JP2021027703A - 電源装置及び画像形成装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】制御部への電圧供給の際の電力損失を低減する。【解決手段】レーザビームプリンタにおいて、交流電圧を直流電圧に変換し出力電圧を出力する電源装置108は、1次巻線P1、2次巻線S1、補助巻線P2、P3を有するトランスT1と、スイッチング動作を行うFET207、208と、FET207、208を駆動する駆動部210と、駆動部210を制御する制御部209と、入力された電圧を制御部209に供給するために降圧するシリーズレギュレータ260と、駆動部210に供給するための電源電圧V1に応じた電圧をシリーズレギュレータ260に入力する第1の状態と、補助巻線P3に誘起された電源電圧V2をシリーズレギュレータ260に入力する第2の状態と、を切り替えるスイッチ回路140と、を備える。【選択図】図2

Description

本発明は、電源装置及び画像形成装置に関し、特に、ACDCコンバータの制御部へ電圧を供給する電源装置に関する。
ACDCコンバータを動作させるためには、スイッチ用の電界効果トランジスタ(以下、FETという)を駆動する駆動部やFETのスイッチング動作を制御する制御部等に異なる複数の電源電圧を必要とするものもある。複数の電源電圧を供給するために、トランスの補助巻線に発生する電圧を駆動部へ供給し、駆動部へ供給された電圧をシリーズレギュレータで降圧して制御部へ供給する構成が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
特開2017−112798号公報
しかしながら、駆動部へ供給された電圧をシリーズレギュレータで降圧して制御部へ供給する構成は、駆動部用の大きい電源電圧から制御部用の小さい電源電圧を生成するため、入出力電圧の差が大きくなり消費電力が大きくなってしまうおそれがある。
本発明は、このような状況のもとでなされたもので、制御部への電圧供給の際の電力損失を低減することを目的とする。
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。
(1)1次巻線、2次巻線、第1の補助巻線及び第2の補助巻線を有するトランスと、前記1次巻線に接続され、スイッチング動作を行うスイッチング素子と、前記スイッチング素子を駆動する駆動手段と、前記駆動手段を制御する制御手段と、を備え、交流電圧を直流電圧に変換し出力電圧を出力する電源装置であって、入力された電圧を前記制御手段に供給するために降圧する降圧手段と、前記駆動手段に供給するための第1の電圧に応じた電圧を前記降圧手段に入力する第1の状態と、前記第2の補助巻線に誘起された第2の電圧を前記降圧手段に入力する第2の状態と、を切り替える第1の切替手段と、を備え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、制御部への電圧供給の際の電力損失を低減することができる。
実施例1、2のレーザビームプリンタの概略図 実施例1の電源装置の概略図 実施例1の電源電圧の遷移を示すグラフ 実施例1の電源装置の動作箇所の説明図 実施例2の電源装置の概略図 実施例2の電源電圧の遷移を示すグラフ 実施例2の電源装置の動作箇所の説明図
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。
[レーザビームプリンタの説明]
以下、実施例1の電源装置108を画像形成装置に適用した場合について、図1から図4を参照しながら以下説明する。図1に画像形成装置の一例として、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100(以下、プリンタ100という)は、静電潜像が形成される像担持体である感光ドラム101、感光ドラム101を一様に帯電する帯電部102、感光ドラム101に形成された静電潜像をトナーで現像する現像部103を備えている。そして、感光ドラム101上(像担持体上)のトナー像を、カセット104から供給された記録材であるシートPに転写部105によって転写し、シートPに転写したトナー像を定着器106で定着してトレイ107に排出する。この感光ドラム101、帯電部102、現像部103、転写部105が画像形成部である。また、プリンタ100は、電源装置108を備え、電源装置108からモータ等の駆動部と制御部500へ電力を供給している。制御部500は、CPU(不図示)を有しており、画像形成部による画像形成動作やシートPの搬送動作等を制御している。
プリンタ100は、プリント動作を終了させると所定時間が経過した後、プリント動作をすぐに実行できるスタンバイ状態に遷移する。その後プリント動作が開始されることなく、さらに所定時間が経過した後、プリンタ100は待機時の消費電力を低減するため、低消費電力モードであるスリープ状態に遷移する。プリンタ100はスリープ状態、スタンバイ状態、プリント状態の3つの状態を持ち、制御部500がそれぞれの状態に遷移させる。
[電源装置の説明]
図2に電源装置108の概略構成の一例を示す。実施例1の電源装置108の方式はアクティブクランプを用いたフライバック電源であるが、一石を使ったフライバック方式でも良い。交流電源110から入力された交流電圧は、回路保護用の電流ヒューズ203と整流ダイオードブリッジ204を介して全波整流され、1次平滑コンデンサ205(以下、平滑コンデンサ205という)により平滑され直流電圧となる。電源装置108は、平滑コンデンサ205に充電された直流電圧から、トランスT1を介して、絶縁された2次側に直流電圧である電源電圧Voutを出力する。トランスT1は、1次側に1次巻線P1、補助巻線P2、補助巻線P3を、2次側に2次巻線S1を備えた絶縁型のトランスである。1次巻線P1から2次巻線S1には、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。第1の補助巻線である補助巻線P2は電源電圧V1を生成し、第2の補助巻線である補助巻線P3は電源電圧V2を生成している。
トランスT1の1次巻線P1と直列に第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という)207が接続されている。また、1次巻線P1には、電圧クランプ用のコンデンサ264と第2のスイッチング素子であるFET208とが直列に接続された回路が、並列に接続されている。FET207と並列には、電圧共振コンデンサ265が接続されている。なお、電圧共振コンデンサ265を設けずに、FET207のドレイン端子とソース端子との間の容量を用いて電圧共振させても良い。FET207とFET208にはそれぞれボディーダイオードが存在する。
FET207及びFET208のオン(導通)又はオフ(非導通)の動作は、制御手段である制御部209によって制御される。制御部209がFET207のオンオフ信号DRV−L及びFET208のオンオフ信号DRV−Hを駆動部210に出力する。駆動手段である駆動部210は制御部209から出力されたオンオフ信号DRV−L、DRV−Hを受け取って、駆動信号DRV−L’をFET207のゲート端子に出力し、駆動信号DRV−H’をFET208のゲート端子にそれぞれ出力する。駆動部210は、FET208を駆動するため、コンデンサ263及びダイオード262で構成されるチャージポンプ回路によって、VH端子とVG端子との間にFET208のゲート電圧用の電源電圧を生成している。実施例1では、チャージポンプ回路に用いる電圧は、電源電圧V1を元に昇圧している。
制御部209、駆動部210はそれぞれ異なる電源電圧V2’、V1で駆動される。具体的には、制御部209は電源電圧V2’で駆動され、駆動部210は電源電圧V1で駆動される。そのため、制御部209の入力端子Vinには電源電圧V2’が入力され、駆動部210の入力端子Vinには電源電圧V1が入力されている。駆動部210へ供給される電源電圧V1は、FET207とFET208を駆動するために、少なくとも10V以上が必要である。一方、制御部209へ供給される電源電圧V2’は、安定した低い電圧が必要である。実施例1では、電源電圧V1は例えば15〜36Vとし、電源電圧V2’は例えば3.3Vとする。電源電圧V1、V2’の生成については後述する。なお、制御部209、駆動部210は、それぞれGND端子を有し、各GND端子は平滑コンデンサ205の低電位側に接続されている。
電源装置108の2次側には、トランスT1の2次巻線S1に生じるフライバック電圧の2次側整流平滑手段としてダイオード266及びコンデンサ267を有している。また、電源装置108の2次側には、2次側に出力される電源電圧Voutを1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130を有している。
(電源電圧Voutのフィードバック制御)
フィードバック部130は、電源電圧Voutを所定の一定電圧(以後、目標電圧という)に制御するために用いられている。電源電圧Voutの目標電圧は、シャントレギュレータ225のリファレンス端子REFに入力される電圧(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。すなわち、分圧抵抗223、224、226によって電源電圧Voutが設定される。電源電圧Voutが目標電圧より高くなるとシャントレギュレータ225のカソード端子Kが電流を引き込み、電源電圧Voutからプルアップ抵抗221を介してフォトカプラ215の2次側ダイオード215dに電流が流れる。その後フォトカプラ215の1次側トランジスタ215tが動作すると、電源電圧V2’から抵抗240を介して充電されていたコンデンサ230から電荷が放電され、制御部209のFB端子の電圧が低下する。また、電源電圧Voutが目標電圧より低くなると、フォトカプラ215の1次側トランジスタ215tの動作が停止して電源電圧V2’から抵抗240を介してコンデンサ230に充電電流が流れるため、制御部209のFB端子の電圧が上昇する。制御部209は、FB端子に入力された電圧信号に基づき、FET207、FET208をオンオフすることで、電源電圧Voutを目標電圧に維持するよう制御する。
(電源電圧Voutの目標電圧の切り替え制御)
次に、電源電圧Voutの目標電圧の切り替え制御について説明する。まず、プリンタ100の第1のモードであるスタンバイ状態及びプリント状態において、電源装置108は電源電圧Voutをモータ等の駆動部や画像形成部へ供給している。このとき、制御部500は電源電圧Voutの目標電圧を切り替えるための切り替え信号201をハイレベル(例えば3.3V)として出力する。ハイレベルの切り替え信号201は、抵抗228と抵抗229とで分圧され、分圧された電圧がFET227のゲート端子に供給される。するとFET227がオン(ON)して、FET227のドレイン‐ソース間が導通するので、抵抗226が無視できる状態となる。シャントレギュレータ225のREF電圧をVREF、抵抗223の抵抗値をR223、抵抗224の抵抗値をR224、抵抗226の抵抗値をR226、計算の簡略化のためFET227のオン抵抗を無視できる程小さいものとする。そうすると、スタンバイ状態及びプリント状態における第1の出力電圧である電源電圧Vout(V24V)は以下の式(1)で表される。
Figure 2021027703
具体的な数値の設定例として、V24V=24Vとする。
またプリンタ100の第2のモードであるスリープ状態において、制御部500が電源電圧Voutの目標電圧を切り替えるための切り替え信号201をローレベル(0V)として出力する。そうすると、FET227がオフ(OFF)してFET227のドレイン‐ソース間が非導通となるので、抵抗226が電気的に無視できない状態となる。計算の簡略化のためFET227のオフ時の漏れ電流を0Aとすると、スリープ状態における第2の出力電圧である出力電圧Vout(V5V)は以下の式(2)で表される。
Figure 2021027703
具体的な数値の設定例として、V5V=5Vとする。抵抗223、224、226、FET227は第2の切替手段として機能する。
[電源電圧V2’の生成]
次に、駆動部210へ供給される電源電圧V1と制御部209及びフィードバック部130へ供給される電源電圧V2’の生成について説明する。電源電圧V1、V2’の生成は、スイッチング動作の開始前後によって異なる。
(スイッチング動作の開始前)
まず、スイッチング動作が開始される前における電源電圧V1、V2’の生成について説明する。スイッチング動作の開始前は、トランスT1に電圧が出力されていないため、トランスT1に発生する電圧とは別の電源電圧の生成手段が必要となる。実施例1では、起動回路120とスイッチ回路140とを設けて対応する。駆動部210のVin端子に供給される電源電圧V1は、起動回路120から生成される。制御部209のVin端子及びフィードバック部130に供給される電源電圧V2’は、次のようにして生成される。すなわち、スイッチ回路140を介して電源電圧V1を電源電圧V2として、降圧手段であるシリーズレギュレータ260に供給し、電源電圧V2をシリーズレギュレータ260によって降圧することで電源電圧V2’が生成される。
(起動回路)
以下、起動回路120とスイッチ回路140について詳細に説明する。起動回路120は、FET252、抵抗250、ツェナーダイオード254、コンデンサ253を有する。FET252は、ゲート端子にツェナーダイオード254のカソード端子が接続され、起動回路120は電源電圧V1を生成する定電圧回路となっている。実施例1では、起動回路120は、電源電圧V1が例えば15Vになるように制御している。ツェナーダイオード254のツェナー電圧Vzは、15V(所定の電圧)とする。電源電圧V1がツェナー電圧Vz未満の場合は、FET252のオン抵抗を小さくし電源電圧V1の供給をオンするように制御し、電源電圧V1がツェナー電圧Vz以上の場合は、FET252のオン抵抗を大きくし電源電圧V1の供給をオフするように制御する。抵抗250は、平滑コンデンサ205により平滑された直流電圧を電圧降下させている。ツェナーダイオード254は、FET252のゲート端子に入力される電圧を決めている。コンデンサ253は、FET252のゲート端子のリップル電圧を除去するために用いている。
(スイッチ回路)
スイッチ回路140は、電源電圧V1とシリーズレギュレータ260の入力端子Vinとの間に配置され、シリーズレギュレータ260への電圧供給を制御している。スイッチ回路140は電源電圧V1を電源電圧V2としてシリーズレギュレータ260に供給する。スイッチ回路140は、FET258、抵抗256、257、FET261、ダイオード259を有する。スイッチ回路140は、電源電圧V1とFET258のドレイン端子とが接続され、FET258のソース端子とシリーズレギュレータ260の入力端子Vinとが接続されている。FET258のオンオフは、スイッチ回路140のオンオフ状態を決めている。抵抗256は、FET258のゲート端子に電圧を入力するためのプルアップ抵抗であり、抵抗257を介してFET258のゲート端子に接続されている。制御部209は、FET261を介してFET258を制御している。FET261のドレイン端子は、抵抗257を介してFET258のゲート端子に接続されている。FET261のゲート端子は、制御部209の/SW_ON端子に接続されている。
ダイオード259は、アノード側がFET258のソース端子と接続され、カソード側がFET258のゲート端子と接続されている。ダイオード259と抵抗257は、FET258のゲート‐ソース間に掛かる電圧を低減するために用いられている。例えば、スイッチ回路140がオンして、電源電圧V1が電源電圧V2として供給されているとき、FET261がオンするとダイオード259を介してFET258のゲート端子に電源電圧V2が供給される。このとき、ダイオード259を介して電源電圧V2がゲート端子へ供給されるので、FET258のゲート‐ソース間の電圧は、‐Vf(ダイオード259の順方向電圧を示す)分となる。
次に、スイッチ回路140のオンオフについて説明する。制御部209の/SW_ON端子から出力される信号は、スイッチ回路140をオンオフするために出力されている。/SW_ON端子からオン信号(0V)が出力されるとFET261がオフし、スイッチ回路140が動作(オン)(FET258がオン)する。同様に/SW_ON端子からオフ信号(3.3V)が出力されるとFET261がオンし、スイッチ回路140の動作が停止(オフ)(FET258がオフ)する。
(スイッチング動作開始前)
FET207、208のスイッチング動作の開始前においては、制御部209の/SW_ON端子はプルダウン設定になっているため、FET261がオフし、スイッチ回路140がオン(FET258がオン)する。そのため、スイッチング動作の開始前においてもスイッチ回路140を介して供給された電源電圧V1(電源電圧V2)をシリーズレギュレータ260で降圧して、シリーズレギュレータ260のVout端子から電源電圧V2’を出力することができる。以上より、スイッチング動作の開始前においても、駆動部210用の電源に電源電圧V1(起動回路120から)、制御部209及びフィードバック部130用の電源に電源電圧V2’(シリーズレギュレータ260から)を供給することができる。
(スイッチング動作開始後)
次に、スイッチング動作が開始された後における電源電圧V1、V2’の生成について説明する。スイッチング動作が開始された後は、電源装置108の効率が求められるため、電源電圧V1、V2の生成を効率よく行う必要がある。そのため、変換効率の高い補助巻線P2、P3に発生した電圧を元に、電源電圧V1、V2を生成する。生成された電源電圧V2を元に、シリーズレギュレータ260で降圧して、電源電圧V2’を生成する。
ここで注意すべきは、シリーズレギュレータは入出力間の電位差が大きい程、電力損失が大きくなることである。例えば、電源電圧V1が15Vのときにシリーズレギュレータ260によって降圧して3.3V電圧を生成する場合は、入出力間の電位差が15V−3.3V=11.7Vとなる。これにより、シリーズレギュレータ260の消費電流及び負荷電流によって無駄な電力損失が生じる。したがって、待機時やオフ時のように少しでも無駄な電力損失を減らしたい場合は、入出力間の電位差ができるだけ小さくなるよう設計すべきである。以上を鑑み、実施例1では、スイッチング動作開始後における電源電圧V1、V2’を以下のように生成する。
(電源電圧V1)
電源電圧V1は、補助巻線P2に発生した電圧をダイオード270とコンデンサ271で整流平滑して生成する。実施例1では、電源電圧V1は、トランスT1のフォワード動作を利用して補助巻線P2から電力を得る構成とし、電源電圧V1は15〜36Vに設定する。電源電圧V1が15〜36Vの範囲でばらついている理由は、交流電源110から入力された交流電圧の電圧値の違いである。実施例1でフォワード動作を利用する理由は、フライバック動作を利用するよりもスタンバイ時及びプリント時の最大電圧を低くでき、FET207、208のゲート耐圧を下げることができるからである。さらに、補助巻線P2に発生する電源電圧V1にフライバック動作を利用する場合は、補助巻線P3に発生する電源電圧V2にフライバック動作を利用するよりも最大電圧が大きくなるため、FET207、208のゲート耐圧を上げる必要がある。これらの理由のために、補助巻線P2ではフォワード動作を利用している。補助巻線P2で生成された電源電圧V1は、駆動部210へ供給される。起動回路120は、スイッチング動作が開始されると補助巻線P2に発生する電圧が出力され、電源電圧V1がツェナー電圧Vz以上になるため、前述した通りFET252を介した電圧供給をオフする。
(電源電圧V2)
電源電圧V2は、補助巻線P3に発生した電圧をダイオード280とコンデンサ281で整流平滑して生成する。実施例1では、電源電圧V2は、トランスT1のフライバック動作を利用して補助巻線P3から電力を得る構成とする。電源電圧V2は、電源電圧Voutと同様に、スリープ時5V(起動時も含む)、スタンバイ時及びプリント時は24Vに設定する。実施例1でフライバック動作を利用する理由は、交流電源110から入力された交流電圧の電圧値の違いによらず一定の電源電圧V2を生成することができ、軽負荷時に電源電圧V2を低い電圧に設定できるからである。生成された電源電圧V2は、シリーズレギュレータ260によって電源電圧V2’に降圧される。シリーズレギュレータ260により生成された電源電圧V2’は、制御部209及びフィードバック部130へ供給される。実施例1では、電源電圧V2’は、3.3Vに設定する。
このとき、/SW_ON端子からはオフ信号(3.3V)が出力されており、FET258をオフしている。これにより、スイッチ回路140は動作を停止している。そのため、電源電圧V1はシリーズレギュレータ260へ供給されることはない。これによって、電源電圧V2が5V(スリープ時)の場合は、入出力間の電位差が5V−3.3V=1.7Vとなるので、前述した電力損失よりも低減することができる。なお、実施例1の構成は、FET207、208のゲート耐圧を下げることができ、かつ、交流電圧の電圧値の違いによらず、スリープ時の電力損失を下げたい場合に有効である。
また、電源電圧V1、V2は、トランスT1のフライバック動作を利用して補助巻線P2、P3から電力を得る構成とし、常に電源電圧V2を電源電圧V1の電圧よりも低く設定する構成としても良い。この場合、スタンバイ時及びプリント時のFET207、208のゲート耐圧を上げる必要があるものの、前述した実施例の構成よりもスリープ時の電力損失を下げることができる。
また、電源電圧V1、V2は、トランスT1のフォワード動作を利用して補助巻線P2、P3から電力を得る構成とし、常に電源電圧V2を電源電圧V1の電圧よりも低く設定する構成としても良い。この場合、交流電圧の電圧値の違いによっては、前述した2つの構成よりもスリープ時の電力損失を下げる効果は多少落ちるものの、スリープ時に限らず電力損失を下げることができる。また、電源電圧V1、V2は、トランスT1の1次巻線P1の中点電圧から生成する構成であっても良い。さらに、電源電圧V2は、電源電圧V1を生成する補助巻線P2の中点電圧から生成する構成であっても良い。以上より、(1)スイッチング動作開始前に電源電圧V1と電源電圧V2’へ電力を供給することができる。そして、(2)スイッチング動作開始後に、入出力間の電位差が小さい電源電圧V2からシリーズレギュレータ260で電源電圧V2’を生成することができる。以上の(1)、(2)の2つを両立することができる。
以上のように、シリーズレギュレータ260は、駆動部210に供給するための第1の電圧である電源電圧V1に応じた電圧が入力される第1の状態と、補助巻線P3に誘起された第2の電圧である電源電圧V2が入力される第2の状態とがある。スイッチ回路140は、第1の状態と第2の状態を切り替える第1の切替手段として機能する。
[制御動作の説明]
図3と図4を用いて、制御動作を詳細に説明する。図3にスイッチング動作開始前からスイッチング動作が安定するまでの各電圧及び信号の推移を示す。図3で(i)は電源電圧V1、(ii)は制御部209の/SW_ON端子の電圧、(iii)は電源電圧V2、(iv)は電源電圧V2’、(v)は電源電圧Voutをそれぞれ示す。(vi)は電源電圧Voutの目標電圧を切り替える切り替え信号201の波形を示す。図3の横軸は時間を示し、TaからTlは時刻を示す。また、上述したように、実施例1の補助巻線P2で生成される電源電圧V1は15〜36Vとしており、図3の(i)に示すように下限である15V及び上限である36Vの場合のグラフを破線で示す。
一方図4には、図3に記載した期間1から期間4の各期間における電源装置108の動作個所を太線で示す。ここでの各期間とは、4つの期間に分類されている。期間1は、電源装置108に交流電源110の交流電圧が入力された直後の動作を示している。期間2は、スイッチング動作が開始された直後の動作を示している。期間3は、スリープ状態の動作を示している。期間4は、スタンバイ状態及びプリント状態の動作を示している。
(図3期間1:Ta〜Td)
図3を用いて期間1〜4について説明する。まず、時刻Taから時刻Tdまでの期間1について説明する。交流電源110の交流電圧が電源装置108に入力されてから所定の時間が経過した時刻Taになると、起動回路120を介して電源電圧V1が生成され始める。このとき、スイッチング動作開始前なので、前述した通り制御部209の/SW_ON端子はプルダウン設定になっており(ローレベル)、スイッチ回路140はオン状態(FET258はオン)となっている。
そのため、電源電圧V1は、スイッチ回路140を介してシリーズレギュレータ260に供給される。すなわち、電源電圧V2には、起動回路120の電源電圧V1が供給され始める。時刻Tbになると電源電圧V2がシリーズレギュレータ260の最低動作電圧V260(min)に達する。すると、シリーズレギュレータ260の動作が開始して電源電圧V2’が生成され始める。時刻Tcになると電源電圧V2’が3.3Vに達し、制御部209の動作が開始される。以降、シリーズレギュレータ260は電源電圧V2から3.3Vの電源電圧V2’の生成を維持する。
(図3期間2:Td〜Tg)
次に、時刻Tdから時刻Tgまでの期間2について説明する。時刻Tdになると電源電圧V1が15Vに達し、駆動部210の動作が開始すると、FET207、208はスイッチング動作を開始する。すると、電源電圧Voutと補助巻線P2、P3に発生する電圧が出力され始める。このとき、スイッチ回路140はオン状態が継続しているため、電源電圧V2は、電源電圧V1の電圧が供給され続ける。起動回路120は、前述した通り、電源電圧V1がツェナー電圧Vz(15V)以上になると、FET252を介した電圧供給を停止する。すなわち、電源電圧V1は補助巻線P2から供給されることとなる。図3の(iii)に破線で示す電圧は、15〜36Vの値を持つ電源電圧V1に対応している。時刻Teになると電源電圧Voutは5Vに達する。時刻Te以降では電源電圧V1、V2は、15V〜36Vに達する。例えば、図3(i)、(iii)に示すように、時刻Tfで電源電圧V1、V2は24Vに達する。
(図3期間3:Tg〜Ti)
次に、時刻Tgから時刻Tiまでの期間3(スイッチング動作開始直後からスリープ状態へ切り替わる場合)について説明する。まず、時刻Tgで制御部209の/SW_ON端子からオフ信号(3.3V)が出力される(ii)。これにより時刻Tgでスイッチ回路140はオフ状態となるため、スイッチ回路140を介した電源電圧V1の電圧供給がオフする。そのため、電源電圧V2への電圧供給が、電源電圧V1から補助巻線P3に発生する電圧へと切り替わる。すなわち、電源電圧V2は、15〜36Vから5Vへ遷移する。例えば電源電圧V2が24Vであった場合は時刻Thで、電源電圧V2は5Vに達する(iii)。なお、電源電圧V2が15V以上24V未満であった場合は時刻Thより早く5Vに達し、電源電圧V2が24Vより大きく36V以下であった場合は時刻Thより遅く5Vに達する(iii)。このとき、プリンタ100はスリープ状態となっている。
(図3期間4:Ti〜Tk)
次に、時刻Tiから時刻Tkまでの期間4について説明する。まず、時刻Tiで制御部500から電源電圧Voutの目標電圧の切り替え信号201がハイレベル(3.3V)で出力される。時刻Tiでは、電源電圧Vout及び電源電圧V2が切り替わり、電源電圧Vout及び電源電圧V2は5Vから24Vへ遷移する。時刻Tjになると電源電圧Vout及び電源電圧V2は、24Vに達し、電源電圧V1は24V〜36Vに達する。このとき、プリンタ100はスタンバイ状態やプリント状態となっている。
(図3期間3:Tk〜)
再度、時刻Tk以降の期間3(スタンバイ状態やプリント状態からスリープ状態へ切り替わる場合)について説明する。まず、時刻Tkで制御部500から電源電圧Voutの目標電圧の切り替え信号201がローレベル(0V)で出力される。時刻Tkでは、電源電圧Vout及び電源電圧V2が切り替わり、24Vから5Vへ遷移する。時刻Tlになると電源電圧Vout及び電源電圧V2が5Vに達する。
ここで、期間3、4について、電源電圧V2の値が電源電圧V1の値とFET258のボディーダイオードの順方向電圧Vfとの合計値よりも大きくなった場合は、次のように電圧が供給される。すなわち、電源電圧V2はFET258のボディーダイオードを介して電源電圧V1に供給される((i)の15Vの破線)。
[電源装置の動作箇所]
(図4期間1)
同様に、図4を用いて期間1〜4について説明する。図4の太線は電圧供給がオンしている経路を示し、細線は電圧供給がオフしている経路を示している。また、図4では電源装置108の要部のみ描画している。まず、期間1について説明する。期間1は、まだスイッチング動作が開始されていないため、それぞれの補助巻線P2、P3から電圧は出力されていない。そのため、起動回路120から生成された電源電圧V1(0〜15V)をシリーズレギュレータ(REGと記載)260へ供給し、電源電圧V2’(0〜3.3V)を生成している。このとき、電源電圧V1をシリーズレギュレータ260へ供給するため、スイッチ回路140はオンしている。実施例1では、電源電圧V1、V2’は、15V、3.3Vとする。なお、電源電圧V2(0〜15V)にはスイッチ回路140を介して電源電圧V1(0〜15V)が供給され、スイッチング動作開始前であるため電源電圧Vout(0V)は生成されていない。
(図4期間2)
次に、期間2について説明する。期間2は、スイッチング動作開始直後のため、それぞれの補助巻線P2、P3に電圧が出力され始める。すると前述した通り、起動回路120を介した電圧の供給はオフする。すると、シリーズレギュレータ260への入力電圧は、補助巻線P2に発生する電圧である電源電圧V1(15〜36V)へ切り替わる(図3時刻Td)。実施例1では、電源電圧V1は、15〜36Vとする。このとき、補助巻線P3に発生する電圧である電源電圧V2は、補助巻線P2に発生した電圧である電源電圧V1よりも小さい(V1>V2)。このため、スイッチ回路140を介して電源電圧V1(15〜36V)が電源電圧V2としてシリーズレギュレータ260に供給される。なお、シリーズレギュレータ260は電源電圧V2’(3.3V)を生成している。また、電源電圧Vout(0〜5V)が出力される。
(図4期間3)
次に、期間3について説明する。期間3は、電源電圧Vout及び補助巻線P3に発生した電圧である電源電圧V2に5Vが出力されている状態である。このとき、スイッチ回路140を介した電源電圧V1の供給をオフすることで、電源電圧V2は、補助巻線P3に発生した電圧に切り替わり始める(図3時刻Tg)。そのため、電源電圧V2’は、補助巻線P3に発生した電圧である電源電圧V2(5V)を元にシリーズレギュレータ260から生成される。
ここで、期間3で(スタンバイ状態及びプリント状態からスリープ状態へ切り替わる場合(図3の時刻Tk))、電源電圧V2が電源電圧V1よりも大きくなる場合がある(V2>V1)。なお、FET258のボディーダイオードの順方向電圧Vfは簡略化のため0Vとする。その場合は、FET258のボディーダイオードを介して電源電圧V2が電源電圧V1に供給される(不図示)。
(図4期間4)
次に、期間4について説明する。期間4は、電源電圧Vout及び補助巻線P3に発生した電圧である電源電圧V2に24Vが出力されている状態である。ここで、期間4は、期間4(1)と期間4(2)の2種類の状態がある。期間4(1)は、補助巻線P2に発生する電圧である電源電圧V1が15〜24V未満のときを示しており、期間4(2)は、補助巻線P2に発生する電圧である電源電圧V1が24〜36Vのときを示している。
まず、期間4(1)について説明する。期間4(1)は、電源電圧V1よりも電源電圧V2が大きい(V2>V1)。このため、スイッチ回路140のスイッチ素子であるFET258のボディーダイオードを介して電源電圧V2が電源電圧V1へ供給される。図4ではスイッチ回路140は稼動していないため細線で示し、スイッチ回路140の上下に描画された太線によってFET258のボディーダイオードを介して電源電圧V2が電源電圧V1へ供給されていることを示している。そのため、電源電圧V1と電源電圧V2は、24Vとなる。なお、電源電圧V2’は3.3V、電源電圧Voutは24Vである。
次に、期間4(2)について説明する。期間4(2)は、電源電圧V1よりも電源電圧V2が小さい(V1>V2)。このため、スイッチ回路140のFET258のボディーダイオードを介して電源電圧V2が電源電圧V1へ供給されることがなくなる。そのため、電源電圧V1は24〜36Vとなり、電源電圧V2は24Vとなる。なお、電源電圧V2’は3.3V、電源電圧Voutは24Vである。以上より、スイッチング動作開始前にあっては駆動部210と制御部209への電圧供給ができ、スイッチング動作開始後にあっては入出力間の電位差が小さい電源電圧から制御部用の電源電圧を生成することができる。これにより、変換効率の高い電源装置108を実現できる。
なお、実施例1においては、制御部209、駆動部210、起動回路120、フィードバック部130の全て又は一部を、演算制御手段に置き換えても良い。ここで、演算制御手段(CPU、ASICなど)は、例えば、アナログ回路で構成されたICや、発振器などによって生成されたクロックで動作する手段である。また、シリーズレギュレータよりも電力損失低減の効果は下がるものの、シリーズレギュレータ260はDCDCコンバータであっても良い。また、駆動部210の入力端子Vinと電源電圧V1との間にシリーズレギュレータを設け、電源電圧V1を降圧した電源電圧V1’を駆動部210に電圧供給する構成であっても良い。駆動部210用のシリーズレギュレータを設ける場合、スイッチ回路140は、電源電圧V1’とシリーズレギュレータ260の入力端子Vinとの間に配置される構成であっても良い。
以上、実施例1によれば、制御部への電圧供給の際の電力損失を低減することができる。
実施例2は、ACDCコンバータの制御部への電圧供給において、安価なシリーズレギュレータを用いて電力損失を低減し、変換効率の高い電源装置を実現できる。以下、図5、図6を参照しながら、実施例2の電源装置108を説明する。図2と符号が同じものは、同様の説明なので省略する。
[電源装置の説明]
図5に電源装置108の概略構成の一例を示す。以下、スイッチ回路160について詳細に説明する。実施例2の第1の切替手段であるスイッチ回路160は、電源電圧V1とシリーズレギュレータ260の入力端子Vinとの間に配置され、シリーズレギュレータ260への電圧供給を制御している。スイッチ回路160は、電源電圧V1とシリーズレギュレータ360の入力端子Vinとが接続され、シリーズレギュレータ360の出力端子Voutとシリーズレギュレータ260の入力端子Vinとが接続されている。なお、実施例2では、制御部209の/SW_ON端子は削除されている。
[スイッチ回路の動作]
(スイッチング動作開始前)
次に、スイッチ回路160の動作についてスイッチング動作の開始前後に分けて説明する。まず、スイッチング動作開始前のスイッチ回路160の動作を説明する。スイッチ回路160は、起動回路120によって生成された電源電圧V1からシリーズレギュレータ360によって電源電圧V2を生成する。実施例2では、シリーズレギュレータ360の目標電圧である電源電圧V2は5Vとする。この点、実施例1のスイッチ回路140と異なる。
(スイッチング動作開始後)
次に、スイッチング動作開始後のスイッチ回路160の動作を説明する。スイッチング動作開始後は、補助巻線P3に発生する電源電圧V2が出力される。実施例2では、補助巻線P3に発生する電源電圧V2は、スリープ時5V(起動時も含む)、スタンバイ時及びプリント時は24Vに設定する。このとき、シリーズレギュレータ360は、出力端子Voutの電圧が目標電圧(5V)以上に達しているため電圧供給をオフする。
ここで、スイッチ回路160は、電源電圧V1をシリーズレギュレータ360で降圧して、シリーズレギュレータ260の入力端子Vinに供給しているため、シリーズレギュレータ260の入力電圧の耐圧を下げることができる。さらに、2つのシリーズレギュレータ260、360を用いることで、起動時におけるシリーズレギュレータ260の許容損失も低減できる。したがって、シリーズレギュレータ260は、安価なシリーズレギュレータを用いることができる。以上より、安価なシリーズレギュレータ260を用いて、スイッチング動作開始前においても、駆動部210用の電源に電源電圧V1、制御部209及びフィードバック部130用の電源に電源電圧V2’を供給することができる。
[制御動作の説明]
図6と図7を用いて、制御動作を詳細に説明する。図3、図4と符号が同じものは、同様の説明なので省略する。図6にスイッチング動作開始前からスイッチング動作が安定するまでの電源電圧V1(i)、V2(ii)、V2’(iii)、Vout(iv)、切り替え信号201(v)の電圧遷移図を示す。図7に各期間における動作個所を示す。
(図6期間1:Ta〜Td)
まず、図6を用いて時刻Taから時刻Tdの期間1について説明する。時刻Tmになると、電源電圧V1がシリーズレギュレータ360の最低動作電圧V360(min)に達する(i)。すると、シリーズレギュレータ360の動作が開始して電源電圧V2が生成され始める。実施例2では、電源電圧V2を5Vとする。時刻Tnで電源電圧V2が5Vに達する。なお、時刻Ti〜Tj及び時刻Tk〜Tlの間は、補助巻線P2に発生する電圧である電源電圧V1は15〜36Vのままである。
(図7期間1)
同様に、図7を用いて期間1〜4について説明する。まず、期間1について説明する。期間1は、まだスイッチング動作が開始されていないため、それぞれの補助巻線P2、P3から電圧が出力されていない。そのため、起動回路120から生成された電源電圧V1(0〜15V)をシリーズレギュレータ(REGと図示)360へ供給することで、電源電圧V2(0〜5V)が生成されている。生成された電源電圧V2からシリーズレギュレータ260で電源電圧V2’(0〜3.3V)を生成する。なお、出力電圧Voutは0Vである。
(図7期間2)
次に、期間2について説明する。期間2は、スイッチング動作開始直後のため、それぞれの補助巻線P2、P3に電圧を出力し始める。すると前述した通り、起動回路120、シリーズレギュレータ360からの電圧供給はオフする。すると、シリーズレギュレータ260への入力電圧は、補助巻線P3に発生する電圧である電源電圧V2(5V)へ切り替わる。そして、シリーズレギュレータ260によって電源電圧V2’(3.3V)が生成される。実施例2では、電源電圧V2は5Vとする。なお、出力電圧Voutは0〜15Vであり、電源電圧V1は15〜36Vである。
(図7期間3)
次に、期間3について説明する。期間3は、電源電圧Vout及び補助巻線P3に発生した電圧である電源電圧V2に5Vが出力されている状態である。なお、電源電圧V1は15〜36V、電源電圧V2’は3.3Vである。
(図7期間4)
次に、期間4について説明する。期間4は、電源電圧Vout及び補助巻線P3に発生した電圧である電源電圧V2に24Vが出力されている状態である。なお、電源電圧V1は15〜36V、電源電圧V2’は3.3Vである。
このように実施例2においても、ACDCコンバータの制御部への電圧供給において、安価なシリーズレギュレータを用いて電力損失を低減し、変換効率の高い電源装置を実現できる。以上、実施例2によれば、制御部への電圧供給の際の電力損失を低減することができる。
140 スイッチ回路
207、208 FET
209 制御部
210 駆動部
260 シリーズレギュレータ
T トランス

Claims (10)

  1. 1次巻線、2次巻線、第1の補助巻線及び第2の補助巻線を有するトランスと、
    前記1次巻線に接続され、スイッチング動作を行うスイッチング素子と、
    前記スイッチング素子を駆動する駆動手段と、
    前記駆動手段を制御する制御手段と、
    を備え、交流電圧を直流電圧に変換し出力電圧を出力する電源装置であって、
    入力された電圧を前記制御手段に供給するために降圧する降圧手段と、
    前記駆動手段に供給するための第1の電圧に応じた電圧を前記降圧手段に入力する第1の状態と、前記第2の補助巻線に誘起された第2の電圧を前記降圧手段に入力する第2の状態と、を切り替える第1の切替手段と、
    を備えることを特徴とする電源装置。
  2. 前記第1の電圧が所定の電圧になるまで動作し、前記所定の電圧に達すると動作を停止する起動回路を備え、
    前記第1の電圧は、前記所定の電圧に達するまでは前記起動回路から供給され、前記所定の電圧に達した後は前記第1の補助巻線から供給されることを特徴とする請求項1に記載の電源装置。
  3. 前記出力電圧を第1の出力電圧又は前記第1の出力電圧よりも高い第2の出力電圧に切り替える第2の切替手段を備えることを特徴とする請求項2に記載の電源装置。
  4. 前記第1の切替手段は、ボディーダイオードを有するスイッチ素子を有し、
    前記第2の切替手段により前記出力電圧が前記第2の出力電圧に切り替えられている状態において、前記第2の電圧が前記第1の電圧よりも大きい場合、前記ボディーダイオードを介して前記第2の電圧が前記駆動手段に供給されることを特徴とする請求項3に記載の電源装置。
  5. 前記第1の切替手段は、前記第1の状態において、前記第1の電圧を降圧した電圧を前記降圧手段に出力するシリーズレギュレータを有することを特徴とする請求項3に記載の電源装置。
  6. 前記第1の補助巻線は、前記トランスのフォワード動作から電圧を生成し、
    前記第2の補助巻線は、前記トランスのフライバック動作から電圧を生成することを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の電源装置。
  7. 前記第1の補助巻線及び前記第2の補助巻線は、前記トランスのフライバック動作から電圧を生成することを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の電源装置。
  8. 前記第1の補助巻線及び前記第2の補助巻線は、前記トランスのフォワード動作から電圧を生成することを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の電源装置。
  9. 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8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。
  10. 画像形成を行う又は前記画像形成を行うために待機している第1のモードと、前記第1のモードよりも消費電力を低減させた第2のモードとで動作する画像形成装置であって、
    記録材に画像形成を行う画像形成手段と、
    請求項3に記載の電源装置と、
    前記第2の切替手段を制御する制御部と、
    を備え、
    前記制御部は、前記第1のモードでは前記出力電圧を前記第2の出力電圧に切り替え、前記第2のモードでは前記出力電圧を前記第1の出力電圧に切り替えるように前記第2の切替手段を制御することを特徴とする画像形成装置。
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