KR101445444B1 - 스위칭 전원 - Google Patents

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Abstract

스위칭 전원은, 입력된 교류 전압을 정류하도록 구성된 정류 유닛, 정류 유닛에 의해 정류된 전압을 평활화하여 DC 전압으로서 저장하도록 구성된 저장 유닛, 저장 유닛에 저장된 DC 전압으로부터 펄스 신호를 생성하도록 구성된 펄스 신호 생성 유닛, 및 펄스 신호 생성 유닛에 의해 생성된 펄스 신호에 기초하여 상용 교류 전원이 오프된 것을 검출하도록 구성된 검출 유닛을 포함한다.

Description

스위칭 전원 {SWITCHING POWER SUPPLY}
본 발명은 디바이스에 전력을 공급하기 위한 스위칭 전원에 관한 것이다.
도 9a는 종래의 스위칭 전원의 구성을 나타낸다. 도 9a에서, 상용 교류 전원으로부터 입력된 교류 전류(AC)는, 스위치 SW1, SW2를 통해 D1, D2, D3, D4로 구성된 다이오드 브릿지에 의해 정류되어, 1차 전해 커패시터 C1에 의해 평활화된다. AC 전압이 AC 120Vrms이면, C1 단자 전압 Vh는 약 DC 170V이다. Vh는, 트랜스포머 T1의 1차 권선을 통해 스위칭 소자인 FET(field-effect transistor)1에 공급된다. 한편, Vh는 PWM(pulse-width modulation) 컨트롤러 CONT1에도 공급된다. Vh가 소정값(본 예에서는 DC 50V) 이상이면, CONT1은 FET1의 게이트 단자에 펄스 신호 OUT을 공급한다. 이 펄스 신호 OUT에 기초하여, FET1은 스위칭을 개시한다. FET1이 스위칭을 개시하면, 트랜스포머 T1의 2차 권선에 펄스 전압이 유기된다. 이 펄스 전압은, 2차 정류 다이오드 D5에 의해 정류되어, 2차 평활 커패시터 C2에 의해 평활화된다. 따라서, C2 단자 전압 Vout은 대체로 일정한 전압(본 예에서는 DC 24V)이다.
다음으로, 이 스위칭 전원의 동작에 대해 설명한다. 스위칭 전원의 출력 전압 Vout은 디바이스에 탑재된 각 모듈에 공급된다. 디바이스의 각 모듈은 예를 들면, 디바이스의 동작을 제어하기 위한 CPU(central processing unit) 및 ASIC(application-specific integrated circuit)로 구성되는 제어 유닛 CONT2, 및 모터나 솔레노이드와 같은 능동 디바이스인 액튜에이터 M이다. 제어 신호 MTR이 제어 유닛 CONT2로부터 액튜에이터 M으로 공급된다. 제어 유닛 CONT2는 MTR 신호를 HIGH 레벨(이하, H 레벨이라 칭함)로 설정함으로써 액튜에이터 M을 구동한다. 반대로, 제어 유닛 CONT2는 MTR 신호를 LOW 레벨(이하, L 레벨이라 칭함)로 설정함으로써 액튜에이터 M을 정지시킨다. 이러한 스위칭 전원의 구성에 대해서는 일본 특허출원공개 평10-66334호에 개시되어 있다.
전술한 스위칭 전원에서는, 스위치 SW1, SW2가 OFF되었을 때 후술하는 문제가 있다. 도 ９b를 이용해서 스위치 SW1, SW2가 OFF되었을 때의 동작을 설명한다. 도 ９b에서, 시간 t1에서 SW1, SW2가 OFF되면, 상용 교류 전원 AC로부터의 전력 공급(교류 전압)이 차단된다. 시간 t1 이후, 스위칭 전원은 1차 전해 커패시터 C1에 축적된 전력(전하)에 기초하여 동작한다. 커패시터 C1의 단자 전압 Vh는 DC 170V로부터 서서히 저하한다. 이 Vh가 소정값(본 예에서는, DC 50V)을 하회한 시각 t2에서, PWM 컨트롤러 CONT1이 OUT 신호의 출력을 정지한다. 따라서, 스위칭 전원의 출력 전압 Vout이 저하하고, 전원(디바이스)은 OFF 상태로 된다. 따라서, 시간 t1로부터 시간 t2까지의 구간 t2 - t1동안, 스위치 SW1, SW2가 OFF여도, 스위칭 전원의 출력 전압 Vout이 발생된다. 또한, 스위칭 전원의 출력 전력이 더 작을수록 구간 t2 - t1은 더 길어진다. 구체적으로, 제어 유닛 CONT2와 액튜에이터 M에 의해 소비되는 전력량이 적을수록, 구간 t2 - t1은 더 길어진다.
하지만, 디바이스가 대기시에 전력 소비의 저감이 더 크게 필요하다. 액튜에이터 M을 정지하고 제어 유닛 CONT2를 절전 모드로 설정하는 것과 같은 다양한 수단이 취해지므로, 대기 동안 소비되는 전력량은 매우 적다. 따라서, 전술한 구간 t2 - t1은 매우 길게 된다. 예를 들면, 몇몇 경우에 이 구간 t2 - t1은 몇십초이다.
예를 들면, 디바이스가 PC(personal computer)나 몇몇 다른 정보 디바이스이면, 유저가 PC의 메모리를 증가시키기를 원할 수 있다. 메모리를 증가시키는 경우에, 메모리와 정보 디바이스 자신의 신뢰성을 확보하기 위해서 Vout이 제로로 되는 것이 바람직하다. 이것은, 사용자가, Vout이 제로에 도달하기 전에 전하가 여전히 남아 있는 상태(도전 상태)에서 메모리를 추가하려고 시도한다면(핫-스와핑(hot-swapping)이라고도 칭함), 메모리가 파괴될 수 있기 때문이다. 따라서, 이러한 핫-스와핑을 회피할 필요가 있다.
따라서, 스위치 SW1, SW2가 OFF된 후에 메모리가 추가될 수 있다. 하지만, 스위치 SW1, SW2가 OFF되어도 Vout이 즉시 저하하지는 않는다. Vout이 저하할때 까지의 구간 t2 - t1동안, 유저는 메모리를 추가할 수 없고, 유저는 Vout이 제로에 도달할 때까지(1차 전해 커패시터 C1에 저장된 전하가 제로에 도달할 때까지) 기다려야 한다. 이러한 상황에서는, 메모리 추가시에 유저가 기다려야만 하므로 사용성이 불량하다.
이 대기 시간은, 메모리 확장에 한정되지 않는다. 예를 들면, 수리업자에 의해 수행되는 장비 관리 및 디바이스가 재기동되어야 할 때와 같이, 이러한 대기 시간은 다양한 환경에서 사용성을 저하시키는 요인이다.
이 문제를 해결하기 위해서, 도 10에 나타낸 디바이스가 제안되었다. 도 10에서, 상용 교류 전원 AC로부터의 교류 전압은, 스위치 SW1, SW2의 접점을 통해 다이오드 D6, 저항 R7, 및 포토커플러 PC-A의 LED(Light-emitting diode) 측에 공급된다. PC-A 포토트랜지스터측에는, 전력이 CONT2에 ANS 신호로서 공급된다. 이 회로의 동작 파형을 도 11에 나타낸다. 도 11에서, 상용 교류 전원 AC로부터의 교류 전압이 정극성일 경우, 포토커플러 PC-A의 LED측으로 전류가 흐르고, ANS 신호는 L 레벨이다. 반대로, 상용 교류 전원 AC로부터의 교류 전압이 부극성인 경우, 포토커플러 PC-A의 LED측으로 전류가 흐르지 않고, ANS 신호는 H 레벨이다. 보다 구체적으로, 이 ANS 신호는, 상용 교류 전원 AC로부터의 교류 전압의 주파수에 동기된 펄스 신호이다. 이 회로는 다이오드 D6, 저항 R7, 및 포토커플러 PC-A로 구성되며, 주파수 검출 회로라고도 칭한다.
이 주파수 검출 회로에 의해 시간 t1에서 스위치 SW1, SW2가 OFF되어, 상용 교류 전원 AC로부터 디바이스로의 교류 전압 공급이 차단되면, ANS 신호는 H 레벨로 고정된다. ANS 신호가 소정 시간 이상으로 H 레벨에서 출력되는 경우, 제어 유닛 CONT2는 상용 교류 전원 AC로부터의 교류 전압의 공급이 정지된 것을 판정한다. 그러나, 주파수 검출 회로에 의한 교류 전압 공급의 정지를 검출하는 이러한 방법(AC-OFF 검출이라고도 칭함)에서는, 상용 교류 전원 AC로부터의 교류 전압의 정극성의 반파(half-wave) 동안, 포토커플러 PC-A의 LED 전류가 끊임없이 흐른다. 이것은, 디바이스의 대기 동안에 있어서도 포토커플러 PC-A가 전력을 소비한다는 것을 의미한다. 이는, 디바이스의 대기 동안과 같은 절전 동작 상태에서 전력 소비가 충분히 감소될 수 없다고 하는 문제를 초래한다.
본 발명은, 상용 교류 전원으로부터의 교류 전압의 정지를 검출하고, 대기 동안 전원의 전력 소비를 더욱 감소시키는 것에 관한 것이다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 스위칭 전원은, 입력된 교류 전압을 정류 및 평활화함으로써 얻어진 DC 전압을 스위칭함으로써 얻어진 전압을 변압 및 출력하도록 구성된 트랜스포머, 상기 트랜스포머에 의해 출력된 전압을 정류 및 평활화함으로써 얻어진 DC 전압을 출력하도록 구성된 출력 유닛, 상기 교류 전압을 정류하도록 구성된 정류 유닛, 상기 정류 유닛에 의해 정류된 전압을 평활화하여 DC 전압으로서 저장하도록 구성된 저장 유닛, 상기 저장 유닛에 저장된 DC 전압으로부터 펄스 신호를 생성하도록 구성된 펄스 신호 생성 유닛, 및 상기 펄스 신호 생성 유닛에 의해 생성된 펄스 신호에 기초하여, 상기 교류 전압의 입력이 오프된 것을 검출하도록 구성된 검출 유닛을 포함한다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 화상 형성 장치는, 화상 형성 유닛, 상기 화상 형성 유닛을 구동하도록 구성된 구동 유닛, 입력된 교류 전압을 정류 및 평활화함으로써 얻어진 DC 전압을 스위칭함으로써 얻어진 전압을 변압 및 출력하도록 구성된 트랜스포머, 및 상기 트랜스포머에 의해 출력된 전압을 정류 및 평활화함으로써 얻어진 DC 전압을 상기 구동 유닛에 출력하도록 구성된 스위칭 전원을 포함하고, 상기 스위칭 전원은, 상용 교류 전원으로부터의 교류 전압을 정류하도록 구성된 정류 유닛, 상기 정류 유닛에 의해 정류된 전압을 평활화하여 DC 전압으로서 저장하도록 구성된 저장 유닛, 상기 저장 유닛에 저장된 DC 전압으로부터 펄스 신호를 생성하도록 구성된 펄스 신호 생성 유닛, 및 상기 펄스 신호 생성 유닛에 의해 생성된 상기 펄스 신호를 검출함으로써, 상기 상용 교류 전원으로부터의 교류 전압이 오프되었는지 여부를 판정하도록 구성된 제어 유닛을 포함한다.
본 발명의 추가적인 특징 및 양태는 첨부 도면을 참조하여 후술하는 실시예의 상세한 설명으로부터 보다 명확해질 것이다.
본 명세서에 통합되고 그 일부를 구성하는 첨부 도면은 설명과 함께 본 발명의 실시예, 특징 및 양태를 예시하며, 본 발명의 원리를 설명하는 역할을 한다.
도 1은 제1 실시예에 따른 스위칭 전원 회로를 나타내는 도면.
도 2는 제1 실시예에 따른 스위칭 전원의 동작 파형을 나타내는 도면.
도 3은 제2 실시예에 따른 스위칭 전원 회로를 나타내는 도면.
도 4는 제2 실시예에 따른 스위칭 전원의 동작 파형을 나타내는 도면.
도 5는 종래의 주파수 검출 회로, 히터 구동 회로 및 스위칭 전원 회로를 나타내는 도면.
도 6은 종래의 포토커플러의 동작 파형을 나타내는 도면.
도 7은 제3 실시예에 따른 주파수 검출 회로, 히터 구동 회로 및 스위칭 전원 회로를 나타내는 도면.
도 8은 제4 실시예에 따른 스위칭 전원 회로를 나타내는 도면.
도 9a 및 9b는 종래의 스위칭 전원을 나타내는 도면.
도 10은 종래의 스위칭 전원을 나타내는 도면.
도 11은 종래의 스위칭 전원의 동작 파형을 나타내는 도면.
도 12a 및 12b는 스위칭 전원의 적용예를 나타내는 도면.
도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시예, 특징 및 양태에 대해 상세하게 후술한다.
본 발명의 구성 및 동작에 대해 설명한다. 하지만, 이하의 실시예는 일례일 뿐이며, 본 발명의 기술적 범위를 한정하는 것은 결코 아니다.
제1 실시예에 대해 설명한다.
도 1은 제1 실시예에 따른 스위칭 전원의 구성을 나타낸다. 본 실시예의 특징은, 디바이스의 스위칭 전원 스위치가 OFF된 것을 검출하는 검출 회로(이하, AC-OFF 검출 회로라고도 칭함)로서 전력 소비가 저감된 회로가 제공되는 것이다. 본 실시예에 따른 AC-OFF 검출 회로에 의해 스위치가 OFF되는 것으로 검출되는 경우, 디바이스의 액튜에이터를 구동시킴으로써 스위칭 전원의 출력 전력이 증가된다. 따라서, 스위치가 OFF될 때로부터 스위칭 전원의 출력 전압이 저하해서 디바이스가 OFF될 때까지의 구간이 단축될 수 있다. 이하, 본 실시예에 따른 스위칭 전원의 동작에 대해서 더욱 상세하게 설명한다.
도 1에서, 상용 교류 전원 AC로부터의 교류 전류는 스위치 SW1, SW2를 통해 다이오드 브릿지(D1, D2, D3, D4)에 의해 정류되어, 1차 전해 커패시터 C1에 의해 평활화된다. 본 실시예의 교류 전압의 값이 AC 120Vrms이면, DC 전압을 저장하는 소자로서의 1차 전해 커패시터 C1의 단자 전압 Vh는 약 DC 170V이다. 단자 전압 Vh는, 상용 교류 전원 AC로부터 입력된 전압을 변압하는 트랜스포머 T1의 1차 권선을 통해 스위칭 소자인 FET1에 공급된다. 한편, 단자 전압 Vh는 PWM 컨트롤러 CONT1(이하, CONT1이라 칭함)에도 공급된다. 단자 전압 Vh가 소정값(본 실시예에서는 DC 50V) 이상이면, 이 컨트롤러 CONT1은 FET1의 게이트 단자에 펄스 신호 OUT을 공급한다. FET1은 이 신호에 기초하여 스위칭 동작을 개시한다. FET1이 스위칭을 행하면, 트랜스포머 T1의 2차 권선 코일에 펄스 전압이 유기된다. 이 펄스 전압은 2차 정류 다이오드 D5에 의해 정류되어, 2차 평활 커패시터 C2에 의해 평활화된다. 따라서, 2차 평활 커패시터 C2의 단자 전압 Vout은 대략 일정한 전압(본 실시예에서는 DC 24V)이다.
다음으로, 본 실시예에 따른 스위칭 전원을 탑재한 디바이스의 동작을 설명한다. 스위칭 전원의 출력 전압 Vout은 디바이스의 각 모듈에 대한 전원으로서의 역할을 한다. 디바이스의 각 모듈은, 예를 들면, CPU 및 ASIC로 구성되는 제어 유닛 CONT2, 및 모터나 솔레노이드와 같은 능동 디바이스인 액튜에이터 M이다. 스위칭 전원으로부터의 전압이 이들 모듈에 공급된다. 제어 신호 MTR이 제어 유닛 CONT2로부터 액튜에이터 M으로 공급된다. 제어 유닛 CONT2는 제어 신호 MTR을 HIGH 레벨로 설정함으로써 액튜에이터 M을 구동한다. 반대로, 제어 유닛 CONT2는 제어 신호 MTR을 LOW 레벨로 설정함으로써 액튜에이터 M을 정지시킨다.
다음으로, 본 실시예의 특징인 AC-OFF 검출 회로의 구성을 더욱 상세하게 설명한다. 우선, 스위칭 전원의 1차측의 AC-OFF 검출 회로의 구성을 설명한다. 상용 교류 전원 AC로부터의 교류 전류는 저항 R1 및 R2에 의해 분배된다. 따라서, 교류 전압이 다이오드 D6의 애노드에 공급된다. 이 교류 전압은 다이오드 D6 및 커패시터 C3에 의해 정류 및 평활화되어, DC 전압 Vp로 변환된다. DC 전압 Vp는 제1 포토커플러 PC-T(포토트랜지스터측)를 통해 저항 R3 및 제2 포토커플러 PC-A(LED측)에 공급된다. 한편, 제1 포토커플러 PC-T의 LED측 및 제2 포토커플러 PC-A의 포토트랜지스터측은 스위칭 전원의 2차측에 접속된다. 또한, 포토커플러 대신에, 자기 아이솔레이터(magnetic isolator) 또는 제네릭 아이솔레이팅 커플러(generic isolating coupler)가 사용된다.
스위칭 전원의 2차측에는, 2차측에서 생성된 DC 전압이 공급되는 제어 유닛 CONT2에 의해 1차측에서 검출된 전압이 공급되고, 제어 유닛 CONT2로부터의 신호에 기초하여 동작하는 AC-OFF 검출 회로가 제공된다. 2차측의 AC-OFF 검출 회로는 저항 R4와, 저항 R4에 직접 접속된 제1 포토커플러 PC-T의 LED, 제어 유닛 CONT2로부터의 TRIG 신호(신호선)에 기초하여 구동되는 FET2, 저항 R5, 저항 R5에 직접 접속된 제2 포토커플러 PC-A의 포토트랜지스터, 및 제어 유닛 CONT2로의 펄스 전압으로서의 ANS 신호(신호선)가 접속된다.
제어 유닛 CONT2는 TRIG 신호를 HIGH 레벨(이하, H 레벨이라고 칭함)로 설정함으로써 FET2를 ON시키고, 제1 포토커플러 PC-T의 LED를 발광시켜, 제1 포토커플러 PC-T의 포토트랜지스터를 ON시킨다. 반대로, TRIG 신호를 LOW 레벨(이하, L 레벨)로 설정함으로써 제어 유닛 CONT2는 제1 포토커플러 PC-T의 포토트랜지스터를 OFF시킨다. 또한, ANS 신호가 제어 유닛 CONT2에 공급된다. 제2 포토커플러 PC-A의 LED가 발광되는 경우, ANS 신호는 L 레벨이다. 반대로, 제2 포토커플러 PC-A의 LED가 소등된 경우, ANS 신호는 H 레벨이다. 제어 유닛 CONT2는 TRIG 신호를 소정 주파수 및 규정 듀티에서 H 레벨로 설정해서, 제1 포토커플러 PC-T의 포토트랜지스터를 주기적으로 ON시킨다. 후술하는 바와 같이, 도 2의 t11 내지 t13, t14 내지 t16, t17 내지 t19, t20 내지 t22, t23 내지 t25, t26 내지 t27의 구간 동안, 제1 포토커플러 PC-T는 ON이다.
다음으로, 도 2를 이용해서 AC-OFF 검출 회로의 동작에 대해 더욱 상세하게 설명한다. 도 2에서, 시간 t10에서, 스위치 SW1 및 SW2가 ON되어, AC 전압이 상용 교류 전원 AC로부터 디바이스에 공급된다. 따라서, 커패시터 C3은 DC 전압 Vp로 충전된다.
시간 t11에서, 제어 유닛 CONT2가 제1 포토커플러 PC-T의 포토트랜지스터를 ON시키면, "C3"→"제1 포토커플러 PC-T의 포토트랜지스터측"→"R3"→"PC-A의 LED측"→"C3"의 경로(도 1의 점선으로 나타낸 경로)를 따라 전류가 흘러, 커패시터 C3에 충전된 단자 전압이 방전된다.
이 때, 제2 포토커플러 PC-A의 LED가 발광되고, ANS 신호는 L 레벨이다. 제어 유닛 CONT2는, ANS 신호가 L 레벨인 것을 검출하고, 스위치 SW1 및 SW2가 ON이라고 판정한다. 커패시터 C3의 단자 전압은, 제1 포토커플러 PC-T의 포토트랜지스터가 ON인 동안에 방전되어 제로로 떨어진다(도 2의 시간 t12).
시간 t13에서, 제어 유닛 CONT2가 제1 포토커플러 PC-T의 포토트랜지스터를 OFF시키면, 상용 교류 전원 AC가 저항 R1 및 다이오드 D6을 통해 커패시터 C3에 공급된다. 따라서, 커패시터 C3은 다시 DC 전압 Vp로 충전된다.
그 후에, 스위치 SW1 및 SW2가 ON되어, 상용 교류 전원 AC로부터 전력이 디바이스에 공급되는 구간 동안(t14 내지 t16, t17 내지 t19, t20 내지 t22의 구간), 동일한 동작이 반복된다. 구체적으로, TRIG 신호가 H 레벨로 설정될 때, 제어 유닛 CONT2는 즉시 ANS 신호가 L 레벨인 것을 검출할 수 있고, 상용 교류 전원 AC로부터 전력이 디바이스에 공급되고 있다고 판정할 수 있다.
또한, 스위치 SW1 및 SW2가 OFF되어, 상용 교류 전원 AC로부터의 교류 전압의 공급이 정지되었을 경우, 커패시터 C3의 충전은 정지된다. 따라서, 커패시터 C3의 단자 전압은 전술한 바와 같은 전력 공급시에 도달되는 값 Vp에 도달되지 않고, 낮은 전압에서 유지된다(t1 내지 t23 구간).
시간 t23에서, 제어 유닛 CONT2가 제1 포토커플러 PC-T의 포토트랜지스터를 ON시키면, "C3"→"R3"→"제2 포토커플러 PC-A의 LED측"→"C3"의 경로(도 1의 점선으로 나타낸 경로)를 따라 전류가 흘러, 커패시터 C3에서 충전된 단자 전압이 방전되어 제로로 떨어진다. 이 때, 제2 포토커플러 PC-A의 LED가 발광하고, ANS 신호는 L 레벨이다.
또한, 시간 t25에서, 제어 유닛 CONT2가 제1 포토커플러 PC-T의 포토트랜지스터를 OFF시키지만, 스위치 SW1 및 SW2가 OFF이므로 커패시터 C3의 단자 전압은 제로로 유지된다. 따라서, 시간 t26에서 제어 유닛 CONT2가 제1 포토커플러 PC-T의 포토트랜지스터를 ON시켜도, 제2 포토커플러 PC-A의 LED는 발광하지 않고, ANS 신호는 H 레벨로 유지된다. 이 때, 제어 유닛 CONT2는, TRIG 신호가 H 레벨로 설정되었어도, ANS 신호가 H 레벨로 유지됨을 검출함으로써, 스위치 SW1 및 SW2가 OFF되었다는 것을 판정할 수 있다.
구체적으로, 도 1에 나타낸 회로에서, 제1 포토커플러와 제2 포토커플러에 의해 수행된 펄스 신호 생성 유닛의 신호의 전달 동작에 기초하여, 스위치 SW1 및 SW2가 ON 또는 OFF인지 여부가 판정될 수 있다. 더욱 구체적으로는, 스위치 SW1 및 SW2가 ON 상태이면, ANS 신호로서 펄스 전압이 검출되며, 스위치 SW1 및 SW2가 OFF 이면 ANS 신호로서 펄스 전압이 검출될 수 없으므로, 스위치 SW1 및 SW2가 ON 또는 OFF인지 여부가 판정될 수 있다.
제어 유닛 CONT2가, 스위치 SW1 및 SW2가 OFF되었다는 것을 검출하면, 제어 유닛 CONT2는 액튜에이터 M의 구동을 지시하는 신호인 MTR 신호를 H 레벨로 설정함으로써 액튜에이터 M을 구동한다. 그러면, 스위칭 전원의 출력 전력이 증가하므로, 1차 전해 커패시터 C1의 단자 전압 Vh는 DC 170V로부터 급속히 저하된다. 단자 전압 Vh가 소정값(본 실시예에서는 DC 50V)을 하회한 시간 t2에서, 컨트롤러 CONT1은 OUT 신호를 정지한다. 따라서, 스위칭 전원의 출력 전압 Vout이 저하하고, 디바이스는 OFF 상태이다.
따라서 상술한 t2 내지 t1의 구간(시간)이 단축될 수 있고, 스위치의 OFF됨을 즉시 검출함으로써, 스위칭 전원이 단시간에 OFF될 수 있다.
또한, 상용 교류 전원 AC로부터의 교류 전압이 디바이스에 공급되고 있는지 여부에 대한 판정이 제1 포토커플러 PC-T의 포토트랜지스터에 의해 생성된 펄스 전압에 기초하여 이루어진다. 이 펄스 전압을 낮은 듀티 및 낮은 주파수로 설정함으로써, 종래의 주파수 검출 회로를 사용하는 구성보다 전력 소비가 감소될 수 있다. 또한, 이 펄스 전압의 듀티 및 주파수는 예를 들면, 감소되는 전력 소비의 레벨, 스위칭 전원의 사양, 및 디바이스의 사양에 기초하여 적절히 설정될 수 있다.
제2 실시예에 대해 설명한다.
도 3은 제2 실시예에 따른 스위칭 전원의 구성을 나타낸다. 본 실시예의 특징은, 제1 실시예에 따른 AC-OFF 검출 회로의 1차측에, 저항 R6, 트랜지스터 Tr1, 제너 다이오드 ZD1로 구성되는 정전압 회로를 추가한 점이다. 제1 실시예에서 설명한 AC-OFF 검출 회로에서는, 상용 교류 전원 AC로부터의 교류 전압이 변동되는 경우, 커패시터 C3의 충전 전압이 변동한다. 따라서, 포토커플러 PC-A의 LED로 흐르는 전류도 변동한다. 상용 교류 전원 AC로서, AC 115V 영역과 AC 230V 영역 모두에서 사용가능한 디바이스에 스위칭 전원이 적용되는 경우, 상용 교류 전원 AC로부터의 교류 전압이 변동해도 포토커플러 PC-A의 LED로 흐르는 전류가 적절히 제한될 필요가 있다. 또한, AC 115V 영역에서도, 상용 교류 전원 AC의 전압 변동이 크면 동일한 대책이 취해질 필요가 있다.
본 실시예에서는, 이러한 상용 교류 전원 AC의 변동에 대응하기 위해 전류를 제한하기 위한 회로로서 정전압 회로가 추가된다. 본 실시예에 따른 AC-OFF 검출 회로의 구성 및 동작에 대해서 더욱 상세하게 설명한다. 하지만, 스위칭 전원의 동작은 제1 실시예에서와 마찬가지이므로, 여기에서는 그 설명을 생략한다.
도 3에서, 상용 교류 전원 AC로부터의 교류 전류는 저항 R1과 R2에 의해 분배된다. 따라서, 다이오드 D6의 애노드에는 교류 전압이 공급된다. 이 교류 전압은 다이오드 D6 및 커패시터 C3에 의해 정류 및 평활화되어, DC 전압 Vp로 변환된다. DC 전압 Vp는 제1 포토커플러 PC-T의 포토트랜지스터를 통해 저항 R6, 트랜지스터 Tr1, 제너 다이오드 ZD1로 구성되는 정전압 회로로 공급된다. 정전압 회로의 출력 전압은 저항 R3 및 제2 포토커플러 PC-A의 LED측에 공급된다. 한편, 제1 포토커플러 PC-T의 LED측 및 제2 포토커플러 PC-A의 포토트랜지스터측은 스위칭 전원의 2차측에 접속된다.
제어 유닛 CONT2는 TRIG 신호를 H 레벨로 설정해서 FET2를 ON시키고, 제1 포토커플러 PC-T의 LED를 발광시켜, 제1 포토커플러 PC-T의 포토트랜지스터를 ON시킨다. 반대로, TRIG 신호를 L 레벨로 설정함으로써, 제어 유닛 CONT2는 제1 포토커플러 PC-T의 포토트랜지스터를 OFF시킨다. 또한, ANS 신호가 제어 유닛 CONT2에 공급된다. 제2 포토커플러 PC-A의 LED가 발광될 경우에, ANS 신호는 L 레벨이다. 반대로 제2 포토커플러 PC-A의 LED가 소등되는 경우, ANS 신호는 H 레벨이다.
제어 유닛 CONT2는 TRIG 신호를 H 레벨에서 소정의 주파수 및 소정의 듀티로 설정하여 제1 포토커플러 PC-T의 포토트랜지스터를 주기적으로 ON시킨다. (이하에 설명하는 도 2의 t11 내지 t13, t14 내지 t16, t17 내지 t19, t20 내지 t22, t23 내지 t25, t26 내지 t27의 각 구간 동안, 제1 포토커플러 PC-T는 ON이다.)
다음으로, 도 4를 이용해서 본 실시예에 따른 AC-OFF 검출 회로의 동작을 설명한다. 우선, 시간 t40에서, 스위치 SW1과 SW2가 ON되어, 디바이스에 상용 교류 전원 AC가 공급되고 있다. 따라서, 커패시터 C3은 DC 전압 Vp로 충전된다.
시간 t41에서, 제어 유닛 CONT2가 제1 포토커플러 PC-T의 포토트랜지스터를 ON시키면, "C3"→"PC-T 포토트랜지스터측"→"Tr1"→"R3"→"PC-A의 LED측"→"C3"의 루프(도 3의 점선)를 따라 전류가 흘러, 커패시터 C3의 단자 전압이 방전된다. 이 때, 제2 포토커플러 PC-A의 LED가 발광되고, ANS 신호는 L 레벨이다. 제2 포토커플러 PC-A의 LED로 흐르는 전류는 정전압 회로의 출력 전압과 R3의 상수에 의해 결정되어 일정한 값으로 제한된다.
제어 유닛 CONT2는, ANS 신호가 L 레벨이라는 것을 검출하고, 스위치 SW1 및 SW2가 ON되었다고 판정한다. 커패시터 C3의 단자 전압은 제1 포토커플러 PC-T의 포토트랜지스터가 ON인 동안 방전되어 저하된다.
시간 t42에서, 제어 유닛 CONT2가 제1 포토커플러 PC-T의 포토트랜지스터를 OFF시키면, 저항 R1 및 다이오드 D6을 통해 상용 교류 전원 AC로부터의 전력이 커패시터 C3에 공급된다. 따라서, 커패시터 C3은, 다시 DC 전압 Vp로 충전된다.
그 후에, 스위치 SW1 및 SW2가 ON된 상태에서, 상용 교류 전원 AC로부터 교류 전압이 디바이스에 공급되는 구간동안(도 4의 t43 내지 t44, t45 내지 t46, t47 내지 t48 구간), 동일한 동작이 반복된다. 이 동작 상태에서, TRIG 신호가 H 레벨로 설정될 때, ANS 신호가 즉시 L 레벨에 도달하면, 제어 유닛 CONT2는, 전력이 상용 교류 전원 AC로부터 디바이스에 공급되고 있다고 판정할 수 있다.
또한, 스위치 SW1 및 SW2가 OFF되어 상용 교류 전원 AC로부터의 교류 전압의 공급이 정지되었을 경우, 커패시터 C3의 충전은 정지된다. 따라서, 커패시터 C3의 단자 전압은 Vp에 도달하지 않고, 낮은 전압에서 유지된다(도 4의 t1 내지 t49). 시간 t49에서, 제어 유닛 CONT2가 제1 포토커플러 PC-T의 포토트랜지스터를 ON시키면, "C3"→"PC-T의 포토트랜지스터측"→"Tr1"→"R3"→"PC-A의 LED측"→"C3"의 경로(도 3의 점선)를 따라 전류가 흘러, 커패시터 C3에 충전된 단자 전압이 방전되어 제로로 떨어진다. 이 때, 제2 포토커플러 PC-A의 LED가 발광되고, ANS 신호가 L 레벨에 도달한다. 또한, 시간 t50에서, 제어 유닛 CONT2가 제1 포토커플러 PC-T의 포토트랜지스터를 OFF시키지만, 스위치 SW1 및 SW2가 OFF이므로 커패시터 C3의 단자 전압은 제로로 유지된다. 따라서, 시간 t51에서, 제어 유닛 CONT2가 PC-T의 포토트랜지스터를 ON시켜도, 제2 포토커플러 PC-A의 LED는 발광하지 않고, ANS 신호는 H 레벨로 유지된다.
제어 유닛 CONT2는, TRIG 신호가 H 레벨로 설정되었어도 ANS 신호가 H 레벨로 유지되는 것을 검출함으로써, 스위치 SW1 및 SW2가 OFF되었다고 판정할 수 있다. 제어 유닛 CONT2가, 스위치 SW1 및 SW2가 OFF된 것을 검출하면, 제어 유닛 CONT2는 액튜에이터 M의 구동 신호 MTR을 H 레벨로 설정함으로써 액튜에이터 M을 구동시킨다. 그러면, 스위칭 전원의 출력 전력이 증가하고, 1차 전해 커패시터 C1의 단자 전압 Vh는, DC 170V로부터 급격히 저하한다. 단자 전압 Vh가 소정값(본 실시예에서는 DC 50V)을 하회한 시간 t2에서, 컨트롤러 CONT1이 OUT 신호를 정지시킨다. 따라서, 스위칭 전원의 출력 전압 Vout이 저하하고, 디바이스는 OFF 상태에 있다.
이와 같이, 본 실시예에 따르면, 전술한 종래의 회로 구성보다 t2 내지 t1의 구간(시간)이 단축될 수 있다. 또한, 본 실시예에 따르면, 상용 교류 전원 AC로부터 교류 전압이 공급되고 있는지 여부에 대한 판정이 제1 포토커플러 PC-T의 포토트랜지스터에 의해 생성된 펄스 전압에 기초해서 행해진다. 이 구성에 따르면, 펄스 전압이 낮은 듀티 및 저주파수로 설정되면, 한층 더 큰 전력 소비의 절감이 달성될 수 있다.
다음으로, 제3 실시예에 대해 도 5 내지 7을 이용하여 설명한다. 본 실시예는, 상용 교류 전원 AC로부터의 교류 전압의 주파수를 검출하는 주파수 검출 회로를 갖는 디바이스에 스위칭 전원이 적용되는 예이다. 주파수 검출 회로와 스위칭 전원을 갖는 디바이스의 예들은 기록 매체로서의 용지 시트에 화상을 형성하는 화상 형성 장치를 포함한다. 화상 형성 장치의 예들은 전자사진 레이저빔 프린터를 포함한다.
도 5는 레이저빔 프린터의 정착 장치에 채용되는 히터 구동 회로와 주파수 검출 회로를 나타낸다. 도 5에서, 구동 회로는, 릴레이 RL1, 트라이액(triac) SR1, 저항 R8, R9, R10, 및 포토 트라이액(phototriac) PSR1로 구성된다. 또한 주파수 검출 회로는 다이오드 D6, 저항 R7 및 포토커플러 PC-A로 구성된다. 또한, 다이오드 브릿지(D1, D2, D3, D4)의 후단에 스위칭 전원 회로가 있다.
우선, 히터 Rh의 구동 회로의 동작을 설명한다. 상용 교류 전원 AC로부터의 교류 전압은 릴레이 RL1의 접점측을 통해 히터 Rh에 공급된다. RLD 신호는 제어 유닛 CONT2로부터 저항 R6을 통해 릴레이 RL1의 코일측으로 공급된다. 제어 유닛 CONT2가 RLD 신호를 HIGH 레벨(이하, H 레벨이라 칭함)로 설정하면, RL1의 접점이 전기적으로 도전된다. 반대로, 제어 유닛 CONT2가 RLD 신호를 LOW 레벨(이하, L 레벨이라 칭함)로 설정하면, RL1의 접점이 개방된다. 디바이스의 동작 상태에서, 제어 유닛 CONT2에 따라, RL1의 접점이 전기적으로 도전되어, 디바이스의 대기 상태에서 RL1의 접점은 개방된다.
히터 Rh는 트라이액 SR1에 접속된다. 저항 R8 및 R9와 포토 트라이액 PSR1이 트라이액 SR1에 접속된다. FSRD 신호가 제어 유닛 CONT2로부터 저항 R10을 통해 포토트라이액 PSR1에 공급된다.
제어 유닛 CONT2가 FSRD 신호를 H 레벨로 설정하면, 트라이액 SR1이 ON된다. 제어 유닛 CONT2가 FSRD 신호를 L 레벨로 설정하면 트라이액 SR1이 OFF된다. 따라서, 릴레이 RL1이 도전 상태에 있을 때, 제어 유닛 CONT2가 FSRD 신호를 H 레벨로 설정하면, 트라이액 SR1이 ON되어 히터 Rh가 발열한다. 반대로 제어 유닛 CONT2가 FSRD 신호를 L 레벨로 설정하면, 트라이액 SR1이 OFF되어 히터 Rh가 발열을 정지한다. 제어 유닛 CONT2는, 트라이액 SR1을 적절히 ON 및 OFF함으로써 가열된 물체의 온도가 일정해지도록 제어를 행한다.
다음으로, 주파수 검출 회로의 동작을 설명한다. 상용 교류 전원 AC로부터의 교류 전압은, 릴레이 RL1의 접점을 통해 다이오드 D6, 저항 R7 및 포토커플러 PC-A의 LED측에 공급된다. 포토커플러 PC-A의 포토트랜지스터측으로부터, ANS 신호가 제어 유닛 CONT2에 공급된다.
도 6에 나타낸 바와 같이, 릴레이 RL1의 접점이 도전 상태에 있을 때, 상용 교류 전원 AC가 정극성을 갖는 경우, 포토커플러 PC-A의 LED측으로 전류가 흐르고, ANS 신호가 L 레벨에 도달한다. 반대로, 상용 교류 전원 AC로부터의 전압이 부극성을 갖는 경우, 포토커플러 PC-A의 LED측에 전류가 흐르지 않고, ANS 신호는 H 레벨에 도달한다.
따라서, 이 ANS 신호는 상용 교류 전원 AC로부터의 교류 전압에 대한 주파수 정보를 나타낸다. 제어 유닛 CONT2는 ANS 신호로부터 얻어진 주파수 정보에 기초하여 히터 Rh의 점등 타이밍을 제어한다. 스위칭 전원의 동작은 제1 실시예와 마찬가지이므로, 여기에서는 그 설명을 생략한다.
도 7은, AC-OFF 검출 회로가 도 5에 나타낸 히터 구동 회로 및 주파수 검출 회로에 채용되는 경우의 구성을 나타낸다. AC-OFF 검출 회로의 동작은 제1 실시예 와 마찬가지이므로, 여기에서 그 설명을 생략한다.
상술한 주파수 검출 회로의 포토커플러(PC-A)가 제1 실시예에서 설명한 AC-OFF 검출 회로로서도 기능한다는 것이 본 실시예의 특징이다. 포토커플러가 검출 회로로서도 사용되므로, 회로 구성이 저렴하다.
본 실시예에서는, 포토커플러가 검출 회로로서도 사용되므로, 릴레이 RL1의 접점이 도전되어 있을 때, 즉 디바이스가 동작 상태일 때, 포토커플러 PC-A는 주파수 검출 회로의 포토커플러로서 동작한다. 반대로, 디바이스가 대기 상태에 있을 때에는, 포토커플러 PC-A가 AC-OFF 검출 회로의 포토커플러로서 동작한다.
본 실시예에 따르면, 저렴한 회로 구성을 갖고 히터 구동 회로 및 주파수 검출 회로를 포함하는 화상 형성 장치에 스위칭 전원이 채용될 수 있다.
제4 실시예에 대해서 도 8을 이용하여 설명한다. 도 8은 종래의 스위칭 전원 회로를 나타낸다. 상용 교류 전원 AC로부터 스위칭 전원에 공급되는 교류 전압에, 서지(surge) 전압이라 칭하는 과대 전압(overvoltage)이 순간적으로 중첩될 수 있다. 이러한 과대 전압은, 예를 들면, 송전선에 가해지는 낙뢰에 의해 유발되며, 스위칭 전원 내의 회로 소자에 손상을 줄 수 있다. 따라서, 이러한 발생에 대해, 스위칭 전원의 상용 교류 전압의 입력 라인을 따라 커패시터(X 커패시터라고도 칭함) Cx를 접속하여 이들 과대 전압을 흡수해서 디바이스의 스위칭 전원을 보호하는 대책을 행하는 것이 일반적이다. 또한, 이 Ｘ 커패시터 Cx가 제공된 경우, X 커패시터 Cx를 방전하기 위한 방전 저항 Rx가 Cx와 병렬로 접속되는 것이 통상적이다.
도 8은 제4 실시예에 따른 스위칭 전원 회로이다. 본 실시예의 특징은, AC-OFF 검출 회로의 저항 R1 및 R2가 상술한 Ｘ 커패시터 Cx의 방전 저항 Rx로서도 기능한다는 것이다. 이러한 구성으로, 방전 저항 Rx를 별도로 제공할 필요가 없기 때문에 회로 구성이 저렴하다.
(스위치드(switched)-모드 전원 적용예)
상술한 제1 내지 제4 실시예에서 설명한 스위칭 전원은 레이저빔 프린터, 복사기, 팩시밀리와 같은 화상 형성 장치의 저전압 전원으로서 채용될 수 있다. 이하에, 그 적용예를 설명한다. 스위칭 전원은, 화상 형성 장치에서의 시트를 반송하는 반송 롤러의 구동 유닛인 모터 뿐만 아니라 액튜에이터에 전력을 공급하기 위한 전원으로서 채용될 수 있다.
도 12a는 화상 형성 장치의 일례인 레이저빔 프린터의 개략 구성을 나타낸다. 레이저빔 프린터(200)는 화상 형성 유닛(210)으로서, 잠상이 형성되는 화상 담지체로서 기능하는 감광 드럼(211), 및 감광 드럼에 형성된 잠상을 토너로 현상하기 위한 현상 유닛(212)을 포함한다. 감광 드럼(211) 상에 현상된 토너 화상은 카세트(216)로부터 급지된 기록 매체로서의 시트(도시 생략)에 전사된다. 시트에 전사된 토너 화상은 정착 디바이스(214)에 의해 정착되어 배지 트레이(215)에서 배지된다. 또한, 도 12b는 전원으로부터 화상 형성 장치의 구동 유닛으로서 기능하는 모터로의 전력 공급 라인을 나타낸다. 상술한 스위칭 전원은, 이러한 화상 형성 동작을 제어하기 위한 CPU(310)를 갖는 컨트롤러(300)에 전력을 공급한다. 또한, 이러한 스위칭 전원은 화상 형성을 위한 구동 유닛으로서 기능하는 모터(312) 및 모터(313)에 전력을 공급하기 위한 저전압 전원으로서 사용될 수도 있다. 전력으로서, 24V가 모터에 공급된다. 예를 들면, 모터(312)는 시트를 반송하기 위한 반송 롤러를 구동하는 모터이고, 모터(313)는 정착 디바이스(214)를 구동하는 모터이다. 레이저빔 프린터와 같은 화상 형성 장치는, 화상 형성이 실행되는 동작 상태와 화상 형성이 실행되지 않고 모터 등으로의 전력 공급을 오프시킴으로써 전력 소비를 절감하는 휴지 상태(resting state) 사이에서 절환될 수 있다. 예를 들면, 휴지 상태로 절환되었을 때, 상술한 스위칭 전원 디바이스가 사용되면, 대기 상태에서의 전력 소비가 한층 더 절감될 수 있다. 제1 및 제2 실시예에서 설명한 의사(quasi) 공진 전원은 여기에서 나타낸 화상 형성 장치에 한정되지 않고, 다른 전자 디바이스에 대한 저전압 전원으로서도 사용될 수 있다.
실시예를 참조하여 본 발명을 설명하였지만, 본 발명은 개시된 실시예에 한정되지 않는다는 것이 이해되어야 한다. 이하의 청구항의 범위는 모든 변형, 동등한 구성 및 기능을 포함하도록 최광의의 해석에 따라야 한다.

Claims (10)

  1. 스위칭 전원이며,
    입력되는 교류 전압을 정류 및 평활화한 후에 DC 전압이 인가되는 1차 권선과 상기 DC 전압을 스위칭함으로써 전압이 생성되는 2차 권선을 갖고, 상기 2차 권선에서 생성된 전압을 출력하도록 구성된 트랜스포머;
    상기 트랜스포머에 의해 출력된 전압을 정류 및 평활화함으로써 얻어진 DC 전압을 출력하도록 구성된 출력 유닛;
    상기 교류 전압을 입력받도록 구성된 커패시터;
    상기 커패시터와 접속되고, 상기 커패시터에 전압을 공급하도록 구성된 전압 공급 유닛;
    상기 출력 유닛으로부터 출력된 DC 전압을 검출하고, 검출 결과에 따라 상기 전압 공급 유닛에 제1 신호를 출력하도록 구성된 제1 신호 출력 유닛;
    상기 제1 신호 출력 유닛으로부터 출력된 제1 신호에 따라 상기 전압 공급 유닛이 상기 커패시터에 전압을 공급하는 것에 응답하여 제2 신호를 출력하도록 구성된 제2 신호 출력 유닛; 및
    상기 제2 신호에 기초하여, 상기 교류 전압의 입력이 오프된 것을 검출하도록 구성된 검출 유닛
    을 포함하는, 스위칭 전원.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전압 공급 유닛은, 상기 스위칭 전원으로부터 출력된 DC 전압이 공급되는 제어 유닛으로부터의 지시에 기초하여 동작하도록 구성된 제1 포토커플러인, 스위칭 전원.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제2 신호 출력 유닛 및 상기 검출 유닛은, 상기 스위칭 전원으로부터 출력된 DC 전압이 공급되는 제어 유닛으로 신호를 공급하기 위한 제2 포토커플러인, 스위칭 전원.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제2 포토커플러에 의해 상기 제어 유닛으로 공급되는 전류를 제어하도록 구성된 전류 제어 유닛을 더 포함하는, 스위칭 전원.
  5. 제3항에 있어서,
    상용 교류 전원으로부터의 교류 전압의 주파수를 검출하도록 구성된 주파수 검출 유닛을 더 포함하고,
    상기 검출 유닛은 상기 주파수 검출 유닛에 의해 검출된 주파수를 상기 제어 유닛으로 공급하도록 구성되는, 스위칭 전원.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 교류 전압을 분배함으로써 얻어진 전압을 상기 커패시터에 공급하기 위한 하나의 저항 요소 및 하나의 정류 요소를 더 포함하는, 스위칭 전원.
  7. 화상 형성 장치이며,
    화상 형성 유닛; 및
    전압을 상기 화상 형성 유닛에 공급하도록 구성된 전기 전원을 포함하고,
    상기 전기 전원은,
    입력되는 교류 전압을 정류 및 평활화한 후에 DC 전압이 인가되는 1차 권선과 상기 DC 전압을 스위칭함으로써 전압이 생성되는 2차 권선을 갖고, 상기 2차 권선에서 생성된 전압을 출력하도록 구성된 트랜스포머;
    상기 트랜스포머에 의해 출력된 전압을 정류 및 평활화함으로써 얻어진 DC 전압을 출력하도록 구성된 출력 유닛;
    상기 교류 전압을 입력받도록 구성된 커패시터;
    상기 커패시터와 접속되고, 상기 커패시터에 전압을 공급하도록 구성된 전압 공급 유닛;
    상기 출력 유닛으로부터 출력된 DC 전압을 검출하고, 검출 결과에 따라 상기 전압 공급 유닛에 제1 신호를 출력하도록 구성된 제1 신호 출력 유닛;
    상기 제1 신호 출력 유닛으로부터 출력된 제1 신호에 따라 상기 전압 공급 유닛이 상기 커패시터에 전압을 공급하는 것에 응답하여 제2 신호를 출력하도록 구성된 제2 신호 출력 유닛; 및
    상기 제2 신호에 기초하여, 상기 교류 전압의 입력이 오프된 것을 검출하도록 구성된 검출 유닛
    을 포함하는, 화상 형성 장치.
  8. 삭제
  9. 제7항에 있어서,
    상용 교류 전원으로부터의 교류 전류의 주파수를 검출하도록 구성된 주파수 검출 유닛; 및
    상기 전기 전원으로부터 출력된 DC 전압이 공급되는 제어 유닛을 더 포함하고,
    상기 주파수 검출 유닛은 검출된 주파수를 상기 제어 유닛으로 공급하는, 화상 형성 장치.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 화상 형성 유닛을 구동하도록 구성된 구동 유닛을 더 포함하고,
    상기 구동 유닛은 화상 형성을 위해 구동되는 액튜에이터(actuator)인, 화상 형성 장치.
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