JP2022135237A - スイッチング電源及び画像形成装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 電源制御IC405のスイッチング動作が停止している無制御状態の期間を短縮し、電源制御ICのスイッチング動作を速やかに再開させる。【解決手段】 電源制御IC405のスイッチング動作に基づいて、スイッチング電源の出力を放電する放電回路を備える。待機状態に遷移し、出力電圧が一時的に目標電圧を超えて、電源制御IC405のスイッチング動作が停止したときに、トランジスタ509をオンさせて、放電抵抗510を介して電解コンデンサ407の放電を行う。【選択図】 図1
Description
本発明は、出力電流の小さい軽負荷が接続されるスイッチング電源及び該スイッチング電源を搭載する画像形成装置に関する。
一般的な電気機器は、商用電源である交流電圧を直流の出力電圧に変換して、負荷へと電力供給するスイッチング電源を備えている。近年の電気機器は、電気機器が稼働をしていない待機状態における待機電力を極限まで減らすことが求められている。また、電気機器の利便性を鑑みて、待機状態と稼働状態を高速に遷移することも求められている。そのためスイッチング電源は、待機状態時の出力電流が小さい状態から稼働状態の出力電流が大きい状態への急峻な変化、および、稼働状態時の出力電流が大きい状態から待機状態の出力電流が小さい状態への急峻な変化が起きている。
スイッチング電源は、負荷状態の違いによる出力電流に依らず、一定の出力電圧を出力するために、出力電圧を監視してスイッチング動作を可変するフィードバック制御を採用している。一般的にスイッチング電源のフィードバック制御は、出力電圧の変化は出力電流の変化に対して遅れが生じる。つまり、出力電流が増加した場合は出力電圧が微小に低下し、出力電流が減少した場合は出力電圧が微小に上昇する。これら出力電圧が低下もしくは上昇したのちに、目標電圧に収束していく。
しかし、一般的なスイッチング電源は、出力電圧を上昇させる制御回路を備えているが、出力電圧を低下させるための制御回路は備えていない。そのため出力電圧を低下させる場合は、スイッチング電源のスイッチング動作を停止し、出力電流で自身の電力を消費してもらい、出力電圧が低下してくるのを待つしかない(以下、この状態を無制御状態と呼ぶ。)。スイッチング電源は、フィードバック制御であること及び出力電圧を低下させるための制御回路を有していないので、稼働状態から待機状態、即ち、出力電流が大きい状態から小さい状態へと変動すると、出力電圧が増加してしまい無制御状態へと遷移してしまう。特に待機状態へと遷移すると、この時は出力電流が小さいため、消費する電力も小さく、出力電圧が目標電圧よりも高い状態が継続するという課題がある。さらに、出力電圧が目標電圧よりも高い状態、即ち、無制御状態のときに電気機器が稼働状態へと遷移して急峻な出力電流の増加が発生すると、以下のような課題が生じる。即ち、スイッチング動作を停止している状態からスイッチング動作を再開させるまでの時間と、増大した出力電流による出力電圧の低下を抑えるために適したスイッチング動作へと移行するまでの時間との応答遅れにより、出力電圧が大きく低下してしまう。以上のように、一般的なスイッチング電源には上述した2つの課題がある。
この課題を解決するために、スイッチング電源の出力部に放電抵抗を取り付ける方法が挙げられる。これは、待機状態へと遷移して負荷の消費電力が小さくなっても、放電抵抗に電流を流すことで、負荷状態に依存せずにスイッチング電源自身で電力を消費するという方法である。しかし、この方法では常に放電抵抗で消費する電力が損失に繋がるため、電気機器の待機電力を極限まで減らすことと相反する。
そこで特許文献1では、ツェナーダイオードを用いて出力電圧の増加を検知したときだけ放電抵抗が接続される提案が挙げられている。
特許文献1の提案は、増加した出力電圧がツェナー電圧を超えている間は、放電抵抗が接続されて電力を消費する。しかし、増加した出力電圧がスイッチング電源の目標電圧値とツェナー電圧の間の場合は、従来と同じ無制御状態が維持されるため、上述した課題が解決されない。
本発明は、負荷が軽負荷状態に遷移したときに、無制御状態である期間を短縮することを目的とする。
上述した改題を解決するために、本発明のスイッチング電源は、商用電源から供給される交流電圧を整流する第1整流手段と、前記第1整流手段により整流された電圧を平滑する第1コンデンサと、前記第1コンデンサを介して電圧が供給されるトランスと、前記トランスに供給される電圧をスイッチングする第1スイッチ手段と、前記第1スイッチ手段をオンオフさせるパルス信号を出力する制御手段と、前記トランスの二次側に発生する電圧を整流する第2整流手段と、前記第2整流手段により整流された電圧を平滑する第2コンデンサと、前記第2コンデンサに充電された電荷を放電させる放電回路と、を備え、前記放電回路は、前記トランスと前記第2整流手段との間の電圧を検知する検知手段を有し、前記制御手段が前記パルス信号を出力しておらず、前記検知手段により検知される電圧が所定値未満である場合は前記第2コンデンサの放電を行い、前記制御手段が前記パルス信号を出力しておらず、前記検知手段により検知される電圧が所定値以上である場合は前記第2コンデンサの放電を行わないことを特徴とする。
本発明によれば、スイッチング電源の負荷が軽負荷状態に遷移しても無制御状態である期間を短縮することができる。
以下、本実施形態に係る目標電圧を超えた出力電圧を放電するスイッチング電源装置に関して、図面を用いて詳しく説明する。
初めに、本実施形態におけるスイッチング電源の構成について説明する。図1は、スイッチング電源200の一例である。
まず、交流直流変換部400について説明する。商用電源100の交流電圧が、ダイオードブリッジ401を通して整流化され、電解コンデンサ402に蓄電される。電解コンデンサ402と並列にトランス403とスイッチング素子404の直列回路が接続されており、スイッチング素子404をオンオフすることでトランス403を介して二次側に電力を発生させる。スイッチング素子404をオンオフするためのパルス信号としてのゲート信号Vgateは、電源制御IC405が出力している。トランス403の二次側に発生する電力は、整流ダイオード406で整流され、電解コンデンサ407で平滑されたのち、直流の出力電圧Voutが生成される。
電源制御IC405は、出力電圧Voutが一定の電圧値になるようにゲート信号Vgateを制御している。ここで出力電圧Voutを一定とする制御について説明する。電解コンデンサ407と並列に、フォトカプラ410とシャントレギュレータ411の直列回路と、2つの検出抵抗(408、409)の直列回路とが接続されている。2つの検出抵抗(408、409)で分圧して得られる電圧は、シャントレギュレータ411内にある内部基準電圧とエラーアンプで比較され、その比較結果に応じてフォトカプラ410の発光ダイオード410aに流れる電流量が調整される。
出力電圧Voutが目標電圧より低くなると、2つの検出抵抗(408、409)で分圧している電圧も低下する。この電圧が内部基準電圧より低下すると、発光ダイオード410aに流れる電流は減少する。一方、出力電圧が目標電圧より高くなると、2つの検出抵抗(408、409)で分圧している電圧も上昇する。この電圧が内部基準電圧より上昇すると、発光ダイオード410aに流れる電流は増加する。発光ダイオード410aは電流が流れると発光し、その光量に応じたフォトトランジスタ410bのコレクタ電流が流れる。発光ダイオード410aとフォトトランジスタ410bは、同じパッケージに内蔵されており、光媒体を用いて信号を伝達しているため、電気的に絶縁されている。
フォトトランジスタ410bに接続されている電源制御IC405の端子は、電源制御IC405内部に定電流源を持ち、フォトトランジスタ410bの状態によって、端子電圧が決定される(以下、この端子電圧をフィードバック端子電圧と呼ぶ。)。電源制御IC405は、このフィードバック端子電圧に応じてスイッチング素子404に出力するゲート信号Vgateのオン時間を決定している。
次に、放電回路部500について説明する。交流直流変換部400の整流ダイオード406のアノード側(トランス二次側)電圧は、整流ダイオード501で整流され、電解コンデンサ502で平滑されて直流電圧が生成される。この電解コンデンサ502に並列に2つの抵抗(503、504)の直列回路が接続されている。また、2つの抵抗(503、504)の間にトランジスタ505のベースが接続されていて、エミッタはGNDに、コレクタにはスイッチング電源200の出力電圧Voutが抵抗506を介して印加される。さらに、トランジスタ505のコレクタと抵抗506との接続点から、2つの抵抗(507、508)の直列回路がGNDと並列に接続されている。2つの抵抗(507、508)の間にトランジスタ509のベースが接続されていて、トランジスタ509のエミッタはGNDに接続されている。トランジスタ509の一端(コレクタ)にはスイッチング電源200の出力電圧Voutが放電抵抗510を介して印加されている。この放電回路部500は、電解コンデンサ502で平滑された直流電圧値によって、出力電圧Voutを放電抵抗510で放電するか否かを決定している。電源制御IC405がスイッチング素子404にゲート信号Vgateを入力していると、整流ダイオード406のアノード側には電圧が発生する(以下、この電圧をパルス電圧と呼ぶ。)。そのため、そのパルス電圧は整流ダイオード501で整流され、電解コンデンサ502で平滑されることで、直流電圧が生成される。電解コンデンサ502で平滑した直流電圧が所定値以上であると、トランジスタ505がオン(導通)する。その結果、コレクタ電圧がGNDレベルになるため、トランジスタ509はオフ(非導通)し、放電抵抗510は非導通となる。しかし、電源制御IC405がスイッチング素子404へのスイッチング動作を停止すると、整流ダイオード406のアノード側にはパルス電圧が発生しなくなる。そのため、電解コンデンサ502で平滑された直流電圧が2つの抵抗(503、504)により放電される。この放電により、電解コンデンサ502の電圧が所定値未満になると、トランジスタ505がオフ(非導通)する。その結果、電解コンデンサ407の電圧によりコレクタ電圧が上昇して、トランジスタ509がオン(導通)し、放電抵抗510は導通となる。
従って、スイッチング電源の負荷300が必要とする電圧が減少し、出力電圧Voutを下げるために電源制御IC405が無制御状態へと移行すると、放電抵抗510が導通し、電解コンデンサ407の電荷が放電される。
次に、本実施形態におけるスイッチング電源200の動作を、図2に示した各部の電圧および電流の波形を用いて説明する。図2において(a)は出力電流Ioutの波形、(b)は出力電圧Voutの波形、(c)は電源制御IC405のゲート信号Vgateの波形、(d)は整流ダイオード406のアノード側のパルス電圧波形、(e)は放電抵抗510の状態を示した波形である。
時刻t0から時刻t1までについて説明する。スイッチング電源200が商用電源100に接続され、図2(a)のように電気機器が稼働状態、すなわち負荷300に一定の出力電流Ioutを流しているとき、図2(b)のように、交流直流変換部400は一定の出力電圧Voutを出力する。前述したように、交流直流変換部400内のシャントレギュレータ411の内部基準電圧と出力電圧Voutは逐一比較される。その比較結果に伴い、電源制御IC405は、出力電圧Voutが一定電圧になるように、図2(c)のようにゲート信号Vgateを出力している。ゲート信号Vgateにより電解コンデンサ402の電圧をスイッチング素子404がスイッチングされることにより、トランス403の二次側に電力が発生する。整流ダイオード406のアノードには、図2(d)のようなパルス電圧が生成される。このとき、放電回路部500内の電解コンデンサ502には、図2(d)のパルス電圧を整流ダイオード501で整流され、平滑された電圧が印加される。そのため、トランジスタ505の制御端子としてのベースには、ベース電流が継続的に流れる。その結果、トランジスタ505はオンとなり、トランジスタ505のコレクタ電圧はほぼGNDレベルとなるため、トランジスタ509はオフとなる。そのため、放電抵抗510は非導通となる。
次に、時刻t1で電気機器が稼働状態から待機状態、すなわち負荷300に流れる出力電流Ioutが0或いは0に近い値に変動したときについて説明する。図2(a)のように、出力電流Ioutが0になると、前述したように交流直流変換部400の回路制御応答の遅れにより、図2(b)で示すように、出力電圧Voutは一時的に目標電圧よりも高くなる。電源制御IC405は、スイッチング素子404に入力するゲート信号Vgateを、図2(c)で示すように、オン時間を徐々に短くしていく。オン時間はさらに短くなり、最終的には時刻t2で、スイッチング素子404へ入力するゲート信号Vgateは停止し、無制御状態へと遷移する。スイッチング動作が停止すると、図2(d)のように、トランス403の二次側にはパルス電圧が誘起されなくなる。その結果、放電回路部500内の電解コンデンサ502には、パルス電圧から生成される直流電圧が供給されなくなるため、2つの抵抗(503、504)により電解コンデンサ502の電荷が放電される。直流電圧がトランジスタ505のオフ閾値より下がると、トランジスタ505はオフする。トランジスタ505がオフすると、3つの抵抗(506、507、508)によりトランジスタ505のコレクタに電圧が生じ、トランジスタ509にベース電流が流れる。これにより、トランジスタ509がオンし、放電抵抗510が導通して電解コンデンサ407の電荷の放電が開始される。
電解コンデンサ407の電荷が放電されることで、時刻t3で交流直流変換部400の出力電圧Voutが目標電圧に到達すると、電源制御IC405がスイッチング素子404にゲート信号Vgateを入力し始める。その結果、トランス403の二次側にパルス電圧が誘起され始め、放電回路部500内の電解コンデンサ502に電荷が蓄えられ、電解コンデンサ502の充電電圧が上昇する。それに伴い、トランジスタ505のベースにベース電流が流れ始め、電解コンデンサ502の直流電圧がトランジスタ505のトランジスタオン閾値を超えると、トランジスタ505はオンする。その結果、トランジスタ509のコレクタ電圧は、ほぼGNDレベルまで低下していくため、トランジスタ509はオフする。そのため、放電抵抗510は非導通となり、電解コンデンサ407の電荷の放電が停止する。図2(e)のtdelayは、時刻t2から放電抵抗510が導通、および、時刻t3から放電抵抗510が非導通になるまでの前述した遅延時間を示している。
図3及び図4は、従来構成、特許文献1の構成及び本実施形態との比較のための説明図である。
図3は、従来の構成における出力電圧、出力電流、ゲート信号の状態を示す図である。時刻t1で電気機器が稼働状態から待機状態、すなわち出力電流Ioutが大きい状態から小さい状態へと変動したときについて説明する。従来構成では、出力電流Ioutが0になると、出力電圧Voutが交流直流変換部400の目標電圧よりも大きくなるため、電源制御IC405はスイッチング素子404に入力するゲート信号Vgateのオン時間を徐々に短くしていく。オン時間はさらに短くなり、最終的には時刻t2で、スイッチング素子404へ入力するゲート信号Vgateは停止し、無制御状態へと遷移する。出力電圧Voutが増加しても出力電流Ioutが小さいため、消費する電力は小さい。そのため、出力電圧Voutは目標電圧よりも高い状態が継続する。
図4(a)は、特許文献1の構成における出力電圧、出力電流、ゲート信号の状態を示す図である。特許文献1の構成でも、出力電流Ioutが0になると、出力電圧Voutが交流直流変換部400の目標電圧よりも大きくなるため、電源制御IC405はスイッチング素子404に入力するゲート信号Vgateのオン時間を徐々に短くしていく。しかし、出力電圧Voutがツェナーダイオードのツェナー電圧を超えようとすると、放電抵抗での放電が開始され、ツェナー電圧以上の電圧が発生しなくなる。その後、オン時間はさらに短くなり、最終的には時刻t2で、スイッチング素子404へ入力するゲート信号Vgateは停止し、無制御状態へと遷移する。その結果、出力電圧Voutは目標電圧よりも高く、ツェナー電圧よりも低い電圧で出力電圧Voutが維持される。この場合も、出力電流Ioutが小さく、消費する電力が小さいため、この出力電圧Voutが継続する。
図4(b)は、本実施形態の構成における出力電圧、出力電流、ゲート信号の状態を示す図である。本実施形態の構成でも、出力電流Ioutが0になると、出力電圧Voutが交流直流変換部400の目標電圧よりも大きくなるため、電源制御IC405はスイッチング素子404に入力するゲート信号Vgateのオン時間を徐々に短くしていく。その後、オン時間はさらに短くなり、最終的には時刻t2で、スイッチング素子404へ入力するゲート信号Vgateは停止し、無制御状態へと遷移する。その結果、放電回路部500内の放電抵抗510が有効になり、電解コンデンサ407の電荷の放電が始まる。放電により出力電圧Voutが時刻t3で交流直流変換部400の目標電圧に到達すると、再度電源制御IC405はスイッチング素子404にゲート信号Vgateの入力を開始する。つまり、3つの構成の中で、本実施形態は最も無制御状態が短い。
次に、時刻t4で電気機器が待機状態から稼働状態、すなわち出力電流Ioutが小さい状態から大きい状態へと変動したときについて説明する。従来構成では、無制御状態が継続している最中で出力電流Ioutが増大すると、出力電圧が大きく低下してしまう。その理由は、上述したように交流直流変換部400は、スイッチング動作を停止状態から再開させるまでの時間と、増大した出力電流Ioutによる出力電圧の低下を抑えるために適したスイッチング動作へと移行するまでの時間との応答遅れが原因である。特許文献1の構成でも同様に、無制御状態が継続している最中で出力電流Ioutの変動が生じるため、交流直流変換部400の応答遅れにより、出力電圧が大きく低下してしまう。しかし、本実施形態の構成では、出力電流Ioutが変動する前に、出力電圧Voutを目標電圧に短時間で収束させれば、時刻t4で出力電流Ioutが変動しても、従来構成および特許文献1の構成よりも出力電圧Voutの低下を抑えられる。
ここまでの説明では、二次側のパルス電圧をモニタして、電源制御IC405がゲート信号Vgateを出力しているか確認しているが、一次側のゲート信号Vgateを直接モニタしても良い。また、放電の方法として放電抵抗510を用いる構成を説明してきたが、放電を実現することを目的とした電力を消費する部品であれば良い。さらに、放電回路部500内のスイッチ素子をトランジスタ505およびトランジスタ509として説明してきたが、電界効果トランジスタ(FET)でも良い。
本実施形態の構成のスイッチング電源は、例えば電子写真方式の画像形成装置に適用できる。
図5はスイッチング電源200を搭載した、電子写真方式の画像形成装置1を示している。給紙カセット2はシートPを収納する収納手段である。給紙ローラ4はシートPを搬送路へ送り出して画像形成部17に供給する供給手段である。搬送路にはシートPを搬送する搬送ローラ対5やレジストローラ対6が設けられている。画像形成部17には静電潜像やトナー画像を担持する感光ドラム11が設けられている。帯電ローラ12は感光ドラム11の表面を一様に帯電させる。露光部13は入力画像に対応した画像信号でレーザ光を変調し、レーザ光を偏向する。これによりレーザ光は感光ドラム11の表面を走査し、静電潜像が形成される。現像ローラ15はトナーを用いて静電潜像を現像し、トナー画像を形成する。転写ローラ16は感光ドラム11により搬送されてきたトナー画像をシートに転写する。定着器20はシートを搬送しながら、シートに転写されたトナー画像に熱と圧力を加え、シートにトナー画像を定着させる。加圧ローラ22は定着フィルム24と当接するように付勢されている。ヒータ23は円筒状の定着フィルム24の内周面に当接しており、定着フィルム24の定着温度を目標温度まで加熱する。排紙ローラ29は、定着器20によってトナー画像を定着されたシートを排紙する。コントローラ170は、画像形成装置1の各部を制御するコントローラである。 上述した負荷300としては、感光ドラム11、搬送ローラ対5やレジストローラ対6等を回転駆動するモータやそのドライバや、帯電ローラ12、現像ローラ15、転写ローラ16に高電圧を供給する高圧発生回路などを含む。
以上説明した通り、本実施形態では、無制御状態の時だけ放電抵抗が有効(導通状態)になるため、無制御状態の時間を従来よりも短くでき、電気機器が稼働状態へと遷移して急峻な出力電流の増加が発生しても、出力電圧が大きく低下する時間を短くできる。
また、従来、無負荷状態での急峻な出力電流の変化を回避するためには、出力電流増加禁止期間を設けなければならなかったが、その期間を短くすることができる。つまり、待機状態と稼働状態を高速に遷移させることが可能となり、電気機器の利便性が向上できる。
200 スイッチング電源
300 負荷
400 交流直流変換部
405 電源制御IC
407 電解コンデンサ
500 放電回路部
300 負荷
400 交流直流変換部
405 電源制御IC
407 電解コンデンサ
500 放電回路部
Claims (5)
- 商用電源から供給される交流電圧を整流する第1整流手段と、
前記第1整流手段により整流された電圧を平滑する第1コンデンサと、
前記第1コンデンサを介して電圧が供給されるトランスと、
前記トランスに供給される電圧をスイッチングする第1スイッチ手段と、
前記第1スイッチ手段をオンオフさせるパルス信号を出力する制御手段と、
前記トランスの二次側に発生する電圧を整流する第2整流手段と、
前記第2整流手段により整流された電圧を平滑する第2コンデンサと、
前記第2コンデンサに充電された電荷を放電させる放電回路と、を備え、
前記放電回路は、前記トランスと前記第2整流手段との間の電圧を検知する検知手段を有し、前記制御手段が前記パルス信号を出力しておらず、前記検知手段により検知される電圧が所定値未満である場合は前記第2コンデンサの放電を行い、前記制御手段が前記パルス信号を出力しておらず、前記検知手段により検知される電圧が所定値以上である場合は前記第2コンデンサの放電を行わないことを特徴とするスイッチング電源。 - 前記検知手段は、前記トランスと前記第2整流手段との間の電圧を整流する第3整流手段と、前記第3整流手段により整流された電圧を平滑する第3コンデンサとを有し、前記第3コンデンサの電圧が前記所定値未満の場合に前記第2コンデンサの放電を行うことを特徴とする請求項1記載のスイッチング電源。
- 前記放電手段は、放電抵抗を介して前記第2コンデンサの電圧が印加される第2スイッチ手段を有し、
前記検知手段により検知される電圧が前記所定値未満である場合に、前記第2スイッチ手段が導通して前記放電抵抗により前記第2コンデンサの電荷を放電する、
ことを特徴とする請求項2記載のスイッチング電源。 - 前記放電手段は、一端に抵抗を前記第2コンデンサの電圧が印加され、制御端子に前記検知手段の出力が入力される第3のスイッチ素子を有し、
前記第3スイッチ素子は前記検知手段により検知される電圧が前記所定値未満である場合に非導通となり、
前記第2スイッチ手段の制御端子に前記第3スイッチ手段の前記一端の電圧が入力されることを特徴とする請求項3記載のスイッチング電源。 - 請求項1ないし4の何れか1項記載のスイッチング電源と、
シートに画像を形成する画像形成手段と、を備え、
前記スイッチング電源により発生する電圧を用いて前記画像形成手段を動作させることを特徴とする画像形成装置。
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