JP2017017846A - 電源装置及び画像形成装置 - Google Patents
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Abstract
Description
図1は実施例1のアクティブクランプ方式を用いたスイッチング電源回路の概略を示す回路図である。商用電源等の交流電源10は交流電圧を出力しており、全波整流手段であるブリッジダイオードBD1で整流された電圧は、スイッチング電源回路100に入力されている。平滑用コンデンサC3は整流された電圧の平滑手段として用いられ、平滑用コンデンサC3の低い側の電位をDCL、高い側の電位をDCHとする。スイッチング電源回路100は、平滑用コンデンサC3に充電された入力電圧Vinから、絶縁された二次側へ電源電圧V11を出力する。本実施例では、スイッチング電源回路100は、電源電圧V11の一例として、例えば5Vの一定の電圧を出力する。
フィードバック部115は、電源電圧V11を所定の一定電圧に制御するために用いられる。電源電圧V11の電圧値は、シャントレギュレータIC5のリファレンス端子REFの基準電圧、抵抗R52及び抵抗R53によって設定される。電源電圧V11が所定の電圧(ここでは5V)より高くなると、シャントレギュレータIC5のカソード端子Kから電流が流れ、プルアップ抵抗R51を介してフォトカプラPC5の二次側ダイオードが導通状態となる。これにより、フォトカプラPC5の一次側トランジスタが動作し、コンデンサC6から電荷を放電する。このため、制御部101のFB端子の電圧(以下、FB端子電圧という)が低下する。一方、電源電圧V11が5Vより低くなると、二次側ダイオードが非導通状態となる。これにより、フォトカプラPC5の一次側のトランジスタがオフ状態となり、電源電圧V2から抵抗R2を介してコンデンサC6を充電する電流が流れる。このため、制御部101のFB端子電圧が上昇する。このように、フィードバック部115は、電源電圧V11の変動に応じて制御部101のFB端子電圧を変化させる。
図2は、制御部101によるアクティブクランプ方式を用いたスイッチング電源回路100の軽負荷状態の効率を改善するための制御方法の説明図である。図2において、(i)はFET1のゲート駆動信号DLに対応する制御信号DRV1を示す図、(ii)はFET2のゲート駆動信号DHに対応する制御信号DRV2を示す図である。図2において、(iii)はFET1のドレイン電流を示す図、(iv)はFET1のドレイン端子とソース端子間の電圧を示す図である。横軸はいずれも時間を示す。図3は、図2に示す複数の期間(〔1〕〜〔9〕)における電流の流れを、簡易回路図とともに示したものである。以下に、各期間の動作を説明する。尚、図3では、トランスT1をリーケージインダクタンスLr、結合インダクタンスLs、理想トランスTiに分割して示している。また、図3の回路中に、それぞれの期間で流れる電流を濃い実線矢印で示している。本実施例では、FET1及びFET2を制御する期間が、第一の期間であるスイッチング期間、停止前制御を実施する期間、第二の期間であるスイッチング停止期間、停止後制御を実施する期間、のように分けられる。
図2のスイッチング期間は、制御部101が、FET1とFET2をともにオフさせるデッドタイムを挟んでFET1とFET2を交互にオン又はオフさせて繰り返し制御する期間である。スイッチング期間におけるFET2と電圧クランプ用のコンデンサC2を用いた動作(以下、アクティブクランプ動作という)を図2、図3の〔1〕〜〔3〕で説明する。
次にスイッチング期間における、二次側の電源電圧V11の制御方法について説明する。スイッチング電源回路100の二次側の電源電圧V11の制御は、FET1とFET2のオン時間の比率を変更することにより行っている。FET2に対するFET1のオン時間の比率が高くなると、二次側の電源電圧V11は上昇する。FET1とFET2のオン時間の比率を制御する方法として、例えば、FET2のオン時間を固定時間として、FET1のオン時間をフィードバック部115から出力されるフィードバック情報、即ちFB端子電圧に基づき可変にする方法が考えられる。同様に、1周期の時間が一定になるように、FET1のオン時間とFET2のオン時間の比率を、フィードバック部115から出力されるFB端子電圧に応じて可変にする方法が考えられる。
次に、上述したスイッチング期間と、後述するスイッチング停止期間を交互に繰り返し制御する間欠動作について説明を行う。スイッチング電源回路100の軽負荷状態において、スイッチング期間の制御をそのまま継続すると、次のような課題が生じる。即ち、スイッチング電源回路100の一次側の電流による抵抗損失や、FET1及びFET2のスイッチング損失等によって、スイッチング電源回路100の効率が低下してしまう。
次に図3に示す〔4〕の期間で行う、停止前制御について説明する。スイッチング期間におけるFET1のオン時間をTL1、TL2、FET2のオン時間をTH1とする。また、停止前制御を実施する期間におけるFET2のオン時間をTH2とし、オン時間TH2となるFET2がオン状態となる前のFET1のオン時間をTL2とする(図2参照)。更に、停止後制御を実施する期間におけるFET2のオン時間をTH3とする。
次に、図2に示すスイッチング停止期間の制御を説明する。図3に示す〔7〕の期間では、電圧クランプ用のコンデンサC2に電圧を保持したまま(図2(iv))、FET1及びFET2をオフ状態として保持している。電圧クランプ用のコンデンサC2に電圧が保持されているため、所定の停止期間が経過した後でも、FET2をオンすることで、コンデンサC2の+端子側からトランスT1に電流が流れる状態(図3の〔2〕の状態)となる。制御部101は、フィードバック部115から出力されるFB端子電圧等に基づき、スイッチング電源回路100の二次側に負荷を供給すべき状態を検出した場合や、所定の時間が経過した場合等に、スイッチング停止期間を終了する。そして、制御部101は、後述する停止後制御を行った後、スイッチング期間に移行する。
次に図3に示す〔8〕〜〔9〕の停止後制御を説明する。図3に示す〔8〕の期間の動作は、前述した〔2〕の期間の動作と同様であるが、図3に示す〔8〕の期間では、FET2のオン時間を短くすることを特徴としている。本実施例では、スイッチング停止期間が継続する時間よりも短い時間でFET2をオンさせる。また、スイッチング期間でFET2をオンさせた時間(TH1)よりも短い時間でFET2をオンさせる。更に、スイッチング期間でFET2をオンさせた時間(TH1)の半分よりも短い時間(<TH1/2)でFET2をオンさせる。本実施例の制御では、FET1とFET2のオン時間の比率を、スイッチング期間のオン時間の比率(TL1とTH1の比率)の半分より小さい比率(TL2とTH3の比率)となるように制御している。
図4は本実施例の制御部101によるスイッチング電源回路100の制御処理を説明するフローチャートである。制御部101は、交流電源10がスイッチング電源回路100に接続され、スイッチング電源回路100に電力が供給される状態になると、以下の制御を開始する。ステップ(以下、Sとする)301で制御部101は、フィードバック部115からFB端子に入力されるFB端子電圧を検知する。S302で制御部101は、S301で検知したFB端子電圧に応じてFET1のオン時間を制御する。例えば、制御部101は、FET1のオン時間をTL1やTL2としてFET1の駆動を制御する。
・スイッチング電源回路100の軽負荷状態において、スイッチング期間とスイッチング停止期間を繰り返し行う間欠動作を行う。
・スイッチング停止期間の前にFET2をオンする停止前制御を行う。
・スイッチング停止期間の後にFET2をオンする停止後制御を行う。
・停止前制御と停止後制御のFET2のオン時間を、スイッチング期間のFET2のオン時間に対して短く制御する。
次に、実施例2のスイッチング電源回路400を説明する。実施例1と同様の構成には同一の符号を付し、説明を省略する。図5に示すスイッチング電源回路400は、フィードバック手段としてフィードバック部116と、切り替え制御部118とを有している。切り替え制御部118は、2つの状態、即ち、二次側の電源電圧V12として第一の電圧である24V電圧を出力するスタンバイ状態と、第二の電圧である5V電圧を出力するスリープ状態とを切り替える。本実施例では、このように、スタンバイ状態とスリープ状態を切り替える切り替え制御部118を有する点が実施例1の構成と異なる。また、本実施例では、スイッチング電源回路400の二次側整流回路は、ダイオードD11の代わりに、後述する同期整流回路と、平滑回路を追加した点が実施例1と異なっている。本実施例の同期整流回路は、FET12、ダイオードD12、同期整流制御部111を有している。また、本実施例の平滑回路は、コイルL11、コンデンサC12を有している。
フィードバック部116は、実施例1のフィードバック部115に対して、抵抗R53、R54、FET51を用いたフィードバック電圧の切り替え機能を有する点が異なる。FET51のゲート端子とソース端子の間には、抵抗R55が接続されている。フィードバック部116のFET51のゲート端子には、スイッチング電源回路400を搭載している電子機器の制御部等から、フィードバック電圧を切り替えるための信号である24VOUT信号が入力されている。24VOUT信号がハイレベルになると、FET51がオン状態になり、抵抗R54がショートされる。このため、シャントレギュレータIC5のリファレンス端子REFに入力される電圧は、電源電圧V12を抵抗R52、R53で分圧した電圧となる。これにより、スイッチング電源回路400は、二次側の電源電圧V12として24V電圧を出力する状態となる。
切り替え制御部118は、STANBY信号に応じてスタンバイ状態とスリープ状態の切り替え制御を行う。切り替え制御部118のFET81のゲート端子には、スイッチング電源回路400を搭載している電子機器の制御部等から、スイッチング電源回路400の動作状態を切り替えるための信号であるSTANBY信号が入力されている。FET81のゲート端子とソース端子の間には、抵抗R82が接続されている。ハイレベルのSTANBY信号が切り替え制御部118に入力されると、FET81がオン状態となり、抵抗R81を介してフォトカプラPC8の二次側ダイオードが導通状態となる。これにより、フォトカプラPC8の一次側トランジスタがオン状態となり、コンデンサC8に充電されていた電荷が放電される。コンデンサC8の一端は、制御部101のSL端子に接続されており、コンデンサC8の電荷が放電されると、制御部101のSL端子の電圧(以下、SL端子電圧という)はローレベルになる。
(第1の制御シーケンス)
図6(A)は、本実施例の制御部101による、スイッチング電源回路400の第1の制御シーケンスを説明するフローチャートである。尚、図6(A)で説明するフローチャートでは、24VOUT信号とSTANBY信号は接続されているものとする。即ち、図6(A)の第1の制御シーケンスでは、24VOUT信号とSTANBY信号は連動している。24VOUT信号がハイレベルであればSTANBY信号もハイレベルとなり、24VOUT信号がローレベルであればSTANBY信号もローレベルとなる。制御部101は、スイッチング電源回路400に電力が供給される状態になると第1の制御シーケンスを開始する。S511で制御部101は、実施例1で説明したスイッチング電源回路400の間欠動作を有効な状態とする。間欠動作を有効な状態とする、とは、スイッチング電源回路400が、連続動作を行うだけでなく、必要に応じて間欠動作も行えるようにすることをいう。
図6(B)は、本実施例の制御部101によるスイッチング電源回路400の第2の制御シーケンスを説明するフローチャートである。尚、図6(B)で説明するフローチャートでも、24VOUT信号とSTANBY信号は接続されているものとする。制御部101は、スイッチング電源回路400に電力が供給される状態になると第2の制御シーケンスを開始する。S521で制御部101は、スイッチング電源回路400が常に間欠動作を行うように制御する。尚、S512、S513は既に説明したため説明を省略する。
(第3の制御シーケンス)
図6(C)は本実施例の制御部101によるスイッチング電源回路400の第3の制御シーケンスを説明するフローチャートである。尚、図6(C)で説明するフローチャートでは、24VOUT信号とSTANBY信号は分離されているものとする。即ち、図6(C)の第3の制御シーケンスでは、24VOUT信号とSTANBY信号は連動しておらず、それぞれ独立にハイレベル又はローレベルの信号となる。制御部101は、スイッチング電源回路400に電力が供給される状態になると第3の制御シーケンスを開始する。
図6(D)は、本実施例の制御部101によるスイッチング電源回路400の第4の制御シーケンスを説明するフローチャートである。尚、図6(D)で説明するフローチャートでは、図6(C)同様に、24VOUT信号とSTANBY信号は分離されているものとする。制御部101は、スイッチング電源回路400に電力が供給される状態になると第4の制御シーケンスを開始する。図6(D)の構成は、図6(B)と図6(C)で説明した処理の組み合わせであるため、説明は省略する。
・スイッチング電源回路400の電源電圧V12を複数の電圧(24V電圧と5V電圧)に設定できる。
・スイッチング電源回路400はスタンバイ状態とスリープ状態等の複数の状態を有する。
・スタンバイ状態(24V電圧を出力する状態)ではスイッチング電源回路400の間欠動作を無効にする。
・スリープ状態(5V電圧を出力する状態)ではスイッチング電源回路400の間欠動作を有効にする。又は、スイッチング電源回路400を常に間欠動作で制御する。
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7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1〜3で説明した電源装置500を備えている。尚、実施例1、2の電源装置500を適用可能な画像形成装置は、図7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。
FET1 第1スイッチ
FET2 第2スイッチ
C2 電圧クランプ用コンデンサ
101 制御部(CPU)
115 フィードバック部
Claims (15)
- 一次巻線及び二次巻線を有するトランスと、
前記トランスの前記一次巻線に直列に接続された第一のスイッチング素子と、
前記トランスの前記一次巻線に並列に接続された第二のスイッチング素子と、
前記第二のスイッチング素子に直列に接続され、前記第二のスイッチング素子とともに前記トランスの前記一次巻線に並列に接続されたコンデンサと、
前記トランスの前記二次巻線に誘起された電圧に応じた情報を出力するフィードバック手段と、
前記フィードバック手段から入力された前記情報に基づいて、前記第一のスイッチング素子及び前記第二のスイッチング素子のオン又はオフを制御する制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記第一のスイッチング素子と前記第二のスイッチング素子をともにオフさせるデッドタイムを挟んで前記第一のスイッチング素子と前記第二のスイッチング素子を交互にオン又はオフさせるスイッチング動作を行う第一の期間と、前記スイッチング動作を停止させる第二の期間と、を交互に繰り返す動作を行うことが可能である電源装置であって、
前記制御手段は、前記第一の期間から前記第二の期間に移行する際に、前記第二のスイッチング素子をオンしてから前記第二の期間に移行し、前記第二の期間から前記第一の期間に移行する際にも、前記第二のスイッチング素子をオンしてから前記第一の期間に移行することを特徴とする電源装置。 - 前記制御手段は、
前記第一の期間から前記第二の期間に移行する際、及び、前記第二の期間から前記第一の期間に移行する際に、前記第二の期間が継続する時間よりも短い時間で前記第二のスイッチング素子をオンさせることを特徴とする請求項1に記載の電源装置。 - 前記制御手段は、
前記第一の期間から前記第二の期間に移行する際、及び、前記第二の期間から前記第一の期間に移行する際に、前記第一の期間で前記第二のスイッチング素子をオンさせた時間よりも短い時間で前記第二のスイッチング素子をオンさせることを特徴とする請求項2に記載の電源装置。 - 前記制御手段は、
前記第一の期間から前記第二の期間に移行する際に、前記第一の期間で前記第二のスイッチング素子をオンさせた時間の半分以下の時間で前記第二のスイッチング素子をオンさせることを特徴とする請求項3に記載の電源装置。 - 前記制御手段は、
前記第二の期間から前記第一の期間に移行する際に、前記第一の期間で前記第二のスイッチング素子をオンさせた時間の半分よりも短い時間で前記第二のスイッチング素子をオンさせることを特徴とする請求項3又は4に記載の電源装置。 - 前記コンデンサは、前記第一の期間から前記第二の期間に移行する際に、前記第二のスイッチング素子がオンされることにより充電され、前記第二の期間では前記充電された状態が保持されることを特徴とする請求項4に記載の電源装置。
- 前記コンデンサは、前記第二の期間から前記第一の期間に移行する際に、前記第二のスイッチング素子がオンされることにより放電されることを特徴とする請求項6に記載の電源装置。
- 前記制御手段は、少なくとも前記フィードバック手段から入力された前記情報に基づいて、前記第一の期間から前記第二の期間へ、又は、前記第二の期間から前記第一の期間へ、移行することを特徴とする請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の電源装置。
- 前記制御手段は、前記フィードバック手段から入力された前記情報と、前記第二の期間が継続される時間と、に基づいて、前記第二の期間から前記第一の期間へ移行することを特徴とする請求項8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から請求項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。 - 第一の電圧又は前記第一の電圧よりも低い第二の電圧を出力するように前記電源装置を制御する制御部を備え、
前記制御手段は、
前記制御部から前記第一の電圧を出力するように制御された場合には、前記第一の期間が連続する動作を行うように制御し、
前記制御部から前記第二の電圧を出力するように制御された場合には、前記電源装置が電力を供給する負荷の状態に応じて前記第一の期間が連続する動作又は前記第一の期間と前記第二の期間が交互に繰り返される動作を行うように制御することを特徴とする請求項10に記載の画像形成装置。 - 第一の電圧又は前記第一の電圧よりも低い第二の電圧を出力するように前記電源装置を制御する制御部を備え、
前記制御手段は、
前記制御部から前記第一の電圧を出力するように制御された場合には、前記第一の期間が連続する動作を行うように制御し、
前記制御部から前記第二の電圧を出力するように制御された場合には、前記第一の期間と前記第二の期間が交互に繰り返される動作を行うように制御することを特徴とする請求項10に記載の画像形成装置。 - 所定の電力を消費する第一のモード又は前記第一のモードよりも消費する電力が低い第二のモードで動作するように前記電源装置を制御する制御部を備え、
前記制御手段は、
前記制御部から前記第一のモードで動作するように制御された場合には、前記第一の期間が連続する動作を行うように制御し、
前記制御部から前記第二のモードで動作するように制御された場合には、前記電源装置が電力を供給する負荷の状態に応じて前記第一の期間が連続する動作又は前記第一の期間と前記第二の期間が交互に繰り返される動作を行うように制御することを特徴とする請求項10に記載の画像形成装置。 - 所定の電力を消費する第一のモード又は前記第一のモードよりも消費する電力が低い第二のモードで動作するように前記電源装置を制御する制御部を備え、
前記制御手段は、
前記制御部から前記第一のモードで動作するように制御された場合には、前記第一の期間が連続する動作を行うように制御し、
前記制御部から前記第二のモードで動作するように制御された場合には、前記第一の期間と前記第二の期間が交互に繰り返される動作を行うように制御することを特徴とする請求項10に記載の画像形成装置。 - 前記制御手段は、少なくとも前記フィードバック手段から入力された前記情報に基づいて、前記電源装置が電力を供給する負荷の状態を判断することを特徴とする請求項11又は請求項13に記載の画像形成装置。
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