JP2010004692A - フラッシュ用電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回路規模をそれほど増大させることなく連続フラッシュ点灯が可能なＬＥＤフラッシュ用電源装置を提供する。
【解決手段】電池を電源とし電池からの入力電圧を昇圧する昇圧回路（２０）と、該昇圧回路から出力される電流により充電される電気二重層コンデンサ（４０）と、該コンデンサを所定の電流値で放電可能な定電流回路（３０）とを設け、前記定電流回路から出力される電流を発光素子（５０）に流してフラッシュ点灯させるように構成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、フラッシュランプを点灯駆動するための直流電源装置に関し、例えば携帯電話機やディジタルカメラのフラッシュランプに使用されるＷ−ＬＥＤ（白色発光ダイオード）の駆動電流を供給する電源装置に利用して有効な技術に関する。

携帯電話機やディジタルカメラ等の撮像機能を有する電子機器においては、夜間撮影や室内撮影の際あるいは逆光時に良好な撮影を可能にするためのフラッシュランプに、Ｗ−ＬＥＤを使用しているものがある。かかる撮像機能を有する電子機器は、一般に電池を電源とする一方、Ｗ−ＬＥＤのフラッシュ点灯には電池の電圧よりも高い電圧が必要とされるため、昇圧型のＤＣ−ＤＣコンバータやチャージポンプ回路などからなるフラッシュ駆動用電源を発生する電源装置に設けられている。

なお、撮像装置におけるＬＥＤフラッシュの駆動電源装置に関する発明としては、例えば特許文献１に記載されている発明がある。
特開２００５−０９３５６６号公報 特開２００７−０９７２５１号公報

特許文献１に記載されている発明においては、コンデンサにチャージした電荷を負荷駆動回路でＬＥＤを通して引き抜くことでＬＥＤをフラッシュ点灯させるようにしている。かかる駆動電源装置においては、フラッシュ点灯を行うとコンデンサの電圧が急速に低下するので、コンデンサの容量が充分に大きくないと連続したフラッシュ点灯が困難であるという課題がある。

そこで、本発明者は、特許文献２に記載されているようなチャージポンプ回路を使用した電源装置で、ＬＥＤフラッシュの駆動用電源を発生することについて検討した。その結果、電池電圧をチャージポンプ回路の入力電圧とした場合、フラッシュ点灯時には１〜２Ａの比較的に大きな電流を流す必要があるため、特に電池が消耗した状態でフラッシュ点灯を行うと、電源電圧を共通にするＣＰＵなどセット内の他の回路に供給される電流が減少してしまい、誤動作を起こすおそれがあることが明らかとなった。

そのため、撮像機能を備えた電子機器においては、電池電圧が下がったときにフラッシュ機能を無効にしたり、システムダウンしてユーザに電池交換を促す必要が生じる。その結果、フラッシュ点灯に必要なエネルギーが電池に残っているにもかかわらず、フラッシュ点灯ができなかったり、機器そのものが使用できなくなってしまうという課題がある。

また、チャージポンプ回路を使用した電源装置では、チャージポンプを構成するスイッチ素子として比較的サイズの大きなパワートランジスタを複数個使用するため、回路規模が大きくなり半導体集積回路化した場合にはチップサイズが増大するというという課題がある。前記特許文献１に記載されている発明も、フラッシュ点灯のために負荷駆動回路を設けているため、周辺の回路規模が大きくなるという課題がある。

この発明は上記のような課題に着目してなされたもので、その目的とするところは、電池を電源とするフラッシュ撮影機能を備えた電子機器において、回路規模をそれほど増大させることなく連続フラッシュ点灯が可能なＬＥＤフラッシュ用電源装置を提供することにある。

この発明の他の目的は、電池を電源とするフラッシュ撮影機能を備えた電子機器において、電池電圧が下がってもフラッシュ点灯が行なえるとともに、フラッシュ点灯で大電流がＬＥＤに流された際にセット内の他の回路が誤動作を起こすのを回避できるＬＥＤフラッシュ用電源装置を提供することにある。

この発明のさらに他の目的は、電池を電源とするフラッシュ撮影機能を備えた電子機器において、電池の残存エネルギーが非常に少なくなるまで使用することができ、それによって電池を有効に使用することができるＬＥＤフラッシュ用電源装置を提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するため、電池を電源とし電池からの入力電圧を昇圧する昇圧回路と、該昇圧回路から出力される電流により充電される電気二重層コンデンサと、該コンデンサを所定の電流値で放電可能な定電流回路と、を備え、前記定電流回路から出力される電流を発光素子に流してフラッシュ点灯させるように構成したものである。ここで、前記コンデンサの容量値は０．３Ｆ以上であり、前記昇圧回路は入力電圧を５．５Ｖ以上に昇圧するとともに０．５Ａ以下の電流を受けて０．２５〜０．４Ａの電流で前記コンデンサを連続して充電し、前記定電流回路は最大で２Ａの電流を出力するように構成するとよい。

上記のような構成によれば、フラッシュ点灯前に前記コンデンサをフル充電状態にしておけば、発光素子を点灯させるエネルギーは昇圧回路によって充電されたコンデンサから供給されるとともに、コンデンサは昇圧回路によって連続して充電されるため、少なくとも２回は連続したフラッシュ点灯が可能となる。また、電気二重層コンデンサは、小型大容量であるため携帯用電子機器に適しているとともに、入力電圧が低くなっても充放電できるため、電池およびコンデンサの残存エネルギーがかなり少なくなるまで使用することができる。

さらに、望ましくは、前記定電流回路は、スイッチ素子と該スイッチ素子をオン、オフ制御する制御回路とする。これにより、簡単な回路の追加で連続したフラッシュ点灯が可能となる。ここで、前記第１の昇圧回路は、インダクタを有するＤＣ−ＤＣコンバータで構成することができる。

本発明に従うと、電池を電源とするフラッシュ撮影機能を備えた電子機器において、回路規模をそれほど増大させることなく連続フラッシュ点灯が可能なＬＥＤフラッシュ用電源装置を実現できる。また、電池電圧が下がってもフラッシュ点灯が行なえるとともに、フラッシュ点灯で大電流がＬＥＤに流された際にセット内の他の回路が誤動作を起こすのを回避できる。さらに、電池の残存エネルギーが非常に少なくなるまで使用することができ、それによって電池を有効に使用することができるＬＥＤフラッシュ用電源装置を実現できるという効果がある。

以下、本発明の好適な実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１は本発明を適用したＬＥＤフラッシュ用電源装置の概略構成を示す。

本発明のＬＥＤフラッシュ用電源装置は、リチウムイオン電池のような直流電源１０からの直流電圧を昇圧する前段昇圧回路２０と、該前段昇圧回路２０の出力端子と接地点との間に接続され前段昇圧回路２０により充電されるコンデンサ４０と、コンデンサ４０に充電されている電荷を定電流で放電する後段定電流回路３０とから構成され、後段定電流回路３０から出力される電流がフラッシュランプとしての発光素子５０に流されることでフラッシュ点灯するように構成されている。

特に限定されるものではないが、上記前段昇圧回路２０と後段定電流回路３０は、一つの半導体チップ上に半導体集積回路（本明細書ではこれを電源用ＩＣと称する）として形成され、コンデンサ４０と発光素子５０は、ディスクリート部品で構成され上記電源用ＩＣに外付け素子として接続されている。

上記コンデンサ４０には、例えば５．５Ｖで０．５Ｆの電荷を蓄積することが可能なスーパーキャパシタと呼ばれる大容量電気二重層コンデンサが使用される。発光素子５０には、例えば順方向電圧Ｖｆが２Ｖ〜４Ｖで発光可能なＷ−ＬＥＤ（ホワイト発光ダイオード）が使用される。コンデンサ４０の望ましい容量値は、０．３Ｆ以上である。

上記前段昇圧回路２０は、リチウムイオン電池（１０）から最大で０．５Ａ（アンペア）の入力電流Ｉｉｎを受けて、例えば５．５Ｖのような定電圧で０．２５〜０．４Ａの電流を出力可能に設計されている。前段昇圧回路２０の出力電流を０．２５〜０．４Ａに規制することで入力電流を０．５Ａ以下に抑え、電源を共通にするＣＰＵなどセット内の他の回路への影響を少なくすることができる。このような昇圧回路は、例えば後述するようなスイッチングレギュレータ方式のＤＣ−ＤＣコンバータにより構成することができるが、それに限定されるものではない。

上記後段定電流回路３０は、例えば入力電圧２．１Ｖ〜５．５Ｖの範囲で動作し、最大２Ａ（アンペア）の定電流で出力電流Ｉｏｕｔを流すことができるように構成される。このような昇圧回路は、例えば後述するようなＭＯＳトランジスタとそのオン、オフ制御回路により構成することができるが、それに限定されるものではない。

上記前段昇圧回路２０は電源が投入されている間ずっと動作させてもよいが、いつでもフラッシュ点灯可能にするためコンデンサ４０を予め充電して待機するフラッシュモードが設定されている間のみ動作するように構成しても良い。

図２には、上記前段昇圧回路２０の一例が示されている。本実施形態における前段昇圧回路２０は、直流電圧Ｖｉｎが入力される電圧入力端子ＩＮと接地点との間に直列形態に接続されたコイル（インダクタ）Ｌ１およびＮチャネルＭＯＳＦＥＴ（絶縁ゲート型電界効果トランジスタ）からなる駆動用トランジスタＳＷ１、前記コイルＬ１とＳＷ１との接続ノードと出力端子ＯＵＴとの間に接続された整流用のダイオードＤ１、駆動用トランジスタＳＷ１をオン、オフ制御するスイッチング制御回路２１によって、スイッチングレギュレータとして構成されている。そして、出力端子ＯＵＴと接地点との間に、出力電圧検出用のブリーダ抵抗Ｒ１，Ｒ２が直列に接続され、Ｒ１，Ｒ２により分圧された電圧がスイッチング制御回路２１のフィードバック端子ＦＢに印加されている。

スイッチング制御回路２１は、上記フィードバック端子ＦＢの電圧ＶFBと参照電圧Ｖref1との電位差に応じた電圧を出力する誤差アンプ２２と、該誤差アンプ２２の出力に応じたＰＷＭパルスを生成するＰＷＭ制御回路２３と、該ＰＷＭ制御回路２３の出力に基づいて前記駆動用トランジスタＳＷ１のオン、オフ駆動信号を生成する駆動回路２４を有する。

上記ＰＷＭ制御回路２３は、所定の周波数の三角波（鋸波を含む）を生成する波形生成回路や該波形生成回路により生成された三角波と誤差アンプ２２の出力とを比較するコンパレータなどを備え、フィードバック電圧ＶFBに応じて電圧が高いときは出力のパルス幅を狭くしフィードバック電圧が低いときは出力のパルス幅を広くするような制御を行なう。ＰＷＭパルスの代わりにＰＦＭ（パルス周波数変調）パルスを生成する回路を用いても良い。

本実施形態における後段定電流回路３０は、図１のブロック２０内に示されているように、コンデンサ４０が接続されるノードと出力端子ＯＵＴとの間に接続されたＭＯＳＦＥＴからなるスイッチ素子Ｑ１と、該スイッチ素子Ｑ１を定電流源として動作させる制御回路３１とから構成されている。

ＭＯＳＦＥＴからなるスイッチ素子Ｑ１を使用する場合、そのオン抵抗は０．１Ω程度になるので、２Ａの電流を流す場合、０．２Ｖの電圧降下が生じるので、定電流回路３０の入力範囲は、使用するＷ−ＬＥＤの順方向電圧Ｖｆ＋０．２Ｖ以上（Ｖｆ＝３．６Ｖの場合には３．８Ｖ以上）に設定するのが良い。また、制御回路３１には、入力電圧すなわちコンデンサ４０の充電電圧が３．８Ｖのような最小電圧以上になっているか否か検出する電圧検出回路を設け、最小電圧以上の場合にのみスイッチ素子Ｑ１をオンさせて、Ｗ−ＬＥＤに駆動電流を流して点灯できるように構成しても良い。

次に、図１のフラッシュ用電源装置の動作を、図３を用いて説明する。なお、ここでは、一例として、発光素子５０としてＶｆが３．６ＶのＷ−ＬＥＤを使用し、後段定電流回路３０は入力電圧範囲が３．８Ｖ〜５．５Ｖに規制され、２Ａの定電流を流すことができるように構成され、その出力電流で２灯のＷ−ＬＥＤをフラッシュ点灯させる場合を想定する。また、フラッシュ点灯させる前に、コンデンサＣ４０は前段昇圧回路２０によって５．５Ｖ、０．５Ｆにフル充電されているものとする（図３のタイミングｔ１）。

この状態で、後段定電流回路３０であるスイッチ素子Ｑ１を例えば０．２５秒間オンさせると、コンデンサ４０の電荷が後段定電流回路３０を通して出力端子へ供給されて２Ａの出力電流がＷ−ＬＥＤに流れてフラッシュ点灯する。すると、コンデンサ４０を放電する場合、Ｃ（容量）×Ｖ（電圧）＝ｉ（電流）×ｔ（時間）の関係があるので、Ｖ＝２Ａ×０．２５ｓ÷０．５Ｆ＝１Ｖより、コンデンサ４０はその電圧が約１Ｖ低下して４．５Ｖになる（図３の期間Ｔ１）。しかし、前段昇圧回路２０が動作を続けることによって、コンデンサ４０が充電され電圧は再び上昇する（図３の期間Ｔ２）。

ここで、連続フラッシュにおけるインターバルを例えば放電時間である０．２５秒の４倍の１秒に設定したとすると、前段昇圧回路２０の出力電流が０．４Ａであれば、コンデンサ４０を充電する場合、Ｃ（容量）×Ｖ（電圧）＝ｉ（電流）×ｔ（時間）の関係があるので、Ｖ＝０．４Ａ×１ｓ÷０．５Ｆ＝０．８Ｖより、コンデンサ４０の電圧が０．８Ｖ高くなるように充電することができる。これにより、コンデンサ４０の電圧は、放電前の５．５Ｖよりも０．２Ｖ低い５．３Ｖまで回復する（図３のタイミングｔ２）。

その後、再びフラッシュ点灯させると、コンデンサ４０の電荷が後段定電流回路３０によって出力電流として放電され、電圧は約１Ｖ低下して４．３Ｖになる（図３の期間Ｔ３）。そして、前段昇圧回路２０が動作を続けることによって、コンデンサ４０が充電され電圧は再び上昇して５．１Ｖまで回復する（図３の期間Ｔ４）。上記のような動作を続けて放電後のコンデンサ４０の電圧がある程度まで下がると、次に１秒かけて前段昇圧回路２０によってコンデンサ４０を充電させたとしても後段定電流回路３０で２Ａの出力電流を０．２５秒間流すことができなくなり、所望のフラッシュ点灯が行なえなくなる。

前記実施形態の電源装置によれば、上記条件で４回の連続点灯が可能である。よって、本実施形態を適用することで連続したＬＥＤのフラッシュ点灯が可能となる。また、上記条件で、コンデンサ４０の容量を０．５Ｆではなく０．４Ｆとした場合には、１回（０．２５ｓ）の点灯でコンデンサの電圧は１．２５Ｖ下がり、１秒の充電で１Ｖ上昇するので、ぎりぎり連続３回のフラッシュ点灯が可能である。さらに、コンデンサ４０の容量を０．３Ｆとした場合には、１回（０．２５ｓ）の点灯でコンデンサの電圧は約１．６７Ｖ下がり、１秒の充電で約１．３３Ｖ上昇するので、連続２回のフラッシュ点灯が可能である。よって、少なくとも２回の連続フラッシュ点灯を補償するために必要なコンデンサ４０の容量値は、０．３Ｆ以上である。

次に、後段定電流回路３０から２Ａ（アンペア）の出力電流を、Ｖｆが３．６ＶであるＷ−ＬＥＤに流す時間を０．２５秒にした理由を説明する。

入力電圧が５．５Ｖで、２Ａの出力電流をＶｆが３．６ＶのＷ−ＬＥＤ（２灯）に流す場合、後段定電流回路３０の効率は、３．６（Ｖ）÷５．５（Ｖ）＝０．６５５より、６５．５％となる。これより、ＬＥＤの発光に必要な電力Ｐｏｕｔは、
Ｐｏｕｔ＝３．６Ｖ×１Ａ×２＝７．２Ｗ ……（１）
となる。一方、５．５Ｖ／０．５Ｆのコンデンサで供給できるエネルギー量は、次のようにして求めることができる。

まず、発光時に前段より供給されるエネルギー量ＥINを計算する。前段の昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータの効率を８０％とし、電源（電池）からの入力電圧を３．１Ｖとすると、次式、
ＥIN＝０．５Ａ×３．１Ｖ×０．５ｓ×８０％
より、０．６２Ｊとなる。次に、５．５Ｖに充電された０．５Ｆのコンデンサが３．８Ｖに下がるまでに供給できるエネルギー量ＥOUTを計算すると、次式（２）
ＥOUT＝１／２×０．５Ｆ×（５．５²−３．８²）＋ＥIN ……（２）
より、４．５７Ｊとなる。

次に、定電流回路３０の効率が６５％であることを考慮し、コンデンサから供給できる上記エネルギー量より、ＬＥＤの点灯時間ｔを算出すると、
ｔ＝４．７５Ｊ×０．６５５÷７．２Ｗ＝４１５．７ｍｓ
となる。また、Ｃ（容量）×Ｖ（電圧）＝ｉ（電流）×ｔ（時間）より、４１５．７ｍｓ（ミリ秒）発光させたときのコンデンサの電圧降下は、１．６６４Ｖであり、後段定電流回路３０の入力電圧範囲の下限である３．８Ｖにほぼ到達してしまう。従って、０．５Ｆのコンデンサを５．５Ｖまでフル充電したとしても、４１５．７ｍｓ（ミリ秒）間発光させると、可能なフラッシュ点灯は１回のみである。

コンデンサの電圧降下を１Ｖ以下に抑えるための点灯時間ｔは、
ｔ＝０．５Ｆ×１Ｖ÷２Ａ＝０．２５ｓ
より、０．２５秒である。ＬＥＤの発光に必要な電力Ｐｏｕｔは、上記式（１）より７．２Ｗであり、０．２５秒の発光に必要なエネルギー量ＥLEDは、
ＥLED＝３．６Ｖ×１Ａ×２灯×０．２５ｓ＝１．８Ｊ
である。０．５Ｆのコンデンサより供給するエネルギー量Ｅoutは、定電流回路の効率が６５％であるので、
Ｅout＝１．８Ｊ÷０．６５５＝２．７４８Ｊ
となる。一方、５．５Ｖ／０．５Ｆのコンデンサで供給できるエネルギー量は、式（２）より４．５７Ｊであるので、充分に連続発光が可能であることが分かる。

以上の考察から、前記実施形態のフラッシュ用電源装置を使用すれば、ＬＥＤの連続したフラッシュ点灯が可能となることが分かる。また、電池電圧を入力電圧とする昇圧回路で構成された電源装置であってコンデンサ４０の容量値が小さいものにおいては、上記のように２Ａ（アンペア）のような大きなフラッシュ駆動電流をＷ−ＬＥＤに流そうとした場合、その電流の多くは電池から供給されるため、特に電池が消耗して電圧が下がった状態でフラッシュ点灯を行うと、電源電圧を共通にするＣＰＵなどセット内の他の回路に供給される電流が減少して、誤動作を起こすおそれがある。しかるに、前記実施形態のフラッシュ用電源装置によれば、フラッシュ点灯に必要なエネルギーは、電池ではなくコンデンサ４０から供給される。そのため、フラッシュ点灯により電源電圧を共通にするＣＰＵなどセット内の他の回路に供給される電流が減少して、誤動作を起こすのを回避することができる。

また、電気二重層コンデンサのような大容量コンデンサを使用しない電源装置では、フラッシュ点灯時の誤動作を回避するには、電池電圧が下がった場合にフラッシュ機能を無効にしたり、システムダウンしてユーザに電池交換を促す必要があるが、そのようにすると、フラッシュ点灯に必要なエネルギーが電池に残っているにもかかわらず、フラッシュ点灯ができなかったり、機器そのものが使用できなくなる。これに対し、前記実施形態のフラッシュ用電源装置を使用すれば、そのような不具合がなくなり、電池のエネルギーを充分に使いきって電池を有効に使用することができるという利点がある。

以上本発明者によってなされた発明を実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施形態に限定されるものではない。例えば、前記実施形態においては、前段昇圧回路２０と後段定電流回路３０を１つのＩＣとして構成すると説明したが、別のＩＣとして構成するようにしても良い。

また、前記実施形態においては、前段昇圧回路２０を図２のようなＤＣ−ＤＣコンバータにより構成した場合を説明したが、前段昇圧回路２０はチャージポンプ回路やトランスを有するフライバック型のＤＣ−ＤＣコンバータにより構成しても良い。ただし、他の構成の昇圧回路を用いた場合にも、コンデンサ４０には電気二重層コンデンサのような大容量コンデンサを使用するのが良い。

以上の説明では、本発明をＬＥＤフラッシュ用電源装置に適用した例を説明したが、本発明にそれに限定されるものではなく、短い時間に比較的大きな電流を出力したい機能を有する電子機器における電源装置に広く利用することができる。

本発明を適用したＬＥＤフラッシュ用電源装置の概略構成を示すブロック図である。 前段昇圧回路の一例を示す回路構成図である。 本発明を適用したＬＥＤフラッシュ用電源装置における連続フラッシュ点灯時のコンデンサの電圧の変化を示すタイムチャートである。

符号の説明

１０ 電源（電池）
２０ 前段昇圧回路
３０ 後段定電流回路
４０ コンデンサ（電気二重層コンデンサ）
５０ 発光素子（Ｗ−ＬＥＤ）
２１ スイッチング制御回路
２２ 誤差アンプ
２３ ＰＷＭ制御回路
２４ 駆動回路
Ｌ１ コイル（インダクタ）
Ｃ１ 平滑容量
Ｗ−ＬＥＤ 白色発光ダイオード
ＳＷ１ コイル駆動用トランジスタ

Claims (4)

1. 電池を電源とし電池からの入力電圧を昇圧する昇圧回路と、該昇圧回路から出力される電流により充電される電気二重層コンデンサと、該コンデンサを所定の電流値で放電可能な定電流回路と、を備え、前記定電流回路から出力される電流を発光素子に流してフラッシュ点灯させるように構成したことを特徴とするフラッシュ用電源装置。
2. 前記コンデンサの容量値は０．３Ｆ以上であり、前記昇圧回路は入力電圧を５．５Ｖ以上に昇圧するとともに０．５Ａ以下の電流を受けて０．２５〜０．４Ａの電流で前記コンデンサを連続して充電し、前記定電流回路は最大で２Ａの電流を出力するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載のフラッシュ用電源装置。
3. 前記定電流回路は、スイッチ素子と該スイッチ素子をオン、オフ制御する制御回路とからなることを特徴とする請求項１に記載のフラッシュ用電源装置。
4. 前記昇圧回路はインダクタを有するＤＣ−ＤＣコンバータであることを特徴とする請求項２または３に記載のフラッシュ用電源装置。

Images