電源装置
【課題】 低消費電力状態で、コンバータに供給するＡＣ入力電圧平滑化後の電圧を低下させ、コンバータに供給する電圧を低下させることでスイッチング損失を低減し、ＡＣ入力の電力消費を低減すること。
【解決手段】 低消費電力状態において、スイッチング方式によるコンバータからの出力電流負荷が低下した際に、スイッチング手段によるスイッチ素子のオン時間が短くなると充電選択手段にて前記平滑手段に充電しないことを選択し、平滑手段の電圧が低下してスイッチング制御手段によるスイッチ素子のオン時間が長くなると充電選択手段にて平滑手段に充電することを選択する構成。
【解決手段】 低消費電力状態において、スイッチング方式によるコンバータからの出力電流負荷が低下した際に、スイッチング手段によるスイッチ素子のオン時間が短くなると充電選択手段にて前記平滑手段に充電しないことを選択し、平滑手段の電圧が低下してスイッチング制御手段によるスイッチ素子のオン時間が長くなると充電選択手段にて平滑手段に充電することを選択する構成。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トランスによって１次側と２次側に絶縁し、１次側でのスイッチング動作で２次側に電力を伝達する電源装置に関するものである。例えば、商用電源から交流のＡＣ１００Ｖを入力し、整流と平滑化を行って直流のＤＣ電圧化し、１次側のスイッチング動作によってスイッチングトランスを介して２次側へ電力を伝達する電源装置を挙げることができる。
【背景技術】
【０００２】
電源装置は、ＡＣ−ＤＣコンバータとして、ＡＣラインからの交流電圧を変換してＤＣ電圧を生成し、その他の装置や接続されているユニットに供給するものがある。ＡＣ入力電圧をＤＣ化して出力するＡＣ−ＤＣ変換部には、スイッチング方式が広く使用されている。これらの装置では、入力と出力を１次側巻線と２次側巻線で磁気結合するようにコア材と組み合わせて構成したスイッチングトランスを使用している場合がある。スイッチングトランスには前述のように巻線が使用されており、銅線等の導電性材料に絶縁皮膜を付加して使用している。１次側と２次側の巻線は絶縁されている。また、電源装置は、ＤＣ出力電流が小さい軽負荷時に低消費電力状態としてコンバータを動作させるものがある。また、ＤＣ出力電流が大きい重負荷時には、重負荷に対応したコンバータの動作を行うものがある。軽負荷時は電源装置が接続されているユニットの制御によって待機状態であるスタンバイモードや低消費電力状態であるスリープモードとなり、コンバータが複数接続されている場合、停止できるコンバータの動作を停止する構成もある。
【０００３】
コンバータを低消費電力状態とする方法として、特許文献１のように、ＡＣ電圧を整流して平滑化せずに全波整流後の電圧をスイッチングすることで、コンバータに印加する電圧を部分的に低下させ、電力損失を低減する方法が開示されている。また、特許文献２のように、低消費電力状態となる省エネモードを検出する回路構成と平滑コンデンサへの電圧印加タイミングを設定する間欠パルス発生回路を有し、また平滑コンデンサへの供給の必要性を検知する回路構成と合わせて平滑コンデンサでの平滑電圧を設定し、電源のオン/オフを切り換えて、低消費電力状態の電源を構成するものもある。また、特許文献３のように、低消費電力状態で動作するユニットのみに電力供給し、コンバータの２次側に充電可能な手段を設け、充電電圧状態を検知してＡＣ入力である交流電源からコンバータへの電力供給をオン／オフする構成も開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平7-284269号公報
【特許文献２】特開2001-224132号公報
【特許文献３】特開2001-251853号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記従来例のうち特許文献１では、低消費電力状態においてＡＣ入力からの全波整流後の電圧を１次平滑コンデンサで平滑化しない場合、スイッチングタイミングによっては、ピーク電圧付近でスイッチングを行うことがある。その時は、スイッチ素子に通電する電流と電圧の積である電力損失が大きくなり、電力消費が増大する期間があるという問題があった。また、特許文献２では、ＡＣ入力から電力を供給されて動作する間欠パルス発生回路や省エネモード検出回路や平滑コンデンサへの供給モード検出回路を有し、回路構成が複雑化するという問題があった。また、特許文献３では、低消費電力モードでの制御を行う際に２次側のユニットに構成した充電手段の電圧を監視して、１次側にフィードバックする構成のため、コスト高となる構成である。
【０００６】
また、ＡＣラインの交流電圧が０Ｖ付近となるゼロクロスタイミングを基準としてＡＣラインに接続されているＡＣ負荷への通電を制御する場合がある。例えば負荷としては、１次平滑コンデンサへの充電のための電力供給等が挙げられる。
【０００７】
しかし、特許文献２、３では、低消費電力モードで１次平滑コンデンサへの充電を開始するタイミングでゼロクロスタイミングを考慮しておらず、急激な電流変化によってＡＣ電力の供給源であるコンセント周辺のＡＣラインの電圧降下が発生し、同一のＡＣラインに接続されている他の装置に影響を与える恐れがある。
【０００８】
そこで本出願に係る第１の発明の目的は、低消費電力状態でコンバータに供給するＡＣ入力電圧の平滑化後の電圧を低下させてコンバータに供給する電圧を低下させることでスイッチング損失を低減し、ＡＣ入力の電力消費を低減した電源装置を提供することである。
【０００９】
また、第２の発明の目的は、ＡＣ入力電圧のゼロクロスタイミングに同期してＡＣラインからの電力供給をオンもしくはオフし、ＡＣラインの急激な電流変動による電圧変動を防止するとともに平滑電圧を低下させてコンバータに供給する電圧を低下させることでスイッチング損失を低減し、ＡＣ入力の電力消費を低減した電源装置を提供することである。
【００１０】
また、第３の発明の目的は、ＤＣ出力電流が大きくなる重負荷時には、対応するコンバータからの電力供給を行うために、ＡＣラインから平滑手段へ連続して電力を供給し、ＡＣ入力のゼロクロスタイミングに同期してＡＣラインから電力供給し、ＡＣラインの急激な電流変動による電圧変動を防止することができる電源装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するため、本出願にかかる第1の発明は、スイッチング方式によるコンバータのスイッチ素子を制御するスイッチング制御手段と、交流商用電源からの入力を整流し容量に充電して平滑化する平滑手段と、前記平滑手段への充電を切り換える充電切り換え手段と、スイッチング周期におけるオン時間に応じて前記平滑手段へ前記充電切り換え手段にて充電するか充電しないかを切り換える充電選択手段とを有し、出力電流負荷が低下した際に前記スイッチング手段によるスイッチ素子のオン時間が短くなると前記充電選択手段にて前記平滑手段に充電しないことを選択し、前記平滑手段の電圧が低下して前記スイッチング制御手段によるスイッチ素子のオン時間が長くなると前記充電選択手段にて前記平滑手段に充電することを選択することを特徴とする。
【００１２】
また、本出願にかかる第２の発明は、第１の発明の電源装置において、出力電流負荷が低下した際に前記スイッチング手段によるスイッチ素子のオン時間が短くなると前記充電選択手段にて前記平滑手段に充電しないことを選択し、前記平滑手段の電圧が低下して前記スイッチング制御手段によるスイッチ素子のオン時間が長くなると前記充電選択手段にて前記平滑手段に充電することを選択し、交流電圧のゼロクロスタイミングに同期して前記平滑手段に充電することを特徴とする。
【００１３】
また、本出願にかかる第３の発明は、前記第１の発明および第２の発明記載の電源装置において、コンバータからの出力電流負荷が増加した際には、前記平滑手段に充電することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
以上説明したように、第１の発明によれば、低消費電力状態でコンバータに供給するＡＣ入力電圧の平滑化後の電圧を低下させてスイッチング損失を低減し、ＡＣ入力の電力消費を低減することが可能となる。
【００１５】
また、第２の発明によれば、ＡＣ入力電圧のゼロクロスタイミングに同期してＡＣラインからの電力供給をオンもしくはオフし、ＡＣラインの急激な電流変動による電圧変動を防止でき、低消費電力状態でコンバータに供給するＡＣ入力電圧の平滑化後の電圧を低下させてスイッチング損失を低減し、ＡＣ入力の電力消費を低減することが可能となる。
【００１６】
また、第３の発明によれば、出力電流負荷が増加するコンバータの動作に対応して平滑手段に充電することで、出力電流負荷の増加に対応することが可能となり、また、ＡＣ入力電圧のゼロクロスタイミングに同期してＡＣラインから電力供給し、ＡＣラインの急激な電流変動による電圧変動を防止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施例に係る電源装置の回路ブロックを表す図。
【図２】本発明の実施例に係る電源装置の回路構成を表す図。
【図３】本発明の実施例に係る電源装置の回路構成における信号を表す図。
【図４】本発明の実施例に係る電源装置の回路構成における信号を表す図。
【図５】本発明の実施例に係る電源装置の回路構成における信号を表す図。
【図６】本発明の実施例に係る電源装置の回路構成における信号を表す図。
【図７】本発明の実施例に係る電源装置の回路構成におけるスイッチ素子の損失を表す図。
【図８】本発明の実施例に係る電源装置の回路構成における信号を表す図。
【図９】本発明の実施例に係る電源装置の動作を表すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
［実施例１］
以下に本発明の第１の実施形態について図を参照して説明する。図１は、本発明の実施例に係る電源装置の構成と、電源装置に接続する負荷の構成を表すブロック図である。
【００１９】
１は商用電源等のＡＣ（交流）電源であり、２はＡＣ入力を整流するかどうかを制御する整流制御部である。３および４はＡＣ入力をブリッジダイオード等のブリッジ整流回路５に通電し、１次平滑コンデンサ６にＤＣ電圧として充電するかどうかを切り換えるＡＣコントローラ１（ＡＣ ＣＴＲＬ１）およびＡＣコントローラ２（ＡＣ ＣＴＲＬ２）である。１１はコンバータ（ＣＮＶ１）であり、ＤＣ化された電圧をスイッチング方式にて降圧してＶｃｃ１を生成する。１２はコンバータ（ＣＮＶ２）であり、前述のＤＣ電圧を降圧してＶｃｃ２を生成する。ＡＣコントローラ１−３はコンバータ１１からの出力によって動作し、ＡＣコントローラ２−４はコンバータ１２からの出力によって動作する。
【００２０】
１３は、ＡＣ電源１からの電圧のゼロクロスタイミングを検知してＺＲＸ信号を出力するゼロクロス信号出力部である。１４はＣＰＵ（中央演算処理ユニット）であり、前述のゼロクロス信号出力部１３からのＺＲＸ信号を入力して、制御対象であるＡＣ負荷１５の動作タイミング設定や制御を行う。また、ＣＰＵ１４は、１６および１７のＤＣ負荷やＤＣ回路の動作制御も行うものである。１４ａはＣＰＵ１４内に設置されているＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）であり、ＣＰＵ１４による制御の内容が記録されており、その内容をもとにＣＰＵ１４内で処理を実行する。１４ｂはＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａcｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）であり、ＣＰＵ１４の処理におけるデータの一時的な保持や、演算で使用するメモリ領域を有するものである。
【００２１】
ＡＣ負荷１５には交流供給源からの電力ラインＡＣ_ＨとＡＣ_Ｌが接続されており、ＣＰＵ１４によって制御される。ＡＣ負荷１５への通電は、ＡＣ電圧がほぼゼロボルトの時点に通電することで突入電流を低減し、ゼロクロス信号出力部１３からのＺＲＸ信号を基に通電タイミングを制御する。
【００２２】
１６，１７はＶｃｃ２を電力源とするＤＣ負荷およびＤＣ回路であり、ＣＰＵ１４によって制御される。例えば、ＤＣモータ等の駆動ユニットや、ＤＣ電源で動作するセンサユニットである。
【００２３】
１８はＳＷ（スイッチ）であり、ユーザの操作によってＶｃｃ１電圧をコンバータ１１から出力するかどうかを選択可能とするものである。
【００２４】
コンバータ１１からは、ＩＣ Ｖｃｃとしてコンバータ１２へ電力が供給され、コンバータ１２からはゼロクロス信号出力部１３にゼロクロス信号生成電力ＺＲＸ_ＰＳが供給されている。
【００２５】
図２は、本発明の実施例に係る電源装置の回路構成を表す図である。
【００２６】
７はチョークコイルであり、ＡＣラインの急激な電流変動を低減するためにＡＣ＿Ｎライン上に設置されている。
【００２７】
１０２は電源ＩＣであり、コンバータ１１のスイッチング動作を制御する。本実施例では電源ＩＣを例とするが、個別に部品を組み合わせて構成する方法もある。電源ＩＣ１０２は、スイッチ素子１０３のオンおよびオフ制御を行う。また、電源ＩＣ１０２は、ＳＴ端子に接続されたＡＣ＿Ｈラインからの電力供給によって起動する。スイッチング動作のスイッチ素子として、本実施例ではＭＯＳＦＥＴを例にするが、特に限定するものではない。１０４はスイッチ素子１０３であるＭＯＳＦＥＴのドレインとソース端子間に接続されているコンデンサである。１０５はスイッチ素子１０３に接続されている電流検知抵抗である。スイッチ素子１０３のオン時の電流を検知し、電源ＩＣ１０２にてオンおよびオフのスイッチングタイミングを制御するために用いる。
【００２８】
１０６（１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ）はスイッチングトランスである。１０６ａは１次側のメイン巻線である。整流後のＤＣ＿ＨとＤＣ＿Ｎ間の電圧が、電源ＩＣ１０２で制御されるスイッチ素子１０３によって印加される。１０６ｂは２次側出力のＶｃｃ１出力巻線である。１０６ｃは電源ＩＣ１０２に動作電力を供給する補助巻線である。１０２電源ＩＣは、前述のＳＴ端子からの起動後にスイッチングを行い、１０６ｃからの出力によって動作を継続するものとする。また、１０６ｃは電源ＩＣ１０２に接続されており、電源ＩＣ１０２がスイッチ素子１０３をオンするタイミングを検知するために用いられている。
【００２９】
１０７aおよび１０７ｂダイオードは補助巻線１０６ｃからの出力を半波整流するダイオードであり、１０８aおよび１０８ｂは平滑コンデンサである。平滑化された電圧はＩＣ Ｖｃｃ１およびＩＣ Ｖｃｃ２となる。
【００３０】
ダイオード１０９は１０６ｂ巻線からの出力を整流するダイオードであり、１１０aおよび１１０ｂは平滑コンデンサである。平滑化された電圧は、２次側に設置されたＳＷ（スイッチ）１８のオン状態でＦＥＴ１９がオンすることによって、Ｖｃｃ１として出力される。ＳＷ１８のオフ状態では、ＦＥＴ１９がオフすることによって、Ｖｃｃ１の出力が停止する。１１１はチョークコイルであり、平滑コンデンサ１１０ｂへの急激な電流変動を低減する。
【００３１】
本実施例では、フォトカプラ１１２、シャントレギュレータ１１３、抵抗１１４および１１５はＶｃｃ１の電位を安定させるための電圧フィードバック(帰還)回路の構成を示している。また、フォトカプラ１１２は１次側と２次側を絶縁して分離し、発光部の発光状態によって２次側からＶｃｃ１の電圧出力状態を１次側の電源ＩＣ１０２にＦＢ信号線を経由して電源ＩＣ１０２に伝達する。Ｖｃｃ１の電圧フィードバック回路に関しては、特に方法や構成を限定するものではない。
【００３２】
１１９は電源ＩＣでありコンバータ１２のスイッチング動作を制御する。１１９電源ＩＣは、１２０スイッチ素子のオンおよびオフ制御を行う。本実施例では、スイッチ素子としてＭＯＳＦＥＴを例とするが、特に限定するものではない。１２１はスイッチ素子１２０のＭＯＳＦＥＴのドレインとソース端子間に接続されているコンデンサである。１２２はスイッチ素子１２０に接続されている電流検知抵抗である。スイッチ素子のスイッチング時の電流を検知し、電源ＩＣ１１９にてスイッチングのタイミングを制御するために用いる。
【００３３】
１２３（１２３ａ、１２３ｂ、１２３ｃ）はスイッチングトランスである。１２３ａは１次側のメイン巻線である。整流後のＤＣ＿ＨとＤＣ＿Ｎ間の電圧が、電源ＩＣ１１９で制御されるスイッチ素子１２０によって印加される。１２３ｂは２次側出力のＶｃｃ２出力巻線である。１２３ｃは補助巻き線であり、電源ＩＣ１１９に接続されている。電源ＩＣ１１９がスイッチ素子１２０をオンするタイミングを検知するために接続されている。
【００３４】
ダイオード１２４は巻線１２３ｂからの出力を整流するダイオードであり、１２５ａおよび１２５ｂは平滑コンデンサである。平滑化された電圧はＶｃｃ２となる。
【００３５】
１２６はチョークコイルであり、平滑コンデンサ１２５ｂへの急激な電流変動を低減する。
【００３６】
１２７はスイッチ素子であり、ＩＣ Ｖｃｃ２を電源ＩＣ１１９に動作電力として供給するか停止するかを切り換える。また、同時にゼロクロス信号出力部１３にゼロクロス信号生成電力をＺＲＸ_ＰＳとして供給するか停止するかを切り換える。本実施例では、１２７はＭＯＳＦＥＴを用いているが、特に限定するものではない。
【００３７】
１２８はフォトカプラであり、コンバータ１２の１次側と２次側を絶縁して分離し、スイッチ素子１２７を制御する。
【００３８】
フォトカプラ１２９、シャントレギュレータ１３０、抵抗１３１および１３２は、Ｖｃｃ２の電位を安定させるための電圧フィードバック回路である。また、フォトカプラ１２９は１次側と２次側を絶縁して分離し、発光部の発光状態によって２次側から、Ｖｃｃ２の電圧出力状態を１次側の電源ＩＣ１２０のＦＢ信号線を経由して電源ＩＣ１１９に伝達する。Ｖｃｃ２の電圧フィードバック回路に関しては、特に方法や構成を限定するものではない。
【００３９】
１３３はスイッチ素子である。ＳＷ１８のオン状態でＶｃｃ１が出力されると、スイッチ素子１３３は、ＣＰＵ１４からの/ＣＮＶ２_ＯＮ信号によってコンバータ１２の動作とゼロクロス信号出力部１３への電力供給を切り換える。/ＣＮＶ２_ＯＮ信号がＬｏｗ状態の場合、スイッチ素子１３３がオン状態となり、フォトカプラ１２８の発光素子が通電され、スイッチ素子１２７がオン状態となる。かつ、ゼロクロス信号出力部１３にゼロクロス信号生成電力ＺＲＸ_ＰＳが供給される。また、ＩＣ Ｖｃｃ２が電源ＩＣ１１９に動作電力として供給され、電源ＩＣ１１９が動作しＶｃｃ２が出力される。
【００４０】
ＳＷ１８のオフ状態では、Ｖｃｃ１出力が停止し、フォトカプラ１２８の発光素子の通電が停止して、スイッチ素子１２７がオフ状態となり、電源ＩＣ１１９へのＩＣ Ｖｃｃ２供給が停止し、電源ＩＣ１１９が停止して、Ｖｃｃ２の出力が停止する。また同時に、ゼロクロス信号出力部１３へのゼロクロス信号生成電力ＺＲＸ_ＰＳが停止する。
【００４１】
１３９はダイオードであり、ＡＣ電源のＡＣ＿Ｎライン電圧の半波を生成し、抵抗１４０を介してスイッチ素子１４１に電圧を供給しオンもしくはオフ状態を生成する。スイッチ素子１４１がオン状態の場合、フォトカプラ１４２の発光素子がオフ状態となり、ＺＲＸ信号がＨｉｇｈ状態となってＣＰＵ１４に出力される。スイッチ素子１４１がオフ状態の場合、フォトカプラ１４２の発光素子がオン状態となり、ＺＲＸ信号がＬｏｗ状態となってＣＰＵ１４に出力される。ＺＲＸ信号のＨｉｇｈおよびＬｏｗの切り替わりのタイミングが、ＡＣ電圧の０Ｖをクロスするタイミングであり、ゼロクロス信号ＺＲＸとしてＣＰＵ１４が入力する。ＣＰＵ１４はこの切り替わりポイントを検知してゼロクロスタイミングとして、前述の図１で示したＡＣ負荷１５のＡＣ電力の通電タイミングを制御する。
【００４２】
整流制御部２内の１５０はトライアックであり、ＡＣ電源のＡＣ＿Ｈライン上に設置されている。ＡＣ＿Ｈライン上の交流電圧の接続と切断を切り換え、ブリッジ整流回路５に通電し平滑コンデンサ６にＤＣ電圧として充電するかどうかを切り換える素子である。また、トライアック１５０の通電時の平均損失は、スイッチ素子１０３および１２０のオンおよびオフ時に発生する平均損失より小さい。
【００４３】
１５１はノイズ吸収素子であり、トライアック１５０のオンおよびオフの状態変化時における電圧変動を吸収する。１５２はフォトトライアックカプラであり、発光側の制御に対応してトライアック１５０をオンもしくはオフ状態とする切り換え制御を行う素子である。
ＡＣコントローラ１（ＡＣ ＣＴＲＬ１）３は、コンバータ１１（ＣＮＶ１）の電源ＩＣ１０３のＯＵＴからの出力電圧を変換するように動作し、ダイオード１５３、１５８、コンデンサ１５５および抵抗１５４、１５６および定電圧ダイオード１５７で構成されている。コンバータ１１の出力負荷が増大すると電源ＩＣ１０３のＯＵＴからのオン出力の時間が図３の上図のように長くなる。そのためＡＣ ＣＴＲＬ１の出力電圧は、ダイオード１５３を経由し抵抗１５４とコンデンサ１５５でフィルタリングされ、定電圧ダイオード１５７のツェナー電圧Ｖｚ１以上で、かつダイオード１５８の順方向の電圧分降下して出力される。そして、ＡＣ ＣＴＲＬ１出力電圧波形は図３の下図で示した電圧出力波形のようになり、フォトトライアックカプラ１５２の発光素子が発光する。ただし、ＡＣ ＣＴＲＬ１出力電圧波形は、フォトトライアックカプラ１５２の発光素子の電圧降下によって波形形状が変化するが、本実施例の図３では変化後の波形は不図示である。また、出力負荷に対して、１次平滑コンデンサ６の電圧が低下すると、１次側からの電力供給と２次側の出力負荷の電力が釣り合うように、スイッチングのオン時間が長くなり、同じく電源ＩＣ１０３のＯＵＴからのオン出力時間が長くなる。
【００４４】
図４は、ＯＵＴからのオン出力時間が長く、スイッチ素子１０３のオン時間が長い状態でのスイッチ素子１０３の状態を示している。上図はＭＯＳＦＥＴであるスイッチ素子１０３のドレイン-ソース間電圧Ｖｄｓであり、ドレイン電流Ｉｄは下図のようになる。また、オン時間が長くなる条件として１次平滑コンデンサ６の充電電圧が低い場合も相当し、スイッチ素子１０３のＶｄｓ電圧が低い状態でオンすることが可能となる。そのため、コンデンサ１０４からの放電電圧を低減し、スイッチ素子１０３のオン時の損失であるＶｄｓとＩｄの積を低減することができる。スイッチ素子１０３の損失が小さいほどＡＣ電源からの入力電力である消費電力は小さくなり、効率が良い状態となる。
【００４５】
コンバータ１１の出力負荷が低下すると電源ＩＣ１０３のＯＵＴからのオン出力の時間が図５の上図のように短くなる。そのためＡＣ ＣＴＲＬ１の出力電圧は、ダイオード１５３を経由し抵抗１５４とコンデンサ１５５でフィルタリングされ、定電圧ダイオード１５７の電圧以上でかつダイオード１５８の順方向電圧分降下して出力される。そして、図５の下図で示した電圧出力波形のようになり、フォトトライアックカプラ１５２の発光素子の発光時間が短くなる。
【００４６】
図６は、ＯＵＴからのオン出力時間が短く、スイッチ素子１０３のオン時間が短い状態でのスイッチ素子１０３の状態を示している。上図はＭＯＳＦＥＴであるスイッチ素子１０３のドレイン-ソース間電圧Ｖｄｓであり、ドレイン電流Ｉｄは下図のようになる。また、オン時間が短くなる条件として１次平滑コンデンサ６の充電電圧が高い場合も相当し、スイッチ素子１０３のＶｄｓ電圧が高い状態でオンすることとなる。そのため、コンデンサ１０４からの放電電圧が高くなり、スイッチ素子１０３のオン時の損失であるＶｄｓとＩｄの積が大きくなる。
【００４７】
スイッチ素子１０３の損失が大きいほどＡＣ電源からの入力電力である消費電力は大きくなり、効率が低下する状態となる。
【００４８】
フォトトライアックカプラ１５２の発光素子によって受光側の導通状態が変化する電圧をＶｔｈとすると、図３および図５で示したＡＣ ＣＴＲＬ１の電圧出力によってフォトトライアックカプラ１５２の発光時間が異なる。図３のようにスイッチングのオン時間が長くなるようにＯＵＴからのオン出力時間が長くなる場合、フォトトライアックカプラ１５２の導通時間は長くなる。図５のようにスイッチングのオン時間が短い場合、導通時間は短くなる。
【００４９】
ＡＣコントローラ２（ＡＣ ＣＴＲＬ２）４についても、ＡＣコントローラ１−３と同様に動作し、コンバータ１２（ＣＮＶ２）の電源ＩＣ１２０のＯＵＴ出力を変換するように動作し、ダイオード１６０、１６５、コンデンサ１６２および抵抗１６１、１６３および定電圧ダイオード１６４で構成されている。
【００５０】
ＡＣコントローラ１−３とＡＣコントローラ２−４はダイオード１５８と１６５でＯＲ接続されており、コンバータ１１もしくはコンバータ１２のいずれかのスイッチング状態に応じて、フォトトライアックカプラ１５２の発光素子に通電し、トライアック１５０をオンもしくはオフ制御することで、１次平滑コンデンサ６の充電もしくは放電状態を設定する。
コンバータ１１もしくはコンバータ１２のいずれかの出力負荷が増大するとトライアック１５０のオン時間が長くなり、１次平滑コンデンサ６の電圧が上昇する。例えば、前述の図１のＤＣ負荷１６もしくは１７の電流負荷が増大すると、負荷状態の変化に追従してトライアック１５０のオン時間が長くなり、１次平滑コンデンサ６の電圧が上昇して、１次側から２次側への電力の変換に対応するように動作する。
【００５１】
出力負荷が軽負荷となると、電源ＩＣ１０３のＯＵＴ出力もしくは電源ＩＣ１２０のＯＵＴ出力の時間が短くなり、フォトトライアックカプラ１５２の発光素子の通電時間が短くなる。そしてフォトトライアックカプラ１５２の発光素子が消灯すると、トライアック１５０はオフ状態となり、１次平滑コンデンサ６が充電されないため電圧が低下する。
【００５２】
図７は、ＡＣ電源からの入力電圧とスイッチ素子１０３の平均損失Ｐｄを表した図である。ＡＣ入力電圧が高い場合、整流後のＤＣ＿ＨとＤＣ＿Ｎ間の電圧が高く、スイッチ素子１０３のＶｄｓ電圧が高い状態でオンすることとなる。そのため、コンデンサ１０４からの放電電圧が高くなり、スイッチ素子１０３の損失Ｐｄが大きくなる。
【００５３】
逆に、整流後のＤＣ＿ＨとＤＣ＿Ｎ間の電圧が低い場合、コンデンサ１０４からの放電電圧が低くなり、スイッチ素子１０３の損失Ｐｄが小さくなる。
【００５４】
スイッチ素子１０３の損失が小さくなることで、ＡＣ電源からの入力電力を低減し、数％の電力消費を低減できることとなる。
【００５５】
図８は、出力負荷が軽負荷時の１次平滑コンデンサ６の電圧とＡＣ ＣＴＲＬ１の電圧出力波形を示したものである。１次平滑コンデンサ６が充電された状態でＯＵＴ出力の出力時間が短くなり、トライアック１５０がオフ状態となる。１次平滑コンデンサ６の放電によって、電源ＩＣ１０３のＯＵＴ出力の出力時間が短い状態から長い状態に時間経過にともなって変化する。そのため、ＡＣ ＣＴＲＬ１の出力電圧が上昇し、フォトトライアックカプラ１５２の発光素子によって受光側の導通状態が変化する電圧Ｖｔｈ以上になると、トライアック１５０がオン状態となる。その後、１次平滑コンデンサ６が充電され電源ＩＣ１０３のＯＵＴ出力のＨｉｇｈ出力時間が短い状態となれは、フォトトライアックカプラ１５２がオン状態からオフ状態となり、トライアック１５０がオフ状態となる。その後は、トライアック１５０のオン状態とオフ状態が繰り返され、１次平滑コンデンサ６の充電状態と放電状態が繰り返される。
【００５６】
図９は本発明の実施例１に係る電源装置の動作を表すフローチャートを示したものである。図２の回路も参照して動作を述べる。
【００５７】
Ｓ１００で商用電源等の交流（ＡＣ）電源１から電力を入力し、Ｓ１０１でコンバータ１１の１０２電源ＩＣが起動してスイッチング動作を開始する。
【００５８】
Ｓ１０２で１０２電源ＩＣのＯＵＴ出力によってＡＣコントローラ１（ＡＣ ＣＴＲＬ１）３もしくはＡＣコントローラ２（ＡＣ ＣＴＲＬ２）４の出力がありフォトトライアックカプラ１５２が導通状態となれば、Ｓ１０３に進む。Ｓ１０３では、トライアック１５０が導通することで１次平滑コンデンサ６に５整流回路を経由してＤＣ電圧が充電される。Ｓ１０２でＡＣコントローラ１−３およびＡＣコントローラ２−４からの出力がなければ、トライアック１５０が導通されず、１次平滑コンデンサ６は放電される。Ｓ１０５にてスイッチ（ＳＷ）１８がオン状態であればＳ１０６に進み、オフ状態であれは、Ｓ１１９に進む。
【００５９】
１８スイッチがオン状態であれば、Ｓ１０６ではスイッチ素子のＦＥＴ１９がオン状態となり、Ｓ１０７にてＶｃｃ１電圧が出力される。Ｖｃｃ１電圧は、ＣＰＵ１４や電源回路内に供給される。ＣＰＵ１４はＶｃｃ１が供給されることで動作可能となり、図１で示した１４aのＲＯＭ内の制御プログラムによって１４ｂのＲＡＭの初期化を行った後、ＡＣ負荷１５やＤＣ負荷１６、１７の制御を行う。また、電源装置に接続されているＡＣ負荷１５やＤＣ負荷１６、１７の制御状態によって、通常の動作状態や低消費電力モードへの状態遷移を判断する。また、/ＣＮＶ２_ＯＮ信号の出力制御も行う。
【００６０】
Ｓ１０８では、ＣＰＵ１４によって低消費電力モードに設定されていた場合/ＣＮＶ２_ＯＮ信号をＨｉｇｈ状態としてコンバータ１２（ＣＮＶ２）の動作を停止させるため、Ｓ１１０でスイッチ素子ＦＥＴ１３３をオフする。Ｓ１１１では、フォトカプラ１２８がオフとなり、Ｓ１１２で１１９電源ＩＣが停止する。Ｓ１１３でＶｃｃ２の出力が停止していることを示している。
【００６１】
Ｓ１０８で低消費電力ではない場合、Ｓ１１４で/ＣＮＶ２_ＯＮ信号をＬｏｗ状態としてコンバータ１２（ＣＮＶ２）の動作を行うため、Ｓ１１５でＦＥＴ１３３をオンとなる。次にＳ１１６で１２８フォトカプラがオンとなり、Ｓ１１７で電源ＩＣ１１９が動作し、Ｓ１１８でＶｃｃ２が出力されることを示している。
【００６２】
Ｓ１０５にて１８スイッチがオフの場合、Ｓ１１９にてＦＥＴ１９がオフ状態となり、Ｓ１２０でＶｃｃ１出力が停止する。次にＳ１２１でスイッチ素子１３３のＦＥＴがオフとなり、Ｓ１２２でフォトカプラ１２８がオフとなってＳ１２３で電源ＩＣ１１９が停止してＳ１２４でＶｃｃ２の出力が停止する。
【００６３】
これらＳ１０２からＳ１２４のステップは繰り返し実行されているものとする。
【００６４】
以上述べたように、図１から図９で示した本発明では、ＤＣ出力の負荷状態と１次平滑コンデンサに充電されている電圧に応じて、コンバータのスイッチングにおけるスイッチ素子のオン時間が変化する。特に低消費電力状態でコンバータに供給するＡＣ入力の平滑化後の電圧を低下させることで、スイッチング損失が低減し、ＡＣ電源入力の電力消費を低減することが可能となる。
【００６５】
［実施例２］
以下に本発明の第２の実施形態について図を参照して説明する。前述の図２は、本発明の実施例に係る電源装置の回路構成を表す図である。図２において、フォトトライアックカプラ１５２はトライアック１５０をオン状態とする時に受光側の素子が通電状態となる。この通電状態となるタイミングを、ＡＣ電源のＡＣ＿Ｈライン電圧のゼロクロスタイミングとする。このことでトライアック１５０のオン時に、ＡＣ電圧の０Ｖ付近でオン状態とするように、フォトトライアックカプラ１５２はゼロクロス検出型とする。ゼロクロスタイミングにて１次平滑コンデンサ６に充電することで、突入電流を低減することができ、急激な電流変動が無い状態でトライアック１５０や整流回路５の電力損失やＡＣ電源ラインの急激な電圧変動を防止することができる。
【００６６】
以上述べたように、ＡＣ電源ラインの急激な電流変動による電圧変動を防止でき、低消費電力状態でコンバータに供給するＡＣ入力の平滑化後の電圧を低下させてスイッチング損失を低減し、ＡＣ入力の電力消費を低減することが可能となる
【符号の説明】
【００６７】
１‥‥商用交流（ＡＣ）電源
２‥‥整流制御部
３，４‥‥ＡＣコントローラ１および２（ＡＣ ＣＴＲＬ１、ＡＣ ＣＴＲＬ２）
５‥‥整流部回路（ブリッジダイオード）
６‥‥１次平滑コンデンサ
１１‥‥コンバータ（ＣＮＶ１）
１２‥‥コンバータ（ＣＮＶ２）
１３‥‥ゼロクロス信号出力部
１４‥‥中央演算処理ユニット（ＣＰＵ）
１５‥‥ＡＣ負荷
１６、１７‥‥ＤＣ負荷
１８‥‥スイッチ（ＳＷ）
１０３、１２０‥‥電源ＩＣ
１０４、１２１‥‥スイッチ素子（ＭＯＳＦＥＴ）
１０６、１２３‥‥スイッチングトランス
１１２、１２９、１２８、１４２‥‥フォトカプラ
１４１‥‥スイッチ素子（トランジスタ）
１５０‥‥トライアック
１５２‥‥フォトトライアックカプラ（ゼロクロス検出型）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トランスによって１次側と２次側に絶縁し、１次側でのスイッチング動作で２次側に電力を伝達する電源装置に関するものである。例えば、商用電源から交流のＡＣ１００Ｖを入力し、整流と平滑化を行って直流のＤＣ電圧化し、１次側のスイッチング動作によってスイッチングトランスを介して２次側へ電力を伝達する電源装置を挙げることができる。
【背景技術】
【０００２】
電源装置は、ＡＣ−ＤＣコンバータとして、ＡＣラインからの交流電圧を変換してＤＣ電圧を生成し、その他の装置や接続されているユニットに供給するものがある。ＡＣ入力電圧をＤＣ化して出力するＡＣ−ＤＣ変換部には、スイッチング方式が広く使用されている。これらの装置では、入力と出力を１次側巻線と２次側巻線で磁気結合するようにコア材と組み合わせて構成したスイッチングトランスを使用している場合がある。スイッチングトランスには前述のように巻線が使用されており、銅線等の導電性材料に絶縁皮膜を付加して使用している。１次側と２次側の巻線は絶縁されている。また、電源装置は、ＤＣ出力電流が小さい軽負荷時に低消費電力状態としてコンバータを動作させるものがある。また、ＤＣ出力電流が大きい重負荷時には、重負荷に対応したコンバータの動作を行うものがある。軽負荷時は電源装置が接続されているユニットの制御によって待機状態であるスタンバイモードや低消費電力状態であるスリープモードとなり、コンバータが複数接続されている場合、停止できるコンバータの動作を停止する構成もある。
【０００３】
コンバータを低消費電力状態とする方法として、特許文献１のように、ＡＣ電圧を整流して平滑化せずに全波整流後の電圧をスイッチングすることで、コンバータに印加する電圧を部分的に低下させ、電力損失を低減する方法が開示されている。また、特許文献２のように、低消費電力状態となる省エネモードを検出する回路構成と平滑コンデンサへの電圧印加タイミングを設定する間欠パルス発生回路を有し、また平滑コンデンサへの供給の必要性を検知する回路構成と合わせて平滑コンデンサでの平滑電圧を設定し、電源のオン/オフを切り換えて、低消費電力状態の電源を構成するものもある。また、特許文献３のように、低消費電力状態で動作するユニットのみに電力供給し、コンバータの２次側に充電可能な手段を設け、充電電圧状態を検知してＡＣ入力である交流電源からコンバータへの電力供給をオン／オフする構成も開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平7-284269号公報
【特許文献２】特開2001-224132号公報
【特許文献３】特開2001-251853号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記従来例のうち特許文献１では、低消費電力状態においてＡＣ入力からの全波整流後の電圧を１次平滑コンデンサで平滑化しない場合、スイッチングタイミングによっては、ピーク電圧付近でスイッチングを行うことがある。その時は、スイッチ素子に通電する電流と電圧の積である電力損失が大きくなり、電力消費が増大する期間があるという問題があった。また、特許文献２では、ＡＣ入力から電力を供給されて動作する間欠パルス発生回路や省エネモード検出回路や平滑コンデンサへの供給モード検出回路を有し、回路構成が複雑化するという問題があった。また、特許文献３では、低消費電力モードでの制御を行う際に２次側のユニットに構成した充電手段の電圧を監視して、１次側にフィードバックする構成のため、コスト高となる構成である。
【０００６】
また、ＡＣラインの交流電圧が０Ｖ付近となるゼロクロスタイミングを基準としてＡＣラインに接続されているＡＣ負荷への通電を制御する場合がある。例えば負荷としては、１次平滑コンデンサへの充電のための電力供給等が挙げられる。
【０００７】
しかし、特許文献２、３では、低消費電力モードで１次平滑コンデンサへの充電を開始するタイミングでゼロクロスタイミングを考慮しておらず、急激な電流変化によってＡＣ電力の供給源であるコンセント周辺のＡＣラインの電圧降下が発生し、同一のＡＣラインに接続されている他の装置に影響を与える恐れがある。
【０００８】
そこで本出願に係る第１の発明の目的は、低消費電力状態でコンバータに供給するＡＣ入力電圧の平滑化後の電圧を低下させてコンバータに供給する電圧を低下させることでスイッチング損失を低減し、ＡＣ入力の電力消費を低減した電源装置を提供することである。
【０００９】
また、第２の発明の目的は、ＡＣ入力電圧のゼロクロスタイミングに同期してＡＣラインからの電力供給をオンもしくはオフし、ＡＣラインの急激な電流変動による電圧変動を防止するとともに平滑電圧を低下させてコンバータに供給する電圧を低下させることでスイッチング損失を低減し、ＡＣ入力の電力消費を低減した電源装置を提供することである。
【００１０】
また、第３の発明の目的は、ＤＣ出力電流が大きくなる重負荷時には、対応するコンバータからの電力供給を行うために、ＡＣラインから平滑手段へ連続して電力を供給し、ＡＣ入力のゼロクロスタイミングに同期してＡＣラインから電力供給し、ＡＣラインの急激な電流変動による電圧変動を防止することができる電源装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するため、本出願にかかる第1の発明は、スイッチング方式によるコンバータのスイッチ素子を制御するスイッチング制御手段と、交流商用電源からの入力を整流し容量に充電して平滑化する平滑手段と、前記平滑手段への充電を切り換える充電切り換え手段と、スイッチング周期におけるオン時間に応じて前記平滑手段へ前記充電切り換え手段にて充電するか充電しないかを切り換える充電選択手段とを有し、出力電流負荷が低下した際に前記スイッチング手段によるスイッチ素子のオン時間が短くなると前記充電選択手段にて前記平滑手段に充電しないことを選択し、前記平滑手段の電圧が低下して前記スイッチング制御手段によるスイッチ素子のオン時間が長くなると前記充電選択手段にて前記平滑手段に充電することを選択することを特徴とする。
【００１２】
また、本出願にかかる第２の発明は、第１の発明の電源装置において、出力電流負荷が低下した際に前記スイッチング手段によるスイッチ素子のオン時間が短くなると前記充電選択手段にて前記平滑手段に充電しないことを選択し、前記平滑手段の電圧が低下して前記スイッチング制御手段によるスイッチ素子のオン時間が長くなると前記充電選択手段にて前記平滑手段に充電することを選択し、交流電圧のゼロクロスタイミングに同期して前記平滑手段に充電することを特徴とする。
【００１３】
また、本出願にかかる第３の発明は、前記第１の発明および第２の発明記載の電源装置において、コンバータからの出力電流負荷が増加した際には、前記平滑手段に充電することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
以上説明したように、第１の発明によれば、低消費電力状態でコンバータに供給するＡＣ入力電圧の平滑化後の電圧を低下させてスイッチング損失を低減し、ＡＣ入力の電力消費を低減することが可能となる。
【００１５】
また、第２の発明によれば、ＡＣ入力電圧のゼロクロスタイミングに同期してＡＣラインからの電力供給をオンもしくはオフし、ＡＣラインの急激な電流変動による電圧変動を防止でき、低消費電力状態でコンバータに供給するＡＣ入力電圧の平滑化後の電圧を低下させてスイッチング損失を低減し、ＡＣ入力の電力消費を低減することが可能となる。
【００１６】
また、第３の発明によれば、出力電流負荷が増加するコンバータの動作に対応して平滑手段に充電することで、出力電流負荷の増加に対応することが可能となり、また、ＡＣ入力電圧のゼロクロスタイミングに同期してＡＣラインから電力供給し、ＡＣラインの急激な電流変動による電圧変動を防止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施例に係る電源装置の回路ブロックを表す図。
【図２】本発明の実施例に係る電源装置の回路構成を表す図。
【図３】本発明の実施例に係る電源装置の回路構成における信号を表す図。
【図４】本発明の実施例に係る電源装置の回路構成における信号を表す図。
【図５】本発明の実施例に係る電源装置の回路構成における信号を表す図。
【図６】本発明の実施例に係る電源装置の回路構成における信号を表す図。
【図７】本発明の実施例に係る電源装置の回路構成におけるスイッチ素子の損失を表す図。
【図８】本発明の実施例に係る電源装置の回路構成における信号を表す図。
【図９】本発明の実施例に係る電源装置の動作を表すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
［実施例１］
以下に本発明の第１の実施形態について図を参照して説明する。図１は、本発明の実施例に係る電源装置の構成と、電源装置に接続する負荷の構成を表すブロック図である。
【００１９】
１は商用電源等のＡＣ（交流）電源であり、２はＡＣ入力を整流するかどうかを制御する整流制御部である。３および４はＡＣ入力をブリッジダイオード等のブリッジ整流回路５に通電し、１次平滑コンデンサ６にＤＣ電圧として充電するかどうかを切り換えるＡＣコントローラ１（ＡＣ ＣＴＲＬ１）およびＡＣコントローラ２（ＡＣ ＣＴＲＬ２）である。１１はコンバータ（ＣＮＶ１）であり、ＤＣ化された電圧をスイッチング方式にて降圧してＶｃｃ１を生成する。１２はコンバータ（ＣＮＶ２）であり、前述のＤＣ電圧を降圧してＶｃｃ２を生成する。ＡＣコントローラ１−３はコンバータ１１からの出力によって動作し、ＡＣコントローラ２−４はコンバータ１２からの出力によって動作する。
【００２０】
１３は、ＡＣ電源１からの電圧のゼロクロスタイミングを検知してＺＲＸ信号を出力するゼロクロス信号出力部である。１４はＣＰＵ（中央演算処理ユニット）であり、前述のゼロクロス信号出力部１３からのＺＲＸ信号を入力して、制御対象であるＡＣ負荷１５の動作タイミング設定や制御を行う。また、ＣＰＵ１４は、１６および１７のＤＣ負荷やＤＣ回路の動作制御も行うものである。１４ａはＣＰＵ１４内に設置されているＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）であり、ＣＰＵ１４による制御の内容が記録されており、その内容をもとにＣＰＵ１４内で処理を実行する。１４ｂはＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａcｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）であり、ＣＰＵ１４の処理におけるデータの一時的な保持や、演算で使用するメモリ領域を有するものである。
【００２１】
ＡＣ負荷１５には交流供給源からの電力ラインＡＣ_ＨとＡＣ_Ｌが接続されており、ＣＰＵ１４によって制御される。ＡＣ負荷１５への通電は、ＡＣ電圧がほぼゼロボルトの時点に通電することで突入電流を低減し、ゼロクロス信号出力部１３からのＺＲＸ信号を基に通電タイミングを制御する。
【００２２】
１６，１７はＶｃｃ２を電力源とするＤＣ負荷およびＤＣ回路であり、ＣＰＵ１４によって制御される。例えば、ＤＣモータ等の駆動ユニットや、ＤＣ電源で動作するセンサユニットである。
【００２３】
１８はＳＷ（スイッチ）であり、ユーザの操作によってＶｃｃ１電圧をコンバータ１１から出力するかどうかを選択可能とするものである。
【００２４】
コンバータ１１からは、ＩＣ Ｖｃｃとしてコンバータ１２へ電力が供給され、コンバータ１２からはゼロクロス信号出力部１３にゼロクロス信号生成電力ＺＲＸ_ＰＳが供給されている。
【００２５】
図２は、本発明の実施例に係る電源装置の回路構成を表す図である。
【００２６】
７はチョークコイルであり、ＡＣラインの急激な電流変動を低減するためにＡＣ＿Ｎライン上に設置されている。
【００２７】
１０２は電源ＩＣであり、コンバータ１１のスイッチング動作を制御する。本実施例では電源ＩＣを例とするが、個別に部品を組み合わせて構成する方法もある。電源ＩＣ１０２は、スイッチ素子１０３のオンおよびオフ制御を行う。また、電源ＩＣ１０２は、ＳＴ端子に接続されたＡＣ＿Ｈラインからの電力供給によって起動する。スイッチング動作のスイッチ素子として、本実施例ではＭＯＳＦＥＴを例にするが、特に限定するものではない。１０４はスイッチ素子１０３であるＭＯＳＦＥＴのドレインとソース端子間に接続されているコンデンサである。１０５はスイッチ素子１０３に接続されている電流検知抵抗である。スイッチ素子１０３のオン時の電流を検知し、電源ＩＣ１０２にてオンおよびオフのスイッチングタイミングを制御するために用いる。
【００２８】
１０６（１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ）はスイッチングトランスである。１０６ａは１次側のメイン巻線である。整流後のＤＣ＿ＨとＤＣ＿Ｎ間の電圧が、電源ＩＣ１０２で制御されるスイッチ素子１０３によって印加される。１０６ｂは２次側出力のＶｃｃ１出力巻線である。１０６ｃは電源ＩＣ１０２に動作電力を供給する補助巻線である。１０２電源ＩＣは、前述のＳＴ端子からの起動後にスイッチングを行い、１０６ｃからの出力によって動作を継続するものとする。また、１０６ｃは電源ＩＣ１０２に接続されており、電源ＩＣ１０２がスイッチ素子１０３をオンするタイミングを検知するために用いられている。
【００２９】
１０７aおよび１０７ｂダイオードは補助巻線１０６ｃからの出力を半波整流するダイオードであり、１０８aおよび１０８ｂは平滑コンデンサである。平滑化された電圧はＩＣ Ｖｃｃ１およびＩＣ Ｖｃｃ２となる。
【００３０】
ダイオード１０９は１０６ｂ巻線からの出力を整流するダイオードであり、１１０aおよび１１０ｂは平滑コンデンサである。平滑化された電圧は、２次側に設置されたＳＷ（スイッチ）１８のオン状態でＦＥＴ１９がオンすることによって、Ｖｃｃ１として出力される。ＳＷ１８のオフ状態では、ＦＥＴ１９がオフすることによって、Ｖｃｃ１の出力が停止する。１１１はチョークコイルであり、平滑コンデンサ１１０ｂへの急激な電流変動を低減する。
【００３１】
本実施例では、フォトカプラ１１２、シャントレギュレータ１１３、抵抗１１４および１１５はＶｃｃ１の電位を安定させるための電圧フィードバック(帰還)回路の構成を示している。また、フォトカプラ１１２は１次側と２次側を絶縁して分離し、発光部の発光状態によって２次側からＶｃｃ１の電圧出力状態を１次側の電源ＩＣ１０２にＦＢ信号線を経由して電源ＩＣ１０２に伝達する。Ｖｃｃ１の電圧フィードバック回路に関しては、特に方法や構成を限定するものではない。
【００３２】
１１９は電源ＩＣでありコンバータ１２のスイッチング動作を制御する。１１９電源ＩＣは、１２０スイッチ素子のオンおよびオフ制御を行う。本実施例では、スイッチ素子としてＭＯＳＦＥＴを例とするが、特に限定するものではない。１２１はスイッチ素子１２０のＭＯＳＦＥＴのドレインとソース端子間に接続されているコンデンサである。１２２はスイッチ素子１２０に接続されている電流検知抵抗である。スイッチ素子のスイッチング時の電流を検知し、電源ＩＣ１１９にてスイッチングのタイミングを制御するために用いる。
【００３３】
１２３（１２３ａ、１２３ｂ、１２３ｃ）はスイッチングトランスである。１２３ａは１次側のメイン巻線である。整流後のＤＣ＿ＨとＤＣ＿Ｎ間の電圧が、電源ＩＣ１１９で制御されるスイッチ素子１２０によって印加される。１２３ｂは２次側出力のＶｃｃ２出力巻線である。１２３ｃは補助巻き線であり、電源ＩＣ１１９に接続されている。電源ＩＣ１１９がスイッチ素子１２０をオンするタイミングを検知するために接続されている。
【００３４】
ダイオード１２４は巻線１２３ｂからの出力を整流するダイオードであり、１２５ａおよび１２５ｂは平滑コンデンサである。平滑化された電圧はＶｃｃ２となる。
【００３５】
１２６はチョークコイルであり、平滑コンデンサ１２５ｂへの急激な電流変動を低減する。
【００３６】
１２７はスイッチ素子であり、ＩＣ Ｖｃｃ２を電源ＩＣ１１９に動作電力として供給するか停止するかを切り換える。また、同時にゼロクロス信号出力部１３にゼロクロス信号生成電力をＺＲＸ_ＰＳとして供給するか停止するかを切り換える。本実施例では、１２７はＭＯＳＦＥＴを用いているが、特に限定するものではない。
【００３７】
１２８はフォトカプラであり、コンバータ１２の１次側と２次側を絶縁して分離し、スイッチ素子１２７を制御する。
【００３８】
フォトカプラ１２９、シャントレギュレータ１３０、抵抗１３１および１３２は、Ｖｃｃ２の電位を安定させるための電圧フィードバック回路である。また、フォトカプラ１２９は１次側と２次側を絶縁して分離し、発光部の発光状態によって２次側から、Ｖｃｃ２の電圧出力状態を１次側の電源ＩＣ１２０のＦＢ信号線を経由して電源ＩＣ１１９に伝達する。Ｖｃｃ２の電圧フィードバック回路に関しては、特に方法や構成を限定するものではない。
【００３９】
１３３はスイッチ素子である。ＳＷ１８のオン状態でＶｃｃ１が出力されると、スイッチ素子１３３は、ＣＰＵ１４からの/ＣＮＶ２_ＯＮ信号によってコンバータ１２の動作とゼロクロス信号出力部１３への電力供給を切り換える。/ＣＮＶ２_ＯＮ信号がＬｏｗ状態の場合、スイッチ素子１３３がオン状態となり、フォトカプラ１２８の発光素子が通電され、スイッチ素子１２７がオン状態となる。かつ、ゼロクロス信号出力部１３にゼロクロス信号生成電力ＺＲＸ_ＰＳが供給される。また、ＩＣ Ｖｃｃ２が電源ＩＣ１１９に動作電力として供給され、電源ＩＣ１１９が動作しＶｃｃ２が出力される。
【００４０】
ＳＷ１８のオフ状態では、Ｖｃｃ１出力が停止し、フォトカプラ１２８の発光素子の通電が停止して、スイッチ素子１２７がオフ状態となり、電源ＩＣ１１９へのＩＣ Ｖｃｃ２供給が停止し、電源ＩＣ１１９が停止して、Ｖｃｃ２の出力が停止する。また同時に、ゼロクロス信号出力部１３へのゼロクロス信号生成電力ＺＲＸ_ＰＳが停止する。
【００４１】
１３９はダイオードであり、ＡＣ電源のＡＣ＿Ｎライン電圧の半波を生成し、抵抗１４０を介してスイッチ素子１４１に電圧を供給しオンもしくはオフ状態を生成する。スイッチ素子１４１がオン状態の場合、フォトカプラ１４２の発光素子がオフ状態となり、ＺＲＸ信号がＨｉｇｈ状態となってＣＰＵ１４に出力される。スイッチ素子１４１がオフ状態の場合、フォトカプラ１４２の発光素子がオン状態となり、ＺＲＸ信号がＬｏｗ状態となってＣＰＵ１４に出力される。ＺＲＸ信号のＨｉｇｈおよびＬｏｗの切り替わりのタイミングが、ＡＣ電圧の０Ｖをクロスするタイミングであり、ゼロクロス信号ＺＲＸとしてＣＰＵ１４が入力する。ＣＰＵ１４はこの切り替わりポイントを検知してゼロクロスタイミングとして、前述の図１で示したＡＣ負荷１５のＡＣ電力の通電タイミングを制御する。
【００４２】
整流制御部２内の１５０はトライアックであり、ＡＣ電源のＡＣ＿Ｈライン上に設置されている。ＡＣ＿Ｈライン上の交流電圧の接続と切断を切り換え、ブリッジ整流回路５に通電し平滑コンデンサ６にＤＣ電圧として充電するかどうかを切り換える素子である。また、トライアック１５０の通電時の平均損失は、スイッチ素子１０３および１２０のオンおよびオフ時に発生する平均損失より小さい。
【００４３】
１５１はノイズ吸収素子であり、トライアック１５０のオンおよびオフの状態変化時における電圧変動を吸収する。１５２はフォトトライアックカプラであり、発光側の制御に対応してトライアック１５０をオンもしくはオフ状態とする切り換え制御を行う素子である。
ＡＣコントローラ１（ＡＣ ＣＴＲＬ１）３は、コンバータ１１（ＣＮＶ１）の電源ＩＣ１０３のＯＵＴからの出力電圧を変換するように動作し、ダイオード１５３、１５８、コンデンサ１５５および抵抗１５４、１５６および定電圧ダイオード１５７で構成されている。コンバータ１１の出力負荷が増大すると電源ＩＣ１０３のＯＵＴからのオン出力の時間が図３の上図のように長くなる。そのためＡＣ ＣＴＲＬ１の出力電圧は、ダイオード１５３を経由し抵抗１５４とコンデンサ１５５でフィルタリングされ、定電圧ダイオード１５７のツェナー電圧Ｖｚ１以上で、かつダイオード１５８の順方向の電圧分降下して出力される。そして、ＡＣ ＣＴＲＬ１出力電圧波形は図３の下図で示した電圧出力波形のようになり、フォトトライアックカプラ１５２の発光素子が発光する。ただし、ＡＣ ＣＴＲＬ１出力電圧波形は、フォトトライアックカプラ１５２の発光素子の電圧降下によって波形形状が変化するが、本実施例の図３では変化後の波形は不図示である。また、出力負荷に対して、１次平滑コンデンサ６の電圧が低下すると、１次側からの電力供給と２次側の出力負荷の電力が釣り合うように、スイッチングのオン時間が長くなり、同じく電源ＩＣ１０３のＯＵＴからのオン出力時間が長くなる。
【００４４】
図４は、ＯＵＴからのオン出力時間が長く、スイッチ素子１０３のオン時間が長い状態でのスイッチ素子１０３の状態を示している。上図はＭＯＳＦＥＴであるスイッチ素子１０３のドレイン-ソース間電圧Ｖｄｓであり、ドレイン電流Ｉｄは下図のようになる。また、オン時間が長くなる条件として１次平滑コンデンサ６の充電電圧が低い場合も相当し、スイッチ素子１０３のＶｄｓ電圧が低い状態でオンすることが可能となる。そのため、コンデンサ１０４からの放電電圧を低減し、スイッチ素子１０３のオン時の損失であるＶｄｓとＩｄの積を低減することができる。スイッチ素子１０３の損失が小さいほどＡＣ電源からの入力電力である消費電力は小さくなり、効率が良い状態となる。
【００４５】
コンバータ１１の出力負荷が低下すると電源ＩＣ１０３のＯＵＴからのオン出力の時間が図５の上図のように短くなる。そのためＡＣ ＣＴＲＬ１の出力電圧は、ダイオード１５３を経由し抵抗１５４とコンデンサ１５５でフィルタリングされ、定電圧ダイオード１５７の電圧以上でかつダイオード１５８の順方向電圧分降下して出力される。そして、図５の下図で示した電圧出力波形のようになり、フォトトライアックカプラ１５２の発光素子の発光時間が短くなる。
【００４６】
図６は、ＯＵＴからのオン出力時間が短く、スイッチ素子１０３のオン時間が短い状態でのスイッチ素子１０３の状態を示している。上図はＭＯＳＦＥＴであるスイッチ素子１０３のドレイン-ソース間電圧Ｖｄｓであり、ドレイン電流Ｉｄは下図のようになる。また、オン時間が短くなる条件として１次平滑コンデンサ６の充電電圧が高い場合も相当し、スイッチ素子１０３のＶｄｓ電圧が高い状態でオンすることとなる。そのため、コンデンサ１０４からの放電電圧が高くなり、スイッチ素子１０３のオン時の損失であるＶｄｓとＩｄの積が大きくなる。
【００４７】
スイッチ素子１０３の損失が大きいほどＡＣ電源からの入力電力である消費電力は大きくなり、効率が低下する状態となる。
【００４８】
フォトトライアックカプラ１５２の発光素子によって受光側の導通状態が変化する電圧をＶｔｈとすると、図３および図５で示したＡＣ ＣＴＲＬ１の電圧出力によってフォトトライアックカプラ１５２の発光時間が異なる。図３のようにスイッチングのオン時間が長くなるようにＯＵＴからのオン出力時間が長くなる場合、フォトトライアックカプラ１５２の導通時間は長くなる。図５のようにスイッチングのオン時間が短い場合、導通時間は短くなる。
【００４９】
ＡＣコントローラ２（ＡＣ ＣＴＲＬ２）４についても、ＡＣコントローラ１−３と同様に動作し、コンバータ１２（ＣＮＶ２）の電源ＩＣ１２０のＯＵＴ出力を変換するように動作し、ダイオード１６０、１６５、コンデンサ１６２および抵抗１６１、１６３および定電圧ダイオード１６４で構成されている。
【００５０】
ＡＣコントローラ１−３とＡＣコントローラ２−４はダイオード１５８と１６５でＯＲ接続されており、コンバータ１１もしくはコンバータ１２のいずれかのスイッチング状態に応じて、フォトトライアックカプラ１５２の発光素子に通電し、トライアック１５０をオンもしくはオフ制御することで、１次平滑コンデンサ６の充電もしくは放電状態を設定する。
コンバータ１１もしくはコンバータ１２のいずれかの出力負荷が増大するとトライアック１５０のオン時間が長くなり、１次平滑コンデンサ６の電圧が上昇する。例えば、前述の図１のＤＣ負荷１６もしくは１７の電流負荷が増大すると、負荷状態の変化に追従してトライアック１５０のオン時間が長くなり、１次平滑コンデンサ６の電圧が上昇して、１次側から２次側への電力の変換に対応するように動作する。
【００５１】
出力負荷が軽負荷となると、電源ＩＣ１０３のＯＵＴ出力もしくは電源ＩＣ１２０のＯＵＴ出力の時間が短くなり、フォトトライアックカプラ１５２の発光素子の通電時間が短くなる。そしてフォトトライアックカプラ１５２の発光素子が消灯すると、トライアック１５０はオフ状態となり、１次平滑コンデンサ６が充電されないため電圧が低下する。
【００５２】
図７は、ＡＣ電源からの入力電圧とスイッチ素子１０３の平均損失Ｐｄを表した図である。ＡＣ入力電圧が高い場合、整流後のＤＣ＿ＨとＤＣ＿Ｎ間の電圧が高く、スイッチ素子１０３のＶｄｓ電圧が高い状態でオンすることとなる。そのため、コンデンサ１０４からの放電電圧が高くなり、スイッチ素子１０３の損失Ｐｄが大きくなる。
【００５３】
逆に、整流後のＤＣ＿ＨとＤＣ＿Ｎ間の電圧が低い場合、コンデンサ１０４からの放電電圧が低くなり、スイッチ素子１０３の損失Ｐｄが小さくなる。
【００５４】
スイッチ素子１０３の損失が小さくなることで、ＡＣ電源からの入力電力を低減し、数％の電力消費を低減できることとなる。
【００５５】
図８は、出力負荷が軽負荷時の１次平滑コンデンサ６の電圧とＡＣ ＣＴＲＬ１の電圧出力波形を示したものである。１次平滑コンデンサ６が充電された状態でＯＵＴ出力の出力時間が短くなり、トライアック１５０がオフ状態となる。１次平滑コンデンサ６の放電によって、電源ＩＣ１０３のＯＵＴ出力の出力時間が短い状態から長い状態に時間経過にともなって変化する。そのため、ＡＣ ＣＴＲＬ１の出力電圧が上昇し、フォトトライアックカプラ１５２の発光素子によって受光側の導通状態が変化する電圧Ｖｔｈ以上になると、トライアック１５０がオン状態となる。その後、１次平滑コンデンサ６が充電され電源ＩＣ１０３のＯＵＴ出力のＨｉｇｈ出力時間が短い状態となれは、フォトトライアックカプラ１５２がオン状態からオフ状態となり、トライアック１５０がオフ状態となる。その後は、トライアック１５０のオン状態とオフ状態が繰り返され、１次平滑コンデンサ６の充電状態と放電状態が繰り返される。
【００５６】
図９は本発明の実施例１に係る電源装置の動作を表すフローチャートを示したものである。図２の回路も参照して動作を述べる。
【００５７】
Ｓ１００で商用電源等の交流（ＡＣ）電源１から電力を入力し、Ｓ１０１でコンバータ１１の１０２電源ＩＣが起動してスイッチング動作を開始する。
【００５８】
Ｓ１０２で１０２電源ＩＣのＯＵＴ出力によってＡＣコントローラ１（ＡＣ ＣＴＲＬ１）３もしくはＡＣコントローラ２（ＡＣ ＣＴＲＬ２）４の出力がありフォトトライアックカプラ１５２が導通状態となれば、Ｓ１０３に進む。Ｓ１０３では、トライアック１５０が導通することで１次平滑コンデンサ６に５整流回路を経由してＤＣ電圧が充電される。Ｓ１０２でＡＣコントローラ１−３およびＡＣコントローラ２−４からの出力がなければ、トライアック１５０が導通されず、１次平滑コンデンサ６は放電される。Ｓ１０５にてスイッチ（ＳＷ）１８がオン状態であればＳ１０６に進み、オフ状態であれは、Ｓ１１９に進む。
【００５９】
１８スイッチがオン状態であれば、Ｓ１０６ではスイッチ素子のＦＥＴ１９がオン状態となり、Ｓ１０７にてＶｃｃ１電圧が出力される。Ｖｃｃ１電圧は、ＣＰＵ１４や電源回路内に供給される。ＣＰＵ１４はＶｃｃ１が供給されることで動作可能となり、図１で示した１４aのＲＯＭ内の制御プログラムによって１４ｂのＲＡＭの初期化を行った後、ＡＣ負荷１５やＤＣ負荷１６、１７の制御を行う。また、電源装置に接続されているＡＣ負荷１５やＤＣ負荷１６、１７の制御状態によって、通常の動作状態や低消費電力モードへの状態遷移を判断する。また、/ＣＮＶ２_ＯＮ信号の出力制御も行う。
【００６０】
Ｓ１０８では、ＣＰＵ１４によって低消費電力モードに設定されていた場合/ＣＮＶ２_ＯＮ信号をＨｉｇｈ状態としてコンバータ１２（ＣＮＶ２）の動作を停止させるため、Ｓ１１０でスイッチ素子ＦＥＴ１３３をオフする。Ｓ１１１では、フォトカプラ１２８がオフとなり、Ｓ１１２で１１９電源ＩＣが停止する。Ｓ１１３でＶｃｃ２の出力が停止していることを示している。
【００６１】
Ｓ１０８で低消費電力ではない場合、Ｓ１１４で/ＣＮＶ２_ＯＮ信号をＬｏｗ状態としてコンバータ１２（ＣＮＶ２）の動作を行うため、Ｓ１１５でＦＥＴ１３３をオンとなる。次にＳ１１６で１２８フォトカプラがオンとなり、Ｓ１１７で電源ＩＣ１１９が動作し、Ｓ１１８でＶｃｃ２が出力されることを示している。
【００６２】
Ｓ１０５にて１８スイッチがオフの場合、Ｓ１１９にてＦＥＴ１９がオフ状態となり、Ｓ１２０でＶｃｃ１出力が停止する。次にＳ１２１でスイッチ素子１３３のＦＥＴがオフとなり、Ｓ１２２でフォトカプラ１２８がオフとなってＳ１２３で電源ＩＣ１１９が停止してＳ１２４でＶｃｃ２の出力が停止する。
【００６３】
これらＳ１０２からＳ１２４のステップは繰り返し実行されているものとする。
【００６４】
以上述べたように、図１から図９で示した本発明では、ＤＣ出力の負荷状態と１次平滑コンデンサに充電されている電圧に応じて、コンバータのスイッチングにおけるスイッチ素子のオン時間が変化する。特に低消費電力状態でコンバータに供給するＡＣ入力の平滑化後の電圧を低下させることで、スイッチング損失が低減し、ＡＣ電源入力の電力消費を低減することが可能となる。
【００６５】
［実施例２］
以下に本発明の第２の実施形態について図を参照して説明する。前述の図２は、本発明の実施例に係る電源装置の回路構成を表す図である。図２において、フォトトライアックカプラ１５２はトライアック１５０をオン状態とする時に受光側の素子が通電状態となる。この通電状態となるタイミングを、ＡＣ電源のＡＣ＿Ｈライン電圧のゼロクロスタイミングとする。このことでトライアック１５０のオン時に、ＡＣ電圧の０Ｖ付近でオン状態とするように、フォトトライアックカプラ１５２はゼロクロス検出型とする。ゼロクロスタイミングにて１次平滑コンデンサ６に充電することで、突入電流を低減することができ、急激な電流変動が無い状態でトライアック１５０や整流回路５の電力損失やＡＣ電源ラインの急激な電圧変動を防止することができる。
【００６６】
以上述べたように、ＡＣ電源ラインの急激な電流変動による電圧変動を防止でき、低消費電力状態でコンバータに供給するＡＣ入力の平滑化後の電圧を低下させてスイッチング損失を低減し、ＡＣ入力の電力消費を低減することが可能となる
【符号の説明】
【００６７】
１‥‥商用交流（ＡＣ）電源
２‥‥整流制御部
３，４‥‥ＡＣコントローラ１および２（ＡＣ ＣＴＲＬ１、ＡＣ ＣＴＲＬ２）
５‥‥整流部回路（ブリッジダイオード）
６‥‥１次平滑コンデンサ
１１‥‥コンバータ（ＣＮＶ１）
１２‥‥コンバータ（ＣＮＶ２）
１３‥‥ゼロクロス信号出力部
１４‥‥中央演算処理ユニット（ＣＰＵ）
１５‥‥ＡＣ負荷
１６、１７‥‥ＤＣ負荷
１８‥‥スイッチ（ＳＷ）
１０３、１２０‥‥電源ＩＣ
１０４、１２１‥‥スイッチ素子（ＭＯＳＦＥＴ）
１０６、１２３‥‥スイッチングトランス
１１２、１２９、１２８、１４２‥‥フォトカプラ
１４１‥‥スイッチ素子（トランジスタ）
１５０‥‥トライアック
１５２‥‥フォトトライアックカプラ（ゼロクロス検出型）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スイッチング方式によるコンバータのスイッチ素子を制御するスイッチング制御手段と、
交流商用電源からの入力を整流し容量に充電して平滑化する平滑手段と、
前記平滑手段への充電を切り換える充電切り換え手段と、
スイッチング周期におけるオン時間に応じて前記平滑手段へ前記充電切り換え手段にて充電するか充電しないかを切り換える充電選択手段とを有し、
出力電流負荷が低下した際に前記スイッチング手段によるスイッチ素子のオン時間が短くなると前記充電選択手段にて前記平滑手段に充電しないことを選択し、
前記平滑手段の電圧が低下して前記スイッチング制御手段によるスイッチ素子のオン時間が長くなると前記充電選択手段にて前記平滑手段に充電することを選択することを特徴とする電源装置。
【請求項２】
出力電流負荷が低下した際に前記スイッチング手段によるスイッチ素子のオン時間が短くなると前記充電選択手段にて前記平滑手段に充電しないことを選択し、
前記平滑手段の電圧が低下して前記スイッチング制御手段によるスイッチ素子のオン時間が長くなると前記充電選択手段にて前記平滑手段に充電することを選択し、
交流電圧のゼロクロスタイミングに同期して前記平滑手段に充電することを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
【請求項３】
コンバータからの出力電流負荷が増加した際には、前記平滑手段に充電することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電源装置。
【請求項１】
スイッチング方式によるコンバータのスイッチ素子を制御するスイッチング制御手段と、
交流商用電源からの入力を整流し容量に充電して平滑化する平滑手段と、
前記平滑手段への充電を切り換える充電切り換え手段と、
スイッチング周期におけるオン時間に応じて前記平滑手段へ前記充電切り換え手段にて充電するか充電しないかを切り換える充電選択手段とを有し、
出力電流負荷が低下した際に前記スイッチング手段によるスイッチ素子のオン時間が短くなると前記充電選択手段にて前記平滑手段に充電しないことを選択し、
前記平滑手段の電圧が低下して前記スイッチング制御手段によるスイッチ素子のオン時間が長くなると前記充電選択手段にて前記平滑手段に充電することを選択することを特徴とする電源装置。
【請求項２】
出力電流負荷が低下した際に前記スイッチング手段によるスイッチ素子のオン時間が短くなると前記充電選択手段にて前記平滑手段に充電しないことを選択し、
前記平滑手段の電圧が低下して前記スイッチング制御手段によるスイッチ素子のオン時間が長くなると前記充電選択手段にて前記平滑手段に充電することを選択し、
交流電圧のゼロクロスタイミングに同期して前記平滑手段に充電することを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
【請求項３】
コンバータからの出力電流負荷が増加した際には、前記平滑手段に充電することを特徴とする請求項１又は請求項２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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１２−１４７６２６（Ｐ２０１２−１４７６２６Ａ）
【公開日】平成２４年８月２日（２０１２．８．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−５６６２（Ｐ２０１１−５６６２）
【出願日】平成２３年１月１４日（２０１１．１．１４）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月２日（２０１２．８．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月１４日（２０１１．１．１４）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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