(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高周波トランスの一次側巻線に発生する磁束により電圧が誘起される制御巻線と、前記制御巻線に誘起される電圧により充電されるコンデンサと、前記コンデンサが所定電圧となったときにオフされるトランジスタと、前記トランジスタにより駆動制御されて前記高周波トランスの一次側入力電流をスイッチングするスイッチング素子を備えてなる自励式発振方式のスイッチングレギュレータであって、
動作温度に基づいて、前記制御巻線の巻線数を切り替えて前記コンデンサの温度特性によりスイッチング動作が早まることを防止する制御巻線調整部を備えた自励式発振方式のスイッチングレギュレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高周波トランスの一次側巻線に発生する磁束により電圧が誘起される制御巻線と、前記制御巻線に誘起される電圧により充電されるコンデンサと、前記コンデンサが所定電圧となったときにオフされるトランジスタと、前記トランジスタにより駆動制御されて前記高周波トランスの一次側入力電流をスイッチングするスイッチング素子を備えてなる自励式発振方式のスイッチングレギュレータに関する。
【背景技術】
【０００２】
商用電源を入力源とする多くの機器では、入力される交流電圧は、低圧電源回路により動作電圧まで降圧され、直流電圧に変換されて用いられる。近年、前記低圧電源回路は、スイッチング素子を利用したスイッチング電源方式が主流となっており、小型出力の場合、回路構成が簡単であり、低コストである自励式発振方式（ＲＣＣ方式：Ringing Choke Converter）のスイッチングレギュレータが用いられることが多く、様々な構成のものが考案されている。
【０００３】
例えば、特許文献１、特許文献２には、出力電圧の変動に対するフィードバック制御のために一般的に設置されているフォトカプラを用いることなく、コストダウンを可能にしたＲＣＣ方式のスイッチングレギュレータが提案されている。
【特許文献１】特開平５−３０４７７８号公報
【特許文献２】特開２００４−３２０８５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
図５に示すように、高周波トランスＴの一次側巻線Ｎ１に発生する磁束により電圧が誘起される制御巻線Ｎ３と、制御巻線Ｎ３に誘起される電圧により充電されるコンデンサＣ３と、コンデンサＣ３が所定電圧となったときにオフされるトランジスタＱ２と、トランジスタＱ２により駆動制御されて高周波トランスＴの一次側入力電流をスイッチングするスイッチング素子Ｑ１を備えて構成されるＲＣＣ方式のスイッチングレギュレータでは、動作温度が上昇すると、コンデンサＣ３の容量が低下してスイッチング素子Ｑ１による一次側入力電流のスイッチング動作が早くなるため、出力電圧の周波数は高くなる。また、トランジスタＱ２の増幅率も変化するため、前記増幅率の変化に応じて前記スイッチング動作のタイミングも変化する。
【０００５】
ところで、ＲＣＣ方式のスイッチングレギュレータは、商用電源から入力される交流電圧を直接、高速にスイッチングするため、当該スイッチング動作で発生した雑音が商用電源側に帰還される、所謂、雑音端子電圧が、出力電圧の発振周波数の整数倍の周波数で発生する。雑音端子電圧が大きくなると雑音として他の装置へ入力されてノイズ妨害や電波妨害の原因となるため、安全規格により上限値が定められている。
【０００６】
上述のように動作温度が上昇してスイッチング動作が早くなると、当該スイッチングレギュレータでのスイッチング損失が増加する。更に、出力電圧の周波数が高くなることで雑音端子電圧の周波数も高くなるが、前記安全規格では１５０ＫＨｚから５００ＫＨｚまでの雑音端子電圧の上限値が対数的に低く設定されているため、動作温度の上昇前には前記安全規格に適合していたものが、動作温度の上昇によって高くなった周波数が前記１５０ＫＨｚから５００ＫＨｚの範囲になると、前記安全規格に適合しなくなる虞がある。
【０００７】
そこで、スイッチング動作が早くならないように、動作温度を低下させる冷却用ファンを当該スイッチングレギュレータに設置すると、部品増加によるコストアップや実装面積の増加、当該ファンの回転による騒音などの問題が生じてしまう。
【０００８】
本発明の目的は、上述の問題に鑑み、冷却ファンを用いることなく、動作温度が変動してもスイッチング動作のタイミングが変動しない自励式発振方式のスイッチングレギュレータを提供する点にある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述の目的を達成するため、本発明による自励式発振方式のスイッチングレギュレータの特徴構成は、特許請求の範囲の書類の請求項１に記載した通り、高周波トランスの一次側巻線に発生する磁束により電圧が誘起される制御巻線と、前記制御巻線に誘起される電圧により充電されるコンデンサと、前記コンデンサが所定電圧となったときにオフされるトランジスタと、前記トランジスタにより駆動制御されて前記高周波トランスの一次側入力電流をスイッチングするスイッチング素子を備えてなる自励式発振方式のスイッチングレギュレータであって、動作温度に基づいて、前記制御巻線の巻線数を切り替えて前記コンデンサの温度特性によりスイッチング動作が早まることを防止する制御巻線調整部を備えている点にある。
【００１０】
上述の構成によれば、動作温度に応じて、制御巻線調整部により制御巻線の巻線数を切り替えることで、コンデンサの充電に要する時間を調整することができるため、スイッチング動作が早まることを防止することができる。
【発明の効果】
【００１１】
以上説明した通り、本発明によれば、冷却ファンを用いることなく、動作温度が変動してもスイッチング動作のタイミングが変動しない自励式発振方式のスイッチングレギュレータを提供することができるようになった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の自励式発振方式のスイッチングレギュレータについて、当該レギュレータが搭載された画像形成装置の一例である複写機を用いて説明する。
【００１３】
電子写真方式が採用された複写機１は、図２に示すように、液晶画面でなる表示部や複写動作等を起動するスタートキー等が配置された操作部１０と、原稿給紙台１１に載置された原稿を順次給紙して原稿画像を光電変換して画像データとして読み取る画像読取部１２と、画像読取部１２で読み取られた画像データを出力画像データに変換する画像処理部１３と、前記出力画像データに基づいてトナー像を形成し、用紙に転写する画像形成部１４と、用紙上に転写されたトナー像を加熱して定着させる熱定着部１５と、画像形成部１４でトナー像が転写される用紙を収容した用紙収容部１６と、前記用紙を搬送する搬送機構１７と、前記用紙が排出される排紙部１８と、これらの機能ブロックを制御して複写機１としての処理を実行させるための制御部１９と、各部に電力を供給する電源部２を備えて構成される。
【００１４】
電源部２は、図３に示すように、スイッチングレギュレータでなる電圧変換部２０と、ダイオードブリッジなどで構成され、商用電源から供給される交流電圧を整流する整流部２１と、電圧変換部２０でのスイッチング動作等により生じる雑音が商用電源側に出力されることを防止するフィルタ部２２とを備え、商用電源から供給される交流電圧を直流でなる所定の出力電圧Ｖｏに変換して複写機１の各部に電力を供給する。
【００１５】
電圧変換部２０は、図１に示すように、ＲＣＣ方式のスイッチングレギュレータでなり、一次側巻線Ｎ１と二次側巻線Ｎ２とからなる高周波トランスＴと、一次側巻線Ｎ１に発生する磁束により電圧が誘起される制御巻線Ｎ３と、制御巻線Ｎ３に誘起される電圧により充電されるコンデンサＣ３と、コンデンサＣ３が所定電圧となったときにオフされるトランジスタＱ２と、トランジスタＱ２により駆動制御されて高周波トランスＴの一次側入力電流をスイッチングするパワーＭＯＳＦＥＴでなるスイッチング素子Ｑ１とを備える。一次側巻線Ｎ１は、二次側巻線Ｎ２と逆相で動作し、制御巻線Ｎ３と同相で動作するように構成される。
【００１６】
電圧変換部２０では、整流部２１により整流された直流の入力電圧Ｖｉが印加されると、抵抗Ｒ１と抵抗６とで分圧された電圧がスイッチング素子Ｑ１のゲートに印加されて一次側巻線Ｎ１に電流が流れ始め、一次側巻線Ｎ１には入力電圧Ｖｉが印加され、制御巻線Ｎ３には一次側巻線Ｎ１との巻線比に応じた電圧が発生する。従って、スイッチング素子Ｑ１のゲートには更に大きな電圧が印加され、スイッチング素子Ｑ１のオン状態が維持される。
【００１７】
制御巻線Ｎ３に電圧が発生すると、抵抗Ｒ４を介してコンデンサＣ３は充電されるが、充電電圧が予め設定された所定値になると、コンデンサＣ３とベースが接続されたトランジスタＱ２はオン状態となってスイッチング素子Ｑ１のゲートに印加される電圧を低下させるため、スイッチング素子Ｑ１はオフ状態となる。
【００１８】
スイッチング素子Ｑ１がオフ状態になると、二次側巻線Ｎ２には逆起電力が発生してダイオードＤ２が導通し、高周波トランスＴに蓄積されたエネルギーは出力電圧Ｖｏとして出力され、前記エネルギーの放出後、僅かな残存エネルギーにより制御巻線Ｎ３に発生した電圧が再度スイッチング素子Ｑ１のゲートに印加されることで、各部で上述と同じ動作が繰り返されてスイッチング動作が継続され、出力電圧Ｖｏは所定の電圧値で出力される。
【００１９】
電源部２の出力電圧Ｖｏが上昇すると、発光ダイオードＤ３には電流が流れて発光し、発光ダイオードＤ３と共にフォトカプラを構成するトランジスタＱ３は当該発光によりオン状態となるため、コンデンサＣ３は、抵抗Ｒ４を流れる電流に加えて、抵抗Ｒ３を流れる電流によっても充電される。従って、コンデンサＣ３の充電時間が短縮されるため、スイッチング素子Ｑ１がオフするまでの時間が短縮され、出力電圧Ｖｏの上昇は抑制される。当該フィードバック制御により出力電圧Ｖｏは所定の値に維持される。
【００２０】
ところで、抵抗の発熱等によって電源部２の動作温度は上昇する。前記動作温度が上昇すると温度特性によりコンデンサＣ３の容量は減少して、電源部２でのスイッチング動作が早くなるため、発振周波数が変動し、前記発振周波数の整数倍で発生する雑音端子電圧の周波数も変動するため、安全規格を逸脱する虞がある。
【００２１】
そこで、コンデンサＣ３の容量が変動しても前記雑音端子電圧の周波数の変動を防止するため、電圧変換部２０は、サーミスタＲ９と抵抗Ｒ１０とコンパレータＣＭＰ１とトランジスタＱ４とから構成され、制御巻線Ｎ３の巻線数を調整する制御巻線調整部を備える。
【００２２】
コンパレータＣＭＰ１の非反転入力端子にはサーミスタＲ９と抵抗Ｒ１０の分圧が、反転入力端子には基準電圧Ｖｒｅｆが夫々入力され、コンパレータＣＭＰ１の出力はトランジスタＱ４のベースに入力されるように構成される。
【００２３】
制御巻線Ｎ３は第一巻線Ｎ３１と第二巻線Ｎ３２とでなり、前記制御巻線調整部は、電源部２の動作温度に基づいて、第二巻線Ｎ３２をショートすることで制御巻線Ｎ３の巻線数を変更し、制御巻線Ｎ３に発生する電圧を低下させてコンデンサＣ３の充電に要する時間が短くなることを防止するように構成される。
【００２４】
また、前記制御巻線調整部により制御巻線Ｎ３の巻線数が調整されたときの出力電圧Ｖｏの発振周波数の変動が許容範囲に収まるように、第一巻線Ｎ３１の巻線数は、前記動作温度の上昇に伴って減少するコンデンサＣ３の容量に基づき決定される。
【００２５】
前記動作温度が上昇して前記分圧が基準電圧Ｖｒｅｆよりも高くなると、コンパレータＣＭＰ１の出力を受けてトランジスタＱ４がオン状態となり、第二巻線Ｎ３２がショートされて制御巻線Ｎ３は実質的に第一巻線Ｎ３１のみで構成されることになる。従って、制御巻線Ｎ３で発生する電圧は低下するため、コンデンサＣ３の容量が減少しても充電に要する時間は短くならず、スイッチング動作が早くなることはない。
【００２６】
前記動作温度が低下して前記分圧が基準電圧Ｖｒｅｆよりも低くなると、トランジスタＱ４はオフ状態となり、制御巻線Ｎ３の巻線数は元に戻る。従って、制御巻線Ｎ３で発生する電圧は増加し、コンデンサＣ３の容量が増加しても充電に要する時間は長くならず、スイッチング動作が遅くなることはない。
【００２７】
以下に、別実施形態について説明する。
【００２８】
上述の実施形態では、第一巻線Ｎ３１の巻線数は、動作温度の上昇に伴って減少するコンデンサＣ３の容量に基づいて決定されるものとしたが、動作温度の上昇によって変動するトランジスタＱ２の増幅率に基づいて、または当該トランジスタＱ２の増幅率とコンデンサＣ３の容量とに基づいて決定されるものであってもよい。いずれの場合であっても、雑音端子電圧の周波数が高くなることを防止することができる。
【００２９】
上述の実施形態では、電源部２の動作温度を確認するサーミスタＲ９をコンデンサＣ３の近傍に設置するものとして説明したが、コンデンサＣ３に対する動作温度の影響が正確に反映されるのであれば、コンデンサＣ３の近傍に設置することに限定するものではない。
【００３０】
上述の実施形態では、画像形成装置の一例である複写機１に搭載されている電圧変換部２０が、本発明による自励式発振方式のスイッチングレギュレータで構成されるものとして説明したが、前記スイッチングレギュレータを搭載可能な機器は画像形成装置にのみ限定されるものではなく、当該スイッチングレギュレータによる供給電力が消費電力よりも大きな機器には搭載可能であることは言うまでもない。
【００３１】
上述の実施形態では、制御巻線Ｎ３は第一巻線Ｎ３１と第二巻線Ｎ３２とでなる単一の巻線で構成されるものとして説明したが、第一巻線と第二巻線とが夫々個別の巻線でなり、制御巻線Ｎ３が複数の巻線で構成されるものであってもよい。
【００３２】
上述の実施形態では、制御巻線調整部は、サーミスタＲ９と抵抗Ｒ１０とによる分圧を、単一のコンパレータＣＭＰ１により単一の基準電圧Ｖｒｅｆと比較して、制御巻線Ｎ３の巻線数を切り替えるものとして説明したが、複数のコンパレータにより複数の基準電圧と比較して、制御巻線Ｎ３の巻線数を切り替えるものであってもよい。例えば、図４に示すように、二つのコンパレータＣＭＰ１、ＣＭＰ２により二つの基準電圧Ｖｒｅｆ１、Ｖｒｅｆ２と比較して、制御巻線Ｎ３の巻線数を２段階に切り替えるものであってもよい。
【００３３】
尚、上述した実施形態は何れも本発明の一実施例に過ぎず、当該記載により本発明の範囲が限定されるものではなく、各部の具体的構成は本発明による作用効果を奏する範囲において適宜変更設計することができることは言うまでもない。さらに、上述の複数の実施形態を適宜組み合わせて構成しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】自励式発振方式のスイッチングレギュレータ（電圧変換部）の説明図
【図２】画像形成装置（複写機）の外観図
【図３】電源部の説明図
【図４】別実施例における制御巻線調整部の説明図
【図５】従来における自励式発振方式のスイッチングレギュレータの説明図
【符号の説明】
【００３５】
２０：電圧変換部
Ｃ３：コンデンサ
ＣＭＰ１：コンパレータ
Ｎ１：一次側巻線
Ｎ２：二次側巻線
Ｎ３：制御巻線
Ｎ３１：第一巻線
Ｎ３２：第二巻線
Ｑ１：スイッチング素子（パワーＭＯＳＦＥＴ）
Ｑ２：トランジスタ
Ｒ９：サーミスタ
Ｔ：高周波トランス
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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