JP2021125941A - 電源装置及び画像形成装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】電源装置の効率と静音性を両立させること。【解決手段】1次側と2次側が絶縁されたトランスT1と、トランスT1の1次巻線P1に直列に接続されたFET1と、トランスT1の1次巻線P1と並列に接続されたFET2とコンデンサC2とが直列に接続された直列回路と、トランスT1の2次側から出力される出力電圧に基づいてフィードバック電圧を生成するフィードバック回路130と、フィードバック電圧に基づいてFET1及びFET2のスイッチング動作を制御するCPU10と、トランスT1の1次巻線P1に入力される入力電圧を検知する入力電圧検知回路120と、を備え、CPU10はFET1及びFET2を交互にスイッチング動作を行う動作期間とスイッチング動作を停止する停止期間とを交互に繰り返す間欠動作を実行させ、入力電圧検知回路120により検知された入力電圧に基づいて動作期間におけるFET1のスイッチング回数を決定する。【選択図】図1

Description

本発明は、電源装置及び画像形成装置に関し、特にアクティブクランプ方式のスイッチング電源装置の軽負荷時の制御に関する。
商用交流電源等から入力された交流電圧を直流電圧に変換するアクティブクランプ方式のスイッチング電源装置では、軽負荷時の電源効率(以下、効率という)を向上させるために間欠制御を行う場合がある。しかしながら、交流電源の電圧実効値(以下、電源電圧という)によっては、間欠動作を行っても効率を向上できない場合がある。
交流電源の電圧実効値によらず効率を向上させるために、電源電圧に基づいてメインスイッチ(メインのスイッチング素子)のオン時間を制御する方法が提案されている(例えば特許文献1参照)。特許文献1で提案されている方法では、電源電圧が低下するほどメインスイッチのオン時間を長くすることにより、電源電圧が変化した場合であっても、スイッチング電源の効率を向上させている。
特開2019−68491号公報
電源電圧に応じてメインスイッチのオン時間の制御を行うと、電源電圧が広い範囲で変化する場合には、メインスイッチのオン時間も大きく変化させる必要がある。しかしながら、メインスイッチのオン時間を大きく変化させると、トランスの磁歪音が増大する場合がある。そのため、電源電圧に応じてメインスイッチのオン時間を制御する方法では、効率と静音性を両立できる電源電圧の範囲が制限されるという課題があった。
本発明は、このような状況のもとでなされたもので、電源装置の効率と静音性を両立させることを目的とする。
上述した課題を解決するために、本発明では、以下の構成を備える。
(1)1次巻線、2次巻線、及び補助巻線を有し、1次側と2次側が絶縁されたトランスと、前記トランスの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、前記トランスの1次巻線と並列に接続された、第2のスイッチング素子とコンデンサとが直列に接続された直列回路と、前記トランスの2次側から出力される出力電圧に基づいてフィードバック電圧を生成するフィードバック手段と、前記フィードバック手段により生成されたフィードバック電圧に基づいて前記第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、前記トランスの1次巻線に入力される入力電圧を検知する検知手段と、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交互にオン又はオフするスイッチング動作を行う第1の期間と、前記スイッチング動作を停止する第2の期間と、を交互に繰り返す間欠動作を制御し、前記検知手段により検知された入力電圧に基づいて、前記第1の期間における前記第1のスイッチング素子のスイッチング回数を決定することを特徴とする電源装置。
(2)シートに画像形成を行う画像形成部と、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、電源装置の効率と静音性を両立させることができる。
実施例1〜3の電源装置の構成を示す回路図 実施例1の電源装置の軽負荷時のFETの制御を説明する図 実施例1の電源装置の軽負荷時のFETの制御シーケンスを示すフローチャート 実施例2の電源装置の軽負荷時のFETの制御を説明する図 実施例2の電源装置の軽負荷時のFETの制御シーケンスを示すフローチャート 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。
[スイッチング電源装置の構成]
初めに、図1を用いて本実施例のスイッチング電源装置100について説明する。スイッチング電源装置100は、交流電源13から入力される交流電圧を用いて直流電圧を生成し、絶縁された2次側へ出力電圧Voutを出力する。スイッチング電源装置100は、出力電圧Voutが一定の電圧になるように制御を行う。以下では、スイッチング電源装置100の回路構成の詳細について説明する。
スイッチング電源装置100は、1次側に平滑コンデンサCinと、絶縁型のトランスT1と、第1のスイッチング素子であるメインの電界効果トランジスタ(以下、FETという)1と、第2のスイッチング素子である電圧クランプ用のFET2を有している。更に、スイッチング電源装置100は、1次側に電圧共振用のコンデンサC1と、電圧クランプ用のコンデンサC2と、制御部110と、入力電圧検知回路120と、を有している。また、スイッチング電源装置100は、2次側には、トランスT1の2次側に誘起された電圧を整流し平滑する回路として、ダイオードDiout及びコンデンサCoutを有している。更に、スイッチング電源装置100は、2次側の電圧である出力電圧Voutに関する情報を、1次側の制御部である制御部110に伝達するフィードバック手段としてフィードバック回路130を有している。なお、ダイオードDi1はFET1のボディダイオードであり、ダイオードDi2はFET2のボディダイオードである。
図1において、スイッチング電源装置100には、交流電源13から交流電圧が入力される。交流電源13から入力された交流電圧は、ブリッジダイオードBD1によって整流され、平滑コンデンサCinに充電される。コンデンサCinの低い側の電位をDCL、高い側の電位をDCHとする。スイッチング電源装置100の入力電圧Vinは、電位DCHと電位DCLの電位差である。
トランスT1は、1次側に1次巻線P1、及び補助巻線P2、2次側に2次巻線S1を有している。トランスT1の1次巻線P1と直列にFET1が接続されている。コンデンサC2とFET2とが直列に接続されている。そして、コンデンサC2とFET2とが直列に接続された直列回路は、1次巻線P1に並列に接続されている。また、電圧共振用コンデンサC1は、FET1に並列に接続されている。2次巻線S1には、トランスT1の1次巻線P1から、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。FET1のスイッチング動作により補助巻線P2から出力される電圧VFWD1は、入力電圧検知回路120に供給される。なお、ダイオードDi3及びコンデンサC3は、電圧VFWD1を整流平滑し、駆動部11に供給される電源電圧Vccを生成するために設けられている。
FET2及び電圧クランプ用のコンデンサC2から構成される回路は、アクティブクランプ回路である。アクティブクランプ回路は、FET1がスイッチング動作をする際に生じるサージ電圧を抑えることができる。そのため、スイッチング電源装置100は、一般的なフライバック電源装置に比べて、より大きな電力を出力することが可能である。なお、FET2は、FET1及びFET2が共にオフ状態となるデッドタイムを挟んで、FET1と交互にオン・オフされる。
なお、スイッチング電源装置100は供給する負荷電流に応じてFET1、FET2の動作状態が切り替わる。負荷電流が大きい場合は、FET1とFET2は連続的に、且つ、交互にオン、オフされる連続動作となる。また、負荷電流が小さい場合は間欠動作に切り替わる。間欠動作の詳細については後述する。負荷電流の大小はスイッチング電源装置が電力を共有する負荷の状態によって変化する。例えば負荷がCPU(不図示)や記憶素子(不図示)を有するコントローラの場合であれば、コントローラが動作を停止している、又は動作の一部を制限している状態は、負荷電流が小さい第1の状態である。一方、コントローラが動作している状態は、負荷電流が大きい第2の状態である。
制御部110は、FET1及びFET2を駆動するための回路であり、CPU10と駆動部11から構成されている。制御手段であるCPU10は、内部にクロック信号で動作する演算部を備えた汎用マイクロコンピュータであり、時間を計測するタイマを有している。CPU10は、ROM(不図示)及びRAM(不図示)を有し、CPU10は、RAMを作業領域に用いて、ROMに格納された各種制御プログラムに基づいて、スイッチング電源装置100の制御を行う。CPU10は、入力電圧検知回路120から出力される電圧VFWD2、及びフィードバック回路130から出力される電圧VFBに基づいて、FET1を制御する制御信号S10、及びFET2を制御する制御信号S11の設定値を制御する。なお、設定値とは、FET1及びFET2の制御開始タイミング、周期、オンデューティを指す。CPU10から出力された制御信号S10及び制御信号S11は、駆動部11に入力される。なお、本実施例のスイッチング電源装置100では、CPU10及び駆動部11がFET1及びFET2を制御しているが、例えばCPU10の代わりに、アナログ制御IC等を用いてもよい。
駆動手段である駆動部11は、FET1及びFET2を駆動するための回路である。駆動部11は、CPU10から出力されたPWM信号である制御信号S10、S11に基づいて、FET1を駆動する駆動信号S20をFET1に出力し、FET2を駆動する駆動信号S21をFET2に出力する。
検知手段である入力電圧検知回路120は、FET1をスイッチングした際に補助巻線P2に生じる電圧VFWD1を整流平滑し、整流平滑された電圧VFWD1を分圧抵抗で分圧した電圧VFWD2をCPU10に出力する回路である。入力電圧検知回路120は、補助巻線P2に生じた電圧VFWD1を整流平滑するためのダイオードDi121及びコンデンサC121と、電圧VFWD1を分圧し、電圧VFWD2を出力するための分圧抵抗R121、R122によって構成されている。補助巻線P2に生じる電圧VFWD1と入力電圧Vinとは、1次巻線P1の巻数TN1と補助巻線P2の巻数TN2を用いた、以下の(式1)に示す関係を有している。また、電圧VFWD2は、以下に示す(式2)のように表される。
VFWD1=(TN2/TN1)×Vin ・・・(式1)
VFWD2=(R121/(R121+R122))×VFWD1・・・(式2)
(式1)より、入力電圧Vinは(式3)のように表すことができる。
Vin=VFWD1×(TN1/TN2)・・・(式3)
(式2)より、電圧VFWD1は(式4)のように表すことができる。
VFWD1=VFWD2×((R121+R122)/R121)・・・(式4)
(式3)に(式4)を代入することにより、入力電圧Vinは電圧VFWD2を用いて、(式5)のように表すことができる。
Vin=(VFWD2×((R121+R122)/R121))
×(TN1/TN2)・・・(式5)
したがって、CPU10は、電圧VFWD1を分圧抵抗R121、R122を用いて分圧された電圧である電圧VFWD2を検知することで、(式5)により、入力電圧Vinの電圧値を検知することができる。
フィードバック回路130は、スイッチング電源装置100の出力電圧Voutの情報をCPU10へフィードバックするための回路である。そして、CPU10は、フィードバック回路130から出力される電圧VFBに基づいて、出力電圧Voutを一定の電圧に保つように制御を行う。フィードバック回路130から出力される電圧VFB(フィードバック電圧)は、出力電圧Voutが低下すると上昇し、出力電圧Voutが上昇すると低下する。
[軽負荷時におけるスイッチング電源装置の動作]
次に、図2を用いて、スイッチング電源装置100から負荷に供給される負荷電流が小さい軽負荷時におけるFET1及びFET2の動作について説明する。
図2(A)は、軽負荷で負荷電流が一定の場合における、FET1の制御信号S10、及びFET2の制御信号S11と、出力電圧Voutの時間の推移に伴う変化を示したタイミングチャートである。図2(A)において、縦軸方向は上から順に、出力電圧Voutの電圧、制御信号S10の信号レベル、制御信号S11の信号レベルを示している。なお、図中、Vthは、出力電圧Voutの閾値電圧を示し、H、Lは、それぞれ制御信号S10、S11のハイレベル、ローレベルを示す。また、横軸は時間を示し、休止期間(第2の期間)はFET1、FET2をオフ状態に設定してスイッチング動作を休止している期間、動作期間(第1の期間)はFET1、FET2のスイッチング動作を行う期間を示す。軽負荷時には、CPU10は、動作期間と休止期間を交互に繰り返す間欠動作を制御する。詳細には、CPU10は、動作期間には、制御信号S10、S11を交互にHレベル(ハイレベル)に設定し、FET1とFET2のスイッチング動作を行う。一方、CPU10は、休止期間には、制御信号S10、S11を共にLレベル(ローレベル)に設定し、FET1とFET2をオフ状態に設定する。
休止期間では、FET1の制御信号S10、及びFET2の制御信号S11は共にLレベルのままであり、FET1及びFET2はスイッチング動作を行わない。そのため、休止期間の間は、トランスT1に電力(エネルギー)が供給されない。その結果、スイッチング電源装置100から負荷に供給される負荷電流によって、トランスT1の2次側のコンデンサCoutの電荷が放電され、出力電圧Voutが低下する。CPU10は、フィードバック回路130から出力される電圧VFBに基づいて、出力電圧Voutが閾値電圧Vth以下に低下したことを検知すると、FET1及びFET2の状態を休止期間から動作期間に移行させる。
FET1及びFET2を動作期間に移行する際、CPU10は、入力電圧検知回路120から出力される電圧VFWD2に基づいて、入力電圧Vinを検知する。そして、CPU10は、検知した入力電圧Vinに基づいて、動作期間におけるFET1の制御信号S10を出力する回数、すなわちFET1をスイッチングするスイッチング回数N1を決定する。動作期間では、FET1のスイッチング動作により、トランスT1を介して2次側のコンデンサCoutが充電され、出力電圧Voutは上昇する。CPU10は、FET1の制御信号S10をN1回出力し、FET2の制御信号S11をN1回より1回多い(N1+1)回出力すると、FET1及びFET2を動作期間から休止期間へと移行させる。
図2(A)に示す休止期間は、出力電圧Voutが閾値電圧Vthより大きい期間であるが、FET1の制御信号S10、及びFET2の制御信号S11がHレベルになっているときがある。これは、駆動部11に供給される電源電圧Vccが低下することを防ぐためである。上述したように、電源電圧Vccは、トランスT1の補助巻線P2に生じる電圧VFWD1から生成される。ところが、FET1及びFET2のスイッチング動作が停止している休止期間は、トランスT1の補助巻線P2に電圧VFWD1が生じないため、電源電圧Vccが低下する。FET1及びFET2のスイッチング動作が長時間停止していると、電源電圧Vccが低下し、その結果、駆動部11がFET1及びFET2を駆動できなくなってしまう状態になる。そのため、CPU10は、FET1及びFET2が休止期間に移行後、所定の時間が経過する毎に、出力電圧Voutが閾値電圧Vthより高くても、FET1及びFET2を所定の回数、スイッチング動作を行うように制御する。図2(A)では、休止期間における電源電圧Vccの電圧不足を回避するためのFET1のスイッチング回数を1回としている。なお、FET1のスイッチング回数は1回に限定する必要はなく、2回以上、スイッチング動作させるように制御してもよい。また、FET2をスイッチングさせる制御信号S11は、図2(A)に示すように、FET1をスイッチングさせる制御信号S10の回数(図中、1回)よりも1回多く、2回出力されている。
図2(B)は、図2(A)に示す休止期間から動作期間に移行する際の、FET1の制御信号S10、及びFET2の制御信号S11のタイミングチャートを拡大した図である。図2(B)は、FET1が動作期間においてオン状態となる回数であるスイッチング回数N1が3回の場合のタイミングチャートを示している。図2(B)において、デッドタイムは、制御信号S10,S11が共にLレベル(ローレベル)の期間である。また、オン時間TON11は、制御信号S10がHレベルの時間(固定値)であり、オン時間TON12は、制御信号S11がHレベルの時間(固定値)である。
休止期間から動作期間に移行すると、まず、FET2の制御信号S11がHレベルになり、制御信号S11がHレベルであるオン時間TON12の間、FET2はオン状態となる。オン時間TON12が経過して、制御信号S11がLレベル(ローレベル)になるとFET2はオフ状態となる。そして、制御信号S10、S11が共にLレベルとなるデッドタイムを挟んで、FET1の制御信号S10がHレベルになると、制御信号S10がHレベルであるオン時間TON11の間、FET1がオン状態となる。オン時間TON11が経過して、制御信号S10がLレベル(ローレベル)になるとFET1はオフ状態となる。以降、デッドタイムを挟んで、制御信号S10と制御信号S11は交互にHレベルになり、制御信号S10、S11の状態に応じて、FET1とFET2が交互にオン状態となる。FET1の状態がオン状態からオフ状態に切替わるスイッチング動作がN1回(図2(B)では3回)繰り返されると、最後に制御信号S11がオン時間TON12だけHレベルになり、制御信号S11がLレベルに戻ると、休止期間に移行する。
本実施例では、オン時間TON11、オン時間TON12、デッドタイムは一定の時間(固定値)である。そのため、入力電圧Vinに応じてFET1のスイッチング回数N1を制御することで、動作期間の長さを制御することができる。間欠動作中のFET1のスイッチング回数N1の決定方法は、後述する図3で説明する。なお、本実施例では、間欠動作中のFET2のオン時間TON12は、出力電圧Voutの目標電圧値に応じて決定される固定値としているが、例えば負荷電流や入力電圧Vinに応じて可変する変数としてもよい。
ところで、一般にアクティブクランプ方式のスイッチング電源装置では、メインFET及びクランプFETが連続動作している間、メインFET及びクランプFETのスイッチング損やトランスの鉄損が必ず発生する。そのため、負荷電流が小さいと入力電力に対するスイッチング損や鉄損の総和の比率が大きくなる。その結果、アクティブクランプ方式のスイッチング電源装置は、負荷電流が小さい間に連続して動作すると、効率が低下してしまうことになる。そのため、本実施例のスイッチング電源装置100は負荷電流が小さい場合には、FET1及びFET2を動作させる動作期間と、FET1及びFET2を共に停止させる休止期間を交互に繰り返す間欠動作を行っている。このように、間欠動作を行うことによりスイッチング電源装置100は、負荷電流が小さいときのFET1及びFET2のスイッチング損やトランスT1の鉄損を低減させ、動作効率を改善している。
[間欠動作の制御シーケンス]
次に、フローチャートを用いて、間欠動作中のFET1及びFET2の制御シーケンスを説明する。図3(A)は、間欠動作中のFET1及びFET2の制御シーケンスを示すフローチャートである。図3(A)に示す処理は、CPU10により実行される。なお、図3(A)では間欠動作中の制御シーケンスのみを示しており、起動時の制御シーケンス、連続動作を行っている場合の制御シーケンス、及び間欠制御から連続動作に切り替える制御シーケンスは省略している。
図3(A)において、ステップ(以下、Sとする)301からS306の処理は、FET1及びFET2の休止期間における制御を示している。一方、S307からS313の処理は、FET1及びFET2の動作期間における制御を示している。なお、S301の処理が初めて起動される時点では、CPU10はFET1の制御信号S10及びFET2の制御信号S11の出力を停止しており、FET1及びFET2のスイッチング動作は行われていないものとする。
S301では、CPU10は、フィードバック回路130から出力される電圧VFBを取得して、電圧VFBに基づいて出力電圧Voutが閾値電圧Vth以下かどうか(出力電圧Vout≦閾値電圧Vth?)判断する。CPU10は、出力電圧Voutが閾値電圧Vth以下であると判断した場合には、FET1及びFET2を動作期間に移行させるため、処理をS307に進める。一方、CPU10は、出力電圧Voutが閾値電圧Vthより大きいと判断した場合には、FET1及びFET2の休止期間を維持できると判断し、処理をS302に進める。
S302では、CPU10は、動作期間から停止期間に移行してからの経過時間を計測するタイマが動作中かどうか判断する。CPU10は、タイマが動作中の場合には処理をS304に進め、タイマが停止中の場合には処理をS303に進める。S303では、CPU10は、タイマをリセットし、スタートさせる。
S304では、CPU10は、タイマを参照して、休止期間に移行後、所定時間が経過したかどうか判断する。CPU10は、所定時間が経過した場合には、電源電圧Vccが不足するおそれがあると判断して処理をS305に進める。一方、CPU10は、所定時間が経過していない場合には、電源電圧Vccが不足しておらず、FET1及びFET2のスイッチング制御を行う必要がないと判断して、処理をS301に戻す。S305では、CPU10は、電源電圧Vccが不足する状態を防ぐため、次の順番で、FET1及びFET2のスイッチング制御を行う。すなわち、CPU10は、先ずFET2をオン状態に設定した後、オフ状態に設定する。続いて、CPU10は、デッドタイムを挟んで、次にFET1をオン状態に設定した後、オフ状態に設定する。そして、CPU10は、デッドタイムを挟んで、再度、FET2をオン状態に設定した後、オフ状態に設定する。S306では、CPU10は、タイマをリセットし、ストップさせた後、処理をS301に戻す。
S307では、CPU10は、動作期間中のFET1のスイッチング回数を制御するスイッチングカウントSをリセットする。S308では、CPU10は、入力電圧検知回路120から出力される電圧VFWD2を取得し、取得した電圧VFWD2に基づいて入力電圧Vinの電圧値を検知する。S309では、CPU10は、S308で検知した入力電圧Vinに基づいて、動作期間におけるFET1のスイッチング回数N1を決定する。なお、FET1のスイッチング回数N1の決定方法については、図3(B)で説明する。
S310では、CPU10は、FET2のスイッチング制御を行う。詳細には、CPU10は、FET2をオン時間TON12の間、オン状態に設定した後、オフ状態に設定し、デッドタイム時間が経過すると、処理をS311に進める。S311では、CPU10は、FET1をオン時間TON11の間、オン状態に設定した後、オフ状態に設定し、デッドタイム時間が経過すると、スイッチングカウンタSを1加算して、カウンタ値を更新する。S312では、CPU10は、スイッチングカウンタSのカウンタ値がN1かどうか判断する。CPU10は、スイッチングカウンタSのカウンタ値がN1の場合には、FET1のスイッチング動作を目標回数、実行したと判断し、処理をS313に進める。一方、CPU10は、スイッチングカウンタSのカウンタ値がN1ではない場合には、FET1のスイッチング動作を目標回数、実行していないと判断し、処理をS310に戻す。
S313では、CPU10は、動作期間を終了させるため、FET2のスイッチング制御を行う。詳細には、CPU10は、FET2をオン状態に設定した後、オフ状態に設定し、タイマをリセットし、ストップさせた後、休止期間に移行するため、処理をS301に戻す。
次に、図3(B)の図を用いて、負荷電流が一定の状態で間欠動作を行っているスイッチング電源装置100における入力電圧VinとFET1のスイッチング回数N1の関係を説明する。図3(B)は、入力電圧VinとFET1のスイッチング回数N1の関係を説明するグラフである。図3(B)において、縦軸はスイッチング回数N1の回数を示し、横軸は入力電圧検知回路120から出力される電圧VFWD2に基づいて算出された入力電圧Vinの電圧を示している。
図3(B)に示すように、入力電圧Vinが電圧Vinmin以上で、電圧Vinmax以下(電圧Vinmin<電圧Vinmax)の範囲において、FET1のスイッチング回数N1は、入力電圧Vinの増加に伴って、一次関数的に減少していく。ただし、FET1のスイッチング回数N1は整数であるため、入力電圧Vinの変化に対するスイッチング回数N1は階段状に変化する。図3(B)に示すように、FET1のスイッチング回数N1は、入力電圧Vinが電圧Vinmin以下のときには最大値であるN1max回となり、入力電圧Vinが電圧Vinmax以上のときには最小値であるN1min回となる。入力電圧Vinが電圧Vinmin以上で、電圧Vinmax以下の場合には、入力電圧Vinに応じて、スイッチング回数N1は、N1min回以上で、N1max回以下の整数に決定される。なお、CPU10のROM(不図示)には、入力電圧Vinとスイッチング回数N1とを対応付けたテーブルが格納されている。そして、CPU10は、図5(A)のS309の処理において、算出した入力電圧Vinに応じたスイッチング回数N1をROMに格納されたテーブルから取得することにより、スイッチング回数N1を決定する。なお、本実施例では、入力電圧Vinに応じてFET1のスイッチング回数N1を一次関数的に変化させているが、入力電圧Vinに対するスイッチング回数N1の変化は一次関数的でなくてもよい。
ところで、スイッチング電源装置100において、入力電圧Vinに応じて間欠動作中のスイッチング回数N1を変えることによって動作期間を制御する理由は、入力電圧Vinによらずに高効率動作を実現しつつ、静音動作を実現するためである。例えば、入力電圧Vinが高電圧の場合に、低電圧時と同じ回数、FET1のスイッチング動作を行うと、過剰に電力を出力できる状態になり、出力電圧Voutを維持することに寄与しない無駄なスイッチング動作を行うことになる。そのため、入力電圧Vinが高電圧時には、低電圧時よりもFET1のスイッチング回数を少なくするように制御することで、無駄なスイッチング損や鉄損をなくすことができ、高電圧時での高効率の動作が可能になる。また、FET1及びFET2のオン時間は固定値であり、可変とする制御を行わないため、トランスT1から発生する磁歪音の状態も変化しない。
以上説明したように、本実施例によれば、電源装置の効率と静音性を両立させることができる。
実施例1では、間欠動作中の動作期間におけるメインFET及びクランプFETのオン状態の時間は固定値であった。実施例2では、メインFETのオン状態の時間を可変する制御について説明する。なお、本実施例のスイッチング電源装置100の回路構成は、実施例1と同様であり、同じ構成の説明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。
[メインFET及びクランプFETの制御]
初めに、図4を用いて、間欠期間中のFET1及びFET2の制御方法について説明する。図4は、実施例1の図2(B)と同様に、休止期間から動作期間に移行する際の、FET1の制御信号S10、及びFET2の制御信号S11のタイミングチャートである。図4は、FET1が動作期間においてオン状態となる回数であるスイッチング回数N2が3回の場合のタイミングチャートを示している。図4において、デッドタイムは、制御信号S10,S11が共にLレベル(ローレベル)の期間である。また、オン時間TON21は、制御信号S10がHレベルの時間であり、本実施例ではオン時間TON21は可変の時間であり、オン時間TON22は、制御信号S11がHレベルの時間で固定値である。
本実施例のスイッチング電源装置では、実施例1と同様に、入力電圧検知回路120から出力される電圧VFWD2に基づいて算出された入力電圧Vinに応じて、動作期間中のFET1のスイッチング回数N2を決定する。ところが、実施例1ではFET1のオン時間TON11は入力電圧Vinによらず一定(固定値)であったが、本実施例では入力電圧Vinに応じてFET1のオン時間TON21を可変制御する。間欠動作中のFET1のスイッチング回数N2及びFET1のオン時間TON21の制御方法は、後述する図5(B)、(C)で説明する。なお、動作期間中のFET2のオン時間TON22は、実施例1と同様に、入力電圧Vinによらず一定(固定値)である。
[間欠動作の制御シーケンス]
次に、フローチャートを用いて、本実施例での間欠動作中のFET1及びFET2の制御シーケンスを説明する。図5(A)は、間欠動作中のFET1及びFET2の制御シーケンスを示すフローチャートである。図5(A)に示す処理は、CPU10により実行される。なお、図5(A)では間欠動作中の制御シーケンスのみを示しており、起動時の制御シーケンス、連続動作を行っている場合の制御シーケンス、及び間欠制御から連続動作に切り替える制御シーケンスは省略している。
図5(A)において、S301からS306の処理は、FET1及びFET2の休止期間における制御を示している。S301からS306の処理は、実施例1の図3(A)のS301からS306と同様の処理であり、ここでの説明を省略する。
また、図5(A)において、S307、S308、S500、S310、S111、S501、S313の処理は、FET1及びFET2の休止期間における制御を示している。S307、S308の処理は、実施例1の図3(A)のS307、S308と同様の処理であり、ここでの説明を省略する。
S500では、CPU10は、S308で入力電圧検知回路120から取得した電圧VFWD2に基づいて検知した入力電圧Vinの電圧値に基づいて、動作期間におけるFET1のスイッチング回数N2及びオン時間TON21を決定する。なお、FET1のスイッチング回数N2及びオン時間TON21の決定方法については、図5(B)、(C)で説明する。
S310、S311の処理は、実施例1の図3(A)のS310、S311と同様の処理であり、ここでの説明を省略する。S501では、CPU10は、スイッチングカウンタSのカウンタ値がN2かどうか判断する。CPU10は、スイッチングカウンタSのカウンタ値がN2の場合には、FET1のスイッチング動作を目標回数、実行したと判断し、処理をS313に進める。一方、CPU10は、スイッチングカウンタSのカウンタ値がN2ではない場合には、FET1のスイッチング動作を目標回数、実行していないと判断し、処理をS310に戻す。S313の処理は、実施例1の図3(A)のS313と同様の処理であり、ここでの説明を省略する。
次に、図5(B)、(C)の図を用いて、負荷電流が一定の状態で間欠動作を行っているスイッチング電源装置100における入力電圧VinとFET1のスイッチング回数N2及びオン時間TON21の関係を説明する。図5(B)は、入力電圧VinとFET1のスイッチング回数N2の関係を説明するグラフである。図5(B)において、縦軸はスイッチング回数N2の回数を示し、横軸は入力電圧検知回路120から出力される電圧VFWD2に基づいて算出された入力電圧Vinの電圧を示している。一方、図5(C)は、入力電圧VinとFET1のオン時間TON21の関係を説明するグラフである。図5(C)において、縦軸はオン時間TON21の時間を示し、横軸は入力電圧検知回路120から出力される電圧VFWD2に基づいて算出された入力電圧Vinの電圧を示している。
図5(B)に示すように、入力電圧Vinが電圧Vinmin以上で、電圧Vinth以下の範囲において、FET1のスイッチング回数N2は、入力電圧Vinの増加に伴って、一次関数的に減少していく。なお、電圧Vinmin、電圧Vinth、電圧Vinmaxの大小関係は、電圧Vinmin<電圧Vinth<電圧Vinmaxである。ただし、FET1のスイッチング回数N2は整数であるため、入力電圧Vinの変化に対するスイッチング回数N2は階段状に変化する。図5(B)に示すように、FET1のスイッチング回数N2は、入力電圧Vinが電圧Vinmin以下のときには最大値であるN2max回となり、入力電圧Vinが電圧Vinth以上のときには最小値であるN2min回となる。入力電圧Vinが電圧Vinmin以上で、電圧Vinth以下の場合には、入力電圧Vinに応じて、スイッチング回数N2は、N2min回以上で、N2max回以下の整数に決定される。なお、CPU10のROM(不図示)には、入力電圧Vinとスイッチング回数N2とを対応付けたテーブルが格納されている。そして、CPU10は、図5(A)のS500の処理において、算出した入力電圧Vinに応じたスイッチング回数N2をROMに格納されたテーブルから取得することにより、スイッチング回数N2を決定する。
また、図5(C)に示すように、FET1のオン時間TON21は、入力電圧Vinに応じて、オン時間TON21minからオン時間TON21maxの間を可変制御される。詳細には、FET1のオン時間TON21は、入力電圧Vinが電圧Vinth以下のときには最大値であるオン時間TON21maxとなり、入力電圧Vinが電圧Vinmax以上のときに最小値であるオン時間TON21minとなる。そして、FET1のオン時間TON21は、入力電圧Vinが電圧Vinth以上で、電圧Vinmax以下の範囲では、入力電圧Vinの増加に伴って一次関数的に減少していく。なお、CPU10のROM(不図示)には、入力電圧VinとFET1のオン時間TON21とを対応付けたテーブルが格納されている。そして、CPU10は、図5(A)のS500の処理において、算出した入力電圧Vinに応じたFET1のオン時間TON21をROMに格納されたテーブルから取得することにより、オン時間TON21を決定する。
なお、本実施例では、入力電圧Vinに応じてFET1のオン時間TON21とスイッチング回数N2をそれぞれ別々に変化させるように制御しているが、オン時間TON21及びスイッチング回数N2を同時に変化させるように制御してもよい。また、本実施例では、入力電圧Vinに応じてFET1のスイッチング回数N2及びオン時間TON21を一次関数的に変化させているが、一次関数的に変化させなくてもよい。
ところで、本実施例のスイッチング電源において、入力電圧Vinに応じて間欠動作中のスイッチング回数N2及びオン時間TON21を変える理由は、実施例1と同様に、入力電圧Vinによらずに高効率動作を実現しつつ、静音動作を実現するためである。入力電圧Vinに応じてスイッチング回数のみを変える場合において、スイッチング回数は1以上の整数となる。そのため、出力電圧Voutの目標電圧が低い場合、又は入力電圧Vinが高電圧の場合には、1回のスイッチング動作により2次側の出力電力が過大になり、無駄な電力損失が増大するおそれがある。一方、本実施例のように、トランスの磁歪音の状態が許容できる範囲内で、入力電圧Vinに応じてFET1のオン時間を可変制御することにより、次のような効果を奏することができる。すなわち、本実施例では、スイッチング回数を1回未満に制御すべき入力電圧Vinが高電圧時、又は出力電圧Voutの目標電圧が低電圧時の場合においても、電力を過剰に出力しない制御を実現することができ、無駄な電力損失をなくすことができる。
以上説明したように、本実施例によれば、電源装置の効率と静音性を両立させることができる。
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100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。
[レーザビームプリンタの説明]
図6は、画像形成装置の一例として、レーザビームプリンタの構成を示す断面図である。レーザビームプリンタ600(以下、プリンタ600という)は、静電潜像が形成される感光ドラム601、感光ドラム601を一様に帯電する帯電部602、感光ドラム601に形成された静電潜像を現像し、トナー像を形成する現像部603を備えている。また、プリンタ600は、感光ドラム601にレーザ光を照射して、感光ドラム601の表面に静電潜像を形成する露光装置610を備えている。プリンタ600では、感光ドラム601に形成されたトナー像は、転写部605によって、カセット604から給送された記録材としてのシート(不図示)に転写される。トナー像が転写されたシートは、定着器606に搬送され、トナー像は定着器606でシートに定着され、トナー像が定着されたシートはトレイ607に排出される。この感光ドラム601、帯電部602、現像部603、転写部605が画像形成部である。また、プリンタ600は、電源装置608を備え、電源装置608はモータ等の駆動部と制御部609へ電力を供給している。制御部609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の搬送動作等を制御している。
次に、プリンタ600の電源装置608として実施例1、2の構成を有するスイッチング電源装置を用いることで、得られる効果について説明する。一般にプリンタでは、シートへの画像形成を行わない非プリント時には、スリープ状態に移行させることで消費電力が低減され、これに伴い、電源装置608が負荷である駆動部と制御部609に供給する負荷電流が小さくなる。実施例1、2のスイッチング電源装置をプリンタ600の電源装置608に適用することで、商用交流電源の電圧実効値によらず、スリープ状態での電源装置608における電力損失が低減され、プリンタ600全体としての消費電力を抑えることができる。更に、実施例1、2で説明したスイッチング電源装置をプリンタ600の電源装置に適用することで、間欠動作中にトランスから発生する高周波音を抑えることができ、静音動作が可能なプリンタ600を実現することができる。
以上説明したように、本実施例によれば、電源装置の効率と静音性を両立させることができる。
10 CPU
120 入力電圧検知回路
130 フィードバック回路
C2 コンデンサ
FET1 FET(電界効果トランジスタ)
FET2 FET(電界効果トランジスタ)
T1 トランス

Claims (13)

  1. 1次巻線、2次巻線、及び補助巻線を有し、1次側と2次側が絶縁されたトランスと、
    前記トランスの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、
    前記トランスの1次巻線と並列に接続された、第2のスイッチング素子とコンデンサとが直列に接続された直列回路と、
    前記トランスの2次側から出力される出力電圧に基づいてフィードバック電圧を生成するフィードバック手段と、
    前記フィードバック手段により生成されたフィードバック電圧に基づいて前記第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、
    前記トランスの1次巻線に入力される入力電圧を検知する検知手段と、
    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交互にオン又はオフするスイッチング動作を行う第1の期間と、前記スイッチング動作を停止する第2の期間と、を交互に繰り返す間欠動作を実行させ、
    前記検知手段により検知された入力電圧に基づいて、前記第1の期間における前記第1のスイッチング素子のスイッチング回数を決定することを特徴とする電源装置。
  2. 前記検知手段は、前記補助巻線に生じる電圧に基づいて、前記入力電圧を検知することを特徴とする請求項1に記載の電源装置。
  3. 前記入力電圧は、交流電源から入力された交流電圧を整流平滑した直流電圧であることを特徴とする請求項2に記載の電源装置。
  4. 前記スイッチング回数は、前記入力電圧が低いほど多く、前記入力電圧が高いほど少ないことを特徴とする請求項3に記載の電源装置。
  5. 前記第2のスイッチング素子のスイッチング回数は、前記第1のスイッチング素子のスイッチング回数よりも1回多いことを特徴とする請求項4に記載の電源装置。
  6. 前記第1の期間における前記第1のスイッチング素子がオン状態となる時間は、固定値であることを特徴とする請求項5に記載の電源装置。
  7. 前記第1の期間における前記第1のスイッチング素子がオン状態となる時間は、可変であることを特徴とする請求項5に記載の電源装置。
  8. 前記第1のスイッチング素子がオン状態となる時間は、前記入力電圧が低いほど長く、前記入力電圧が高いほど短いことを特徴とする請求項7に記載の電源装置。
  9. 前記第1の期間における前記第2のスイッチング素子がオン状態となる時間は、固定値であることを特徴とする請求項6から請求項8のいずれか1項に記載の電源装置。
  10. 前記制御手段は、前記第2の期間において所定の時間が経過する毎に、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行うことを特徴とする請求項1から請求項9のいずれか1項に記載の電源装置。
  11. 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駆動する駆動手段を備え、
    前記駆動手段は、前記補助巻線に生じる電圧により駆動されることを特徴とする請求項10に記載の電源装置。
  12. 前記制御手段は、前記電源装置が負荷に供給する負荷電流が小さい第1の状態において前記間欠動作を実行させ、前記負荷電流が前記第1の状態よりも大きい第2の状態において、前記第1の期間のみの連続動作を実行させることを特徴とする請求項1から請求項11のいずれか1項に記載の電源装置。
  13. シートに画像形成を行う画像形成部と、
    請求項1から請求項12のいずれか1項に記載の電源装置と、
    を備えることを特徴とする画像形成装置。
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