, the waveform QL in (i) and the waveform QH in (ii) are the same signals as the waveform QL in (iv) and the waveform QH in (v) in FIG. IQL of (iii) shows the waveform of the drain current of the low-
例えば、時刻t52から時刻t53までの波形QHがハイレベルの期間を見ると、波形QHは、スイッチング素子11のドレイン電流IQHが180度の位相に至る前のタイミングでローレベルに切り替わる。これにより、スイッチング素子11はマイナスの電流が流れることなくオフされている。もしこのオフのタイミングが遅くなり、スイッチング素子11のドレイン電流IQHが180度の位相を超えると、スイッチング素子11にマイナスの電流が流れる。その後、スイッチング素子12をオンしたタイミングでスイッチング素子11、12に貫通電流が流れる。この状態が共振はずれである。実施例1では、この共振はずれが発生しないように、起動周波数設定用のツェナーダイオード16のツェナー電圧(Vz)を調整し、起動時のスイッチング周波数Fssを可能な限り低くしている。これにより、スイッチング電源装置の出力電圧Voを高速に立ち上げている。実施例1では、ドレイン電流IQL、IQHについて、180度に近い位相でスイッチング素子12、11をオフするため、図13(b)と比較してクロス損失も少ない。
For example, when the waveform QH from time t52 to time t53 is viewed during a high level, the waveform QH switches to a low level at a timing before the drain current IQH of the switching
なお、スイッチング電源装置のスタート時の1回目のスイッチング動作は、スイッチング素子12がオン状態となるように、時刻t51において波形QLをハイレベル、波形QHをローレベルとしている。これは、起動周波数設定用のツェナーダイオード16によって共振はずれが発生しないスイッチング周波数Fssに設定したとしても、次のような現象が発生するおそれがあるからである。すなわち、間欠動作時等の場合に、電流共振コンデンサ14に電荷が残った状態でスイッチング素子11のオンから再起動を行うと、ドレイン電流のピーク値Ipkが大きくなるからである。これは、電解コンデンサ10の直流電圧Vinに電流共振コンデンサ14に残った電荷が加わるからである。その結果、ドレイン電流IQHがスイッチング素子11の定格よりも大きくなる場合がある。ドレイン電流のピーク値Ipkは、次の式(2)で求められる。
Ipk=Vin/(jωLr+(1/jωCr))・・・式(2)
Note that in the first switching operation at the start of the switching power supply device, the waveform QL is set to the high level and the waveform QH is set to the low level at time t51 so that the switching
Ipk = Vin / (jωLr + (1 / jωCr)) (2)
このような状態を回避するため、時刻t51におけるスタート時1回目のスイッチング動作はスイッチング素子12がオン状態となるように波形QLがハイレベル、波形QHがローレベルとする。こうすることで、電解コンデンサ10の直流電圧Vinに電流共振コンデンサ14に残った電荷が加わらない状態で、スイッチング動作を開始できるため、スイッチング素子の定格を超えることがない。
In order to avoid such a state, in the first switching operation at the time t51 at the time t51, the waveform QL is set to the high level and the waveform QH is set to the low level so that the switching
図4において、時刻t40でスイッチング電源装置の起動を開始した後は、出力電圧Voの上昇につれてFB回路電圧Vfbが低下し、時刻t41で出力電圧Voが所定電圧付近まで上昇すると、FB回路電圧Vfbは基準電圧Vref1以下となる。これによりコンパレータ101の出力がハイレベルとなり、制御切替回路102はFB回路電圧Vfbを誤差増幅器103の(+)入力端子に出力するように動作する。これにより直流電圧ViはFB回路電圧Vfbと基準電圧Vref2との差を誤差増幅器103によって増幅した値となり、それに応じてスイッチング素子12、11のスイッチング周波数Fsも高くなる。FB回路電圧Vfbは出力電圧Voに反比例しているため、負荷24に供給する電力の変化等によって、出力電圧Voが変動するとFB回路電圧Vfbも変動する。ゲート制御回路15は、制御切替回路102によってFB回路電圧Vfbに応じてスイッチング周波数Fsを決定するように制御している間(t41以後)は、次のように調整する。すなわち、出力電圧Voが一定となるように、FB回路電圧Vfbの変動に応じてスイッチング周波数Fsを調整する。
In FIG. 4, after starting the switching power supply device at time t40, the FB circuit voltage Vfb decreases as the output voltage Vo increases, and when the output voltage Vo increases to near the predetermined voltage at time t41, the FB circuit voltage Vfb. Becomes the reference voltage Vref1 or less. As a result, the output of the
なお、FB回路電圧Vfbが基準電圧Vref1以下となり、コンパレータ101の出力がハイレベルとなる時刻t40から時刻t41までの間は、制御切替回路102は起動設定回路電圧Vzを選択する。このため、スイッチング電源装置は、共振周波数Foよりも少し高い一定のスイッチング周波数Fsで動作する。時刻t40から時刻t41までの期間が実施例1のソフトスタート期間である。時刻t40から時刻t41までの期間で電圧Viを一定とするために、この期間において誤差増幅器103の(+)入力端子には起動設定回路電圧Vzが入力されている。時刻t40から時刻t41までの期間のスイッチング周波数Fsは、起動時のスイッチング周波数Fssで一定である。
Note that the
ここで、スイッチング電源装置の通常動作時のスイッチング周波数Fsnと起動時のスイッチング周波数Fss、及び共振周波数Foの関係は次の式(3)のようになっている。なお、通常動作時のスイッチング周波数Fsnは、トランス13の2次側から出力される出力電圧Voが所定の電圧となるように制御された所定の周波数である。
Fo<Fss<Fsn・・・(3)
このように、起動時のスイッチング周波数Fssは、リーケージインダクタンスLrと共振コンデンサ14の容量Crとから決定される共振周波数Foよりも少し高い。また、起動時のスイッチング周波数Fssは、通常動作時のスイッチング周波数Fsnよりも低い。このようなスイッチング周波数Fssで動作することで、従来と比べて出力電圧Voが所定の電圧になるまでの起動時間を短くするとともに、起動時のスイッチング回数を少なくしている。これにより従来よりも早く起動し、かつスイッチング素子による消費電力を抑えることができる。ここで、起動とは、スイッチング動作が停止された状態からスイッチング動作を開始することを含み、電源投入による起動と間欠動作における再起動とを含む。
Here, the relationship between the switching frequency Fsn during normal operation of the switching power supply apparatus, the switching frequency Fss during startup, and the resonance frequency Fo is expressed by the following equation (3). The switching frequency Fsn during normal operation is a predetermined frequency that is controlled so that the output voltage Vo output from the secondary side of the
Fo <Fss <Fsn (3)
As described above, the switching frequency Fss at the time of startup is slightly higher than the resonance frequency Fo determined from the leakage inductance Lr and the capacitance Cr of the
また、起動開始時の1回目のスイッチング動作をスイッチング素子12がオン状態となるようにすることで、スイッチング素子11のドレイン電流IQHがスイッチング素子の定格よりも大きくなることを防止している。これにより、共振周波数Fo付近で起動を開始しても、スイッチング素子を破壊することがなく、高速かつ安全に起動できる。
In addition, the first switching operation at the start of startup is performed so that the switching
以上、実施例1によれば、スイッチング電源装置の起動に要する時間を短縮し、起動時の消費電力を低減することができる。 As described above, according to the first embodiment, the time required for starting the switching power supply device can be shortened, and the power consumption at the time of starting can be reduced.
図6は、実施例2の電流共振型のスイッチング電源装置の回路構成を示したものである。図6において、図1に示した回路構成の各部に付した符号と同一符号で示されるものは、同じ機能を有する構成要素を示している。図6は、図1に比べ、起動周波数設定用のツェナーダイオード16が削除され、1次側に流れる電流(以下、1次電流という)の共振はずれ、言い換えれば電流の位相を検知する位相検知手段である共振はずれ検知回路26が追加されている。共振はずれ検知回路26は1次電流を検知してゲート制御回路15に検知信号である共振はずれ検知信号を出力する。その他は実施例1の構成と同じである。また、図7には図6におけるゲート制御回路15の詳細を示し、図8には図6における共振はずれ検知回路26の詳細を示している。以下、図6、図7、図8を参照して実施例2における電流共振型のスイッチング電源装置の構成を具体的に説明する。
FIG. 6 shows a circuit configuration of the current resonance type switching power supply device according to the second embodiment. In FIG. 6, the same reference numerals as those assigned to the respective parts of the circuit configuration shown in FIG. 1 indicate components having the same functions. Compared to FIG. 1, FIG. 6 shows that the
[スイッチング電源装置]
図6において、共振はずれ検知回路26は、電流共振コンデンサ14を流れる(1次巻線Npを流れる)1次電流を監視し、共振はずれが発生するか否かの情報としての電圧をゲート制御回路15に出力する。共振はずれ検知回路26の出力はゲート制御回路15に入力され、スイッチング電源装置の起動時及び間欠動作時の再起動時のスイッチング周波数Fssの決定に用いられる。その他の構成については実施例1と等しいため、説明を省略する。
[Switching power supply]
In FIG. 6, the resonance losing
[ゲート制御回路]
図7は実施例2のゲート制御回路15についての具体的な構成を説明する。図7は図2に示した実施例1と比較すると、制御切替回路102が削除され、起動設定回路電圧Vzの入力もない。代わりに制御切替回路112と共振はずれ検知信号が追加されている。なお、コンパレータ101の出力端子は、制御切替回路112に接続されている。誤差増幅器103の(+)入力端子には、常にFB回路電圧Vfbが入力されている。このため、実施例2の鋸歯状波信号生成回路105から出力される信号は、FB回路電圧Vfbに基づく信号となっている。また、図7には不図示であるが、コンパレータ106の出力端子は、後述する共振はずれ検知回路26に接続されている。
[Gate control circuit]
FIG. 7 illustrates a specific configuration of the
制御切替回路112には、鋸歯状波信号生成回路105及び共振はずれ検知信号が入力される。制御切替回路112は、鋸歯状波信号生成回路105の出力が接続された接点112bと、共振はずれ検知信号が接続された接点112cと、を有している。また、制御切替回路112は、コンパレータ106の(−)入力端子に接続された接点112aを有している。コンパレータ101の出力に基づきFB回路電圧Vfbが基準電圧Vref1より高い場合には、制御切替回路112は、接点112cと接点112aとを接続することにより共振はずれ検知信号とコンパレータ106の(−)入力端子とを接続する。コンパレータ101の出力に基づきFB回路電圧Vfbが基準電圧Vref1以下である場合には、次のようにする。すなわち、制御切替回路112は、接点112bと接点112aとを接続することにより鋸歯状波信号生成回路105の出力をコンパレータ106の(−)入力端子に接続する。
The
共振はずれ検知信号は、電流共振コンデンサ14に流れる1次電流の位相に基づいたパルス状の信号であり、共振はずれ検知回路26から出力される。コンパレータ106は、制御切替回路112によって共振はずれ検知信号が接続された場合には、パルス状の共振はずれ検知信号と基準電圧Vref3とを比較する。コンパレータ106は、ドライバ108、ドライバ109、デッドタイム生成器110、111を介してゲート信号DH、DLを出力する。同様に、制御切替回路112によって鋸歯状波信号生成回路105からの電圧が接続された場合には、コンパレータ106は、鋸歯状波信号生成回路105からの電圧と基準電圧Vref3とを比較する。コンパレータ106は、ゲート信号DH、DLを出力する。
The resonance deviation detection signal is a pulse-like signal based on the phase of the primary current flowing through the
[共振はずれ検知回路]
ここで、共振はずれ検知回路26の動作について図8を用いて説明する。なお、実施例2で示す共振はずれ検知回路26は、一例であり、これに限定するものではなく、電流共振コンデンサ14を流れる1次電流の位相を検知できる構成であればよい。図8において入力信号は、図7のゲート制御回路15における「コンパレータ106から出力された電圧(コンパレータ106電圧)」と、「1次電流」である。共振はずれ検知回路26は、共振コンデンサ14を流れる1次電流(入力信号の「1次電流」)を分流コンデンサCrsによって分流する。分流コンデンサCrsによって分流された電流値は、1次電流に対し、電流共振コンデンサ14と分流コンデンサCrsとの容量比に比例した値となる。そして分流コンデンサCrsを流れる電流は、抵抗R21によって電圧に変換され、1次電流検知電圧Vrsとなり、コンパレータ203の(−)入力端子と、コンパレータ204の(+)入力端子に入力される。
[Resonance loss detection circuit]
Here, the operation of the resonance
入力信号の「コンパレータ106電圧」は遅延回路DLにより、スイッチング素子11、12の駆動を切り替えるタイミングに対して、一定時間遅延された信号(以下、遅延信号という)VDLとなる。そして、遅延信号VDLは、Nチャネル電界効果トランジスタ(Nch_FETとする)201、202のそれぞれのゲート端子に入力される。Nch_FET201はオン/オフ動作することにより、基準電圧Vref21とコンパレータ203の(+)入力端子とを接続するスイッチの役割を果たしている。また、Nch_FET202も同様に、オン/オフ動作することにより、基準電圧Vref22とコンパレータ204の(−)入力端子とを接続するスイッチの役割を果たしている。
The “
コンパレータ203は、スイッチング素子11がオンする期間における共振はずれを検知するための第1の検知手段として機能する。コンパレータ203の(+)入力端子に入力される電圧VtHは、Nch_FET201のオン・オフによって変わる。コンパレータ203は、Nch_FET201がオフしている期間は、抵抗R22と抵抗R23とで直流電源電圧Vccを分圧した電圧が(+)入力端子に入力さる。コンパレータ203は直流電源電圧Vccを分圧した電圧と1次電流検知電圧Vrsとを比較して、共振はずれが発生するか否かを判断する。コンパレータ203は、共振はずれが発生する場合にはハイレベルの信号をフリップフロップ回路205に出力する。
The
また、Nch_FET201がオンしている期間は、基準電圧Vref21が(+)入力端子に入力される。コンパレータ203は、基準電圧Vref21と1次電流検知電圧Vrsとの比較を行う。そして、この期間はスイッチング素子12がオンしている期間であり、電流共振コンデンサ14はマイナス方向の電流を流しているため、1次電流検知電圧Vrsはマイナスの電圧となる。また、基準電圧Vref21は、1次電流検知電圧Vrsの最小値以下の電圧に設定されている。よって共振はずれを検知することはなく、常にコンパレータ203はローレベルの信号をフリップフロップ回路205に出力する。
Further, the reference voltage Vref21 is input to the (+) input terminal while the
コンパレータ204は、スイッチング素子12がオンする期間における共振はずれを検知するための第2の検知手段として機能する。コンパレータ204の(−)入力端子に入力される電圧VtLは、Nch_FET202のオン・オフによって変わる。コンパレータ204は、Nch_FET202がオンしている期間は、基準電圧Vref22が(−)入力端子に入力される。コンパレータ204は、基準電圧Vref22と1次電流検知電圧Vrsとを比較して、共振はずれが発生するか否かを判断する。コンパレータ204は、共振はずれが発生する場合にはハイレベルの信号をフリップフロップ回路205に出力する。ここでコンパレータ204では、Nch_FET202がオンしている期間の共振はずれが発生するか否かを判断するため、基準電圧Vref22はマイナスの電圧に設定してある。
The
また、Nch_FET202がオフしている期間は、抵抗R24でプルアップされた直流電源電圧Vccが(−)入力端子に入力され、プルアップされた電圧と1次電流検知電圧Vrsとの比較を行う。そして、この期間はスイッチング素子11がオンしている期間であり、電流共振コンデンサ14はプラス方向の電流を流しているため、1次電流検知電圧Vrsはプラスの電圧となる。また、抵抗R24でプルアップされた直流電源電圧Vccは、1次電流検知電圧Vrsの最大値以上の電圧である。よって共振はずれを検知することはなく、常にコンパレータ203はローレベルの信号をフリップフロップ回路205に出力する。
Further, during a period in which the
コンパレータ203の出力は、フリップフロップ回路205のリセット端子Rに接続され、コンパレータ204の出力は、フリップフロップ回路205のセット端子Sに接続される。フリップフロップ回路205は、コンパレータ203、204からの共振はずれの検知結果に基づいて、共振はずれ検知信号を出力する。この共振はずれ検知信号は、ゲート制御回路15に入力される。
The output of the
[動作シーケンス]
図9、図10は横軸を時間とした各部の動作シーケンスを説明するものである。図9(i)の「VC1」は、制御切替回路112からコンパレータ106の(−)入力端子に出力される電圧VC1を実線で示し、(+)入力端子の基準電圧Vref3を破線で示している。(ii)〜(v)の波形は図4の(ii)〜(v)と同じ信号の波形である。時刻t90の電源が投入された起動時や間欠動作の再起動時には、出力電圧Voが低く、FB回路電圧Vfbは基準電圧Vref1よりも高くなっている。そのため、制御切替回路112は共振はずれ検知信号がコンパレータ106の(−)入力端子に入力されるように動作する。よって時刻t90から時刻t91の期間の電圧VC1はパルス状の共振はずれ検知信号となっている。コンパレータ106の出力はドライバ109を経て波形QL、ドライバ108を経てQHとなる。なお、t90でVref3が所定の値よりも高くなっている理由等については後述する。
[Operation sequence]
FIG. 9 and FIG. 10 explain the operation sequence of each part with the horizontal axis as time. “VC1” in FIG. 9I indicates the voltage VC1 output from the
その後、出力電圧Voの上昇につれてFB回路電圧Vfbも低下し、時刻t91で出力電圧Voが所定電圧付近まで上昇すると、FB回路電圧Vfbは基準電圧Vref1以下となる。これによりコンパレータ101の出力がハイレベルとなり、制御切替回路112は鋸歯状波信号生成回路105から出力された電圧がコンパレータ106の(−)入力端子に入力されるように動作する。これにより制御切替回路112から出力される電圧VC1は鋸歯状波信号生成回路105の電圧となり、それに応じてスイッチング素子11、12のスイッチング周波数Fsも高くなる。その後は出力電圧Voが一定となるように、FB回路電圧Vfbの変動に応じて通常動作時のスイッチング周波数Fsnが調整される。
Thereafter, as the output voltage Vo increases, the FB circuit voltage Vfb also decreases. When the output voltage Vo increases to near a predetermined voltage at time t91, the FB circuit voltage Vfb becomes equal to or lower than the reference voltage Vref1. As a result, the output of the
なお、時刻t91でFB回路電圧Vfbが基準電圧Vref1以下となり、コンパレータ101の出力がハイレベルとなるまでは、制御切替回路112は共振はずれ検知信号を選択する。このため、スイッチング電源装置は、共振周波数Foよりも少し高い一定のスイッチング周波数Fssで動作する。すなわち、実施例2においても、実施例1と同じく、通常動作時のスイッチング周波数Fsnと起動時のスイッチング周波数Fss、及び共振周波数Foの関係は、
Fo<Fss<Fsn
となる。
At time t91, the
Fo <Fss <Fsn
It becomes.
このように、スイッチング電源装置の起動時はリーケージインダクタンスLrと共振コンデンサ14の容量Crとの共振周波数Foよりも少し高いスイッチング周波数Fssで動作する。これにより、従来と比べて出力電圧Voが所定の電圧になるまでの起動時間を短くするとともに、起動時のスイッチング回数を少なくしている。
Thus, when the switching power supply device is activated, the switching power supply device operates at a switching frequency Fss that is slightly higher than the resonance frequency Fo between the leakage inductance Lr and the capacitance Cr of the
[共振はずれ検知回路の動作]
続いて共振はずれ検知回路26の動作について詳細を説明する。図10において、(i)の波形「Comp106」はコンパレータ106の出力を示している。(ii)の波形「Vrs」はコンパレータ203の(−)入力端子とコンパレータ204の(+)入力端子に入力される1次電流検知電圧Vrsを示す。(iii)の波形「Comp204(−)」はコンパレータ204の(−)入力端子の電圧を実線で示し、(+)入力端子の1次電流検知電圧Vrs(ii)を点線で示している。また、コンパレータ204の(−)入力端子に入力される直流電源電圧Vcc及び基準電圧Vref22を破線で示す。(v)の波形「Comp203(+)」はコンパレータ203の(+)入力端子の電圧を実線で示し、(−)入力端子の1次電流検知電圧Vrs(ii)を点線で示している。また、コンパレータ203の(+)入力端子に入力される、直流電源電圧Vccを抵抗R22、R23で分圧した電圧及び基準電圧Vref21を破線で示す。(iv)の波形「F/F_S」は、フリップフロップ回路205のセット端子電圧、すなわち、コンパレータ204から出力される電圧を示す。(vi)の波形「F/F_R」は、フリップフロップ回路205のリセット端子電圧、すなわち、コンパレータ203から出力される電圧を示す。(vii)の波形「F/F_Q」は、フリップフロップ回路205の出力であるQ端子電圧、すなわち、共振はずれ検知回路26から出力される共振はずれ検知信号を示す。(vii)には、コンパレータ106の(+)入力端子の基準電圧Vref3を破線で示している。
[Operation of resonance slip detection circuit]
Next, details of the operation of the resonance
時刻t100の電源が投入された起動時や間欠動作における再起動時には、(i)のComp106から出力される電圧はハイレベルとなっている。これは実施例1で説明したように、起動開始時の1回目のスイッチング動作をスイッチング素子12がオン状態となるようにするためである。コンパレータ106の(+)入力端子に入力される基準電圧Vref3は、(vii)に示すように、時刻t100から時刻t101までの一定時間、通常よりも高い電圧に設定される。これにより(i)のComp106の電圧はハイレベルとなる。このとき、1次電流検知電圧Vrsが0V、コンパレータ203の(+)入力端子の電圧VtHが基準電圧Vref21となるためコンパレータ203の出力である(vi)の「F/F_R」はローレベルとなる。また、コンパレータ204の(−)入力端子の電圧VtLは基準電圧Vref22となり、コンパレータ204の出力である(iv)の「F/F_S」はハイレベルとなる。
At the time of start-up when the power is turned on at time t100 or at the time of restart in intermittent operation, the voltage output from
これによりフリップフロップ回路205がセットされ、(vii)の共振はずれ検知信号(F/F_Q)はハイレベルとなる。そして、起動開始から一定時間が経過し、時刻t101で基準電圧Vref3が通常電圧に設定されると(vii)、その後は共振はずれ検知回路26の出力である共振はずれ検知信号に基づいて起動時のスイッチング周波数Fssが決定される。時刻t101で基準電圧Vref3が通常電圧に設定されると、(vii)の共振はずれ検知信号(F/F_Q)がハイレベルであるため、Comp106電圧はローレベル出力となる。これによりスイッチング素子11がオンとなり、共振コンデンサ14にプラスの電流が流れることで、(ii)の1次電流検知電圧Vrsもプラスの電圧(正弦波)となる。
As a result, the flip-
時刻t102で、遅延回路DLにより一定時間遅延された遅延信号VDLがコンパレータ106のローレベルの出力を受けてローレベルを出力する。これにより、Nch−FET201、202がオフする。コンパレータ204の(−)入力端子に入力される電圧VtLは直流電源電圧Vccとなる。その結果、コンパレータ204の入力は、VtL((−)入力端子)>Vrs((+)入力端子)の関係となり、コンパレータ204の出力である(iv)の「F/F_S」はローレベルとなる。
At time t102, the delay signal VDL delayed for a certain time by the delay circuit DL receives the low level output of the
時刻t102で、コンパレータ203の(+)入力端子に入力される電圧VtHは、直流電源電圧Vccを抵抗R22と抵抗R23とで分圧した分圧値が入力される。そしてスイッチング素子11のオンが継続し、電流の位相が180度に近付くと、共振はずれが発生する前の時刻t103にコンパレータ203で次の関係となる。すなわち、時刻t103で、コンパレータ203において、VtH((+)入力端子)>Vrs((−)入力端子)の関係となる。コンパレータ203の出力である(vi)の「F/F_R」はハイレベルとなる。その結果、フリップフロップ回路205を介した(vii)の共振はずれ検知信号(F/F_Q)はローレベルとなり、(i)のコンパレータ106から出力される電圧はハイレベルとなる。
At time t102, the voltage VtH inputted to the (+) input terminal of the
コンパレータ106から出力される電圧がハイレベルとなると、スイッチング素子11はドライバ108、デッドタイム生成器110を介してオフされる。一方、スイッチング素子12はドライバ109、デッドタイム生成器111を介してオンされる。以降は、上述した動作を繰り返す。
When the voltage output from the
このように実施例2では共振はずれ検知回路26を備えたことにより、共振はずれが発生する直前の電流の位相でスイッチング素子11、12のオン/オフを切り替える。このため、リーケージインダクタンスLrと共振コンデンサ14の容量Crとで決定される共振周波数Foよりも少し高いスイッチング周波数Fssで、共振はずれを発生させることなく起動することができる。また、リーケージインダクタンスLrや共振コンデンサ14の容量Cr等のばらつきによって、共振周波数Foの個体差が生じたとしても、共振はずれ検知回路26により、1次電流が反転する位相の直前で共振はずれを防止することができる。このため、図13(b)で説明したスイッチング素子のターンオフ時のスイッチング損失を最小限に抑えることができる。これによりスイッチング電源装置の起動時のスイッチング周波数Fssを固定値とした場合よりも更に消費電力を抑えた起動が可能となる。
As described above, in the second embodiment, since the resonance
以上、実施例2によれば、スイッチング電源装置の起動に要する時間を短縮し、起動時の消費電力を低減することができる。 As described above, according to the second embodiment, the time required for starting the switching power supply device can be shortened, and the power consumption at the time of starting can be reduced.
実施例1、2で説明した電源装置は、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 power supply apparatus described in the first and second embodiments can be applied as, for example, 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11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400を適用可能な画像形成装置は、図11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1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2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. 11 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を備えている。実施例1、2に記載の電源装置400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。すなわち、実施例1、2の負荷24は、例えば駆動部に相当する。実施例3の画像形成装置は、省電力を実現する待機状態(例えば、省電力モードや待機モード)にある場合に、負荷を軽くして消費電力を低減させることができる。すなわち、実施例3の画像形成装置では、省電力モード時に、電源装置400が軽負荷時の間欠動作を行う。このため、画像形成装置の電源をオンしたときや、待機状態で電源装置400が間欠動作から再起動されるときに、短時間で消費電力を低減したソフトスタートを実行することができる。
The
以上、実施例3によれば、スイッチング電源装置の起動に要する時間を短縮し、起動時の消費電力を低減することができる。 As described above, according to the third embodiment, the time required for starting the switching power supply device can be shortened, and the power consumption at the time of starting can be reduced.
11 第1のスイッチング素子
12 第2のスイッチング素子
13 トランス
14 電流共振コンデンサ
15 ゲート制御回路
11
Claims (12)
前記1次巻線に直列に接続された第1のスイッチング素子と、
前記1次巻線に直列に接続されたコンデンサと、
直列に接続された前記1次巻線及び前記コンデンサに並列に接続された第2のスイッチング素子と、
前記第1のスイッチング素子及び前記第2のスイッチング素子のスイッチング動作を制御する制御手段と、
を有し、前記2次巻線から出力される出力電圧が所定の電圧となるように所定の周波数で前記スイッチング動作を行う電源装置であって、
前記制御手段は、前記スイッチング動作が停止された状態から前記スイッチング動作を開始するときに、前記所定の周波数よりも低い周波数で前記スイッチング動作を開始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;
A capacitor connected in series with the primary winding;
A second switching element connected in parallel to the primary winding and the capacitor connected in series;
Control means for controlling a switching operation of the first switching element and the second switching element;
A power supply device that performs the switching operation at a predetermined frequency so that an output voltage output from the secondary winding becomes a predetermined voltage,
The control means starts the switching operation at a frequency lower than the predetermined frequency when starting the switching operation from a state where the switching operation is stopped.
前記制御手段に接続されたツェナーダイオードと、
を備え、
前記制御手段は、
前記第1のスイッチング素子及び前記第2のスイッチング素子を制御するための制御信号を生成する生成手段と、
前記生成手段に出力する電圧を前記ツェナーダイオードのツェナー電圧と前記フィードバック電圧とのいずれかに切り替える切替手段と、
を有し、
前記切替手段は、前記フィードバック電圧が所定の電圧よりも高い場合は前記ツェナー電圧を出力するように切り替え、前記フィードバック電圧が前記所定の電圧以下の場合は前記フィードバック電圧を出力するように切り替えることを特徴とする請求項2に記載の電源装置。 A feedback circuit that outputs a feedback voltage corresponding to the output voltage to the control means;
A Zener diode connected to the control means;
With
The control means includes
Generating means for generating a control signal for controlling the first switching element and the second switching element;
Switching means for switching the voltage output to the generating means to either the Zener voltage of the Zener diode or the feedback voltage;
Have
The switching means switches to output the Zener voltage when the feedback voltage is higher than a predetermined voltage, and switches to output the feedback voltage when the feedback voltage is equal to or lower than the predetermined voltage. The power supply device according to claim 2.
前記出力電圧に応じたフィードバック電圧を前記制御手段に出力するフィードバック回路と、
を備え、
前記制御手段は、
前記第1のスイッチング素子及び前記第2のスイッチング素子を制御するための制御信号を生成する生成手段と、
前記生成手段に出力する電圧を前記検知信号と前記フィードバック電圧に基づく信号とのいずれかに切り替える切替手段と、
を有し、
前記切替手段は、前記フィードバック電圧が所定の電圧よりも高い場合は前記検知信号を出力するように切り替え、前記フィードバック電圧が前記所定の電圧以下の場合は前記フィードバック電圧に基づく信号を出力するように切り替えることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の電源装置。 Phase detection means for detecting the phase of the current flowing through the capacitor and outputting a detection signal to the control means;
A feedback circuit that outputs a feedback voltage corresponding to the output voltage to the control means;
With
The control means includes
Generating means for generating a control signal for controlling the first switching element and the second switching element;
Switching means for switching the voltage output to the generating means to either the detection signal or a signal based on the feedback voltage;
Have
The switching means switches so as to output the detection signal when the feedback voltage is higher than a predetermined voltage, and outputs a signal based on the feedback voltage when the feedback voltage is lower than the predetermined voltage. The power supply device according to claim 1, wherein the power supply device is switched.
前記第1のスイッチング素子がオンしているときに前記電流の位相を検知する第1の検知手段と、
前記第2のスイッチング素子がオンしているときに前記電流の位相を検知する第2の検知手段と、
を有することを特徴とする請求項6に記載の電源装置。 The phase detection means includes
First detection means for detecting a phase of the current when the first switching element is on;
Second detection means for detecting a phase of the current when the second switching element is on;
The power supply device according to claim 6, further comprising:
請求項1から請求項11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 11,
An image forming apparatus comprising:
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2018034927A JP2019149914A (en) | 2018-02-28 | 2018-02-28 | Power-supply device and image formation apparatus |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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