JP3826614B2 - スイッチング電源装置および周辺機器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プリンタなどの周辺機器の電源装置に適したスイッチング電源に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図７に、プリンタなどの周辺機器の電源装置として多用されているスイッチング電源装置の一般的な構成をブロック図により示してある。スイッチング電源装置９０は、交流電源２から供給された交流電力をダイオード５により整流する整流回路３と、整流回路３から出力された電流をスイッチング素子１１によりスイッチング（チョッピング）して出力電力を制御し、定電圧あるいは定電流電源としての機能を果たすスイッチング回路１０とを備えている。図７に示したスイッチング電源装置９０のスイッチング回路１０は出力電圧を一定に保つ定電圧電源としての機能を備えている。このため、スイッチング素子１１によりチョッピングされた出力がトランス１２の１次側に供給され、そのトランス１２の２次側の電圧が電圧検出回路１３により検出される。そして、この電圧検出回路１３の出力がフォトカプラ１４を介してスイッチング制御回路１５に供給され、ＰＷＭあるいはＰＦＭなどの方法によりスイッチング素子１１が制御される。
【０００３】
トランス１２の２次側には、さらに２次電圧制御回路２０が接続されており、２次側出力が整流されて所定の電圧、たとえば、４２Ｖおよび５Ｖなどの制御用電力あるいはモータの駆動用電力として消費側に出力される。
【０００４】
また、図７に示したスイッチング電源装置９０は、交流電力を供給するだけでスイッチング回路１０が起動し、定電圧電源として機能する自励式の電源装置である。このため、スイッチング素子１１を起動する起動回路３０が設けられている。図７に示した装置９０では、スイッチング素子１１としてＮチャンネル型のＭＯＳＦＥＴが採用されており、このゲート電極１１Ｇが起動抵抗３１を介して整流回路３の出力側３ａと接続されている。
【０００５】
スイッチング電源装置９０においては、まず、交流電力が整流回路３に供給されると平滑用コンデンサ４などを充電するために整流回路３に電流が流れる。したがって、スイッチング素子１１の制御電極であるゲート電極１１Ｇを整流回路３の出力側３ａに接続することにより、ゲート電圧が発生し、その電圧が閾値を超えるとスイッチング素子１１がオンする。この結果、整流回路３の出力はトランス１２の一次側に供給され、トランスの２次側に電圧が発生する。トランス１２の２次側には、２次電圧制御回路２０に電力を供給する巻線１２ａに加え、スイッチング制御回路１５へ電源を供給する巻線１２ｂも用意されており、スイッチング制御回路１５も動作を開始する。この後、スイッチング素子１１の制御はスイッチング制御回路１５に移され、２次電圧制御回路２０で消費電力が変動したときでも定電圧の電力が供給できるようにスイッチング素子１１が制御される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このように、図７に示したスイッチング電源装置９０は、交流電流の供給をオンオフすることにより自発的に動作を開始して所定の電圧の電力をモータなどの消費側に供給できる。しかしながら、ゲート電極１１の回路は過電圧保護用の抵抗１９を介して接地されている。このため、スイッチング電源装置が起動し、スイッチング素子１１の制御がスイッチング制御回路１５に移った後も、起動抵抗３１を介して整流回路３の出力側とスイッチング素子１１のゲート電極１１Ｇが接続されている。したがって、常に一定の電流がグランドに流れるが、この電力は数ｍＡあるいはそれ以下なので従来はほとんど無視されていた。
【０００７】
近年、プリンタなどの周辺機器においても省電力がさらに重要な課題となっている。プリンタなどの周辺機器では、実際にジョブを実行している時間に対し、電源はオンになっているがジョブは行っていないスタンバイ状態の時間が非常に長い。このため、スタンバイ中は不必要なセクションへの電力供給を停止した省電力モードにすることが一般に行われている。しかしながら、上記のようなスイッチング電源装置の起動抵抗における電力消費までは検討されていなかったが、本願の発明者らは、起動抵抗による電力損失も電力消費を低減するためには非常に重要であることに着目した。
【０００８】
このため、本願の発明者らは、まず、図８に示すように、起動抵抗３１を整流回路３の入力側３ｂ、すなわち、交流側に接続することを考えた。これにより、スイッチング素子１１がオンする期間は半分になるので起動抵抗３１における損失は整流回路３の出力側３ａに接続したときの１／４になる。しかしながら、常に起動抵抗３１で損失が発生していることに変わりはなく、さらに、起動抵抗３１における損失を少なくすることが必要である。特に、スイッチング電源装置がユニバーサル電源の場合は、最大値が４００Ｖ近くなる交流が印加されるので、起動抵抗３１における損失は１Ｗ程度となる。したがって、起動抵抗３１の損失を抑制することはスタンバイ状態における消費電力を低減するのに非常に効果が高い。
【０００９】
さらに、スイッチング電源装置９０の２次側でスイッチをオフする周辺機器もあるが、そのような機器では、起動抵抗３１における損失がスタンバイ状態のときはもちろん、機器を交流電源に接続している間は２次側スイッチのオンオフに関わらず恒久的に発生していることになる。
【００１０】
このように、本願の発明者らは、従来、無視されていた起動抵抗による電力損失が周辺機器においては非常に大きな問題であることを見出した。そこで、本発明においては、スイッチング電源装置の起動抵抗における損失をさらに低減することができるスイッチング電源装置を提供することを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明においては、スイッチング素子の起動回路に起動電圧を印加した後に、起動抵抗を流れる電流を積極的に制限するようにしている。すなわち、本発明のスイッチング電源装置は、交流を整流する整流回路と、この整流回路から出力された電流をスイッチング素子によりチョッピングして出力電力を制御可能なスイッチング回路と、スイッチング素子の制御電極を整流回路の入力側または出力側に対し起動抵抗を介して接続し、起動電圧を印加可能な起動回路とを有し、起動回路は、起動電圧を印加した後に、起動抵抗を流れる電流を制限可能な電力制限手段を備えていることを特徴としている。起動抵抗に流れる電流を積極的に制限すれば、スタンバイ状態における電力消費を低減できることはもちろん、２次側のスイッチによりオフする機器においてはスイッチオフ時における電力消費も低減することができる。
【００１２】
電力制限手段としては、適当なタイミングでオンオフし、起動後は、起動抵抗を流れる電流を遮断できるスイッチを用いることが最も望ましい。しかしながら、スイッチを操作する適当なタイミングを常時モニターするような機能あるいは回路を実装すると、コストもかかり、さらに、モニターしスイッチを操作する機能を稼動させるために電力が消費されるという問題が起きる。
【００１３】
そこで、起動抵抗を整流回路の入力側、すなわち、交流側に接続すると共に、電力制限手段としてサイリスタを用いることが望ましい。サイリスタの制御方法はいくつか提案されているが、まず、サイリスタのゲート電極を整流回路の出力側に接続することができる。交流電流が供給されたり、あるいは２次側でスイッチが入ると、整流回路３の平滑コンデンサなどが充電されるために突入電流が発生する。この突入電流によりサイリスタのゲート電極に発生する電圧が閾値を超えるようにすればサイリスタがターンオンするので起動抵抗を電流が流れ、スイッチング素子がオンする。一方、サイリスタは交流側に接続されているので、交流電圧がゼロまたは反転すると、サイリスタのアノード−カソード間の導通は終了する。このため、サイリスタはターンオフし、起動抵抗には電流が流れない。
【００１４】
サイリスタのゲート電極を整流回路の入力側、すなわち交流側に接続することも有効である。この場合は、交流電圧がサイリスタのゲート電極に印加され、閾値を超えるとサイリスタがターンオンし、起動抵抗を電流が流れ、スイッチング素子がオンする。この場合も交流電圧がゼロまたは反転すると、サイリスタのアノード−カソード間の導通は終了し、サイリスタはターンオフするので起動抵抗には電流が流れない。したがって、単に起動抵抗を交流側に接続したときよりも、起動抵抗を交流電流が流れる時間を短くすることができる。さらに、サイリスタのゲート電極を適当な移相回路で整流回路の入力側に接続することにより、ゲート電極に印加される電圧の位相を遅らせることで導通時間を調節できる。このため、起動抵抗を流れる電力をいっそう削減することができる。
【００１５】
したがって、本発明にかかるスイッチング電源装置をプリンタなどの周辺機器の電源装置として採用することにより、スタンバイ状態における電力消費を更に低減することができる。また、２次側スイッチでオフするタイプの周辺機器においては、常時消費される電力を削減することができ、オフ時および待機時において大きな省電力効果を得ることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１に、本発明にかかるスイッチング電源装置の一例を示してある。図１に示したスイッチング電源装置１は、図７に示したスイッチング電源装置と同様に、交流電源２から供給された交流電力を整流する整流回路３と、整流回路３から出力された電流をスイッチング素子１１によりチョッピングして出力電力を制御するスイッチング回路１０とを備えている。これらの構成は、図７に示したスイッチング電源装置と同様なので、以下では共通の符号を付して詳しい説明は省略する。本例のスイッチング電源装置１も自励式のスイッチング電源装置であり、このため、起動抵抗３１を備えた起動回路３０が設けられており、スイッチング素子１１のゲート電極１１Ｇに起動電圧を印加できるようになっている。
【００１７】
本例の起動回路３０は、起動抵抗３１に加え、起動抵抗３１に流れる電流をオンオフ可能なスイッチ３２が起動抵抗３１と直列に接続されている。したがって、スイッチング電源装置１を起動する前にスイッチ３２をオンにしておくことにより、交流が供給されるとスイッチング素子１１がオンし、スイッチング電源装置１が稼動を開始する。一方、スイッチング電源装置１が起動した後の適当なタイミングでスイッチ３２をオフすることにより、起動抵抗３１から抵抗１９を介してグランドに流れる電流をカットすることができる。したがって、いったん起動した後は、スイッチング電源装置１がスタンバイ状態のときの起動抵抗３１による損失をなくすことができる。
【００１８】
本例においては、起動抵抗３１が整流回路３の入力側３ｂである交流側に接続されているが、もちろん、出力側３ａに接続した場合でも同様にスイッチ３２を用いて起動抵抗３１による損失を低減できる。
【００１９】
さらに、スイッチング電源装置１において２次側のスイッチにより電力供給をオンオフことも可能であるが、その場合は、２次側のスイッチがオフのときに起動回路３０のスイッチ３２もオフすることにより、スタンバイ状態のときのみならず、スイッチング電源装置１がオフのときの電力損失もなくすことができる。このケースでは、起動回路３のスイッチ３２をオンするタイミングが必要になるが、交流が供給されたり、あるいは２次側がオンになったときに整流回路３の平滑コンデンサ４などを充電する電流が流れるので、その電流によりスイッチ３２をオンすることができる。あるいは、２次側のスイッチと連動して起動回路３０のスイッチ３２をオンするようにしてももちろん良い。
【００２０】
しかしながら、図１に示したスイッチング電源装置１では、適当なタイミングで起動回路３０のスイッチ３２を制御する回路が必要となる。これに対し、図２に示したスイッチング電源装置１の例では、自動的に起動回路３０の起動抵抗３１に流れる電流を遮断できる。
【００２１】
図２に示したスイッチング電源装置１においては、起動抵抗３１と直列にサイリスタ３３が接続されており、サイリスタ３３のアノード側が整流回路３の入力側３ｂ、すなわち、交流側に接続されている。また、サイリスタ３３のゲート電極３３Ｇが整流回路３の出力側３ａに接続されている。本例のスイッチング電源装置１においては、交流が供給されたり、あるいは、２次側スイッチが入ると、平滑コンデンサ４あるいはトランス１２のコイルなどに電流が流れ、瞬間的に整流回路３から電流が出力される。そして、この突入電流がサイリスタ３３のゲート電極３３Ｇを介してベース電流として流れる。その結果、ゲート３３Ｇの電圧が閾値を超えるとサイリスタ３３はターンオンし、起動抵抗３１を介してスイッチング素子１１に起動電圧が印加される。したがって、スイッチング素子１１がオンとなり、スイッチング電源装置１は自動的に起動する。
【００２２】
サイリスタ３３はいったん起動すると、サイリスタ３３を流れる電流が０か負にならないとターンオフしない。本例のスイッチング電源装置１においては、サイリスタ３３が交流側、すなわち、整流回路３の入力側３ｂに接続されているので、いったんサイリスタ３３がターンオンしても、交流の位相が進みサイリスタ３３に印加される電圧が０または反転するのでサイリスタ３３のアノード−カソード間の導通がなくなりターンオフする。したがって、スイッチング電源装置１が起動した後は、起動抵抗３１を流れる電流を遮断することができる。
【００２３】
このように、本例のスイッチング電源装置１においては、スイッチを操作するためのタイミング発生回路などを設けずに、簡単な構成で起動抵抗３１による電力損失を防ぐことができる。したがって、低コストで、さらに、スタンバイ状態あるいはオフ状態における電力損失の少ないスイッチング電源装置を提供できる。上述したように、起動抵抗３１による電力損失は、一般的には大きくない。しかしながら、プリンタなどの周辺機器に搭載されている２２０Ｖ対応のユニバーサル電源になると、最大電圧が４００Ｖ近い交流が印加されるので、それに伴い電力損失はワット単位なる。さらに、プリンタなどの周辺機器は、実際に印刷などのジョブを行っている時間に比較し、スタンバイ状態あるいはオフ状態でいる時間が非常に長い。したがって、上記あるいは以下の例で詳述している本発明により起動抵抗３１のロスをなくすか、あるいは小さくすることにより大きな省電力効果を得ることができる。
【００２４】
なお、本例においては、サイリスタ３３のゲート電極３３Ｇに印加される電圧が１０Ｖを超えないように、分圧用の抵抗３９ａおよび３９ｂを設けてある。また、逆流防止用のトランジスタ３９ｃを設けてある。
【００２５】
図３に、本発明にかかるスイッチング電源装置１の異なった例を示してある。本例のスイッチング電源装置１においては、起動抵抗３１と直列に接続されたサイリスタ３３のゲート電極３３Ｇを、サイリスタのアノード側と同様に交流側、すなわち、整流回路３の入力側３ｂに接続している。
【００２６】
本例のサイリスタ３３のゲート電極３３Ｇに流れる電流ｉは、サイリスタ３３のアノードに印加される交流電圧ｖに対し、図４に示したように変化する。すなわち、交流電圧ｖが所定の値より高くなると、ゲート電極３３Ｇに電流が流れ、それによりゲート電圧が閾値を超えるとサイリスタ３３はターンオンする。一方、交流電圧が０または反転するとサイリスタ３３はターンオフする。したがって、サイリスタ３３は、１／４周期程度の間が、ターンオンの期間Ｔとなる。このため、交流電源２から交流が印加されると、サイリスタ３３は１／４周期だけターンオンしてスイッチング素子１１をオンし、スイッチング電源装置１を起動する。
【００２７】
本例のスイッチング電源装置１においては、交流が供給されていると、常に１／４周期だけサイリスタ３３がターンオンし、起動するとき以外であっても起動抵抗３１による損失が発生する。しかしながら、図８に示した交流側に単に起動抵抗を接続したスイッチング電源装置と比較し、起動抵抗３１による損失をさらに１／４以下にすることができる。
【００２８】
図５に示したスイッチング電源装置１においては、さらに、サイリスタ３３のゲート電極３３Ｇと交流側３ｂとを移相回路３４により接続してある。本例の移相回路３４は、可変抵抗３５ａとコンデンサ３５ｂから構成されており、これにより、図６に示すようにサイリスタ３３のゲート電極３３Ｇに流れる電流ｉの位相をサイリスタ３３のアノードに印加される交流電圧ｖの位相とずらすことができる。したがって、サイリスタ３３がターンオンするタイミングを図３に示した電源装置よりも遅くすることが可能となる。この結果、図６に示したように、サイリスタ３３がターンオンする期間Ｔを更に短縮し、起動抵抗３１によるロスを小さくすることができる。
【００２９】
なお、上記では、スイッチまたはサイリスタを用いた例を説明しているが、サイリスタに代わり、バイポーラトランジスタ、ＳＣＲ、ＧＴＯあるいはＩＧＢＴなどの半導体素子を用いて起動抵抗３１を流れる電力を制限する機能を実現することが可能であることはもちろんである。しかしながら、回路構成としてはサイリスタを用いた例がもっとも簡素であり、また、サイリスタにより起動抵抗３１に流れる電力を抑制し、損失を低減する機能を十分に果たすことができる。
【００３０】
また、スイッチング回路３０に採用されているスイッチング素子１１もＭＯＳＦＥＴに限らず、バイポーラトランジスタ、ＩＧＢＴなどの公知の他の半導体素子を採用することができる。さらに、上記の例では、定電圧制御するスイッチング電源装置を元に説明しているが、定電流制御するスイッチング電源装置においても本発明を適用できることはもちろんである。
【００３１】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明のスイッチング電源装置においては、スイッチング素子に起動電圧を印加するための起動抵抗に対し、スイッチまたはサイリスタなどにより構成される電力制限手段を直列に接続し、スイッチング電源装置が起動した後、あるいはオフ状態においても、起動抵抗に流れる電力を制限するようにしている。このため、本発明にかかるスイッチング電源装置を搭載したプリンタなどの周辺機器においては、待機中あるいはオフ中の起動抵抗による損失をなくすか、あるいは大幅に低減することができる。パーソナルコンピュータの周辺機能を実現する周辺機器においては、実際にジョブを行っている時間よりも、待機あるいはオフの時間が非常に長く、この間における電力損失を減らすことにより、全体として大きな省電力効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態にかかるスイッチング電源装置の概略構成を示すブロック図である。
【図２】図１に示すスイッチング電源装置と異なる例を示すブロック図である。
【図３】図２に示すスイッチング電源装置とさらに異なる例を示すブロック図である。
【図４】図３に示すスイッチング電源装置において、サイリスタのアノードに印加される交流電源と、サイリスタのゲートを流れる電流を示すグラフである。
【図５】図３に示すスイッチング電源装置とさらに異なる例を示すブロック図である。
【図６】図５に示すスイッチング電源装置において、サイリスタのアノードに印加される交流電源と、サイリスタのゲートを流れる電流を示すグラフである。
【図７】従来のスイッチング電源装置の一例を示すブロック図である。
【図８】起動抵抗を交流側に接続することにより、起動抵抗の損失を抑制したスイッチング電源装置の概略構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１ スイッチング電源装置
２ 交流電源
３ 整流回路
４ 平滑コンデンサ
５ 整流用ダイオード
１０ スイッチング回路
１１ スイッチング素子
１１Ｇ スイッチング素子のゲート電極
１２ トランス
１３ 電圧検出回路
１４ フォトカプラ
１５ スイッチング制御回路
２０ ２次電圧制御回路
３０ 起動回路
３１ 起動抵抗
３２ スイッチ
３３ サイリスタ
３３Ｇ サイリスタのゲート電極
３４ 遅延要素
９０ スイッチング電源装置

Claims (4)

1. 交流を整流する整流回路と、
   前記整流回路から出力された電流をスイッチング素子によりチョッピングして出力電力を制御可能なスイッチング回路とを備えており、
   前記スイッチング素子の制御電極は前記整流回路の交流側に起動抵抗とサイリスタを介して接続されており、
   前記サイリスタのゲート電極とカソード電極間の通電の開始は、前記交流の電圧が零を超える時点より遅れてかつ、次に零の大きさになる前の時点であることを特徴とするスイッチング電源装置。
2. 請求項１において、前記サイリスタのゲート電極は分圧回路を介して前記整流回路の交流側に接続されており、
   前記分圧回路は、前記交流のピーク電圧の近傍において前記サイリスタのゲート電極の電圧が閾値を超えるように分圧することを特徴とするスイッチング電源装置。
3. 請求項１において、前記サイリスタのゲート電極は移相要素を介して前記整流回路の交流側に接続されていることを特徴とするスイッチング電源装置。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載のスイッチング電源装置を有する周辺機器。

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