電源装置
【課題】出力負荷のバラツキおよびスイッチングレギュレータの製造バラツキによる電力効率バラツキが発生したときに、スイッチングレギュレータの内部損失を最小とする電源装置を提供する。
【解決手段】入力電圧を負荷に対応した出力電圧に変換して出力し、負荷に電力を供給するスイッチングレギュレータと、スイッチングレギュレータへの入力電圧を監視する入力電圧監視手段と、スイッチングレギュレータへの入力電流を監視する入力電流監視手段と、入力電圧と入力電流とに基づいて、スイッチングレギュレータへの入力電力を演算する入力電力演算手段と、出力電圧を出力後に演算された入力電力が、予め定められた目標消費電力を上回るか否かを判定する電力判定手段と、入力電力が予め定められた目標消費電力を上回ると判定したとき、スイッチングレギュレータの動作モードを、入力電力がより小さくなる動作モードに遷移させる動作モード制御手段と、を備えることを特徴とする。
【解決手段】入力電圧を負荷に対応した出力電圧に変換して出力し、負荷に電力を供給するスイッチングレギュレータと、スイッチングレギュレータへの入力電圧を監視する入力電圧監視手段と、スイッチングレギュレータへの入力電流を監視する入力電流監視手段と、入力電圧と入力電流とに基づいて、スイッチングレギュレータへの入力電力を演算する入力電力演算手段と、出力電圧を出力後に演算された入力電力が、予め定められた目標消費電力を上回るか否かを判定する電力判定手段と、入力電力が予め定められた目標消費電力を上回ると判定したとき、スイッチングレギュレータの動作モードを、入力電力がより小さくなる動作モードに遷移させる動作モード制御手段と、を備えることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電源装置に関し、例えばスキャナ・ファクシミリ・複写機などの機能を含む画像処理装置に用いられる電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気を使う各種装置を駆動させる電源装置には様々なレベルの電圧を出力する必要があり、様々なレベルの電圧を出力するための手段として、スイッチングレギュレータ，シリーズレギュレータがよく用いられる。スイッチングレギュレータは低消費電流時に効率が悪くなる特性を持つ。シリーズレギュレータは、入出力電位差により効率が決まるため、高電流出力時にレギュレータ損失が大きくなる特性を持つ。そのため、低消費電力化を実現するために、スイッチングレギュレータに関しては、低電流出力時にＦＥＴ駆動周波数を小さくするＰＦＭ（Pulse Frequency Modulation：パルス周波数変調）方式が用いられる。しかし、ＰＦＭ方式は消費電力を小さくすることができるが、出力電圧のリプル電圧が大きくなってしまう。そのため、ＰＦＭ方式のリプル電圧増加の問題を解決する方式として、出力電流を監視し、低消費電流時にはシリーズレギュレータ、高消費電流時にはスイッチングレギュレータに切り替える装置が知られている。
【０００３】
例えば、入力電圧の変化による変換効率の悪化を防止することのできるＤＣ−ＤＣコンバータを提供する目的で、入力電圧を電圧変換した出力電圧を一定に制御するスイッチングレギュレータおよびリニアレギュレータと、スイッチングレギュレータとリニアレギュレータのいずれか一方を動作させる制御回路とを備え、制御回路は、入力電圧，出力電圧，および出力電流を監視し、該監視結果に基づき、その出力電流において、スイッチングレギュレータとリニアレギュレータとで効率のよいレギュレータを選択して動作させるようにしたことを特徴とするＤＣ−ＤＣコンバータが開示されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−０８２２７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
出力電流を監視し、低消費電流時にはシリーズレギュレータ、高消費電流時にはスイッチングレギュレータに切り替える従来の構成では、電力効率を改善することはできるが、出力負荷のバラツキおよびスイッチングレギュレータの製造バラツキによる電流−電力効率バラツキを考慮していないため、この電力効率バラツキが発生したときに、スイッチングレギュレータの内部損失を最小に最適化することができないという問題がある。
【０００６】
特許文献１の構成は、確かにＤＣ−ＤＣコンバータの効率を改善する効果を奏するが、スイッチングレギュレータの製造バラツキおよび出力負荷のバラツキによる電流−電力効率バラツキを考慮していないため、この電力効率バラツキが発生したときに、スイッチングレギュレータの内部損失を最小に最適化することができないという問題は解消できていない。
【０００７】
上記問題点を背景として、本発明の課題は、出力負荷のバラツキおよびスイッチングレギュレータの製造バラツキによる電力効率バラツキが発生したときに、スイッチングレギュレータの内部損失を最小とする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および発明の効果】
【０００８】
上記課題を解決するための電源装置は、
入力電圧を負荷に対応した出力電圧に変換して出力し、負荷に電力を供給するスイッチングレギュレータと、スイッチングレギュレータへの入力電圧を監視する入力電圧監視手段と、スイッチングレギュレータへの入力電流を監視する入力電流監視手段と、入力電圧と入力電流とに基づいて、スイッチングレギュレータへの入力電力を演算する入力電力演算手段と、出力電圧を出力後に演算された入力電力が、予め定められた目標消費電力を上回るか否かを判定する電力判定手段と、入力電力が予め定められた目標消費電力を上回ると判定したとき、スイッチングレギュレータの動作モードを、入力電力がより小さくなる動作モードに遷移させる動作モード制御手段と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
上記構成によって、出力負荷のバラツキおよびスイッチングレギュレータの製造バラツキによる電力効率バラツキが発生したとしても、スイッチングレギュレータの内部損失を小さく最適化することができる。
【００１０】
また、本発明の電源装置は、スイッチングレギュレータの動作モードにおいて、スイッチングレギュレータの電流−電力効率分布の特性が良好な状態における出力電流を出力可能な動作モードをデフォルトの動作モードとする。
【００１１】
上記構成によって、動作モードを変動させる確率を小さくし、動作モード選定時に、電力効率が悪い箇所で使用する機会を減らし、スイッチングレギュレータの内部損失を小さく最適化することができる。
【００１２】
また、本発明の電源装置は、スイッチングレギュレータにおける平均消費電力量を演算する平均消費電力量演算手段を備え、動作モード制御手段は、スイッチングレギュレータにおける平均消費電力量を変化させることなく、該スイッチングレギュレータにおける瞬間的な消費電流を小さくするように該スイッチングレギュレータを動作させる。
【００１３】
上記構成によって、スイッチングレギュレータの電流−電力効率分布が集中している箇所よりも電流が小さい箇所で電力効率が高くなるレギュレータに対して、瞬間的な消費電流を小さくすることにより、スイッチングレギュレータの内部損失を小さく最適化することができる。また、瞬間的な消費電流を小さくするため、電源装置から放射する電磁波のエネルギーを小さくすることができる。
【００１４】
また、本発明の電源装置は、スイッチングレギュレータにおける平均消費電力量を演算する平均消費電力量演算手段を備え、動作モード制御手段は、スイッチングレギュレータにおける平均消費電力量を変化させることなく、該スイッチングレギュレータにおける瞬間的な消費電流を大きくするように該スイッチングレギュレータを動作させる。
【００１５】
上記構成によって、スイッチングレギュレータの電流−電力効率分布が集中している箇所よりも電流が大きい箇所で電力効率が高くなるレギュレータに対して、瞬間的な消費電流を大きくすることにより、スイッチングレギュレータの内部損失を小さく最適化することができる。
【００１６】
また、本発明の電源装置は、負荷における負荷抵抗を調整する負荷抵抗調整手段を備え、動作モード制御手段は、負荷抵抗を通常の状態より大きくし、スイッチングレギュレータにおける瞬間的な消費電流を大きくするように該スイッチングレギュレータを動作させる。
【００１７】
上記構成によっても、スイッチングレギュレータの電流−電力効率分布が集中している箇所よりも電流が大きい箇所で電力効率が高くなるレギュレータに対して、瞬間的な消費電流を大きくすることにより、スイッチングレギュレータの内部損失をより小さく最適化することができる。
【００１８】
また、本発明の電源装置における入力電流監視手段は、スイッチングレギュレータに対して入力電力が供給される経路である入力電力供給経路と直列に、抵抗値の低い低抵抗を接続し、その低抵抗において発生する電位差を増幅し、その電位差を増幅したものをＡＤ変換した結果を入力電流とする。
【００１９】
上記構成によって、入力電流を監視する時に発生する消費電力を抑えることができる。低抵抗を用いることで、低抵抗で発生する電位差を小さくすることができる。また、低抵抗で発生する電位差が小さくなったとしても、電圧増幅をすることで、ＡＤ変換器で電位差を測定することが可能となる。
【００２０】
また、本発明の電源装置はにおける入力電力供給経路は、低抵抗に並列に接続されたＦＥＴを含み、入力電流の監視を行わない場合、低抵抗に流れる電流をＦＥＴへバイパスする。
【００２１】
上記構成によって、入力電流を監視しないときに、低抵抗で発生する損失を抑制することができる。
【００２２】
また、本発明の電源装置は、スイッチングレギュレータの出力電流を監視する出力電流監視手段と、出力電流が異常であるか否かを判定する出力電流判定手段と、を備える。
【００２３】
上記構成によって、出力電流を監視することで、設計時に想定できなかった電流の挙動の検出をすることが可能となる。
【００２４】
また、本発明の電源装置は、出力電流が異常であると判定したときに、負荷への電力の供給を停止する電力供給停止手段を備える。
【００２５】
上記構成によって、異常電流が発生した時に、安全に電力の供給を止めることができる。
【００２６】
また、本発明の電源装置における動作モード制御手段は、出力電流が予め定められたピーク値を超えたときに、スイッチングレギュレータの動作モードを、出力電流がより小さくなる動作モードに遷移させる。
【００２７】
上記構成によって、電源装置から放射する電磁波のエネルギーを抑制することができる。
【００２８】
また、本発明の電源装置における動作モード制御手段は、前記出力電流が周波数毎に予め定められた出力電流の閾値を超えたときに、スイッチングレギュレータの動作モードを、閾値を超えた周波数においての電流値がより小さくなる動作モードに遷移させる。
【００２９】
上記構成によって、電源装置から放射する特定周波数の電磁波のエネルギーを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】電源装置の基本構成を示す図。
【図２】従来技術による電圧生成部の回路構成を示す図。
【図３】従来技術による電力供給を説明するフロー図。
【図４】スイッチングレギュレータの電力効率について説明する図。
【図５】本発明の電圧生成部の回路構成を示す図。
【図６】動作モード制御処理を説明するフロー図。
【図７】動作モードの一例を示す図。
【図８】本発明におけるスイッチングレギュレータの電力効率について説明する図。
【図９】入力電力検出部の別例を示す図。
【図１０】本発明の電圧生成部の回路構成を示す図（変形例）。
【図１１】出力電流異常判定処理を説明するフロー図。
【図１２】動作モード制御処理を説明するフロー図（変形例）。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下、本発明に係る電源装置の実施形態を、図面を参照しつつ説明する。図１に、電源装置の構成図を示す。図１のように、電源装置１００は、電力供給部１および電圧生成部２を含み、電力供給部１より電力を供給された電圧生成部２が、負荷３に応じて様々なレベルの電圧を生成・出力する。負荷３では、電圧生成部２からの電圧が入力され、ＣＰＵ４がＲＯＭ５に格納された内容に基づき、ＲＡＭ６を作業領域として動作し、そのＣＰＵ４を含む制御部３０が、メカ駆動部７，通信制御部８，センサ部９を制御する。なお、ＣＰＵ４が本発明の入力電力演算手段，入力電流監視手段，電力判定手段，動作モード制御手段，平均消費電力量演算手段，負荷抵抗調整手段，出力電流監視手段，出力電流判定手段，電力供給停止手段に相当する。
【００３２】
負荷３は、例えば、例えばスキャナ・ファクシミリ・複写機などの機能を併せ持つ画像処理装置の構成要素である。この場合、メカ駆動部７は原稿や用紙の搬送を行うものであり、通信制御部８はネットワーク通信あるいはＦａｘ通信を行うものであり、センサ部９は原稿や用紙の位置の検出を行うものである。
【００３３】
図２に、従来技術による電圧生成部２の回路構成を示す。電圧生成部２は、電力供給部１から供給される電圧ＶＣＣ０を用い、スイッチングレギュレータ（以下、ＲＥＧと表記）1（３１）によりＶＣＣ１を生成し、負荷４１に電力を供給している。なお、負荷４１は、制御部３０を含む。また、ＲＥＧ２（３２）によりＶＣＣ２を生成し、負荷４２に電力を供給している。なお、負荷４２は、ＣＰＵ４の外部Ｉ／Ｆ（図示せず），通信制御部８，センサ部９を含む。また、ＲＥＧ３（３３）によりＶＣＣ３を生成し、負荷４３に電力を供給している。なお、負荷４３は、メカ駆動部７を含む。
【００３４】
シリーズレギュレータと異なり、スイッチングレギュレータは出力電流が高い程、高電力効率が期待されるため、上述のようにスイッチングレギュレータを用いて、各負荷に応じた電源電圧を生成することが一般的である。
【００３５】
図３を用いて、従来技術による電力供給を説明する。電力供給部１からの電力の供給が開始されると（Ｓ１１）、スイッチングレギュレータを有する電圧生成部２は、各負荷（４１〜４３）に応じた電源電圧の生成を開始する（Ｓ１２）。そして、電圧生成部２から各負荷に該電源電圧が印加されて、各負荷の動作が開始する（Ｓ１３）。
【００３６】
図４を用いて、スイッチングレギュレータ（ＲＥＧ１〜ＲＥＧ３）の電力効率について説明する。スイッチングレギュレータは、上述のように各負荷（４１〜４３）の電源電圧（ＶＣＣ１〜ＶＣＣ３）の生成に用いられている。しかし、スイッチングレギュレータは製造上のバラツキにより、スイッチングレギュレータの負荷電流−電力効率特性にバラツキがある。この負荷電流−電力効率特性を適した箇所で使用しないと、スイッチングレギュレータの内部損失が大きくなり、無駄な消費電力が発生してしまう。
【００３７】
ここでは一例として、ＲＥＧ１（３１）（以下、ＲＥＧ１と表記）の製造バラツキによるスイッチングレギュレータの効率バラツキについて説明する。図４のように、ＲＥＧ１の出力電流Ｉと電力効率ηの関係は、グラフ６１のように表される。よって、負荷電流が、ＲＥＧ１の最大電力効率η１１（内部損失が最小になる）を得られるＩ１１となるようにＲＥＧ１を動作制御する。しかし、同じ負荷電流Ｉ１１でもＲＥＧ１の製造バラツキにより電力効率ηは異なり、出力電流Ｉと電力効率ηの関係がグラフ６２のように表される場合は、負荷電流がＩ１１のときの電力効率ηはη１２となり、最大電力効率は得られない。また、出力電流Ｉと電力効率ηの関係がグラフ６３のように表される場合は、負荷電流がＩ１１のときの電力効率ηはη１３となり、最大電力効率は得られない。このように、電力効率ηが低くなり、ＲＥＧ１の内部損失が大きくなってしまう。
【００３８】
また、図４において、負荷電流Iが変わることにより、ＲＥＧ１の電力効率ηが変わってしまうことも分かる。
【００３９】
上述のように、従来技術による電源供給方法では、スイッチングレギュレータの製造バラツキによる負荷電流−電力効率のバラツキを考慮していないため、出力負荷のバラツキおよびスイッチングレギュレータの製造バラツキによる電力効率のバラツキが発生したときに、スイッチングレギュレータの内部損失を最小に最適化することができないという問題があった。
【００４０】
以下、上記問題を解決するための本発明の構成について説明する。スイッチングレギュレータ（ＲＥＧ１，ＲＥＧ２，ＲＥＧ３）の内部損失を最小にする方法は、同一であるため、ここではＲＥＧ１を例に挙げてスイッチングレギュレータ１の内部損失を最小に最適化する方法を説明する。
【００４１】
まず、図５を用いて、電圧生成部２の詳細について説明する。電圧生成部２は、ＲＥＧ１（３１）の他に、入力電流検出抵抗３０１を含むＲＥＧ１の入力電流検出部３００，等価負荷３０５に一定の電力を出力するためのＲＥＧ１出力調整用コイル３０２，等価負荷３０５への電力供給を平準化するためのＲＥＧ１出力調整用ココンデンサ３０３を有する。そして、入力電流検出抵抗（本発明の低抵抗，以下「低抵抗」と表記）３０１の両端の電圧を増幅する増幅器であるＡＭＰ１を有する。そして、ＡＭＰ１の出力電圧をＡＤ変換器３３０に入力し、ＣＰＵ４にＲＥＧ１の入力電流情報を伝える等価負荷抵抗３０６および等価負荷コンデンサ３０７を最適に制御する。なお、入力電流検出部３００，ＡＭＰ１，ＡＤ変換器３３０，およびＣＰＵ４が本発明の入力電流監視手段に相当する。
【００４２】
３４０は、ＣＰＵ４の等価負荷３０５に対する制御線を示したものである。この制御線３４０により、ＣＰＵ４は等価負荷３０５に対して例えば以下のような制御を行う。
・動作モードの変更（例えば、図７の動作モードＡ，Ｂ，Ｃのように変更）。
【００４３】
本発明の電源生成部２を用いて入力電力を計測する方法を説明する。低抵抗３０１の両端（Ｎ３００，Ｎ３０１：入力電力供給経路）の電位差をＲＥＧ１（３１）の入力電流検出電圧増幅用オペアンプ（以下、「オペアンプ」と略称）３１４にて増幅し、ＡＤ変換器３３０に入力する。ここで、オペアンプ３１４の電圧増幅調整用抵抗３１０，３１２の値を１０ｋΩとし、電圧増幅調整用抵抗３１１，３１３の値を１ｋΩとすると、低抵抗３０１の両端の電位差の１０倍の値がＡＤ変換器３３０に入力される。
【００４４】
上述の構成により、低抵抗３０１の抵抗値は既知であるため、ＡＤ変換器３３０への入力電圧情報を元に、（低抵抗３０１の両端の電位差）／（低抵抗３０１の抵抗値）を求めることにより、ＲＥＧ１の入力電流を検出することができる。なお、ＡＤ変換器３３０が本発明の入力電圧監視手段に相当する。
【００４５】
また、ＲＥＧ１への入力電圧ＶＣＣ０’をＡＤ変換器３３０へ入力することにより、ＲＥＧ１への入力電圧を計測することができる。よって、ＣＰＵ４において、ＡＤ変換後の（ＲＥＧ１の入力電流）×（ＲＥＧ１への入力電圧）を算出することで、ＲＥＧ１の入力電力をリアルタイムで監視することが可能となる。
【００４６】
図６を用いて、算出した入力電力情報を基に、ＲＥＧ１の内部損失を最小に最適化する、ＣＰＵ４が実行する動作モード制御処理について説明する。従来の方法（図３参照）と異なる点は、動作モード選定（ステップＳ２０１），入力電力算出（ステップＳ２０２），目標消費電力判定（ステップＳ２０３），動作モード確定（ステップＳ２０４）が追加された点である（ステップＳ２００，Ｓ２０５については別途後述）。以下、これらの詳細を説明し、図３と同一の構成については説明を割愛する。
【００４７】
まず、図３と同様に、電力供給部１からの電力の供給が開始されると（Ｓ１１）、電圧生成部２は、等価負荷３０５に応じた電源電圧の生成を開始する（Ｓ１２）。次に、ＣＰＵ４は、予めＲＯＭ５に格納されている初期設定動作モード（本発明の「デフォルトの動作モード」）にしたがってＲＥＧ１を動作させる（Ｓ２０１）。
【００４８】
動作モードとは、図７のように、どれだけの出力電流をどのようなタイミングで出力するかを定めたものである。例えば、動作モードＡは、時間ｔ１をおいて出力電流Ｉ１を時間Ｔ１の間、連続して出力する。動作モードＢは、周期Ｔ２で出力電流Ｉ２を時間ｔ２の間出力する。動作モードＣは、周期Ｔ３で出力電流Ｉ３を時間ｔ３の間出力する。
【００４９】
初期動作モードは、スイッチングレギュレータを多数用意したときに、スイッチングレギュレータの電流−電力効率分布の特性が良い箇所が集中している出力電流が得られるような動作モードを設定することが望ましい。これにより、動作モードを変動させる確率を小さくし、動作モード選定時に、電力効率が悪い箇所で使用する機会を減らし、スイッチングレギュレータの内部損失を小さく最適なものとすることができる。
【００５０】
図６に戻り、上述の方法で、ＣＰＵ４は、この初期設定動作モードで動作中のＲＥＧ１における入力電力を算出する（Ｓ２０２）。そして、ＣＰＵ４は、入力電力が予めＲＯＭ５に格納されている目標消費電力以下であるか否かを判定する。例えば、動作モード時間をＴ０(例えば1分)と設定し、［（ＶＣＣ０×Ｉ１ｉｎ＋ＶＣＣ０×Ｉ２ｉｎ＋ＶＣＣ０×Ｉ３ｉｎ）×ｔ］をＴ０時間積分した値（動作モード時間における入力電力）と、目標消費電力とを比較して判定する。ここで、ＶＣＣ０：電力供給部１から供給される電圧，Ｉ１ｉｎ：ＲＥＧ１の入力電流，Ｉ２ｉｎ：ＲＥＧ２の入力電流，Ｉ３ｉｎ：ＲＥＧ３の入力電流、となっている。
【００５１】
図６に戻り、入力電力が目標消費電力以下であるとき（Ｓ２０３：Ｙｅｓ）、ＣＰＵ４は、初期設定動作モードを現在の動作モードとして確定する（Ｓ２０４）。その後、ＣＰＵ４の制御指令により、等価負荷３０５に該電源電圧が印加されて等価負荷３０５の動作が開始される（Ｓ１３）。
【００５２】
一方、入力電力が目標消費電力を上回るとき（Ｓ２０３：Ｎｏ）、ＣＰＵ４は、ステップＳ２０１に戻り、他の動作モード（初期設定動作モードが動作モードＡであれば、動作モードＢあるいはＣ）を選定し、入力電力の算出（Ｓ２０２），入力電力と目標消費電力との比較（Ｓ２０３）を、入力電力が目標消費電力以下となるまで行う。これにより、負荷のバラツキに応じ、スイッチングレギュレータの内部損失を最小に最適化できる動作モードを決定できる。
【００５３】
入力電力が目標消費電力を上回るとき（Ｓ２０３：Ｎｏ）、ステップＳ２０１において、他の動作モードを選定する代わりに、現在の動作モードにおいて、出力電流の値あるいは出力電流の出力タイミング（出力時間，周期）を変更してもよい。
【００５４】
また、入力電力が目標消費電力を上回るとき、負荷（すなわち等価負荷３０５）に可変抵抗（図示せず）を含む構成とし、入力電力が目標消費電力を上回るとき（Ｓ２０３：Ｎｏ）、ＣＰＵ４の制御により可変抵抗の値を変化させることで、スイッチングレギュレータの瞬間的な消費電力を大きくするようにしてもよい。
【００５５】
なお、上記処理は、電力供給中に、予め定められたタイミングで繰り返し実行するようにしてもよい。
【００５６】
図８を用いて、図５の構成におけるスイッチングレギュレータ（ＲＥＧ１，ＲＥＧ２，ＲＥＧ３）の電力効率ηについて、ＲＥＧ１を例に挙げて説明する。製造バラツキによりＲＥＧ１の電力効率ηがばらついたとしても、ＲＥＧ１の動作モードを負荷電流Ａ，負荷電流Ｂ，負荷電流Ｃとなる状態に順次変化させ、目標消費電力判定（図６のステップＳ２０３）を実施することにより、ＲＥＧ１の損失電力がより小さくなる動作モードを決定することができる。
【００５７】
最適電力効率η０が、ＲＥＧ１の内部損失が最小となる効率とすると、ＲＥＧ１の負荷電流Ｉと電力効率ηとの関係がグラフ６１で表される場合、動作モードを変化すなわち負荷電流Ｉを変化させることにより、最適電力効率η０を得られる負荷電流Ａを見つけ、この状態を新たな動作モードとしてＲＥＧ１を動作させる。同様に、ＲＥＧ１の負荷電流Ｉと電力効率ηとの関係がグラフ６３で表される場合、負荷電流Ｉを変化させることにより、最適電力効率η０を得られる負荷電流Ｃを見つけ、この状態を新たな動作モードとしてＲＥＧ１を動作させる。こうすることで、スイッチングレギュレータおよび負荷のバラツキに応じ、スイッチングレギュレータの内部損失を小さく最適化できる。
【００５８】
図９を用いて、図５の電圧生成部２に含まれる入力電力検出部３００の構成の別例について説明する。入力電力供給経路（Ｎ（ノード）３００，Ｎ３０１間）に含まれる入力電流検出用の低抵抗３０１には、バイパス用のＰチャネルＦＥＴ４００が並列に接続されている。そして、例えばＣＰＵ４から制御信号ＳＩＧ１が、トランジスタ４１３や抵抗４１１，４１２を含むスイッチング回路４１０に入力され、スイッチング回路４１０からの出力信号に基づいてＦＥＴ４００をＯＮ／ＯＦＦさせる。
【００５９】
ここで、ＲＥＧ１の入力電流を検出しないときに（例えば、図６のステップＳ２０５のタイミング）、ＦＥＴ４００をＯＮ状態とするための制御信号ＳＩＧ１を、ＣＰＵ４からスイッチング回路４１０に出力する。ＦＥＴ４００の内部抵抗は、低抵抗３０１の値に比べて十分低いので、電流は全てＦＥＴ４００を流れ、低抵抗３０１で電力を消費することを防ぐことが可能となる。
【００６０】
一方、ＲＥＧ１の入力電流を検出するときは（例えば、図６のステップＳ２００のタイミング）、ＦＥＴ４００をＯＦＦ状態とするための制御信号ＳＩＧ１を、ＣＰＵ４からスイッチング回路４１０に出力する。これにより、電流は全て低抵抗３０１を流れ、ＲＥＧ１の入力電流を検出することが可能となる。
【００６１】
図１０を用いて、本発明の構成の別例について説明する。なお、本構成は、図５の変形例であるため、図５と同様の構成のものについては同一の符号を付記し、ここでの詳細な説明は割愛する。図５の構成と異なる点は、ＲＥＧ１の出力電流検出用抵抗（以下、単に「抵抗」と称する）３０４，およびＡＭＰ２（構成はＡＭＰ１と同様）が追加されていることである。なお、ＡＤ変換器３３０，ＣＰＵ４，出力電流検出用抵抗３０４，およびＡＭＰ２が本発明の出力電流監視手段に相当する。
【００６２】
図１０の構成において、抵抗３０４の両端に発生する電圧をＡＭＰ２により所定の増幅率で増幅し、ＡＤ変換器３３０に入力してＡＤ変換を行うことで、該電圧を算出することができる。ＣＰＵ４で該電圧を抵抗３０４の既知の値で割ることにより、ＲＥＧ１の出力電流を算出することができる。また、ＲＥＧ１の出力電流とＲＥＧ１の出力電圧ＶＣＣ１’との積を、ＲＥＧ１の出力電力とすることができる。
【００６３】
図１１を用いて、ＣＰＵ４が実行する出力電流異常判定処理について説明する。まず、上述の方法を用いてＲＥＧ１における出力電流を算出する（Ｓ３１）。次に、出力電流が異常か否かを判定する。例えば、出力電流が予め定められた閾値を超えた状態が予め定められた時間連続したときに、出力電流が異常であると判定する。出力電流が異常であると判定されたとき（Ｓ３２：Ｙｅｓ）、ＣＰＵ４は、ＲＥＧ１の等価負荷３０５に対する電源の供給を停止させる（Ｓ３３）。
【００６４】
図１２を用いて、図１０の構成における動作モード制御処理について説明する。なお、本処理は、図６の変形例であるため、図６と同様の構成のものについては同一の符号を付記し、ここでの詳細な説明は割愛する。
【００６５】
まず、図６と同様に、電力供給部１からの電力の供給が開始されると（Ｓ１１）、電圧生成部２は、等価負荷３０５に応じた電源電圧の生成を開始する（Ｓ１２）。次に、ＣＰＵ４は、予めＲＯＭ５に格納されている初期設定動作モードにしたがってＲＥＧ１を動作させる（Ｓ２０１）。
【００６６】
次に、上述の方法で、ＣＰＵ４は、この初期設定動作モードで動作中のＲＥＧ１における出力電流を算出する（Ｓ２０２ａ）。続いて、ＣＰＵ４は、例えば、出力電流のＦＦＴ（Fast Fourier Transform：高速フーリエ変換）演算結果により周波数毎の出力電流を算出する（Ｓ２０２ｂ）。
【００６７】
そして、ＣＰＵ４は、動作モードを変更する必要があるか否かを判定する。例えば、以下の少なくとも１つが成立したときに、動作モードを変更する必要があると判定する。
・出力電流が予め定められたピーク値を超えたとき。
・周波数毎の出力電流に予め定められた出力電流の閾値を超えたとき
【００６８】
動作モードを変更する必要がないとき（Ｓ２０３ａ：Ｙｅｓ）、ＣＰＵ４は、初期設定動作モードを現在の動作モードとして確定する（Ｓ２０４）。その後、ＣＰＵ４の制御指令により、等価負荷３０５に該電源電圧が印加されて動作が開始する（Ｓ１３）。
【００６９】
一方、動作モードを変更する必要があるとき（Ｓ２０３ａ：Ｎｏ）、ＣＰＵ４は、ステップＳ２０１に戻り、他の動作モード（例えば、初期設定動作モードが動作モードＡであれば、動作モードＢあるいはＣ）を選定し、出力電流の算出（Ｓ２０２ａ），周波数毎の出力電流の測定（Ｓ２０２ｂ），動作モードを変更するか否かの判定（Ｓ２０３）を、動作モードを変更する必要がなくなるまで行う。
【００７０】
無論、図１０の構成において、入力電流検出用の低抵抗３０１に、バイパス用のＰチャネルＦＥＴ４００を並列に接続してもよい。この場合、図１２のステップＳ２０１の前（図６のステップＳ２００のタイミングと同様）でＦＥＴ４００をＯＦＦ状態とし、図１２のステップＳ２０４の後（図６のステップＳ２０５のタイミングと同様）でＦＥＴ４００をＯＮ状態とする。
【００７１】
以上、本発明の実施の形態を説明したが、これらはあくまで例示にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、特許請求の範囲の趣旨を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づく種々の変更が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００７２】
画像処理装置以外の、スイッチングレギュレータを用いる装置にも適用できる。
【符号の説明】
【００７３】
１ 電力供給部
２ 電圧生成部
３ 負荷
４ ＣＰＵ（入力電力演算手段，入力電流監視手段，電力判定手段，動作モード制御手段，平均消費電力量演算手段，負荷抵抗調整手段，出力電流監視手段，出力電流判定手段，電力供給停止手段）
３１ スイッチングレギュレータ１（ＲＥＧ１）
４１〜４３ 負荷
３００ 入力電流検出部（入力電流監視手段）
３０１ 入力電流検出抵抗（低抵抗）
３０４ 出力電流検出用抵抗（出力電流監視手段）
３０５ 等価負荷
３３０ ＡＤ変換器（入力電圧監視手段，入力電流監視手段，出力電流監視手段）
４００ ＦＥＴ
ＡＭＰ１ 増幅器（入力電流監視手段）
ＡＭＰ２ 増幅器（出力電流監視手段）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電源装置に関し、例えばスキャナ・ファクシミリ・複写機などの機能を含む画像処理装置に用いられる電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気を使う各種装置を駆動させる電源装置には様々なレベルの電圧を出力する必要があり、様々なレベルの電圧を出力するための手段として、スイッチングレギュレータ，シリーズレギュレータがよく用いられる。スイッチングレギュレータは低消費電流時に効率が悪くなる特性を持つ。シリーズレギュレータは、入出力電位差により効率が決まるため、高電流出力時にレギュレータ損失が大きくなる特性を持つ。そのため、低消費電力化を実現するために、スイッチングレギュレータに関しては、低電流出力時にＦＥＴ駆動周波数を小さくするＰＦＭ（Pulse Frequency Modulation：パルス周波数変調）方式が用いられる。しかし、ＰＦＭ方式は消費電力を小さくすることができるが、出力電圧のリプル電圧が大きくなってしまう。そのため、ＰＦＭ方式のリプル電圧増加の問題を解決する方式として、出力電流を監視し、低消費電流時にはシリーズレギュレータ、高消費電流時にはスイッチングレギュレータに切り替える装置が知られている。
【０００３】
例えば、入力電圧の変化による変換効率の悪化を防止することのできるＤＣ−ＤＣコンバータを提供する目的で、入力電圧を電圧変換した出力電圧を一定に制御するスイッチングレギュレータおよびリニアレギュレータと、スイッチングレギュレータとリニアレギュレータのいずれか一方を動作させる制御回路とを備え、制御回路は、入力電圧，出力電圧，および出力電流を監視し、該監視結果に基づき、その出力電流において、スイッチングレギュレータとリニアレギュレータとで効率のよいレギュレータを選択して動作させるようにしたことを特徴とするＤＣ−ＤＣコンバータが開示されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−０８２２７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
出力電流を監視し、低消費電流時にはシリーズレギュレータ、高消費電流時にはスイッチングレギュレータに切り替える従来の構成では、電力効率を改善することはできるが、出力負荷のバラツキおよびスイッチングレギュレータの製造バラツキによる電流−電力効率バラツキを考慮していないため、この電力効率バラツキが発生したときに、スイッチングレギュレータの内部損失を最小に最適化することができないという問題がある。
【０００６】
特許文献１の構成は、確かにＤＣ−ＤＣコンバータの効率を改善する効果を奏するが、スイッチングレギュレータの製造バラツキおよび出力負荷のバラツキによる電流−電力効率バラツキを考慮していないため、この電力効率バラツキが発生したときに、スイッチングレギュレータの内部損失を最小に最適化することができないという問題は解消できていない。
【０００７】
上記問題点を背景として、本発明の課題は、出力負荷のバラツキおよびスイッチングレギュレータの製造バラツキによる電力効率バラツキが発生したときに、スイッチングレギュレータの内部損失を最小とする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および発明の効果】
【０００８】
上記課題を解決するための電源装置は、
入力電圧を負荷に対応した出力電圧に変換して出力し、負荷に電力を供給するスイッチングレギュレータと、スイッチングレギュレータへの入力電圧を監視する入力電圧監視手段と、スイッチングレギュレータへの入力電流を監視する入力電流監視手段と、入力電圧と入力電流とに基づいて、スイッチングレギュレータへの入力電力を演算する入力電力演算手段と、出力電圧を出力後に演算された入力電力が、予め定められた目標消費電力を上回るか否かを判定する電力判定手段と、入力電力が予め定められた目標消費電力を上回ると判定したとき、スイッチングレギュレータの動作モードを、入力電力がより小さくなる動作モードに遷移させる動作モード制御手段と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
上記構成によって、出力負荷のバラツキおよびスイッチングレギュレータの製造バラツキによる電力効率バラツキが発生したとしても、スイッチングレギュレータの内部損失を小さく最適化することができる。
【００１０】
また、本発明の電源装置は、スイッチングレギュレータの動作モードにおいて、スイッチングレギュレータの電流−電力効率分布の特性が良好な状態における出力電流を出力可能な動作モードをデフォルトの動作モードとする。
【００１１】
上記構成によって、動作モードを変動させる確率を小さくし、動作モード選定時に、電力効率が悪い箇所で使用する機会を減らし、スイッチングレギュレータの内部損失を小さく最適化することができる。
【００１２】
また、本発明の電源装置は、スイッチングレギュレータにおける平均消費電力量を演算する平均消費電力量演算手段を備え、動作モード制御手段は、スイッチングレギュレータにおける平均消費電力量を変化させることなく、該スイッチングレギュレータにおける瞬間的な消費電流を小さくするように該スイッチングレギュレータを動作させる。
【００１３】
上記構成によって、スイッチングレギュレータの電流−電力効率分布が集中している箇所よりも電流が小さい箇所で電力効率が高くなるレギュレータに対して、瞬間的な消費電流を小さくすることにより、スイッチングレギュレータの内部損失を小さく最適化することができる。また、瞬間的な消費電流を小さくするため、電源装置から放射する電磁波のエネルギーを小さくすることができる。
【００１４】
また、本発明の電源装置は、スイッチングレギュレータにおける平均消費電力量を演算する平均消費電力量演算手段を備え、動作モード制御手段は、スイッチングレギュレータにおける平均消費電力量を変化させることなく、該スイッチングレギュレータにおける瞬間的な消費電流を大きくするように該スイッチングレギュレータを動作させる。
【００１５】
上記構成によって、スイッチングレギュレータの電流−電力効率分布が集中している箇所よりも電流が大きい箇所で電力効率が高くなるレギュレータに対して、瞬間的な消費電流を大きくすることにより、スイッチングレギュレータの内部損失を小さく最適化することができる。
【００１６】
また、本発明の電源装置は、負荷における負荷抵抗を調整する負荷抵抗調整手段を備え、動作モード制御手段は、負荷抵抗を通常の状態より大きくし、スイッチングレギュレータにおける瞬間的な消費電流を大きくするように該スイッチングレギュレータを動作させる。
【００１７】
上記構成によっても、スイッチングレギュレータの電流−電力効率分布が集中している箇所よりも電流が大きい箇所で電力効率が高くなるレギュレータに対して、瞬間的な消費電流を大きくすることにより、スイッチングレギュレータの内部損失をより小さく最適化することができる。
【００１８】
また、本発明の電源装置における入力電流監視手段は、スイッチングレギュレータに対して入力電力が供給される経路である入力電力供給経路と直列に、抵抗値の低い低抵抗を接続し、その低抵抗において発生する電位差を増幅し、その電位差を増幅したものをＡＤ変換した結果を入力電流とする。
【００１９】
上記構成によって、入力電流を監視する時に発生する消費電力を抑えることができる。低抵抗を用いることで、低抵抗で発生する電位差を小さくすることができる。また、低抵抗で発生する電位差が小さくなったとしても、電圧増幅をすることで、ＡＤ変換器で電位差を測定することが可能となる。
【００２０】
また、本発明の電源装置はにおける入力電力供給経路は、低抵抗に並列に接続されたＦＥＴを含み、入力電流の監視を行わない場合、低抵抗に流れる電流をＦＥＴへバイパスする。
【００２１】
上記構成によって、入力電流を監視しないときに、低抵抗で発生する損失を抑制することができる。
【００２２】
また、本発明の電源装置は、スイッチングレギュレータの出力電流を監視する出力電流監視手段と、出力電流が異常であるか否かを判定する出力電流判定手段と、を備える。
【００２３】
上記構成によって、出力電流を監視することで、設計時に想定できなかった電流の挙動の検出をすることが可能となる。
【００２４】
また、本発明の電源装置は、出力電流が異常であると判定したときに、負荷への電力の供給を停止する電力供給停止手段を備える。
【００２５】
上記構成によって、異常電流が発生した時に、安全に電力の供給を止めることができる。
【００２６】
また、本発明の電源装置における動作モード制御手段は、出力電流が予め定められたピーク値を超えたときに、スイッチングレギュレータの動作モードを、出力電流がより小さくなる動作モードに遷移させる。
【００２７】
上記構成によって、電源装置から放射する電磁波のエネルギーを抑制することができる。
【００２８】
また、本発明の電源装置における動作モード制御手段は、前記出力電流が周波数毎に予め定められた出力電流の閾値を超えたときに、スイッチングレギュレータの動作モードを、閾値を超えた周波数においての電流値がより小さくなる動作モードに遷移させる。
【００２９】
上記構成によって、電源装置から放射する特定周波数の電磁波のエネルギーを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】電源装置の基本構成を示す図。
【図２】従来技術による電圧生成部の回路構成を示す図。
【図３】従来技術による電力供給を説明するフロー図。
【図４】スイッチングレギュレータの電力効率について説明する図。
【図５】本発明の電圧生成部の回路構成を示す図。
【図６】動作モード制御処理を説明するフロー図。
【図７】動作モードの一例を示す図。
【図８】本発明におけるスイッチングレギュレータの電力効率について説明する図。
【図９】入力電力検出部の別例を示す図。
【図１０】本発明の電圧生成部の回路構成を示す図（変形例）。
【図１１】出力電流異常判定処理を説明するフロー図。
【図１２】動作モード制御処理を説明するフロー図（変形例）。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下、本発明に係る電源装置の実施形態を、図面を参照しつつ説明する。図１に、電源装置の構成図を示す。図１のように、電源装置１００は、電力供給部１および電圧生成部２を含み、電力供給部１より電力を供給された電圧生成部２が、負荷３に応じて様々なレベルの電圧を生成・出力する。負荷３では、電圧生成部２からの電圧が入力され、ＣＰＵ４がＲＯＭ５に格納された内容に基づき、ＲＡＭ６を作業領域として動作し、そのＣＰＵ４を含む制御部３０が、メカ駆動部７，通信制御部８，センサ部９を制御する。なお、ＣＰＵ４が本発明の入力電力演算手段，入力電流監視手段，電力判定手段，動作モード制御手段，平均消費電力量演算手段，負荷抵抗調整手段，出力電流監視手段，出力電流判定手段，電力供給停止手段に相当する。
【００３２】
負荷３は、例えば、例えばスキャナ・ファクシミリ・複写機などの機能を併せ持つ画像処理装置の構成要素である。この場合、メカ駆動部７は原稿や用紙の搬送を行うものであり、通信制御部８はネットワーク通信あるいはＦａｘ通信を行うものであり、センサ部９は原稿や用紙の位置の検出を行うものである。
【００３３】
図２に、従来技術による電圧生成部２の回路構成を示す。電圧生成部２は、電力供給部１から供給される電圧ＶＣＣ０を用い、スイッチングレギュレータ（以下、ＲＥＧと表記）1（３１）によりＶＣＣ１を生成し、負荷４１に電力を供給している。なお、負荷４１は、制御部３０を含む。また、ＲＥＧ２（３２）によりＶＣＣ２を生成し、負荷４２に電力を供給している。なお、負荷４２は、ＣＰＵ４の外部Ｉ／Ｆ（図示せず），通信制御部８，センサ部９を含む。また、ＲＥＧ３（３３）によりＶＣＣ３を生成し、負荷４３に電力を供給している。なお、負荷４３は、メカ駆動部７を含む。
【００３４】
シリーズレギュレータと異なり、スイッチングレギュレータは出力電流が高い程、高電力効率が期待されるため、上述のようにスイッチングレギュレータを用いて、各負荷に応じた電源電圧を生成することが一般的である。
【００３５】
図３を用いて、従来技術による電力供給を説明する。電力供給部１からの電力の供給が開始されると（Ｓ１１）、スイッチングレギュレータを有する電圧生成部２は、各負荷（４１〜４３）に応じた電源電圧の生成を開始する（Ｓ１２）。そして、電圧生成部２から各負荷に該電源電圧が印加されて、各負荷の動作が開始する（Ｓ１３）。
【００３６】
図４を用いて、スイッチングレギュレータ（ＲＥＧ１〜ＲＥＧ３）の電力効率について説明する。スイッチングレギュレータは、上述のように各負荷（４１〜４３）の電源電圧（ＶＣＣ１〜ＶＣＣ３）の生成に用いられている。しかし、スイッチングレギュレータは製造上のバラツキにより、スイッチングレギュレータの負荷電流−電力効率特性にバラツキがある。この負荷電流−電力効率特性を適した箇所で使用しないと、スイッチングレギュレータの内部損失が大きくなり、無駄な消費電力が発生してしまう。
【００３７】
ここでは一例として、ＲＥＧ１（３１）（以下、ＲＥＧ１と表記）の製造バラツキによるスイッチングレギュレータの効率バラツキについて説明する。図４のように、ＲＥＧ１の出力電流Ｉと電力効率ηの関係は、グラフ６１のように表される。よって、負荷電流が、ＲＥＧ１の最大電力効率η１１（内部損失が最小になる）を得られるＩ１１となるようにＲＥＧ１を動作制御する。しかし、同じ負荷電流Ｉ１１でもＲＥＧ１の製造バラツキにより電力効率ηは異なり、出力電流Ｉと電力効率ηの関係がグラフ６２のように表される場合は、負荷電流がＩ１１のときの電力効率ηはη１２となり、最大電力効率は得られない。また、出力電流Ｉと電力効率ηの関係がグラフ６３のように表される場合は、負荷電流がＩ１１のときの電力効率ηはη１３となり、最大電力効率は得られない。このように、電力効率ηが低くなり、ＲＥＧ１の内部損失が大きくなってしまう。
【００３８】
また、図４において、負荷電流Iが変わることにより、ＲＥＧ１の電力効率ηが変わってしまうことも分かる。
【００３９】
上述のように、従来技術による電源供給方法では、スイッチングレギュレータの製造バラツキによる負荷電流−電力効率のバラツキを考慮していないため、出力負荷のバラツキおよびスイッチングレギュレータの製造バラツキによる電力効率のバラツキが発生したときに、スイッチングレギュレータの内部損失を最小に最適化することができないという問題があった。
【００４０】
以下、上記問題を解決するための本発明の構成について説明する。スイッチングレギュレータ（ＲＥＧ１，ＲＥＧ２，ＲＥＧ３）の内部損失を最小にする方法は、同一であるため、ここではＲＥＧ１を例に挙げてスイッチングレギュレータ１の内部損失を最小に最適化する方法を説明する。
【００４１】
まず、図５を用いて、電圧生成部２の詳細について説明する。電圧生成部２は、ＲＥＧ１（３１）の他に、入力電流検出抵抗３０１を含むＲＥＧ１の入力電流検出部３００，等価負荷３０５に一定の電力を出力するためのＲＥＧ１出力調整用コイル３０２，等価負荷３０５への電力供給を平準化するためのＲＥＧ１出力調整用ココンデンサ３０３を有する。そして、入力電流検出抵抗（本発明の低抵抗，以下「低抵抗」と表記）３０１の両端の電圧を増幅する増幅器であるＡＭＰ１を有する。そして、ＡＭＰ１の出力電圧をＡＤ変換器３３０に入力し、ＣＰＵ４にＲＥＧ１の入力電流情報を伝える等価負荷抵抗３０６および等価負荷コンデンサ３０７を最適に制御する。なお、入力電流検出部３００，ＡＭＰ１，ＡＤ変換器３３０，およびＣＰＵ４が本発明の入力電流監視手段に相当する。
【００４２】
３４０は、ＣＰＵ４の等価負荷３０５に対する制御線を示したものである。この制御線３４０により、ＣＰＵ４は等価負荷３０５に対して例えば以下のような制御を行う。
・動作モードの変更（例えば、図７の動作モードＡ，Ｂ，Ｃのように変更）。
【００４３】
本発明の電源生成部２を用いて入力電力を計測する方法を説明する。低抵抗３０１の両端（Ｎ３００，Ｎ３０１：入力電力供給経路）の電位差をＲＥＧ１（３１）の入力電流検出電圧増幅用オペアンプ（以下、「オペアンプ」と略称）３１４にて増幅し、ＡＤ変換器３３０に入力する。ここで、オペアンプ３１４の電圧増幅調整用抵抗３１０，３１２の値を１０ｋΩとし、電圧増幅調整用抵抗３１１，３１３の値を１ｋΩとすると、低抵抗３０１の両端の電位差の１０倍の値がＡＤ変換器３３０に入力される。
【００４４】
上述の構成により、低抵抗３０１の抵抗値は既知であるため、ＡＤ変換器３３０への入力電圧情報を元に、（低抵抗３０１の両端の電位差）／（低抵抗３０１の抵抗値）を求めることにより、ＲＥＧ１の入力電流を検出することができる。なお、ＡＤ変換器３３０が本発明の入力電圧監視手段に相当する。
【００４５】
また、ＲＥＧ１への入力電圧ＶＣＣ０’をＡＤ変換器３３０へ入力することにより、ＲＥＧ１への入力電圧を計測することができる。よって、ＣＰＵ４において、ＡＤ変換後の（ＲＥＧ１の入力電流）×（ＲＥＧ１への入力電圧）を算出することで、ＲＥＧ１の入力電力をリアルタイムで監視することが可能となる。
【００４６】
図６を用いて、算出した入力電力情報を基に、ＲＥＧ１の内部損失を最小に最適化する、ＣＰＵ４が実行する動作モード制御処理について説明する。従来の方法（図３参照）と異なる点は、動作モード選定（ステップＳ２０１），入力電力算出（ステップＳ２０２），目標消費電力判定（ステップＳ２０３），動作モード確定（ステップＳ２０４）が追加された点である（ステップＳ２００，Ｓ２０５については別途後述）。以下、これらの詳細を説明し、図３と同一の構成については説明を割愛する。
【００４７】
まず、図３と同様に、電力供給部１からの電力の供給が開始されると（Ｓ１１）、電圧生成部２は、等価負荷３０５に応じた電源電圧の生成を開始する（Ｓ１２）。次に、ＣＰＵ４は、予めＲＯＭ５に格納されている初期設定動作モード（本発明の「デフォルトの動作モード」）にしたがってＲＥＧ１を動作させる（Ｓ２０１）。
【００４８】
動作モードとは、図７のように、どれだけの出力電流をどのようなタイミングで出力するかを定めたものである。例えば、動作モードＡは、時間ｔ１をおいて出力電流Ｉ１を時間Ｔ１の間、連続して出力する。動作モードＢは、周期Ｔ２で出力電流Ｉ２を時間ｔ２の間出力する。動作モードＣは、周期Ｔ３で出力電流Ｉ３を時間ｔ３の間出力する。
【００４９】
初期動作モードは、スイッチングレギュレータを多数用意したときに、スイッチングレギュレータの電流−電力効率分布の特性が良い箇所が集中している出力電流が得られるような動作モードを設定することが望ましい。これにより、動作モードを変動させる確率を小さくし、動作モード選定時に、電力効率が悪い箇所で使用する機会を減らし、スイッチングレギュレータの内部損失を小さく最適なものとすることができる。
【００５０】
図６に戻り、上述の方法で、ＣＰＵ４は、この初期設定動作モードで動作中のＲＥＧ１における入力電力を算出する（Ｓ２０２）。そして、ＣＰＵ４は、入力電力が予めＲＯＭ５に格納されている目標消費電力以下であるか否かを判定する。例えば、動作モード時間をＴ０(例えば1分)と設定し、［（ＶＣＣ０×Ｉ１ｉｎ＋ＶＣＣ０×Ｉ２ｉｎ＋ＶＣＣ０×Ｉ３ｉｎ）×ｔ］をＴ０時間積分した値（動作モード時間における入力電力）と、目標消費電力とを比較して判定する。ここで、ＶＣＣ０：電力供給部１から供給される電圧，Ｉ１ｉｎ：ＲＥＧ１の入力電流，Ｉ２ｉｎ：ＲＥＧ２の入力電流，Ｉ３ｉｎ：ＲＥＧ３の入力電流、となっている。
【００５１】
図６に戻り、入力電力が目標消費電力以下であるとき（Ｓ２０３：Ｙｅｓ）、ＣＰＵ４は、初期設定動作モードを現在の動作モードとして確定する（Ｓ２０４）。その後、ＣＰＵ４の制御指令により、等価負荷３０５に該電源電圧が印加されて等価負荷３０５の動作が開始される（Ｓ１３）。
【００５２】
一方、入力電力が目標消費電力を上回るとき（Ｓ２０３：Ｎｏ）、ＣＰＵ４は、ステップＳ２０１に戻り、他の動作モード（初期設定動作モードが動作モードＡであれば、動作モードＢあるいはＣ）を選定し、入力電力の算出（Ｓ２０２），入力電力と目標消費電力との比較（Ｓ２０３）を、入力電力が目標消費電力以下となるまで行う。これにより、負荷のバラツキに応じ、スイッチングレギュレータの内部損失を最小に最適化できる動作モードを決定できる。
【００５３】
入力電力が目標消費電力を上回るとき（Ｓ２０３：Ｎｏ）、ステップＳ２０１において、他の動作モードを選定する代わりに、現在の動作モードにおいて、出力電流の値あるいは出力電流の出力タイミング（出力時間，周期）を変更してもよい。
【００５４】
また、入力電力が目標消費電力を上回るとき、負荷（すなわち等価負荷３０５）に可変抵抗（図示せず）を含む構成とし、入力電力が目標消費電力を上回るとき（Ｓ２０３：Ｎｏ）、ＣＰＵ４の制御により可変抵抗の値を変化させることで、スイッチングレギュレータの瞬間的な消費電力を大きくするようにしてもよい。
【００５５】
なお、上記処理は、電力供給中に、予め定められたタイミングで繰り返し実行するようにしてもよい。
【００５６】
図８を用いて、図５の構成におけるスイッチングレギュレータ（ＲＥＧ１，ＲＥＧ２，ＲＥＧ３）の電力効率ηについて、ＲＥＧ１を例に挙げて説明する。製造バラツキによりＲＥＧ１の電力効率ηがばらついたとしても、ＲＥＧ１の動作モードを負荷電流Ａ，負荷電流Ｂ，負荷電流Ｃとなる状態に順次変化させ、目標消費電力判定（図６のステップＳ２０３）を実施することにより、ＲＥＧ１の損失電力がより小さくなる動作モードを決定することができる。
【００５７】
最適電力効率η０が、ＲＥＧ１の内部損失が最小となる効率とすると、ＲＥＧ１の負荷電流Ｉと電力効率ηとの関係がグラフ６１で表される場合、動作モードを変化すなわち負荷電流Ｉを変化させることにより、最適電力効率η０を得られる負荷電流Ａを見つけ、この状態を新たな動作モードとしてＲＥＧ１を動作させる。同様に、ＲＥＧ１の負荷電流Ｉと電力効率ηとの関係がグラフ６３で表される場合、負荷電流Ｉを変化させることにより、最適電力効率η０を得られる負荷電流Ｃを見つけ、この状態を新たな動作モードとしてＲＥＧ１を動作させる。こうすることで、スイッチングレギュレータおよび負荷のバラツキに応じ、スイッチングレギュレータの内部損失を小さく最適化できる。
【００５８】
図９を用いて、図５の電圧生成部２に含まれる入力電力検出部３００の構成の別例について説明する。入力電力供給経路（Ｎ（ノード）３００，Ｎ３０１間）に含まれる入力電流検出用の低抵抗３０１には、バイパス用のＰチャネルＦＥＴ４００が並列に接続されている。そして、例えばＣＰＵ４から制御信号ＳＩＧ１が、トランジスタ４１３や抵抗４１１，４１２を含むスイッチング回路４１０に入力され、スイッチング回路４１０からの出力信号に基づいてＦＥＴ４００をＯＮ／ＯＦＦさせる。
【００５９】
ここで、ＲＥＧ１の入力電流を検出しないときに（例えば、図６のステップＳ２０５のタイミング）、ＦＥＴ４００をＯＮ状態とするための制御信号ＳＩＧ１を、ＣＰＵ４からスイッチング回路４１０に出力する。ＦＥＴ４００の内部抵抗は、低抵抗３０１の値に比べて十分低いので、電流は全てＦＥＴ４００を流れ、低抵抗３０１で電力を消費することを防ぐことが可能となる。
【００６０】
一方、ＲＥＧ１の入力電流を検出するときは（例えば、図６のステップＳ２００のタイミング）、ＦＥＴ４００をＯＦＦ状態とするための制御信号ＳＩＧ１を、ＣＰＵ４からスイッチング回路４１０に出力する。これにより、電流は全て低抵抗３０１を流れ、ＲＥＧ１の入力電流を検出することが可能となる。
【００６１】
図１０を用いて、本発明の構成の別例について説明する。なお、本構成は、図５の変形例であるため、図５と同様の構成のものについては同一の符号を付記し、ここでの詳細な説明は割愛する。図５の構成と異なる点は、ＲＥＧ１の出力電流検出用抵抗（以下、単に「抵抗」と称する）３０４，およびＡＭＰ２（構成はＡＭＰ１と同様）が追加されていることである。なお、ＡＤ変換器３３０，ＣＰＵ４，出力電流検出用抵抗３０４，およびＡＭＰ２が本発明の出力電流監視手段に相当する。
【００６２】
図１０の構成において、抵抗３０４の両端に発生する電圧をＡＭＰ２により所定の増幅率で増幅し、ＡＤ変換器３３０に入力してＡＤ変換を行うことで、該電圧を算出することができる。ＣＰＵ４で該電圧を抵抗３０４の既知の値で割ることにより、ＲＥＧ１の出力電流を算出することができる。また、ＲＥＧ１の出力電流とＲＥＧ１の出力電圧ＶＣＣ１’との積を、ＲＥＧ１の出力電力とすることができる。
【００６３】
図１１を用いて、ＣＰＵ４が実行する出力電流異常判定処理について説明する。まず、上述の方法を用いてＲＥＧ１における出力電流を算出する（Ｓ３１）。次に、出力電流が異常か否かを判定する。例えば、出力電流が予め定められた閾値を超えた状態が予め定められた時間連続したときに、出力電流が異常であると判定する。出力電流が異常であると判定されたとき（Ｓ３２：Ｙｅｓ）、ＣＰＵ４は、ＲＥＧ１の等価負荷３０５に対する電源の供給を停止させる（Ｓ３３）。
【００６４】
図１２を用いて、図１０の構成における動作モード制御処理について説明する。なお、本処理は、図６の変形例であるため、図６と同様の構成のものについては同一の符号を付記し、ここでの詳細な説明は割愛する。
【００６５】
まず、図６と同様に、電力供給部１からの電力の供給が開始されると（Ｓ１１）、電圧生成部２は、等価負荷３０５に応じた電源電圧の生成を開始する（Ｓ１２）。次に、ＣＰＵ４は、予めＲＯＭ５に格納されている初期設定動作モードにしたがってＲＥＧ１を動作させる（Ｓ２０１）。
【００６６】
次に、上述の方法で、ＣＰＵ４は、この初期設定動作モードで動作中のＲＥＧ１における出力電流を算出する（Ｓ２０２ａ）。続いて、ＣＰＵ４は、例えば、出力電流のＦＦＴ（Fast Fourier Transform：高速フーリエ変換）演算結果により周波数毎の出力電流を算出する（Ｓ２０２ｂ）。
【００６７】
そして、ＣＰＵ４は、動作モードを変更する必要があるか否かを判定する。例えば、以下の少なくとも１つが成立したときに、動作モードを変更する必要があると判定する。
・出力電流が予め定められたピーク値を超えたとき。
・周波数毎の出力電流に予め定められた出力電流の閾値を超えたとき
【００６８】
動作モードを変更する必要がないとき（Ｓ２０３ａ：Ｙｅｓ）、ＣＰＵ４は、初期設定動作モードを現在の動作モードとして確定する（Ｓ２０４）。その後、ＣＰＵ４の制御指令により、等価負荷３０５に該電源電圧が印加されて動作が開始する（Ｓ１３）。
【００６９】
一方、動作モードを変更する必要があるとき（Ｓ２０３ａ：Ｎｏ）、ＣＰＵ４は、ステップＳ２０１に戻り、他の動作モード（例えば、初期設定動作モードが動作モードＡであれば、動作モードＢあるいはＣ）を選定し、出力電流の算出（Ｓ２０２ａ），周波数毎の出力電流の測定（Ｓ２０２ｂ），動作モードを変更するか否かの判定（Ｓ２０３）を、動作モードを変更する必要がなくなるまで行う。
【００７０】
無論、図１０の構成において、入力電流検出用の低抵抗３０１に、バイパス用のＰチャネルＦＥＴ４００を並列に接続してもよい。この場合、図１２のステップＳ２０１の前（図６のステップＳ２００のタイミングと同様）でＦＥＴ４００をＯＦＦ状態とし、図１２のステップＳ２０４の後（図６のステップＳ２０５のタイミングと同様）でＦＥＴ４００をＯＮ状態とする。
【００７１】
以上、本発明の実施の形態を説明したが、これらはあくまで例示にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、特許請求の範囲の趣旨を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づく種々の変更が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００７２】
画像処理装置以外の、スイッチングレギュレータを用いる装置にも適用できる。
【符号の説明】
【００７３】
１ 電力供給部
２ 電圧生成部
３ 負荷
４ ＣＰＵ（入力電力演算手段，入力電流監視手段，電力判定手段，動作モード制御手段，平均消費電力量演算手段，負荷抵抗調整手段，出力電流監視手段，出力電流判定手段，電力供給停止手段）
３１ スイッチングレギュレータ１（ＲＥＧ１）
４１〜４３ 負荷
３００ 入力電流検出部（入力電流監視手段）
３０１ 入力電流検出抵抗（低抵抗）
３０４ 出力電流検出用抵抗（出力電流監視手段）
３０５ 等価負荷
３３０ ＡＤ変換器（入力電圧監視手段，入力電流監視手段，出力電流監視手段）
４００ ＦＥＴ
ＡＭＰ１ 増幅器（入力電流監視手段）
ＡＭＰ２ 増幅器（出力電流監視手段）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力電圧を負荷に対応した出力電圧に変換して出力し、前記負荷に電力を供給するスイッチングレギュレータと、
前記スイッチングレギュレータへの入力電圧を監視する入力電圧監視手段と、
前記スイッチングレギュレータへの入力電流を監視する入力電流監視手段と、
前記入力電圧と前記入力電流とに基づいて、前記スイッチングレギュレータへの入力電力を演算する入力電力演算手段と、
前記出力電圧を出力後に演算された前記入力電力が、予め定められた目標消費電力を上回るか否かを判定する電力判定手段と、
前記入力電力が予め定められた目標消費電力を上回ると判定したとき、前記スイッチングレギュレータの動作モードを、前記入力電力がより小さくなる動作モードに遷移させる動作モード制御手段と、
を備えることを特徴とする電源装置。
【請求項２】
前記スイッチングレギュレータの動作モードにおいて、前記スイッチングレギュレータの電流−電力効率分布の特性が良好な状態における出力電流を出力可能な動作モードをデフォルトの動作モードとする請求項１に記載の電源装置。
【請求項３】
前記スイッチングレギュレータにおける平均消費電力量を演算する平均消費電力量演算手段を備え、
前記動作モード制御手段は、前記スイッチングレギュレータにおける平均消費電力量を変化させることなく、該スイッチングレギュレータにおける瞬間的な消費電流を小さくするように該スイッチングレギュレータを動作させる請求項１または請求項２に記載の電源装置。
【請求項４】
前記スイッチングレギュレータにおける平均消費電力量を演算する平均消費電力量演算手段を備え、
前記動作モード制御手段は、前記スイッチングレギュレータにおける平均消費電力量を変化させることなく、該スイッチングレギュレータにおける瞬間的な消費電流を大きくするように該スイッチングレギュレータを動作させる請求項１または請求項２に記載の電源装置。
【請求項５】
前記負荷における負荷抵抗を調整する負荷抵抗調整手段を備え、
前記動作モード制御手段は、前記負荷抵抗を通常の状態より大きくし、前記スイッチングレギュレータにおける瞬間的な消費電流を大きくするように該スイッチングレギュレータを動作させる請求項１または請求項２に記載の電源装置。
【請求項６】
前記入力電流監視手段は、前記スイッチングレギュレータに対して入力電力が供給される経路である入力電力供給経路と直列に、抵抗値の低い低抵抗を接続し、その低抵抗において発生する電位差を増幅し、その電位差を増幅したものをＡＤ変換した結果を前記入力電流とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の電源装置。
【請求項７】
前記入力電力供給経路は、前記低抵抗に並列に接続されたＦＥＴを含み、
前記入力電流の監視を行わない場合、前記低抵抗に流れる電流を前記ＦＥＴへバイパスする請求項６に記載の電源装置。
【請求項８】
前記スイッチングレギュレータの出力電流を監視する出力電流監視手段と、
前記出力電流が異常であるか否かを判定する出力電流判定手段と、
を備える請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の電源装置。
【請求項９】
前記出力電流が異常であると判定したときに、前記負荷への電力の供給を停止する電力供給停止手段を備える請求項８に記載の電源装置。
【請求項１０】
前記動作モード制御手段は、前記出力電流が予め定められたピーク値を超えたときに、前記スイッチングレギュレータの動作モードを、前記出力電流がより小さくなる動作モードに遷移させる請求項８または請求項９に記載の電源装置。
【請求項１１】
前記動作モード制御手段は、前記出力電流が周波数毎に予め定められた前記出力電流の閾値を超えたときに、前記スイッチングレギュレータの動作モードを、前記閾値を超えた周波数においての電流値がより小さくなる動作モードに遷移させる請求項１０に記載の電源装置。
【請求項１】
入力電圧を負荷に対応した出力電圧に変換して出力し、前記負荷に電力を供給するスイッチングレギュレータと、
前記スイッチングレギュレータへの入力電圧を監視する入力電圧監視手段と、
前記スイッチングレギュレータへの入力電流を監視する入力電流監視手段と、
前記入力電圧と前記入力電流とに基づいて、前記スイッチングレギュレータへの入力電力を演算する入力電力演算手段と、
前記出力電圧を出力後に演算された前記入力電力が、予め定められた目標消費電力を上回るか否かを判定する電力判定手段と、
前記入力電力が予め定められた目標消費電力を上回ると判定したとき、前記スイッチングレギュレータの動作モードを、前記入力電力がより小さくなる動作モードに遷移させる動作モード制御手段と、
を備えることを特徴とする電源装置。
【請求項２】
前記スイッチングレギュレータの動作モードにおいて、前記スイッチングレギュレータの電流−電力効率分布の特性が良好な状態における出力電流を出力可能な動作モードをデフォルトの動作モードとする請求項１に記載の電源装置。
【請求項３】
前記スイッチングレギュレータにおける平均消費電力量を演算する平均消費電力量演算手段を備え、
前記動作モード制御手段は、前記スイッチングレギュレータにおける平均消費電力量を変化させることなく、該スイッチングレギュレータにおける瞬間的な消費電流を小さくするように該スイッチングレギュレータを動作させる請求項１または請求項２に記載の電源装置。
【請求項４】
前記スイッチングレギュレータにおける平均消費電力量を演算する平均消費電力量演算手段を備え、
前記動作モード制御手段は、前記スイッチングレギュレータにおける平均消費電力量を変化させることなく、該スイッチングレギュレータにおける瞬間的な消費電流を大きくするように該スイッチングレギュレータを動作させる請求項１または請求項２に記載の電源装置。
【請求項５】
前記負荷における負荷抵抗を調整する負荷抵抗調整手段を備え、
前記動作モード制御手段は、前記負荷抵抗を通常の状態より大きくし、前記スイッチングレギュレータにおける瞬間的な消費電流を大きくするように該スイッチングレギュレータを動作させる請求項１または請求項２に記載の電源装置。
【請求項６】
前記入力電流監視手段は、前記スイッチングレギュレータに対して入力電力が供給される経路である入力電力供給経路と直列に、抵抗値の低い低抵抗を接続し、その低抵抗において発生する電位差を増幅し、その電位差を増幅したものをＡＤ変換した結果を前記入力電流とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の電源装置。
【請求項７】
前記入力電力供給経路は、前記低抵抗に並列に接続されたＦＥＴを含み、
前記入力電流の監視を行わない場合、前記低抵抗に流れる電流を前記ＦＥＴへバイパスする請求項６に記載の電源装置。
【請求項８】
前記スイッチングレギュレータの出力電流を監視する出力電流監視手段と、
前記出力電流が異常であるか否かを判定する出力電流判定手段と、
を備える請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の電源装置。
【請求項９】
前記出力電流が異常であると判定したときに、前記負荷への電力の供給を停止する電力供給停止手段を備える請求項８に記載の電源装置。
【請求項１０】
前記動作モード制御手段は、前記出力電流が予め定められたピーク値を超えたときに、前記スイッチングレギュレータの動作モードを、前記出力電流がより小さくなる動作モードに遷移させる請求項８または請求項９に記載の電源装置。
【請求項１１】
前記動作モード制御手段は、前記出力電流が周波数毎に予め定められた前記出力電流の閾値を超えたときに、前記スイッチングレギュレータの動作モードを、前記閾値を超えた周波数においての電流値がより小さくなる動作モードに遷移させる請求項１０に記載の電源装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１１−９７７７５（Ｐ２０１１−９７７７５Ａ）
【公開日】平成２３年５月１２日（２０１１．５．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２５０８６９（Ｐ２００９−２５０８６９）
【出願日】平成２１年１０月３０日（２００９．１０．３０）
【出願人】（０００００６９３２）リコーエレメックス株式会社 (708)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年５月１２日（２０１１．５．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１０月３０日（２００９．１０．３０）
【出願人】（０００００６９３２）リコーエレメックス株式会社 (708)
【Ｆターム（参考）】
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