JP4704099B2 - 電源装置およびそれを用いた電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、出力電圧を安定化するレギュレーション機能を備えた電源装置に関する。

近年の携帯電話、ＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｄｉｇｉｔａｌ Ａｓｓｉｓｔａｎｃｅ）等の小型情報端末においては、例えば液晶のバックライトに用いられるＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）などのように電池の出力電圧よりも高い電圧を必要とするデバイスが存在する。たとえば、これらの小型情報端末では、Ｌｉイオン電池が多く用いられるが、その出力電圧は通常３．５Ｖ程度であり、満充電時においても４．２Ｖ程度であるところ、ＬＥＤは、その駆動電圧として、４．５Ｖ程度の電圧を必要とする。このように、電池電圧よりも高い電圧が必要とされる場合、いわゆるチャージポンプ型昇圧回路を用いた電源装置によって電池電圧を昇圧し、ＬＥＤ駆動に必要な電圧を出力している。

このような昇圧回路を有する電源装置においては、起動時や、負荷が大きく変動した場合に、出力電圧が一時的に大きな値に跳ね上がるオーバーシュートが発生することがある。このオーバーシュートは、時として電源装置に負荷として接続されるＬＥＤなどのデバイスの信頼性に影響を及ぼすおそれがある。

このようなオーバーシュートを防止するために、従来では、起動時において、出力電圧を緩やかに立ち上げるソフトスタートの手段が知られていた（特許文献１、２参照）。
特開２００２−３６９５０１号公報 特開２００３−３３９１５６号公報

ところで、こうした昇圧回路を有する電源装置の中には、入力電圧である電池電圧が降下しても、一定の出力電圧が得られるように、その昇圧回路の昇圧率を変化させるものが存在する。このような昇圧回路では、起動時のみならず、その昇圧率の切り替え時においても、瞬時的に設定出力電圧よりも大きなオーバーシュートが発生する。たとえば、昇圧回路の入力電圧が３Ｖの時に、昇圧率を１倍から２倍に切り替えた場合、瞬時的に出力電圧は６Ｖまでオーバーシュートするおそれがある。

本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、駆動デバイスの信頼性に影響するおそれのあるオーバーシュートを防止する機能を備え、出力電圧の安定性を高めた電源装置の提供にある。

本発明のある態様は電源装置に関し、設定された昇圧率で入力電圧を昇圧する昇圧回路と、前記昇圧回路の出力電圧が設定電圧と等しくなるように、帰還により昇圧回路の入力電圧を調節するレギュレータと、出力電圧と所定の閾値電圧とを比較し、出力電圧が閾値電圧よりも高いときに昇圧停止信号を出力する電圧比較器と、前記昇圧停止信号を受けて、昇圧回路の入力電圧を強制的に降下させる補助回路とを備える。電圧比較器は、オーバーシュートを検知し、出力電圧が閾値電圧を超えると、補助回路をオンする。この態様によれば、レギュレータにより出力が設定電圧に調節されるとともに、補助回路によって、昇圧回路の入力電圧を強制的に瞬時に降下させて、出力電圧が所定の閾値電圧を大きくこえるようなオーバーシュートを防止し、その後短時間で設定電圧に収束させることができる。

第１の補助回路は、昇圧回路の入力端子と接地間に設けられ、昇圧停止信号によりオンする第１のスイッチ素子を含んでもよい。スイッチ素子をオンすることにより、昇圧回路の入力側に設けられたキャパシタに蓄えられた電荷が放電され、昇圧回路の入力電圧を強制的に降下させることができる。

電源装置は、昇圧停止信号を受けて、昇圧回路の昇圧動作を停止させる手段をさらに備えてもよい。この場合、昇圧動作を停止することによって出力電圧が閾値電圧以上となるのを防止し、その間に第１補助回路によって昇圧回路の入力電圧の強制的低下を行う。その結果、再度昇圧が開始されるときには出力電圧を下げることができ、その後短時間で出力電圧を設定電圧に近づけることができる。

電源装置は、昇圧停止信号を受けて、昇圧回路の出力電圧を強制的に降下させる第２の補助回路をさらに備えてもよい。閾値電圧を超えるオーバーシュート時に、昇圧回路の出力に接続されている負荷回路以外に、別途電流を逃がす補助回路をオンすることにより、オーバーシュートによる急峻な出力電圧の立ち上がりをなだらかにすることができる。

電源装置は、昇圧停止信号を受けて、レギュレータから昇圧回路への電流供給を制限する電流制限回路をさらに備えてもよい。昇圧回路の入力電圧を上昇させる原因となるレギュレータからの電流供給を停止することにより、入力電圧の下降を補助して、オーバーシュートを防止することができる。

本発明の別の態様も電源装置に関する。この電源装置は、設定された昇圧率で入力電圧を昇圧する昇圧回路と、昇圧回路の出力電圧が設定電圧と等しくなるように、帰還により昇圧回路の入力電圧を調節するレギュレータと、出力電圧と所定の閾値電圧とを比較し、出力電圧が閾値電圧よりも高いときに昇圧停止信号を出力する電圧比較器と、昇圧停止信号を受けて、昇圧回路の昇圧動作を停止させる手段を備える。この態様によれば、閾値電圧を超えるオーバーシュートが発生すると、昇圧回路の昇圧動作自体を停止させ、昇圧回路の入力電圧が下がっていなくても、出力電圧が所定の閾値電圧以上になることを防止することができる。

本発明のさらに別の態様も電源装置に関する。この電源装置は、設定された昇圧率で入力電圧を昇圧する昇圧回路と、前記昇圧回路の出力電圧が設定電圧と等しくなるように、帰還により前記昇圧回路の入力電圧を調節するレギュレータと、出力電圧と所定の閾値電圧とを比較し、出力電圧が閾値電圧よりも高いときに昇圧停止信号を出力する電圧比較器と、前記昇圧停止信号を受けて、昇圧回路の出力電圧を強制的に降下させる第２の補助回路とを備える。第２の補助回路は、昇圧回路の出力端子と接地間に設けられ、昇圧停止信号によりオンする第２のスイッチ素子を含んでもよい。
この態様によれば、閾値電圧を超えるオーバーシュート時に、昇圧回路の出力に接続されている負荷回路以外に、別途電流を逃がす第２の補助回路をオンし、オーバーシュートによる急峻な出力電圧の立ち上がりをなだらかにすることができる。

本発明のさらに別の態様も電源装置に関する。この電源装置は、設定された昇圧率で入力電圧を昇圧する昇圧回路と、昇圧回路の出力電圧が設定電圧と等しくなるように、帰還により昇圧回路の入力電圧を調節するレギュレータと、出力電圧と所定の閾値電圧とを比較し、出力電圧が前記閾値電圧よりも高いときに昇圧停止信号を出力する電圧比較器と、前記昇圧停止信号を受けて、レギュレータから昇圧回路への電流供給を制限する電流制限回路とを備える。この態様によれば、昇圧回路の入力電圧を上昇させる原因となるレギュレータからの電流供給を停止することにより、入力電圧の下降を補助して、オーバーシュートを防止することができる。

レギュレータは、昇圧回路の出力電圧と、設定電圧の誤差を増幅する誤差増幅器と、誤差増幅器の出力によりオンの程度が制御されるトランジスタと、を含み、電流制限回路は、トランジスタの制御端子と固定電圧間に設けられたスイッチ素子を含んでもよい。スイッチ素子によりトランジスタの制御端子の電圧を強制的に変化させることにより、トランジスタをオフすることができ、電流供給を遮断することができる。

本発明のさらに別の態様も電源装置に関する。この電源装置は、設定された昇圧率で入力電圧を昇圧する昇圧回路と、昇圧回路の出力電圧が設定電圧と等しくなるように、帰還により昇圧回路の入力電圧を調節するレギュレータと、レギュレータによる入力電圧の調節よりも速い応答速度で入力電圧を調整する補助回路とを備える。通常、レギュレータの応答速度は、起動時や昇圧率の切り替え時の出力電圧の電圧波形に追従できるほど速くない。そこで、レギュレータのように目標値を持って出力電圧を調整する能力は有さないかわりに、高速に昇圧回路の入力電圧を制御可能な補助回路を設け、この補助回路を例えばある閾値を境界としてオン、オフさせる。この態様によれば、閾値電圧を超えるオーバーシュートを防止でき、かつ、レギュレータ単独使用時の収束時間よりも短い時間で、出力電圧を設定電圧に安定化することができる。

本発明の別の態様は電子機器に関する。この電子機器は、発光素子と、発光素子に駆動電圧を供給する上述の電源装置と、を備える。この態様によれば、発光素子に高い電圧が印加されるのを防止することができる。

なお、以上の構成要素の任意の組合せや、本発明の構成要素や表現を方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明に係る電源装置により、出力電圧の安定性を高めることができる。

図１は、本発明の実施の形態に係る電源装置１００を示す回路図である。この電源装置１００は、たとえば、携帯電話端末やＰＤＡなどの電子機器に搭載され、電池から出力される電圧を昇圧し、ＬＣＤのバックライトとして用いられるＬＥＤを駆動するための駆動電圧を生成する。

図５は、図１の電源装置を搭載した電子機器２００の構成を示すブロック図である。電子機器２００は、電源装置１００、電池２０２、ＬＥＤ２０４、定電流回路２０６、制御部２０８を備える。
電池２０２は、電池電圧Ｖｂａｔを出力する。電源装置１００は、電池電圧Ｖｂａｔを昇圧し、駆動電圧ＶｏｕｔをＬＥＤ２０４のアノードに出力する。定電流回路２０６は、ＬＥＤ２０４のカソードと接地間に設けられ、ＬＥＤ２０４に流す定電流を生成し、ＬＥＤ２０４を所望の輝度で発光させる。ＬＥＤ２０４、定電流回路２０６は、図１の負荷回路１８に相当する。制御部２０８は、電子機器２００全体を統括的に制御するブロックである。定電流回路２０６は、制御部２０８から指示された電流値にもとづいて定電流を生成し、ＬＥＤ２０４の輝度を制御する。

図１に戻る。本実施の形態に係る電源装置１００は、チャージポンプ方式等の昇圧回路１０と、その出力電圧をフィードバックして入力電圧を調節するレギュレータ２０とに加えて、出力電圧のオーバーシュートを検知する電圧比較器１６、検知したオーバーシュートを直ちに抑制するための補助回路である第１〜第３のスイッチＳＷ１〜ＳＷ３とを備える。本実施の形態に係る電源装置１００は、少なくとも、入出力コンデンサＣ１、Ｃ２および負荷回路１８以外は、半導体回路として一体集積化されている。もちろん使用する半導体製造プロセスおよび容量値によっては、入出力コンデンサＣ１、Ｃ２等も一体集積化されていてもよい。

昇圧回路１０は、入力電圧Ｖｉｎに所定の昇圧率を乗じた電圧を出力するが、この出力電圧Ｖｏｕｔはそのまま電源装置１００の出力となっている。この昇圧回路１０は、電池電圧Ｖｂａｔが低下しても所定の設定電圧Ｖｓｅｔを出力し続けるために、いくつかの昇圧率を切り替えて動作するものとする。また、昇圧回路１０はイネーブル端子ＥＮを備えており、外部からの信号によって昇圧動作を停止させることができるようになっている。このイネーブル端子はアクティブロー、すなわち、ハイまたはロー２値の入力に対し、ローレベルが入力されている間は昇圧動作を行い、ハイレベルが入力されると昇圧動作を停止するものとする。これは、例えば昇圧回路としてチャージポンプ回路を用いている場合には、内部のオシレータの発振を止めるなどの手段によって実現可能である。さらに、昇圧回路１０の入出力端子は、それぞれ平滑化のための入力コンデンサＣ１および出力コンデンサＣ２で接地されている。

昇圧回路１０は、複数の昇圧率を切り替えて動作するものであればよく、その昇圧率は問わないが、本実施の形態では、説明の簡潔化のため、１倍または２倍の２つの昇圧率を切り替えて動作するものとする。このような昇圧回路１０は、例えば図２に示すように、２倍の昇圧率を有するチャージポンプ回路３０、制御回路３２、バイパススイッチＳＷ４とを有する。昇圧回路１０のイネーブル端子ＥＮには電圧比較器１６からの昇圧停止信号ＤＩＳが入力され、そのまま制御回路３２に入力されている。制御回路３２からは、バイパススイッチＳＷ４のオンオフを制御する第１制御信号Ｓ１と、チャージポンプ回路３０の昇圧率、昇圧停止を制御する第２制御信号Ｓ２が出力され、それぞれ、バイパススイッチＳＷ４およびチャージポンプ回路３０に入力されている。

この昇圧回路１０の内部は、制御回路３２により次のように制御されている。制御回路３２は、昇圧停止信号ＤＩＳがローレベルかハイレベルかによってチャージポンプ回路３０の昇圧動作の停止を制御する。また、出力電圧Ｖｏｕｔと設定電圧値Ｖｓｅｔとの関係で昇圧率を決定し、チャージポンプ回路３０のスイッチングを制御する。すなわち、出力電圧Ｖｏｕｔが設定電圧Ｖｓｅｔと等しければ、昇圧率を１倍とし、出力電圧Ｖｏｕｔが設定電圧Ｖｓｅｔより低い所定の電圧を下回る場合には、昇圧率を２倍とする。

昇圧回路１０の制御状態は、出力電圧Ｖｏｕｔおよびイネーブル端子ＥＮに入力される昇圧停止信号ＤＩＳによって以下の３つに分けられる。

第１の状態は、外部から昇圧停止信号ＤＩＳがハイレベルで入力されている場合であって、このとき、制御回路３２は、第１制御信号Ｓ１によってバイパススイッチＳＷ４をオフして入出力端子間を遮断するとともに、第２制御信号Ｓ２によってチャージポンプ回路３０の昇圧動作を停止する。この結果、昇圧回路１０は、出力電圧Ｖｏｕｔが入力電圧Ｖｉｎに依存しないオフ状態となる。

第２の状態は、外部からの昇圧停止信号ＤＩＳがローレベルで入力されており、制御回路３２が、昇圧率１倍を指定した場合であり、このとき、第１制御信号Ｓ１によりバイパススイッチＳＷ４をオンするとともに、第２制御信号Ｓ２によりチャージポンプ回路３０の昇圧動作を停止する。この結果、チャージポンプ回路３０の入出力電圧端子は短絡されることになるのでＶｉｎ＝Ｖｏｕｔが成り立つ、すなわち昇圧率１倍が得られることになる。

第３の状態は、外部からの昇圧停止信号ＤＩＳがローレベルで入力されており、制御回路３２が、昇圧率２倍を指定した場合である。このときには、第１制御信号Ｓ１によりバイパススイッチＳＷ４をオフするとともに、第２制御信号Ｓ２によりチャージポンプ回路３０には通常の昇圧動作をさせ、昇圧率２倍を得ることができる。

このように、昇圧回路１０は、出力電圧Ｖｏｕｔおよび昇圧停止信号ＤＩＳの状態によって動作モードが異なるように構成されている。

図１に戻る。昇圧回路１０の出力電圧Ｖｏｕｔは、負荷回路１８に供給されると同時に、帰還によって出力電圧Ｖｏｕｔを安定化させるレギュレータ２０に入力されている。レギュレータ２０は、帰還抵抗Ｒ１、Ｒ２、演算増幅器１２およびＰ型のＭＯＳＦＥＴ１４（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）とを有している。演算増幅器１２の反転入力端子には基準電圧Ｖｒｅｆが、非反転入力端子には出力電圧Ｖｏｕｔが帰還抵抗Ｒ１およびＲ２によってＲ１／（Ｒ１＋Ｒ２）に抵抗分割されて入力されている。この演算増幅器１２の出力はＭＯＳＦＥＴ１４の制御端子であるゲート端子に接続されている。このＭＯＳＦＥＴ１４のソース端子にはバッテリ電圧Ｖｂａｔが接続され、ドレイン端子がレギュレータ２０の出力として、昇圧回路１０の入力端子に接続されている。

設定電圧Ｖｓｅｔは、基準電圧Ｖｒｅｆを用いて、Ｖｓｅｔ＝（Ｒ１＋Ｒ２）／Ｒ１×Ｖｒｅｆで与えられ、この設定電圧Ｖｓｅｔと出力電圧Ｖｏｕｔの誤差が最小となるようにフィードバックによってＭＯＳＦＥＴ１４のドレイン電圧、すなわち昇圧回路１０の入力電圧Ｖｉｎが調整される。

電圧比較器１６は、オーバーシュート検知用に設けられ、電圧比較器１６のマイナス側入力端子には、閾値電圧Ｖｔｈが入力されている。一方、プラス側入力端子には昇圧回路１０の出力電圧Ｖｏｕｔが入力されている。ここで、閾値電圧Ｖｔｈは、設定電圧Ｖｓｅｔよりも高く、かつ負荷回路１８に使用するデバイスの信頼性に影響を及ぼすおそれのある電圧値よりも低く決めておく。

この電圧比較器１６は、出力電圧Ｖｏｕｔが閾値電圧Ｖｔｈよりも高いとき、すなわち過度のオーバーシュートを検知すると、その出力である昇圧停止信号ＤＩＳをハイレベルとする。もちろん、電圧比較器１６のプラス側入力端子は出力電圧Ｖｏｕｔそのものである必要はなく、抵抗分割によって一定の比率で下げてから入力し、マイナス側入力には閾値電圧Ｖｔｈを同じ比率で下げた電圧値を入力して比較しても良い。

この電圧比較器１６より出力される昇圧停止信号ＤＩＳは、昇圧回路１０のイネーブル端子ＥＮおよび第１〜第３のスイッチＳＷ１〜ＳＷ３に入力されている。第１スイッチＳＷ１は、昇圧回路１０の入力電圧Ｖｉｎと、接地電位間に設けられており、オン状態において、入力コンデンサＣ１に蓄えられている電荷を放電する、すなわち入力電圧を強制的に降下させる補助回路としての役割を果たす。第２スイッチＳＷ２は、昇圧回路１０の出力電圧Ｖｏｕｔと、接地電位間に設けられており、オン状態において出力コンデンサＣ２に蓄えられている電荷を放電する、すなわち昇圧回路１０の出力電圧Ｖｏｕｔを強制的に降下させる補助回路としての役割を果たす。第３スイッチＳＷ３は、レギュレータ２０に用いられるＭＯＳＦＥＴ１４のゲートソース端子間に設けられており、オンするとゲートソース間電位は短絡され、昇圧回路１０への入力電流を遮断する役割を果たす。例えばこれらのスイッチは、ＭＯＳＦＥＴを用いて構成することができ、ゲート端子に昇圧停止信号ＤＩＳを入力することでゲートソース間電圧を制御し、そのオンオフによってドレインソース間の抵抗値を変化させスイッチとして利用することができる。

以下、このように構成された電源装置１００の動作について、ある時刻において昇圧回路１０の昇圧率が切り替わる場合について説明する。前述のように、昇圧回路１０は、その内部に有する制御回路３２によって、昇圧率を出力電圧Ｖｏｕｔに応じた適切な値に自動的に切り替える。

本実施の形態に係るオーバーシュート防止機能の動作をより理解するため、はじめに、電圧比較器１６を動作させない、すなわちオーバーシュートの検知を行わない場合の動作について図３を用いて説明する。

時刻Ｔ０〜Ｔ１においては、電池電圧Ｖｂａｔは出力の設定電圧Ｖｓｅｔよりも高いため、１倍の昇圧率で出力電圧Ｖｏｕｔを設定電圧Ｖｓｅｔに安定化することができる。電池電圧Ｖｂａｔが長時間の使用により降下してくると、それに伴って、昇圧回路１０の入力電圧Ｖｉｎも下がってくる。したがって、昇圧回路１０の昇圧率が一定の場合には、その出力電圧Ｖｏｕｔもバッテリの電圧降下に伴い低下し、設定電圧Ｖｓｅｔの出力を維持できなくなる。この状態が図３における時刻Ｔ１〜Ｔ２の期間に相当する。

そこで、出力電圧Ｖｏｕｔが所定の値を下回る時刻Ｔ２において、制御回路３２は、出力電圧Ｖｏｕｔを設定電圧Ｖｓｅｔに等しくするために、昇圧回路１０の昇圧率を１倍から２倍へと切り替える。切り替えの瞬間において、昇圧回路１０は入力電圧Ｖｉｎの２倍の電圧を出力しようとするため、瞬間的に出力電圧Ｖｏｕｔが大きくなるオーバーシュートが発生する。その後、レギュレータ２０の帰還によって入力電圧Ｖｉｎが徐々に落とされ、出力電圧Ｖｏｕｔは緩やかに設定電圧Ｖｓｅｔに収束していく。このように、昇圧率の切り替え時におけるオーバーシュートは、レギュレータ２０による帰還のみでは防止しきれず、定常状態に落ち着くまでの時間も長くなってしまう。

次に、本発明の実施の形態に係る電源装置１００について、オーバーシュートを検知する電圧比較器１６を動作させた場合の動作について、図４を用いて説明する。時刻Ｔ０からＴ２までは、上述のオーバーシュートの検知を行わない場合と同様である。この期間においては、出力電圧Ｖｏｕｔは閾値電圧Ｖｔｈよりも低いため、電圧比較器１６は、昇圧停止信号ＤＩＳとしてローレベルを出力しており、スイッチＳＷ１〜ＳＷ３はオフしている。

時刻Ｔ２において昇圧率を１倍から２倍に切り替えると、昇圧回路１０は、切り替えの瞬間における入力電圧Ｖｉｎの２倍の電圧を出力しようと動作し、出力電圧Ｖｏｕｔが立ち上がり始める。時刻Ｔ３において、出力電圧Ｖｏｕｔが、閾値電圧Ｖｔｈまで立ち上がったところで、電圧比較器１６がこれを検知し、電圧比較器１６の出力である昇圧停止信号ＤＩＳをハイレベルに切り替える。この昇圧停止信号ＤＩＳがハイレベルになると、昇圧回路１０の昇圧動作が停止されるとともに、第１〜第３のスイッチＳＷ１〜ＳＷ３がオンする。

昇圧回路１０の昇圧動作が時刻Ｔ３に停止すると、出力電圧Ｖｏｕｔは、ある電圧までオーバーシュートした後、入力電圧Ｖｉｎとは無関係に、出力コンデンサＣ２に蓄えられた電荷の放電によって徐々に下がってくる。出力コンデンサＣ２の放電経路は、通常時は、負荷回路１８であるが、昇圧停止信号ＤＩＳによって第２スイッチＳＷ２がオンすることで、第２スイッチＳＷ２を介しても放電が行われる。その結果、負荷回路１８によってのみ放電が行われる場合よりも速く出力電圧Ｖｏｕｔを下げることができる。

一方、この時刻Ｔ３〜Ｔ４の間の、昇圧回路１０の入力電圧Ｖｉｎに着目すると、次のような動作が行われている。昇圧回路１０の昇圧動作が停止すると、レギュレータ２０から供給され、入力コンデンサＣ１に蓄えられた電荷は、放電経路を失うため、レギュレータ２０が、昇圧回路１０の入力電圧Ｖｉｎを落とそうとフィードバックを掛けても、入力電圧Ｖｉｎは下がらない。そこで、第１スイッチＳＷ１が時刻Ｔ３にオンすることにより昇圧回路１０の入力端子から接地電位に対して放電経路が新たに設けられる。この放電経路を通じて入力コンデンサＣ１に蓄えられた電荷が放電され、昇圧回路１０の入力電圧Ｖｉｎが強制的に下げられることになる。また、第３スイッチＳＷ３がオンすると、レギュレータ２０のＭＯＳＦＥＴ１４のゲートソース間電位が短絡されるため、ＭＯＳＦＥＴ１４はオフし、昇圧回路１０への電流供給が停止される。これは、入力コンデンサＣ１の充電を停止することに他ならないから、間接的に昇圧回路１０の入力電圧Ｖｉｎの降下を助長することができる。また、この間にレギュレータ２０から供給される電流は、結局すべて第１スイッチＳＷ１を介して放電されてしまい無駄となるため、このレギュレータ２０から供給される電流は遮断する方が望ましいといえる。このように、第１スイッチＳＷ１および第３スイッチＳＷ３は併せて入力電圧Ｖｉｎを下げる補助回路の役割を担う。この補助回路は、スイッチを介しての放電を利用しているため、演算増幅器１２を用いてフィードバックループを構成するレギュレータ２０による入力電圧Ｖｉｎの調整よりも、高速に電圧を変化させることができる。

再度、昇圧回路１０の出力端子側に目を向けると、昇圧停止信号ＤＩＳがハイレベルとなっている一連の動作期間中は、昇圧回路１０の昇圧動作自体は停止しているため、出力電圧Ｖｏｕｔは、負荷回路１８および第３スイッチＳＷ３を介しての放電により低下していく。その後、電圧比較器１６は、出力電圧Ｖｏｕｔが、閾値電圧Ｖｔｈまで下がった時刻Ｔ４で、昇圧停止信号ＤＩＳをローレベルに落とす。

時刻Ｔ４においては、第１スイッチＳＷ１および第３スイッチＳＷ３の２つの補助回路によって入力電圧Ｖｉｎは十分に下げられている。ここで、入力電圧Ｖｉｎを降下させる第１スイッチＳＷ１による放電の速度は、出力電圧Ｖｏｕｔが一度、閾値電圧Ｖｔｈを超え、再び閾値電圧より小さくなるまでの時間、すなわち時刻Ｔ３〜Ｔ４の期間に、入力電圧Ｖｉｎが、出力設定電圧Ｖｓｅｔの１／２倍にまで下がるように設計しておく。

時刻Ｔ４に出力停止信号ＤＩＳがローレベルになると、第１〜第３のスイッチＳＷ１〜ＳＷ３は再びオフし、昇圧回路１０の昇圧動作は再開される。昇圧動作が再開されると、昇圧回路１０は、入力電圧Ｖｉｎの昇圧率２倍の電圧を出力する。したがって、このとき、昇圧回路１０の入力電圧Ｖｉｎが、設定電圧Ｖｓｅｔの１／２倍程度にまで下がっていれば、昇圧回路１０の出力電圧としては設定電圧Ｖｓｅｔに近い値が出力されることになる。その後は、再び閾値電圧Ｖｔｈを超えるオーバーシュートが発生することはなく、昇圧停止信号ＤＩＳはハイレベルにはならないため、レギュレータ２０によって昇圧回路１０の入力電圧Ｖｉｎが調整されて出力電圧Ｖｏｕｔが設定電圧Ｖｓｅｔに収束していく。

このように、本実施の形態に係る電源装置では、所定の閾値電圧Ｖｔｈを超えるようなオーバーシュートの検知によって、昇圧回路１０の昇圧動作を停止し、出力電圧Ｖｏｕｔを強制的に降下させるとともに、その間において、入力電圧Ｖｉｎも急速に降下させている。オーバーシュートの原因は、レギュレータ２０の応答速度が出力電圧Ｖｏｕｔの急激な変化に追随できない点にあるが、新たに設けられた、入力電圧Ｖｉｎを強制降下させる補助回路、出力電圧Ｖｏｕｔを強制降下させる補助回路は、いずれもレギュレータ２０よりも高速に入力電圧Ｖｉｎまたは出力電圧Ｖｏｕｔを変化させることができる。この結果、負荷回路１８として接続するデバイスの信頼性に影響を及ぼすような大きなオーバーシュートを防止し、かつ短時間で所定の設定電圧Ｖｓｅｔに収束させることができる。

本発明の効果は、通常の昇圧回路の起動時、あるいは負荷が切り替わった瞬間に発生するオーバーシュートに対しても、同様のプロセスによって同様の効果を得ることができる。立ち上がりの際に発生するオーバーシュートの発生防止に関しては、通常のソフトスタートによる手段との併用もまた有効である。

これらの実施の形態は例示であり、各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

例えば、本実施の形態においては、１倍および２倍の昇圧率を切り替える電源装置について、その構成、作用、効果を説明したが、１倍、１．５倍、２倍と、より多くの昇圧率を切り替え可能な昇圧回路１０を有する場合においても、本発明の本質的な構成、作用および効果は変わらない。この場合、チャージポンプ回路３０自体が１．５倍、２倍と２つ以上の昇圧率を有することになるが、１倍の昇圧率のときには、チャージポンプ回路３０の昇圧動作を停止するとともに、バイパススイッチＳＷ４によってチャージポンプ回路３０をバイパスすればよく、また、１．５倍あるいは２倍の昇圧率の切り替えは、第２制御信号Ｓ２によって、所望の昇圧率が得られるように、チャージポンプ回路３０内のスイッチング動作を制御すればよい。

このチャージポンプ回路３０における１．５倍、２倍の昇圧率の切り替えは、より具体的には、例えば、チャージポンプ回路３０に、容量値の等しい２つの充電コンデンサを設けることで実現される。昇圧率１．５倍時には２つの充電コンデンサを直列に接続して入力電圧Ｖｉｎで充電する。その結果、それぞれの充電コンデンサには、０．５×Ｖｉｎの電圧が充電されることになる。次にスイッチングにより２つの充電コンデンサを並列接続し、両コンデンサの接地電位側を入力電圧Ｖｉｎに接続することで、コンデンサの他端には、出力電圧として、Ｖｏｕｔ＝０．５×Ｖｉｎ＋Ｖｉｎ＝１．５×Ｖｉｎが得られ、１．５倍の昇圧率が得られることになる。また、昇圧率が２倍の時には、２つの充電コンデンサを並列に接続して入力電圧Ｖｉｎによる充電を行う。この場合は、両コンデンサには、Ｖｉｎの電圧が充電されることになる。次にスイッチングにより並列のまま接地電位側を入力電圧Ｖｉｎに接続することで、コンデンサの他端には、出力電圧としてＶｏｕｔ＝Ｖｉｎ＋Ｖｉｎ＝２×Ｖｉｎが得られ、２倍の昇圧率が得られることになる。このようなスイッチング動作を、制御回路３２より出力される第２制御信号Ｓ２によって変化させ、バイパススイッチＳＷ４の動作と組み合わせることで、１倍、１．５倍、２倍など、複数の昇圧率を自在に切り替えることができる。

またこれとは逆に、昇圧回路１０は、昇圧率の切り替え機能を有さず、固定の昇圧率で動作するものであってもよい。この場合には、昇圧回路１０の起動時あるいは接続される負荷の変動時に、オーバーシュートを抑制する機能が有効に働く。

本実施の形態では、第１スイッチＳＷ１による入力電圧の強制降下、昇圧回路１０の昇圧動作停止、第２スイッチＳＷ２による出力電圧の強制降下、第３スイッチＳＷ３による電流供給の遮断という、すべての構成要素を併用しているが、同様の効果を得るために必ずしもすべての要素が必要となるわけではない。

本発明では、昇圧停止信号ＤＩＳがハイレベルになっている間に、出力電圧Ｖｏｕｔが低下し、再び閾値電圧Ｖｔｈまで降下するまでの時間（以下Ｔaという）と、入力電圧Ｖｉｎが降下して出力の設定電圧Ｖｓｅｔの（１／昇圧率）倍まで降下する時間（以下Ｔｂという）とが等しく設計されていることが望ましい。従って入出力コンデンサＣ１、Ｃ２の容量値や、出力コンデンサＣ２の放電速度と入力コンデンサＣ１の放電速度が調整されているという条件のもとで、様々な態様が考えられる。この放電速度の調整は、例えば、使用するスイッチに使用するトランジスタサイズの変更や、スイッチに直列に抵抗を挿入することによって行うことができる。

このような手法による放電速度の調節により、Ｔａ＝Ｔｂが成り立っていれば、例えば、オーバーシュート検知時における補助回路の動作としては、第１スイッチＳＷ１および昇圧動作の停止のみであってもよい。この場合、出力電圧Ｖｏｕｔは、負荷回路１８により降下し、入力電圧Ｖｉｎの強制降下は、第１スイッチＳＷ１によって行われる。

その他、昇圧回路１０の昇圧動作停止、第１スイッチＳＷ１および第２スイッチＳＷ２の併用や、昇圧回路１０の昇圧動作停止、第１スイッチＳＷ１および第３スイッチＳＷ３の併用など様々な形態が考えられる。

また、上述のように複数の要素によれば、効果的にオーバーシュートを防止することができ、その後の設定電圧への収束も短時間で達成されるが、オーバーシュートを防止する、あるいは出力の安定化時間を短縮するという目的は、いずれか一つの要素のみによっても達成することができる。たとえば、昇圧停止動作のみを行う場合には、出力電圧Ｖｏｕｔを閾値電圧Ｖｔｈを大きく超えないように抑えることができるという効果がある。また出力電圧Ｖｏｕｔの強制降下のみを行った場合には、オーバーシュートの立ち上がりをなだらかにできるという効果を有する。入力電圧Ｖｉｎの強制降下のみを行った場合には、短時間で出力電圧Ｖｏｕｔを設定することができる。レギュレータ２０からの電流供給を停止する手段のみを用いた場合には、昇圧回路１０への電流供給が絶たれるため、昇圧動作の停止と等価的な役割を果たし、オーバーシュートの持続時間が短縮という効果が期待される。

また、本実施の形態においては、レギュレータ２０から昇圧回路１０への電流遮断の手段として、第３スイッチによる例を示したが、その他、演算増幅器１２に昇圧停止信号ＤＩＳの入力端子を設け、昇圧停止信号がハイレベルとなるとＭＯＳＦＥＴ１４のゲートに与える電圧を電池電圧Ｖｂａｔまで上昇させるなどの手段によっても同様の効果を得ることができる。

また、別の実施の形態として、電源装置１００は、オーバーシュートの防止手段として、レギュレータ２０による入力電圧Ｖｉｎの調節よりも速い応答速度で入力電圧Ｖｉｎを変化させることができる補助回路を設けていても良い。通常発生するオーバーシュートはレギュレータ２０の応答速度が急峻な出力電圧Ｖｏｕｔの変動に追従できないことに起因している。そこで、このレギュレータ２０よりも高速に動作するかわりに、レギュレータ２０のように調整すべき設定値を持たない、オンオフいずれかで動作する補助回路をレギュレータ２０と並列に、緊急避難用として設けておく。このような設定電圧Ｖｓｅｔへの収束の加速を促す補助回路を、例えばいくつかの閾値ごとに一つ、もしくは複数設けることによって、よりオーバーシュートの発生を防止するとともに、より短い時間で設定電圧Ｖｓｅｔに収束させることができる。

本発明の実施の形態に係る電源装置を示す回路図である。 本発明の実施の形態に係る電源装置に使用する、昇圧率の切り替え可能な昇圧回路の構成を示すブロック図である。 昇圧率切り替え時のオーバーシュートの発生について説明するための、電池電圧、出力電圧、入力電圧の時間波形を示す図である。 本発明の実施の形態に係る電源装置の、昇圧率切り替え時における、電池電圧、出力電圧、入力電圧の時間波形を示す図である。 図１の電源装置を搭載した電子機器の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１０ 昇圧回路、 １２ 演算増幅器、 １４ ＭＯＳＦＥＴ、 １６ 電圧比較器、 １８ 負荷回路、 ２０ レギュレータ、 ３０ チャージポンプ回路、 ３２ 制御回路、 １００ 電源装置、 Ｃ１ 入力コンデンサ、 Ｃ２ 出力コンデンサ、 ＤＩＳ 昇圧停止信号、 Ｖｂａｔ 電池電圧、 Ｖｉｎ 入力電圧、 Ｖｏｕｔ 出力電圧、 Ｖｔｈ 閾値電圧、 Ｖｒｅｆ 基準電圧、 ＳＷ１ 第１スイッチ、 ＳＷ２ 第２スイッチ、 ＳＷ３ 第３スイッチ、 ＳＷ４ バイパススイッチ、 Ｒ１ 帰還抵抗、 Ｒ２ 帰還抵抗。

Claims (10)

1. 設定された昇圧率で入力電圧を昇圧する、昇圧回路と、
   前記昇圧回路の出力電圧が設定電圧と等しくなるように、帰還により前記昇圧回路の入力電圧を調節するレギュレータと、
   前記出力電圧と前記設定電圧より高い所定の閾値電圧とを比較し、前記出力電圧が前記閾値電圧よりも高いときに昇圧停止信号を出力する電圧比較器と、
   前記昇圧停止信号を受けて、前記昇圧回路の入力電圧を強制的に降下させる第１の補助回路と、
   を備えることを特徴とする電源装置。
2. 前記第１の補助回路は、前記昇圧回路の入力端子と接地間に設けられ、前記昇圧停止信号によりオンする第１のスイッチ素子を含むことを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
3. 前記昇圧停止信号を受けて、前記昇圧回路の昇圧動作を停止させる手段をさらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載の電源装置。
4. 前記昇圧停止信号を受けて、前記昇圧回路の出力電圧を強制的に降下させる第２の補助回路をさらに備えることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の電源装置。
5. 前記昇圧停止信号を受けて、前記レギュレータから前記昇圧回路への電流供給を制限する電流制限回路をさらに備えることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の電源装置。
6. 前記第２の補助回路は、前記昇圧回路の出力端子と接地間に設けられ、前記昇圧停止信号によりオンする第２のスイッチ素子を含むことを特徴とする請求項４に記載の電源装置。
7. 設定された昇圧率で入力電圧を昇圧する昇圧回路と、
   前記昇圧回路の出力電圧が設定電圧と等しくなるように、帰還により前記昇圧回路の入力電圧を調節するレギュレータと、
   前記出力電圧と前記設定電圧より高い所定の閾値電圧とを比較し、前記出力電圧が前記閾値電圧よりも高いときに昇圧停止信号を出力する電圧比較器と、
   前記昇圧停止信号を受けて、前記レギュレータから前記昇圧回路への電流供給を制限する電流制限回路と、
   を備えることを特徴とする電源装置。
8. 前記レギュレータは、
   前記昇圧回路の出力電圧と、前記設定電圧の誤差を増幅する誤差増幅器と、
   前記誤差増幅器の出力によりオンの程度が制御されるトランジスタと、を含み、
   前記電流制限回路は、前記トランジスタの制御端子と固定電圧間に設けられたスイッチ素子を含むことを特徴とする請求項５または７に記載の電源装置。
9. 設定された昇圧率で入力電圧を昇圧する昇圧回路と、
   前記昇圧回路の出力電圧が設定電圧と等しくなるように、帰還により前記昇圧回路の入力電圧を調節するレギュレータと、
   前記レギュレータによる入力電圧の調節よりも速い応答速度で前記入力電圧を調整する補助回路と、
   を備えることを特徴とする電源装置。
10. 発光素子と、
    前記発光素子に駆動電圧を供給する請求項１から９のいずれかに記載の電源装置と、
    を備えることを特徴とする電子機器。

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