JP6167643B2 - 電源装置、画像形成装置及び電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、電源装置、画像形成装置及び電子機器に関する。

電子機器の電源として使用されるスイッチング電源は、損失（発熱）を低減して高効率化することが求められている。また、負荷変動が大きく、待機状態である時間が長い画像形成装置に対しても、電源装置の高効率化が検討されている。

例えば、特許文献１は、フォワード方式のコンバータトランスの二次側に、ダイオードとコンデンサのフライバック回路を設け、負荷電流が所定値以下になった時にはフライバック方式に切り替えて、コンバータトランスに蓄積されたエネルギーをフライバック出力として取り出すスイッチング電源装置を開示している。

しかしながら、電源装置の高効率化と小型化とを両立させることが困難であるという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、高効率化と小型化とを両立させることができる電源装置、画像形成装置及び電子機器を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、トランスの１次巻線と、該トランスの１次巻線と直列に付加されたコイルに印加される電圧を遮断する遮断部と、前記トランスの１次巻線側のコイル側に第１ダイオードを接続し、前記印加される電圧を前記遮断部が遮断した場合に、前記第１ダイオードにより、前記トランスに蓄積されたエネルギーをコンデンサへ導くように電流を流す第１の回路と、前記トランスの１次巻線側のコイル側とは別の端部に第２ダイオードを接続し、前記印加される電圧を前記遮断部が遮断した場合に、前記第２ダイオードにより、前記１次巻線及び前記コイルの電圧をクランプする第２の回路と、を有する。

本発明によれば、高効率化と小型化とを両立させることができるという効果を奏する。

図１は、画像形成装置におけるＴＥＣ値の算出例を示す図である。 図２は、定格時と省エネ時のＴＥＣ値を示すグラフである。 図３は、スナバ回路がないフライバックコンバータの電子スイッチが動作した場合の電圧変化例を示すグラフである。 図４は、図３に示したドレイン−ソース間電圧ｃを詳細に示したグラフである。 図５は、スナバ回路が有るフライバックコンバータの電子スイッチが動作した場合の電圧変化例を示すグラフである。 図６は、図５に示したドレイン−ソース間電圧ｆを詳細に示したグラフである。 図７は、第１実施形態にかかる電源装置の構成例を示す図である。 図８は、電源装置の第１電子スイッチ及び第２電子スイッチが動作した場合の電圧変化例を示すグラフである。 図９は、図８に示したドレイン−ソース間電圧ｉを詳細に示したグラフである。 図１０は、電源装置のスイッチングメカニズムを示したグラフである。 図１１は、第２実施形態にかかる電源装置の構成例を示す図である。 図１２は、スナバ回路を有するフライバック方式の電源装置の比較例を示す図である。 図１３は、第２実施形態にかかる電源装置が改善する効率の第１例（出力電流０〜１２Ａ）を示すグラフである。 図１４は、第２実施形態にかかる電源装置が改善する効率の第２例（出力電流０〜０．２Ａ）を示すグラフである。 図１５は、画像形成装置の構成を例示するブロック図である。

（背景）
まず、本発明をするに至った背景について説明する。現在、ＴＥＣ（Typical Electricity Consumption）値により電子機器の消費電力が可視化されている。ＴＥＣ値は、モデルケースでの１週間の消費電力量（ｋＷｈ）を示す値である。また、ＴＥＣ値は、財団法人省エネルギーセンターの「国際エネルギースタープログラム」に適合するための基準となる値である。

図１は、画像形成装置におけるＴＥＣ値の算出例を示す図である。プリンターや複合機などの画像形成装置は、例えば、平日１日を８時間の稼働時間（ジョブ時間）と１６時間のスリープとに分けた平均的なオフィスの利用形態が想定される。

ジョブ時間において、画像形成装置は、例えば朝一番（朝一）及び昼休み後に２ジョブ（ＪＯＢ１）を行う。ここで、画像形成装置は、復帰及びジョブにおいて電力を消費し、レディの状態を経てスリープとなる動作を行う。なお、画像形成装置は、ジョブでは定格電力となり、レディでは待機電力となり、スリープでは省エネ電力となる。

その後、画像形成装置は、１５分間隔でＪＯＢ２，３，４を行い、これを１０回繰り返して、合計３０ジョブを行うこととする。ＪＯＢ２，３，４の３回の電力の測定に対しては、消費電力の平均値が算出される。また、印刷動作においては、ｐｐｍにより示される規定枚数の関数によって消費電力が規定される。

そして、ＴＥＣ値は、平日１日分の５倍（平日５日分）の電力と、土日のスリープ（２４ｈ×２）における電力との和によって算出される。

このように、画像形成装置は、使用電力が軽負荷から重負荷の広範囲にわたる。そして、画像形成装置は、スリープ（５０ｍＡ〜２００ｍＡ程度の軽負荷）の期間が非常に長い。つまり、ＴＥＣ値を向上させるためには、ジョブ（１２〜２０Ａ程度）時からスリープ（５０ｍＡ〜２００ｍＡ程度）時まで、１００倍以上の広範囲の負荷範囲を高効率に維持する必要がある。

図２は、定格時と省エネ時のＴＥＣ値を示すグラフである。図２に示すように、省エネ時の週間消費電力量は、定格時の週間消費電力量よりも多くなっている。つまり、ＴＥＣ値を改善するためには、特に、時間の長いスリープ時を高効率にする必要がある。また、標準ＣＯ_２排出量は、環境省の原単位「１ｋＷｈあたりＣＯ_２ ０．５５５ｋｇ」によってＴＥＣ値から換算される。つまり、ＴＥＣ値は、環境問題にも直接関係する。

次に、フライバックコンバータの動作例について説明する。フライバックコンバータは、部品点数が少なくシンプルであり、入力電圧範囲を広くとれる利点がある。図３は、スナバ回路（Snubber circuit）がないフライバックコンバータ（図１２参照）の電子スイッチ（ＦＥＴ）が動作した場合の電圧変化例を示すグラフである。図３に示すように、電子スイッチ（ＦＥＴ）がオフ（ゲート電圧ａがＨからＬ）にされると、ドレイン−ソース間電圧ｃとして５７２Ｖの高電圧が発生する。

図４は、図３に示したドレイン−ソース間電圧ｃを詳細に示したグラフである。図４に示すように、Ｖｄｓ（ドレイン−ソース間電圧ｃ）は、５７２Ｖとなっており、大きなサージ（Surge）とスパイク（Spike）を含んでいる。

図５は、スナバ回路が有るフライバックコンバータの電子スイッチ（ＦＥＴ）が動作した場合の電圧変化例を示すグラフである。図５に示すように、スナバ回路が有る場合、ドレイン−ソース間電圧ｆは、スナバ回路がサージを抑えるため、３１０Ｖに抑えられている。つまり、電子スイッチ自身や周囲の電子部品の損傷が防がれ、電磁ノイズが最小化されている。ただし、この場合はサージエネルギーが熱となって放出されただけであり、効率は改善されていない。

図６は、図５に示したドレイン−ソース間電圧ｆを詳細に示したグラフである。図６に示すように、Ｖｄｓ（ドレイン−ソース間電圧ｆ）は、３１０Ｖである。ここでは、サージはクランプされて除去されているがスパイクは残留している。また、サージエネルギーは熱として発散しているが、効率は改善されていない。

（第１実施形態）
次に、電源装置の第１実施形態を詳細に説明する。図７は、第１実施形態にかかる電源装置１ａの構成例を示す図である。図７に示すように、電源装置１ａは、例えば１００Ｖ入力の交流電源１０が接続された整流ブリッジ（ダイオード）１２及び電力変換トランス（フライバックトランス）Ｔ１を有するフライバック方式の電源装置である。

電力変換トランスＴ１の１次側には、電解コンデンサＣ１、第１ダイオードＤ１、第２ダイオードＤ２、第１電子スイッチＳ１、第２電子スイッチＳ２及びコイルＬ１が設けられている。また、電力変換トランスＴ１の２次側には、第３ダイオードＤ３及び電解コンデンサＣ２が設けられている。

コイルＬ１は、電力変換トランスＴ１の１次巻線に直列に付加されたエネルギー発生用コイルである。なお、コイルＬ１のインダクタは、漏れインダクタの影響を受けない値に設定されている。電解コンデンサＣ１は、サージエネルギーを回収（蓄積）するために設けられている。

第１電子スイッチＳ１は、電力変換トランスＴ１の１次巻線の一端に設けられている。第２電子スイッチＳ２は、コイルＬ１の一端に設けられている。そして、第１電子スイッチＳ１及び第２電子スイッチＳ２は、電力変換トランスＴ１の１次巻線及びコイルＬ１に印加される電圧を遮断する遮断部を構成する。また、第１電子スイッチＳ１及び第２電子スイッチＳ２のうち少なくとも１つは、エネルギーを蓄積させるためにスイッチを開通させる機能も有する。

第１ダイオードＤ１は、電力変換トランスＴ１の１次巻線及びコイルＬ１に印加される電圧を第１電子スイッチＳ１及び第２電子スイッチＳ２が遮断した場合に、電力変換トランスＴ１に蓄積されたエネルギーを電解コンデンサＣ１へ導くように電流を流す。

第２ダイオードＤ２は、電力変換トランスＴ１の１次巻線及びコイルＬ１に印加される電圧を第１電子スイッチＳ１及び第２電子スイッチＳ２が遮断した場合に、電力変換トランスＴ１の１次巻線及びコイルＬ１の電圧をクランプする。

電力変換トランスＴ１の２次側には、第３ダイオードＤ３及び電解コンデンサＣ２が設けられている。第３ダイオードＤ３は、例えばショットキーバリヤダイオードである。電力変換トランスＴ１の２次側の出力電圧は、ＤＣ５Ｖとなっている。

このように、電源装置１ａは、１段構成（ワンコンバータ方式）である。また、電源装置１ａは、省エネモードから定格モードまでの広い電圧範囲に対して高効率で電力を供給することが可能である。また、電源装置１ａは、２段構成（２コンバータ方式）に比べて、例えば約１／５の容積に小型化することが可能となっている。

次に、電源装置１ａの動作について説明する。図８は、電源装置１ａの第１電子スイッチＳ１及び第２電子スイッチＳ２が動作した場合の電圧変化例を示すグラフである。

図８に示すように、電源装置１ａのドレイン−ソース間電圧ｉは、図４に示したスナバ回路がないフライバックコンバータのドレイン−ソース間電圧ｃ（５７２Ｖ）の約１／４（１５８Ｖ）となっている。また、電源装置１ａのドレイン−ソース間電圧ｉは、図６に示したスナバ回路が有るフライバックコンバータのドレイン−ソース間電圧ｆ（３１０Ｖ）の約１／２（１５８Ｖ）となっている。

なお、第１ダイオードＤ１を流れる回収電流ｊは、電解コンデンサＣ１に回収される電流である。

図９は、図８に示したドレイン−ソース間電圧ｉを詳細に示したグラフである。図９に示すように、スパイクが第１ダイオードＤ１及び第２ダイオードＤ２によりクランプされ、Ｖｄｓ（ドレイン−ソース間電圧ｉ）は、約１５８Ｖとなり、ほぼ入力電圧Ｖｉｎと同じである。よって、電源装置１ａは、周辺デバイスに対するストレスを軽減し、サージとスパイクエネルギーが回収されたことになる。

図１０は、電源装置１ａのスイッチングメカニズムを示したグラフである。ステージ１において、電源装置１ａは、第１電子スイッチＳ１及び第２電子スイッチＳ２を同時にＯＮにして、電力変換トランスＴ１の１次側に電流を流して電力変換トランスＴ１にエネルギーを蓄積させる。この時、電力変換トランスＴ１が２次側で電流を流そうとする方向に対し、第３ダイオードＤ３が逆向きに設けられているため、出力電流は流れない。

ステージ２において、電源装置１ａは、第１電子スイッチＳ１及び第２電子スイッチＳ２を同時にＯＦＦにする。この時、電力変換トランスＴ１に対する電流が突然遮断されるため、電力変換トランスＴ１の自己インダクタンス電圧が急上昇する。しかし、第１ダイオードＤ１及び第２ダイオードＤ２に電流が流れるため、電流（エネルギー）は電解コンデンサＣ１に回収される。ここで、電源装置１ａの出力電流は流れる。

ステージ３において、電源装置１ａは、電力変換トランスＴ１の１次側のインダクタンスに蓄積されたエネルギーを放出し続ける。ここで、電源装置１ａの出力電流は流れる。

ステージ４において、電源装置１ａは、休止期間となるが出力電流は流れる。ここで、電源装置１ａは、漏れインダクタのバラツキがあっても安定した効率特性を実現することができる。

（第２実施形態）
次に、電源装置の第２実施形態を詳細に説明する。図１１は、第２実施形態にかかる電源装置１ｂの構成例を示す図である。図１１に示すように、電源装置１ｂは、電力変換トランスＴ１の２次側に同期整流回路Ｄ、第４ダイオードＤ４及び制御回路（同期整流コントローラ）１４を有する。なお、図１１に示した電源装置１ｂにおいて、図７に示した電源装置１ａを構成する部分と実質的に同一の部分には、同一の符号が付してある。

同期整流回路Ｄは、例えばパワーＭＯＳＦＥＴによって構成され、第１電子スイッチＳ１及び第２電子スイッチＳ２が電圧を遮断する動作に同期して、電力変換トランスＴ１の出力電流を流す。パワーＭＯＳＦＥＴは、内部にダイオード（寄生ダイオード）があるかのように振る舞う。第４ダイオードＤ４は、同期整流回路Ｄの寄生ダイオードに対して並列に設けられたショットキーバリヤダイオードである。制御回路１４は、電力変換トランスＴ１に接続される負荷の大きさに応じて、同期整流回路Ｄを遮断するよう制御する。

電源装置１ｂは、負荷電流が例えば５０ｍＡ（省エネモード時）の場合、同期整流回路Ｄの動作電流が効率に悪影響を与える。そこで、制御回路１４は、省エネモードが指定されていることを示す省エネモード信号を受入れると、同期整流回路Ｄを遮断するよう制御する。同期整流回路Ｄが遮断された場合には、第４ダイオードＤ４が整流を行う。

第４ダイオードＤ４は、同期整流回路Ｄの寄生ダイオードよりも順方向降下電圧特性が格段に良い。従って、電源装置１ｂは、定格（重負荷）駆動、及び省エネ（軽負荷）駆動のいずれの場合にも効率が改善される。例えば、第４ダイオードＤ４の順方向の降下電圧は０．６Ｖ以下が好ましい。また、第４ダイオードＤ４は、複数個設けられてもよい。

次に、電源装置１ｂが改善する効率について説明する。図１２は、スナバ回路を有するフライバック方式の電源装置２の比較例を示す図である。図１３は、第２実施形態にかかる電源装置１ｂが改善する効率の第１例（出力電流０〜１２Ａ）を示すグラフである。図１４は、第２実施形態にかかる電源装置１ｂが改善する効率の第２例（出力電流０〜０．２Ａ）を示すグラフである。図１３及び図１４に示すように、電源装置１ｂは、電源装置２（比較例）に対し、出力電流０〜１２Ａの範囲、及び出力電流０〜０．２Ａの範囲のいずれにおいても効率が改善されている。

（実施例）
次に、電源装置１ｂを備えた画像形成装置３について説明する。図１５は、画像形成装置３の構成を例示するブロック図である。画像形成装置３は、例えば複合機であり、スキャナ３０、画像処理部３２、プリンタ（画像形成部）３４、駆動部３６、制御部３８及び電源装置４を有する。

スキャナ３０は、原稿の画像を読取る。画像処理部３２は、例えばスキャナ３０が読取った画像に対する所定の処理を行い、プリンタ３４に対して出力する。プリンタ３４は、画像処理部３２から受入れた画像を印刷する。駆動部３６は、例えば２４Ｖで動作し、スキャナ３０及びプリンタ３４などの可動部分を駆動する。制御部３８は、画像形成装置３を構成する各部を制御する。

電源装置４は、例えば第１電源部４０及び第２電源部４２を有する。第１電源部４０は、例えば上述した電源装置１ｂであり、１００Ｖの交流電源を５Ｖの直流電源に変換し、画像形成装置３内の５Ｖ電源で動作する制御部３８などに対して５Ｖの電圧を印加する。第２電源部４２は、駆動部３６に対して２４Ｖの電圧を印加する。また、電源装置４は、図１１を用いて説明した省エネモードが指定された場合には、第２電源部４２もＯＦＦにされ、第１電源部４０が出力する５Ｖ（ＤＣ）での５０ｍＡ程度の駆動電流のみとなる。

このように、画像形成装置３は、第１電源部４０が電源装置１ｂ（又は電源装置１ａ）であるため、電源装置４の高効率化と小型化とが両立されている。また、電源装置１ａ及び電源装置１ｂは、画像形成装置３に限定されることなく、定格駆動、待機駆動及びスリープ駆動などの重負荷から軽負荷まで広出力範囲の電力供給を必要とする電子機器等に用いることが可能である。

１ａ，１ｂ 電源装置
１２ 整流ブリッジ（ダイオード）
１４ 制御回路
Ｃ１ 電解コンデンサ
Ｃ２ 電解コンデンサ
Ｄ１ 第１ダイオード
Ｄ２ 第２ダイオード
Ｄ３ 第３ダイオード
Ｄ４ 第４ダイオード
Ｄ 同期整流回路
Ｓ１ 第１電子スイッチ
Ｓ２ 第２電子スイッチ
Ｌ１ コイル
Ｔ１ 電力変換トランス
３ 画像形成装置
３０ スキャナ
３２ 画像処理部
３４ プリンタ（画像形成部）
３６ 駆動部
３８ 制御部
４ 電源装置
４０ 第１電源部
４２ 第２電源部

特開平０６−０６２５６８号公報

Claims (7)

1. トランスの１次巻線と、該トランスの１次巻線と直列に付加されたコイルに印加される電圧を遮断する遮断部と、
   前記トランスの１次巻線側のコイル側に第１ダイオードを接続し、前記印加される電圧を前記遮断部が遮断した場合に、前記第１ダイオードにより、前記トランスに蓄積されたエネルギーをコンデンサへ導くように電流を流す第１の回路と、
   前記トランスの１次巻線側のコイル側とは別の端部に第２ダイオードを接続し、前記印加される電圧を前記遮断部が遮断した場合に、前記第２ダイオードにより、前記１次巻線及び前記コイルの電圧をクランプする第２の回路と、
   を有することを特徴とする電源装置。
2. 前記遮断部は、
   前記１次巻線の一端及び前記コイルの一端にそれぞれ設けられた２つの電子スイッチを有すること
   を特徴とする請求項１に記載の電源装置。
3. 前記２つの電子スイッチのうち少なくとも１つは、エネルギーを蓄積させるためにスイッチを開通させる機能も有することを特徴とする請求項２に記載の電源装置。
4. 前記遮断部が電圧を遮断する動作に同期して、前記トランスの出力電流を流す同期整流回路と、
   前記同期整流回路の寄生ダイオードに対して並列に設けられたショットキーバリヤダイオードと、
   をさらに有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電源装置。
5. 前記トランスに接続される負荷の大きさに応じて、前記同期整流回路を遮断するよう制御する制御回路
   をさらに有することを特徴とする請求項４に記載の電源装置。
6. 画像を形成する画像形成部と、
   前記画像形成部を制御する制御部と、
   請求項１乃至５のいずれか１項に記載の電源装置と、
   を有する画像形成装置。
7. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の電源装置を有する電子機器。

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