JP7222275B2

JP7222275B2 - 電源装置および画像形成装置

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Publication number: JP7222275B2
Application number: JP2019044998A
Authority: JP
Inventors: 俊太郎中山; 崇彦長谷川; 達也荻野; 拓哉谷村; 健太朗梶田
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2019-03-12
Filing date: 2019-03-12
Publication date: 2023-02-15
Anticipated expiration: 2039-03-12
Also published as: JP2020150633A

Description

本発明は、電源装置および画像形成装置に関する。

例えば画像形成装置などの電子機器に搭載される電源装置には、過電流による回路部品の破損を防止するため、過電流が検出されると動作を停止させる過電流保護機能が備えられている。

このような過電流保護機能を備えた電源装置の一例として、特許文献１には、電源装置の所定の箇所または電源装置の近傍の温度を検出し、検出した温度に応じて過電流検出の閾値を変化させるものが記載されている。この特許文献１に記載の電源装置では、実際に回路部品が受ける熱ストレスを想定した過電流保護動作を行うことにより、過電流による回路部品の破損を防止しつつ、効率のよい運転を行えるようにしている。

しかし、上述の従来の過電流保護機能では、例えば負荷に層間短絡（レアショート）などが生じて過電流直前の電流が流れ続けた場合に、回路部品を保護するまでに時間がかかるという問題があった。

上述した課題を解決するため、本発明は、過電流保護回路を有するコンバータと、前記コンバータの発熱部品の温度を監視する温度検知回路と、前記発熱部品の温度が第１閾値以上になると前記過電流保護回路による過電流検出の基準を切り替える切り替え手段と、を備えることを特徴とする。前記切り替え手段は、前記発熱部品の温度が前記第１閾値未満であっても、前記第１閾値よりも低い値に設定された第２閾値以上である状態が所定時間継続すると前記過電流検出の基準を切り替える。

本発明によれば、過電流直前の電流が流れ続けた場合に回路部品をより速く保護することができるという効果を奏する。

図１は、実施形態の電源装置の概略構成を示す図である。図２－１は、負荷のレアショート時における従来技術の動作例を説明するタイミングチャートである。図２－２は、負荷のレアショート時における実施形態の動作例を説明するタイミングチャートである。図３－１は、監視対象部品の温度が飽和する場合における従来技術の動作例を説明するタイミングチャートである。図３－２は、監視対象部品の温度が飽和する場合における実施形態の動作例を説明するタイミングチャートである。図４は、切り替え手段の具体例を説明する図である。図５は、分圧比の切り替えによる作用を説明する図である。図６は、切り替え手段の他の具体例を説明する図である。図７は、監視対象部品の温度を検知する方法の一例を説明する図である。図８は、画像形成装置の構成を例示するブロック図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明に係る電源装置および画像形成装置の具体的な実施形態について詳細に説明する。

図１は、本実施形態の電源装置１の概略構成を示す図である。本実施形態の電源装置１は、図１に示すように、過電流保護回路２を有するコンバータ３と、温度検知回路４と、切り替え手段５とを備える。

コンバータ３は、負荷Ｌに所定電圧の電力を供給する電力変換回路である。過電流保護回路２は、コンバータ３の出力電流が過電流となった状態を検出してコンバータ３を停止させることにより、コンバータ３の回路部品を保護する保護回路である。

温度検知回路４は、コンバータ３に含まれる回路部品のうち、電流の増加に伴い発熱する発熱部品の温度を監視する。温度検知回路４による監視対象となる発熱部品を監視対象部品と呼ぶ。温度検知回路４は、監視対象部品の温度を検知する温度検知素子を含む。

切り替え手段５は、温度検知回路４により監視されている監視対象部品の温度が第１閾値以上になると、過電流保護回路２による過電流検出の基準を切り替える。ここで、過電流検出の基準とは、コンバータ３の出力電流が過電流となった状態を検出するために用いられる値である。例えば、過電流保護回路２がコンバータ３の出力電流を過電流検出閾値と比較し、コンバータ３の出力電流が過電流検出閾値以上であれば過電流と判断する場合は、この過電流検出閾値の値が過電流検出の基準となる。

また、後述の具体例で示すようにコンバータ３としてフライバックコンバータを用い、過電流保護回路２が、フライバックコンバータの１次側の電流を電圧に変換して分圧した値に基づく監視電圧を過電流保護動作電圧と比較し、監視電圧が過電流保護動作電圧以上であれば過電流と判断する場合は、監視電圧の値が過電流検出の基準となる。この例では、フライバックコンバータの１次側の電流の大きさが同じであっても、例えば分圧比を変更して監視電圧の値を変化させることで、実質的に監視電圧に対する閾値となる過電流保護動作電圧を切り替えることと等価となる。監視電圧の値を変化させずに過電流保護動作電圧を切り替えるようにしてもよい。

従来、コンバータ３の出力電流を過電流検出閾値と比較する構成において、温度を検出して過電流検出閾値を変化させる例がある。例えば、特許文献１に記載の従来技術では、電源装置の所定の箇所または電源装置の近傍の温度を検出し、検出した温度に応じて過電流検出閾値を連続的に（緩やかに）変化させている。しかし、この従来技術では、例えば負荷Ｌのレアショートなどにより過電流直前の電流が流れ続けた場合に、過電流保護動作を行って回路部品を保護するまでに時間がかかってしまう。

これに対し本実施形態では、温度検知回路４により監視されている監視対象部品の温度に応じて過電流検出の基準（コンバータ３の出力電流を過電流検出閾値と比較する構成であれば、過電流検出閾値）を連続的に切り替えるのではなく、温度検知回路４により監視されている監視対象部品の温度が第１閾値以上になると、切り替え手段５が、過電流検出の基準を第１レベルから第２レベル（第１レベルより低いレベルであり、第１レベルに対し離散的に設定されたレベル）へと瞬時に切り替えるようにしている。これにより、例えば負荷Ｌのレアショートなどにより過電流直前の電流が流れ続けた場合に、従来技術よりも速く過電流保護動作を行って回路部品を保護することができる。

図２－１および図２－２は、負荷Ｌのレアショート時における動作例を説明するタイミングチャートであり、図２－１は従来技術の動作例、図２－２は本実施形態の動作例をそれぞれ示している。ここでは、コンバータ３の出力電流を過電流検出閾値と比較することで過電流を検出する構成を想定し、切り替えの対象となる過電流検出の基準を過電流検出閾値としている。

負荷Ｌにレアショートが生じると、コンバータ３の出力電流の電流値が上昇するが、過電流検出閾値にまでは達することなく、その直前の電流値で推移することがある。このとき、コンバータ３に大きな電流が流れることで監視対象部品の温度は上昇する。ここで、従来技術では、図２－１に示すように、監視対象部品の温度変化に合わせて過電流検出閾値を変化させるようにしている。このため、過電流検出閾値は監視対象部品の温度上昇に合せて緩やかに変化することとなり、コンバータ３の出力電流が過電流検出閾値に達してコンバータ３が停止し、回路部品を保護するまでに時間がかかる。

これに対し本実施形態では、図２－２に示すように、監視対象部品の温度が第１閾値Ｔ１に達した時点で過電流検出閾値が第１レベルから第２レベルに切り替えられる。このため、切り替え直後にコンバータ３の出力電流が過電流検出閾値に達してコンバータ３が停止するので、従来技術よりも速く回路部品を保護することができる。

ここで、第２レベルの過電流検出閾値は、第１レベルの過電流検出閾値よりも低く、かつ、コンバータ３の最大定格電流よりも高い値である。第２レベルの過電流検出閾値をこのように設定することにより、コンバータ３が最大定格電流で動作しているときに過電流保護回路２が動作してコンバータ３が停止してしまうといった不都合を有効に防止することができる。なお、フライバックコンバータの１次側の電流を電圧に変換して分圧した値に基づく監視電圧を過電流保護動作電圧と比較する構成においては、切り替え後の監視電圧に対応する１次側の電流がコンバータ３の最大定格電流を超えないように、監視電圧の切り替えが行うようにすればよい。つまり、切り替え手段５による切り替え後の過電流検出の基準は、切り替え前の基準により過電流として検出される電流値よりも低く、かつ、コンバータ３の最大定格電流よりも高い電流値を過電流として検出する基準となるようにすればよい。

ところで、負荷Ｌのレアショートなどにより過電流直前の電流が流れ続けた場合に、監視対象部品の温度がある温度で飽和して、監視対象部品が破損する直前まで温度変化が生じない場合がある。この場合、監視対象部品の温度は破損の直前で急上昇するが、その時点でコンバータ３を停止させても監視対象部品の破損は免れない。このような不都合を防止するため、本実施形態では、監視対象部品の温度の比較対象となる閾値として、上述の第１閾値Ｔ１よりも低い値である第２閾値Ｔ２を設定し、監視対象部品の温度が第１閾値Ｔ１未満であっても、第２閾値Ｔ２以上である状態が所定時間経過すると、切り替え手段５が過電流検出の基準を第１レベルから第２レベルへと切り替えるようにしてもよい。

監視対象部品の温度が飽和する場合における動作例を図３－１および図３－２に示す。図３－１は従来技術の動作例を示すタイミングチャート、図３－２は本実施形態の動作例を示すタイミングチャートである。

負荷Ｌにレアショートが生じると、コンバータ３の出力電流の電流値が上昇するが、過電流検出閾値にまでは達することなく、その直前の電流値で推移することがある。このとき、コンバータ３に大きな電流が流れることで監視対象部品の温度は上昇するが、監視対象部品の温度がある一定の温度で飽和したとする。ここで、従来技術では、図３－１に示すように、監視対象部品の温度変化に合わせて過電流検出閾値を変化させるようにしているため、監視対象部品の温度が飽和すると過電流検出閾値が変化しなくなる。このため、過電流直前の電流が流れ続けて監視対象部品が破損する懸念がある。

これに対し本実施形態では、図３－２に示すように、監視対象部品の温度が第１閾値Ｔ１未満で、かつ、第２閾値Ｔ２以上である状態が所定時間（ｔ＿ｏｃｐ）経過すると、その時点で過電流検出閾値が第１レベルに切り替えられる。このため、監視対象部品が破損する前にコンバータ３を停止させて、監視対象部品を保護することができる。

ここで、切り替え手段５の具体例について、図４を参照して説明する。図４は、コンバータ３としてフライバックコンバータを用いた電源装置１における切り替え手段５の具体例を説明する図である。

図４に例示する電源装置１のフライバックコンバータは、１次側に流れる電流を抵抗Ｒ１により電圧Ｖｃｕｒｒｅｎｔに変換し、この電圧Ｖｃｕｒｒｅｎｔを抵抗Ｒ２，Ｒ３により分圧した電圧Ｖｃｓと、出力電圧を分圧して得られる電圧Ｖｒｅｆとに基づいて、スイッチＱ１を駆動するパルス幅を決定するパルス幅決定手段１０を備えている。

パルス幅決定手段１０には、電圧Ｖｃｓに基づいて過電流を検出する過電流検出手段１１が含まれている。パルス幅決定手段１０は、過電流検出手段１１によって過電流を検出した場合、スイッチＱ１を継続的にオフさせてフライバックコンバータを停止させる。つまり、この過電流検出手段１１を含むパルス幅決定手段１０が、図１に示した過電流保護回路２に相当する。

また、フライバックコンバータの２次側の出力ダイオードＤ１の温度が、サーミスタＲｔｈにより監視される構成となっている。つまり、出力ダイオードＤ１が監視対象部品であり、サーミスタＲｔｈを含む回路が、図１に示した温度検知回路４に相当する。

また、フライバックコンバータの出力電圧をサーミスタＲｔｈと抵抗Ｒ５で分圧した電圧（抵抗Ｒ５の両端電圧）と電圧ＶｒｅｆとをオペアンプＯＰ１で比較し、オペアンプＯＰ１の出力がＨｉｇｈになるとスイッチＱ２がオンし、フォトカプラＰＣ１がオンすることで、電圧Ｖｃｕｒｒｅｎｔの分圧比が切り替わる構成となっている。この電圧Ｖｃｕｒｒｅｎｔの分圧比の切り替えによって電圧Ｖｃｓの大きさが変化し、抵抗Ｒ４の両端電圧（過電流検出の基準である監視電圧）が切り替わる。つまり、オペアンプＯＰ１、スイッチＱ２およびフォトカプラＰＣ１を含む回路が、図１に示した切り替え手段５に相当する。

図４に示す電源装置１では、監視対象部品である出力ダイオードＤ１の温度が上昇し、抵抗Ｒ５の両端電圧が電圧Ｖｒｅｆ以上になると、オペアンプＯＰ１の出力がＨｉｇｈになり、フォトカプラＰＣ１がオンする。そして、フォトカプラＰＣ１がオンすることで、電圧Ｖｃｕｒｒｅｎｔの分圧比が切り替わり、電圧Ｖｃｓの値が大きくなることで、過電流検出手段１１が過電流保護動作電圧と比較する監視電圧が、電圧Ｖｃｕｒｒｅｎｔの分圧比が切り替わる前よりも大きな値に切り替わる。

図５は、電圧Ｖｃｕｒｒｅｎｔの分圧比の切り替えによる作用を説明する図である。電圧Ｖｃｕｒｒｅｎｔの分圧比が切り替わる前は、フライバックコンバータの１次側に過電流直前の電流が流れている状態では、過電流検出手段１１に入力される監視電圧が過電流保護動作電圧よりも低い値となっており、フライバックコンバータが動作を続けている。ここで、監視対象部品である出力ダイオードＤ１の温度が上昇して第１閾値Ｔ１以上になると、電圧Ｖｃｕｒｒｅｎｔの分圧比が切り替わる。すると、フライバックコンバータの１次側に流れる電流の大きさは変わらないが、分圧比の切り替えによって電圧Ｖｃｓの値が大きくなることで、過電流検出手段１１に入力される監視電圧が切り替わり、過電流保護動作電圧よりも大きな値となる。これにより、スイッチＱ１がオフとなってフライバックコンバータが停止する。

以上のように、図４に示す電源装置１の構成によれば、フライバックコンバータの１次側に流れる電流を変換した電圧の分圧比を切り替えることにより、過電流検出手段１１が過電流を検出するための基準として用いる監視電圧の大きさを切り替えることができるので、過電流検出の基準を簡単な構成で切り替えることができる。

図６は、コンバータ３としてフライバックコンバータを用いた電源装置１における切り替え手段５の他の具体例を説明する図である。

図６に例示する電源装置１のフライバックコンバータは、１次側に流れる電流を検出抵抗Ｒ１，Ｒ３により電圧Ｖｃｕｒｒｅｎｔに変換し、この電圧Ｖｃｕｒｒｅｎｔを抵抗Ｒ２により分圧した電圧Ｖｃｓと、出力電圧を分圧して得られる電圧Ｖｒｅｆとに基づいて、スイッチＱ１を駆動するパルス幅を決定するパルス幅決定手段１０を備えている。

また、フライバックコンバータの出力電圧をサーミスタＲｔｈと抵抗Ｒ５で分圧した電圧（抵抗Ｒ５の両端電圧）と電圧ＶｒｅｆとをオペアンプＯＰ１で比較し、オペアンプＯＰ１の出力がＬｏｗになるとスイッチＱ２がオフし、フォトカプラＰＣ１がオフすることで、検出抵抗の値がＲ１／／Ｒ３からＲ１に切り替わる構成となっている。この検出抵抗の値の切り替えによって電圧Ｖｃｓの大きさが変化し、抵抗Ｒ４の両端電圧（過電流検出の基準である監視電圧）が切り替わる。つまり、オペアンプＯＰ１、スイッチＱ２およびフォトカプラＰＣ１を含む回路が、図１に示した切り替え手段５に相当する。

図６に示す電源装置１では、監視対象部品である出力ダイオードＤ１の温度が上昇し、抵抗Ｒ５の両端電圧が電圧Ｖｒｅｆ以上になると、オペアンプＯＰ１の出力がＬｏｗになり、フォトカプラＰＣ１がオフする。そして、フォトカプラＰＣ１がオフすることで、検出抵抗の値がＲ１／／Ｒ３からＲ１に切り替わり、電圧Ｖｃｓの値が大きくなることで、過電流検出手段１１が過電流保護動作電圧と比較する監視電圧が、電圧Ｖｃｕｒｒｅｎｔの分圧比が切り替わる前よりも大きな値に切り替わる。

図６に示す構成では、監視対象部品である出力ダイオードＤ１の温度が上昇して第１閾値Ｔ１以上になると、フライバックコンバータの１次側に流れる電流の大きさは変わらないが、その電流を電圧に変換する検出抵抗の値が切り替わることで、電圧Ｖｃｓの値が大きくなって、過電流検出手段１１に入力される監視電圧が切り替わる。そして、監視電圧が過電流保護動作電圧よりも大きな値となることにより、スイッチＱ１がオフとなってフライバックコンバータが停止する。

以上のように、図６に示す電源装置１の構成によれば、フライバックコンバータの１次側に流れる電流を電圧に変換する検出抵抗の値を切り替えることにより、過電流検出手段１１が過電流を検出するための基準として用いる監視電圧の大きさを切り替えることができるので、過電流検出の基準を簡単な構成で切り替えることができる。

図７は、監視対象部品の温度を検知する方法の一例を説明する図である。上述の出力ダイオードＤ１などの監視対象部品１５は、熱対策として、図７に示すように、放熱板１６に接するようにして電源装置１の基板１７上に実装されることが多い。このような構成の場合、上述のサーミスタＲｔｈなどの温度検知素子１８は、放熱板１６の監視対象部品１５が接する面と同じ面に接するように基板１７上に実装し、放熱板１６を介して監視対象部品１５の温度を検知する構成とすることが望ましい。これにより、監視対象部品１５の温度を温度検知素子１８によって適切に検知できるとともに、監視対象部品１５や温度検知素子１８の実装も容易となる。

以上説明した本実施形態の電源装置１は、例えば、画像形成装置の電源装置に適用することができる。図８は、電源装置１を備える画像形成装置２０の構成を例示するブロック図である。この画像形成装置２０は複合機として構成された画像形成装置の例であり、本実施形態の電源装置１のほか、スキャナ２１、画像処理部２２、プリンタ２３、駆動部２４および制御部２５を備える。

スキャナ２１は、原稿の画像を読み取る。画像処理部２２は、例えばスキャナ２１が読み取った画像に対する所定の処理を行い、プリンタ２３に対して出力する。プリンタ２３は、画像処理部２２から受け取った画像を印刷する。駆動部２４は、例えば電源装置１から出力される２４Ｖで動作し、スキャナ２１およびプリンタ２３などの可動部分を駆動する。この駆動部２４が、図１に示した負荷Ｌに相当する。制御部２５は、画像形成装置２０の各部を制御する。

本実施形態の電源装置１を備える画像形成装置２０は、例えば駆動部２４に含まれるコイルなどにレアショートが生じ、電源装置１のコンバータ３に過電流直前の電流が流れる状況において、出力ダイオードＤ１などの監視対象部品１５の温度が第１閾値Ｔ１以上になるとコンバータ３を停止させて、素早く回路部品の保護を図ることができる。

なお、本実施形態の電源装置１は、画像形成装置２０の電源装置に限らず、過電流保護機能を備えた電子機器の電源装置に対して広く適用することができる。

以上、具体的な実施例を挙げながら詳細に説明したように、本実施形態によれば、コンバータ３の発熱部品である監視対象部品の温度を温度検知回路４により監視し、監視対象部品の温度が第１閾値Ｔ１以上になると過電流保護回路２による過電流検出の基準を切り替えるようにしているので、例えば負荷Ｌにレアショートなどが生じて過電流直前の電流が流れ続けた場合に、回路部品をより速く保護することができる。

また、本実施形態によれば、監視対象部品の温度が第１閾値Ｔ１未満であっても、第２閾値Ｔ２以上である状態が所定時間継続すると過電流保護回路２による過電流検出の基準を切り替えるようにしているので、監視対象部品の温度がある一定の温度で飽和する場合であっても、監視対象部品が破損する前にコンバータ３を停止させて、監視対象部品を保護することができる。

以上、本発明の具体的な実施形態について説明したが、上述した実施形態は本発明の一適用例を示したものである。本発明は、上述した実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で様々な変形や変更を加えて具体化することができる。

１電源装置
２過電流保護回路
３コンバータ
４温度検知回路
５切り替え手段
１０パルス幅決定手段
１１過電流検出手段
２０画像形成装置
Ｌ負荷
Ｔ１第１閾値
Ｔ２第２閾値

特開２００１－２０９４４０号公報

Claims

過電流保護回路を有するコンバータと、
前記コンバータの発熱部品の温度を監視する温度検知回路と、
前記発熱部品の温度が第１閾値以上になると前記過電流保護回路による過電流検出の基準を切り替える切り替え手段と、を備え、
前記切り替え手段は、前記発熱部品の温度が前記第１閾値未満であっても、前記第１閾値よりも低い値に設定された第２閾値以上である状態が所定時間継続すると前記過電流検出の基準を切り替える、ことを特徴とする電源装置。
前記過電流保護回路は、前記コンバータの１次側の電流を電圧に変換して分圧した値に基づいて過電流を検出するものであり、
前記切り替え手段は、前記発熱部品の温度が前記第１閾値以上になると、前記分圧における分圧比を切り替えることにより、前記過電流検出の基準を切り替えることを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
前記過電流保護回路は、前記コンバータの１次側の電流を、検出抵抗を用いて電圧に変換し、分圧した値に基づいて過電流を検出するものであり、
前記切り替え手段は、前記発熱部品の温度が前記第１閾値以上になると、前記検出抵抗の値を切り替えることにより、前記過電流検出の基準を切り替えることを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
前記切り替え手段による切り替え後の前記過電流検出の基準は、切り替え前の基準により過電流として検出される電流値よりも低く、かつ、前記コンバータの最大定格電流よりも高い電流値を過電流として検出する基準であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の電源装置。
前記温度検知回路に含まれる温度検知素子と前記発熱部品が放熱板の同じ面に接するように設けられ、前記温度検知素子が前記放熱板を介して前記発熱部品の温度を検知することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の電源装置。
請求項１乃至５のいずれか一項に記載の電源装置を備えることを特徴とする画像形成装置。