JP2020198683A - スイッチング電源装置及び画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】過電圧が入力された場合にスイッチング電源装置や電力が供給されている装置の故障を防止可能なスイッチング電源装置を提供する。【解決手段】スイッチング電源装置２００は、一次巻線Ｐ１と二次巻線Ｓ１を有するトランスＴ１を有し、入力される電圧Ｖｉｎが所定値以上になった場合に、フィードバックされた情報に従い、一次側制御部１０１が、二次巻線Ｓ１に発生される電圧Ｖ１１を第一の電圧よりに低い第二の電圧に低下させる。【選択図】図１

Description

本発明は、フライバックトランスを用いた絶縁型のスイッチング電源装置の過電圧保護に関する。

スイッチング電源装置において、商用交流電源から入力される交流電圧が所定の電圧値よりも高い状態（以下、過電圧状態と言う）を検知して、スイッチング電源装置の動作を停止する構成が知られている（特許文献１参照）。

特開２００８−２５９３７５号公報

しかしながら特許文献１の方法では過電圧状態を検知するとスイッチング電源装置をすぐに停止させていた。スイッチング電源装置の電力の供給対象である制御装置、ハードディスク、メモリ装置等への電力供給が装置の動作中に停止するため、それらの装置に故障が発生する可能性があった。

本発明は、スイッチング電源装置に過電圧が入力された場合にスイッチング電源装置や電力が供給されている装置の故障を防止することを目的とする。

一次側と二次側が絶縁されており前記一次側に一次巻線を有し、前記二次側に二次巻線を有するトランスと、前記一次巻線に直列に接続された第１のスイッチング素子と、前記二次巻線に発生された電圧を整流及び平滑する整流平滑手段と、前記二次巻線に発生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って整流及び平滑された電圧が第一の電圧になるように前記第一のスイッチング素子の駆動を制御する制御手段と、前記トランスの一次巻線に入力電圧を検知するための電圧検知手段と、を有し、前記制御手段は、前記電圧検知手段によって検知された前記入力電圧が所定値以上になった場合に、前記フィードバック手段から出力された前記情報に従い、前記二次巻線に発生される電圧を前記第一の電圧よりに低い第二の電圧に低下させることを特徴とするスイッチング電源装置。

本発明によれば、入力される交流電圧が過電圧状態となった場合に、スイッチング電源装置から電力が供給されている装置の故障を防止することができる。

実施例１におけるスイッチング電源装置の回路図 実施例１におけるＦＥＴの電圧波形 実施例１におけるフローチャート 実施例２におけるスイッチング電源装置の回路 実施例２におけるＦＥＴの電圧波形 実施例２における過電圧検知時のフローチャート 実施例２における過電圧検知時のフローチャート 実施例３における画像形成装置の概略構成図 実施例３における画像形成装置の制御ブロック図

以下に、図面を参照して、この発明の好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。ただし、この実施の形態に記載されている構成要素はあくまで例示であり、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

［スイッチング電源装置２００の構成］
図１は実施例１のスイッチング電源装置２００を示している。商用交流電源としての電源２０１は交流電圧を出力しており、その交流電源を全波整流回路であるブリッジダイオードＢＤ１で整流して整流された電圧がスイッチング電源装置２００に入力される。コンデンサＣ３はブリッジダイオードＢＤ１で整流された電圧を平滑する手段でありコンデンサＣ３の低い側の電位をＤＣＬ、高い側の電位をＤＣＨと表記する。

スイッチング電源装置２００は、一次側に一次巻線Ｐ１、補助巻線Ｐ２、補助巻線Ｐ３、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の補助巻線Ｐ２に発生した電圧を整流及び平滑するための整流平滑回路としてのダイオードＤ４及びコンデンサＣ４が接続されている。トランスＴ１の補助巻線Ｐ２に発生した電圧を整流及び平滑した電圧を電源電圧Ｖ１とする。トランスＴ１の補助巻線Ｐ３に発生した電圧を整流及び平滑するためのダイオードＤ５及びコンデンサＣ５が接続されている。抵抗Ｒ１及び抵抗Ｒ２は電源電圧Ｖ１の電圧を検知するための分圧用の抵抗素子であり、分圧された電圧は後述する一次側制御部１０１に入力される。また、コンデンサＣ５と並列にフィードバック部１１５が接続されている。フィードバック部１１５は分圧用の抵抗素子である抵抗Ｒ３、抵抗Ｒ４及び抵抗素子を切り替えるための電圧切り替え用素子であるスイッチ素子としての電気効果トランジスタ（以下ＦＥＴという）２で構成される。

スイッチング電源装置の２００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ＦＥＴ１が直列に接続されている。スイッチング電源装置２００の一次側には、ＦＥＴ１の駆動（オン、オフ）状態を制御する制御手段として、一次側制御部１０１を有している。一次側制御部１０１のグランド端子ＧはＤＣＬに接続されている。一次側制御部１０１のフィードバック端子ＦＢにはフィードバック部１１５が接続されている。一次側制御部１０１の端子ＶＬには抵抗Ｒ１及びＲ２が接続されている。一次側制御部１０１の端子ＶＣには、電源電圧Ｖ１が供給されている。トランスＴ１の二次巻線Ｓ１には、二次巻線Ｓ１に発生した電圧を整流及び平滑するためのダイオードＤ１１及びコンデンサＣ１１が接続されている。トランスＴ１の二次巻線Ｓ１に生じた電圧を整流及び平滑した電圧を二次側の出力電圧Ｖ１１とする。

尚、本実施例の一次側制御部１０１には、発振器によって生成されたクロックで動作するＣＰＵ、ＡＳＩＣ等の演算制御回路を用いている。これにより、後述する出力電圧の切り替え等の複雑な波形制御の演算処理を簡易で安価な回路構成で実現できる。

［スイッチング電源装置２００の動作］
スイッチング電源装置２００は、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出力電圧Ｖ１１を出力する。本実施例では、出力電圧Ｖ１１の一例として、例えば２４Ｖまたは５Ｖの一定の出力電圧を切り替えて出力可能である。

［トランスＴ１の動作］
トランスＴ１の一次巻線Ｐ１から二次巻線Ｓ１には、後述するＦＥＴ１のスイッチング動作によってエネルギーが供給される。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で整流及び平滑して電源電圧Ｖ１を供給する。トランスＴ１の補助巻線Ｐ３は、一次巻線Ｐ１に印加された入力電圧Ｖｉｎのフライバック電圧をダイオードＤ５及びコンデンサＣ５で整流及び平滑して、二次側の出力電圧Ｖ１１を出力する。

［一次側制御部の動作］
一次側制御部１０１は端子ＦＢに入力された電圧信号（以降ＦＢ端子電圧と称す）に基づき、ＦＥＴ１のスイッチング動作を制御するための制御信号ＤＲＶ１を出力して、ＦＥＴ１のスイッチング動作を制御する。ＦＥＴ１がオン状態の間にトランスＴ１のインダクタンスにエネルギーを蓄積する。ＦＥＴ１がオフ状態の間にトランスＴ１のインダクタンスに蓄積されたエネルギーが二次巻線Ｓ１を介して、スイッチング電源装置２００の二次側に電力が供給される。また、一次側制御部１０１は端子ＶＬに入力された電圧信号に基づき、ＦＥＴ２のスイッチング動作を制御するための制御信号ＤＲＶ２を出力し、ＦＥＴ２のスイッチング動作を制御する。

［二次側の出力電圧Ｖ１１の制御の動作］
次に、二次側の出力電圧Ｖ１１の制御方法について説明する。出力電圧Ｖ１１の電圧値は、トランスＴ１の二次巻線Ｓ１と補助巻線Ｐ３の巻線比、抵抗Ｒ３及び抵抗Ｒ４の抵抗値によって設定される。スイッチング電源装置２００の二次側の出力電圧Ｖ１１は、フィードバック部１１５のフィードバック情報（端子ＦＢに入力される電圧情報）に基づき、一次側制御部がＦＥＴ１のオン時間を決定することにより一定に制御することができる。

出力電圧Ｖ１１が所定の電圧（本例では２４Ｖ）より高くなると、一次側制御部１０１の端子ＦＢに入力される電圧情報の値が上昇する。一方、出力電圧Ｖ１１が２４Ｖより低くなると、一次側制御部１０１の端子ＦＢに入力される電圧情報の値が低下する。このように、一次側制御部１０１は端子ＦＢに入力される電圧情報を監視することによって、出力電圧Ｖ１１を一定に制御する。

［交流電源からの交流電圧の検知動作］
次に商用交流電源２１からの交流電圧の検知方法について説明する。一次側制御部１０１の端子ＶＬは、コンデンサＣ３に充電された入力電圧Ｖｉｎを検知するために用いる端子である。電源電圧Ｖ１はトランスＴ１の補助巻線Ｐ２に生じたフォワード電圧であり入力電圧ＶｉｎをトランスＴ１の一次巻線Ｐ１及び補助巻線Ｐ２の巻線比倍した電圧である。よって一次側制御部１０１は端子ＶＬに入力される電圧を検知することでコンデンサＣ３に充電された入力電圧Ｖｉｎを検知することができる。交流電源２０１の電圧を検知する方法としては、コンデンサＣ３の入力電圧Ｖｉｎや交流電源２０１とスイッチング電源装置２００を接続する電送経路の電圧を、分圧抵抗を用いた回路で直接的に検知する構成を用いても良い。

［フィードバック部の切り替え動作］
一次側制御部１０１は制御信号ＤＲＶ２を用いて、フィードバック部１１５のＦＥＴ２をオン、オフすることで出力電圧Ｖ１１の設定値を切り替えることができる。一次側制御部１０１は端子ＶＬに入力される電圧情報から入力電圧Ｖｉｎの電圧が基準電圧以下であることを検知する。基準値以下の電圧であると検知すると制御信号ＤＲＶ２をローレベルの信号にする。制御信号ＤＲＶ２がローレベルの信号の場合、ＦＥＴ２がオフ状態となる。ＦＥＴ２がオフ状態となると端子ＦＢに入力される電圧はフライバック電圧が抵抗Ｒ３及び抵抗Ｒ４で分圧した電圧となる。このとき、スイッチング電源装置２００は、二次側の出力電圧Ｖ１１として２４Ｖ電圧を出力する状態となる。

一方、一次側制御部１０１は端子ＶＬの電圧から入力電圧Ｖｉｎの電圧が基準電圧より高いことを検知すると制御信号ＤＲＶ２をハイレベルにする。制御信号ＤＲＶ２がハイレベルになるとＦＥＴ２がオン状態となり抵抗Ｒ３が短絡状態となる。抵抗Ｒ３が短絡されると端子ＦＢに入力される電圧は補助巻線Ｐ３に発生したフライバック電圧に対応した電圧値となる。このとき、スイッチング電源装置２００は、出力電圧Ｖ１１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、一次側制御部１０１が端子ＶＬに入力される電圧に応じて、スイッチング電源装置２００の二次側の出力電圧Ｖ１１を２４Ｖ又は５Ｖに切り替えることができる。なお、以降、信号の電圧レベルについて、電圧が低い場合のローレベルをローとし、電圧が高い場合のハイレベルをハイと省略して記載する。

［二次側の出力電圧Ｖ１１とＦＥＴに印可される電圧の関係］
図２はＦＥＴ１に印可される電圧（ＦＥＴ１のドレイン端子とソース端子の間に印可される電圧）を示している。ＦＥＴ１に印可される電圧は入力電圧Ｖｉｎ、フライバック電圧、サージ電圧を加算した電圧になる。よって、入力電圧Ｖｉｎの電圧が上昇しＦＥＴ１に印可される電圧がＦＥＴ１の耐圧を超えると、ＦＥＴ１は破壊してしまう。これに対しフライバック電圧の値は二次側の出力電圧Ｖ１１とダイオードＤ１１の順方向電圧Ｖｆを加算した電圧にトランスＴ１の一次巻線Ｐ１及び二次巻線Ｓ１の巻数比をかけた電圧になる。よって図２に示すように出力電圧Ｖ１１を２４Ｖから５Ｖに下げることで、ＦＥＴ１に印可される電圧を下げることができる。つまり入力電圧Ｖｉｎが過電圧状態になった場合に出力電圧Ｖ１１を２４Ｖから５Ｖに切り替えることによりＦＥＴ１に印可される電圧を低減することができる。

［過電圧検出時の動作］
実施例１における過電圧検知のフローチャートを図３に示す。このフローチャートに記載の制御は、一次側制御部１０１内にある不図示の不揮発性メモリに記憶されているプログラムに基づいて一次側制御部１０１が実行する。Ｓ５００では、スイッチング電源装置２００の出力電圧Ｖ１１が２４Ｖで動作している状態である。Ｓ５０１で入力電圧Ｖｉｎの電圧検知を実行する。Ｖｔｈ１とは過電圧状態であることを検知するための閾値電圧である。一次側制御部１０１は、入力電圧Ｖｉｎの値が閾値未満（Ｖｔｈ１未満）の時は過電圧状態ではないと判断し、出力電圧Ｖ１１が２４Ｖで動作している状態を維持する。一方、入力電圧Ｖｉｎの値が閾値以上（Ｖｔｈ１以上）の場合は過電圧状態であると判断してＳ５０２に進む。Ｓ５０２では出力電圧Ｖ１１を５Ｖに切り替えてＳ５０３に進む。前述したようにフィードバック部１１５のＦＥＴ２をオンすることにより出力電圧Ｖ１１を２４Ｖから５Ｖに切り替えることができる。Ｓ５０３では入力電圧Ｖｉｎが出力電圧Ｖ１１として５Ｖを出力した状態にしてもＦＥＴ１が破壊してしまう電圧になっていないか判断する。閾値電圧Ｖｔｈ２とは出力電圧Ｖ１１として５Ｖを出力した状態にしてもＦＥＴ１が破壊してしまうＶｔｈ１よりも電圧が高い過電圧状態を示す閾値電圧である。入力電圧Ｖｉｎの値がＶｔｈ２より大きいときは出力電圧Ｖ１１が５Ｖの状態であってもＦＥＴ１が破壊してしまう電圧になっていると判断し、Ｓ５０４に進みスイッチング電源装置２００を停止させる。具体的にはＦＥＴ１のスイッチング動作を停止させる。一方、入力電圧Ｖｉｎの値がＶｔｈ２より小さいときは出力電圧Ｖ１１が５Ｖの状態であればＦＥＴ１が破壊しない電圧であると判断し、Ｓ５０６に進む。Ｓ５０６では再度、入力電圧Ｖｉｎの電圧検知を実行し、入力電圧Ｖｉｎの値がＶｔｈ１より低くなっていないか判断する。入力電圧ＶｉｎがＶｔｈ１より低くなっている場合は、過電圧状態から回復して交流電圧が過電圧状態ではなくなったと判断し、Ｓ５０７に進む。Ｓ５０７では出力電圧Ｖ１１を２４Ｖの状態に戻し、Ｓ５０１に戻る。入力電圧ＶｉｎがＶｔｈ１より小さくなっていない場合は、過電圧状態のままであると判断し、Ｓ５０３に進む。その後はＳ５０３以降の動作を繰り返し実行し、電源を停止する必要があるか、２４Ｖの状態に戻せるか否かの判断を繰り返し実行する。

以上、本実施例によれば、スイッチング電源装置において過電圧状態を検知した場合に二次側の出力電圧を低下するように切り替える。これにより、ＦＥＴ１に印可される電圧を低減することができ、電源の故障を防止することができる。また、過電圧状態が解消されれば自動的に２４Ｖを出力した通常の状態に復帰することができる。

［スイッチング電源装置４００の構成］
図４は実施例２のスイッチング電源装置であり、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４００を示している。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。スイッチング電源装置４００は、一次側に一次巻線Ｐ４、補助巻線Ｐ５と、二次側に二次巻線Ｓ２を備えた絶縁型のトランスＴ２１を有している。トランスＴ２１の補助巻線Ｐ５に発生した電圧を整流及び平滑するためのダイオードＤ２４及びコンデンサＣ２４が接続されている。トランスＴ２１の補助巻線Ｐ５に発生じた電圧を整流及び平滑した電圧を出力電圧Ｖ１とする。スイッチング電源装置４００の一次側には、トランスＴ２１の一次巻線Ｐ４に第一のスイッチング素子である電界効果トランジスタ２３（以下、ＦＥＴ２３）が直列に接続されている。また、トランスＴ２１の一次巻線Ｐ４と並列に第二のスイッチング素子である電界効果トランジスタ２４（以下、ＦＥＴ２４と言う）と、電圧クランプ用のコンデンサＣ２２が直列接続された回路が接続されている。スイッチング電源装置４００の一次側には、ＦＥＴ２３及びＦＥＴ２４のスイッチング動作を制御する手段として、一次側制御部２０１を有している。

ＦＥＴ２３と並列に接続された電圧共振用のコンデンサＣ２１は、ＦＥＴ２３及びＦＥＴ２４のスイッチがオフされた時の損失を低減するために接続されている。ダイオードＤ２１は、ＦＥＴ２３のボディーダイオードである。同様に、ダイオードＤ２２はＦＥＴ２４のボディーダイオードである。一次側制御部２０１の端子ＶＣには、電源電圧Ｖ１が供給されている。一次側制御部２０１の端子ＧにはＤＣＬが接続されている。一次側制御部２０１の端子ＶＬには抵抗Ｒ１及びＲ２が接続されている。一次側制御部２０１の端子ＦＢには後述するフィードバック部１１６が接続されている。一次側制御部２０１の端子ＳＬには後述する切り替え信号伝達部１１８が接続されている。

尚、本実施例の一次側制御部１０１には、発振器によって生成されたクロックで動作するＣＰＵ、ＡＳＩＣ等の演算制御回路を用いている。これにより、後述する出力電圧の切り替え等の複雑な波形制御の演算処理を簡易で安価な回路構成で実現できる。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１０４は、降圧型のスイッチング電源装置であり、端子ＶＣと端子Ｇの間に入力された電源電圧Ｖ１を変換して端子ＯＵＴから電源電圧Ｖ２を出力している。トランスＴ２１の二次巻線Ｓ２には二次巻線Ｓ２で発生した電圧を整流及び平滑するためのダイオードＤ１１及びコンデンサＣ１１が接続されている。トランスＴ２１の二次巻線Ｓ２に発生じた電圧を整流及び平滑した電圧を二次側の出力電圧Ｖ２１とする。

出力電圧Ｖ２１には、電送経路を遮断／接続する制御素子であるＦＥＴ２１及びＤＣ／ＤＣコンバータ１０５が接続されている。Ｒ２１及びトランジスタ２１（以降、ＴＲ２１と言う）はＦＥＴ２１を駆動するための素子である。ＦＥＴ２１の後段の電圧を二次側の出力電圧Ｖ２３とする。ＤＣ／ＤＣコンバータ１０５は、降圧型スイッチング電源装置であり、ＶＣ端子とＧ端子間に入力された二次側の出力電圧Ｖ２１を変換して、ＯＵＴ端子から二次側の出力電圧Ｖ２２を出力している。

スイッチング電源装置４００に接続されているシステムの制御用ＣＰＵ（以降ＣＰＵ１と言う）には電源として二次側の出力電圧Ｖ２２が供給されている。またＣＰＵ１には出力電圧Ｖ２１の電圧を監視するＶ２１Ｓｅｎｃｅ信号が入力されている。さらにＣＰＵ１はスイッチング電源装置４００の状態を切り替えるためのおＳＴＡＮＤＢＹ信号を出力している。フィードバック部１１６は出力電圧Ｖ２１を一次側にフィードバックするための回路である。フィードバック部１１は、以下からなる回路である。二次側にフォトカプラＰＣ５、フォトカプラＰＣ５を二次側の出力電圧Ｖ２１でプルアップするプルアップ抵抗Ｒ６１と、出力電圧Ｖ２１を分圧する抵抗Ｒ６２、抵抗Ｒ６３、抵抗Ｒ６４。そしてシャントレギュレータＩＣ５と、ＦＢ端子切り替え用素子であるＦＥＴ６１と保護抵抗Ｒ６５を有している。

フィードバック部１１６は一次側に整流用のコンデンサＣ６６を有しており、プルアップ抵抗Ｒ２３を介して電源電圧Ｖ２でプルアップされている。またＦＥＴ６１のゲート端子にＣＰＵ１からＳＴＡＮＤＢＹ信号が入力されている。切り替え信号伝達部１１８は二次側の出力電圧Ｖ２１の切り替え信号を一次側制御部２０１に伝達する回路である。具体的には、フォトカプラＰＣ８とフォトカプラＰＣ８を二次側の出力電圧Ｖ２１でプルアップするプルアップ抵抗Ｒ８１と切り替え信号のハイ／ローを切り替えるＦＥＴ８１と保護抵抗Ｒ８２で構成されている。ＦＥＴ８１のゲート端子にＣＰＵ１からＳＴＡＮＤＢＹ信号が入力されている。さらに、切り替え信号伝達部１１８は一次側に整流用のコンデンサＣ８８を有している。

［スイッチング電源装置４００の動作概要］
スイッチング電源装置４００は、平滑コンデンサＣ３に充電された入力電圧Ｖｉｎから、絶縁された二次側へ出力電圧Ｖ２１を出力する。本実施例では、スイッチング電源装置４００は、出力電圧Ｖ２１の一例として大電力を出力した状態であるスタンバイ状態の時は第一の電圧である２４Ｖの一定電圧を出力する。一方、小電力を出力した状態であるスリープ状態の時は第二の電圧である５Ｖ電圧の一定電圧を出力する。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０５は、出力電圧Ｖ２１（２４Ｖか５Ｖによらず）を降圧して出力電圧Ｖ２２を出力する。本実施例では、出力電圧Ｖ２２の一例として例えば５Ｖの一定電圧を出力する。スイッチング電源装置４００はＣＰＵ１から入力されるＳＴＡＮＤＢＹ信号によってスタンバイ状態／スリープ状態の切り替えを行っている。またＳＴＡＮＤＢＹ信号は入力電圧Ｖｉｎが過電圧の時の出力電圧Ｖ２１の電圧切り替えにも用いている。

［トランスＴ２１の動作］
トランスＴ２１の一次巻線Ｐ４から、二次巻線Ｓ２には後述するＦＥＴ３とＦＥＴ４のスイッチング動作によってエネルギーを供給している。トランスＴ２１の補助巻線Ｐ５は、一次巻線Ｐ４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る。

［一次側制御部の動作］
一次側制御部１０１は、フィードバック部１１６からＦＢ端子に入力された電圧信号（以下、ＦＢ端子電圧という）に基づき、制御信号ＤＲＶ２３及び、制御信号ＤＲＶ２４を出力しており、ＦＥＴ２３及びＦＥＴ２４のスイッチング動作を制御する。この制御をフィードバック制御と定義する。ここで、制御信号ＤＲＶ２３はＦＥＴ２３を駆動するための信号、制御信号ＤＲＶ２４はＦＥＴ２４を駆動するための信号である。一次側制御部２０１は、ＦＥＴ２３とＦＥＴ２４を、両方のスイッチング素子がオフするデッドタイムを設けて、交互にオン、オフを繰り返すように制御している。ＦＥＴ２３がオン状態の間にトランスＴ２１のインダクタンスに流れていた電流によって、トランスＴ２１から、ＦＥＴ２３若しくは、ダイオードＤ２２を介して、電圧クランプ用コンデンサＣ２２に充電を行う状態となる。トランスＴ２１のインダクタンスによるキックバック電圧は電圧クランプ用コンデンサＣ２２によって吸収することができるため、ＦＥＴ２３のドレイン端子からソース端子間に印加されるサージ電圧を抑制できる。電圧クランプ用コンデンサＣ２２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Ｔ２１の二次巻線Ｓ２を介して、スイッチング電源装置４００の二次側に電力が供給される状態になる。電圧クランプ用コンデンサＣ２２と、トランスＴ２１のインダクタンスの共振によって、コンデンサＣ２２からトランスＴ２１に電流が流れる状態となる。電圧クランプ用コンデンサＣ２２の電圧が低下すると、ダイオードＤ１１がオフ状態となり、スイッチング電源装置４００の二次側に電力が供給されない状態になる。更に、ＦＥＴ２４を導通状態で保持することで、電圧クランプ用コンデンサＣ２２からトランスＴ２１のインダクタンスに流れる電流が増加する。ＦＥＴ２４をオフ状態にすることで、トランスＴ２１の一次巻線Ｐ４に接続されたコンデンサの容量が電圧クランプ用コンデンサＣ２２と電圧共振用コンデンサＣ２１の合計値から、電圧共振用コンデンサＣ２１に減少する。そのため、トランスＴ２１のインダクタンスに流れる電流によって、電圧共振用コンデンサＣ２１に充電されていた電荷を、平滑用コンデンサＣ３に回生できる。上述した回生の動作が終了すると、続いてダイオードＤ２１が通電した状態となる。ダイオードＤ２１が通電した状態で、ＦＥＴ２３をオンすることで、ＦＥＴ２３はゼロボルト・スイッチング動作を行うことができる。

［二次側の出力電圧２１の制御方法］
次に、二次側の出力電圧Ｖ２１の制御方法について説明する。スイッチング電源装置４００の出力電圧Ｖ２１の制御は、ＦＥＴ２３と、ＦＥＴ２４のオン時間の比率（ＦＥＴ４に対する、ＦＥＴ２３のオン時間の比率が高くなると、二次側の出力電圧Ｖ２１の電圧が上昇する）を変更するによって制御する。ＦＥＴ２３と、ＦＥＴ２４のオン時間の比率を制御する方法として、ＦＥＴ２３のオン時間をフィードバック部１１６のフィードバック情報（ＦＢ端子電圧）に基づき変更にする方法を用いている。

フィードバック部１１６は、出力電圧Ｖ２１を所定の一定電圧に制御するために用いられる。出力電圧Ｖ２１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Ｒ６１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。するとフォトカプラＰＣ５の一次側トランジスタが動作し、コンデンサＣ６６から電荷が放出され、一次側制御部２０１のＦＢ端子電圧が低下する。一方、出力電圧Ｖ２１が５Ｖより低くなると、フォトカプラＰＣ５の二次側ダイオードが非導通状態となる。するとフォトカプラ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Ｒ２３を介してコンデンサＣ６６を充電する電流が流れ、一次側制御部２０１のＦＢ端子電圧が上昇する。また、一次側制御部２０１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、ＦＥＴ２３や、スイッチング電源装置４００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。

［フィードバック電圧の切り替え動作］
フィードバック部のＦＥＴ６１のゲート端子に入力されるＳＴＡＮＤＢＹ信号がハイレベルになると、ＦＥＴ６１がオン状態になり、抵抗Ｒ６３がショートされる。すると、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、出力電圧Ｖ２１を抵抗Ｒ６２、抵抗Ｒ６４で分圧した電圧となり、スイッチング電源装置４００は、二次側の出力電圧Ｖ２１として２４Ｖ電圧を出力する状態となる。

一方、ＳＴＡＮＤＢＹ信号がローレベルになると、ＦＥＴ６１がオフ状態になり、抵抗Ｒ６３と抵抗Ｒ６４が直列に接続される。すると、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、二次側の出力電圧Ｖ２１を抵抗Ｒ６２と、抵抗Ｒ６３と抵抗Ｒ６４の合成抵抗とで分圧した電圧となる。すると、スイッチング電源装置４００は、出力電圧Ｖ２１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、ＣＰＵ１から入力されたＳＴＡＮＤＢＹ信号に応じて、スイッチング電源装置４００の二次側の出力電圧Ｖ２１を２４Ｖ又は５Ｖに切り替えることができる。

［一次側制御部の切り替え動作］
一次側制御部２０１は出力電圧Ｖ２１の電圧値に合わせて制御を切り替えており、ＣＰＵ１はＳＴＡＮＤＢＹ信号により切り替え信号伝達部１１８を介して、一次側制御部２０１へ制御の切り替え命令を出している。２つの状態とは、出力電圧Ｖ２１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である。

［出力電圧Ｖ２１から出力電圧Ｖ２３への供給状態の切り替え］
ＣＰＵ１はＳＴＡＮＤＢＹ信号により出力電圧Ｖ２１が２４Ｖ以外の電圧（例えば５Ｖ）の時に２４Ｖで動作する素子に他の電圧が供給されないように出力電圧Ｖ２３への電送経路の導通／遮断をＦＥＴ２１によって制御している。ＳＴＡＮＤＢＹ信号がハイの時にＴＲ２１がオンとなり、ＦＥＴ２１のゲート端子がローになるのでＦＥＴ２１はオンとなる。また、ＳＴＡＮＤＢＹ信号がローの時にＴＲ２１がオフとなり、ＦＥＴのゲート端子がハイになるのでＦＥＴ２１はオフとなる。よってＳＴＡＮＤＢＹ信号がハイの時、出力電圧Ｖ２１をスイッチング電源装置４００の外部に供給できる状態となる。ＳＴＡＮＤＢＹ信号がローの時、出力電圧Ｖ２１をスイッチング電源装置４００の外部に供給できない状態となる。

［過電圧時の切り替え動作］
一次側制御部２０１はＳＴＡＮＤＢＹ信号がハイの時にＶＬ端子の電圧から入力電圧Ｖｉｎの電圧が過電圧状態であることを検知すると、出力電圧Ｖ２１を下げる制御をする。具体的には出力電圧Ｖ２１の電圧が、ＦＥＴ２３と、ＦＥＴ２４のオン時間の比率と入力電圧の関係からＦＢ端子電圧によらずほぼ一意に決まることを利用する。すなわち出力電圧Ｖ２１が約６Ｖになるように制御信号ＤＲＶ２３及び制御信号ＤＲＶ２４のオン時間（ハイレベルを維持する時間）を制御する。なお、以降、この制御をオープンループ制御という。また、ＣＰＵ１はＶ２１Ｓｅｎｃｅ信号により出力電圧Ｖ２１の電圧を検知している。ＣＰＵ１はＳＴＡＮＤＢＹ信号がハイの時に出力電圧Ｖ２１の電圧が下がったことを検知するとＳＴＡＮＤＢＹ信号をローにし、ＦＥＴ２１をオフにすることで出力電圧Ｖ２１をスイッチング電源装置４００の外部に供給できない状態とする。また、ＳＴＡＮＤＢＹ信号をローにするとフィードバック部１１６は５Ｖを出力する状態となる。フィードバック部１１６が５Ｖを出力する状態に切り替わった直後は出力電圧２１がまだ高い状態にあるため、ＦＢ端子電圧は高い側に貼りついた状態となる。一次側制御部２０１は、フィードバック部１１６が５Ｖを出力する状態に切り替わり、出力電圧２１が安定してＦＢ端子電圧が制御可能領域まで低下してきたことを確認する。ＦＢ端子電圧の低下を確認するとＦＢ端子電圧に基づいてフィードバック制御を行い出力電圧Ｖ２１が５Ｖになるように制御する。

さらに、一次側制御部２０１はＳＴＡＮＤＢＹ信号がローの時に端子ＶＬに入力された電圧から入力電圧Ｖｉｎの電圧が過電圧状態であり、出力電圧Ｖ２１が５Ｖ出力している状態でもＦＥＴ２３にかかる電圧が耐圧を超えてしまう電圧であることを検知する。このような状態であることが検知されると、スイッチング電源装置４００の動作を停止させる。以上のように本実施例では、端子ＶＬの電圧に応じて、スイッチング電源装置４００の二次側の出力電圧Ｖ２１を２４Ｖ又は５Ｖに切り替える。

本実施例では過電圧状態を検知するとオープンループ制御で出力電圧Ｖ２１を約６Ｖに制御し、その後フィードバック制御に切り替えて５Ｖにしている。しかし、オープンループ制御を継続して出力電圧Ｖ２１を６Ｖにしたままでも良い。また、過電圧状態を検知した場合に出力電圧Ｖ２１が６Ｖや５Ｖを出力する状態を設けているが、６Ｖや５Ｖに限らず、さらに１Ｖ程度低い電圧に下げる状態にしても良い。

［出力電圧Ｖ２１とＦＥＴに印可される電圧の関係］
図５はＦＥＴ４（ＦＥＴ４のドレイン端子とソース端子の間に印可される電圧）にかかる電圧を示している。実施例１と異なる点はアクティブクランプ方式にしたことでサージ電圧が低減されてＦＥＴ２３にかかる電圧をより下げることができる。また、保護モードのように１Ｖ程度の低い電圧ではフォトカプラのダイオードを光らせることができずフィードバック制御を行うことができない。これに対して、オープンループ制御を用いることでフィードバック制御では制御できない電圧まで低下させることができる。そのため、ＦＥＴ２３にかかる電圧をより下げることができる。このことから入力電圧Ｖｉｎが過電圧状態の場合にＶ２１を２４Ｖから５Ｖや保護モードに切り替えることでＦＥＴ２３にかかる電圧を低減できる。

［過電圧検出時の動作］
実施例２における過電圧検知のフローチャートを図６及び図７に示す。このフローチャートに記載の制御は、一次側制御部２０１内にある不図示の不揮発性メモリに記憶されているプログラムに基づいて一次側制御部２０１が実行する。図６はスイッチング電源装置４００の出力電圧Ｖ２１が２４Ｖで動作している時の過電圧検知のフローチャートである。ＳＴＡＮＤＢＹ信号のレベルとしてハイレベルの信号が入力され、出力電圧Ｖ２１として２４Ｖが出力されると、Ｓ６０１で入力電圧Ｖｉｎの電圧検知を行う。なおＶｔｈ１は過電圧状態を示す閾値である。入力電圧Ｖｉｎの値がＶｔｈ１より大きい時は過電圧状態であると判断してＳ６０２に進む。入力電圧Ｖｉｎの値がＶｔｈ以下の時は過電圧状態ではないと判断し、同様の制御を繰り返す。Ｓ６０２ではフィードバック制御ではなく、オープンループ制御により出力電圧を６Ｖにする。次のステップのＳ６０３ではＦＢ端子電圧が低下してきたかどうかの判断を行う。ＦＢ端子電圧が低下してきたことを検知するとフィードバック制御に移行できると判断し、Ｓ６０４に進む。ＦＢ端子電圧が低下してきたことを検知できない場合はフィードバック制御に移行できないと判断し、同様の動作を繰り返す。Ｓ６０４ではフィードバック制御に移行して出力電圧Ｖ２１を５Ｖ出力にしてする。次のステップのＳ６０５では入力電圧Ｖｉｎの電圧検知を行う。Ｖｔｈ２は出力電圧Ｖ２１を５Ｖ出力状態にしてもＦＥＴ３が破壊してしまう電圧を示す閾値である。入力電圧Ｖｉｎの値がＶｔｈ２より大きいときは出力電圧Ｖ２１が５Ｖ出力状態でもＦＥＴ３が破壊してしまう電圧になっていると判断してＳ６０６に進む。Ｓ６０６ではスイッチング電源装置４００を停止させる。Ｓ６０５で入力電圧Ｖｉｎの値がＶｔｈ２より小さいことを検知したときは出力電圧Ｖ２１が５Ｖ出力状態でもＦＥＴ１が破壊してしまう電圧になっていないと判断しＳ６１０に進む。Ｓ６１０では電圧検知を行い、入力電圧Ｖｉｎの値がＶｔｈ１より大きい時は過電圧状態から復帰していないと判断し、Ｓ６０５に進む。入力電圧Ｖｉｎの値がＶｔｈ以下の時は過電圧状態から復帰したと判断し、Ｓ６１１に進む。６１１では出力電圧Ｖ２１を２４Ｖ出力状態に戻し、Ｓ６０１に戻る。

図７はスイッチング電源装置４００の二次側の出力電圧Ｖ２１が５Ｖで動作している時の過電圧検知のフローチャートである。Ｓ７００はスイッチング電源装置４００の出力電圧Ｖ２１が５Ｖで動作している状態を示している。Ｓ７０１で入力電圧Ｖｉｎの電圧検知を行う。入力電圧Ｖｉｎの値がＶｔｈ２より小さいときは二次側の出力電圧Ｖ２１が５Ｖ出力状態でもＦＥＴ１が破壊してしまう電圧になっていないと判断し７０１に戻り、５Ｖ出力状態を保つ。入力電圧Ｖｉｎの値がＶｔｈ２より大きいときは二次側の出力電圧Ｖ２１が５Ｖ出力状態でもＦＥＴ３が破壊してしまう電圧になっていると判断し７０２に進む。７０２ではスイッチング電源装置４００を停止させる。

以上、本実施例によればアクティブクランプ方式のスイッチング電源装置においても過電圧状態を検知した場合に二次側の出力電圧を低下するように切り替える。これによりＦＥＴ２３にかかる電圧を低減することができ、電源の故障を防止することができる。過電圧状態が解消されれば自動的に２４Ｖを出力した通常の状態に復帰することができる。

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装置は、例えば画像形成装置の電源、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。

［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８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（画像形成手段）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を備えている。なお、実施例１、２の電源装置を適用可能な画像形成装置は、図８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（記録材）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に記載の電源装置は、例えば、降圧型コンバータ（図４のＤＣ／ＤＣコンバータ１０５）を介してエンジン制御部３２０に電力を供給する。また、実施例１、２に記載の電源装置は、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。コントローラ３２０は、レーザビームプリンタ３００を前述したスリープモードや、スタンバイ／プリントモードのシステムモードに切り替える。

図９は、画像形成装置の一例であるレーザビームプリンタと周辺装置の概略の接続構成を示す制御ブロック図である。レーザビームプリンタ３００のコントローラ３１０は、ＬＡＮやＵＳＢ等を経由してパーソナルコンピュータ６００（以降ＰＣ６００と称す）と接続されている。更に、コントローラ３１０は、ユーザインタフェースを行う表示パネル３４０や、不図示の画像形成部の制御を行うエンジン制御部３２０、及び画像形成に必要なデータを格納しておく記憶装置であるＨＤＤ３３０とも接続されている。コントローラ３１０はＰＣ６００から印刷のコマンドや画像データを受け取ると、エンジン制御部３２０に画像形成指示や変換した画像データを送信する。エンジン制御部３２０はコントローラ３１０から受け取った情報に基づいて不図示の画像形成部のモータ等を制御し、画像形成処理を行う。

実施例１、２に記載のスイッチング電源装置は、例えばコントローラ３１０及びＨＤＤ３３０、エンジン制御部３２０に二次側の出力電圧を供給することが可能である。また、スイッチング電源装置は、エンジン制御部３２０を経由して画像形成部のモータ等に二次側の出力電圧を供給する。

本実施例の画像形成装置は、スタンバイ状態又はスリープ状態で動作することが可能となっている。スタンバイ状態とは、画像形成状態、または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である。スリープモードとは、消費する電力を低減させた状態である。また画像形成装置３００の動作状態はスイッチング電源装置の動作状態と連動している。

例えば、実施例２に記載のＣＰＵ１が制御部３２０上にあるとすると、制御部３２０がスイッチング電源装置４００にＳＴＡＮＤＢＹ信号を出力する。制御部３２０がＳＴＡＮＤＢＹ信号をハイにしてスイッチング電源装置４００に二次側の出力電圧Ｖ２１に２４Ｖを出力する状態を指示している時、入力電圧Ｖｉｎの過電圧状態を検知して二次側の出力電圧Ｖ２１の電圧を低下させる。すると、制御部３２０はＶ２１Ｓｅｎｃｅ信号により出力電圧Ｖ２１の電圧が低下してきたことを検知し、入力電圧Ｖｉｎが過電圧状態であると判断する。制御部３２０は入力電圧Ｖｉｎの過電圧状態を検知すると、ＳＴＡＮＤＢＹ信号をローにすることでスイッチング電源装置のフィードバック部１１６の切り替えと、ＦＥＴ２１をオフにして出力電圧Ｖ２１から出力電圧Ｖ２３への経路の遮断を行う。これにより、ＦＥＴ２３にかかる電圧を低減させ、スイッチング電源装置４００の故障を防止することがでる。さらに制御部３２０は表示パネル３４０やコントローラ３１０に接続されているＰＣ６００等からユーザーへの過電圧状態の報知を行ったり、画像形成装置３００をデータの破損やＨＤＤ３３０の故障なく停止できる状態へ遷移させたりする。これにより、スイッチング電源装置に、高耐圧の部品の使用や、検知回路の追加等によるコストアップなしで、ユーザーへ過電圧状態であることを報知することができ、また装置のデータ破損やＨＤＤ等の故障が発生しない状態に遷移することができる。

２００、４００ スイッチング電源装置
１０１、２０２ 一次側制御部
１１５、１１６ フィードバック部
ＦＥＴ１、ＦＥＴ２、ＦＥＴ２１、ＦＥＴ２３、ＦＥＴ２４、ＦＥＴ６１、ＦＥＴ８２ 電界効果トランジスタ
Ｔ１、Ｔ２１ トランス

Claims (8)

1. 一次側と二次側が絶縁されており前記一次側に一次巻線を有し、前記二次側に二次巻線を有するトランスと、
   前記一次巻線に直列に接続された第１のスイッチング素子と、
   前記二次巻線に発生された電圧を整流及び平滑する整流平滑手段と、
   前記二次巻線に発生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って整流及び平滑された電圧が第一の電圧になるように前記第一のスイッチング素子の駆動を制御する制御手段と、
   前記トランスの一次巻線に入力電圧を検知するための電圧検知手段と、を有し、
   前記制御手段は、前記電圧検知手段によって検知された前記入力電圧が閾値以上になった場合に、前記フィードバック手段から出力された前記情報に従い、前記二次巻線に発生される電圧を前記第一の電圧よりに低い第二の電圧に低下させることを特徴とするスイッチング電源装置。
2. 前記トランスは、前記一次側に補助巻線を有し、前記補助巻線に前記フィードバック手段が接続されていることを特徴とする請求項１に記載のスイッチング電源装置。
3. 前記制御手段は、前記電圧検知手段によって検知された前記入力電圧が閾値未満になった場合に、前記フィードバック手段から出力された前記情報に従い、前記二次巻線に発生される電圧を前記第二の電圧から第一の電圧に切り替えることを特徴とする請求項１または２に記載のスイッチング電源装置。
4. 前記電圧検知手段によって検知された前記入力電圧が前記閾値以上の状態とは過電圧状態であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のスイッチング電源装置。
5. 更に、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、を有し、
   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ように前記第一と前記第二のスイッチング素子の動作を制御することを特徴とする請求項１に記載のスイッチング電源装置。
6. 前記フィードバック手段は、前記二次巻線に発生された電圧を分圧した電圧を前記制御手段に伝達するためのフォトカプラを有することを特徴とする請求項５に記載の電源装置。
7. 前記二次巻線に発生された電圧に関する情報を前記制御手段に伝達するための伝達手段を含む切り替え手段を有し、前記制御手段は、前記切り替え手段から出力される信号に従い、前記二次巻線に発生される電圧を前記第一の電圧よりに低い第二の電圧に低下させることを特徴とする請求項６に記載の電源装置。
8. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の前記電源装置から電力が供給されて動作する画像形成装置において、
   画像を形成するための画像形成手段と、
   前記画像形成手段の動作を制御するコントローラと、
   前記画像形成手段を駆動する駆動手段と、を有し、
   前記電源装置は、前記コントローラ、または、前記駆動手段に電力を供給することを特徴とする画像形成装置。

Images