JP2014138501A - 電源装置及び画像形成装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】一次側と二次側を絶縁するトランスT801と、トランスT801の一次側に入力される電圧をオンオフするスイッチング動作を行う主スイッチング素子Q801と、トランスT801の二次側に接続され、トランスT801の二次側に発生する電圧に応じてオンオフされるスイッチング素子Q1101と、トランスT801の二次側の出力電圧Voutが所定電圧となるように、主スイッチング素子Q801のスイッチング動作を制御するオペアンプIC802と、を備え、主スイッチング素子Q801の発振周波数fが高いほど、スイッチング素子Q1101を導通状態の期間が長くなるように調整する。
【選択図】図4
Description
(ダイオード整流方式のリンギングチョークコンバータ)
不連続モードで動作するフライバックコンバータとして、図1(a)に示すリンギングチョークコンバータ(以下、単にRCCという)を例に説明する。絶縁トランスT801は、入力側の一次巻線Npと出力側の二次巻線Ns及び一次側の補助巻線Nbから構成されている。補助巻線Nbは、第一のスイッチング素子である主スイッチング素子Q801の制御端子の導通、非導通制御を行うスイッチング素子Q802の駆動用巻線である。入力電圧Vinは、交流入力電圧をブリッジダイオードで整流し、アルミ電解コンデンサにより平滑された直流電圧であり、アルミ電解コンデンサの両端の電圧である。尚、図1(a)では、ブリッジダイオード、アルミ電解コンデンサ、入力フィルタ等は図示していない。入力電圧Vinは、一次巻線Npの一端と主スイッチング素子Q801の電流流出端子の間に印加され、入力電圧Vinの(+)側は一次巻線Npの一端に、入力電圧の(−)側は主スイッチング素子Q801の電流流出端子に接続されている。
図2(A)は、入力電力Pinが大きいときの図1(a)のRCCの各部における波形を示したものである。図2(A)(a)は、主スイッチング素子Q801の電流流入端子、電流流出端子間の電圧(ドレイン−ソース間電圧)Vdsの波形、図2(A)(b)は、主スイッチング素子Q801に流れる電流I1の波形を示している。更に、図2(A)(c)には、整流ダイオードD802に流れる電流Isの波形を示している。また、図2(A)(a)には、ドレイン−ソース間電圧Vdsの最大値(Vds(max))(破線)、オフ時間toff、オン時間ton及び発振周期T(=1/f)も示している。また、図2(A)(b)には、電流I1のピークの電流I1p(破線)も示している。
図1(a)で説明した整流ダイオードD802による整流方式、即ち、ダイオード整流方式では、整流ダイオードD802の順方向の電圧降下による電力損失が発生する。整流ダイオードD802の順方向の電圧降下による電力損失を低減する技術として、同期整流方式を用いた回路形式が存在する。以下では、同期整流方式を用いた回路動作に関して説明する。尚、図1(a)のダイオード整流方式と同じ機能を有する部分には同じ符号を付し、説明は省略する。
図1(b)は、同期整流方式を用いたRCCの回路構成を示す図である。第二のスイッチング素子である同期整流動作を行うMOSFET等のスイッチング素子Q1101の電流流出端子は絶縁トランスT801の一端に接続され、電流流入端子は出力電圧Voutの低電位側に接続されている。また、スイッチング素子Q1101の電流流入端子と電流流出端子間には、寄生ダイオードD1101が接続されている。コンパレータIC1101は、抵抗R1101を介してエミッタフォロワ形式のスイッチング素子Q1102、Q1103の制御端子に接続されている。スイッチング素子Q1102の電流流入端子は、出力電圧Voutの高電位側に接続され、スイッチング素子Q1102の制御端子は、抵抗R1102を介して出力電圧Voutの高電位側に接続されている。スイッチング素子Q1102の電流流出端子と、スイッチング素子Q1103の電流流入端子は接続され、その接続点は、抵抗R1103を介してスイッチング素子Q1101の制御端子に接続されている。スイッチング素子Q1103の電流流出端子は、出力電圧Voutの低電位側に接続され、スイッチング素子Q1101の制御端子は、抵抗R1104を介して出力電圧Voutの低電位側に接続されている。コンパレータIC1101の非反転入力端子には、出力電圧Voutの高電位側から抵抗R1105を介してダイオードD1102のアノード端子が接続され、ダイオードD1102のカソード端子は、出力電圧Voutの低電位側に接続されている。コンパレータIC1101の反転入力端子には、出力電圧Voutの高電位側から抵抗R1106を介してダイオードD1103のアノード端子が接続される。そして、ダイオードD1103のカソード端子は、スイッチング素子Q1101の電流流出端子(絶縁トランスT801の一端)に接続されている。
図4は、実施例1のスイッチング電源の構成を示す回路図である。図1(b)で説明した回路と同一の機能を有する箇所には同じ符号を用い、説明は省略する。図1(b)に示した回路との違いは、オペアンプIC101、抵抗R101、コンデンサC101、ダイオードD101で構成された遅延手段である遅延回路が付加されたことに特徴がある。以下、遅延回路の動作に関して説明する。
図5は、本実施例の電源装置各部の動作波形を示したものである。図5は、入力電力Pinが小さいとき、即ち軽負荷時における動作波形を示している。尚、図5は、上述した図3と同じ4つの波形を示しており、グラフの説明は省略する。ここで、図5(d)に示す、スイッチング素子Q1101のゲート電圧Vgsのグラフに、スイッチング素子Q1101の導通、非導通を決定する閾値電圧Vth(破線)を示している。
図6は、スイッチング電源装置の負荷電流(A(アンペア))と発振周波数f(kHz(キロヘルツ))との関係の一例を示したものである。図6中、破線が従来のダイオード整流方式(又は、遅延回路のない同期整流方式)における発振周波数fの遷移状態を示し、実線が本実施例の発振周波数fの遷移を示したものである。従来のダイオード整流方式(又は、遅延回路のない同期整流方式)の回路では、軽負荷(特に0.5A以下)において、発振周波数fが急激に上昇し、150kHz以上に達する場合もある。これに対し、本実施例においては、発振周波数fを、ダイオード整流方式に比べて一律低下させることが可能となり、特に軽負荷における発振周波数fの上昇を抑制することが可能となる。
図7は、実施例2のスイッチング電源の構成を示す回路図である。図1(b)で説明した回路と同一の機能を有する箇所には同じ符号を用い、説明は省略する。上述した実施例1の電源装置は、オペアンプIC101、抵抗R101、コンデンサC101、ダイオードD101で構成された遅延回路を備える構成である。本実施例では、実施例1の遅延回路に代わり、論理ゲートIC401、IC402、IC403、抵抗R401、R402、コンデンサC401で構成された遅延回路を用いるところに特徴がある。本実施例では、論理ゲートIC403を付加したことにより、スイッチング素子Q1102、Q1103が必要なくなっている。また、本実施例では、出力電圧Voutの制御を行うオペアンプIC802の出力端子は、フォトカプラIC801のカソード端子に接続され、フォトカプラIC801のアノード端子は、出力電圧Voutの高電位側に接続されている。そして、本実施例では、オペアンプIC802の非反転入力端子、反転入力端子が、実施例1のオペアンプIC802の場合と入れ替わっている点が異なる。即ち、実施例1の構成とは逆となり、入力電力Pinが大きい(発振周波数fが低い)ときにはオペアンプIC802の出力端子の電圧は上昇し、入力電力Pinが小さい(発振周波数fが高い)ときにはオペアンプIC802の出力端子の電圧は低下する。尚、論理ゲートIC401、IC402はNORゲートであり、以降NORゲートIC401、IC402ともいう。また、論理ゲートIC403はORゲートであり、以降ORゲートIC403ともいう。
図8(a)は、実施例3のスイッチング電源の構成を示す回路図である。図1(b)、図4で説明した回路と同一の機能を有する箇所には同じ符号を用い、説明は省略する。実施例1との違いは、オペアンプIC802の出力端子と、遅延回路を構成するオペアンプIC101の非反転入力端子の間に、ツェナーダイオードZD501を付加したことに特徴がある。本実施例では、遅延回路を構成するオペアンプIC101の非反転入力端子側がアノード、オペアンプIC802の出力端子側がカソードになるように、ツェナーダイオードZD501を付加する。これにより、本実施例では、遅延回路を構成するコンデンサC101は、オペアンプIC802の出力端子の電圧が、ツェナーダイオードZD501のツェナー電圧Vz以上になると充電されることになる。即ち、発振周波数fが上昇し、オペアンプIC802の出力端子の電圧が上昇すると、ツェナーダイオードZD501を介して、遅延回路を構成するコンデンサC101が充電されることになる。逆に、発振周波数fが低く、オペアンプIC802の出力端子の電圧が、ツェナーダイオードZD501のツェナー電圧Vz以下である場合には、遅延回路を構成するコンデンサC101は充電されず、遅延時間tdもゼロになる。
図8(b)は、本実施例のスイッチング電源の負荷電流(A)と発振周波数(kHz)との関係の一例を図示したものである。破線がダイオード整流方式(又は遅延回路のない同期整流方式)の発振周波数の遷移状態を示し、実線が本実施例の発振周波数の遷移を示したものである。実施例1では、図6で説明したように、スイッチング電源装置がいずれの発振周波数fで動作していても、オペアンプIC802の出力端子の電圧に応じて遅延回路により遅延時間tdが生成され、スイッチング電源装置の発振周波数fを低下させるよう動作する。一方、本実施例では、図8(b)中、丸枠で囲った遅延回路動作開始ポイントとなる負荷電流以下になった場合に、遅延回路が動作を開始し、遅延時間tdを生成させることになる。例えば、図8(b)では、遅延回路動作開始ポイントは、負荷電流が1.0Aとなったタイミングである。このように、ツェナーダイオードZD501は、オペアンプIC802が出力する電圧が所定値以上となった場合に、遅延回路を動作させる動作開始手段であるともいえる。
図9は、実施例4のスイッチング電源の構成を示す回路図である。図1(b)、図4で説明した回路と同一の機能を有する箇所には同じ符号を用い、説明は省略する。実施例1との違いは、オペアンプIC101、抵抗R101、コンデンサC101、ダイオードD101で構成された遅延回路に、制御回路IC701を接続した点に特徴がある。制御手段としての制御回路IC701は、スイッチング電源装置により動作する機器の動作制御を行う。
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10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1〜4で説明した電源装置400を備えている。尚、実施例1〜4の電源装置400を適用可能な画像形成装置は、図10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。
D101 ダイオード
IC101 オペアンプ
IC802 オペアンプ
Q801 主スイッチング素子
Q1101 スイッチング素子
R101 抵抗
T801 トランス
Claims (11)
- 一次側と二次側を絶縁するトランスと、
前記トランスの一次側に入力される電圧をオンオフするスイッチング動作を行う第一のスイッチング素子と、
前記トランスの二次側に接続され、前記トランスの二次側に発生する電圧に応じてオンオフされる第二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が所定電圧となるように、前記第一のスイッチング素子の前記スイッチング動作を制御する制御手段と、
を備え、
前記第一のスイッチング素子の前記スイッチング動作の周波数が高いほど、前記第二のスイッチング素子を導通状態の期間が長くなるように調整することを特徴とする電源装置。 - 前記第二のスイッチング素子の導通状態の期間を調整するために、前記第二のスイッチング素子が導通状態から非導通状態に移行させるタイミングを調整する調整手段を備え、
前記調整手段は、前記制御手段が出力する電圧に応じて、前記タイミングを決定することを特徴とする請求項1に記載の電源装置。 - 前記調整手段は、前記制御手段が出力する電圧に応じた電位に充電されるコンデンサを有することを特徴とする請求項2に記載の電源装置。
- 前記制御手段が出力する電圧が所定値以上となった場合に、前記調整手段の動作を開始させる動作開始手段を備えることを特徴とする請求項2又は3に記載の電源装置。
- 前記動作開始手段は、前記制御手段と前記調整手段との間に接続されることを特徴とする請求項4に記載の電源装置。
- 前記動作開始手段は、ツェナーダイオードであることを特徴とする請求項5に記載の電源装置。
- 前記調整手段は、オペアンプを有することを特徴とする請求項2乃至6のいずれか1項に記載の電源装置。
- 前記調整手段は、ワンショットマルチバイブレータ回路であることを特徴とする請求項2乃至6のいずれか1項に記載の電源装置。
- 前記制御手段は、オペアンプを有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。
- 記録材に画像形成を行う画像形成手段と、
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。 - 記録材に画像形成を行う画像形成手段と、
前記画像形成手段を制御するコントローラと、
請求項2に記載の電源装置と、
を備え、
前記コントローラは、前記タイミングを決定するための信号を、前記調整手段に出力することを特徴とする画像形成装置。
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