JP7271152B2 - 電源装置及び画像形成装置 - Google Patents
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Description
図1に画像形成装置の一例として、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100(以下、プリンタ100という)は、感光ドラム101、帯電部102、現像部103を備えている。感光ドラム101は、静電潜像が形成される像担持体である。帯電部102は、感光ドラム101を一様に帯電する。現像部103は、感光ドラム101に形成された静電潜像をトナーにより現像することでトナー像を形成する。感光ドラム101上(像担持体上)に形成されたトナー像をカセット104から供給された記録材としてのシートPに転写部105によって転写し、シートPに転写した未定着のトナー像を定着器106によって定着してトレイ107に排出する。この感光ドラム101、帯電部102、現像部103、転写部105が画像形成部である。また、プリンタ100は、電源装置108を備え、電源装置108からモータ等の駆動部と制御部500へ電力を供給している。制御部500は、CPU(不図示)を有しており、画像形成部による画像形成動作やシートPの搬送動作等を制御している。CPUの要求電圧精度から、実施例1の電圧精度の規格は、例えば5V±5%(Vmin=4.75V~Vmax=5.25V)とする。プリンタ100は、プリント動作を終了させると所定時間が経過した後、プリント動作をすぐに実行できるスタンバイ状態に遷移する。更に所定時間が経過した後、プリンタ100は待機時の消費電力を低減するため、スタンバイ状態から低消費電力モードであるスリープ状態に遷移する。プリンタ100は第2の状態であるスリープ状態、第1の状態であるスタンバイ状態、プリント状態の3つの状態を持ち、制御部500がそれぞれの状態に遷移させる。なお、本発明の電源装置を適用することができる画像形成装置は、図1に例示された構成に限定されない。
図2に電源装置108の概略構成の一例を示す。交流電源110から入力された交流電圧は、第1の電源200(以下、ACDCコンバータ200という)に入力され、ACDCコンバータ200によって第1の直流電圧である直流出力電圧218(以下、出力電圧218という)に変換され降圧される。出力電圧218は、第2の電源300(以下、DCDCコンバータ300という)に入力され、DCDCコンバータ300によって第2の直流電圧である直流出力電圧318(以下、出力電圧318という)に降圧される。第3の電源400(以下、レギュレータ400という)は、DCDCコンバータ300の入出力間に接続されている。ロードスイッチ(以下、ロードSWと表記する)600には、出力電圧318が入力されており、ロードSW600のスイッチ素子をオン状態(接続状態)又はオフ状態(非接続状態)にすることで、負荷への出力電圧518の出力を制御している。第1の制御手段である制御部500は、ACDCコンバータ200、DCDCコンバータ300、ロードSW600と電気的に接続されており、それぞれに信号を出力することにより制御している。ACDCコンバータ出力電圧切り替え信号201は、ACDCコンバータ200に入力されており、出力電圧218の目標電圧を切り替えるための信号である。DCDCコンバータ起動信号301は、DCDCコンバータ300に入力されており、DCDCコンバータ300の動作、停止を制御するための信号である。ロードSW制御信号701は、ロードSW600に入力されており、出力電圧518の出力を制御するための信号である。制御部500には、電源として出力電圧318が供給されている。
図3にACDCコンバータ200の回路構成の一例を示す。ACDCコンバータ200の回路構成を説明する。交流電源110から入力された交流電圧は、回路保護用の電流ヒューズ203と整流ダイオードブリッジ204を介して全波整流され、1次平滑コンデンサ205(以下、平滑コンデンサ205という)により平滑され直流電圧となる。更に、平滑コンデンサ205に充電された直流電圧は、起動抵抗206を介し、電源IC209のST端子に供給され、電源IC209の起動電圧に達すると、電源IC209が起動する。電源IC209は、スイッチング素子である電界効果トランジスタ(以下、FETと表記する)207の制御手段である。電源IC209が起動すると、電源IC209は、DRV端子から抵抗210を介してFET207のゲート端子にFET207を駆動するためのパルス信号を出力する。パルス信号がハイレベルとなっている期間において、FET207が導通状態になると、トランス208の1次巻線Npの両端に平滑コンデンサ205の直流電圧が印加される。このとき、トランス208の2次巻線Ns側にも電圧が誘起されるが、ダイオード216のアノード側を負とする電圧であるため、ダイオード216は導通状態とならず、トランス208の2次側にエネルギーは伝達されない。同様に、トランス208の補助巻線Nb側にも電圧が誘起されるが、ダイオード211のアノード側を負とする電圧であるため、ダイオード211は導通状態とはならず、補助巻線Nbにもエネルギーは伝達されない。したがって、トランス208の1次巻線Npを流れる電流はトランス208の励磁電流だけで、トランス208には励磁電流の2乗に比例したエネルギーが蓄積される。なお、励磁電流は時間に比例して増大する。
出力電圧218の目標電圧の切り替え制御は次のように行われる。まず、プリンタ100のスタンバイ状態及びプリント状態において、電源装置108は出力電圧218をモータ等の駆動部や画像形成部へ供給している。このとき、制御部500はハイレベルのACDCコンバータ出力電圧切り替え信号201を出力し、抵抗228と抵抗229とで分圧された電圧がFET227のゲートへ供給される。すると、FET227がオンして、FET227のドレイン‐ソース間が導通するので、抵抗226が無視できる状態となる。このため、出力電圧218は、レギュレーション抵抗223及び抵抗224によって分圧され、シャントレギュレータ225のREF端子に入力される。シャントレギュレータ225のREF電圧をVref、レギュレーション抵抗223の抵抗値をR223、抵抗224の抵抗値をR224、抵抗226の抵抗値をR226、計算の簡略化のためFET227のオン抵抗を無視できる程小さいものとする。スタンバイ状態及びプリント状態における出力電圧218(V24V)は、以下の式(1)で表される。
図4に降圧型DCDCコンバータ300、レギュレータ400の内部回路の一例を示す。降圧型DCDCコンバータ300(以下、DCDCコンバータ300という)の回路構成を説明する。DCDCコンバータ300は、スイッチング素子であるNチャンネルハイサイドFET360(以下、ハイサイドFET360という)をオンしている間は、インダクタ352を介してコンデンサ353に電流が流れる。一方、ハイサイドFET360をオフしている間は、インダクタ352に蓄えられたエネルギーがNチャンネルローサイドFET351(以下、ローサイドFET351という)を介して出力される。なお、ハイサイドFET360はPチャンネルFET、ローサイドFET351はPチャンネルFET又は整流ダイオードであっても良い。
次に、入力電圧(ACDCコンバータ200の出力電圧218)の違いによるDCDCコンバータ300の出力電圧318の電圧精度について説明する。入力電圧が高い場合(スタンバイ状態及びプリント状態)(出力電圧218(V24V))は、入力電圧(24V)と出力電圧(5.21V)との電圧差が大きく、DCDCコンバータ300のオンデューティが低い。すなわち、DCDCコンバータ300のスイッチング時のハイサイドFET360のオフ期間が長い。そのため、電源IC358の内部にあるブートストラップ回路(不図示)内のコンデンサへの充電期間が十分あり、ハイサイドFET360を駆動するのに必要な電圧まで昇圧することができ、ハイサイドFET360を駆動することができる。つまり、入力電圧が高い場合では、ハイサイドFET360を駆動できるため、出力電圧318を目標電圧に制御することができる。
レギュレータ400の回路構成を説明する。レギュレータ400は、シリーズレギュレータであり、FET385のゲート‐ソース間電圧を制御し、FET385のドレイン‐ソース間に印加される電圧を制御して出力電圧318を定電圧に制御している。出力電圧318は、レギュレーション抵抗374、抵抗376とで分圧され、シャントレギュレータ387のREF端子に入力される。そして、シャントレギュレータ387のREF端子に入力された電圧レベルに応じたフィードバック信号がシャントレギュレータ387のK端子から出力される。シャントレギュレータ387のK端子の電圧は、抵抗380を出力電圧218でプルアップして、ツェナーダイオード394を介し、抵抗383と抵抗393とで分圧された後、トランジスタ382のベース端子へ電気的に接続されている。抵抗381は、FET385のゲート‐ソース間に接続され、ゲート‐ソース間の電位安定のために用いられる。トランジスタ382は、シャントレギュレータ387のK端子から出力されるフィードバック信号によりFET385のゲート端子の電圧を調整している。なお、シャントレギュレータ387は、出力電圧318を目標電圧に制御できるような素子(コンパレータやオペアンプ等)であれば良い。ツェナーダイオード394は、フィードバック信号の電圧を降圧し、トランジスタ382を確実にオン、オフさせるために接続されている。シャントレギュレータ387のK端子の電圧範囲が広いものであれば、K端子の電圧を降圧せずにトランジスタ382を制御できるため、ツェナーダイオード394は削除してしまっても良い。なお、トランジスタ382の暗電流が小さい場合は、暗電流によってFET385がオンしてしまうおそれがないため、抵抗393と抵抗383とで分圧する必要がなく、抵抗393を削除してしまっても良い。
レギュレータ400の定電圧制御について説明する。出力電圧318が目標電圧よりも高い場合はK端子の電圧が下がり、トランジスタ382のベース電流が低下するのでコレクタ電流も低下する。そのため、FET385のゲート‐ソース間電圧が低下し、FET385のドレイン‐ソース間のオン抵抗が上昇するので、出力電圧318が低下する。なお、出力電圧318がDCDCコンバータ300によってレギュレータ400の目標電圧よりも高い電圧に制御されている場合は、FET385はオフ状態(オン抵抗が最大)となり、レギュレータ400は停止する。出力電圧318が目標電圧よりも低い場合はK端子の電圧が上がり、トランジスタ382のベース電流が上昇するのでコレクタ電流も上昇する。そのため、FET385のゲート‐ソース間電圧が上昇し、FET385のドレイン‐ソース間のオン抵抗が低下するので、出力電圧318が上昇する。
レギュレータ400の動作について説明する。入力電圧が高い場合は(出力電圧218(V24V))、DCDCコンバータ300が出力電圧318を目標電圧となるように制御できるので、レギュレータ400は、前述した通りFET385をオフするように制御する。具体的には、DCDCコンバータ300が出力電圧をV5V_DCDC=5.21Vで制御しているときは、レギュレータ400は、DCDCコンバータ300が出力した出力電圧318の電圧をフィードバックする。そしてレギュレータ400は、レギュレータ400の出力電圧318の目標電圧V5V_REGより高いと判断する。このため、前述した通り、レギュレータ400はFET385をオフに制御する。次に、入力電圧が低い場合は(出力電圧218(V5V))、前述したようにDCDCコンバータ300が出力電圧318を目標電圧V5V_DCDC=5.21Vになるように制御できなくなり、出力電圧318が低下する。出力電圧318がレギュレータ400の出力電圧の目標電圧V5V_REG=5.2Vより低くなると、レギュレータ400が起動し出力電圧318を定電圧制御する。
次に、レギュレータ400の効果を説明する。DCDCコンバータ300は、入力電圧が低下した場合、前述した通り、ハイサイドFET360のオンデューティが高くなり、電源IC358が出力できる最大オンデューティ(例えば80%)に達する。電源IC358が出力できる最大オンデューティに達した状態では、出力電圧318をスイッチング状態では目標電圧に保つことができず、出力電圧318は目標電圧よりも低下してしまう。具体的には、出力電圧318の負荷がなく、DCDCコンバータ300の出力電圧318の目標電圧V5V_DCDC=5.21Vとする。そうすると、DCDCコンバータ300への入力電圧(ACDCコンバータ200の出力電圧218V5V=5.2V付近)が低下していった場合、ハイサイドFET360を100%で駆動できない。このため、DCDCコンバータ300の出力電圧318(V5V_DCDC=5.21V以下)が低下してしまう。そのため、そのままDCDCコンバータ300への入力電圧が低下していくと出力電圧318も低下するので、前述した電圧精度の規格を満足することができない。具体的には、V5V_DCDC<Vminとなる。
(スタンバイ状態からスリープ状態への遷移)
図5にプリンタ100がスタンバイ状態からスリープ状態へ遷移する場合の電源装置108の動作のタイミングチャートを示す。図5のグラフは、横軸が時間t、縦軸は、(i)はACDCコンバータ出力電圧切り替え信号201の出力(ハイレベル(High)又はローレベル(Low))を示す。(ii)は出力電圧218の波形(24V、5.2V)、(iii)はDCDCコンバータ起動信号301の出力(オン(ON)又はオフ(OFF))、(iv)はロードSW制御信号701の出力(オン(ON)又はオフ(OFF))を示している。
次に、プリンタ100がスリープ状態からスタンバイ状態へ遷移する場合の電源装置108の動作について説明する。例えばパーソナルコンピュータ等の外部機器(不図示)からプリンタ100にプリント指示が通知されると、プリント動作をするために制御部500はプリンタ100をまずスリープ状態からスタンバイ状態に遷移させる。
図6に実施例2における電源装置108の概略構成の一例を示す。実施例2では、ACDCコンバータ200の出力電圧218が第2の制御手段である電源制御部700に入力される。電源制御部700は、出力電圧218に基づいてDCDCコンバータ起動信号301をDCDCコンバータ300へ出力し、レギュレータ起動信号401をレギュレータ400へ出力する。このため、実施例2の制御部500は、ACDCコンバータ出力電圧切り替え信号201と、ロードSW制御信号701とを出力する。また、電源制御部700の電力は、ロードSW600後の出力電圧518より供給される。
図7に実施例2におけるDCDCコンバータ300、レギュレータ400、電源制御部700の内部回路の一例を示す。実施例2では、電源制御部700は、DCDCコンバータ起動信号301をDCDCコンバータ300の電源IC358のEN端子に出力する。なお、電源制御部700内において、DCDCコンバータ起動信号301はFET609のゲート端子にも出力される。また、電源制御部700のFET609のドレイン端子は、抵抗384を介してレギュレータ400のツェナーダイオード394とシャントレギュレータ387のK端子との接続点に接続されており、この経路でレギュレータ起動信号401が出力される。
基準電圧611より検知電圧610が大きい場合、比較器605によりFET607のゲート電圧は下がり、FET607がオンする。FET607がオンすると、DCDCコンバータ起動信号301にはオン(ハイレベル)が出力され、実施例1で前述したように電源IC358は起動する。また、DCDCコンバータ起動信号301がオンの場合、FET609のゲート電圧が上がりFET609がオンし、レギュレータ起動信号401にはオフ(ローレベル)が出力される。レギュレータ起動信号401にオフが出力されると、抵抗384、ツェナーダイオード394、抵抗383を介してトランジスタ382のベース電流が下がり、トランジスタ382がオフする。トランジスタ382がオフすると、FET385のゲート電圧は抵抗381を介して出力電圧218となるため、FET385がオフし、レギュレータ400は動作を停止する。基準電圧611より検知電圧610が大きい場合とは、出力電圧218が出力電圧518より大きい場合であり、プリンタ100がプリント状態又はスタンバイ状態であることを意味する。
基準電圧611より検知電圧610が小さい場合、比較器605の出力はハイインピーダンスとなるため、FET607のゲート電圧は抵抗606を介して出力電圧218となり、FET607がオフする。FET607がオフの場合、DCDCコンバータ起動信号301には抵抗608を介してオフ(ローレベル)が出力され、実施例1で前述したように電源IC358は停止する。また、DCDCコンバータ起動信号301がオフの場合、FET609のゲート電圧が下がりFET609がオフし、レギュレータ起動信号401にはオン(ハイインピーダンス)が出力される。レギュレータ起動信号401がオンの場合、実施例1で前述したように、レギュレータ400は起動し出力電圧318を制御する。基準電圧611より検知電圧610が小さい場合とは、出力電圧218が出力電圧518より小さい場合であり、プリンタ100がスリープ状態であることを意味する。
図8に実施例2におけるプリンタ100がスタンバイ状態からスリープ状態又はスリープ状態からスタンバイ状態へ遷移する場合の電源装置108の動作のタイミングチャートを示す。図8のグラフは、(i)~(iii)、(v)は図5の(i)~(iv)に対応したグラフである。(iv)はレギュレータ起動信号401の出力(オン(ON)又はオフ(OFF))を示している。
プリンタ100がスタンバイ状態からスリープ状態へ遷移する場合の電源装置108の動作について説明する。タイミングTaは、プリンタ100がスタンバイ状態に遷移してから所定時間t1が経過したタイミングを示している。実施例1同様、ACDCコンバータ出力電圧切り替え信号201がハイレベルからローレベルに切り替わると、出力電圧218は、ACDCコンバータ200の応答時間に応じて24Vから5.2Vに遷移する。
次に、プリンタ100がスリープ状態からスタンバイ状態へ遷移する場合の電源装置108の動作について説明する。外部機器からプリント指示等を受信したタイミングTdにおいて、制御部500は、ロードSW制御信号701をオフからオンに切り替え、ロードSW600をオン状態にする。ロードSW600がオン状態になると、出力電圧518の供給が開始される。これにより、電源制御部700にも電力が供給され、電源制御部700は出力電圧218を検知し出力信号を制御することが可能となる。
200 ACDCコンバータ
300 DCDCコンバータ
400 レギュレータ
500 制御部
Claims (17)
- 第1の状態と前記第1の状態よりも消費電力が低い第2の状態とで動作することが可能な電源装置であって、
交流電圧を第1の直流電圧に変換し出力するACDCコンバータと、
前記第1の状態において前記ACDCコンバータから出力された前記第1の直流電圧を前記第1の直流電圧よりも低い第2の直流電圧に変換して出力し、前記第2の直流電圧が目標電圧となるよう動作する降圧型のDCDCコンバータと、
前記DCDCコンバータと並列に接続され、前記第2の状態において前記第2の直流電圧が目標電圧となるように定電圧制御の動作をするレギュレータと、
前記第1の状態のときに前記第1の直流電圧が第1の電圧となるように前記ACDCコンバータを制御し、前記第2の状態のときに前記第1の直流電圧が前記第1の電圧よりも低い第2の電圧となるように前記ACDCコンバータを制御する第1の制御手段と、
を備え、
前記レギュレータの前記目標電圧は前記DCDCコンバータの前記目標電圧よりも低く設定されており、
前記電源装置が前記第1の状態から前記第2の状態に遷移する過程において、前記DCDCコンバータから出力される前記第2の直流電圧が前記レギュレータの前記目標電圧を下回ったことに伴い、前記レギュレータは前記第2の直流電圧が前記レギュレータの前記目標電圧となるように定電圧制御の動作を開始し、前記DCDCコンバータは動作を停止することを特徴とする電源装置。 - 前記DCDCコンバータは、スイッチング素子と、前記スイッチング素子のオンオフ状態を制御する電源ICと、を有するDCDCコンバータであって、
前記スイッチング素子のオンデューティは100%より低い値に制限されていることを特徴とする請求項1に記載の電源装置。 - 前記第1の制御手段は、前記電源ICを停止させることで前記DCDCコンバータの動作を停止させることを特徴とする請求項2に記載の電源装置。
- 前記第1の制御手段は、前記レギュレータが動作している間、前記DCDCコンバータの動作を停止させるように制御することを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の電源装置。
- 前記第1の制御手段は、前記第1の状態から前記第2の状態に遷移するときに、前記第1の直流電圧が前記第1の電圧から前記第2の電圧に低下する前に前記DCDCコンバータの動作を停止させるように制御することを特徴とする請求項4に記載の電源装置。
- 前記第2の直流電圧を負荷に供給する接続状態と、前記負荷への前記第2の直流電圧の供給を遮断する非接続状態とのいずれかの状態となるロードスイッチを備え、
前記第1の制御手段は、前記DCDCコンバータの動作を停止させた後に前記ロードスイッチを前記非接続状態とするように制御することを特徴とする請求項5に記載の電源装置。 - 前記第1の制御手段は、前記第2の状態から前記第1の状態に遷移するときに、前記第1の直流電圧が前記第2の電圧から前記第1の電圧に上昇する前に前記DCDCコンバータの動作を開始させるように制御することを特徴とする請求項4に記載の電源装置。
- 前記第2の直流電圧を負荷に供給する接続状態と、前記負荷への前記第2の直流電圧の供給を遮断する非接続状態とのいずれかの状態となるロードスイッチを備え、
前記第1の制御手段は、前記DCDCコンバータの動作を開始させる前に前記ロードスイッチを前記接続状態とするように制御することを特徴とする請求項7に記載の電源装置。 - 前記DCDCコンバータの動作を停止させるように制御する第2の制御手段を備え、
前記第2の制御手段は、前記電源ICを停止させることで前記DCDCコンバータの動作を停止させることを特徴とする請求項2に記載の電源装置。 - 前記第2の制御手段は、前記レギュレータが動作している間、前記DCDCコンバータの動作を停止させるように制御することを特徴とする請求項9に記載の電源装置。
- 前記第2の制御手段は、前記第1の状態から前記第2の状態に遷移するときに、前記第1の直流電圧が前記第1の電圧から前記第2の電圧に低下する前に前記DCDCコンバータの動作を停止させるように制御することを特徴とする請求項10に記載の電源装置。
- 前記第2の直流電圧を負荷に供給する接続状態と、前記負荷への前記第2の直流電圧の供給を遮断する非接続状態とのいずれかの状態となるロードスイッチを備え、
前記第1の制御手段は、前記第2の制御手段により前記DCDCコンバータの動作が停止された後に前記ロードスイッチを前記非接続状態とするように制御し、
前記第2の制御手段は、前記ロードスイッチが前記非接続状態となったことに応じて動作を停止することを特徴とする請求項11に記載の電源装置。 - 前記第2の制御手段は、前記第2の状態から前記第1の状態に遷移するときに、前記第1の直流電圧が前記第2の電圧から前記第1の電圧に上昇する前に前記DCDCコンバータの動作を開始させるように制御することを特徴とする請求項10に記載の電源装置。
- 前記第2の直流電圧を負荷に供給する接続状態と、前記負荷への前記第2の直流電圧の供給を遮断する非接続状態とのいずれかの状態となるロードスイッチを備え、
前記第1の制御手段は、前記第2の制御手段により前記DCDCコンバータの動作が開始される前に前記ロードスイッチを前記接続状態とするように制御し、
前記第2の制御手段は、前記ロードスイッチが前記接続状態となったことに応じて動作を開始することを特徴とする請求項13に記載の電源装置。 - 前記第1の制御手段は、前記第2の直流電圧によって動作することを特徴とする請求項1から請求項14のいずれか1項に記載の電源装置。
- 前記レギュレータは、シリーズレギュレータであることを特徴とする請求項1から請求項15のいずれか1項に記載の電源装置。
- 記録材に画像を形成する画像形成部と、
請求項1から請求項16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。
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