[发明专利]开关电源和图像形成装置

说明书

技术领域

本发明涉及产生直流（DC）电压的开关电源。

背景技术

伴随近年来各领域中对于降低功耗的节电电子装置的需求的增加，还要求向电子装置供给电力的电源更加节电。在图15中示出作为用于电子装置的电源的一个例子的开关电源的示意性配置图。在图15中，从商用交流电源100输入的交流（AC）电压通过整流单元140被输入到变压器104中，并且，诸如场效应晶体管（FET）的开关元件108基于从控制电路144发出的信号以预定的频率执行开关操作，由此，驱动变压器104的一次侧。然后，通过由平滑化单元141平滑化在变压器104的二次侧产生的电压，产生DC电压V。

通过以预定的频率驱动开关元件108以这种方式产生希望的DC电压的开关电源被广泛使用。在这样的开关电源之中，存在如下这样的一些开关电源，该开关电源通过减少例如在电子装置不操作的节电操作期间（有时称为在轻载运行期间）开关元件108的开关次数（通过降低开关频率）来提高操作效率。

轻载运行期间的开关电源的损失中的大部分是开关操作的损失，并且，为了减少这些损失，通过延长开关元件108为ON的时间（有时称为ON时段）来增加用于一个开关操作的能量。因此，尝试通过延长空闲（暂停）时段来减少每单位时间的开关次数。

但是，随着空闲时段延长，开关频率降低更多，并且出现与开关操作相关联的变压器所产生的声音进入可听范围内的可能性。并且，由于该声音包含谐波成分，因此，它变为刺耳的声音。

以下，将描述开关频率导致包含谐波的声音的原因。当开关频率变为几kHz或更小时，开关元件的空闲时段变得更长。作为结果，如图16所示，变压器的驱动电流波形采取Δ函数（delta-function）波形。在这种情况下，图16A和图16B示出当通过具有1msec的周期和5μsec的ON时段的单波驱动脉冲来驱动开关元件时的变压器驱动电流波形和驱动脉冲波形。图16A示出变压器的驱动电流波形，其中，纵轴表示变压器驱动电流（A），横轴表示时间（sec）。图16B示出驱动脉冲波形，其中，纵轴表示驱动电压（V），横轴表示时间（sec）。在图17中示出对于这种变压器驱动电流波形执行的频率分析（快速傅立叶变换分析（有时称为FFT分析））的结果。

在图17中，纵轴表示变压器驱动电流（mA），横轴表示频率（Hz）。如图17所示，具有被设为基波（fundamental wave）的开关频率的变压器驱动电流具有为多倍频率的谐波成分。变压器驱动电流采取具有被谐波成分驱动的能量的电流波形。并且，开关电源的变压器还在开关操作时被以预定的共振频率被驱动。变压器的机械共振频率还依赖于变压器的芯部形状，并且一般地在几kHz～几十kHz的频带内具有共振频率的峰值。

例如，如图16所示，向开关元件施加单波驱动脉冲，并且，通过使用具有如下共振水平的变压器来驱动该装置，在该共振水平，机械共振频率接近于在大约18kHz处具有峰值的频带。在图18中示出此时从变压器产生的节拍声音（beat sound）的声压。

在图18中，纵轴表示变压器的节拍声音的声压（dB），横轴表示频率（Hz），其中，在开关频率被设为基波的情况下，声压包含如下的谐波，即在该谐波，包络表现出变压器的机械共振频率特性。换句话说，当变压器的开关频率和机械共振频率相互重叠时，产生作为来自变压器的节拍声音而进入可听范围内的刺耳的声音。

作为用于减少这种来自变压器的节拍声音的产生的方法中的一种，用于通过抑制变压器的磁场变化率来减少节拍声音的方法是已知的。常规上，为了抑制变压器的磁场变化率，已使用了如下方法，该方法将具有大的截面面积的芯部材料用于变压器或者通过缩短开关元件的ON时段以减少每次操作的变压器的开关电流。

并且，作为通过设计变压器驱动电流波形来减少变压器的节拍声音的产生的方法，在开关电源中设置软启动电路（soft start circuit），并且，占空比在启动操作期间的电容器的两端的电压的斜坡上升和斜坡向下时逐渐改变。如果电流波形成为使得变压器驱动电流波形的大小逐渐增加或者逐渐减小，那么可以减少变压器的磁通量变化，并且，作为结果，可以减少节拍声音的产生。在例如日本专利公开No.3567355和日本专利No.3665984中讨论了这种常规的方案。

但是，如果对于变压器使用具有大的截面面积的芯部材料，那么变得难以减小电源的尺寸。并且，在缩短开关元件的ON时段的方法中，虽然通过减少变压器的磁通量变化来减少变压器的节拍声音的产生，但是，每单位时间的开关次数增加，并且，开关损失将增加。