(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一ＰＷＭ信号によって駆動されるハイサイドスイッチ素子、第二ＰＷＭ信号によって駆動されるローサイドスイッチ素子により構成されるドライバ、及び該ドライバの出力端子の電圧をモニタすることで前記第一ＰＷＭ信号と前記第二ＰＷＭ信号を出力する駆動信号生成部を内蔵するスイッチング電源集積回路と、
前記出力端子に接続されるコイルと容量で構成されたフィルタと、
を備えるスイッチング電源装置において、
前記駆動信号生成部は、ＰＷＭ信号を入力し、前記出力端子の電圧とハイサイドスイッチ基準電圧との比較結果と前記ＰＷＭ信号の論理和をとることにより前記ハイサイドスイッチ素子が導通する前記第一ＰＷＭ信号を生成し、前記出力端子の電圧とローサイドスイッチ基準電圧との比較結果と前記ＰＷＭ信号の論理積をとることにより前記ローサイドスイッチ素子が導通する前記第二ＰＷＭ信号を生成することで、前記スイッチング電源集積回路の発熱を抑制することを特徴としたスイッチング電源装置。
【請求項２】
前記スイッチング電源集積回路は、三角波を生成する三角波生成部と、
設定電圧と前記フィルタの出力電圧もしくは前記出力電圧の比例電圧とを比較し、その差分を積分することで制御電圧を生成する差分積分器と、
前記制御電圧と前記三角波を比較し前記ＰＷＭ信号を生成する比較器と、
を備え、
前記設定電圧に応じて前記出力電圧が制御されることを特徴とする請求項１に記載のスイッチング電源装置。
【請求項３】
ＡＣ電源を生成するＡＣ電源装置において、
請求項２に記載のスイッチング電源装置と、トランスと、を備え、
前記設定電圧として正弦波形状の電圧を入力し、前記出力電圧を前記トランスに印加し、前記トランスの出力もしくは前記トランスの出力の比例電圧を前記設定電圧と比較することで、ＡＣ電源を生成することを特徴とするＡＣ電源装置。
【請求項４】
電子写真方式に係る画像形成装置において、像担持体に一様な電荷を帯電する帯電用電源として請求項３に記載のＡＣ電源装置を使用したことを特徴とする画像形成装置。
【請求項５】
複数の像担持体を備える画像形成装置において、帯電用電源として請求項３に記載のＡＣ電源装置を複数備え、前記スイッチング電源集積回路は複数の出力端子を備える１つの集積回路としたことを特徴とする画像形成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スイッチング電源装置に関し、さらに詳しくは、スイッチング電源を集積化した場合の集積回路の回路構成に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
地球温暖化現象の進展に伴い、省エネ化はあらゆる場面での課題となっている。特に電源分野については省エネ電源が常識となっている。即ち、高効率な変換方法の重要性は非常に高く、スイッチング電源では高効率な変換方法が多く用いられている。つまり、スイッチング電源はドロッパ電源やシャント電源と比較し、構成上高効率な変換方法であるが、さらなる高効率化のために、ドライバＦＥＴのハイサイドとローサイドの同時スイッチングによる貫通電流防止（デッドタイム）を行なうことによって、効率化を高めていることはよく知られた方法である。
【０００３】
図１４は、従来のスイッチング電源において、ドライバＦＥＴを集積回路内に内蔵した場合のドライバ部及びフィルタに関する構成図である。図１４において、ドライバＦＥＴであるＰＣＨＦＥＴ１１２およびＮＣＨＦＥＴ１１１がそれぞれハイサイドドライバ、ローサイドドライバであり、パルス幅変調信号ＰＷＭ＿Ｈ、ＰＷＭ＿Ｌによって駆動される。ＰＷＭＯが集積回路１１８の出力端であり、フィルタのコイル１１５に接続される。
フィルタのコイル１１５および容量１１６は電源ボード上に配置され、フィルタの出力ＯＵＴが負荷１１７へ供給される。当然ながらフィルタのカットオフ周波数はＰＷＭ信号の周波数よりも低いところに設定される。一般的なＰＷＭ信号に対する出力ＯＵＴの電圧特性を図１５に示す。ＰＷＭ信号のｄｕｔｙ比（ハイ期間／（ハイ期間＋ロー期間））に比例して出力電圧が高くなる。通常は出力電圧の一部をフィードバックし、設定値と比較することにより出力電圧の制御を行う。
【０００４】
図１４のスイッチング電源の動作について図１６にて説明する。通常図１４のデッドタイム生成部１１４ではドライバＦＥＴに貫通電流が流れないようにあるデッドタイム１２０が設定される。図１６のａ、ｃ、ｅなどの期間がデッドタイムとなる。まず、ＰＷＭ＿ＨがＬからＨになることでＰＣＨＦＥＴ１１２がオフすることで、ＰＷＭＯはコイル１１５の逆起電力により立ち下がる。ａの期間はＮＣＨＦＥＴ１１１はオフしているのでＳＤ（ソース−ドレイン間）抵抗が高く、ＳＤ間に大きな電圧が発生する。
ＰＷＭ＿ＬがＬからＨになるとＮＣＨＦＥＴ１１１のＳＤ抵抗は小さくなり、ＳＤ間の電圧は小さくなる。同様のことがＰＣＨＦＥＴ１１２でも起こる。このときＰＣＨＦＥＴ１１２およびＮＣＨＦＥＴ１１１で消費される電力としては図１６の最下段のようになる。つまりデッドタイム期間中に消費される電力の割合が大きい。
【０００５】
特許文献１には、インバータの一対のスイッチング素子のデッドタイムを、貫通を生じさせることのない適切な時間に設定することが目的で、インバータの有する一対のスイッチング素子が共にオフ指令されるデッドタイムＴＤを所定時間ＴＳごとにΔＴＤずつ減少させ、デッドタイムＴＤが減少される過程において、スイッチオン時に第２スイッチング素子に流れる電流とモータの印加電圧Ｖ＊とに基づいて第２スイッチング素子のオン抵抗を求め、そのオン抵抗の変化が急に大きくなる場合には、デッドタイムＴＤの減少を中止し、デッドタイムＴＤとして第２スイッチング素子のオン抵抗の変化が急に大きくなった直前のデッドタイムＴＤに設定・固定する方法が、開示されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１に開示されている従来技術は、本発明とは確かに消費電力の観点からデッドタイムを最適化する点では類似している点があるが、今までのデッドタイムはある一定の遅延時間を生成し、同時スイッチングを防止するが、固定値なため動的に出力電圧遷移時間が変化する場合には追従して変化することができないという問題があった。
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、出力電圧遷移時間が動的に変化する場合でも、同時スイッチングによる貫通電流を防止し、且つスイッチオフ時間を余分に長くすることによる消費電力増大を防ぐスイッチング電源装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明はかかる課題を解決するために、請求項１は、第一ＰＷＭ信号によって駆動されるハイサイドスイッチ素子、第二ＰＷＭ信号によって駆動されるローサイドスイッチ素子により構成されるドライバ、及び該ドライバの出力端子の電圧をモニタすることで前記第一ＰＷＭ信号と前記第二ＰＷＭ信号を出力する駆動信号生成部を内蔵するスイッチング電源集積回路と、前記出力端子に接続されるコイルと容量で構成されたフィルタと、を備えるスイッチング電源装置において、前記駆動信号生成部は、ＰＷＭ信号を入力し、前記出力端子の電圧とハイサイドスイッチ基準電圧との比較結果と前記ＰＷＭの論理和をとることにより前記ハイサイドスイッチ素子が導通する前記第一ＰＷＭ信号を生成し、前記出力端子の電圧とローサイドスイッチ基準電圧との比較結果と前記ＰＷＭの論理積をとることにより前記ローサイドスイッチ素子が導通する前記第二ＰＷＭ信号を生成することで、前記スイッチング電源集積回路の発熱を抑制することを特徴とした。
請求項２は、前記スイッチング電源集積回路は、三角波を生成する三角波生成部と、設定電圧と前記フィルタの出力電圧もしくは前記出力電圧の比例電圧とを比較し、その差分を積分することで制御電圧を生成する差分積分器と、前記制御電圧と前記三角波を比較し前記ＰＷＭ信号を生成する比較器と、を備え、前記設定電圧に応じて前記出力電圧が制御されることを特徴とする。
請求項３は、ＡＣ電源を生成するＡＣ電源装置において、請求項２に記載のスイッチング電源装置と、トランスと、を備え、前記設定電圧として正弦波形状の電圧を入力し、前記出力電圧を前記トランスに印加し、前記トランスの出力もしくは前記トランスの出力の比例電圧を前記設定電圧と比較することで、ＡＣ電源を生成することを特徴とする。
請求項４は、電子写真方式に係る画像形成装置において、像担持体に一様な電荷を帯電する帯電用電源として請求項３に記載のＡＣ電源装置を使用したことを特徴とする。
請求項５は、複数の像担持体を備える画像形成装置において、帯電用電源として請求項３に記載のＡＣ電源装置を複数備え、前記スイッチング電源集積回路は複数の出力端子を備える１つの集積回路としたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、出力電圧遷移時間が動的に変化する場合でも、同時スイッチングによる貫通電流を防止し、且つスイッチオフ時間を余分に長くすることによる消費電力増大を防ぎ、スイッチング素子の電力消費を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明のスイッチング電源の構成を示す図である。
【図２】駆動信号生成部の構成図を示す図である。
【図３】駆動信号生成部のタイミングチャートである。
【図４】図２の駆動信号生成部を使用した場合のスイッチング電源の電圧電流波形を示す図である。
【図５】図１の構成を使用したスイッチング電源の構成を示す図である。
【図６】図５における三角波生成部の構成を示す図である。
【図７】図５における差分積分器の構成図を示す図である。
【図８】図５のスイッチング電源を高圧ＡＣ電源として使用した場合の構成例を示す図である。
【図９】図８のようなＡＣ電源において出力電圧ＯＵＴと出力電流Ｉｏの関係を示す図である。
【図１０】本発明に係る帯電装置２００の構成の一例を示す図である。
【図１１】帯電ローラ２０１の構成を示す図である。
【図１２】本発明に係る高圧ＡＣ電源装置を画像形成装置に適用した例を示す図である。
【図１３】複数の感光体ドラムを備えるカラー画像形成装置の構成を示す図である。
【図１４】従来のスイッチング電源において、ドライバＦＥＴを集積回路内に内蔵した場合のドライバ部及びフィルタに関する構成図である。
【図１５】一般的なＰＷＭ信号に対する出力ＯＵＴの電圧特性を示す図である。
【図１６】従来のデッドタイム生成部のタイミングチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
図１は、本発明のスイッチング電源の構成を示す図である。このスイッチング電源５０は、ＰＷＭ＿Ｈによって駆動されるＰＣＨＦＥＴ１２及びＰＷＭ＿Ｌによって駆動されるＮＣＨＦＥＴ１１を内蔵する集積回路２０と、集積回路２０の出力端子に接続され、コイル１５及び容量１６により構成されたフィルタと、を備えて構成されている。ドライバＦＥＴであるＰＣＨＦＥＴ１２およびＮＣＨＦＥＴ１１がそれぞれハイサイドドライバ、ローサイドドライバであり、パルス幅変調信号ＰＷＭ＿Ｈ、ＰＷＭ＿Ｌによって駆動される。駆動信号生成部はＰＷＭが入力され、また出力電圧ＰＷＭＯをモニタすることでＰＷＭ＿ＨおよびＰＷＭ＿Ｌを生成する。ＰＷＭＯが集積回路１８の出力端であり、フィルタのコイル１５に接続される。フィルタのコイル１５および容量１６は電源ボード上に配置され、フィルタの出力ＯＵＴが負荷１７へ供給される。通常は出力電圧の一部をフィードバックし、設定値と比較することにより出力電圧の制御を行う。
【００１１】
図２は駆動信号生成部の構成図を示す図である。駆動信号生成部１９はＰＷＭおよびＰＷＭＯが入力され、ＰＷＭ＿ＨおよびＰＷＭ＿Ｌを出力する。ＰＷＭＯは比較器３１と比較器３２においてそれぞれ０．９＊ＶＤＤ、０．１＊ＶＤＤと比較される（ＶＤＤは電源電圧をあらわす）。尚、比較電圧としては０．１、０．９に限らなくてもよい。その比較結果とＰＷＭの論理和および論理積をとることにより、ＰＷＭ＿ＨとＰＷＭ＿Ｌを生成する。つまり、出力電圧ＰＷＭＯをモニタし、ＰＷＭＯがある基準電圧を越えたところでＰＷＭを通過させるゲートを設けたイメージである。これにより自動的に出力電圧の遷移時間に応じたデッドタイムが生成される。タイミングチャートを図３に示す。
図４は図２の駆動信号生成部を使用した場合のスイッチング電源の電圧電流波形を示す図である。ＰＷＭＯがそれぞれ０．１ＶＤＤと０．９ＶＤＤを越えた時点でＮＣＨＦＥＴ１１とＰＣＨＦＥＴ１２が導通することにより、ＳＤ抵抗が小さくなり、ＳＤ間に発生する電圧が小さくなる。同時にＮＣＨＦＥＴ１１とＰＣＨＦＥＴ１２にて消費される電力は図１２と比較し、小さくなっていることがわかる。
【００１２】
図５は図１の構成を使用したスイッチング電源の構成を示す図である。図５において、集積回路２０は三角波生成部２１、比較器２２、差分積分器２３、駆動信号生成部２４、スイッチング駆動部２５から構成される。また集積回路外部はコイル１５、容量１６、フィードバック用抵抗分圧２６、負荷１７で構成される。入力電圧２７とＦＢ電圧２８との差分が差分積分器２３により積分され、制御信号２９として出力される。
制御信号２９は三角波生成部２１で生成された三角波３０と比較器２２で比較され、ＰＷＭ３１に変換される。ＰＷＭ３１は駆動信号生成部２４に入力され、ハイサイド駆動信号ＰＷＭ＿Ｈおよびローサイド駆動信号ＰＷＭ＿Ｌが生成される。ＰＷＭ＿ＨおよびＰＷＭ＿Ｌはスイッチング駆動部２５に入力され、ＰＷＭＯとして出力され、コイル１５と容量１６で構成されるフィルタにより平滑化され出力ＯＵＴが生成される。
出力ＯＵＴの分圧をＦＢ電圧２８としてフィードバックすることにより、全体として制御系が構成され、入力電圧２７に応じた出力電圧が生成される。スイッチング駆動部２５は図１のＰＣＨＦＥＴ１２、ＮＣＨＦＥＴ１１のようなドライバＦＥＴにより構成される。図５ではＦＢ電圧２８として出力ＯＵＴの分圧としたが、出力ＯＵＴをそのままＦＢ電圧としてもよい。
【００１３】
図６は図５における三角波生成部の構成を示す図である。図６において、三角波生成部２１は電流源Ｉ１とシュミットトリガ回路３２、トランジスタ３３と容量Ｃにより構成される。シュミットトリガ回路３２は入力電圧の遷移方向により閾値電圧が変わる回路であり、閾値を例えばｒｅｆ±Ｖｔｈとする。例えば、ＴＲＩＯＵＴがｒｅｆ＋Ｖｔｈを越えた場合、シュミットトリガ回路３２の出力が反転し、トランジスタ３３がオンする。トランジスタ３３によりＣに蓄えられた電荷が放電し、ＴＲＩＯＵＴは引き下げられる。ここで今度はＴＲＩＯＵＴの電位がｒｅｆ−Ｖｔｈより低くなると、シュミットトリガ回路３２の出力が反転し、トランジスタ３３がオフする。トランジスタ３３がオフしている間は電流源Ｉ１により、容量Ｃへ充電される。このようにしてＴＲＩＯＵＴにはのこぎり型の三角波が生成される。
図７は図５における差分積分器の構成図を示す図である。図７においてオペアンプ３４には帰還がかけられており、ノードｎ１はバーチャルショートによりＦＢ電圧となる。入力電圧２７とＦＢ電圧２８との差電圧を抵抗Ｒで割った電流が、容量Ｃへ蓄えられることになり、積分出力が生成される。
【００１４】
図８は図５のスイッチング電源を高圧ＡＣ電源として使用した場合の構成例を示す図である。基本的に図５のスイッチング電源を基本としているが、出力ＯＵＴにトランス３５の１次側を接続し、２次側から高電圧を出力する。また入力電圧としては正弦波を入力している。高圧ＡＣ出力を分圧してＦＢ電圧２８としてフィードバックしている。トランス３５の１次側と２次側の巻き数比を１：ｎにすることにより、１次側に印加した入力電圧の振幅のｎ倍の振幅の高圧ＡＣ出力を生成することが出来る。
図９は図８のようなＡＣ電源において出力電圧ＯＵＴと出力電流Ｉｏの関係を示す図である。ＯＵＴよりもＩｏの位相が９０度進んでいることがわかる。ただし、図９の電流Ｉｏは図４のようなスイッチング電流を平均化したときの概形を表している。現実にはＰＷＭによりもっと速い周波数で変調されているが、ＰＷＭ周波数を落とした後の変化は図９のようとなる。つまりＡＣ電源においては出力電流はその時間ポイントによって異なり、即ちフィルタのコイルによる逆起電力の値（出力電圧遷移時間）も異なる。つまり、本発明は特にこのようなＡＣ電源において有効となる。
【００１５】
また、本発明に係る高圧ＡＣ電源装置を、帯電装置に適用することが好ましい。本発明に係る帯電装置２００の構成の一例を、図１０に示す。帯電装置２００は、高圧ＡＣ電源装置１及び帯電ローラ２０１を有している。尚、本実施形態では、いわゆる近接帯電法によって感光体ドラム２１０が帯電されるものとするが、これに限られるものではない。
帯電ローラ２０１は、例えば、図１１に示されるように、棒状の芯金２０２と、芯金２０２をくるむように設けられ中抵抗に抵抗が設定されている円柱状の弾性層２０３と、弾性層２０３の外周を被覆し、耐摩耗性を向上させ、かつ異物付着性を低減させる被覆層２０４とを有している。そして、感光体ドラム２１０における像が形成されない部分が帯電されないようにスペーサ２０５が設けられている。
尚、スペーサ２０５は、帯電ローラ２０１ではなく、感光体ドラム２１０に設けても良い。また、帯電ローラ２０１と感光体ドラム２１０との間に、例えばベルトのようなシート状の部材をスペーサとして配置しても良い。このように高圧ＡＣ電源装置１を、帯電装置２００に適用することにより、帯電装置２００の省電力化を実現することができる。
【００１６】
さらに、本発明に係る高圧ＡＣ電源装置を、図１２に示すような画像形成装置に適用することが好ましい。画像形成装置３００は、感光体ドラム３０１の周囲に、感光体を高圧に帯電するＡＣ帯電装置（帯電装置２００）、ＤＣ帯電装置３０２、画像データを露光する光走査装置３０３、光走査装置３０３により記録された静電潜像に帯電したトナーを付着して顕像化する現像装置３０４、感光体ドラム３０１に付着したトナーを紙に転写する転写装置３０５、感光体ドラム３０１に残ったトナーを掻き取り備蓄するクリーニング装置３０６等を備えるものである。
尚、各部の構成及び動作については公知であるので、説明を省略する。また、図１２に示す画像形成装置は、カラー画像形成装置を含むのは勿論である。このように高圧ＡＣ電源装置１を有する帯電装置２００を画像形成装置３００に適用することにより、画像形成装置３００の省電力化を実現することができる。
【００１７】
また、図１３に複数の感光体ドラムを備えるカラー画像形成装置の構成図を示す。このカラー画像形成装置２０００は、４色（ブラック、シアン、マゼンタ、イエロー）を重ね合わせてフルカラーの画像を形成するタンデム方式の多色カラー画像形成装置であり、ブラック用の「感光体ドラムＫ１、帯電装置Ｋ２、現像装置Ｋ４、クリーニングユニットＫ５、及び転写装置Ｋ６」と、シアン用の「感光体ドラムＣ１、帯電装置Ｃ２、現像装置Ｃ４、クリーニングユニットＣ５、及び転写装置Ｃ６」と、マゼンタ用の「感光体ドラムＭ１、帯電装置Ｍ２、現像装置Ｍ４、クリーニングユニットＭ５、及び転写装置Ｍ６」と、イエロー用の「感光体ドラムＹ１、帯電装置Ｙ２、現像装置Ｙ４、クリーニングユニットＹ５、及び転写装置Ｙ６」と、光走査装置２０１０と、転写ベルト２０８０と、定着ユニット２０３０などを備えている。
【００１８】
各感光体ドラムは、図１３中の矢印の方向に回転し、各感光体ドラムの周囲には、回転順に帯電装置、現像装置、転写装置、クリーニングユニットがそれぞれ配置されている。各帯電装置は、対応する感光体ドラムの表面を均一に帯電する。
この帯電装置によって帯電された各感光体ドラム表面に光走査装置２０１０により光が照射され、各感光体ドラムに潜像が形成されるようになっている。そして、対応する現像装置により各感光体ドラム表面にトナー像が形成される。さらに、対応する転写装置により、記録紙に各色のトナー像が転写され、最終的に定着ユニット２０３０により記録紙に画像が定着される。
帯電装置Ｋ２、Ｃ２、Ｍ２、Ｙ２として図９の帯電装置を使用して、高圧ＡＣ電源装置として、図８の構成を使用し、各色用の高圧ＡＣ電源装置を１つの集積回路に集積化することにより、高圧電源ユニットの構成が簡略化され小型化が可能となる。
【符号の説明】
【００１９】
１１  ＮＣＨＦＥＴ、１２  ＰＣＨＦＥＴ、１５  コイル、１６  容量、１７  負荷、１９  駆動信号生成部、２０  集積回路、２１  三角波生成部、２２  比較器、２３  差分積分器、２４  駆動信号生成部、２５  スイッチング駆動部
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２０】
【特許文献１】特開２００３−２８４３５２公報
【図１】
0005552790.tif 000002
【図２】
0005552790.tif 000003
【図３】
0005552790.tif 000004
【図４】
0005552790.tif 000005
【図５】
0005552790.tif 000006
【図６】
0005552790.tif 000007
【図７】
0005552790.tif 000008
【図８】
0005552790.tif 000009
【図９】
0005552790.tif 000010
【図１０】
0005552790.tif 000011
【図１１】
0005552790.tif 000012
【図１２】
0005552790.tif 000013
【図１３】
0005552790.tif 000014
【図１４】
0005552790.tif 000015
【図１５】
0005552790.tif 000016
【図１６】
0005552790.tif 000017