JP4788133B2

JP4788133B2 - 電源回路

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Publication number: JP4788133B2
Application number: JP2004346520A
Authority: JP
Inventors: 智久石川
Original assignee: Casio Computer Co Ltd
Current assignee: Casio Computer Co Ltd
Priority date: 2004-11-30
Filing date: 2004-11-30
Publication date: 2011-10-05
Anticipated expiration: 2024-11-30
Also published as: JP2006158115A

Description

本発明は、電子装置に用いられる電源回路に関するものである。

従来、商用交流電源で動作する電子装置においては、電子機器が必要とする所定の直流電圧を得るため、例えば図４に示したような構成からなるスイッチング電源回路（スイッチングレギュレータ）を含む電源回路１０１が用いられている。電源回路１０１はＡＣコンセントから入力される商用交流入力１０２を電源としており、これが入力整流ブリッジ（ダイオード）１０３により脈流に変換された後、入力コンデンサ１０４でリップルを含む直流に変換される。入力コンデンサ１０４からは商用電源電圧が１００Ｖであればそのピーク電圧である１４０Ｖ程度が出力される。電源回路１０１においては、この高圧電圧を電子機器で使用される低電圧（ＩＣ用ＤＣ５Ｖ〜２．５Ｖ程度）や、所定の電圧（例えばＤＣ１２程度）に降圧する。

入力コンデンサ１０４以降の回路がいわゆるスイッチング電源回路１１４であり、「フォワード形コンバータ」である。ここでは入力された電圧の直流が、制御ＩＣ１０５の制御によるスイッチング素子１０６のオン・オフ動作により高周波の交流に変換される。交流になった電力はトランス１０７の一次側に入力され、その二次側に低電圧の交流が発生する。二次側の交流は再度ダイオード１０８，１０９で整流され、出力チョーク１１０とコンデンサ１１１で高周波リップル電圧を含む直流に変換される。また、可変型シャントレギュレータ１１２により出力電圧の誤差が検出され、それがフォトカプラ１１３にてトランス１０７の一次側に帰還し制御ＩＣ１０５に入力される。この帰還電圧によりスイッチング素子１０６のスイッチング時間等が制御されることにより二次側の定電圧制御が行われることとなる。

なお、この種の電源回路については例えば下記の特許文献１にも記載されている。
特開２００１−１７８１２５号公報

しかしながら、前述したような電源回路１０１においては、入力整流ブリッジ１０３により整流し、入力コンデンサ１０４により平滑化した後の直流電圧を電圧スイッチング電源回路１１４に供給しているため、スイッチング電源回路１１４の一次側にリップル電圧が加わっており、二次側の負荷によってその波高値が変動する。そして、係るリップル電圧は二次側にも伝わるため、二次側の出力電圧が変動する。図５は、入力コンデンサ１０４の電圧が１４０Ｖ、出力電圧が５Ｖの場合における一次側の直流電圧（ａ）及び出力電圧（ｂ）の変動を示した図である。

ここで、スイッチング電源回路１１４の一次側に入力されるリップル電圧における電圧の落ち込み時期と、スイッチング電源回路１１４の二次側で検出される出力電圧の落ち込み時期とは同期するため、入力コンデンサ１０４に蓄積されている電力が出力電圧を安定化させるために使用される時期と、入力コンデンサ１０４への入力電圧が低下する時期とが一致する。つまり電源回路１０１においては出力電圧の安定化動作が、入力コンデンサ１０４における蓄積電荷の周期的な落ち込み量を増大させる方向の循環となっている。

係ることから、リップルノイズの除去して出力電圧をより安定化させるためには、入力コンデンサ１０４として大容量のコンデンサを用いることが不可欠であるという問題があった。

本発明はかかる従来の課題に鑑みてなされたものであり、大容量のコンデンサを設けることなく、しかも電力源から供給される電力の使用効率を低下させることなく、安定した出力電圧を得ることが可能となる電源回路を提供することを目的とする。

前記課題を解決するため請求項１の発明にあっては、電子装置に設けられ、第１の電力源から供給される電力による交流成分を含む一次側の電圧を所定の電圧に変換し二次側へ出力する電圧変換部を備えた電源回路において、当該電子装置の内部に稼働に伴い生じる前記第１の電力源とは異なる熱エネルギー又は光エネルギーより電気エネルギーに変換された独立した第２の電力源である熱電変換素子又は光電変換素子から供給される電力を用いて前記電圧変換部の二次側の出力電圧を安定させる安定化用制御部を備えたものとした。

また、請求項２の発明にあっては、前記安定化用制御部は、前記電圧変換部の二次側の出力電圧を安定させるための基準となる基準電圧を生成する基準電圧生成部と、当該基準電圧生成部によって生成された前記基準電圧と前記電圧変換部の二次側の出力電圧とを比較する出力変動検出部と、前記第２の電力源から供給される電力を前記電圧変換部にスイッチング手段によって時分割に付加する電力付加部と、前記電圧変換部の二次側の出力電圧を安定させるように前記電力付加部を制御する加算制御部と、を含むものとした。
また、請求項３の発明にあっては、前記安定化用制御部は、前記第２の電力源から出力された電力を安定化するための電圧安定化部と、当該電圧安定化部によって安定化された出力電圧を変換する第２電圧変換部と、を含むものとした。
また、請求項４の発明にあっては、前記加算制御部は、前記第２の電力源から供給される電力を前記電圧変換部の一次側に付加するように前記電力付加部を制御するものとした。

また、請求項５の発明にあっては、前記加算制御部は、前記第２の電力源から供給される電力を前記電圧変換部の二次側に付加するように前記電力付加部を制御するものとした。

また、請求項６の発明にあっては、前記第２の電力源は、電子装置の内部に稼働に伴い生じる熱エネルギー又は光エネルギーを電気エネルギーに変換する直流電圧源であるものとした。

また、請求項７の発明にあっては、前記直流電圧源は、電子装置の内部に稼働に伴い生じる熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電変換素子であるものとした。

また、請求項８の発明にあっては、前記直流電圧源は、電子装置の内部に稼働に伴い生じる光エネルギーを電気エネルギーに変換する光電変換素子であるものとした。

また、請求項９の発明にあっては、投影用ランプを有するプロジェクタ装置に設けられ、第１の電力源から供給される電力による交流成分を含む一次側の電圧を所定の電圧に変換し二次側へ出力する電圧変換部を備えた電源回路において、当該電子装置の内部に稼働に伴い生じる前記第１の電力源とは異なる熱エネルギー又は光エネルギーより電気エネルギーに変換された独立した第２の電力源から供給される電力を用いて前記電圧変換部の二次側の出力電圧を安定させる安定化用制御部を備えたものとした。

また、請求項１０の発明にあっては、前記投影用ランプは前記電圧変換部の二次側から供給される電力により点灯され、前記第２の電力源は、前記投影用ランプの点灯に伴い生ずる熱を電気エネルギーに変換する熱電変換素子であるものとした。

以上のように本発明の電源回路においては、大容量のコンデンサを設けることなく、かつ第１の電力源から供給される電力の使用効率を低下させることなく、安定した出力電圧を得ることが可能となる。また、第１の電力源から供給される電力が有効利用できるとともに、第２の電力源の電力を容易に電圧変換部の一次側又は二次側に供給することができる。

以下、本発明の一実施の形態を図にしたがって説明する。図１は、本発明に係る電源回路３を備えたプロジェクタ１の構成例である。プロジェクタ１においては、コンセントから電源コード２を介して供給される商用の交流（ＡＣ）電圧は、電源回路３によって所定の直流（ＤＣ）電圧に変換されて、プロジェクタ１の本体回路（映像処理回路や制御回路など）４へ供給される。本体回路４は、主としてパソコン等から入力された映像又は画像信号に基づき画像変換素子（光変調素子ともいう）である透過型の液晶パネル５を駆動したり、電源回路３から供給された電力による投影用ランプ６の点灯、及び消灯を制御する。投影動作時には、投影用ランプ６の発する光Ｌ１が液晶パネル５を透過しその透過光Ｌ２がコンデンサレンズ７、投影レンズ８を介してスクリーンＳに照射されることにより、スクリーンＳ上に光学像（動画像や静止画像）が投影される。

一方、図示しないプロジェクタ１の筐体内には、前記投影用ランプ６の近傍に位置して熱電変換素子９が配置されている。この熱電変換素子９は、同一回路内の異なる金属の二つの接点の間に温度差があるとき、その接点間に電圧が発生するゼーベック効果に基づき、投影用ランプ６が点灯されることに伴い発する熱を電気エネルギーに変換し、その電気エネルギーすなわち熱起電力を電源回路３へ供給する、本発明の直流電圧源（第２の電力源）である。また、熱電変換素子９の投影用ランプ６と対向する面と逆側面には、両面間により大きな温度差を確保することにより熱電変換効率を向上させるための放熱（冷却）用のフィン１０が取り付けられている。

図２は、前記熱電変換素子９を含む前記電源回路３の概略構成を示すブロック図である。同図において破線で示した部分は図４に示した従来の電源回路１０１に相当する部分であって、電源コード２を介して供給される交流（ＡＣ）電圧、すなわち既説した商用交流入力１０２（第１の電力源）は、入力整流ブリッジ１０３により脈流に変換され、入力コンデンサ１０４でリップルを含む直流に変換された後、スイッチング電源回路１１４によって所定の電圧に降圧される構成である（以上、図４参照）。なお、スイッチング電源回路１１４が本発明の電圧変換部である。

さらに、電源回路３は、本発明の安定化用制御部を構成する電圧安定化回路１１、電圧変換回路１２、電圧加算回路１３、誤差検出・制御回路１４、基準電圧回路１５の各部を有している。

電圧安定化回路１１は、前述した熱電変換素子９から出力された電力の電圧を安定化するための回路である。電圧変換回路１２は、電圧安定化回路１１からの出力電圧を整流平滑化後の電圧、すなわちスイッチング電源回路１１４の一次側の入力電圧に変換（昇圧）する回路である。電圧加算回路１３は本発明の電力付加部であり、誤差検出・制御回路１４によって制御されるとともに、電圧変換回路１２から供給された電力を入力コンデンサ１０４とスイッチング電源回路１１４との間（スイッチング電源回路１１４の一次側）に補充電力として印加する。なお、電圧加算回路１３は、例えばスイッチング用のＦＥＴ（電界効果トランジスタ）によって構成される。

基準電圧回路１５は、スイッチング電源回路１１４の二次側の出力電圧を安定させるための基準電圧を生成して誤差検出・制御回路１４に供給する回路である。なお、基準電圧回路１５は、スイッチング電源回路１１４内の前述した可変型シャントレギュレータ１１２を代用させることもできる。誤差検出・制御回路１４は本発明の出力変動検出部であり、スイッチング電源回路１１４の二次側の出力電圧と基準電圧回路１５から出力された基準電圧とを比較し、その差すなわちリップルノイズによる変動量（基準電圧に対する誤差）を検出するとともに、その検出量（誤差分）に応じた補充電力を前記電圧加算回路１３から出力させる。つまり負帰還制御により補充電力を増減する。

以上の電源回路３においては、スイッチング電源回路１１４の一次側の直流電圧にリップル電圧が発生しており、二次側の負荷によってその波高値が変動したとしても、図３（ａ）に示したように、一次側の直流電圧には常に二次側の変動分に応じた補充電力成分Ｅａが付加されることにより、同図（ｂ）に示したように二次側の出力電圧が安定することとなる。なお、図３も図５と同様、入力コンデンサ１０４の電圧が１４０Ｖ、出力電圧が５Ｖの場合の例である。

したがって、入力コンデンサ１０４に大容量のコンデンサを用いることなく、より安定した出力電圧を得ることができる。しかも上記補充電力は商用交流入力１０２とは別に熱電変換素子９から供給されるものであることから、スイッチング電源回路１１４の二次側における電力源から供給される電力の使用効率を低下させることなく出力電圧を安定化させることができる。また、上記補充電力は、プロジェクタ１の可動に伴い内部に生じる熱を熱電変換素子９によって変換したものであるため、商用交流入力１０２の電力をより有効に利用することができる。また、熱電変換素子９は直流電源であるため、その起電力を上記補充電力として容易に使用することができる。

なお、本実施の形態では、熱電変換素子９によって得た電力をスイッチング電源回路１１４の一次側へ付加することによって二次側の出力電圧を安定させる例を示したが、熱電変換素子９によって得た電力をスイッチング電源回路１１４の二次側、例えば前述した二次側のコンデンサ１１１（図４参照）等に付加することにより二次側の出力電圧を安定させてもよい。また、補充電力を二次側の出力電圧の誤差に応じ負帰還制御によって一次側へ付加するようにしたが、一次側の入力電圧の変動量を検出し、その変動量に応じて補充電力を制御することもできる。

また、補充電力を得るための熱電変換素子９を配置する場所は投影用ランプ６の近傍であれば任意の場所でよく、また熱電変換素子９は必要に応じて複数設けるようにしてもよい。その場合、プロジェクタ１の動作時に熱が発生する箇所であれば、例えばスイッチング電源回路１１４におけるトランス１０７（図４参照）の近傍に設けてもよい。

また、本実施の形態では、熱電変換素子９のみを本発明の第２の電力源（直流電圧源）として用いる例を示したが、これに止まらず、熱電変換素子９の起電力を補うものとして、例えばプロジェクタ１の筐体の外部の光を電気エネルギーに変換する太陽電池等の光電変換素子を用いても構わない。

さらに、本実施の形態においては、本発明の電源回路をプロジェクタに用いた場合について説明したが、本発明の電源回路はプロジェクタ以外の他の電子装置に用いても有効である。その場合であっても、第２の電力源としては前述した熱電変換素子９や光電変換素子などが使用できる。さらには、熱電変換素子や光電変換素子のような直流電圧源でなくとも構わない。

本発明に係るプロジェクタの構成例を示すブロック図である。同プロジェクタの電源回路の概略構成を示すブロック図である。同電源回路における補充電力成分が付加された一次側の入力電圧（ａ）と、二次側の出力電圧（ｂ）を示した図である。従来の電源回路を示す図である。同電源回路におけるリップルノイズを含む一次側の入力電圧（ａ）と、二次側の出力電圧（ｂ）を示した図である。

符号の説明

１プロジェクタ
２電源コード
３電源回路
４本体回路
５液晶パネル
６投影用ランプ
７コンデンサレンズ
８投影レンズ
９熱電変換素子
１０フィン
１１電圧安定化回路
１２電圧変換回路
１３電圧加算回路
１４誤差検出・制御回路
１５基準電圧回路
１０１電源回路
１０２商用交流入力
１０３入力整流ブリッジ
１０４入力コンデンサ
１１２可変型シャントレギュレータ
１１４スイッチング電源回路
Ｅａ補充電力成分

Claims

電子装置に設けられ、第１の電力源から供給される電力による交流成分を含む一次側の電圧を所定の電圧に変換し二次側へ出力する電圧変換部を備えた電源回路において、
当該電子装置の内部に稼働に伴い生じる前記第１の電力源とは異なる熱エネルギー又は光エネルギーより電気エネルギーに変換された独立した第２の電力源である熱電変換素子又は光電変換素子から供給される電力を用いて前記電圧変換部の二次側の出力電圧を安定させる安定化用制御部を備えたことを特徴とする電源回路。
前記安定化用制御部は、
前記電圧変換部の二次側の出力電圧を安定させるための基準となる基準電圧を生成する基準電圧生成部と、
当該基準電圧生成部によって生成された前記基準電圧と前記電圧変換部の二次側の出力電圧とを比較する出力変動検出部と、
前記第２の電力源から供給される電力を前記電圧変換部にスイッチング手段によって時分割に付加する電力付加部と、
前記電圧変換部の二次側の出力電圧を安定させるように前記電力付加部を制御する加算制御部と、
を含むことを特徴とする請求項１記載の電源回路。
前記安定化用制御部は、
前記第２の電力源から出力された電力を安定化するための電圧安定化部と、
当該電圧安定化部によって安定化された出力電圧を変換する第２電圧変換部と、
を含むことを特徴とする請求項１又は２記載の電源回路。
前記加算制御部は、前記第２の電力源から供給される電力を前記電圧変換部の一次側に付加するように前記電力付加部を制御することを特徴とする請求項２又は３記載の電源回路。
前記加算制御部は、前記第２の電力源から供給される電力を前記電圧変換部の二次側に付加するように前記電力付加部を制御することを特徴とする請求項２又は３記載の電源回路。
前記第２の電力源は、電子装置の内部に稼働に伴い生じる熱エネルギー又は光エネルギーを電気エネルギーに変換する直流電圧源であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の電源回路。
前記直流電圧源は、電子装置の内部に稼働に伴い生じる熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電変換素子であることを特徴とする請求項６記載の電源回路。
前記直流電圧源は、電子装置の内部に稼働に伴い生じる光エネルギーを電気エネルギーに変換する光電変換素子であることを特徴とする請求項６記載の電源回路。
投影用ランプを有するプロジェクタ装置に設けられ、第１の電力源から供給される電力による交流成分を含む一次側の電圧を所定の電圧に変換し二次側へ出力する電圧変換部を備えた電源回路において、
当該電子装置の内部に稼働に伴い生じる前記第１の電力源とは異なる熱エネルギー又は光エネルギーより電気エネルギーに変換された独立した第２の電力源から供給される電力を用いて前記電圧変換部の二次側の出力電圧を安定させる安定化用制御部を備えたことを特徴とする電源回路。
前記投影用ランプは前記電圧変換部の二次側から供給される電力により点灯され、
前記第２の電力源は、前記投影用ランプの点灯に伴い生ずる熱を電気エネルギーに変換する熱電変換素子であることを特徴とする請求項９記載の電源回路。