JPH0417568A - スイツチングレギユレータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、スイッチングレギュレータに関し、特に力
率、ＶＡ効率を改善したスイッチングレギュレータに関
する。

〔従来の技術〕

複写機、プリンタ、ファクシミリ等の画像形成装置その
他のＯＡ機器用直流電源装置として、小型高効率で優れ
た電圧安定性を有するＤＣ−ＤＣコンバータを含むスイ
ッチングレギュレータが広く使用されている。

これらＯＡ種機器発達は目覚ましく、特に普通紙に画像
を形成する画像形成装置例えば複写機は高速化、多機能
化に供って、その直流電源の容量の増加が著しい。

例えば能動源であるモータはその回転数を正確に制御す
るためにＡＣモータからＤＣモータに変り、高圧電源の
種類も増えているから、従来１００ＶＡ程度であった直
流電源の容量が４００ＶＡ級から５００ＶＡ級になり、
なかには６００ＶＡを超える機種も現れ、しかも厳しい
電圧安定性が要求されている。

したがって、効率を落して電圧を安定化しているドロッ
パ型電源はサイズの大型化と大量の発熱を供なうという
問題があり、それらの問題は小型。

高効率（したがって発熱も少ない）スイッチングレギュ
レータにより解決している。

第４図に示すように、そのＤＣ−ＤＣコンバータ３６に
交流電源３１からの交流電力を整流平滑化してＤＣ電力
を供給する整流平滑回路としては、全波整流素子例えば
ダイオードブリッジ３２と平滑コンデンサ３３との間に
チョークコイル３４を設けたチョークインプット型、ま
たはそのチョークコイル３４を除いたコンデンサインプ
ット型の平滑回路とを組合せたものがある。

チョークインプット型は電力効率はよいが大容量になる
とチョークコイルが大型になり重量とコストが増大し、
コンデンサインプット型はダイオードブリッジの出力を
大容量の平滑コンデンサで平滑化するため、短時間に過
大な充電ピーク電流が流れて力率が悪化する。

このように、ＤＣ−ＤＣコンバータの効率が優れていて
も、組合される整流平滑回路の力率が悪いと、効率と力
率との積であるＶＡ効率（出力ＶＡ／入力ＶＡ）がよく
ならない。

そのため、例えば特開昭６３−１０７４５７号公報に示
されたように、インピーダンス素子と放電方向に極性を
合せたダイオードとの並列回路を平滑コンデンサに直列
に接続し、平滑コンデンサの充電時にはインピーダンス
素子によりピーク電流を抑え、放電時にはダイオードを
通して放電させることにより力率を改善する提案があっ
た。

あるいは、特開昭６３−２３５６１号公報に示されたよ
うに、平滑コンデンサを使用せず余波整流した直流を直
接にＤＣ−ＤＣコンバータに入力して力率を改善する提
案もあった。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、前者の提案は、そのインピーダンス素子
を抵抗素子により構成すると充電時に電力損失を生して
発熱と効率低下を供い、チョークコイル等のインダクタ
ンス素子により構成すればチョークインプット型と同様
にサイズ、重量、コストの問題があって、何れも大容量
電源には不適当であるという問題があった。

また、後者の提案は、平滑コンデンサを除いたことによ
り生じる整流電力のゼロクロス付近のスイッチング不安
定を解決するために別に補助の電源回路が必要となり１
回路が複雑で部品点数が増大し、コストアップを招く等
の問題があった。

この発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、出力
電流が大きい時に初段の整流平滑回路における充電ピー
ク電流を抑制して力率を改善し、総合的にＶＡ効率の改
善されたスイッチングレギュレータ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〕

この発明は、上記の目的を達成するため、交流電源から
入力する交流電力を整流素子と平滑コンデンサとにより
整流平滑し、その整流平滑された１次直流電力をトラン
スの１次巻線と直列に接続されたスイッチング素子によ
りオンオフし、トランスの２次巻線に誘起された電力を
さらに整流平滑して得られた２次直流電力を出力すると
共に、その２次直流電力の出力電圧に応じてスイッチン
グ素子のデユーティ比を制御することにより出力電圧を
安定化するスイッチングレギュレータにおいて、 交流電源と平滑コンデンサとの間に力率改善用のチョー
クコイルとそのバイパススイッチとからなる並列回路を
直列に接続して設け、そのバイパススイッチを２次直流
電力の出力電流が所定値以下の時はオンし、所定値を超
えた時はオフするようにしたものである。

〔作　用〕 このように構成したスイッチングレギュレータは、スタ
ンバイあるいは通常動作中の出力電流が比較的小さい間
はバイパススイッチがオンになっていてチョークコイル
の両端子間がショートされ、コンデンサインプット型と
して作用しているが、出力電流が大きく流れる時にはバ
イパススイッチがオフになり、チョークインプット型と
して作用する。

そのため、大出力時の力率が改善されて大きなピーク電
流が抑制されるから、整流素子や平滑コンデンサの損失
が軽減されると共に総合的にＶＡ効率が改善される。

また、一般に８力電流が大きく流れる時間は短かく、通
常は休止しているから、チョークコイルは比較的小型軽
量のものでよい。

〔実施例〕

以下、この発明の一実施例を図面を参照して具体的に説
明する。

第１図は、この発明によるスイッチングレギュレータの
第１実施例を示す回路図である。

このスイッチングレギュレータは、交流電源１から入力
する交流電力を１次直流電力に交換する整流平滑回路を
構成する整流素子であるダイオードブリッジ２および平
滑コンデンサ３と、交流電源１とダイオードブリッジ２
との間に直列に接続された並列回路を構成するチョーク
コイル４およびバイパススイッチであるトライアック５
と、３個のそれぞれ出力電圧の異なる２次直流電力を出
力するＤＣ−ＤＣコンバータ６と、ソ（７）ＤＣ−ＤＣ
コンバータ６のスイッチング素子とトライアック５のオ
ンオフをそれぞれ制御する制御回路７と、その制御回路
７が出力するオンオフ信号に応じてトライアック５をト
リガする発光部８ａ、受光部８ｂからなるホトカプラ８
とがら構成されている。

ＤＣ−ＤＣコンバータ６は、１次巻線ＮＰと３個の２次
巻線ＮＳＩ、ＮＳ２．ＮＳ３とを有するトランス１０と
、その１次巻線ＮＰと直列回路を形成し平滑コンデンサ
３から入力する１次直流電力を制御回路７からの制御信
号に応じてオンオフするスイッチング素子であるトラン
ジスタ１１と、トランス１０の３個の２次巻線ＮＳＩ、
ＮＳ２゜ＮＳ３にそれぞれ接続された整流平滑回路２１
゜２２および整流回路２３とから構成されている。

整流平滑回路２１．２２は、それぞれ整流ダイオードＤ
Ｉ、Ｄ２と転流ダイオードＣＤＩ、ＣＤ２と小容量のチ
ョークコイルＬｌ、Ｌ２と大容量の電解コンデンサＣ１
，Ｃ２とから主として構成される。

整流平滑回路２１は、電解コンデンサＣ１に充電されて
いるほぼ安定化された直流電力を更に３端子レギユレー
タ１２によりＤＣ５Ｖに安定化し、制御用電源として負
荷ＬＤＩに供給する。

整流平滑回路２２は、電解コンデンサＣ２に充電されて
いる直流電力をＤＣ２４Ｖの駆動用電源として負荷ＬＤ
２に供給するが、その出力電圧は出力電圧信号として、
グランド側に設けられた抵抗Ｒ２の端子間電圧は出力電
流信号として、それぞれ制御回路７にフィードバックさ
れる。

制御回路７は、フィードバックされた出力電圧信号に応
じてトランジスタ１１にデユーティ比を変えた制御信号
を出力することにより、交流電源１の電圧や負荷ＬＤ２
の変動があっても、跣動用電源の出力電圧を２４Ｖに安
定化すると共に、フィードバックされた出力電流信号を
検出して出力電流が所定値以下の時はホトカプラ８の発
光ダイオードからなる発光部８ａを点灯し、所定値を超
えている時は消灯する。

デユーティ比が変化する制御信号によるトランジスタ１
１のオン時間の変動や交流電源ｌの電圧変動により、電
解コンデンサｃ１の端子間電圧は若干変動するが、３端
子レギユレータ１２により制御用電源としての出力電圧
は５■に安定化している。

整流回路２３は整流ダイオードＤ３とリミッタ抵抗Ｒ３
とからなり、整流ダイオードＤ３により整流された直流
電流（ゲート電流）がリミッタ抵抗Ｒ３とホトカプラ８
のホトトランジスタからなる受光部８ｂを介してトライ
アック５のゲート電極に供給されるように接続されてい
るから、駆動用電源の負荷ＬＤ２を流れる出方電流が小
さく発光部８ａが点灯している間は受光部８ｂがオンに
なってゲート電流が流れ、トライアック５はトリガされ
てチョークコイル４の端子間がショートされ、チョーク
コイル４は作用していない。

耶動用電源の出力電流が所定値を超えると、発光部８ａ
が消灯し受光部８ｂはオフになってゲート電流は流れず
トライアック５はオフになるから、交流電源１から入力
しダイオードブリッジ２を介して平滑コンデンサ３を充
電する交流電流は、すべてチョークコイル４を流れるよ
うになる。

したがって、平滑コンデンサ３のキャパシタンスによっ
て生じた位相進みが平滑コンデンサ３のインダクタンス
によって補正され、力率が改善される。

一般に、制御用電源の負荷ＬＤＩは容量（消費電流）が
小さく、その変動も少ない９したがって。

整流平滑回路２１のドロッパ型安定化電源である３端子
レギユレータ１２により若干の電力損失（および発熱）
が生じても、このスイッチングレギュレータを設けた本
体機器１例えば複写機全部の消費電力に比べれば微々た
るものである。

反対に、駆動用電源の負荷ＬＤ２は用紙搬送用モータ、
原稿走査系を駆動するスキャナモータ等の各種モータや
ソレノイド、電磁クラッチ等からなり、容量が大きくし
かも刻々ダイナミックに変動する傾向がある。したがっ
て、整流平滑回路２２の出力電圧の安定化をＤＣ−ＤＣ
コンバータによって行なうことは総合的な効率向上に有
効である。

第２図は、ＡＤＦ　（自動原稿給送装置）を備えた複写
機に設けたスイッチングレギュレータの制御用直流電力
の変動の一例を示す線図であり、縦軸に出力電流を、横
軸に時間をとって示したものである。

時刻Ｔ１以前はスタンバイ状態であり、冷却ファン用等
の僅かな電流だけが流れている。

制御用電力は、既に説明したように、プリント作業中も
殆んど変化しないが、以下説明するように、開動用電流
は大きく変動する。

すなわち、時刻Ｔ１でプリントスイッチが押されると、
原稿を急速に所定位置まで搬送するために、原稿搬送用
モータが高速回転するから開動用電源の出力電流が大き
く上昇して第１のピークを形成する。

時刻Ｔ２以降は、駆動用電源から昇圧して得られる各チ
ャージャ等の高圧電源と、それぞれ緩速で移動するスキ
ャナフォーワード、用紙搬送であるから出力電流は比較
的少なく安定している。

時刻Ｔ３になると露光が終了し、用紙搬送は続行したま
まスキャナが高速リターンするので再び出力電流がアッ
プして第２のピークに入る。

時刻Ｔ４になると原稿の急速排出のため、消費電力が最
高になる。

すべての動作が終了した時刻Ｔ５以降は１時刻Ｔ１以前
と同様スタンバイ状態に戻る。

この第２図から明らかなように、スイッチングレギュレ
ータの駆動用電力がピークを示すのは時刻Ｔ１〜Ｔ２お
よび時刻Ｔ３〜Ｔ５の短時間であり、スタンバイ時間の
長い間欠使用は勿論のこと、スタンバイ時間が短かい連
続プリント状態でも時刻Ｔ２〜Ｔ３の比較的消費電力の
少ない安定期間の方がピーク時間より遥かに長い。

消費電力の極めて少ないスタンバイ時および比較的少な
い安定時に力率を改善しても、力率と電力効率との積で
あるＶＡ効率を消費電力とその時間積分を考慮した総合
的なＶＡ効率の向上にはあまり影響しないが、消費電力
がピークになる大電流出力時に力率を改善すれば非常に
有効である。

また、一般にチョークコイルのインダクタンスと電流容
量とを変えないまま小型化しようとすると、損失が増え
て発熱が大きくなる傾向があるので、放熱板や場合によ
っては冷却ファンが必要となって小型化の目的に合わな
くなる。

しかしながら、常時チョークコイルに電流を流さずにバ
イパスさせて置き、短時間のピーク時のみチョークコイ
ルを作動させるようにすれば、多少発熱が大きくなって
も、比較的無理なくチョークコイルを小型軽量化するこ
とが出来る。

ＤＣ−ＤＣコンバータ６のスイッチング周波数は数十乃
至数百ＫＨｚと高いので、トランス１０およびその２次
側に設けたチョークコイルＬｌ。

Ｌ２は電力の割に極めて小型であるが、商用５０〜６０
Ｈｚの交流電力を対象とするチョークコイル４は大型で
重く、コストも高いものになる。

このチョークコイル４を小型化する効果、および大電流
時に力率を改善することによるピーク電流の減少により
ダイオードブリッジ２の耐逆電圧。

最大許容順電流が小さくて済み、平滑コンデンサ３に流
れる無効電力が減少して発熱が抑制される効果は大きい
。

第３図は、この発明によるスイッチングレギュレータの
第２実施例を示す回路図であり、第１図に示した第１実
施例と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。

この第２実施例が第１実施例と異なる点は、チョークコ
イル４とトライアック５とからなる並列回路を交流電源
１とダイオードブリッジ２（の交流入力端子）との間に
設ける代りに、チョークコイル４とそのバイパススイッ
チであるトランジスタ９とからなる並列回路をダイオー
ドブリッジ２（の直流出力端子）と平滑コンデンサ３と
の間に設けたことであり、その効果は全く同じである。

すなわち、チョークコイルとそのバイパススイッチとか
らなる並列回路を交流電源１と平滑コンデンサ３との間
に設ければよく、整流素子であるダイオードブリッジ２
の前後は問題でない。

ただし、バイパススイッチとして、ダイオードブリッジ
２の前は交流回路側であるから双方向性のトライアック
５が、ダイオードブリッジ２の後は直流回路側であるか
ら（単方向性の）トランジスタ９がそれぞれ使用されて
いる。

第３図に示した第２実施例から明らかなように、このス
イッチングレギュレータにおいて、出力電流の大小に応
じて力率改善用のチョークコイル４をバイパスするか否
かということは、１次直流電力を平滑化するのにチョー
クインプット型とコンデンサインプット型の平滑回路を
選択することと同義である。

以上、このスイッチングレギュレータを複写機に組込ん
だ場合を例として説明したが、静電潜像技術により普通
紙上に画像を形成する画像形成装置すなわちデジタル複
写機、レーザプリンタ等の光プリンタ、高速ファクシミ
リ等の電源装置にも適用出来ることはいうまでもなく、
その他のピーク電力の消費時間の割合が通常電力の消費
時間に対して比較的短かい機器の直流電源装置として使
用することが出来る。

〔発明の効果〕

以上説明したように、この発明によるスイッチングレギ
ュレータは、出力電流が大きい時に初段の整流平滑回路
における充電ピーク電流を抑制して力率を改善し、総合
的にＶＡ効率を改善することが出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明によるスイッチングレギュレータの第
１実施例を示す回路図、 第２図は同じくその出力電流の変化例を示す線図、第３
図は同じくその第２実施例を示す回路図、第４図はスイ
ッチングレギュレータの従来例を示す回路図である。 １・・・交流電源 ２・・・ダイオードブリッジ（整流素子）３・平滑コン
デンサ　　　　４・・・チョークコイル５・・トライア
ック（バイパススイッチ）７・・制御回路 ９・・・トランジスタ（バイパススイッチ）１０・・・
トランス

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　交流電源から入力する交流電力を整流素子と平滑コ
   ンデンサとにより整流平滑し、その整流平滑された１次
   直流電力をトランスの１次巻線と直列に接続されたスイ
   ッチング素子によりオンオフし、前記トランスの２次巻
   線に誘起された電力をさらに整流平滑して得られた２次
   直流電力を出力すると共に、その２次直流電力の出力電
   圧に応じて前記スイッチング素子のデューティ比を制御
   することにより前記出力電圧を安定化するスイッチング
   レギュレータにおいて、 前記交流電源と前記平滑コンデンサとの間に、力率改善
   用のチョークコイルとそのバイパススイッチとからなる
   並列回路を直列に接続して設け、前記バイパススイッチ
   を、前記２次直流電力の出力電流が所定値以下の時はオ
   ンし、所定値を超えた時はオフするようにしたことを特
   徴とするスイッチングレギュレータ。