JP2023068535A - 電源装置及び画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】一次側と二次側が絶縁されているスイッチング電源の力率を改善すること。
【解決手段】一次巻線２０６ａ、２０６ｂ、二次巻線２０６ｃを有し一次側と二次側とが絶縁されたトランス２０６と、出力端子２０３ｃ、２０３ｄを有し交流電圧を全波整流するダイオードブリッジ２０３と、出力端子２０３ｃと、一次巻線２０６ａの一端と一次巻線２０６ｂの一端とが接続された接続点との間にインダクタ２０４とダイオード２０５が直列に接続された回路と、一端が一次巻線２０６ｂの他端と接続され、他端が出力端子２０３ｄに接続され、オン状態又はオフ状態に切り替えられる電界効果トランジスタ２０８と、一端が一次巻線２０６ａの他端と接続され、他端が出力端子２０３ｄに接続された電解コンデンサ２０７とを備え、電解コンデンサ２０７の電圧がダイオードブリッジ２０３の出力電圧よりも高くなるようにインダクタ２０４のインダクタンスが設定されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、電源装置、及び電源装置を備える画像形成装置に関する。

一般的な電子機器に使用されるスイッチング電源は、交流電源から入力される交流電圧を全波整流するダイオードブリッジの後段に、直流電圧を平滑化する平滑コンデンサを配置したコンデンサインプットタイプの方式を使用していることが多い。コンデンサインプットタイプのスイッチング電源では、ダイオードブリッジの出力電圧が平滑コンデンサの電圧を上回ったときにトランスへの入力電流が流れるため、力率が低くなる特徴を有している。そのため、力率を高める技術として、入力電流の電流波形が正弦波の形状よりもピーク部が抑えられた形状となるスイッチング電源が考案されている。例えば、特許文献１では、このスイッチング電源を搭載した電子機器と、コンデンサインプットタイプのスイッチング電源を搭載した電子機器とを同じ交流電源に接続し、入力電流の合成波形を正弦波の形状に近づけ、力率を向上させる技術が提案されている。

特許第０３２８８３６７号公報

しかしながら、上述したスイッチング電源の回路構成は、一般的な昇圧タイプの力率改善回路がベースとなっており、一次側と二次側とが絶縁されていない比較的高い電圧を出力するトランスを使用した回路構成となっている。そのため、一次側と二次側とが絶縁され、出力電圧が数Ｖ（ボルト）～数十Ｖの低電圧を出力するトランスを使用するスイッチング電源には適さない回路構成となっていた。

本発明は、このような状況のもとでなされたもので、一次側と二次側が絶縁されているスイッチング電源の力率を改善することを目的とする。

上述した課題を解決するために、本発明では、以下の構成を備える。

（１）第一の一次巻線及び第二の一次巻線と、二次巻線とを有し、一次側と二次側とが絶縁されたトランスと、第一の出力端子及び第二の出力端子を有し、交流電圧を全波整流する整流回路と、インダクタと第一の整流素子とが直列に接続された第一の直列回路であって、前記第一の出力端子と、前記第一の一次巻線の一端と前記第二の一次巻線の一端とが接続された第一の接続点との間に接続された前記第一の直列回路と、一端が前記第二の一次巻線の他端と接続され、他端が前記第二の出力端子に接続され、オン状態又はオフ状態に切り替えられるスイッチング素子と、一端が前記第一の一次巻線の他端と接続され、他端が前記第二の出力端子に接続された第一のコンデンサと、を備え、前記第一のコンデンサの電圧が前記整流回路の出力電圧よりも高くなるように、前記インダクタのインダクタンスが設定されていることを特徴とする電源装置。

（２）記録材にトナー像を形成するための画像形成部と、前記画像形成部に電力を供給するための電源装置と、を備え、前記電源装置は、第一の一次巻線及び第二の一次巻線と、二次巻線とを有し、一次側と二次側とが絶縁されたトランスと、第一の出力端子及び第二の出力端子を有し、交流電圧を全波整流する整流回路と、インダクタと第一の整流素子とが直列に接続された第一の直列回路であって、前記第一の出力端子と、前記第一の一次巻線の一端と前記第二の一次巻線の一端とが接続された第一の接続点との間に接続された前記第一の直列回路と、一端が前記第二の一次巻線の他端と接続され、他端が前記第二の出力端子に接続され、オン状態又はオフ状態に切り替えられるスイッチング素子と、一端が前記第一の一次巻線の他端と接続され、他端が前記第二の出力端子に接続された第一のコンデンサと、を有し、前記第一のコンデンサの電圧が前記整流回路の出力電圧よりも高くなるように、前記インダクタのインダクタンスが設定されていることを特徴とする画像形成装置。

（３）画像が形成された記録材を処理するためのオプション装置が接続された画像形成装置において、記録材にトナー像を形成するための画像形成部と、前記画像形成部に電力を供給するための第一の電源装置と、前記オプション装置に電力を供給するための第二の電源装置と、を備え、前記第二の電源装置は、第一の一次巻線及び第二の一次巻線と、二次巻線とを有し、一次側と二次側とが絶縁されたトランスと、第一の出力端子及び第二の出力端子を有し、交流電圧を全波整流する整流回路と、インダクタと第一の整流素子とが直列に接続された第一の直列回路であって、前記第一の出力端子と、前記第一の一次巻線の一端と前記第二の一次巻線の一端とが接続された第一の接続点との間に接続された前記第一の直列回路と、一端が前記第二の一次巻線の他端と接続され、他端が前記第二の出力端子に接続され、オン状態又はオフ状態に切り替えられるスイッチング素子と、一端が前記第一の一次巻線の他端と接続され、他端が前記第二の出力端子に接続された第一のコンデンサと、を有し、前記第一のコンデンサの電圧が前記整流回路の出力電圧よりも高くなるように、前記インダクタのインダクタンスが設定されていることを特徴とする画像形成装置。

本発明によれば、一次側と二次側が絶縁されているスイッチング電源の力率を改善することができる。

実施例１、２の画像形成装置の構成を説明する概略断面図 実施例１のスイッチング電源の回路図 実施例１の電流波形と電圧波形を示すグラフ 実施例１～３のコンデンサインプットタイプのスイッチング電源の回路図、及び電流波形を説明する図 実施例１の入力電流の波形を比較した図 実施例１の電子機器の使用形態を説明する図 実施例２のスイッチング電源の回路図 実施例３の画像形成装置の構成を示す概略図

以下に、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。

［画像形成装置の構成］
実施例１では、本発明の電源装置を画像形成装置に適用した場合について、図１から図６を参照しながら説明する。図１は、画像形成装置の一例として、レーザビームプリンタの概略構成を示す断面図である。レーザビームプリンタ１００（以下、プリンタ１００という）は、静電潜像が形成される感光ドラム１０１、感光ドラム１０１を一様に帯電する帯電部１０２、感光ドラム１０１に形成された静電潜像を現像し、トナー像を形成する現像部１０３を備えている。また、プリンタ１００は、感光ドラム１０１にレーザ光を照射して、感光ドラム１０１の表面に静電潜像を形成する露光装置１１０を備えている。プリンタ１００では、感光ドラム１０１に形成されたトナー像は、転写部１０５によって、カセット１０４からローラ１１１等により給送された記録材としてのシートＰに転写される。トナー像が転写されたシートＰは、定着器１０６に搬送され、トナー像は定着器１０６でシートＰに定着され、トナー像が定着されたシートＰはトレイ１０７に排出される。この感光ドラム１０１、帯電部１０２、現像部１０３、転写部１０５が画像形成部である。また、プリンタ１００は、電源装置である低電圧電源装置１０８を備え、低電圧電源装置１０８はモータ等の駆動部や画像形成部による画像形成動作やシートＰの搬送動作を制御する制御部（不図示）へ電力を供給する。

［スイッチング電源の構成］
図２は、図１のプリンタ１００が低電圧電源装置１０８として備えている、本実施例のスイッチング電源２００の回路構成を示す回路図である。図２において、ＡＣプラグ２０１をコンセントに接続すると、商用交流電源（不図示）から交流電圧がスイッチング電源２００に入力される。入力された交流電圧は、フィルタ回路２０２を介して、ダイオードブリッジ２０３に入力される。整流回路であるダイオードブリッジ２０３は、入力側の端子２０３ａ、２０３ｂと、出力側の端子２０３ｃ（第一の出力端子）、２０３ｄ（第二の出力端子）を有する。ダイオードブリッジ２０３は、入力側の端子２０３ａ、２０３ｂから入力される交流電圧を全波整流し、出力側の端子２０３ｃ、２０３ｄに出力する。一方、スイッチング電源２００の電力が供給される外部負荷が略一定で出力電圧Ｖｏｕｔが安定している場合、平滑手段である電解コンデンサ２０７に充電される充電電圧Ｖｃは、電解コンデンサの容量によって多少のリップル電圧を含むが、ほぼ一定電圧となる。なお、スイッチング電源２００は力率改善回路を有しているため、電解コンデンサ２０７がトランス２０６の一次巻線の下流側に構成されている。

図２において、ダイオードブリッジ２０３の出力側の端子２０３ｃは、インダクタ２０４の一端に接続されている。インダクタ２０４の他端は、ダイオード２０５（第一の整流素子）のアノード端子に接続され、ダイオード２０５のカソード端子は、トランス２０６の一次巻線２０６ａ（第一の一次巻線）及び一次巻線２０６ｂ（第二の一次巻線）と接続されている。このように、インダクタ２０４及びダイオード２０５は直列に接続され、直列回路を構成している。

トランス２０６は、一次側のエネルギーを二次側に変換するための絶縁トランスであり、一次巻線２０６ａ、２０６ｂ、二次巻線２０６ｃを有している。トランス２０６において、一次巻線２０６ａ、２０６ｂと二次巻線２０６ｃとは、極性が異なる。トランス２０６の一次巻線２０６ａと一次巻線２０６ｂは直列に接続されている。一次巻線２０６ａの一端は電解コンデンサ２０７（第一のコンデンサ）の＋側と接続され、一次巻線２０６ａの他端は一次巻線２０６ｂの一端とダイオード２０５のカソード端子とに接続されている。一次巻線２０６ｂの他端は、スイッチング素子である電界効果トランジスタ（以下、ＦＥＴという）２０８のドレイン端子に接続されている。一方、ＦＥＴ２０８のソース端子は、電解コンデンサ２０７の－側と、ダイオードブリッジ２０３の出力側の端子２０３ｄと、に接続されている。すなわち、トランス２０６の一次巻線２０６ｂには、ＦＥＴ２０８が直列に接続されている。また、ＦＥＴ２０８のゲート端子は制御ＩＣ（不図示）に接続され、ＦＥＴ２０８は、制御ＩＣからゲート端子に入力される信号に応じて、オン状態、又はオフ状態に設定される。上述した接続構成により、電解コンデンサ２０７は、トランス２０６の直列に接続された一次巻線２０６ａ及び一次巻線２０６ｂと並列に接続されている。

また、トランス２０６の二次巻線２０６ｃの一端は、ダイオード２０９のアノード端子に接続され、ダイオード２０９のカソード端子は電解コンデンサ２１０の＋側に接続されている。電解コンデンサ２１０は、＋側はダイオード２０９のカソード端子に接続され、－側はトランス２０６の二次巻線２０６ｃの他端に接続されている。電解コンデンサ２１０の充電電圧は、スイッチング電源２００の出力電圧Ｖｏｕｔとして、スイッチング電源２００に接続された外部負荷に出力される。

ＦＥＴ２０８のゲート端子に制御ＩＣ（不図示）からゲート電圧が印加されてＦＥＴ２０８が導通状態となると、電解コンデンサ２０７の充電電圧は、トランス２０６の一次巻線２０６ａ及び一次巻線２０６ｂにより分圧される。ダイオードブリッジ２０３の出力電圧がこの分圧された電圧よりも高い状態にあると、トランス２０６への入力電流がインダクタ２０４とダイオード２０５に流れる。

ここで、一次巻線２０６ａの巻数を一次巻線２０６ｂの巻数よりも多くすることで、一次巻線２０６ａと一次巻線２０６ｂとにより分圧される電圧値は低くなり、ダイオードブリッジ２０３の出力電圧がより低い電圧から入力電流が流れることになる。また、一次巻線２０６ａ、２０６ｂにより分圧される電圧値がほぼ一定電圧である中、ダイオードブリッジ２０３の出力電圧は正弦波状に時間的に変化するため、入力電流の波形も略正弦波状に変化する。そのため、スイッチング電源２００は、力率が高い電源特性を得ることができる。

一方、ＦＥＴ２０８のゲート端子に制御ＩＣ（不図示）からゲート電圧が供給されない期間には、トランス２０６の一次側に蓄積された電力（エネルギー）が二次側に伝達される。スイッチング電源２００の動作は、ＦＥＴ２０８のオフ時にトランス２０６の二次側に電力が供給されるため、フライバック電源の動作と同様である。そして、出力電圧Ｖｏｕｔはトランス２０６の一次巻線と二次巻線の巻数比によって任意に設定可能であり、数Ｖ（ボルト）から出力することができる。

［ダイオードブリッジの出力電圧とトランスの入力電流との関係］
図３［Ａ］は、トランス２０６の一次巻線２０６ａ、２０６ｂへの入力電流をＩｉｎ、ダイオードブリッジ２０３の端子２０３ｃの出力電圧をＶｉｎとした場合の、力率の高い状態の入力電流Ｉｉｎと出力電圧Ｖｉｎの波形を説明する図である。図３［Ａ］（ａ）に示す波形図は入力電流Ｉｉｎの電流波形を示し、縦軸は電流値を示し、横軸は時間ｔを示している、一方、図３［Ａ］（ｂ）に示す波形図は出力電圧Ｖｉｎの電圧波形を示しており、縦軸は電圧値を示し、横軸は時間ｔを示している。なお、ｔ１～ｔ６はタイミングを示している。図３［Ａ］（ｂ）において、電圧Ｖｃは電解コンデンサ２０７の電圧を示す電圧波形であり、破線は電解コンデンサ２０７の電圧Ｖｃを一次巻線２０６ａと一次巻線２０６ｂの巻数比で分圧した電圧を表している。なお、破線で示す電圧は、一次巻線２０６ａと一次巻線２０６ｂとの接続点（第一の接続点）の電圧でもある。

図３［Ａ］に示すように、一次巻線２０６ａと一次巻線２０６ｂとで電解コンデンサ２０７の電圧が分圧され、分圧された電圧（分圧値）をダイオードブリッジ２０３の出力電圧Ｖｉｎが超えた時点（時刻ｔ１（ｔ３、ｔ５・・・））で入力電流Ｉｉｎが流れる。入力電流Ｉｉｎは出力電圧Ｖｉｎが分圧値以下となる時点（時刻ｔ２（ｔ４、ｔ６・・・））まで流れる。逆説的には、出力電圧Ｖｉｎが分圧値に達するまで（例えば時刻ｔ２から時刻ｔ３まで）入力電流Ｉｉｎは流れない（Ｉｉｎ＝０）構成となる。このように、一次巻線２０６ａと一次巻線２０６ｂとで電解コンデンサ２０７の充電電圧を分圧した電圧を、ダイオードブリッジ２０３の出力電圧Ｖｉｎが超えた時点で、入力電流Ｉｉｎが流れ始めるが、所定時間、入力電流Ｉｉｎが流れない特徴を有している。

そのため、ＦＥＴ２０８のゲート端子に入力され、ＦＥＴ２０８をオン状態又はオフ状態に切り替えるパルス信号の周波数を固定周波数とした場合に、スイッチング電源２００の出力電圧Ｖｏｕｔを一定にするためには、次のようなパルス信号の制御を行う。すなわち、ダイオードブリッジ２０３からの出力電圧Ｖｉｎが低いときには、ゲート端子に入力されるパルス信号の幅（オン状態の時間）を広くして（長くして）、ＦＥＴ２０８のオン状態の時間を長くする。一方、ダイオードブリッジ２０３からの出力電圧Ｖｉｎが高いときには、ゲート端子に入力されるパルス信号の幅（オン状態の時間）を狭くして（短くして）、ＦＥＴ２０８のオン状態の時間を短くする。そのため、入力電流Ｉｉｎの電流波形の形状は図３［Ａ］（ａ）に示すように、電流が全く流れない期間（入力電流Ｉｉｎ＝０の期間）を含む正弦波のピーク部の高さを抑制したような波形形状になる。なお、入力電流Ｉｉｎが全く流れない期間では、電解コンデンサ２０７からトランス２０６の一次巻線に電流を流すことにより、負荷への電力供給が行われる。また、入力電流Ｉｉｎの電流波形が、図３［Ａ］（ａ）に示す波形形状になるための重要な条件は、図３［Ａ］（ｂ）に示すように、電解コンデンサ２０７の電圧Ｖｃがダイオードブリッジ２０３の出力電圧Ｖｉｎよりも常に高い状態にあることである。

一方、図３［Ｂ］は、電解コンデンサ２０７の充電電圧Ｖｃがダイオードブリッジ２０３の出力電圧Ｖｉｎを瞬間的に下回った場合の入力電流Ｉｉｎの電流波形と出力電圧Ｖｉｎの電圧波形を説明する図である。図３［Ｂ］（ａ）に示す波形図は入力電流Ｉｉｎの電流波形を示し、縦軸は電流値を示し、横軸は時間ｔを示している、一方、図３［Ｂ］（ｂ）に示す波形図は出力電圧Ｖｉｎの電圧波形を示しており、縦軸は電圧値を示し、横軸は時間ｔを示している。なお、ｔ１１～ｔ２２はタイミングを示している。

図３［Ｂ］に示す波形図が図３［Ａ］に示す波形図と異なる点は、図３［Ｂ］ではダイオードブリッジ２０３の出力電圧Ｖｉｎのピーク付近の電圧が、電解コンデンサ２０７の充電電圧Ｖｃよりも高くなっている点である。出力電圧Ｖｉｎが電解コンデンサ２０７の充電電圧Ｖｃよりも高い状態になると（図中、ｔ１２からｔ１３、ｔ１６からｔ１７、ｔ２０からｔ２１の期間）、入力電流Ｉｉｎは瞬間的に大電流となる。その結果、図３［Ｂ］（ａ）に示すように、入力電流Ｉｉｎの波形形状は、図３［Ａ］（ａ）に示す電流波形に対し、ピーク値付近に突起部が形成されたような波形になる。本実施例では、入力電流波形において突起部が形成されないように、電解コンデンサ２０７の充電電圧Ｖｃがダイオードブリッジ２０３の出力電圧Ｖｉｎよりも常に高い状態になるように設定する。これにより、入力電流Ｉｉｎの電流波形は、電流が全く流れない期間を含む正弦波の形状のピーク部を抑制したような波形形状とすることができる。

［コンデンサインプットタイプのスイッチング電源］
図４（ａ）は、交流電源から入力される交流電圧を全波整流するダイオードブリッジの後段に、入力される直流電圧を平滑化する平滑コンデンサを配置したコンデンサインプットタイプのスイッチング電源の一例の回路構成を示す回路図である。図４（ａ）に示すスイッチング電源４００は、トランス４０５の一次巻線４０５ａと二次巻線４０５ｂの巻線方向が逆方向となっているフライバックコンバータである。

図４（ａ）において、ＡＣプラグ４０１をコンセントに接続すると、交流電源（不図示）から交流電圧がスイッチング電源４００に入力される。入力された交流電圧は、フィルタ回路４０２を介して、ダイオードブリッジ４０３に入力される。整流回路であるダイオードブリッジ４０３は、入力側の端子４０３ａ、４０３ｂから入力される交流電圧を全波整流し、出力側の端子４０３ｃ、４０３ｄに出力する。交流電圧を全波整流したダイオードブリッジ４０３からは直流電圧が出力され、電解コンデンサ４０４によって略一定電圧に平滑され、充電される。

トランス４０５は、一次側と二次側が絶縁されたトランスであり、一次巻線４０５ａと、一次巻線４０５ａとは逆方向に巻かれた二次巻線４０５ｂと、を有している。また、一次巻線４０５ａは、一端が電解コンデンサ４０４の＋側、及びダイオードブリッジ４０３の出力側の端子４０３ｃに接続され、他端は電界効果トランジスタ（以下、ＦＥＴという）４０６のドレイン端子に接続されている。また、ＦＥＴ４０６のソース端子は、電解コンデンサ４０４の－側と、ダイオードブリッジ４０３の出力側の端子４０３ｄと、に接続されている。また、ＦＥＴ４０６のゲート端子は制御ＩＣ（不図示）に接続され、ＦＥＴ４０６は、制御ＩＣからゲート端子に入力される信号に応じて、オン状態、又はオフ状態に設定される。また、二次巻線４０５ｂは、二次巻線４０５ｂに誘起された電圧を整流平滑する整流平滑手段であるダイオード４０７、電解コンデンサ４０８を有している。二次巻線４０５ｂの一端はダイオード４０７のアノード端子に接続され、二次巻線４０５ｂの他端は電解コンデンサ４０８の－側に接続されている。また、ダイオード４０７のカソード端子は電解コンデンサ４０８の＋側に接続され、電解コンデンサ４０８の－側は二次巻線４０５ｂの他端に接続されると共に、地絡されている。

ＦＥＴ４０６のゲート端子に制御ＩＣ（不図示）からゲート電圧が印加されてＦＥＴ４０６が導通状態（オン状態）となると、電解コンデンサ４０４から電流が供給されて一次巻線４０５ａに電力（エネルギー）が蓄積される。そして、ＦＥＴ４０６のゲート端子に制御ＩＣからのゲート電圧の供給が遮断され、ＦＥＴ４０６が非導通状態（オフ状態）となると、一次巻線４０５ａに蓄積された電力（エネルギー）が二次巻線４０５ｂに誘起される。誘起された電圧はダイオード４０７、電解コンデンサ４０８により整流平滑され、出力電圧Ｖｏｕｔが出力される。なお、ダイオード４０７の代わりに電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）で構成しても同様な機能を実現することができ、より電力損失を抑えることができる。

また、図４（ｂ）は、図４（ａ）のフライバックコンバータであるスイッチング電源４００の入力電流の電流波形を示している。図４（ａ）の回路図において、ダイオードブリッジ４０３からの入力電流は、電解コンデンサ４０４の充電電圧がダイオードブリッジ４０３の出力電圧を下回ったときだけ流れる。そのため、ダイオードブリッジ４０３からの入力電流の波形は、図４（ｂ）に示すように、入力電流Ｉｉｎが流れる位相角である導通角が非常に狭い形状となり、導通角が非常に狭い状態における力率は非常に低く、無効電流が多くなる。なお、ここでは、コンデンサインプットタイプのスイッチング電源としてフライバックコンバータを例に挙げて説明した。例えば、一次巻線と二次巻線の巻方向が同じフォワードコンバータやＬＬＣ電源等のその他のタイプの電源であっても、図４（ｂ）に示す入力電流波形と同様の入力電流波形となる。

［２つのスイッチング電源の合成電流波形］
図５は、図３［Ａ］（ａ）と図３［Ｂ］（ａ）に示す、図２のスイッチング電源２００の電流波形と、図４（ｂ）に示す、図４（ａ）のコンデンサインプットタイプのスイッチング電源４００の電流波形を合成した合成電流の電流波形を表している。図５（ａ）は、図３［Ａ］（ａ）の入力電流波形に、図４（ｂ）のコンデンサインプットタイプのスイッチング電源４００の入力電流波形を合成した合成電流の電流波形である。図５（ａ）に示す電流波形は、図３［Ａ］（ａ）に示す正弦波形状の波形のピーク部が抑制された波形の抑制分を補うような形で、図４（ａ）に示すコンデンサインプットタイプのスイッチング電源４００の入力電流波形が加算されている（合成されている）。そのため、正弦波の波形形状に近い形状の波形となっており、高い力率を実現することができる。

一方、図５（ｂ）は、図３［Ｂ］（ａ）の入力電流波形に、図４（ｂ）のコンデンサインプットタイプのスイッチング電源４００の入力電流波形を合成した合成電流の電流波形である。図５（ｂ）に示す電流波形は、図３［Ｂ］（ａ）に示す正弦波形状の波形に突起部が形成され、更に図４（ｂ）に示すコンデンサインプットタイプのスイッチング電源４００の入力電流波形が加えられている。そのため、図５（ｂ）に示すように、三角形に近い形状の波形になってしまう。このため、高い力率を実現することが難しい。

図２に示すスイッチング電源２００の回路構成では、インダクタ２０４が電解コンデンサ２０７の充電電圧Ｖｃを調整する機能を有している。例えば、インダクタ２０４のインダクタンス値を小さくすると、ダイオードブリッジ２０３からの入力電流が大きくなる。その結果、電解コンデンサ２０７の充電量が多くなり、充電電圧Ｖｃが上昇しやすく、図３［Ａ］（ａ）に示す入力電流波形に近づけることができる。一方、インダクタ２０４のインダクタンス値を大きくすると、ダイオードブリッジ２０３からの入力電流が小さくなる。その結果、電解コンデンサ２０７の放電量が多くなり、充電電圧Ｖｃが降下しやすくなり、図３［Ｂ］（ａ）に示す入力電流波形になりやすい。このように、インダクタ２０４のインダクタンス値は、スイッチング電源２００の入力電圧範囲の条件に大きく左右され、電解コンデンサ２０７の耐圧にも大きく影響することになる。そのため、スイッチング電源２００の電源仕様、及び使用する部品の定格を考慮して調整する必要がある。

［製品の使用形態の例］
図６は、上述したスイッチング電源を備えた製品の使用形態を説明する図である。図６において、プリンタ１００は、図１で説明したように、図２に示す本実施例のスイッチング電源２００を有する低電圧電源装置１０８を備えている。一方、電子機器６００はプリンタ１００とは異なる電子機器であり、スイッチング電源として、図４に示すコンデンサインプットタイプのスイッチング電源４００を備えている。そして、プリンタ１００に搭載されたスイッチング電源２００のＡＣプラグ２０１と電子機器６００に搭載されたスイッチング電源４００のＡＣプラグ４０１は、壁に設けられたコンセント６０１に接続されている。図６に示すように、スイッチング電源２００とスイッチング電源２００とは、同じ交流電源（同じ交流電源のコンセント６０１）に対して、並列に接続された状態となっている。このとき、上述したように、プリンタ１００のスイッチング電源２００への入力電流と電子機器６００のスイッチング電源４００への入力電流の合成した電流波形は、図５（ａ）に示す正弦波の形状に近づき、力率を改善することができる。

以上説明したように、本実施例のスイッチング電源２００は、図２に示す回路構成を有し、かつ、電解コンデンサ２０７の電圧がダイオードブリッジ２０３の出力電圧Ｖｉｎよりも高い状態に設定する。これにより、入力電流Ｉｉｎの電流波形が、正弦波のピーク部の高さを抑えたような正弦波形状の波形となる。その結果、スイッチング電源２００を搭載したプリンタ１００と、コンデンサインプットタイプのスイッチング電源４００を搭載した電子機器６００を共通のウォールコンセント６０１に接続した場合、両機器の合成電流波形の力率を高くすることができる。なお、本実施例では、プリンタ１００と電子機器６００が共通のウォールコンセント６０１に接続された例を用いて説明したが、例えば同一のケーブルタップを使用した場合でも、同様の効果が得られる。

また、図２に記載されたスイッチング電源２００をユニバーサル電源として、幅広い入力電圧の範囲（例えば８５Ｖから２６４Ｖ）に対応できるように設計することもある。このとき、入力電圧範囲と負荷電流の範囲全体を、図３［Ａ］（ａ）に示すような、突起部のない入力電流波形にすることが難しい場合は、次のようにしてもよい。すなわち、低入力電圧時における最大負荷近くの入力電流のみ、図５（ｂ）のような突起形状を有する電流波形にしてもよい。この場合、最大負荷近傍の入力電流は瞬間的に流れる電流であるため、この間の力率が悪化しても、支障が生じることはないものと考えられる。つまり、ダイオードブリッジ２０３に入力される電圧が第１の電圧の場合、電解コンデンサ２０７の電圧が常にダイオードブリッジ２０３の出力電圧Ｖｉｎよりも高くなるようにインダクタ２０４のインダクタンス値を設定する。このとき、入力される電圧が第１の電圧よりも低い第２の電圧の場合、電解コンデンサ２０７の電圧が常にダイオードブリッジ２０３の出力電圧Ｖｉｎよりも高くなっていなくてよい。入力される電圧が第２の電圧の場合は、スイッチング電源２００に接続された外部負荷に応じて、電解コンデンサ２０７の電圧がダイオードブリッジ２０３の出力電圧Ｖｉｎよりも高い期間と低い期間が発生するように構成されていてもよい。

以上説明したように、本実施例によれば、一次側と二次側が絶縁されているスイッチング電源の力率を改善することができる。

実施例１では、高力率で低電圧出力可能な回路構成を有し、電解コンデンサの充電電圧がダイオードブリッジの出力電圧よりも常に高くなるように設定することで、入力電流波形を正弦波形のピーク値を抑えた形状にするスイッチング電源について説明した。実施例１のスイッチング電源は基本回路のみで構成されているため、負荷に供給する電力によっては、スイッチング素子のスイッチング時に生じるサージ電圧が大きくなり、ノイズの多いスイッチング電源となってしまうことが懸念される。実施例２では、ノイズを抑制する回路を追加したスイッチング電源について説明する。なお、本実施例のスイッチング電源が搭載される画像形成装置は、実施例１のプリンタ１００と同様であり、同じ装置、部材については、同一の符号を用いて説明することとし、ここでの説明は省略する。

［スイッチング電源の構成］
図７は、本実施例のスイッチング電源２００の回路構成を示す回路図である。図７に示す回路図では、実施例１の図２に示す回路図と比べて、ダイオード７０１、７０４、コンデンサ７０２、及びトランス２０６に補助巻線７０３が追加されている点が異なる。なお、本実施例のスイッチング電源２００において、図２に示す実施例１のスイッチング電源２００と同一構成の部品については同一符号を用いて説明することにより、ここでの説明を省略する。また、本実施例のスイッチング電源２００において、実施例１のスイッチング電源２００と同じ回路動作については、説明を省略する。

図７において、コンデンサ７０２（第二のコンデンサ）の一端は、トランス２０６の一次巻線２０６ｂの他端、及びＦＥＴ２０８のドレイン端子と接続され、コンデンサ７０２の他端はダイオード７０１のアノード端子に接続されている。また、ダイオード７０１（第二の整流素子）のカソード端子は、電解コンデンサ２０７の＋側、及びトランス２０６の一次巻線２０６ａの他端と接続されている。ダイオード７０１とコンデンサ７０２とは直列に接続されており、直列に接続されたトランス２０６の一次巻線２０６ａ、２０６ｂと並列に接続されている。

ダイオード７０４（第三の整流素子）のアノード端子は、ＦＥＴ２０８のソース端子、電解コンデンサ２０７の－側、及びダイオードブリッジ２０３の出力端子２０３ｄと接続されている。ダイオード７０４のカソード端子は、トランス２０６の補助巻線７０３の一端と接続されている。トランス２０６の補助巻線７０３の他端は、コンデンサ７０２の他端とダイオード７０１のアノード端子とが接続された接続点（第二の接続点）と接続されている。なお、ダイオード７０４は、コンデンサ７０２の電荷が補助巻線７０３を通して放電するのを防止するための逆流防止用に設けられている。

図７において、ＦＥＴ２０８がターンオフされると、トランス２０６の一次巻線２０６ｂを介して、ＦＥＴ２０８のドレイン端子－ソース端子間に流れていた電流は、ドレイン端子－ソース端子間容量を充電する充電電流に切り替わる。その結果、充電電流により、ＦＥＴ２０８のドレイン端子－ソース端子間電圧は徐々に上昇していく。そして、ＦＥＴ２０８のドレイン端子－ソース端子間電圧が電解コンデンサ２０７の充電電圧を超えると、一次巻線２０６ｂからの電流は、コンデンサ７０２、ダイオード７０１を介して、電解コンデンサ２０７へと流れる。このとき、ＦＥＴ２０８のドレイン端子－ソース端子間電圧は所定の電圧値に抑えられる。

一方、ＦＥＴ２０８がターンオンされると、コンデンサ７０２から流れる放電電流は、ＦＥＴ２０８を流れる電流と、一次巻線２０６ａ、２０６ｂを逆流する電流とに分流される。一次巻線２０６ａ、２０６ｂを逆流する電流は、電解コンデンサ２０７への回生電流となり、ＦＥＴ２０８がターンオフした際のサージ電圧で発生したエネルギー（コンデンサ７０２の充電電圧）の一部が電解コンデンサ２０７に回生されて再利用される。そして、放電電流が流れることにより、サージ電圧により充電された電圧が放電されたコンデンサ７０２は、ＦＥＴ２０８がターンオフ時に充電電流が流れる直前の状態となり、再度サージ電圧（サージエネルギー）を蓄積できる状態にリセットされる。

一方、コンデンサ７０２からＦＥＴ２０８に流れる電流は、ダイオード７０４を介して補助巻線７０３へと流れ、放電電流の電流エネルギーは補助巻線７０３に蓄積される。そして、補助巻線７０３に蓄積されたエネルギーは、次にＦＥＴ２０８がターンオフされた際に二次側電流として変換され、一次巻線２０６ａ、２０６ｂに流れた電流により蓄積されたエネルギーが変換された二次側電流に加算される。以上説明したように、図７に示すスイッチング電源２００では、ＦＥＴ２０８がターンオン、ターンオフした際に、電解コンデンサ２０７にエネルギーが回生される構成になっている。このように、スイッチング電源２００は、ダイオード７０１、７０４、コンデンサ７０２、及び補助巻線７０３の追加により、ＦＥＴ２０８のサージ電圧を抑えつつ、サージ電圧のエネルギーを回生することで効率の高いスイッチング電源となっている。

また、図７に示す回路構成を有するスイッチング電源２００においても、電解コンデンサ２０７の電圧をダイオードブリッジ２０３の出力電圧よりも常に大きく設定することで、入力電流波形を図３［Ａ］（ａ）のような電流波形にすることができる。本実施例のスイッチング電源２００を搭載した製品と、コンデンサインプットタイプのスイッチング電源を搭載した電子機器とを共通のコンセント６０１（図６）に接続した場合には、両機器の合成電流波形を正弦波形状に近づけ、力率を高くすることができる。

以上説明したように、本実施例によれば、一次側と二次側が絶縁されているスイッチング電源の力率を改善することができる。

実施例１、２では、高力率で低電圧出力可能な回路構成を有し、電解コンデンサの電圧がダイオードブリッジの出力電圧よりも常に高くなるように設定することで、入力電流波形を正弦波形のピーク値を抑えた形状にするスイッチング電源について説明した。そして、入力電流の波形を正弦波形のピーク値を抑えたような形状にすることで、コンデンサインプットタイプのスイッチング電源を搭載する別の電子機器６００との入力電流の合成波形において力率を向上させることができる。実施例３では、コンデンサインプットタイプのスイッチング電源をメイン電源として搭載し、実施例１、２で説明した高力率のスイッチング電源をサブ電源として搭載した構成の画像形成装置について説明する。

［画像形成装置の構成］
図８は、全てのオプション装置を搭載した状態の画像形成装置の構成を表した図である。図８において、画像形成装置８００は、画像形成動作を行う最小の構成を示しており、画像形成装置８００は単体でコンピュータ（不図示）等から送信された印刷要求に応じて、受信した画像データに基づいてシートＰに印刷を行うことができる。なお、画像形成装置８００は実施例１の図１に示すプリンタ１００と同様であり、画像形成動作については説明を省略する。

図８に示す画像形成装置８００には、イメージスキャナ８０２、入力オプション装置８０３、及び出力オプション装置８０４が装着されている。イメージスキャナ８０２は、ガラス台上に載置された原稿を読み取る画像読取装置であり、読み取られた画像をシートＰに印刷することによりコピー機能を実現する。入力オプション装置８０３は、大量のシートＰを収納可能であり、印刷時のシートＰの指定に対応できるように、様々なサイズのシートＰを大量に収納することができる。出力オプション装置８０４は、複数のソータビン８０４ａ、８０４ｂ、８０４ｃを有し、印刷済みのシートＰを振り分けて出力するソート機能を有するオプション装置である。なお、ソート機能を有する出力オプション装置に限らず、画像が形成された複数枚のシートＰにステープルする機能を有する出力オプション装置等、シートＰを処理するオプション処理装置であってもよい。

また、図８に示す画像形成装置では、画像形成装置８００に低電圧電源装置であるスイッチング電源８０１（図１の低電圧電源装置１０８に対応）が搭載され、出力オプション装置８０４に低電圧電源装置であるスイッチング電源８０５が搭載されている。そして、図８の画像形成装置では、スイッチング電源８０１（第一の電源装置）をメイン電源として、スイッチング電源８０５（第二の電源装置）をサブ電源として構成されている。例えば、スイッチング電源８０１の１台で全てのオプション装置に電力供給が可能なように構成すると、オプション装置を全く搭載しない状態の画像形成装置８００単体の場合には、スイッチング電源８０１から供給可能電力が過剰な状態となってしまう。その結果、スイッチング電源８０１にかかるコストが最適でなくなってしまう。そのため、図８のように複数のオプション装置が装着される場合には、２つのスイッチング電源８０１、８０５で構成した方が、全体的にコストを下げられる可能性が高い。本実施例ではスイッチング電源８０１はコンデンサインプットタイプのスイッチング電源とし、スイッチング電源８０５は実施例１、２で説明した高力率タイプのスイッチング電源とする構成とし、共通の交流電源から交流電圧が供給されるように構成されている。これにより、スイッチング電源８０１、８０５の各入力電流の電流波形を合成した電流波形は、実施例１で説明した図３［Ａ］に示すような略正弦波の形状となり、高力率を実現することができる。

以上説明したように、本実施例の画像形成装置は、全てのオプション装置が装着されており、電源装置としてメイン電源とサブ電源の２つのスイッチング電源を搭載した構成となっている。２つのスイッチング電源のうち、一方は従来のコンデンサインプットタイプのスイッチング電源であり、他方は実施例１、２で説明した高力率タイプのスイッチング電源である。この電源装置の構成により、各スイッチング電源の入力電流の合成波形を正弦波に近づけることができ、力率の向上を図ることができる。なお、本実施例では、出力オプション装置８０４に搭載されたスイッチング電源８０５は高力率タイプのスイッチング電源とし、出力オプション装置８０４への電力供給を行う。一方、画像形成装置８００を含む、イメージスキャナ８０２、入力オプション装置８０３の電力供給は、画像形成装置８００に搭載された、コンデンサインプットタイプであるスイッチング電源８０１が行う構成とした。なお、例えば、入力オプション装置８０３への電力供給を行う、高力率タイプのスイッチング電源を入力オプション装置８０３に搭載して、スイッチング電源８０１と２つの高力率タイプのスイッチング電源で電力供給を行う構成にしても、同様の効果が得られる。

以上説明したように、本実施例によれば、一次側と二次側が絶縁されているスイッチング電源の力率を改善することができる。

２０３ ダイオードブリッジ
２０４ インダクタ
２０５ ダイオード
２０６ トランス
２０７ 電解コンデンサ
２０８ 電界効果トランジスタ

Claims (16)

1. 第一の一次巻線及び第二の一次巻線と、二次巻線とを有し、一次側と二次側とが絶縁されたトランスと、
   第一の出力端子及び第二の出力端子を有し、交流電圧を全波整流する整流回路と、
   インダクタと第一の整流素子とが直列に接続された第一の直列回路であって、前記第一の出力端子と、前記第一の一次巻線の一端と前記第二の一次巻線の一端とが接続された第一の接続点との間に接続された前記第一の直列回路と、
   一端が前記第二の一次巻線の他端と接続され、他端が前記第二の出力端子に接続され、オン状態又はオフ状態に切り替えられるスイッチング素子と、
   一端が前記第一の一次巻線の他端と接続され、他端が前記第二の出力端子に接続された第一のコンデンサと、
   を備え、
   前記第一のコンデンサの電圧が前記整流回路の出力電圧よりも高くなるように、前記インダクタのインダクタンスが設定されていることを特徴とする電源装置。
2. 前記第一の一次巻線の巻数が前記第二の一次巻線の巻数よりも多いほど、前記第一の直列回路に電流が流れるときの前記整流回路の出力電圧が低くなることを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
3. 前記インダクタのインダクタンスが低いほど、前記第一の直列回路に流れる電流が大きくな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。
4. 前記第一の整流素子は、ダイオードであり、
   前記インダクタは、一端が前記第一の出力端子に接続され、他端が前記ダイオードのアノード端子に接続され、
   前記ダイオードのカソード端子は、前記第一の接続点に接続されていることを特徴とする請求項３に記載の電源装置。
5. 前記トランスは、補助巻線を有し、
   第二のコンデンサと第二の整流素子とが直列に接続された第二の直列回路であって、前記第一の一次巻線の他端と前記第二の一次巻線の他端との間に接続された前記第二の直列回路と、
   第三の整流素子と前記補助巻線とが直列に接続された第三の直列回路であって、前記スイッチング素子の前記他端と、前記第二のコンデンサと前記第二の整流素子とが接続された第二の接続点との間に接続された前記第三の直列回路と、
   を備えることを特徴とする請求項４に記載の電源装置。
6. 前記第二の整流素子は、ダイオードであり、
   前記第二のコンデンサは、一端が前記第二の一次巻線の他端及び前記スイッチング素子の一端に接続され、他端が前記ダイオードのアノード端子に接続され、
   前記ダイオードのカソード端子は、前記第一の一次巻線の他端及び前記第一のコンデンサの一端と接続されていることを特徴とする請求項５に記載の電源装置。
7. 前記第三の整流素子は、ダイオードであり、
   前記ダイオードは、アノード端子が前記スイッチング素子の他端に接続され、カソード端子が前記補助巻線の一端と接続され、
   前記補助巻線の他端は、前記第二の接続点に接続されていることを特徴とする請求項６に記載の電源装置。
8. 前記スイッチング素子がターンオフした際には、前記第二の一次巻線に流れる電流は、前記第二の直列回路に流れ、前記第二のコンデンサが充電されることによりサージ電圧が抑制されることを特徴とする請求項７に記載の電源装置。
9. 前記スイッチング素子がターンオンした際には、前記第二のコンデンサからの電流が、前記スイッチング素子を介して前記第三の直列回路の前記補助巻線に流れることを特徴とする請求項８に記載の電源装置。
10. 前記スイッチング素子は、電界効果トランジスタであり、
    前記スイッチング素子の一端は、電界効果トランジスタのドレイン端子であり、
    前記スイッチング素子の他端は、電界効果トランジスタのソース端子であることを特徴とする請求項９に記載の電源装置。
11. 前記整流回路に入力される電圧が第１の電圧の場合、前記第一のコンデンサの電圧が常に前記整流回路の出力電圧よりも高くなり、
    前記整流回路に入力される電圧が前記第１の電圧よりも低い第２の電圧の場合、前記電源装置に接続された外部負荷に応じて、前記第１のコンデンサの電圧が前記整流回路の出力電圧よりも高い期間と低い期間が発生するように、前記インダクタのインダクタンスが設定されていることを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の電源装置。
12. 記録材にトナー像を形成するための画像形成部と、
    前記画像形成部に電力を供給するための電源装置と、
    を備え、
    前記電源装置は、
    第一の一次巻線及び第二の一次巻線と、二次巻線とを有し、一次側と二次側とが絶縁されたトランスと、
    第一の出力端子及び第二の出力端子を有し、交流電圧を全波整流する整流回路と、
    インダクタと第一の整流素子とが直列に接続された第一の直列回路であって、前記第一の出力端子と、前記第一の一次巻線の一端と前記第二の一次巻線の一端とが接続された第一の接続点との間に接続された前記第一の直列回路と、
    一端が前記第二の一次巻線の他端と接続され、他端が前記第二の出力端子に接続され、オン状態又はオフ状態に切り替えられるスイッチング素子と、
    一端が前記第一の一次巻線の他端と接続され、他端が前記第二の出力端子に接続された第一のコンデンサと、
    を有し、
    前記第一のコンデンサの電圧が前記整流回路の出力電圧よりも高くなるように、前記インダクタのインダクタンスが設定されていることを特徴とする画像形成装置。
13. 前記電源装置の前記トランスは、補助巻線を有し、
    前記電源装置は、
    第二のコンデンサと第二の整流素子とが直列に接続された第二の直列回路であって、前記第一の一次巻線の他端と前記第二の一次巻線の他端との間に接続された前記第二の直列回路と、
    第三の整流素子と前記補助巻線とが直列に接続された第三の直列回路であって、前記スイッチング素子の前記他端と、前記第二のコンデンサと前記第二の整流素子とが接続された第二の接続点との間に接続された前記第三の直列回路と、
    を有することを特徴とする請求項１２に記載の画像形成装置。
14. 前記整流回路に入力される電圧が第１の電圧の場合、前記第一のコンデンサの電圧が常に前記整流回路の出力電圧よりも高くなり、
    前記整流回路に入力される電圧が前記第１の電圧よりも低い第２の電圧の場合、前記電源装置に接続された外部負荷に応じて、前記第１のコンデンサの電圧が前記整流回路の出力電圧よりも高い期間と低い期間が発生するように、前記インダクタのインダクタンスが設定されていることを特徴とする請求項１２又は請求項１３に記載の画像形成装置。
15. 画像が形成された記録材を処理するためのオプション装置が接続された画像形成装置において、
    記録材にトナー像を形成するための画像形成部と、
    前記画像形成部に電力を供給するための第一の電源装置と、
    前記オプション装置に電力を供給するための第二の電源装置と、
    を備え、
    前記第二の電源装置は、
    第一の一次巻線及び第二の一次巻線と、二次巻線とを有し、一次側と二次側とが絶縁されたトランスと、
    第一の出力端子及び第二の出力端子を有し、交流電圧を全波整流する整流回路と、
    インダクタと第一の整流素子とが直列に接続された第一の直列回路であって、前記第一の出力端子と、前記第一の一次巻線の一端と前記第二の一次巻線の一端とが接続された第一の接続点との間に接続された前記第一の直列回路と、
    一端が前記第二の一次巻線の他端と接続され、他端が前記第二の出力端子に接続され、オン状態又はオフ状態に切り替えられるスイッチング素子と、
    一端が前記第一の一次巻線の他端と接続され、他端が前記第二の出力端子に接続された第一のコンデンサと、
    を有し、
    前記第一のコンデンサの電圧が前記整流回路の出力電圧よりも高くなるように、前記インダクタのインダクタンスが設定されていることを特徴とする画像形成装置。
16. 前記第一の一次巻線の巻数が前記第二の一次巻線の巻数よりも多いほど、前記第一の直列回路に電流が流れるときの前記整流回路の出力電圧が低くなることを特徴とする請求項１２から請求項１５のいずれか１項に記載の画像形成装置。

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