JP4965939B2

JP4965939B2 - 電源装置

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Publication number: JP4965939B2
Application number: JP2006242594A
Authority: JP
Inventors: 洋布施
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2006-09-07
Filing date: 2006-09-07
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2026-09-07
Also published as: JP2008067494A

Description

本発明は、画像形成装置に好適な電源装置に関し、特に負荷電流が低いスリープ状態での消費電力の低減に関するものである。

従来の電源装置の省エネ手法としての消費電力低減手法としては、特許文献１、特許文献２に記載されているように、ＡＣＤＣコンバータを間欠発振させ発振周波数を低減しスイッチング損失を減少させる手法が知られている。さらに、ＡＣＤＣコンバータの出力電圧を、ＤＣＤＣコンバータにより降圧する電源構成においては、駆動用電圧を必要としないスリープ時にＡＣＤＣ電圧を減少させることにより、ＤＣＤＣコンバータの効率を上昇させる手法が一般的に知られている。

以下に、前述した従来例の説明を行う。
図３は、従来の画像形成装置における電源装置の回路構成を示す図であり、部分共振型フライバック電源とＤＣＤＣコンバータを例とした動作を説明するものである。
１は商業ＡＣ電源である。６はＡＣ電源１の電圧を整流するダイオードブリッジであり、７はダイオードブリッジ６により整流された電圧を平滑する１次平滑コンデンサである。８は１次電圧を２次電圧に変換する電源トランス９の１次巻き線１０をスイッチングするＦＥＴであり、前記電源の制御を行う電源制御部１１によりスイッチングのオン／オフタイミングを制御される。ここで、ＦＥＴ８と電源制御部１１を１つにしたパッケージを電源ＩＣ２５と呼ぶことにする。

ＦＥＴ８に流れる電流は、１次巻き線１０からＦＥＴ８のドレイン端子３、電源制御部１１のＧＮＤ端子兼ソース端子４を経由し、過電流を検出するための電流検出抵抗２３を経由し１次平滑コンデンサ７のマイナス端子へ流れる。電源ＩＣ２５のＧＮＤ端子兼ソース端子４は、電源制御部１１のＧＮＤ基準であり、電源制御部１１の各端子は電源ＩＣ２５のＧＮＤ端子兼ソース端子４を基準に動作を行う。

続いて、電流検出抵抗２３に流れた電流により、電流検出抵抗２３両端に電圧が発生し、前記電圧は、電源制御部１１の過電流を検出するボトム検出／ＯＣＰ端子２０へノイズ除去用抵抗２４を経由し伝送される。また、４１は、ノイズ除去用抵抗２４と１次ローパスフィルタを構成するためのノイズ除去用コンデンサである。なお、ボトム検出／ＯＣＰ端子２０は、ＦＥＴ８のターンオフタイミングでＦＥＴ８のドレインとソース間に発生する共振電圧波形の最小電圧が発生するタイミングを検出する機能と兼用している。

電源制御部１１は、電源立上げ直後は、電源制御部１１の初期電力を供給する起動抵抗１２により起動し、ＦＥＴ８が駆動され、２次側出力に電圧が発生する。同時に電源制御部１１の電源端子４２に電力を供給する補助巻き線１３により、電力が連続的に電源制御部１１へ供給される。補助巻き線１３から出力される電圧は、制御部整流ダイオード１５と制御部平滑コンデンサ１６により整流平滑された後、制御部用レギュレータ６３により降圧され制御部用の電源端子４２へ入力される。

電源端子４２は、設定された電圧以上に達すると電源ＩＣ２５の発振が停止するシャットダウン状態になる。シャットダウン機能を２次側の異常電圧保護用として利用するために、入出力間にショート用の過電圧動作用トランジスタ６４を設け、２次側電圧が何らかの異常状態で電圧が上昇した場合にオンさせシャットダウンを動作させるものである。また、９８は過電圧動作用トランジスタ６４のベース抵抗である。

続いて過電圧動作用トランジスタ６４の動作について説明する。６５は、２次側の電圧が設定された電圧６６以上になった場合、異常電圧保護用フォトカプラ６７に電流を供給するための異常電圧保護用オペアンプである。また、６８は、異常電圧保護用フォトカプラ６７への電流を設定する異常電圧保護用フォトカプラ電流設定抵抗である。２次側電圧が上昇し設定電圧以上になると、異常電圧保護用オペアンプ６５により、異常電圧保護用フォトカプラ６７に電流が流れ、過電圧動作用トランジスタ６４はオンし、電源端子４２の電圧が上昇し電源ＩＣ２５がシャットダウンする。

続いて、フライバック動作の擬似共振動作に関して説明を行う。ＦＥＴ８がオフ（ＯＦＦ）するタイミングから、ＦＥＴ８のドレインとソース間電圧が、１次巻き線１０のインダクタンスと、共振コンデンサ１９の容量で共振動作する。共振波形から正電圧信号のみを波形成形するためにボトム検出信号用整流ダイオード１７にて整流する。そして、電源制御部１１へ過大電圧が印加されないように電圧を軽減するボトム検出信号保護用抵抗２１、ＯＣＰ信号保護用ダイオード２２を経由して、電源制御部１１の共振電圧波形の最小値を検出するボトム検出／ＯＣＰ端子２０へ出力される。電源制御部１１は、ボトム検出／ＯＣＰ端子２０へ入力された信号の正電圧から０Ｖになるタイミングを検出し、タイミングから所定の時間経過した後、ＦＥＴ８をターンオンする。また、２６は、共振電圧波形の微小な遅延時間を設定するためのボトム点調整用コンデンサであり、ＦＥＴ８のドレイン−ソース間に発生する電圧が最も小さくなるタイミングでＦＥＴ８がターンオンするように調整するものである。

２次巻き線１８より出力された２次電流は、２次電流を整流するための２次整流ダイオード２７にて整流され２次平滑コンデンサ２８にて平滑される。

続いて、電源制御部１１の動作について説明する。２９は、２次側の出力電圧の誤差量を負帰還するための電圧制御オペアンプである。２次側電圧は、２次側電圧分圧用抵抗３０により分圧され２次側電圧の基準電圧を生成する基準電圧ツェナーダイオード３１の電圧と比較される。なお、基準電圧ツェナーダイオード３１は、バイアス用抵抗３２によりバイアス電流が供給され、一定電圧を発生する。３３、３４は、位相補償用の抵抗とコンデンサであり、３５は電圧制御オペアンプの利得を調整するための利得調整用抵抗である。３６は、２次側の電圧誤差量を１次側へ伝達するためのフォトカプラである。電圧制御オペアンプ２９の出力電圧に反比例した電流がフォトカプラ３６の発光ダイオードに流れ、発光ダイオードの光をフォトトランジスタが受け、１次側へ誤差量を伝達する。フォトトランジスタから出力される電流は、電源制御部１１への電流量を制限するためのフォトカプラ電流制限抵抗３７を経由し、誤差量は電源制御部１１のＦＢ端子３８へ送信される。また、３９、４０は、１次側の位相補償用抵抗とコンデンサである。

以上説明した回路が、ＡＣＤＣコンバータ部であり、主に画像形成装置の駆動部の電源として使用している。

続いて、ＡＣＤＣコンバータの出力電圧を基に制御用電圧を生成するＤＣＤＣコンバータの説明を行う。６９は、ＤＣＤＣコンバータの制御を行なっているＤＣＤＣコンバータ制御用ＩＣである。ＤＣＤＣコンバータの出力電圧は、ＤＣＤＣコンバータ出力検出用抵抗７０により分圧され、ＤＣＤＣコンバータ制御用ＩＣ６９に負帰還される。ＤＣＤＣコンバータ制御用ＩＣ６９は、負帰還された電圧と内部の設定された電圧を比較し、ＤＣＤＣコンバータのメインスイッチであるＤＣＤＣコンバータ用トランジスタ７１のオン幅を決定する。ＤＣＤＣコンバータ用トランジスタ７１がオンすると、１時的にエネルギーを蓄えるチョークコイル７２に電流が流入し、ＤＣＤＣコンバータ用トランジスタ７１がオフするとチョークコイル７２の逆起電力によって回生用ダイオード７３に回生電流が流れる。９９は、チョークコイル７２から流出した電流を平滑するための平滑コンデンサである。ここで、ＡＣＤＣコンバータの出力電圧を駆動用電圧７４、ＤＣＤＣコンバータの出力電圧を制御用電圧７５と呼ぶことにする。

続いて、スリープ時の動作について説明を行う。画像形成装置では、駆動用電圧７４は、プリント動作時のモータ等の大電力駆動で必要であり、非プリント時は、ＡＣＤＣコンバータで生成した電圧を必要としない。本明細書では、非プリント時の状態をスリープ状態と呼ぶことにする。そこで、スリープ状態になった場合、画像形成装置の制御を行なっているＡＳＩＣ７６から電圧制御オペアンプ２９の制御電圧を下げるために、基準電圧ツェナーダイオード３１の電圧を減少させる。ここでＤＣＤＣコンバータの電源効率は、入出力の電圧差が減少するため向上し、装置全体の消費電力が減少する。さらに、ＡＳＩＣ７６からフォトカプラ３６に流れる電流を間欠的にオフさせることで、ＡＣＤＣコンバータを一定時間毎に強制オン／オフさせ、ＤＣＤＣコンバータ用トランジスタ７１に発生するスイッチング損失を減少させる。以上説明した手法によりスリープ時の消費電力を軽減している。
特開平１１−２１５８１９号公報特開２０００−２２８８７３号公報

しかしながら、前述した従来例では以下に示す問題がある。
従来例ではスリープ状態でＡＣＤＣコンバータの電圧を下げＤＣＤＣコンバータの効率を上昇し消費電力を低減させることができるが、ＤＣＤＣコンバータは停止していないため、ＤＣＤＣコンバータ制御用の電力は発生する。

特に画像形成装置においては、電源が投入されている時間では、プリント中の時間より待機中の時間の占める割合が非常に多いため、待機中にスリープモードを設け消費電力を低減することが命題となっている。待機中の消費電力を大きく低減させる手法としては、駆動用電圧と制御用電圧を別々のＡＣＤＣコンバータから生成し、待機中は駆動用のＡＣＤＣコンバータを停止させ消費電力を低減する手法が知られている。しかし、２つＡＣＤＣコンバータを必要とするため、高価な構成となってしまう。

本発明は、このような状況のもとでなされたもので、１つのＡＣＤＣコンバータとその後段にＤＣＤＣコンバータの設けた電源構成において、待機中の消費電力をさらに低減することのできる電源装置を提供することを課題とするものである。

前記課題を解決するため、本発明では、電源装置を次の（１）のとおりに構成する。

（１）交流電圧を入力し直流電圧に変換する電圧変換手段と、前記電圧変換手段を駆動する第一駆動手段とを有し、前記電圧変換手段により変換した前記直流電圧を第一負荷に出力するＡＣＤＣコンバータと、前記第一駆動手段の動作を制御することにより前記ＡＣＤＣコンバータが出力する前記直流電圧を制御する第一の制御手段と、前記ＡＣＤＣコンバータから出力される前記直流電圧を入力し、前記直流電圧を変換して第二負荷に出力するために駆動する第二駆動手段を有するＤＣＤＣコンバータと、前記第二駆動手段の動作を制御することにより前記ＤＣＤＣコンバータが出力する電圧を制御する第二の制御手段と、前記第二負荷に前記ＡＣＤＣコンバータから出力される電圧を供給するための電圧供給手段と、を備え、前記ＡＣＤＣコンバータから前記第一負荷に電圧を出力する通常状態において、前記第一の制御手段は、前記第一駆動手段を駆動することにより前記第一負荷に直流電圧を出力し、且つ、前記第二の制御手段は、前記第二駆動手段を駆動することにより前記第二負荷に直流電圧を出力し、前記通常状態から、前記ＡＣＤＣコンバータから前記第一負荷への電圧の出力を停止するスリープ状態に切り換える場合において、前記第一の制御手段は、前記第一駆動手段の駆動する周波数を前記通常状態における周波数より低い周波数に切り換え、且つ、前記第二の制御手段が、前記第二駆動手段をオンした後に、前記電圧供給手段がオンされ、その後、前記第二の制御手段の動作を停止することを特徴とする電源装置。

本発明によれば、１つのＡＣＤＣコンバータとその後段にＤＣＤＣコンバータを設けた電源構成において、待機中の消費電力をさらに低減することができる。

以下本発明を実施するための最良の形態を、画像形成装置における電源装置の実施例により詳しく説明する。

図１は、実施例１である“画像形成装置における電源装置”の回路構成を示す図である。
この電源装置の回路構成は、図３に示す従来例の回路構成に対して後述する回路が追加されている。ここでは、追加された回路を主として説明を行う。追加された回路以外の回路の構成、動作については図３の従来例の説明を援用する。

図１において、７７は、不図示のホストコンピュータから画像データを受信しラスタデータに変換を行うコントローラである。ＡＳＩＣ７６は、コントローラ７７からプリント信号を受信すると一連のプリント動作を開始する。また、ホストコンピュータから設定された時間が経過した後や、設定された時刻によりスリープ状態になると、ＡＳＩＣ７６にスリープ信号を送信する。また、コントローラ７７は、スリープ状態にある時に、プリント信号を受信すると、ＡＳＩＣ７６へスリープ解除を送信し、ＡＳＩＣ７６が画像形成装置のスリープを解除する。

そして、スリープ解除完了信号をコントローラ７７が受信すると、プリント信号をＡＳＩＣ７６へ送信し一連のプリント動作を開始する。７８は、駆動用電圧と制御用電圧の接続を行うスリープ用トランジスタであり、ＡＳＩＣ７６からの信号によりオン／オフを行う。７９は、スリープ用トランジスタ７８のゲート電圧を生成するゲートバイアス抵抗であり、８０は、ゲートバイアス抵抗７９に電流を供給するバイアス用トランジスタである。また、１００はバイアス用トランジスタ８０のベース抵抗である。８１は、制御用電圧に対し、ＤＣＤＣコンバータが動作する最低電圧を保証するための電圧確保用ダイオードアレイである。８２は駆動用電圧７４を検出する電圧監視分圧抵抗であり、分圧値をＡＳＩＣ７６のＡ／Ｄ端子へ出力する。

９６は、ＡＣＤＣコンバータを間欠発振（間欠動作）させるためのＡＣＤＣコンバータ間欠発振用トランジスタであり、ＡＳＩＣ７６によりオンするとフォトカプラ３６に電流を流し、ＦＥＴ８を強制的にオフさせる。間欠動作は、ＡＣＤＣコンバータは断続的に強制オン／オフを繰り返すことにより発振周波数を減少できるため、ＦＥＴ８で発生する電力消費を減少させることができる。また、９７は、ＡＣＤＣコンバータ間欠発振用トランジスタ９６のベース抵抗である。

図２は、本実施例のスリープ時の回路動作を示すフローチャートである。
ＡＳＩＣ７６がスリープ信号をコントローラ７７から受信すると（ステップ８３（図ではＳ８３と表記する、以下同様）参照）、ＡＳＩＣ７６は基準電圧ツェナーダイオード３１の基準電圧を減少させる（Ｓ８４）。やがて駆動用電圧が減少しＡＳＩＣ７６が駆動用電圧が設定値以下になったことを検出すると（Ｓ８５）、ＤＣＤＣコンバータ用トランジスタ７１をオンさせた後、スリープ用トランジスタ７８をオンさせる（Ｓ８６）。このＤＣＤＣコンバータ用トランジスタ７１をオンさせる動作は、スリープ用トランジスタ７８のオンにより、駆動用電圧７４ラインと制御用電圧７５ラインの接続の際に、過大な電圧が制御用電圧７５ラインに印加させることを防止するものである。また、設定される電圧値は、制御用電圧７５ラインに接続されている素子が破壊しないレベルに設定する必要がある。

続いて、駆動用電圧７４ラインと制御用電圧７５ラインが接続されたことにより、制御用電圧７５ラインに接続されている部品にＡＣＤＣコンバータから電力が供給できるようになったため、ＤＣＤＣコンバータから電力を供給する必要が無くなる。そこで、ＡＳＩＣ７６は、信号線１１０を介してＤＣＤＣコンバータの駆動を停止させる信号をＤＣＤＣコンバータ制御用ＩＣ６９に出力し、ＤＣＤＣコンバータの機能を停止させる（Ｓ８７）。続いて、ＡＳＩＣ７６は、ＡＣＤＣコンバータを間欠発振させＡＣＤＣコンバータの消費電力を低減させる（Ｓ８８）。以上の状態をスリープ状態とし、本実施例における消費電力は最小になる。

その後、ホストコンピュータからプリント信号がコントローラ７７に送信されると、コントローラ７７は、ＡＳＩＣ７６にスリープ解除信号を送信する（Ｓ８９）。ＡＳＩＣ７６がスリープ解除信号を受信するとＡＳＩＣ７６は、ＡＣＤＣコンバータの間欠発振を停止させ（Ｓ９０）、ＤＣＤＣコンバータを再び駆動させる（Ｓ９１）。続いて、スリープ用トランジスタ７８をオフさせ（Ｓ９２）、駆動用電圧７４ラインと制御用電圧７５ラインを切り離し、ＡＳＩＣ７６は基準電圧ツェナーダイオード３１の基準電圧を上昇させ駆動用電源電圧を上昇させる（Ｓ９３）。ＡＳＩＣ７６により駆動用電圧７４ラインがスリープ状態に移る前の電圧まで到達したことを検出すると（Ｓ９４）、ＡＳＩＣ７６はコントローラ７７にスリープ解除信号を送信し、プリント動作受付の準備が完了する（Ｓ９５）。

以上説明したように、本実施例によれば、スリープ状態では、ＡＣＤＣコンバータから直接制御用部に電圧を供給することができるため、ＤＣＤＣコンバータの駆動を停止でき、装置の消費電力を低減することができる。また、最小の消費電力に最適化したパルス幅でＡＣＤＣコンバータを間欠駆動できるため、ＡＣＤＣコンバータの消費電力を小さく抑えることができる。

また、駆動用電圧ラインの電圧が設定値になったことを検出し、駆動用電圧ラインと制御用電圧ラインの接続と切り離しを行っている。よって、制御用電圧ラインに接続されている素子に過大な電圧が印加される、電圧が低く駆動用電圧ラインに接続されている素子にリセットがかかる等の問題も発生しない。

実施例１の回路図実施例１の動作を示すフローチャート従来例の回路図

符号の説明

１商業ＡＣ電源
９電源トランス
１０１次巻き線
１１電源制御部
６９ＤＣＤＣコンバータ制御用ＩＣ
７１ＤＣＤＣコンバータ用トランジスタ
７６ＡＳＩＣ
７８スリープ用トランジスタ

Claims

交流電圧を入力し直流電圧に変換する電圧変換手段と、前記電圧変換手段を駆動する第一駆動手段とを有し、前記電圧変換手段により変換した前記直流電圧を第一負荷に出力するＡＣＤＣコンバータと、
前記第一駆動手段の動作を制御することにより前記ＡＣＤＣコンバータが出力する前記直流電圧を制御する第一の制御手段と、
前記ＡＣＤＣコンバータから出力される前記直流電圧を入力し、前記直流電圧を変換して第二負荷に出力するために駆動する第二駆動手段を有するＤＣＤＣコンバータと、
前記第二駆動手段の動作を制御することにより前記ＤＣＤＣコンバータが出力する電圧を制御する第二の制御手段と、
前記第二負荷に前記ＡＣＤＣコンバータから出力される電圧を供給するための電圧供給手段と、を備え、
前記ＡＣＤＣコンバータから前記第一負荷に電圧を出力する通常状態において、前記第一の制御手段は、前記第一駆動手段を駆動することにより前記第一負荷に直流電圧を出力し、且つ、前記第二の制御手段は、前記第二駆動手段を駆動することにより前記第二負荷に直流電圧を出力し、
前記通常状態から、前記ＡＣＤＣコンバータから前記第一負荷への電圧の出力を停止するスリープ状態に切り換える場合において、
前記第一の制御手段は、前記第一駆動手段の駆動する周波数を前記通常状態における周波数より低い周波数に切り換え、且つ、前記第二の制御手段が、前記第二駆動手段をオンした後に、前記電圧供給手段がオンされ、その後、前記第二の制御手段の動作を停止することを特徴とする電源装置。
前記電圧供給手段は、前記スリープ状態において、前記ＡＣＤＣコンバータの出力する直流電圧を前記第二負荷に供給するスイッチを備えたことを特徴とする請求項１に記載の電源装置。