(57)【要約】【課題】負荷の違いや変動が大きい場合でも幅広い範囲で安定し、且つ負荷の動的変動に対しても安定した電力を供給可能なスイッチング電源装置を提供する。【解決手段】図１に示すスイッチング電源装置においては、マイクロコンピュータ１３が、前回のＰＷＭデューティＰＷＭn-1 とその出力値である電流検出値Ｉfbに基づいてゲイン補正係数ｇ（＝ＰＷＭn-1 ／Ｉfb）を算出して、このゲイン補正係数で制御ゲインＧを補正して補正制御ゲイン（＝Ｇ／ｇ）を算出し、また、補正制御ゲイン（＝Ｇ×ｇ）が所定値ＧSLより大となった場合には補正制御ゲイン（＝Ｇ×ｇ）を所定値ＧSLで代用してＰＷＭデューティ補正値Δを算出し、このＰＷＭデューティ補正値Δに基づいて、前回のＰＷＭデューティＰＷＭn-1 を補正してＰＷＭデューティＰＷＭn を算出する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
定電流制御若しくは定電圧制御により負荷に電力を供給するスイッチング電源装置において、
設定されるＰＷＭデューティに基づいたパルス幅のＰＷＭ信号を出力するパルス発振手段と、
前記ＰＷＭ信号に基づいて、スイッチング信号を出力するスイッチング手段と、
前記スイッチング信号で１次側に入力される電圧がＯＮ／ＯＦＦされ、２次側に誘起される交番電圧を出力する昇圧手段と、
前記交番電圧を整流化及び平滑化して直流電圧を生成して、前記負荷に出力する整流平滑手段と、
前記整流平滑手段から出力される前記直流電圧若しくは電流を検出して、得られる検出値を出力する検出手段と、
補正制御ゲインに基づいて、定電流若しくは定電圧出力すべく、比例制御方式により前記ＰＷＭデューティを設定する制御手段と、を備え、
前記制御手段は、前記ＰＷＭデューティ及び前記検出値に基づいて、制御ゲインを補正した補正制御ゲインを算出すると共に、当該補正制御ゲインに上限値を設けたことを特徴とするスイッチング電源装置。
【請求項２】
定電流制御若しくは定電圧制御により負荷に電力を供給するスイッチング電源装置において、
設定されるＰＷＭデューティに基づいたパルス幅のＰＷＭ信号を出力するパルス発振手段と、
前記ＰＷＭ信号に基づいて、スイッチング信号を出力するスイッチング手段と、
前記スイッチング信号で１次側に入力される電圧がＯＮ／ＯＦＦされ、２次側に誘起される交番電圧を出力する昇圧手段と、
前記交番電圧を整流化及び平滑化して直流電圧を生成して、前記負荷に出力する整流平滑手段と、
前記整流平滑手段から出力される前記直流電圧若しくは電流を検出して、得られる検出値を出力する検出手段と、
補正制御ゲインに基づいて、定電流若しくは定電圧出力すべく、比例制御方式により前記ＰＷＭデューティを設定する制御手段と、を備え、
前記制御手段は、前記ＰＷＭデューティ及び前記検出値に基づいて、ゲイン補正係数を算出し、制御ゲインと当該補正制御係数とを積算して補正制御ゲインを算出すると共に、当該補正制御ゲインが所定値より大となる場合に、当該所定値を当該補正制御ゲインとすることを特徴とするスイッチング電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スイッチング電源に関し、詳細には、負荷の違いや負荷の変動が大きい場合でも幅広い範囲で安定した電力を出力可能なスイッチング電源に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に電子写真プロセスにおける除帯電装置に電圧及び電流を供給する電源は、近年のプロセス制御の要求から、出力コントロールの細分化により、自由度の高い出力可変装置の備わった電源装置となっている。さらに、制御をマイコンで行うことにより、多様性のある電源装置が主流となっている。
電子写真装置等の用いられる電源としては、例えば、図３に示すようなスイッチング電源が知られている。
図３において、このスイッチング電源は、一定周期のパルス幅可変装置であるＰＷＭタイマ１から送出されるＰＷＭ信号により、スイッチング素子であるトランジスタ３をＯＮ／ＯＦＦして、昇圧トランス５の１次側巻線に供給される電圧Ｖs のスイッチングを行う。
これにより、昇圧トランス５の２次側巻き線に励起した交番電圧を、平滑整流化回路７で平滑化及び整流化を行い、負荷の出力端Ａに直流の電力を与える。
【０００３】
この直流の電力は、電圧検出回路９と電流検出回路１１で検出され、ＣＰＵ、Ａ／Ｄコンバータ及びＲＡＭ、ＲＯＭ、データバス、入出力ポート等を備えたマイクロコンピュータ１３のＡ／Ｄコンバータでデジタル値として検出され、かつ、マイクロコンピュータ１３で目標の電流若しくは電圧となるように、ＰＷＭタイマ１を制御し、安定した電力を負荷に与えるようになっている。
そして、上記マイクロコンピュータ１３によって行われる制御方法として、図４の制御フローに示すように、出力開始命令を受けて、初回は所定のパルス幅に設定され（ステップＳ２０）、それによって発生した出力から電流値（電流検出回路１１及びＡ／Ｄコンバータを通じて数値化された値）が得られると（ステップＳ２１）、先ず、出力電圧が所定の電圧より小さいときには、電流値が目標値と等しくなるように、目標値より値が小さいときには、パルス幅（ＰＷＭデューティ）を拡げ、目標値より大きいときには狭める制御が行われる。
【０００４】
すなわち、このアルゴリズムとしては、比例制御方式を用いており、下記式１に示す計算式の演算結果より定電流出力のためのＰＷＭデューティ（パルス幅）が算出される（ステップＳ２２）。
ＰＷＭn ＝ ＰＷＭn-1 ＋ Ｇ × （Ｉtag − Ｉfb）・・・式１
ＰＷＭn ：ＰＷＭデューティ
ＰＷＭn-1 ：前回のＰＷＭデューティ
Ｇ ：制御ゲイン
Ｉtag ：電流目標値
Ｉfb ：電流検出値
この算出結果を用いてＰＷＭタイマ１のパルス幅で発振する（ステップＳ２３）。これを一定の制御周期で行うことにより、負荷に対して安定した電流を供給する（ステップＳ２４、ステップＳ２５）。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記した従来のスイッチング電源装置においては、負荷の変動が小さなものであることを前提としている。
例えば、負荷が小さな場合、例えば負荷がＭ（Ω）の場合では、安定出力状態から電流目標値Ｉtag がＩtag ’に変更になった場合に、上記式１より、ＰＷＭn はＩtag'とＩfbの差に制御ゲインＧを乗じたものだけ変更されることになる。これが数回繰り返されて新たな安定出力状態になる。制御ゲインＧは負荷がＭ（Ω）のときに最適な制御をするように選択されているので、負荷が小さい場合には出力目標値が変更されても問題ない。
【０００６】
ところが、この制御ゲインＧを用いて、負荷がＭ（Ω）より大きなＬ（Ω）となる場合には、ＰＷＭデューティＰＷＭn の変化量に対する出力の変化が小さくなってしまう。即ち、新たに安定出力状態になるまでの時間が長くなる。逆に、負荷がＭ（Ω）より小さいＳ（Ω）となると、ＰＷＭデューティＰＷＭn の変化量に対する出力の変化が大きくなるため、新たに安定出力状態になるまでの時間が短くなりオーバーシュートやアンダーシュートが発生する。従って、負荷の範囲が広い場合には、その負荷範囲で適切な制御ゲインＧを予め設定することができない。
また、近年の環境に対する配慮から、電子写真装置における除帯電転写装置の負荷であるチャージワイヤー等は、オゾンの発生の少ない接触式の負荷に置き換えられつつある。しかしながら、接触式の負荷は現在使用環境や経時または材料のバラツキにより負荷が動的に変動するものがあり、それに対応した電源が要求されている。
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、その課題は、負荷の違いや変動が大きい場合でも幅広い範囲で安定し、且つ負荷の動的変動に対しても安定した電力を供給可能なスイッチング電源装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、請求項１記載の発明に係るスイッチング電源装置は、定電流若しくは定電圧制御により負荷に電力を供給するスイッチング電源装置において、設定されるＰＷＭデューティに基づいたパルス幅のＰＷＭ信号を出力するパルス発振手段と、前記ＰＷＭ信号に基づいて、スイッチング信号を出力するスイッチング手段と、前記スイッチング信号で１次側に入力される電圧がＯＮ／ＯＦＦされ、２次側に誘起される交番電圧を出力する昇圧手段と、前記交番電圧を整流化及び平滑化して直流電圧を生成して、前記負荷に出力する整流平滑手段と、前記整流平滑手段から出力される前記直流電圧若しくは電流を検出して、得られる検出値を出力する検出手段と、補正制御ゲインに基づいて、定電流若しくは定電圧出力すべく、比例制御方式により前記ＰＷＭデューティを設定する制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記ＰＷＭデューティ及び前記検出値に基づいて、制御ゲインを補正した補正制御ゲインを算出すると共に、当該補正制御ゲインに上限値を設けた構成とした。上記構成によれば、制御手段は、前回のＰＷＭデューティとその出力値である検出値に基づいて、補正制御ゲインを算出し、この補正制御ゲインに基づいて、比例制御方式によりＰＷＭデューティを設定すると共に、この補正制御ゲインに上限値を設けた構成であるので、負荷の違いや変動に対して幅広い範囲で安定し、且つ負荷の動的変動に対しても安定した電力を負荷に供給することが可能となる。
【０００８】
また、請求項２記載の発明に係るスイッチング電源装置は、定電流若しくは定電圧制御により負荷に電力を供給するスイッチング電源装置において、設定されるＰＷＭデューティに基づいたパルス幅のＰＷＭ信号を出力するパルス発振手段と、前記ＰＷＭ信号に基づいて、スイッチング信号を出力するスイッチング手段と、前記スイッチング信号で１次側に入力される電圧がＯＮ／ＯＦＦされ、２次側に誘起される交番電圧を出力する昇圧手段と、前記交番電圧を整流化及び平滑化して直流電圧を生成して、前記負荷に出力する整流平滑手段と、前記整流平滑手段から出力される前記直流電圧若しくは電流を検出して、得られる検出値を出力する検出手段と、補正制御ゲインに基づいて、定電流若しくは定電圧出力すべく、比例制御方式により前記ＰＷＭデューティを設定する制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記ＰＷＭデューティ及び前記検出値に基づいてゲイン補正係数を算出し、制御ゲインと当該補正制御係数とを積算して補正制御ゲインを算出すると共に、当該補正制御ゲインが所定値より大となる場合に、当該所定値を当該補正制御ゲインとする構成である。上記構成によれば、制御手段は、前回のＰＷＭデューティとその出力値である検出値に基づいて、補正制御ゲインを算出し制御ゲイン補正係数を算出し、制御ゲインと当該補正制御係数とを積算して補正制御ゲインを算出して、この補正制御ゲインに基づいて、比例制御方式によりＰＷＭデューティを設定すると共に、補正制御ゲインが所定値より大となる場合に、当該所定値を当該補正制御ゲインとする構成であるので、負荷の違いや変動に対して幅広い範囲で安定し、且つ負荷の動的変動に対しても安定した電力を負荷に供給することが可能となる。
【発明の効果】
【０００９】
請求項１記載の発明に係るスイッチング電源装置によれば、前回のＰＷＭデューティとその出力値である検出値に基づいて、補正制御ゲインを算出し、この補正制御ゲインに基づいて、比例制御方式によりＰＷＭデューティを設定すると共に、この補正制御ゲインに上限値を設けた構成であるので、負荷の違いや変動に対して幅広い範囲で安定し、且つ負荷の動的変動に対しても安定した電力を負荷に供給することが可能となる。
請求項２記載の発明に係るスイッチング電源装置によれば、前回のＰＷＭデューティとその出力値である検出値に基づいて、補正制御ゲインを算出し制御ゲイン補正係数を算出し、制御ゲインと当該補正制御係数とを積算して補正制御ゲインを算出して、この補正制御ゲインに基づいて、比例制御方式によりＰＷＭデューティを設定すると共に、補正制御ゲインが所定値より大となる場合に、当該所定値を当該補正制御ゲインとする構成であるので、負荷の違いや変動に対して幅広い範囲で安定し、且つ負荷の動的変動に対しても安定した電力を負荷に供給することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下に添付図面を参照して、本発明に係る好適な実施の形態を詳細に説明する。
図１は、本発明に係るスイッチング電源装置の回路構成を示す図である。
図１に示すスイッチング電源装置は、上記図３の回路構成とほぼ同一の構成であるが、マイクロコンピュータによる電力の制御方式が異なる。図１において、図３と同等機能を有する部分は同一符号を付してある。図１に示すスイッチング電源装置１０は、マイクロコンピュータ１３、ＰＷＭタイマ１、トランジスタ３、昇圧トランス５、平滑電流回路７、及び電流検出回路１１等からなり、負荷２０に電源電圧を供給する。
上記マイクロコンピュータ１３は、装置全体の制御を司る制御ユニットであり、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、及びＡ／Ｄ変換器等から構成されている。ＣＰＵは、ＲＯＭに格納された制御プログラムに基づいて、負荷２０に供給する電力を制御し、電流検出回路１１で検出されＡ／Ｄ変換器を介して入力される電流検出値Ｉfbに基づいて今回のＰＷＭ設定値ＰＷＭn を算出し、このＰＷＭデューティＰＷＭn をＰＷＭタイマに送出して設定する（図４参照）。ＲＯＭは、ＣＰＵにより実行される制御プログラムやデータ等を格納している。ＲＡＭは、ＣＰＵのワークメモリとして使用される。Ａ／Ｄ変換器は、電流検出回路１１から入力されるアナログの電流検出値をデジタルの電流検出値Ｉfbに変換して、ＣＰＵに出力する。
【００１１】
ＰＷＭタイマ１は、ＣＰＵにより設定されるＰＷＭデューティＰＷＭn に基づいたパルス幅の信号をＰＷＭ信号としてランジスタ３のベースＢに出力する。トランジスタ３は、昇圧トランス５をスイッチングするためのものであり、例えば、ＮＰＮトランジスタからなり、そのベースにはＰＷＭタイマ１からＰＷＭ信号が入力され、そのコレクタは昇圧トランス５の１次側の一端に接続されており、また、そのエミッタは接地されている。即ち、トランジスタは、ベースに入力されるＰＷＭ信号で０Ｎ／ＯＦＦされ、増幅したＰＷＭ信号をコレクタから昇圧トランス５の１次側にスイッチング信号として出力する。
昇圧トランス５は、一次側の他端には、定電圧Ｖｓが入力され、この定電圧Ｖｓは、一次側の一端から入力されるスイッチング信号でＯＮ／ＯＦＦされる。そして、２次側から昇圧した交番電圧を平滑整流回路７に出力する。平滑整流回路７は、昇圧トランス５の２次側に接続されており、ダイオード及びコンデンサで構成される。この平滑整流回路７は、昇圧トランス５の２次側から入力される交番電圧を平滑及び整流して得られる直流電圧を、電流制限抵抗８を介して、負荷２０の一端Ａに出力する。電流検出回路１１は、例えば、電流−電圧変換するための電流検出用抵抗８から構成されており、その一端は、平滑整流回路７に接続されており、他端は接地されている。電流検出回路１１は、平滑整流回路７から入力される直流電流に比例した電圧を電流検出値として、その一端からマイクロコンピュータ１３のＡ／Ｄ変換器に供給する。負荷２０は、例えば、電子写真装置における除帯電転写装置のチャージャー等からなる。
【００１２】
次に、スイッチング電源装置の動作を図４を参照して説明する。図２は、マイクロコンピュータによる電力制御の処理手順を説明するためのフローチャートである。マイクロコンピュータは、電流検出値が目標電流値と等しくなるように、電流検出値が目標電流値より小さいときには、ＰＷＭデューティを拡げ、目標電流値より大きいときは狭めるという定電流制御を行う。このアルゴリズムとしては、比例制御方式を用いており、基本的に式２の演算結果により定電流出力のためのＰＷＭデューティＰＷＭn を算出する。
ＰＷＭn ＝ ＰＷＭn-1 ＋ Ｇ × ｇ × （Ｉtag − Ｉfb）・・式２
ｇ ：ゲイン補正係数（ＰＷＭn-1 ／Ｉｆｂ）
ＰＷＭn ：ＰＷＭデユーティ
ＰＷＭn-1 ：前回のＰＷＭデューティ
Ｇ ：制御ゲイン
ｇ ：補正制御ゲイン
Ｉtag ：電流目標値
Ｉfb ：電流検出値
Ｇ×ｇ ：補正制御ゲイン
より具体的には、マイクロコンピュータ１３は、前回のＰＷＭデューティＰＷＭn-1 とその出力値である電流検出値Ｉfbに基づいてゲイン補正係数ｇ（＝ＰＷＭn-1 ／Ｉfb）を算出して、このゲイン補正係数で電流制御における制御ゲインＧを補正して補正制御ゲイン（Ｇ×ｇ）を算出し、この補正制御ゲインが所定値ＧSLより大となった場合には補正制御ゲイン（Ｇ×ｇ）の替わりに所定値ＧSLで代用してＰＷＭデューティ補正値Δを算出し、このＰＷＭデューティ補正値Δに基づいて、前回のＰＷＭデューティＰＷＭn-1 を補正してＰＷＭデューティＰＷＭn を算出することにより、負荷の違いや変動に対して幅広い範囲で安定し、且つ負荷の動的変動に対しても安定した電力を供給する。
【００１３】
図２において、マイクロコンピュータ１３は、外部のメインコントローラ等から出力開始命令を受信したか否かを判断する（ステップＳ１）。この判断の結果、出力開始命令を受信していない場合には、ステップＳ３に移行してＰＷＭn ＝０とし、このＰＷＭｎ値をＰＷＭタイマ１にセットする（ステップＳ１３）。一方、出力開始命令を受信した場合には、ステップＳ２に移行して、初回は所定のＰＷＭｎ値をＰＷＭタイマ１に設定し、それによって発生した電流検出値Ｉfbを検出すると、制御ゲインＧとゲイン補正係数ｇ（＝ＰＷＭn-1 ／Ｉfb）とを積算して得られる補正制御ゲイン（＝Ｇ×ｇ）が、所定値ＧSLより大か否かを判断する（ステップＳ２）。
この判断の結果、補正制御ゲイン（＝Ｇ×ｇ）が、所定値ＧSL以下である場合には、ＰＷＭデューティ補正値Δを下式３により算出する（ステップＳ４）。
Δ＝｜Ｇ×ｇ×（Ｉtag − Ｉfb）｜・・・式３
この判断の結果、補正制御ゲイン（＝Ｇ×ｇ０が、所定値ＧSLより大である場合には、ＰＷＭデューティ補正値Δを下式４により算出する（ステップＳ５）。
Δ＝｜ＧSL×（Ｉtag − Ｉfb）｜・・・式４
即ち、補正制御ゲイン（＝Ｇ×ｇ）が所定値ＧSLより大となった場合には、上記式４に示す如く、補正制御ゲイン（＝Ｇ×ｇ）を所定値ＧSLで代用してＰＷＭデューティ補正値Δを算出する。
【００１４】
以下のステップＳ６〜Ｓ１２の処理により、電流検出値が目標電流値と等しくなるように、電流検出値が目標電流値より小さい場合には、ＰＷＭデューティ（パルス幅）を拡げ、目標電流値より大きい場合には狭めるという制御が行われる。先ず、ステップＳ６では、電流検出値Ｉfbが目標電流値Ｉtag より小であるか否かを判断する。この判断の結果、検出電流値Ｉfbが目標電流値Ｉtag より少である場合には、ステップＳ７に移行して、ＰＷＭn-1 ΔがＰＷＭmax より小であるか否かを判断する。この判断の結果、ＰＷＭn-1 ＋ΔがＰＷＭmax より小である場合には、ＰＷＭn-1 ＋ΔをＰＷＭｎとする（ステップＳ８）一方、ＰＷＭn-1 ＋ΔがＰＷＭmax 以上である場合には、ＰＷＭmax をＰＷＭｎとする（ステップＳ９）。一方、ステップＳ６において、電流検出値Ｉfbが目標電流値Ｉtag 以上である場合には、ステップＳ１０に移行して、前回のＰＷＭデューティ値がＰＷＭデューティ補正値Δより大か否かを判断する。
この判断の結果、前回のＰＷＭデューティＰＷＭn-1 がＰＷＭデューティ補正値Δより大である場合には、ＰＷＭn-1 −ΔをＰＷＭｎとする（ステップＳ１１ ）一方、前回のＰＷＭデューティＰＷＭn-1 がＰＷＭデューティ補正値Δ以下である場合には、ＰＷＭn ＝０とする（ステップＳ１２）。
さて、ステップＳ１３では、マイクロコンピュータ１３は、上記ステップＳ６〜ステップＳ１２の処理により算出したＰＷＭデューティＰＷＭn をＰＷＭタイマ１にセットして、ＰＷＭタイマ１では、このＰＷＭデューティＰＷＭn に応じたパルス幅のＰＷＭ信号を発振する。これを一定制御周期で行うことにより、一定制御周期で、ＰＷＭデューティが更新され、負荷２０に対して安定した電力を供給することが可能となる。
【００１５】
以上説明したように、本実施の形態のスイッチング電源装置においては、マイクロコンピュータ１３が、前回のＰＷＭデューティＰＷＭn-1 とその出力値である電流検出値Ｉfbに基づいてゲイン補正係数ｇ（＝ＰＷＭn-1 ／Ｉfb）を算出して、このゲイン補正係数で制御ゲインＧを補正して補正制御ゲイン（＝Ｇ／ｇ）を算出し、また、補正制御ゲイン（＝Ｇ×ｇ）が所定値ＧSLより大となった場合には補正制御ゲイン（＝Ｇ×ｇ）を所定値ＧSLで代用してＰＷＭデューティ補正値Δを算出し、このＰＷＭデューティ補正値Δに基づいて、前回のＰＷＭデューティＰＷＭn-1 を補正してＰＷＭデューティＰＷＭn を算出する構成であるので、負荷の違いや変動に対して幅広い範囲で安定し、且つ負荷の動的変動に対しても安定した電力を供給することが可能となる。
付言すると、補正制御ゲイン（Ｇ×ｇ）に上限を設定することにより、突発的な変動により補正制御ゲインが大となり、制御不安定（ハンチング状態）になることを防止することが可能となる。
【００１６】
尚、上記した実施の形態では、電流値を検出して、電流値が目標値になるように定電流制御を行う構成を示したが、電圧値を検出して、電圧値が目標値になるように定電圧制御を行う構成としても良い。
この場合、電流検出装置１１の替わりに上記図３で示した電圧検出装置９を用いる構成とすれば良い。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明に係るスイッチング電源装置の回路構成を示す図である。
【図２】マイクロコンピュータによる電流制御の処理手順を説明するためのフローチャートである。
【図３】従来のスイッチング電源装置の回路構成を示す図である。
【図４】図３のマイクロコンピュータによって行われる電流制御の処理手順を説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
【００１８】
１  ＰＷＭタイマ
３  トランジスタ
５  昇圧トランス
７  平滑整流回路
９  電圧検出回路
１０  スイッチング電源
１１  電流検出回路
１３  マイクロコンピュータ
【図１】
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【図２】
2006136196.tif 000004
【図３】
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【図４】
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