電源設備和成像裝置的製作方法
2023-04-23 07:35:51
專利名稱：電源設備和成像裝置的製作方法
技術領域：
本公開的某些方面涉及電源設備和包括該電源設備的成像裝置。
背景技術：
在許多電子設備中，從由交流(AC)電源(如商業電源)或直流(DC)電源(如電池)提供的功率生成適當的驅動功率，並且將生成的驅動功率提供到電路板上的電路。因此，許多電子設備包括用於生成驅動功率的電源設備。圖1和2圖示包括開關電源設備和AC電源的示例性配置。在圖1中，二極體橋14 和平滑電容器15構成整流和平滑電路，並且該整流和平滑電路連接到開關電源設備100。 二極體橋14對從AC電源11輸入的交流電壓進行全波整流。平滑電容器15進一步平滑從二極體橋14輸出的整流電壓。平滑後的電壓輸入到開關電源設備100。在圖2中，功率因子校正(PFC)電路16經由平滑電容器15連接到開關電源設備
100。平滑電容器15整形從功率因子校正電路16輸出的整流電壓，並且將整形後的電壓輸入到開關電源設備100。在圖1或圖2所示的配置的任一中，直流電壓輸入到開關電源設備 100的端子DCin。圖3是圖示根據現有技術的開關電源設備100的示例性配置的電路圖。圖3的開關電源設備100包括變壓器T100、作為連接到變壓器TlOO的初級線圈Lp的開關元件的功率MOSFET Qsw、控制電路101、電壓檢測電路201、二極體Dsub、二極體Ds、啟動電阻器 Rstart、電容器Csub (電源電容器)、和電容器Cs。功率從直流電源提供到端子DCin，該端子DCin連接到初級線圈Lp的一端和啟動電阻器Rstart的一端。啟動電阻器Rstart的另一端連接到控制電路101的端子VCC、電容器Csub和二極體Dsub的一端。控制電路101包括齊納二極體ZD1，該齊納二極體ZDl的正向朝向端子VCC。當啟動開關電源設備100時，施加到端子DCin的直流電壓導致幾mA到幾十mA的啟動電流Istart經由啟動電阻器Rstart流入端子VCC和電容器Csub。電容器Csub通過啟動電流Istart充電，並且控制電路101通過電容器Csub中存儲的功率驅動。然後，控制電路101啟動功率MOSFET Qsw的開關控制。當MOSFET Qsw導通和截止時，電流流過變壓器TlOO的初級線圈Lp。該電流改變引起電磁感應，並且在變壓器TlOO的次級線圈Ls中生成電動勢，並且該電動勢在次級線圈 Ls中生成電流。在次級線圈Ls中生成的電流通過二極體Ds和電容器Cs整流和平滑。整流和平滑後的電壓從開關電源設備100的端子DCout輸出。二極體Ds和電容器Cs構成第一整流和平滑電路301。類似地，當啟動電流Istart流過初級線圈Lp時，該電流改變引起電磁感應，並且在第三線圈Lsub中生成電動勢，並且該電動勢生成電流。通過電動勢生成電流通過連接到第三線圈Lsub的二極體Dsub整流，充電電容器Csub，並且提供到端子VCC以驅動控制電路
101。二極體Dsub和電容器Csub構成第二整流和平滑電路302。
電壓檢測電路201檢測要從端子DCout輸出的輸出電壓，並且生成要發送到控制電路101的反饋信號。由第一整流和平滑電路301生成的電壓通過電阻器RFBl和RFB2劃分，並且電壓劃分輸入到分流調整器ZDshimt。分流調整器ZDshimt調整流過光電耦合器 PC的光電二極體PD的電流，使得電壓劃分總是等於內部參考電壓。電阻器RFB5和電阻器 RFB6調整流入光電二極體PD的電流。電容器CFBl和電阻器RFB3調整光電二極體PD的反饋的頻率特性。利用上述配置，當由第一整流和平滑電路301生成的電壓超過期望電平時，電流流過光電耦合器PC的光電二極體PD。結果，光電二極體PD發光並且耦合到光電耦合器PC 的光電電晶體PT。流過光電電晶體PT的電流生成要施加到控制電路101的端子FB的電壓，該電壓由電阻器RFB4的電阻和電流值確定。控制電路101根據在端子FB處的電壓電平導通和截止功率MOSFETQsw。該配置使得可以根據由電壓檢測電路201檢測的在端子DCout處的輸出電壓電平來控制功率MOSFET Qsw的開關頻率和時間比(或佔空比)，從而使得可能獲得期望的輸出電壓。圖4是圖示根據現有技術的開關電源設備100的另一示例性配置的電路圖。在圖 4中，電阻器Rocp連接到功率MOSFET Qsw的一端。此外，電阻器Rocp的一端和光電電晶體 PT 一起連接到控制電路101的端子FB。該配置使得可能使用流過光電電晶體PT的電流的電壓和流過初級線圈LP的電流的電壓用於反饋控制。然而，圖3和4的配置趨於增加功耗。當啟動開關電源設備100時，用於生成用於控制電路101的驅動電壓的啟動電流Istart經由啟動電阻器Rstart流到控制電路101的端子VCC和電容器Csub。此外，在啟動功率MOSFETQsw的開關控制後，控制電路101由電容器Csub的電壓驅動，該電容器Csub由從第三線圈Lsub經由二極體Dsub流入電容器Csub 的電流充電。這裡，在控制電路101的端子VCC處提供齊納二極體ZDl以防止由於過電壓導致的損壞。齊納二極體ZDl例如將在端子VCC處的電壓保持在從幾伏到十幾伏的範圍內。同時，通過利用二極體橋和電容器或者利用功率因子校正電路平滑交流電壓獲得的一百幾十伏到大約400伏的直流電壓施加到端子DCin。因此，即使在通過控制電路101啟動開關控制並且經由第三線圈Lsub和二極體 Dsub充電電容器Csub後，一百幾十伏到大約400伏的電壓繼續施加到啟動電阻器Rstart 的各端，並且啟動電阻器Rstart繼續消耗功率。儘管開關電源設備100的負載在其處於待機狀態時減少到幾瓦特，但是由於啟動電阻器Rstart的功率損失仍然大，因為該功率損失與跨越啟動電阻器Rstart的電壓的平方成比例。同時，如果增加啟動電阻器Rstart的電阻以減少功率損失，則流到電容器Csub的電流減少。這接著增加用於充電電容器Csub的時間，從而增加開關電源設備100的啟動時間。為了防止上述問題，已經提出用於減少由於啟動電阻器的功耗的配置(例如，見日本專利公開No. 10-323031)。JP10-323031公開了一種電源設備，其中啟動電阻器R1、開關元件Q2和電容器C2按照所述順序串聯連接到直流電源，並且開關元件Q2通過電阻器R2和R4以及二極體D2、D3和D4驅動。在公開的配置中，在啟動電源設備後，斷開開關元件Q2 以將啟動電阻器Rl與電源斷開連接，從而減少功耗。
發明內容
在本發明的一個方面，提供了一種電源設備，包括變壓器，包括初級線圈、次級線圈和第三線圈；開關元件，經由初級線圈連接到直流電源；第一整流和平滑電路，其整流和平滑在次級線圈中生成的電壓，並且將整流和平滑後的電壓提供給負載；控制電路，其接通和斷開開關元件；第二整流和平滑電路，其整流和平滑在第三線圈中生成的電壓，從而生成用於驅動控制電路的驅動電壓；以及啟動電路。該啟動電路包括在直流電源和地之間串聯連接的第一電晶體、第一電阻器和第一電容器；在直流電源和第二整流和平滑電路之間連接的第二電晶體；以及斷開單元，當第一電容器充電到預定電壓時，該斷開單元至少截止第一電晶體和第二電晶體中的第二電晶體。
圖1是圖示包括開關電源設備和AC電源的示例性配置的圖；圖2是圖示包括開關電源設備和AC電源的另一示例性配置的圖；圖3是圖示現有技術的開關電源設備的示例性配置的電路圖；圖4是圖示現有技術的開關電源設備的另一示例性配置的電路圖；圖5是圖示包括開關電源設備和電子裝置的示例性配置的圖；圖6是圖示根據本發明第一實施例的開關電源設備的示例性配置的電路圖；圖7是用於描述圖6中圖示的控制電壓生成電路的操作的圖；圖8是用於描述開關電源設備的啟動過程的流程圖；圖9是圖示根據本發明第二實施例的開關電源設備的示例性配置的電路圖；圖10是圖示根據本發明第三實施例的開關電源設備的示例性配置的電路圖；圖11是圖示圖10的開關電源設備的變化的電路圖；圖12是圖示根據本發明第四實施例的開關電源設備的示例性配置的電路圖；圖13是圖示其中第一實施例(圖6)的啟動電路與控制電路集成的開關電源設備的電路圖；圖14是圖示其中第二實施例(圖9)的啟動電路與控制電路集成的開關電源設備的電路圖；圖15是圖示其中第三實施例(圖10)的啟動電路與控制電路集成的開關電源設備的電路圖；圖16是圖示其中第三實施例(圖11)的啟動電路與控制電路集成的開關電源設備的電路圖；以及圖17是圖示其中第四實施例(圖12)的啟動電路與控制電路集成的開關電源設備的電路圖。
具體實施例方式利用JP10-323031中公開的電源設備，可以減少啟動電阻器Rl的功耗。然而，因為直流電源經由電阻器R3和R4串聯連接到地(GND)，所以電阻器R3和R4仍然導致功率損失。下面參考附圖描述本發明的實施例。根據本發明實施例的開關電源設備可以提供功率給各種電子裝置，如成像裝置。 電子照相成像裝置通常配置為在啟動期間消耗相對大量的功率以減少變得準備好用於列印所需的時間，但是在待機狀態下消耗很少功率。根據本發明實施例的開關電源設備使得可能在成像過程期間以及在待機狀態下都將與啟動電流Istart有關的功耗減少到基本為零。圖5是圖示包括開關電源設備和電子裝置的示例性配置的圖。在圖5中，交流(AC) 電源11經由主電源開關12連接到二極體橋14。二極體橋14連接到平滑電容器15和開關電源設備200。當主電源開關12接通時，直流電壓提供到開關電源設備200。AC電源11 典型地為商業電源。然而，AC電源11可以由功率生成系統實現，其中由自然能量生成器生成的直流電壓通過功率調節器轉換為交流電壓。二極體橋14是整流電流的示例，並且對從AC電源11輸入的交流電壓進行全波整流。平滑電容器15平滑整流後的電壓以獲得直流電壓。該直流電壓輸入開關電源設備200 的端子DCin。該直流電壓例如是從一百幾十伏到大約400伏。儘管在圖5中二極體橋14 和平滑電容器15用於平滑交流電壓，但是也可以替代地使用功率因子校正電路來獲得直流電壓。開關電源設備200利用稍後描述的第一整流和平滑電路生成期望電平的直流電壓，並且將該直流電壓提供給電子裝置。在圖5中，成像裝置500用作電子裝置的示例。開關電源設備200可以集成在成像裝置500中。成像裝置500包括各種負載，如由直流電源驅動的熔斷單元、微計算機、馬達、和二次電池。開關電源設備200將功率提供給一個或多個負載。圖6是圖示根據本發明第一實施例的開關電源設備200的示例性配置的電路圖。 圖6的開關電源設備200與圖3和4的現有技術的開關電源設備100的區別在於開關電源設備200包括串聯連接到端子DCin的啟動電路400。開關電源設備200還包括變壓器 T100、作為連接到變壓器TlOO的初級線圈Lp的開關元件的功率MOSFET Qsw、控制電路101、 電壓檢測電路201、二極體Dsub、二極體Ds、電容器Csub和電容器Cs。啟動電路400和初級線圈Lp並聯連接，並且它們的每個串聯連接到端子DCin，從直流電源提供功率到該端子DCin。初級線圈Lp的一端連接到功率MOSFET Qsw的源極。功率MOSFET Qsw的柵極連接到控制電路101的端子OUT。控制電路101包括齊納二極體ZDl， 其正向朝向端子VCC。變壓器TlOO的第三線圈Lsub的一端連接到二極體Dsub，其正向朝向控制電路 101的端子VCC。二極體Dsub和啟動電路400 —起連接到控制電路101的端子VCC和電容器 Csub0當控制電路101高速接通和斷開施加到功率MOSFET Qsw的柵極的電壓時，在變壓器TlOO的初級線圈Lp中引起電流改變。該電流改變接著引起電磁感應，並且在變壓器 TlOO的次級線圈Ls中生成電動勢。該生成的電動勢對應於初級線圈Lp和次級線圈Ls之間的匝數比。由次級線圈Ls中的電動勢生成的電流通過二極體Ds整流，並且充電電容器 Cs。通過充電電容器Cs生成的電壓從端子DCout輸出。二極體Ds和電容器Cs構成第一整流和平滑電路301。類似地，當控制電路101高速接通和斷開施加到功率MOSFET Qsw的電壓時，在變壓器TlOO的初級線圈Lp中引起的電流改變引起電磁感應，並且在變壓器TlOO的第三線圈 Lsub中生成電動勢。生成的電動勢對應於初級線圈Lp和第三線圈Lsub之間的匝數比。由該電動勢生成的電流通過連接到第三線圈Lsub的二極體Dsub整流，充電電容器Csub，並且提供到端子VCC以驅動控制電路101。二極體Dsub和電容器Csub構成第二整流和平滑電路 302。電壓檢測電路201連接在電容器Cs和端子DCout之間。電壓檢測電路201檢測要從端子DCout輸出的輸出電壓，並且生成要發送到控制電路101的反饋信號。電壓檢測電路201包括用於劃分端子DCout的電壓的電阻器RFBl和RFB2、對其輸入電壓劃分的分流調整器ZDshunt、在相對方向上串聯連接到分流調整器ZDshunt的光電耦合器PC的光電二極體PD、串聯連接到分流調整器ZDshimt的電阻器RFB5和RFB6、以及與光電二極體PD並聯連接的電容器CFBl和電阻器RFB3。分流調整器ZDshimt調整流過光電耦合器PC的光電二極體PD的電流，使得電壓劃分總是等於內部參考電壓。電阻器RFB5和電阻器RFB6調整由輸出電壓生成並流入光電二極體PD的電流。電容器CFBl和電阻器RFB3調整光電二極體PD的反饋的頻率特性。當施加到端子DCout的輸出電壓超過預定電平時，流入分流調整器ZDshunt的電流增加，並且電流流過光電耦合器PC的光電二極體PD。當施加到端子DCout的輸出電壓變得小於或等於預定電平時，流入分流調整器ZDshimt的電流減少，並且電流停止流過光電耦合器PC的光電二極體PD。當電流流過光電耦合器PC的光電二極體PD時，光電二極體 PD發光並耦合到光電耦合器PC的光電電晶體PT。由流過光電電晶體PT的電流、電阻器RFB4和流過電阻器RFB4的電流確定的電壓施加到控制電路101的端子FB。控制電路101監視施加到端子FB的電壓，並且控制接通/ 斷開信號(佔空比)從端子OUT輸出到功率MOSFET Qsw0接著，下面描述啟動電路400。啟動電路400串聯連接到端子DCin，並且包括並聯連接的第一電晶體Ql和第二電晶體Q2。第一電晶體Ql和第二電晶體Q2的柵極都連接到電容器Cl。第一電晶體Ql的源極連接到端子DCin，從直流電源提供功率到該端子DCin。 第一電晶體Ql的漏極經由電阻器Rl和電容器Cl連接到起作用為地的端子GNDin。第一電晶體Q1、電阻器Rl和電容器Cl串聯連接。第一電晶體Q1、電阻器Rl和電容器Cl構成控制電壓生成電路。在圖6中，V(t) 指示電容器Cl的電壓，其中「t」指示時間。類似於第一電晶體Q1，第二電晶體Q2的源極連接端子DCin。第二電晶體Q2的漏極連接到電容器Csub (即，連接到第二整流和平滑電路30 。第二電晶體Q2的柵極與第一電晶體Ql —起連接到電容器Cl。圖7是用於描述圖6的控制電壓生成電路的操作的圖。圖7示出相對於在主電源開關12接通後經過的時間的電壓V(t)和施加到端子DCin的電壓V(DCin)的改變。緊接在主電源開關12接通以啟動開關電源設備200之前，電容器Cl沒有被充電。當t = 0指示主電源開關12接通時的時間時，電容器Cl的電壓V(t)用V(O) = 0表示。緊接在開關電源設備200啟動後，第一電晶體Ql和第二電晶體Q2的柵極-源極電壓變得大於閾值電壓Vthl (或閾值電壓Vthl和VtM)，並且第一電晶體Ql和第二電晶體Q2導通。結果，經由電阻器Rl從直流電源提供的電流開始充電電容器Cl (同樣也開始電容器Csub的充電)。當Cl指示電容器Cl的電容時，電容器Cl的電壓V(t)用下面的等式(1)表示。
權利要求
1.一種電源設備，包括變壓器，其包括初級線圈、次級線圈和第三線圈；開關元件，其經由初級線圈連接到直流電源；第一整流和平滑電路，其整流和平滑在次級線圈中生成的電壓，並且將整流和平滑後的電壓提供給負載；控制電路，其接通和斷開開關元件；第二整流和平滑電路，其整流和平滑在第三線圈中生成的電壓，從而生成用於驅動控制電路的驅動電壓；以及啟動電路，包括在直流電源和地之間串聯連接的第一電晶體、第一電阻器和第一電容器，在直流電源和第二整流和平滑電路之間連接的第二電晶體，斷開單元，當第一電容器充電到預定電壓時，該斷開單元至少截止第一電晶體和第二電晶體中的第二電晶體。
2.如權利要求1所述的電源設備，其中第二整流和平滑電路包括第二電容器，用於將驅動電壓提供到控制電路；以及用於將第一電容器充電到預定電壓的時間大於用於將第二電容器充電到驅動電壓的時間。
3.如權利要求1或2所述的電源設備，其中，第一電晶體和第二電晶體導通的時間由第一電阻器的電阻和第一電容器的電容確定。
4.如權利要求1或2所述的電源設備，其中啟動電路還包括第二電阻器，其連接在第二電晶體和第二整流和平滑電路之間，並且調整要施加到控制電路的電壓電平。
5.如權利要求1或2所述的電源設備，其中啟動電路還包括連接在直流電源與第一和第二電晶體之間的第三電阻器。
6.如權利要求1或2所述的電源設備，其中啟動電路還包括連接在直流電源與第一電晶體之間的第三電阻器、以及連接在直流電源與第二電晶體之間的第四電阻器。
7.如權利要求1或2所述的電源設備，其中啟動電路還包括電壓調整二極體，其提供在直流電源和第一電容器之間，並且連接到第一電晶體和第二電晶體的柵極。
8.如權利要求1或2所述的電源設備，其中啟動電路與控制電路集成。
9.如權利要求4所述的電源設備，其中啟動電路與控制電路集成。
10.如權利要求5所述的電源設備，其中啟動電路與控制電路集成。
11.如權利要求6所述的電源設備，其中啟動電路與控制電路集成。
12.如權利要求7所述的電源設備，其中啟動電路與控制電路集成。
13.一種成像裝置，包括權利要求1或2所述的電源設備。
全文摘要
一種電源設備，包括變壓器，其包括初級線圈、次級線圈和第三線圈；開關元件，其經由初級線圈連接到直流電源；第一整流和平滑電路，其整流和平滑在次級線圈中生成的電壓；控制電路，其接通和斷開開關元件；第二整流和平滑電路，其整流和平滑在第三線圈中生成的電壓，從而生成用於控制電路的驅動電壓；以及啟動電路，其包括在直流電源和地之間串聯連接的第一電晶體、第一電阻器和第一電容器，在直流電源和第二整流和平滑電路之間連接的第二電晶體，以及斷開單元，當第一電容器充電到預定電壓時，該斷開單元至少截止第一電晶體和第二電晶體中的第二電晶體。
文檔編號H02M1/36GK102195487SQ20111005704
公開日2011年9月21日 申請日期2011年3月10日 優先權日2010年3月11日
發明者植野剛 申請人:株式會社理光