JP6537322B2 - Power supply device and image forming apparatus - Google Patents
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本発明は、電源装置及び画像形成装置に関し、特に、中負荷状態及び軽負荷状態において、スイッチング動作を一定期間停止させるバーストモードを備えたスイッチング電源装置に関する。 The present invention relates to a power supply apparatus and an image forming apparatus, and more particularly to a switching power supply apparatus having a burst mode in which switching operation is stopped for a fixed period in a medium load state and a light load state.
電子機器の低圧電源としてICを用いて出力電圧を制御するスイッチング電源装置が知られている。近年、電子機器の動作待機時における消費電力を一層低減する流れがあり、スイッチング電源装置そのものの消費電力も低減することが求められている。スイッチング電源装置の消費電力を低減する構成として、例えば、特許文献1のような構成が提案されている。従来のスイッチング電源装置では、出力側の負荷状態によってフィードバック端子の電圧レベルを可変にして、軽負荷時にスイッチング電源装置のオン期間を短くすることでオフ期間を長くするようにスイッチング動作を制御している。以降、このようなスイッチング動作をバースト動作という。スイッチング電源装置の動作状態には、重負荷状態、中負荷状態、軽負荷状態があるが、中負荷状態で消費電力を低減するために、バースト動作を行うことが有効である。図6に、各負荷状態における一般的なスイッチング電源装置の構成を示す。また、図7は図6に示すスイッチング電源装置の重負荷時の動作波形を示す図、図8は図6に示すスイッチング電源装置の重負荷時の動作状態を示す図である。図9(a)は、図6に示すスイッチング電源装置の中負荷時の動作状態を示す図、図9(b)は、図6に示すスイッチング電源装置の軽負荷時の動作状態を示す図である。尚、これらの詳細な説明は後述する。
There is known a switching power supply device that controls an output voltage using an IC as a low voltage power supply of an electronic device. In recent years, there is a trend to further reduce the power consumption at the time of operation standby of the electronic device, and it is also required to reduce the power consumption of the switching power supply itself. As a configuration for reducing the power consumption of the switching power supply device, for example, a configuration as disclosed in
図6のスイッチング電源装置では、スイッチング電源装置の動作状態が中負荷状態であるとき(図9(a))、FET105のスイッチング動作を強制的に停止する制御、即ち、バースト動作が行われている。これにより、FET105のスイッチングによる損失を低減して、機器の消費電力を低減することができる。しかし、中負荷時にバースト動作を行った際に、出力電圧のリプル電圧が大きくなってしまうおそれがある。このため、図10に示すパルス幅制限電源装置が提案されている(例えば、特許文献2参照)。図10のパルス幅制限電源装置の動作波形を図11に示す。尚、図10、図11の詳細は後述する。図10に示すパルス幅制限電源装置では、パルス幅制限部305及び基準電圧306を追加することにより、軽負荷時の消費電力を増加させることなく、中負荷時の出力電圧のリプル電圧を低減することができる。
In the switching power supply device of FIG. 6, when the operating state of the switching power supply device is the medium load state (FIG. 9A), control to forcibly stop the switching operation of the
しかし、図10に示すパルス幅制限電源装置では、負荷電流が急激に変動した場合、変動後の電流値によっては出力電圧のリプル電圧が大きくなってしまう可能性がある。図12に負荷電流が急激に変動した場合の動作波形を示す。尚、図12の詳細は後述する。図10のパルス幅制限電源装置では、収束電圧Vfb_fが基準電圧304に近くなるような負荷電流は、スイッチング電源装置の出力容量に関わらず必ず存在する。このため、収束電圧Vfb_fが基準電圧304に近くなるような負荷電流とならないように、電源装置が適用される装置側で対応する必要があり、装置の設計が複雑になってしまうおそれがある。
However, in the pulse width limited power supply device shown in FIG. 10, when the load current fluctuates rapidly, the ripple voltage of the output voltage may increase depending on the current value after the fluctuation. FIG. 12 shows an operation waveform when the load current fluctuates rapidly. The details of FIG. 12 will be described later. In the pulse width limited power supply of FIG. 10, a load current such that the convergence voltage Vfb_f approaches the
本発明は、このような状況のもとでなされたもので、軽負荷及び中負荷時にスイッチング素子のオン時のパルス幅を制限するスイッチング電源装置において、負荷電流の変動に起因して発生するリプル電圧の増大を抑制することを目的とする。 The present invention has been made under such circumstances, and in a switching power supply device that limits the pulse width when switching elements are on at light load and medium load, ripples that occur due to fluctuations in load current. The purpose is to suppress an increase in voltage.
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。 In order to solve the problems described above, the present invention comprises the following configuration.
(1)一次側と二次側が絶縁されたトランスと、前記トランスの一次側に流れる電流をオン、オフするスイッチング動作を行うためのスイッチング素子と、前記トランスの二次側の出力電圧に応じたフィードバック電圧を前記トランスの一次側にフィードバック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フィードバックされた前記フィードバック電圧に基づいて、前記スイッチング素子をオンするパルス信号のオン幅を制限する制限手段と、を備える電源装置であって、前記制限手段により前記オン幅が制限された第一の状態から前記オン幅の制限が解除された第二の状態に遷移した場合に、前記第二の状態を第一の時間維持するように制御する制御手段を備えることを特徴とする電源装置。 (1) A transformer in which the primary side and the secondary side are insulated, a switching element for performing a switching operation to turn on and off the current flowing to the primary side of the transformer, and the output voltage on the secondary side of the transformer Power supply comprising: feedback means for feeding back a feedback voltage to the primary side of the transformer; and limiting means for limiting the on width of a pulse signal for turning on the switching element based on the feedback voltage fed back by the feedback means An apparatus, wherein the second state is changed to a first time when transitioning from a first state in which the on-width is restricted by the restricting means to a second state in which the on-width is released from restriction A power supply device comprising control means for controlling to maintain.
(2)記録材に画像を形成するための画像形成手段と、前記画像形成手段に電力を供給する前記(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。 (2) An image forming apparatus comprising: an image forming unit for forming an image on a recording material; and the power supply device according to (1) for supplying power to the image forming unit.
本発明によれば、軽負荷及び中負荷時にスイッチング素子のオン時のパルス幅を制限するスイッチング電源装置において、負荷電流の変動に起因して発生するリプル電圧の増大を抑制することができる。 According to the present invention, it is possible to suppress an increase in ripple voltage generated due to fluctuation of load current in a switching power supply in which the pulse width of the switching element when ON at light load and medium load is limited.
以下、本発明を実施するための最良の形態を、実施例により詳しく説明する。 Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described in detail by way of examples.
[電源装置の概要]
まず、以下の実施例との比較のために、従来のスイッチング電源装置の回路構成と動作について、図6を用いて説明する。図6は、フライバック方式のスイッチング電源装置の回路構成を示す回路図である。図6において、商用交流電源Vac10より入力された交流電圧は、ダイオードブリッジ11を介して全波整流され、一次電解コンデンサ101により平滑化され、一次電解コンデンサ101には概ね一定の直流電圧Vhが充電される。そして、電源IC103の起動端子(以下、VH端子という)103hに直流電圧Vhが供給され、電源IC103が起動される。電源IC103は、スイッチング動作を行うスイッチング素子である電界効果トランジスタ(FET)105(以下、「FET105」という)のオン、オフ状態を制御するICである。絶縁トランス104(以下、トランス104という)には、巻数Npの一次巻線104p、巻数Nsの二次巻線104sの他に、巻数Nhの補助巻線104hが巻回されている。二次巻線104sは、一次巻線104pとは巻回方向が逆方向(いわゆるフライバック結合)となるよう構成され、補助巻線104hも、同様に一次巻線104pとは巻回方向が逆方向となるよう構成されている。
[Summary of Power Supply]
First, for comparison with the following embodiments, the circuit configuration and operation of a conventional switching power supply device will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a circuit diagram showing a circuit configuration of a flyback type switching power supply device. In FIG. 6, the AC voltage input from the commercial AC power supply Vac10 is full-wave rectified through the
電源IC103は、VCC(103c)、GND(103g)、OUT(103o)、VH(103h)、IS(103i)、FB(103f)、BTM(103b)の各端子を有している。尚、括弧内の符号は電源IC103の端子を示す符号である。電源入力端子であるVCC端子103cには、補助巻線104hに誘起された電圧V104hをダイオード111、コンデンサ113により整流平滑された直流電圧が、抵抗112を介して電源IC103を駆動する電圧として入力される。GND端子103gには接地電位が入力される。OUT端子103oは、FET105のゲート端子に接続され、ハイレベル、ローレベルの出力を行うことにより、FET105のオン、オフ状態を制御する。尚、以下ではハイ(High)レベルをHレベル、ロー(Low)レベルをLレベルという。VH端子103hは高電圧端子である。電源装置の起動時などの電源IC103のVCC端子103cへの入力電圧が低い場合に、VH端子103hに入力された直流電圧Vhにより、電源IC103内部の起動回路301から必要な電圧が供給され、電源IC103は、起動時の動作を開始する。電源IC103がFET105をオン状態からオフ状態にするタイミングは、IS端子103iの入力電圧(以下、IS端子電圧という)VisやFB端子103fの入力電圧(以下、FB端子電圧という)Vfbに基づいて決定される。
The
トランス104の二次巻線104sに誘起された電圧は、整流ダイオード121と平滑コンデンサ122により、整流、平滑されて、直流の出力電圧Voutとして出力される。シャントレギュレータ127は、トランス104の出力電圧Voutに基づいて、導通・非導通状態となる。シャントレギュレータ127のリファレンス(R)端子には、トランス104の二次側の出力電圧Voutを、抵抗123と抵抗124とで分圧された電圧が入力される。リファレンス(R)端子への入力電圧が所定の電圧よりも高ければ、シャントレギュレータ127が導通状態となって、K(カソード)端子から入力された電流がA(アノード)端子へと流れ、逆に所定の電圧よりも低ければ、非導通状態となる。シャントレギュレータ127が導通状態になると、抵抗128を介して、トランス104の二次側に設けられたフィードバック手段であるフォトカプラ109のLEDを介して電流が流れ、LEDが発光する。トランス104の一次側のフォトカプラ109のフォトトランジスタは、フォトカプラ109のLEDが発光しているかどうかにより、オン、オフ状態が制御される。そして、電源IC103のFB端子103fには、フォトカプラ109のフォトトランジスタが接続され、トランス104の二次側の出力電圧Voutに比例した電圧であるフィードバック電圧が入力される。
The voltage induced in the
また、電源IC103のIS端子103iには、トランス104の一次巻線104pに流れる電流により、検出手段である電流検出抵抗106の両端に発生した電圧が入力される。電源IC103のBTM端子103bには、補助巻線104hに誘起された電圧V104hに応じた電圧(以下、BTM端子電圧Vnhとする)が入力される。電源IC103は、BTM端子103bに入力される電圧からトランス104の回生終了を検出し、FET105をオフ状態からオン状態にするタイミングを決定する。
Further, to the IS terminal 103i of the
[重負荷時の動作]
次に、図6の電源装置の重負荷時における動作について、図7を用いて説明する。図7(i)は電源IC103のOUT端子電圧、図7(ii)はFET105のドレインソース間電圧Vds、図7(iii)はFET105のドレイン電流Idをそれぞれ示す。図7(iv)は電源IC103のフィードバック(以下、FBとする)端子電圧Vfb、図7(v)は電源IC103のIS端子電圧Vis、図7(vi)は電源IC103のBTM端子電圧Vnhを示す。横軸は時間を示し、t10、t12、t14、t16、t18、t20、t22、t24、t26は期間を示し、t11、t13、t15、t17、t19、t21、t23、t25は時間タイミング(以下、タイミングという)を示す。
[Heavy load operation]
Next, the operation under heavy load of the power supply device of FIG. 6 will be described with reference to FIG. 7 (i) shows the OUT terminal voltage of the
図6において、商用交流電源Vac10から入力された交流電圧は、ダイオードブリッジ11によって整流され、一次電解コンデンサ101によって平滑化され、概略一定の直流電圧Vhが生成される。一方、電源IC103を起動するためのVH端子103hに抵抗102を介して直流電圧Vhが供給されて、起動回路301により電源IC103は起動され、FET105をオンする。すると、一次側と二次側が絶縁されたトランス104の一次側の一次巻線104pを介して、FET105にドレイン電流Idが流れる(図7(iii)の期間t10)。期間t10において、ドレイン電流Idは、時間の経過と共に直線的に上昇していく。ドレイン電流Idは、電流検出抵抗106によってIS端子電圧Visに変換され、電源IC103の電流検出用のIS端子103iに入力される。
In FIG. 6, an AC voltage input from a commercial AC power supply Vac10 is rectified by a
一方、電源IC103のFB(フィードバック)端子103fには、トランス104の二次側から一次側に電圧をフィードバックするためのフォトカプラ109を介して、フィードバック電圧であるFB端子電圧Vfbが入力されている。FB端子電圧Vfbは、出力電圧Voutの誤差増幅信号であり、出力電圧Voutが規定値よりも大きい場合には低下し、出力電圧Voutが規定値よりも小さい場合には上昇する。電源IC103は、IS端子電圧Visが上昇し、FB端子電圧Vfbよりも大きくなった時点で、FET105をオフする(図7(iv)、図7(v)のタイミングt11)。FET105がオフされると、ドレイン電流Idは瞬時に0となる。すると、FET105のドレイン端子−ソース端子間電圧Vdsは上昇し、概ね一定の電圧となる(図7(ii)の期間t12)。
On the other hand, the FB terminal voltage Vfb, which is a feedback voltage, is input to the FB (feedback) terminal 103f of the
FET105がオフされて以降(図7(i)の期間t12)は、二次巻線104s及び補助巻線104hには正のパルス電圧が誘起される。二次巻線104sに誘起されたパルス電圧は、整流ダイオード121及び平滑コンデンサ122によって整流平滑され、概ね一定の出力電圧Voutとなる。
After the
二次巻線104sにパルス電圧が誘起されている期間、二次巻線104sに流れる電流Ifは直線的に減少し、やがて0になる。すると、FET105のドレイン端子−ソース端子間電圧Vdsは下降を始める。尚、FET105のドレイン端子−ソース端子間電圧Vdsは、補助巻線104hの端子電圧V104hと相似形となる。電源IC103のBTM端子103bには、補助巻線104hの端子電圧V104hに応じたBTM端子電圧Vnhが供給されている。電源IC103は、BTM端子電圧Vnhが立ち下がりエッジで、且つ、0ボルトとなったことを検出し、FET105をオンする(図7(i)のタイミングt13)。図7のタイミングt13で、再びFET105がオンされると、再度、トランス104の一次巻線104pを介して、FET105にドレイン電流Idが流れ、期間t14以降、期間t10、t12における動作が繰り返される。
While the pulse voltage is induced in the secondary winding 104s, the current If flowing in the secondary winding 104s linearly decreases and eventually becomes zero. Then, the voltage Vds between the drain terminal and the source terminal of the
図8は、図6の電源装置の重負荷時の連続的な動作状態を表した図である。より詳細には、図8(i)は出力電圧Vout、図8(ii)は電源IC103のFB端子電圧Vfb、図8(iii)はスイッチングパルス(電源IC103のOUT端子103oから出力されるパルス信号)を示し、横軸はいずれも時間を示す。尚、図中の基準電圧304は、後述する電源IC103の負荷状態判断部303の基準電圧304を示している。上述した動作によって、重負荷時は図8に示すように、FET105が連続発振するので、スイッチングパルスが連続的に出力され、FB端子電圧Vfbが基準電圧304を超えた状態、及び出力電圧Voutが規定値に維持された状態が継続される。
FIG. 8 is a diagram showing a continuous operation state of the power supply device of FIG. 6 under heavy load. More specifically, FIG. 8 (i) shows the output voltage Vout, FIG. 8 (ii) shows the FB terminal voltage Vfb of the
[電源ICの動作概要]
次に、電源IC103の動作について説明する。まず、図8に示す重負荷時における電源IC103の動作について、図6に示す電源IC103の内部ブロック図、及び図8を参照しながら説明する。
[Overview of Power Supply IC Operation]
Next, the operation of the
図6において、IS端子103iに入力されたIS端子電圧Visと、FB端子103fに入力されたFB端子電圧Vfbは、FET105の駆動時間を決定するためのパルス幅決定部302の比較部302cにて比較される。図7に示すように、FET105がオンしている状態では、FB端子電圧Vfb>IS端子電圧Visなので、比較部302cはLレベルを出力する。そのため、パルス幅決定部302後段に設けられた、スイッチング制御手段であるセット・リセット・フリップフロップ310(以下、単にFF310という)のリセット(R)端子(以下、R端子という)の入力はLレベルとなる。その結果、FF310のQ端子の出力(以下、Q出力という)は、それまでの出力状態であるHレベルを維持する。Q端子は、電源IC103のOUT端子103oに接続されており、Q出力は、FET105のゲート電圧VgとしてFET105にゲート抵抗107を介して入力され、FET105はオン状態を維持する(図7(i)の期間t10)。
In FIG. 6, the IS terminal voltage Vis input to the IS terminal 103i and the FB terminal voltage Vfb input to the
FET105のドレイン電流Idの上昇に伴い、IS端子電圧Visが上昇してFB端子電圧Vfbよりもわずかに高くなった時点(図7(iv)、(v)のタイミングt11)で、パルス幅決定部302の比較部302cの出力はLレベルからHレベルとなる。その結果、FF310のR端子にHレベルの信号が入力されるため、FF310はリセットされ、Q出力はHレベルからLレベルとなり、OUT端子103oからの出力はLレベルとなり、FET105はオフする(図7(i)のタイミングt11)。
At the point when the IS terminal voltage Vis rises and becomes slightly higher than the FB terminal voltage Vfb with the rise of the drain current Id of the FET 105 (the timing t11 in FIG. 7 (iv) and (v)), The output of the
その後、二次巻線104sに流れる電流Ifが減少し0になると、補助巻線104hの端子電圧V104hは下降して負電圧となる。補助巻線104hの端子電圧V104hに応じた電圧は、BTM端子電圧VnhとしてBTM端子103bに入力されている。BTM端子電圧Vnhが立ち下がりエッジで、且つ、0ボルトとなったとき(図7(vi)のタイミングt13)、電源IC103のボトム検知回路307の出力は、それまでのLレベルからHレベルに反転し、その後Hレベルが維持される。
Thereafter, when the current If flowing through the secondary winding 104s decreases to 0, the terminal voltage V104h of the auxiliary winding 104h decreases and becomes a negative voltage. A voltage corresponding to the terminal voltage V104h of the auxiliary winding 104h is input to the BTM terminal 103b as the BTM terminal voltage Vnh. When the BTM terminal voltage Vnh is a falling edge and becomes 0 volt (at timing t13 in FIG. 7 (vi)), the output of the
ボトム検知回路307から出力されたHレベルは、論理積回路(以下、AND回路という)309の一方の入力端子に入力される。AND回路309の他方の入力端子には、負荷状態判断部303の出力が入力される。負荷状態判断部303は、後述するように、FB端子電圧Vfbと基準電圧304を比較し、FB端子電圧Vfbの方が高ければHレベルを出力し、FB端子電圧Vfbの方が低ければLレベルを出力する。図8に示すように、重負荷時にはFB端子電圧Vfbは基準電圧304よりも高いため、負荷状態判断部303の出力は常にHレベルとなり、その結果、AND回路309の出力はHレベルとなる。FF310のセット(S)端子(以下、S端子という)にHレベルの信号が入力されることにより、FF310はセットされ、Q端子の出力はHレベルとなる。その結果、OUT端子103oからHレベルが出力され、FET105はオンする(図7(i)の期間t14)。ボトム検知回路307の出力は、パルス幅決定部302の比較部302cの出力がHレベルとなったとき、すなわち、IS端子電圧VisがFB端子電圧Vfbよりもわずかに高くなったときにリセットされ、Lレベルとなる(図7のタイミングt15)。
The H level output from the
[中負荷時の動作概要]
次に、スイッチング電源装置の中負荷時、即ち、前述した重負荷時に比べて負荷が小さいときの動作について説明する。図9(a)は、電源装置の中負荷時の連続的な動作状態を示す図であり、図9(a)(i)〜図9(a)(iii)は図8(i)〜図8(iii)に対応しているため、重複する説明を省略する。また、横軸において、t101、t103、t105、t107、t109、t111は期間を示し、t100、t102、t104、t106、t108、t110、t112は時間タイミング(以下、タイミングという)を示している。中負荷時の動作状態を示す図9(a)では、重負荷時の図8の状態に対して、FET105のスイッチングパルスが停止する期間(例えば期間t101、t105、t109)が存在する。
[Overview of operation at medium load]
Next, an operation at a medium load of the switching power supply apparatus, that is, when the load is smaller than that at the heavy load described above will be described. Fig.9 (a) is a figure which shows the continuous operation state at the time of the medium load of a power supply device, and Fig.9 (a) (i)-FIG.9 (a) (iii) are FIG. Since this corresponds to 8 (iii), duplicate explanations will be omitted. Further, in the horizontal axis, t101, t103, t105, t107, t109, and t111 indicate periods, and t100, t102, t104, t106, t108, t110, and t112 indicate time timing (hereinafter referred to as timing). In FIG. 9A showing the operating state at medium load, there are periods (for example, periods t101, t105, t109) in which the switching pulse of the
図9(a)に示すような中負荷時の場合、図7の期間t10、t12の動作を繰り返すと、トランス104を介して二次側に供給される電力は、二次側で消費する電力よりも大きくなってしまう。そのため、FB端子電圧Vfbは基準電圧304を下回ってしまい(図9(a)の期間t105等)、電源IC103の負荷状態判断部303の出力はLレベルとなる。負荷状態判断部303の出力はAND回路309に入力されており、負荷状態判断部303の出力がLレベルである間は、ボトム検知回路307の出力レベルによらず、AND回路309の出力はLレベルとなり、FF310のQ出力はLレベルを維持する。そのため、OUT端子103oからはLレベルの信号が出力され、FET105はオフ状態を継続する(図9(a)の期間t105等)。このとき、期間t105においては、トランス104を介した二次側への電力供給は、一時的に停止している。
In the case of a medium load as shown in FIG. 9A, when the operations of periods t10 and t12 of FIG. 7 are repeated, the power supplied to the secondary side through the
FET105がオフ状態を継続しているときに、二次巻線104sに流れる電流Ifが0となった時点で、ボトム検知回路307のAND回路309への出力はHレベルとなる(図7のタイミングt13)。トランス104の二次側への電力供給を一時的に停止しているため、FB端子電圧Vfbは緩やかに上昇する。そして、FB端子電圧Vfbがスイッチングパルスの停止電圧である基準電圧304を超えたときに、負荷状態判断部303の出力はLレベルからHレベルとなる(図9(a)のタイミングt106)。これにより、AND回路309の出力はHレベルとなり、S端子への入力がHレベルになることにより、FF310のQ出力はHレベルとなる。また、この時点で、FET105はオフ状態を継続しているため、FB端子電圧VfbとIS端子電圧Visの関係はVfb>Visとなっている。ところが、FF310のQ出力がHレベルとなることにより、OUT端子103oからの出力はHレベルとなり、その結果、FET105はオンする。そして、再びFB端子電圧Vfbがスイッチングパルスの停止電圧である基準電圧304より低くなるまで、期間t10、t12(図7)のスイッチング動作が繰り返される(図9(a)の期間t107)。以上のように、中負荷時には、FET105のスイッチング動作を強制的に停止する制御(いわゆるバースト動作)が行われている。これにより、FET105のスイッチングによる損失を低減し、機器の消費電力を低減することができる。
When the current If flowing through the secondary winding 104s becomes 0 while the
[軽負荷時の動作]
次に、軽負荷時の動作について説明する。昨今、電子機器の待機電力の低減が強く求められており、電源装置においては、軽負荷時の消費電力が待機電力に相当する。図9(b)(i)〜図9(b)(iii)は、電源装置の軽負荷時の連続的な動作状態を示す図であり、図8(i)〜図8(iii)と対応しているため、重複する説明は省略する。尚、横軸において、t201、t203、t205、t207、t209は期間を示し、t200、t202、t204、t206、t208、t210は時間タイミング(以下、タイミングという)を示している。
[Operation at light load]
Next, the operation at light load will be described. Recently, there is a strong demand for reduction of standby power of electronic devices, and in a power supply device, power consumption at light load corresponds to standby power. FIGS. 9 (b) (i) to 9 (b) (iii) are diagrams showing the continuous operation state of the power supply device under light load, corresponding to FIGS. 8 (i) to 8 (iii) Therefore, duplicate explanations are omitted. In the horizontal axis, t201, t203, t205, t207 and t209 indicate periods, and t200, t202, t204, t206, t208 and t210 indicate time timing (hereinafter referred to as timing).
図9(b)に示す軽負荷時においては、期間t203のようなFET105が強制的にオフされる期間(時間幅)が、図9(a)で示した中負荷時の期間t105の期間(時間幅)よりも長くなる。これは、軽負荷時では、中負荷時と比べてトランス104の二次側での負荷電流が小さく、出力電圧の降下が緩やかなためである。また、トランス104の二次側の消費電力が中負荷時と比べて小さいため、軽負荷時のFET105をオンしている期間である期間t201は、図9(a)で示した中負荷時の期間t103よりも短い。また、軽負荷時のFET105の単位時間あたりのオン回数も、中負荷時のオン回数よりも少ない。更に、軽負荷時のFET105に出力される1パルスの時間も、中負荷時の1パルスの時間よりも短い。期間t105と期間t203の時間差は、負荷電流によって異なるものの、上述した待機電力相当の負荷状態であれば、期間t105<期間t203の関係になる。
In the light load state shown in FIG. 9B, the period (time width) in which the
以上により、軽負荷時のバースト動作の周波数Fbst_lowは、中負荷時のバースト動作の周波数Fbst_midよりも低下することとなり、FET105のスイッチングによる損失を低減して、機器の消費電力を更に低減することができる。したがって、中負荷時のバースト動作の周波数Fbst_midと軽負荷時のバースト動作の周波数Fbst_lowについて、一般に下記の式(1)の関係が成り立つ。
Fbst_mid>Fbst_low (1)
As described above, the frequency Fbst_low of the burst operation at the light load is lower than the frequency Fbst_mid of the burst operation at the medium load, and the loss due to the switching of the
Fbst_mid> Fbst_low (1)
[出力負荷条件、FETのパルス幅及びスイッチング回数の関係]
次に、出力負荷条件とFET105のパルス幅及びスイッチング回数の関係について説明する。前述したように、軽負荷時において消費電力を低減させるには、FET105のスイッチング周波数を低下させることに加えて、スイッチング回数を減らすことも重要である。なぜなら、FET105のスイッチング回数が多くなると、FET105のオン時、オフ時に発生するスイッチング損失が増加し、消費電力を増加させてしまうためである。
[Relationship between output load condition, pulse width of FET and number of switching]
Next, the relationship between the output load condition, the pulse width of the
また、電源IC103はFB端子電圧Vfbとスイッチングパルスの停止電圧である基準電圧304を比較することで、連続したスイッチング回数を決定する。更に、電源IC103は、IS端子103iに入力されたIS端子電圧Visと、FB端子103fに入力されたFB端子電圧Vfbを比較することで、FET105のスイッチングパルスのパルス幅を決定する。すなわち、連続したスイッチング回数は、FB端子電圧Vfbが基準電圧304より低くなるまで継続されるため、概ね負荷電流が大きいほどスイッチング回数が多くなる。
Further, the
よって、中負荷時のバースト動作における連続スイッチング回数Sbst_nmと軽負荷時のバースト動作における連続スイッチング回数Sbst_nlについて、一般に下記の式(2)の関係が成り立つ。
Sbst_nm>Sbst_nl (2)
Therefore, the relationship of the following formula (2) generally holds for the continuous switching number Sbst_nm in the burst operation at medium load and the continuous switching number Sbst_nl in the burst operation at light load.
Sbst_nm> Sbst_nl (2)
また、前述したことから、単位時間当たりのFET105のスイッチング回数が以下のようになることもわかる。すなわち、重負荷時の連続スイッチング動作における連続スイッチング回数Snh、中負荷時のバースト動作における連続スイッチング回数Snm、軽負荷時のバースト動作における連続スイッチング回数Snlについて、下記の式(3)の関係が成り立つ。
Snh>Snm>Snl (3)
Further, from the above, it is also understood that the number of switching times of the
Snh>Snm> Snl (3)
更に、IS端子電圧VisとFB端子電圧Vfbの差が大きいほど、FET105をオン状態にするスイッチングパルスのオンのパルス幅は長くなり、また負荷電流が大きいほど長くなる。しかし、フィードバックループの応答等の条件によっては、重負荷時と中負荷時における最大パルス幅は等しくなる可能性がある。すなわち、FET105のスイッチングパルスの重負荷時の最大パルス幅PWh_Max、中負荷時の最大パルス幅PWm_Max、軽負荷時の最大パルス幅PWl_Maxについて、一般に下記の式(4)の関係が成り立つ。
PWh_Max≒PWm_Max>PWl_Max (4)
Furthermore, the larger the difference between the IS terminal voltage Vis and the FB terminal voltage Vfb, the longer the on pulse width of the switching pulse for turning on the
PWh_Max PW PWm_Max> PWl_Max (4)
[出力リプルについての課題]
前述したように、電源装置において軽負荷時のみならず、中負荷時においても消費電力を低減させるためには、FET105のオン時のパルス幅を大きくし、スイッチング回数を減らすことが求められる。また、電源IC103は、IS端子103iに入力されたIS端子電圧VisとFB端子103fに入力されたFB端子電圧Vfbを、パルス幅決定部302の比較部302cにより比較し、その結果に基づいて、FET105のオン時間を決定している。スイッチング電源装置では、中負荷時のスイッチング動作から重負荷時のスイッチング動作に移行する直前の負荷領域では、負荷電流が比較的大きいにもかかわらず、バースト動作を行っているため出力リプルが大きくなる。すなわち、中負荷から重負荷への動作状態の移行期間において、出力リプルが大きくなる。
[Problem about output ripple]
As described above, in the power supply apparatus, in order to reduce power consumption not only at light load but also at medium load, it is required to increase the pulse width when the
前述した図9(a)に示す中負荷時では、負荷電流が比較的大きいため、FET105のオフ期間(バースト動作における強制オフする期間)における出力電圧、及びFB端子電圧の変化も大きい。そのため、比較部302cで決定されるFET105のオンのパルス幅も長くなる。FET105のオン時のパルス幅が長いと、トランス104を介して二次側へ伝達される瞬時電力も大きく、FET105のオン期間における出力電圧、及びFB端子電圧Vfbの変化も大きくなるので、出力電圧のリプル電圧が大きくなってしまう。
Since the load current is relatively large during the medium load shown in FIG. 9A described above, the change in the output voltage and the FB terminal voltage in the off period of the FET 105 (the period of forced off in the burst operation) is also large. Therefore, the pulse width of the ON of the
また、前述したように、昨今の低消費電力化の流れから、軽負荷時のバースト動作の周波数Fbst_low、及び中負荷時のバースト動作の周波数Fbst_midは従来よりも低くなる傾向にある。したがって、バースト動作の周波数Fbst_midが低くなると、FET105のオフ期間及びFET105のオン時のパルス幅が長くなり、上述した出力電圧のリプル電圧が大きくなる現象がより顕著に現れる傾向となる。スイッチング電源装置において低消費電力化することと、出力電圧のリプル電圧が大きくなることはトレードオフの関係にあり、低消費電力化を重要視している昨今のスイッチング電源装置では出力電圧のリプル電圧が大きくなる傾向にある。
Further, as described above, from the recent trend of reducing power consumption, the frequency Fbst_low of the burst operation at light load and the frequency Fbst_mid of the burst operation at medium load tend to be lower than before. Therefore, when the frequency Fbst_mid of the burst operation becomes lower, the off period of the
[パルス幅制限電源装置の概要]
上述したバースト動作では、軽負荷時及び中負荷時に出力電圧のリプルが発生することが知られている。このリプルを低減させるためには、スイッチング素子(例えば電界効果トランジスタ等)をターンオンするときのスイッチングパルスのオン(ON)のパルス幅を制限する制御を行うことが有効である。以下、スイッチング素子のオンのパルス幅に制限を設けたスイッチング電源装置(以下、パルス幅制限電源装置ともいう)の回路構成及び動作について説明する。
[Summary of Pulse Width Limited Power Supply]
In the above-described burst operation, it is known that ripples of the output voltage occur at light and medium loads. In order to reduce this ripple, it is effective to perform control to limit the pulse width of the switching pulse when turning on a switching element (for example, a field effect transistor or the like). The circuit configuration and operation of a switching power supply (hereinafter also referred to as a pulse width limited power supply) in which the on pulse width of the switching element is limited will be described below.
[回路構成]
図10は、パルス幅制限電源装置の回路構成を示す回路図であり、前述した図6のスイッチング電源装置と同様の回路構成については、同じ符号を付して説明を省略する。図10に示すパルス幅制限電源装置は、図6で説明したスイッチング電源装置に、制限手段であるパルス幅制限部305と基準電圧306を追加した構成となっている。パルス幅制限部305は、スイッチング素子であるFET105の駆動パルス時間、即ち、FET105がオンしている時間であるパルス信号のオン幅を決定する。また、基準電圧306は、スイッチング素子FET105の駆動パルス時間の上限を制限する判断に用いられる。
[Circuit configuration]
FIG. 10 is a circuit diagram showing a circuit configuration of the pulse width limited power supply device. The circuit configuration similar to that of the switching power supply device shown in FIG. The pulse width limited power supply device shown in FIG. 10 has a configuration in which a pulse
まず、第一の電圧である基準電圧304と、第二の電圧である基準電圧306の大小関係は、パルス幅制限部305にヒステリシス特性を持たせるため、以下の式(5)で示す関係になる。
基準電圧306>基準電圧304 (5)
First, the magnitude relation between the
パルス幅制限部305は、パルス幅制限判定部305a、マスク信号生成部305b、タイマ305c、論理和回路(以下、OR回路という)305dで構成されている。そして、パルス幅制限部305の出力は、FF310のR端子、ボトム検知回路307に入力される。パルス幅制限部305は(a)パルス幅の制限、制限解除の判定、(b)タイマによりFF310のQ出力のHレベル出力の継続時間測定、(c)(a)、(b)により決定されるマスク信号の生成、(d)マスク信号、比較部302cより最終出力の判定を行う。
The pulse
まず、(a)については、パルス幅制限判定部305aは、FB端子103fに入力されたFB端子電圧Vfb、基準電圧304、基準電圧306を比較し、比較結果に基づいてパルス幅の制限、制限解除の判定を行う。具体的には、パルス幅制限判定部305aは、FB端子電圧Vfbが基準電圧304より低くなると、マスク信号生成部305bにHレベルを出力してパルス幅を制限する。一方、FB端子電圧Vfbが基準電圧306より高くなると、パルス幅制限判定部305aはマスク信号生成部305bにLレベルを出力してパルス幅制限を解除する。FB端子電圧Vfbが基準電圧304より高く、基準電圧306よりも低い場合には、パルス幅制限判定部305aは従前の状態を保持する。
First, for (a), the pulse width
(b)については、パルス幅制限判定部305aの出力がHレベルであるときのみ行われる。すなわち、パルス幅制限判定部305aの出力がHレベルのときは、FF310のQ出力がHレベルになると、マスク信号生成部305bはタイマ305cをスタートさせて、FF310のQ出力がHレベルを継続している時間の測定を開始する。尚、パルス幅制限判定部305aの出力がLレベル(パルス幅の制限解除時)、もしくはFF310のQ出力がLレベル(FET105がオフ状態)のときは、時間測定を行わない。
(B) is performed only when the output of the pulse width
(c)のマスク信号の生成はマスク信号生成部305bによって行われ、比較部302cによるFB端子電圧VfbとIS端子電圧Visとの比較結果を有効(マスク解除状態)とするか、無効(マスク状態)とするかを決定する。ここでは、(b)によるタイマ305cの値が所定値未満の場合はマスク解除状態とし、マスク信号生成部305bはLレベルを出力し、(b)によるタイマ305cの値が所定値以上の場合はマスク状態として、マスク信号生成部305bはHレベルを出力する。
The generation of the mask signal in (c) is performed by the mask
(d)については、パルス幅決定部302は、FF310のR端子への信号を出力する。ここではOR回路305dを用いて、(c)によるマスク信号生成部305bの出力、又は比較部302cの出力がHレベル状態のときに、OR回路305dはHレベルを出力する。もし、マスク信号生成部305bの出力がHレベルであれば、比較部302cの出力がLレベルであっても、OR回路305dのFF310のR端子への出力はHレベルとなる。このように、パルス幅決定部302が上述のような動作を行うことにより、ヒステリシス特性を持ったFET105のオンのパルス幅の制限動作が行われる。
For (d), the pulse
[中負荷時の動作]
パルス幅制限電源装置の特徴は中負荷時の動作にあり、中負荷時の場合の動作について図11の動作波形と対応づけて説明する。図11はパルス幅制限電源装置の中負荷時の連続的な動作状態を表した図である。図11(i)は、パルス幅制限電源装置から負荷に流れる負荷電流の電流波形、図11(ii)は出力電圧Voutの電圧波形、図11(iii)はFB端子電圧Vfbの電圧波形を示す。図11(iv)はFET105のオン状態を示すスイッチングパルスの波形を示し、いずれも横軸は時間を示す。尚、図中の基準電圧304、基準電圧306は、電源IC103のパルス幅制限部305に入力される基準電圧304、基準電圧306を示している。また、横軸において、t300、t302、t304、t306、t308は期間を示し、t301、t303、t305、t307、t309、t310、t311、t312は時間タイミング(以下、タイミングという)を示している。
[Operation at medium load]
The feature of the pulse width limited power supply is the operation at medium load, and the operation at medium load will be described in association with the operation waveform of FIG. FIG. 11 is a diagram showing a continuous operation state at medium load of the pulse width limited power supply. 11 (i) shows the current waveform of the load current flowing from the pulse width limited power supply to the load, FIG. 11 (ii) shows the voltage waveform of the output voltage Vout, and FIG. 11 (iii) shows the voltage waveform of the FB terminal voltage Vfb. . FIG. 11 (iv) shows a waveform of a switching pulse indicating the ON state of the
パルス幅制限電源装置では、FF310のQ出力がHレベルになると、パルス幅制限部305では、タイマ305cがFF310のQ出力のHレベル継続時間の測定を開始する。FET105がオンすると、図6に示すスイッチング電源装置であれば、電源IC103は、IS端子電圧Visが上昇し、FB端子電圧Vfbよりもわずかに高くなった時点で、FET105をオフする。一方、図10のパルス幅制限電源装置では、パルス幅制限部305において前述した(a)〜(d)の動作によって、FET105のスイッチングパルスのパルス幅の制限を行っている。そのため、例えばIS端子電圧VisがFB端子電圧Vfbに到達していなくても、前述したFF310のQ出力のHレベル継続時間を測定しているタイマ305cのタイマ値が所定値に到達した時点で、パルス幅制限部305の出力はHレベルとなる。これにより、FF310のR端子にHレベルの信号が入力されることにより、FF310のQ出力はLレベルとなり、FET105はオフされる。
In the pulse width limited power supply, when the Q output of the
ある中負荷条件において、前述したようにIS端子電圧VisがFB端子電圧Vfbに到達する前にFET105をオフすると、図6に示すスイッチング電源装置に比べ、瞬時にトランス104の二次側に伝える電力は小さくなる。そのため、1バースト周期当たりのFET105のオン回数が図6に示すスイッチング電源装置よりも多くなる。これは、中負荷時のバースト動作では、1度に供給される瞬時電力を小さくし、スイッチング回数を増やすことで必要な電力を供給していることになる。このように、バースト動作において、パルス幅制限部305によってFET105をオンするスイッチングパルスのパルス幅に制限を設けることで、トランス104の二次側に1度に供給する瞬時電力を小さくする。その結果、出力電圧Vout、及びFB端子電圧Vfbの変化も緩やかとなり、出力電圧Voutのリプル電圧を小さくすることが可能となる。
Under certain medium load conditions, if the
パルス幅制限電源装置では、バースト動作において、FET105をオンするスイッチングパルスのパルス幅の上限を設定しているため、トランス104の二次側で必要な電力を十分に供給することができなくなるような負荷条件が存在する。このような場合は中負荷から重負荷に状態が遷移することになる。
In the pulse width limited power supply, since the upper limit of the pulse width of the switching pulse for turning on the
図11において、タイミングt309以降が中負荷から重負荷に状態が移行する負荷条件を示している。図11において、タイミングt309でFB端子電圧Vfbが基準電圧304より高くなっても、上述したようにパルス幅制限部305は、FET105をオンするスイッチングパルスのパルス幅を制限しながら、FET105のスイッチング動作を制御する。その後、タイミングt310において負荷電流が増加し、出力電圧Voutが再び低下すると、トランス104の二次側において必要な消費電力に対し十分な電力供給ができず、FB端子電圧Vfbが基準電圧306まで上昇する(タイミングt311)。FB端子電圧Vfbが基準電圧306より高くなると、パルス幅制限部305はパルス幅の制限を解除する。これにより、電源IC103は、図7に示す重負荷時のスイッチング電源装置の動作波形と同じように、IS端子電圧Visが上昇し、FB端子電圧Vfbよりもわずかに高くなった時点まで、FET105はオンされる(タイミングt311以降)。
In FIG. 11, the timing after t309 shows the load condition under which the state shifts from the medium load to the heavy load. In FIG. 11, even if the FB terminal voltage Vfb becomes higher than the
[軽負荷時の動作概要]
次に、パルス幅制限電源装置の軽負荷時の動作について説明する。パルス幅制限電源装置では、バースト動作において、パルス幅制限部305によってFET105をオンするスイッチングパルスのパルス幅制限を行っている。このようなパルス幅制限を行うと、スイッチング回数が増加し、消費電力の低減を求められるような軽負荷時において、消費電力の増加が懸念される。パルス幅制限電源装置では、そのような実情を鑑みて、パルス幅制限によって決定されるパルス幅は、パルス制限が行われない軽負荷時のパルス幅よりも大きくなるように設定している。すなわち、パルス幅制限によって決定される最大パルス幅をPLSlim、軽負荷時にFB端子電圧VfbとIS端子電圧Visを比較して決定されるパルス幅をPLSlowとすると、以下の式(6)に示す関係が成り立つ。これにより、軽負荷時の消費電力を一般的なスイッチング電源装置と同程度にすることができる。
PLSlim>PLSlow (6)
以上のように、パルス幅制限電源装置では、パルス幅制限部305及び基準電圧306を追加することにより、軽負荷時の消費電力を増加させることなく、中負荷時の出力リプルを低減することができる。
[Overview of operation at light load]
Next, the light load operation of the pulse width limited power supply will be described. In the pulse width limited power supply, in the burst operation, the pulse
PLSlim> PLSlow (6)
As described above, in the pulse width limited power supply device, by adding the pulse
[パルス幅制限電源装置の課題]
しかし、図10のパルス幅制限電源装置においては、負荷電流が急激に変動した場合、変動後の電流値によっては出力電圧のリプル電圧が大きくなってしまう可能性がある。以下、図12を用いて詳細に説明する。図12はパルス幅制限電源装置において、急激な負荷変動が発生した場合の動作波形を示しており、図12(i)〜図12(iv)は図11(i)〜図11(iv)に対応しているため、同様の説明を省略する。尚、横軸において、t401、t403、t407は期間を示し、t400、t402、t404、t405、t408は時間タイミング(以下、タイミングという)を示している。まず、タイミングt400において負荷電流が増加すると、二次側における必要な消費電力に対し、十分な電力供給ができないため、FB端子電圧Vfbが基準電圧306まで上昇する(期間t401)。タイミングt402でFB端子電圧Vfbが基準電圧306を上回ると、パルス幅制限部305は、タイマ305cによるパルス幅のカウントを停止することでパルス幅の制限を解除する。これにより、電源IC103は、IS端子電圧Visが上昇し、FB端子電圧Vfbよりもわずかに大きくなった時点まで、FET105をオンする。
[Problems of Pulse Width Limited Power Supply]
However, in the pulse width limited power supply device of FIG. 10, when the load current fluctuates rapidly, the ripple voltage of the output voltage may increase depending on the current value after the fluctuation. Hereinafter, this will be described in detail with reference to FIG. FIG. 12 shows an operation waveform when a sudden load fluctuation occurs in the pulse width limited power supply device, and FIGS. 12 (i) to 12 (iv) correspond to FIGS. 11 (i) to 11 (iv). Since it corresponds, the same description is omitted. In the horizontal axis, t401, t403 and t407 indicate periods, and t400, t402, t404, t405 and t408 indicate time timing (hereinafter referred to as timing). First, when the load current increases at timing t400, the FB terminal voltage Vfb rises to the
この際、FB端子電圧Vfbは、最終的に、次のような電圧値に収束する(図11のt312以降)。即ち、負荷電流が増加した後(図11のタイミングt310以降)の二次側における消費電力と、トランス104を介して供給する電力が、等しくなるように、FET105をオンさせたときのパルス幅となるような電圧値に収束する。負荷電流が増加した後のFB端子電圧の収束値を、以下、収束電圧Vfb_fとする。しかし、タイミングt400で増加した後の負荷電流が、図12に示すようにFB端子電圧Vfbの収束電圧Vfb_fが基準電圧304に近くなるような電流値となった場合、次のような課題が生じる。即ち、パルス幅制限を解除したタイミングt402の直後に、二次側における消費電力に対してFET105のオン時のパルス幅が広くなり過ぎてしまい、供給する電力が過剰になってしまうため、出力電圧にオーバーシュートが発生してしまう(期間t403)。
At this time, the FB terminal voltage Vfb finally converges to the following voltage value (after t312 in FIG. 11). That is, the pulse width when the
図12(ii)に示すように出力電圧値が目標値よりも大きくなると、図12(iii)に示すようにFB端子電圧Vfbは低下を始める。しかし、出力電圧Voutにオーバーシュートが発生している状況では、FB端子電圧Vfbが収束電圧Vfb_fに達したタイミングt404でも、出力電圧Voutが目標電圧よりも大きい状態となっている。このため、FB端子電圧Vfbにはアンダーシュートが発生する。 When the output voltage value becomes larger than the target value as shown in FIG. 12 (ii), the FB terminal voltage Vfb starts to decrease as shown in FIG. 12 (iii). However, when overshoot occurs in the output voltage Vout, the output voltage Vout is larger than the target voltage at timing t404 when the FB terminal voltage Vfb reaches the convergence voltage Vfb_f. Therefore, an undershoot occurs in the FB terminal voltage Vfb.
このとき、収束電圧Vfb_fが図12のように基準電圧304に近い電圧値であった場合、アンダーシュートによって、タイミングt405で基準電圧304を下回ってしまう。このため、タイミングt405で再びパルス幅が制限されてしまい(期間t407)、以後t400〜t408の動作が繰り返されることになる。この際、出力電圧Voutには図12(ii)に示すように、オーバーシュートとアンダーシュートが繰り返し発生するため、出力電圧Voutのリプル電圧が大きくなってしまい、必要な電圧精度を満足できなくなるおそれがある。尚、収束電圧Vfb_fが基準電圧304に近くなるような負荷電流は、スイッチング電源装置の出力容量に関わらず必ず存在する。このため、収束電圧Vfb_fが基準電圧304に近くなるような負荷電流とならないように、電源が適用される電子機器側で対応する必要があり、装置の設計が複雑になってしまうおそれもある。
At this time, if the convergence voltage Vfb_f is a voltage value close to the
[電源装置の回路構成]
図1に、実施例1のスイッチング電源装置を示す。前述した図10で説明したパルス幅制限電源装置と同様の構成については、同じ符号を付して説明を省略する。本実施例は、図10で説明したスイッチング電源装置に対して、制御手段であるパルス幅制限禁止時間生成部305e(以下、単に生成部305eとする)を追加した構成である。生成部305eは、基準電圧304とパルス幅制限判定部305aとの間に接続されている。具体的には、生成部305eには基準電圧304が入力されており、生成部305eは所定の電圧をパルス幅制限判定部305aに出力する。また、生成部305eには、パルス幅制限判定部305aから出力される信号が入力されている。更に、生成部305eは、タイマ305cを用いて時間の計測を行うことができる。
[Circuit configuration of power supply unit]
FIG. 1 shows the switching power supply device of the first embodiment. The same components as those of the pulse width limited power supply described with reference to FIG. This embodiment has a configuration in which a pulse width restriction prohibition
まず、生成部305eの動作について説明する。生成部305eは、パルス幅制限判定部305aの出力がHレベルからLレベルになると、即ち、パルス幅制限が解除されると、パルス幅制限判定部305aに対して0Vを出力する。また、生成部305eは、タイマ305cに応じて動作するカウンタ305gを有しており、パルス幅制限判定部305aの出力がHレベルからLレベルになると(パルス幅制限が解除されると)、カウンタ305gによるカウントを開始する。この際、パルス幅制限判定部305aにはパルス幅を制限する基準電圧として基準電圧304ではなく、0Vが入力されている。このため、生成部305eがパルス幅制限判定部305aに0Vを出力している間は、FB端子電圧Vfbが基準電圧304を下回ったとしても、パルス幅は制限されない。このように、本実施例では、生成部305eは、パルス幅制限判定部305aによりパルス幅が制限された第一の状態からパルス幅の制限が解除された第二の状態に遷移した場合に、パルス幅の制限が解除された第二の状態を第一の時間維持するように制御する。ここで、第一の時間は、後述する図2のタイミングt502からタイミングt507までの時間に相当し、カウンタ305gのカウントによって第一の時間の経過を判断する。
First, the operation of the
生成部305eは、カウンタ305gの値が所定の値となると、基準電圧304の電圧をパルス幅制限判定部305aにそのまま出力し、カウンタ305gの値をクリアする。尚、所定の値は、例えば、負荷電流が変化してからFB端子電圧Vfbが収束電圧Vfb_fに収束するまでの時間に応じた値等、予め決定された値であり、予め不図示の記憶部に記憶されているものとする。生成部305eが基準電圧304をパルス幅制限判定部305aに出力している間は、本実施例のパルス幅制限電源回路は、通常のパルス幅制限電源装置(例えば、図10)と同様に動作する。
When the value of the
[スイッチング電源装置の動作]
本実施例のスイッチング電源装置の動作について、図2の動作波形と対応づけて説明する。図2(i)は負荷電流の電流波形、図2(ii)は出力電圧Voutの電圧波形、図2(iii)は電源IC103のFB端子電圧Vfbの電圧波形をそれぞれ示す図である。図2(iv)は、生成部305eからパルス幅制限判断部305aに出力された電圧の電圧波形、図2(v)は、スイッチング素子105を駆動する際のスイッチングパルスの波形をそれぞれ示す図である。いずれも横軸は時間を示す。また、横軸において、t501、t503は期間を示し、t500、t502、t504、t505、t506、t507は時間タイミング(以下、タイミングという)を示している。
[Operation of switching power supply unit]
The operation of the switching power supply of this embodiment will be described in association with the operation waveform of FIG. 2 (i) shows the current waveform of the load current, FIG. 2 (ii) shows the voltage waveform of the output voltage Vout, and FIG. 2 (iii) shows the voltage waveform of the FB terminal voltage Vfb of the
まず、タイミングt500において負荷電流が増加すると(図2(i))、十分な電力供給ができなくなるため、FB端子電圧Vfbが基準電圧306まで上昇する(期間t501)。タイミングt502でFB端子電圧Vfbが基準電圧306を上回ると、パルス幅制限部305は、内部のタイマ305cによるパルス幅のカウントを停止することでパルス幅の制限を解除する。これにより、電源IC103は、図6に示す従来例と同じように、IS端子電圧Visが上昇し、FB端子電圧Vfbよりもわずかに大きくなる時点まで、FET105をオンする。
First, when the load current increases at timing t500 (FIG. 2 (i)), sufficient power supply can not be performed, and the FB terminal voltage Vfb rises to the reference voltage 306 (period t501). When the FB terminal voltage Vfb exceeds the
この際、増加後の負荷電流が、収束電圧Vfb_fが基準電圧304に近くなるような電流値となった場合、パルス幅制限を解除した直後に、出力電圧Voutのオーバーシュートが発生してしまう。即ち、FET105オンのパルス幅が広くなり過ぎてしまい、二次側における消費電力に対して、供給する電力が過剰になってしまうため、出力電圧Voutにオーバーシュートが発生してしまう(図2(ii))。出力電圧値が目標値よりも大きくなると、FB端子電圧Vfbは低下を始める。出力電圧にオーバーシュートが発生している状況では、FB端子電圧Vfbが収束電圧Vfb_fに達した時点(タイミングt504)においても、未だ出力電圧Voutが目標電圧よりも大きい状態である。このため、FB端子電圧Vfbにはアンダーシュートが発生する。このとき、収束電圧Vfb_fが図2(iii)に示すように基準電圧304に近い電圧値であった場合、FB端子電圧Vfbは、アンダーシュートによって、基準電圧304を下回ってしまう(タイミングt505)。
At this time, when the load current after the increase becomes a current value such that the convergence voltage Vfb_f becomes close to the
本実施例の生成部305eは、パルス幅制限判定部305aがHレベルからLレベルに遷移すると(タイミングt502)、カウンタ305gの値が所定の値になるまでの間、パルス幅制限判定部305aに基準電圧304ではなく0Vを出力する。タイミングt505では、図2(iv)に示すように、生成部305eの出力が0Vであるため、スイッチング動作は停止するが、パルス幅は制限されない。その後、タイミングt506でFB端子電圧Vfbが再び基準電圧304を上回るため、スイッチング動作が開始される。タイミングt507で、生成部305eの出力は0Vから基準電圧304の電圧となるが、タイミングt507では、FB端子電圧Vfbは基準電圧304を上回っているため、引き続きパルス幅は制限されない。
When the pulse width
以上説明したように、本実施例によれば、軽負荷及び中負荷時にスイッチング素子のオン時のパルス幅を制限するスイッチング電源装置において、負荷電流の変動に起因して発生するリプル電圧の増大を抑制することができる。即ち、パルス幅制限電源装置が本実施例の生成部305eを備えることにより、負荷電流が増加した後でも、パルス幅の制限と制限解除を繰り返すことがない。これにより、負荷電流の変動に起因して引き起こされるリプル電圧の増大を抑制することができる。
As described above, according to the present embodiment, in the switching power supply that limits the pulse width when the switching element is on at light load and medium load, increase in ripple voltage generated due to fluctuation of load current is obtained. It can be suppressed. That is, since the pulse width limited power supply apparatus includes the
[回路構成]
図3に、実施例2のスイッチング電源装置を示す。従来例及び実施例1のスイッチング電源装置と同様の構成については、同じ符号を付して説明を省略する。本実施例と実施例1との相違点は、図1で説明した実施例1のスイッチング電源装置に対して、制御手段であるパルス幅制限解除禁止時間生成部305f(以下、単に生成部305fとする)を追加していることである。生成部305fは、基準電圧306とパルス幅制限判定部305aとの間に接続されている。具体的には、生成部305fには基準電圧306が入力されており、生成部305fは所定の電圧をパルス幅制限判定部305aに出力する。また、生成部305fには、パルス幅制限判定部305aから出力される信号が入力されている。更に、生成部305fは、タイマ305cを用いて時間の計測を行うことができる。
[Circuit configuration]
FIG. 3 shows the switching power supply device of the second embodiment. The same components as those of the switching power supply devices of the conventional example and the first embodiment are denoted by the same reference numerals and the description thereof is omitted. The difference between the present embodiment and the first embodiment is that the pulse width limit release prohibition time generation unit 305f (hereinafter referred to simply as the generation unit 305f), which is a control means, is different from the switching power supply of the first embodiment described in FIG. ) Is added. The generation unit 305 f is connected between the
まず、生成部305fの動作について説明する。生成部305fはパルス幅制限判定部305aの出力がLレベルからHレベルになると、即ち、パルス幅が制限されると、パルス幅制限判定部305aに対して基準電圧306ではなく、所定の電圧Vaを出力する。また、生成部305eは、タイマ305cに応じて動作するカウンタ305hを有しており、パルス幅制限判定部305aの出力がLレベルからHレベルになると、カウンタ305hによるカウントを開始する。ここで、所定の電圧Vaと基準電圧306の関係は、後述する図4(iv)に示されるように、次の式(7)の関係にある。
所定の電圧Va>基準電圧306・・・(7)
First, the operation of the generation unit 305 f will be described. When the output of the pulse width
Predetermined voltage Va> reference voltage 306 (7)
生成部305fがない場合、FB端子電圧Vfbが基準電圧306を上回ると、パルス幅の制限が解除される。しかし、本実施例では、生成部305fが基準電圧306よりも大きい所定の電圧Vaを出力している間は、FB端子電圧Vfbが基準電圧306を上回ったとしても、パルス幅の制限が解除されない、即ちパルス幅は制限される。このように、本実施例では、生成部305fは、パルス幅制限判定部305aによりパルス幅の制限が解除された第二の状態からパルス幅が制限された第一の状態に遷移した場合に、パルス幅が制限された第一の状態を第二の時間維持するように制御する。ここで、第二の時間は、後述する図4のタイミングt602からタイミングt608までの時間に相当し、カウンタ305hのカウントによって第二の時間の経過を判断する。
In the case where the generation unit 305 f is not provided, when the FB terminal voltage Vfb exceeds the
生成部305f内のカウンタ305hの値が所定の値となると、生成部305fは基準電圧306をパルス幅制限判定部305aにそのまま出力し、カウンタ305hの値をクリアする。尚、所定の値は、例えば、負荷電流が変化してからFB端子電圧Vfbが収束電圧Vfb_fに収束するまでの時間に応じた値等、予め決定された値であり、予め不図示の記憶部に記憶されているものとする。生成部305fが基準電圧306を出力している間は、実施例1の図1の電源と同様に動作する。
When the value of the counter 305h in the generation unit 305f becomes a predetermined value, the generation unit 305f outputs the
[スイッチング電源装置の動作]
本実施例におけるスイッチング電源装置の動作について図4の動作波形と対応づけて説明する。尚、図4(i)〜図4(v)は図2(i)〜図2(v)に対応しており、図2の説明と重複する説明は省略する。また、横軸において、t601、t604、t605は期間を示し、t600、t602、t603、t606、t607、t608は時間タイミング(以下、タイミングという)を示している。まず、タイミングt600で負荷電流が減少すると、二次側における消費電力に対して、供給する電力が過剰になってしまう。このため、FB端子電圧Vfbが基準電圧304まで低下する(期間t601)。
[Operation of switching power supply unit]
The operation of the switching power supply device according to this embodiment will be described in association with the operation waveform of FIG. 4 (i) to FIG. 4 (v) correspond to FIG. 2 (i) to FIG. 2 (v), and the description overlapping with the explanation of FIG. 2 is omitted. Further, in the horizontal axis, t601, t604, and t605 indicate periods, and t600, t602, t603, t606, t607, and t608 indicate time timing (hereinafter referred to as timing). First, when the load current decreases at timing t600, the power to be supplied becomes excessive with respect to the power consumption on the secondary side. Therefore, the FB terminal voltage Vfb decreases to the reference voltage 304 (period t601).
タイミングt602でFB端子電圧Vfbが基準電圧304を下回ると、電源IC103はスイッチング動作を停止する(区間t604)。スイッチング動作が停止すると、電力供給が途絶えるため出力電圧は低下し(図4(ii))、出力電圧が目標電圧を下回ったタイミングでFB端子電圧Vfbも上昇に転じる。また、タイミングt602では、パルス幅制限判定部305aから生成部305fに入力される信号がLレベルからHレベルに変化する。これにより、生成部305fは、パルス幅制限判定部305aに所定の電圧Vaを出力する。その後、タイミングt603でFB端子電圧Vfbが再び基準電圧304を上回るため、スイッチング動作が開始される。この際、パルス幅制限部305によってパルス幅が制限されているため、FB端子電圧Vfbが低い間(区間t605)は、出力電圧Voutは依然として低下を続ける。
When the FB terminal voltage Vfb falls below the
FB端子電圧Vfbの上昇に応じて、パルスの制限幅も広がるため、出力電圧Voutは上昇に転じる。ここで、図4(i)の減少後の負荷電流は、パルス幅を制限した状態で、FB端子電圧Vfbが図4(iii)の収束電圧Vfb_fの値になった際に、供給電力と二次側における消費電力が等しくなる。しかし、図4ではアンダーシュートの影響により、FB端子電圧Vfbが収束電圧Vfb_fの値になるタイミングt606では、出力電圧Voutが目標電圧に到達していない。このため、FB端子電圧Vfbは上昇を続け、タイミングt607で基準電圧306を超えてしまう。
In response to the rise of the FB terminal voltage Vfb, the limited width of the pulse also widens, so the output voltage Vout turns to rise. Here, when the FB terminal voltage Vfb becomes the value of the convergence voltage Vfb_f in FIG. 4 (iii) with the pulse width limited, the load current after reduction in FIG. Power consumption on the next side is equal. However, in FIG. 4, the output voltage Vout does not reach the target voltage at timing t606 when the FB terminal voltage Vfb becomes the value of the convergence voltage Vfb_f due to the influence of the undershoot. Therefore, the FB terminal voltage Vfb continues to rise and exceeds the
実施例1の構成では、FB端子電圧Vfbが基準電圧306を超えた時点で、パルス幅の制限が解除される(図2 タイミングt502)。このため、FET105がオンするパルス幅が広くなり過ぎてしまい、出力電圧Voutにオーバーシュートが発生する。その後、FB端子電圧Vfbが低下するため、電力供給も小さくなるが、図2(i)に示す負荷電流の値は、パルス幅制限を解除した状態では電力供給が過剰となる。このため、FB端子電圧Vfbは再び基準電圧304を下回るまで低下してしまい、アンダーシュートとなり、出力電圧Voutにリプル電圧が発生している。
In the configuration of the first embodiment, when the FB terminal voltage Vfb exceeds the
一方、本実施例の構成では、タイミングt607では、生成部305fがパルス幅制限判定部305aに対して所定の電圧Vaを出力している。このため、FB端子電圧Vfbが基準電圧306を上回ったとしても、パルス幅制限は解除されず、パルス幅が制限された状態が維持される。タイミングt608で、生成部305fの出力は基準電圧306の電圧となる。タイミングt608では、FB端子電圧Vfbは基準電圧306を下回っており、引き続きパルス幅は制限されるため、FET105オンのパルス幅が広くなり過ぎてオーバーシュートが発生することがない。
On the other hand, in the configuration of the present embodiment, at timing t607, the generation unit 305f outputs the predetermined voltage Va to the pulse width
以上、本実施例によれば、軽負荷及び中負荷時にスイッチング素子のオン時のパルス幅を制限するスイッチング電源装置において、負荷電流の変動に起因して発生するリプル電圧の増大を抑制することができる。特に、本実施例では、負荷電流の減少に起因して引き起こされる出力リプル電圧の増大を抑制することが可能となる。 As described above, according to the present embodiment, in the switching power supply device that limits the pulse width of the switching element at the time of light load and medium load, it is possible to suppress an increase in ripple voltage generated due to fluctuation of load current. it can. In particular, in the present embodiment, it is possible to suppress an increase in output ripple voltage caused by a decrease in load current.
実施例1、2で説明した電源装置は、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。 The power supply apparatus described in the first and second embodiments can be applied, for example, as a low-voltage power supply of an image forming apparatus, that is, a power supply for supplying power to a controller (control unit) or a drive unit such as a motor. Hereinafter, the configuration of the image forming apparatus to which the power supply apparatus of the first and second embodiments is applied will be described.
[画像形成装置の構成]
画像形成装置の一例として、レーザビームプリンタを例にあげて説明する。図5に電子写真方式のプリンタの一例である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300は、静電潜像が形成される像担持体としての感光ドラム311、感光ドラム311を一様に帯電する帯電部317(帯電手段)、感光ドラム311に形成された静電潜像をトナーで現像する現像部312(現像手段)を備えている。そして、感光ドラム311に現像されたトナー像をカセット316から供給された記録材としてのシート(不図示)に転写部318(転写手段)によって転写して、シートに転写したトナー像を定着器314で定着してトレイ315に排出する。この感光ドラム311、帯電部317、現像部312、転写部318が画像形成部である。また、レーザビームプリンタ300は、実施例1、2で説明した電源装置400を備えている。尚、実施例1、2の電源装置400を適用可能な画像形成装置は、図5に例示したものに限定されず、例えば複数の画像形成部を備える画像形成装置であってもよい。更に、感光ドラム311上のトナー像を中間転写ベルトに転写する一次転写部と、中間転写ベルト上のトナー像をシートに転写する二次転写部を備える画像形成装置であってもよい。
[Configuration of image forming apparatus]
A laser beam printer will be described as an example of the image forming apparatus. FIG. 5 shows a schematic configuration of a laser beam printer which is an example of an electrophotographic printer. The
レーザビームプリンタ300は、画像形成部による画像形成動作や、シートの搬送動作を制御するコントローラ320を備えており、実施例1、2に記載の電源装置400は、例えばコントローラ320に電力を供給する。また、実施例1、2に記載の電源装置400は、感光ドラム311を回転するため又はシートを搬送する各種ローラ等を駆動するためのモータ等の駆動部に電力を供給する。実施例1の電源装置を適用した画像形成装置では、負荷電流の増加に起因して発生する出力電圧Voutのリプル電圧を抑制することができる。また、実施例2の電源装置を適用した画像形成装置では、負荷電流の減少に起因して発生する出力電圧Voutのリプル電圧を抑制することができる。
The
以上、本実施例によれば、軽負荷及び中負荷時にスイッチング素子のオン時のパルス幅を制限するスイッチング電源装置において、負荷電流の変動に起因して発生するリプル電圧の増大を抑制することができる。 As described above, according to the present embodiment, in the switching power supply device that limits the pulse width of the switching element at the time of light load and medium load, it is possible to suppress an increase in ripple voltage generated due to fluctuation of load current. it can.
104 トランス
105 FET
109 フォトカプラ
305 パルス幅制限部
305e パルス幅制限禁止時間生成部
104
109
Claims (10)
前記トランスの一次側に流れる電流をオン、オフするスイッチング動作を行うためのスイッチング素子と、
前記トランスの二次側の出力電圧に応じたフィードバック電圧を前記トランスの一次側にフィードバック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フィードバックされた前記フィードバック電圧に基づいて、前記スイッチング素子をオンするパルス信号のオン幅を制限する制限手段と、
を備える電源装置であって、
前記制限手段により前記オン幅が制限された第一の状態から前記オン幅の制限が解除された第二の状態に遷移した場合に、前記第二の状態を第一の時間維持するように制御する制御手段を備えることを特徴とする電源装置。 A transformer whose primary and secondary sides are isolated,
A switching element for performing a switching operation of turning on and off the current flowing to the primary side of the transformer;
Feedback means for feeding back a feedback voltage according to the output voltage on the secondary side of the transformer to the primary side of the transformer;
Limiting means for limiting an on width of a pulse signal for turning on the switching element based on the feedback voltage fed back by the feedback means;
A power supply comprising
Control is performed to maintain the second state for a first period of time when transitioning from the first state in which the on-width is restricted by the restriction means to a second state in which the restriction on the on-width is released. A power supply apparatus comprising:
前記制御手段は、前記第二の状態において、前記フィードバック電圧と前記検出手段により検出された電圧とに基づいて、前記オン幅を制御することを特徴とする請求項6に記載の電源装置。 A detection unit that detects a voltage corresponding to the current flowing to the primary side of the transformer;
The power supply device according to claim 6, wherein the control means controls the on width in the second state based on the feedback voltage and the voltage detected by the detection means.
前記制御手段は、前記補助巻線に誘起された電圧に応じた電圧が立ち下がりで且つ0となったタイミングに応じて、前記スイッチング素子をオンすることを特徴とする請求項1乃至8のいずれか1項に記載の電源装置。 The transformer has an auxiliary winding,
9. The control means turns on the switching element according to the timing when the voltage corresponding to the voltage induced in the auxiliary winding falls and becomes 0. The power supply device according to any one of the preceding claims.
前記画像形成手段に電力を供給する請求項1乃至9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。 An image forming unit for forming an image on a recording material;
The power supply device according to any one of claims 1 to 9, which supplies power to the image forming means.
An image forming apparatus comprising:
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