JP2005174264A - 電源切換回路 - Google Patents

Abstract

【課題】製造ばらつきや外的環境の変動による影響を受けることなく切り替え動作が可能であり、電源切り替え時の出力電圧変動が少なく、動作がより確実な電源切替回路を実現。
【解決手段】第１、第２の入力端子１，２と一つの出力端子５とを持ち、第１の入力端子１と出力端子５の間に介在する定電圧回路１０の構成がシリーズレギュレータであって、第２の入力端子２と出力端子５の間に導通状態を制御可能なスイッチ手段６を持ち、第２の入力端子２の電源が選択されている時には、シリーズレギュレータの設定電圧を出力端子５の電圧より低い低設定電圧で動作させ、第１の入力端子１の電源が選択されている時には、低設定電圧より高い任意の設定電圧に復帰すると共に、スイッチ手段８が遮断される時のみ遅延１１が働くように構成される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体集積回路で構成された電源切換回路に関し、特にシステムの動作状況に応じて電源回路を切り換えて、電力利用効率を上げる必要のある各種携帯電子機器における電源切換回路に関するものである。

従来における電源切換回路の提案としては、例えば特許第２９７３０６３号公報に記載のスイッチ回路がある。
図７は、上記提案のスイッチ回路の構成図である。
入力端子１は入力電圧の電圧検出手段として電圧検出器７によってその電圧をモニタされている。入力端子１と出力端子５の間には、電圧制御回路１７の出力によって制御されるスイッチングトランジスタ９が設けられ、入力端子２と出力端子５の間には、スイッチングトランジスタ６が設けられている。電圧制御回路１７は、出力電圧を一定に制御する機能と共に、トランジスタ６あるいはトランジスタ９のいずれか一つを導通するための選択手段としても機能している。すなわち、電圧検出器７の出力が高電圧レベルの時にはトランジスタ６をオフして、電圧制御回路１７をボルテージレギュレータとして動作させ、一方、電圧検出器７の出力が低電圧レベルの時にはトランジスタ９をオフして、トランジスタ６をオンさせている。また、図７では、電圧検出器７は入力端子１の電圧をモニタしているが、場合によっては入力端子２の電圧をモニタしてもよい。

また、例えば、特開２００３−９５１５号公報に記載の電源システムもある。
図８は、上記電源システムの構成を示す図である。
低ドロップアウトレギュレータ１０およびＤＣ／ＤＣコンバータ３２が出力端子に並列に接続されている。低負荷時には、回路消費電流の少ない低ドロップアウトレギュレータ１０としてシリーズレギュレータを使用し、高負荷時には、変換効率の高いＤＣ／ＤＣコンバータ３２などのスイッチングレギュレータに切り換えて動作させる。これにより、電力利用効率を高めるとともに、シリーズレギュレータとスイッチングレギュレータとを所定期間同時に動作させることにより、切り換え時の電圧変動を減少させて、安定に切り換えを行えるようにしている。

特許第２９７３０６３号公報 特開２００３−９５１５号公報

バッテリーで駆動するビデオカメラなどの携帯電子機器では、バッテリーから降圧してＣＰＵに電圧を与える際に、電力利用効率を高めるため、ＣＰＵの消費電力が大きい状態ではスイッチングレギュレータを利用し、消費電力が小さいスタンバイ状態ではシリーズレギュレータを利用するという方法がしばしば用いられる。上記のようなシステムを構成する場合、前述の特許第２９７３０６３号公報に記載のスイッチ回路や、特開２００３−９５１５号公報に記載の電源システムが考えられる。

すなわち、前者においては、入力端子１にバッテリーからの電圧を入力し、入力端子２にスイッチングレギュレータからの電圧を入力し、検出電圧７を入力端子２の電圧をモニタするように構成すれば、スイッチングレギュレータが動作している状態では、入力端子２から出力端子５へ電力が供給され、バッテリーから出力端子５への定電圧出力はトランジスタ９がオフに制御されることで遮断される。一方、スイッチングレギュレータが非動作の状態に入り、入力端子２の電圧が降下すると、その状態を電圧検出器７が検出して高電圧レベルを出力する。トランジスタ６はオフし、トランジスタ９のゲートが電圧制御回路１７によって制御されるようになり、バッテリーから定電圧を出力するシリーズレギュレータとして機能する。

しかしながら、特許第２９７３０６３号公報に記載のスイッチ回路では、電圧検出器７の出力が低電圧レベルの場合には、電圧制御回路１７とトランジスタ９で構成されるシリーズレギュレータは機能しておらず、誤差増幅器３が出力する値は入力端子２からトランジスタ６を介して出力端子５に出力される電圧の分圧成分を基準電圧と比較して得られたものであるため、前記シリーズレギュレータに負荷をかけた時の出力とは一致しないと考えるのが妥当である。このような状態から、電圧検出器７が反転すると、その瞬間から前記シリーズレギュレータが機能し始めるが、誤差増幅器３から負荷状態に応じた出力が得られるまでには少なからず遅延が生じるため、出力端子５に出力される電圧には瞬間的にオーバーシュートやアンダーシュートが発生する。

この問題について、特開２００３−９５１５号公報に記載の電源システムでは、シリーズレギュレータとスイッチングレギュレータの同時動作期間を設けることにより、切り替え時の電圧変動を減らすことを提案している。しかし、前述の理由によれば、厳密には、両レギュレータの出力電圧が真に一致していないと、この提案は有効に機能しない可能性がある。すなわち、両出力電圧が一致していない場合、どちらか一方の低い電圧を出力している定電圧回路には十分な負荷がかかっておらず、その結果、同時動作期間終了後に突然に負荷がかかることになるため、結局、アンダーシュートの発生を回避することができない。この場合、システムの負荷としては、主としてＣＰＵなどが想定されているのであるから、アンダーシュートの発生は重大な問題となる。

このような問題に対して、本発明者は先に電源切替回路を提案した。
図９および図１０は、それぞれ上記本発明者が提案した電源切替回路の構成図である。
また、図１１は、図１０に示す回路を用いた電源切替え動作時の特性図である。
図１１では、バッテリーからの直接の電圧を入力端子１へ、バッテリーからＤＣ／ＤＣコンバータで降圧した電圧を入力端子２へ、それぞれ入力した場合の電源切り替え動作を説明するための波形図が示されている。入力端子２への電力供給がある状態、つまりＤＣ／ＤＣコンバータなどのスイッチングレギュレータが動作している状態では、入力端子１を経由した第１シリーズレギュレータ１０の出力電圧を意図的に下げることにより、その出力を遮断し、入力端子２への電力供給がない状態では第１シリーズレギュレータ１０の出力電圧を元の設定値に復帰させることにより、出力端子５に安定した定電圧出力もしくは入力端子２からの電力を供給可能としている。

また、その切り替え時の検出電圧を第１シリーズレギュレータ１０の低設定電圧より若干下げた値とすることで、切り替え時に両入力端子の電源で電力を供給する状態を設け、シリーズレギュレータにかかる負荷変動を滑らかにし、出力電圧にオーバーシュートやアンダーシュートが生じることを回避していた。
この方法は、厳密には、図１１のＢで示す部分で電流が第１シリーズレギュレータ１０から入力端子２へ逆流し、特に入力端子２の電源が立ち下がる過程では、入力端子２に接続されている外部負荷により電流を引き込むことで、第１シリーズレギュレータ１０に緩やかに負荷をかけ、電圧検出器を動作させて切り替え動作を実現していた。
しかしながら、この方法では、例えば入力端子２に外部負荷がない場合には適用できないという問題があり、あるいは、検出電圧と低設定電圧の差と逆流時のスイッチ手段６での電圧降下のばらつきにより、切替動作に必要な逆流電流が増減するという問題があり、また、最悪の場合には、切り替え動作そのものが完了しないで、電流が逆流し続けるという危険性を含んでいた。

（目的）
本発明の目的は、上記のような課題を克服するために、製造ばらつきや外的環境の変動による影響を受けることなく切り替え動作が可能であり、電源切り替え時の出力電圧変動が少なく、動作がより確実な電源切替回路を提供することにある。

本発明の電源切替回路は、複数の入力端子と一つの出力端子とを持ち、いずれの電源から電力を供給するかを制御するように構成された電源切替回路であって、少なくとも一つの定電圧回路と導通手段を備え、切り替え動作時に該定電圧回路の出力電圧と、該導通手段の導通状態を時間的に変化させることを特徴としている。
また、第１、第２の入力端子と一つの出力端子とを持ち、第１の入力端子と出力端子の間に介在する定電圧回路の構成がシリーズレギュレータであって、第２の入力端子と出力端子の間に導通状態を制御可能なスイッチ手段を持ち、第２の入力端子の電源が選択されている時には該シリーズレギュレータの設定電圧を出力端子の電圧より低い低設定電圧で動作させ、第１の入力端子の電源が選択されている時には低設定電圧より高い任意の設定電圧に復帰すると共に、スイッチ手段が遮断される時のみ遅延が働くように構成されることを特徴としている。

また、上記のシリーズレギュレータが低設定電圧に移行する場合には、緩やかに、復帰する場合は速やかに移行するように構成されることも特徴としている。
また、上記シリーズレギュレータが低設定電圧に移行する場合には、段階的に、復帰する場合には直接に移行するように構成されることも特徴としている。
また、上記電源切替回路において、第２の入力端子と出力端子の間のスイッチ手段に、ＭＯＳトランジスタを用いたことも特徴としている。
また、上記電源切替回路において、第２の入力端子と出力端子の間のスイッチ手段として、第２のシリーズレギュレータが挿入されることも特徴としている。
また、上記電源切替回路において、切り替え動作の制御を入力端子の電圧状態により行うことも特徴としている。
さらに、上記電源切替回路において、切り替え動作の制御を外部入力信号によって行うことも特徴としている。

本発明によれば、下記のような効果を奏する。
（１）少なくとも一つの定電圧回路を常時動作させ、電源切り替え時に両入力端子の電源で電力を供給する状態を作ると共に、定電圧回路の出力電圧とスイッチ手段の導通状態を時間的に制御するようにしたため、製造ばらつきや入力端子の状態によらず動作がより確実となる。
（２）定電圧回路としてのシリーズレギュレータの出力電圧を通常の設定電圧と低設定電圧で出力可能としたため、負荷に対してより最適な出力電圧を選択可能としながら、過渡的なアンダーシュートに対してもそのレベルを低設定電圧で制限することが可能となる。
（３）シリーズレギュレータの低設定電圧への移行を緩やかにしたため、電源が切り替わる際の出力電圧を安定に保つことが可能になった。
（４）シリーズレギュレータの低設定電圧への移行を段階的にしたため、電源が切り替わる際の出力変動を軽減することが可能になった。
（５）電源切替回路の構成要素の全てを、既存のＣＭＯＳプロセスを用いて省スペースに集積することが可能になった。
（６）第２のシリーズレギュレータを追加したため、第２の入力端子からの電源で電力を供給する時にもより安定した定電圧出力を実現することが可能になった。
（７）電源切り替えの動作を、入力端子の電圧レベルを検出して行うこととしたため、制御信号入力端子や、制御信号の入力が不要となった。
（８）電源切り替えの動作を制御信号により行うことにしたため、電圧検出器が不要となり、回路構成を簡単にすることが可能になった。

（第１の実施例）
図１は、本発明の第１の実施例を示す電源切替回路の構成図である。
入力端子１、出力端子５は、定電圧回路１０の入力端子、出力端子を構成する一方、出力端子５と入力端子２の間には導通状態を制御可能なスイッチ手段６が接続されている。
定電圧回路１０は、誤差増幅器３、基準電圧４、出力ドライバーとなるＰｃｈトランジスタ９、出力端子およびグランド間に直列接続された抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３、Ｎｃｈトランジスタ８からなるシリーズレギュレータとして機能する。誤差増幅器３において出力端子５の電圧の分圧成分と基準電圧とを比較し、ドライバーとなるＰｃｈトランジスタ９のゲートを制御して出力端子５に定電圧を出力している。ここで、定電圧回路１０には、抵抗Ｒ２、Ｒ３の接続点とグランド間にＮｃｈトランジスタ８が存在し、このトランジスタ８がオフすることにより、定電圧回路１０の出力を抵抗比の変化に応じて通常の設定電圧から低設定電圧に下げることが可能となる。

また、一方、入力端子２の電圧レベルを検出する電圧検出器７、遅延回路１１、ＮＯＲ回路１２およびインバータ回路１３を備え、電圧検出器７の出力信号と遅延回路１１、ＮＯＲ回路１２およびインバータ回路１３によりスイッチ手段６の導通状態および定電圧回路１０の出力電圧を制御している。ここで、電圧検出器７の検出レベルは、図９や図１０の電源切替回路とは異なり、定電圧回路１０の通常の設定電圧よりさらに幾分高い電圧に設定され、スイッチ手段６は遮断される時のみ遅延が働くように構成されている。

以上のような電源切替回路を用い、例えばバッテリーからの直接の電圧を入力端子１へ、スイッチングレギュレータからの電圧を入力端子２へ、それぞれ入力した場合、スイッチングレギュレータの電圧が降下し始めた後に、時間的な間隔を置いてスイッチ手段６が遮断されるので、この間に定電圧回路１０へ負荷が緩やかにかかり、しかる後にスイッチ手段６が遮断されることになる。本実施例の回路では、このように切り替え動作時に、定電圧回路１０から入力端子２への電流引き込みを必ずしも必要としないため、図９や図１０の電源切替回路で懸念されていた課題を克服することが可能である。一方、スイッチングレギュレータの立ち上りの際には、電圧検出器７の検出レベルを上げたことにより出力端子の負荷が瞬間的に入力端子２にかかるため、スイッチングレギュレータの出力が降下することが考えられるが、出力端子５での電圧の落ち込みは、その直前まで負荷がかかっていた定電圧回路１０の低設定電圧で制限されるため、致命的なアンダーシュートの発生を回避することができる。

（第２の実施例）
図２は、本発明の第２の実施例を示す電源切替回路の構成図である。
図２では、図１の構成要素はそのまま残し、インバータ回路１３とＮｃｈトランジスタ８の間に抵抗Ｒ４とダイオードＤ１の並列回路を接続し、さらにＮｃｈトランジスタ８および抵抗Ｒ４の接続点とグランドとの間に容量Ｃ１を接続した。これらの新たに追加された回路により、定電圧回路１０は通常の設定電圧から低設定電圧へ移行する場合には緩やかに、復帰する場合には速やかに移行するようになる。すなわち、低設定電圧へ移行する場合には、抵抗Ｒ４とダイオードＤ１の並列回路が遅延回路となるため、トランジスタ８のゲート電圧を徐々に降下させることにより、トランジスタ８は緩やかにオンからオフに切り替わる。また、通常の設定電圧へ復帰する場合には、容量Ｃ１にダイオードＤ１を通して電荷を急速に充電させることにより、トランジスタ８のゲート電圧を急激に上昇させて、瞬間的にオフからオンに切り替える。
このことにより、例えば電源が入力端子１から入力端子２へ切り替わる際には、入力端子２への負荷接続を緩やかにして、出力端子５の電圧変動をさらに安定させることが可能となる。勿論、定電圧回路１０の出力を同様に制御可能な手段であれば、その構成は如何なるものであっても良い。

（第３の実施例）
図３は、本発明の第３の実施例を示す電源切替回路の構成図である。
図３では、図１の構成要素はそのまま残し、抵抗Ｒ３を分割してその中点とグランドとの間に、Ｎｃｈトランジスタ８２を追加する。それとともに、インバータ１４をトランジスタ８２のゲートに接続する。トランジスタ８２のゲートは、遅延回路１１の出力をインバータ回路１４で反転して制御している。これら新たに接続した回路８２，１４により、定電圧回路１０は通常の設定電圧から低設定電圧へ移行する場合は段階的に、復帰する場合は直接に移行するようになる。すなわち、低設定電圧へ移行する場合には、遅延回路１１をバイパスしたインバータ回路１３を介してトランジスタ８１のゲートに低電圧を印加し、トランジスタ８１を急激にオンからオフにした後、遅延回路１１を経由したインバータ回路１４を介してトランジスタ８２のゲートに低電圧を印加することで、トランジスタ８２のゲートを徐々にオンからオフにして、低設定電圧に段階的に移行させる。一方、低設定電圧から復帰する場合には、遅延回路１１をバイパスしたインバータ回路１３を介してトランジスタ８１のゲートに高電圧を印加し、トランジスタ８１を急激にオフからオンにするとともに、遅延回路１１を経由したインバータ回路１４を介してトランジスタ８２のゲートに高電圧を印加することにより、トランジスタ８２もオフからオンにする。
これらの新たに追加した回路により、定電圧回路１０は通常の設定電圧から低設定電圧へ移行する場合は段階的に、また、復帰する場合には直接に移行するようになる。
その結果、例えば、電源が入力端子１から入力端子２へ切り替わる際には、入力端子２への負荷接続を段階的にして出力端子５の電圧変動を軽減させることが可能となる。

（第４の実施例）
図４は、本発明の第４の実施例を示す電源切替回路の構成図である。
また、図５は、図４の電源切替回路を用いて、例えばバッテリーからの直接の電圧を入力端子１へ、スイッチングレギュレータとしてＤＣ／ＤＣコンバータからの電圧を入力端子２へ、それぞれ入力した場合の切り替え動作を説明する波形図である。
本実施例では、第２実施例でスイッチング手段６であったものを、定電圧回路２０として第２のシリーズレギュレータで置き換えている。
入力端子２への電力供給がある状態、つまりＤＣ／ＤＣコンバータなどのスイッチングレギュレータが動作している状態では、入力端子１を経由した第１シリーズレギュレータ１０の出力電圧を意図的に下げることでその出力を遮断し、入力端子２へ電力供給がない状態では、第１シリーズレギュレータ１０の出力電圧を元の設定値に復帰させることで、出力端子５に安定した定電圧出力もしくは入力端子２からの電力を供給可能にする。

第４の実施例では、第２の実施例と同じように、インバータ１３とＮｃｈトランジスタ８の間に、抵抗Ｒ４とダイオードＤ１の並列回路を設けるとともに、トランジスタ８と抵抗Ｒ４の接続点とグランドとの間に容量Ｃ１を設けている。これにより、第１シリーズレギュレータ１０を低設定電圧に移行するときには、トランジスタ８を緩やかにオンからオフにして、緩やかに低設定電圧に移行させ、復帰するときには、トランジスタ８を急激にオフからオンにして、瞬時に元の設定電圧に移行させる。
また、Ｐｃｈトランジスタ６の前段に誤差増幅器２３、基準電圧２４、分圧抵抗Ｒ２１，Ｒ２２からなる第２シリーズレギュレータ２０を設けることにより、電圧変動を抑制する制御電圧をトランジスタ６のゲートに印加することができるので、出力端子５に安定した電圧を出力することができる。
このような構成により、第２の実施例の作用効果はそのままに、例えば入力端子２からスイッチングレギュレータの出力で定電圧を出力する場合であっても、より安定した電圧を出力することができる。

図５では、Ａが第１シリーズレギュレータへ負荷がかかり始める期間、つまり入力端子２の端子電圧が降下し始める期間であり、Ｂは遅延回路１１による遅延時間、つまりＤＣ／ＤＣコンバータ出力が降下し始めて、電圧検出器７がそれを検出して、インバータ１３を介して第１シリーズレギュレータ１０に伝達することで、第１シリーズレギュレータ１０の出力が低レベルから高レベルに切り替わってから、入力端子２の端子電圧が下降し始める時刻までの期間である。また、Ｃは第１シリーズレギュレータ１０が通常の出力電圧から低設定電圧に移行する期間、つまりＤＣ／ＤＣコンバータ出力が上昇し始めて、電圧検出器７がそれを検出し、インバータ１３を介して第１シリーズレギュレータ１０のＮｃｈトランジスタ８に伝達することにより、低設定電圧に移行する期間である。

（第５の実施例）
図６は、本発明の第５の実施例を示す電源切替回路の構成図である。
図６では、第１〜第４の実施例で接続されていた電圧検出器７の代わりに制御信号入力端子１５を設けて、電源切り替え動作を制御信号により行う場合を示している。
入力端子２へ電力を供給するスイッチングレギュレータなどに動作状態をコントロールする制御端子が備えられている場合には、本実施例の回路を用いることで、第１〜第４の実施例の作用効果をそのままに残した上で、回路構成を簡単にすることができる。すなわち、電圧検出器７が不要となったので、回路構成は簡単となり、操作も単純になる。

本発明の第１の実施例（請求項１，２，５，７に対応）を示す電源切替回路の構成図である。 本発明の第２の実施例（請求項３に対応）を示す電源切替回路の構成図である。 本発明の第３の実施例（請求項４に対応）を示す電源切替回路の構成図である。 本発明の第４の実施例（請求項６に対応）を示す電源切替回路の構成図である。 図４における切り替え動作を説明するための波形図である。 本発明の第５の実施例（請求項８に対応）を示す電源切替回路の構成図である。 第１の従来例の電源切替回路の構成図である。 第２の従来例の電源切替回路の構成図である。 本発明者の提案した従来の電源切替回路（その１）の構成図である。 本発明者の提案した従来の電源切替回路（その２）の構成図である。 図１０における電源切替回路の動作を説明するための波形図である。

符号の説明

１…入力端子、２…入力端子、３…誤差増幅器、４…基準電圧、５…出力端子、
６…スイッチ手段（Ｐｃｈトランジスタ）、７…電圧検出器、８…Ｎｃｈトランジスタ、
９…スイッチ手段（Ｐｃｈトランジスタ）、１０…定電圧回路、１１…遅延回路、
１２…ＮＯＲ回路、１３…インバータ回路、１４…第２のインバータ回路、
１５…制御信号入力端子、２０…第２の定電圧回路、２３…第２の誤差増幅器、
２４…基準電圧、８２…Ｎｃｈトランジスタ、
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３…抵抗、Ｒ２１，Ｒ２２…抵抗、Ｒ３２…抵抗、Ｃ１…容量、
Ｄ１…ダイオード。

Claims (8)

1. 複数の入力端子と一つの出力端子を有し、該複数の入力端子のいずれの電源から電力を供給するかを制御するように構成された電源切替回路であって、
   該複数の入力端子の一つに接続された少なくとも一つの定電圧回路と、
   該複数の入力端子の他の一つに接続された少なくとも一つの導通手段を設け、
   該複数の入力端子に接続された電源の切り替え動作時に、該定電圧回路の出力電圧を変化させるとともに、該導通手段の導通状態も時間的に変化させることを特徴とする電源切替回路。
2. 第１および第２の入力端子と、一つの出力端子と、該第１の入力端子と該出力端子の間に介在し、シリーズレギュレータを構成する定電圧回路と、該第２の入力端子と該出力端子の間に導通状態を制御可能なスイッチ手段とを設け、
   該第２の入力端子の電源が選択されている時には、該シリーズレギュレータの設定電圧を該出力端子の電圧より低い低設定電圧で動作させ、該第１の入力端子の電源が選択されている時には、低設定電圧より高い任意の設定電圧に復帰すると共に、該スイッチ手段が遮断される時にのみ遅延が働くように構成されることを特徴とする電源切替回路。
3. 請求項２に記載の電源切替回路において、
   前記シリーズレギュレータが低設定電圧に移行する場合には緩やかに移行し、該低設定電圧から元の電圧に復帰する場合には速やかに移行するように構成されたことを特徴とする電源切替回路。
4. 請求項２に記載の電源切替回路において、
   前記シリーズレギュレータが低設定電圧に移行する場合には段階的に移行し、該低設定電圧から元の電圧に復帰する場合には直接に移行するように構成されたことを特徴とする電源切替回路。
5. 請求項２に記載の電源切替回路において、
   前記第２の入力端子と出力端子の間のスイッチ手段に、ＭＯＳトランジスタを用いたことを特徴とする電源切替回路。
6. 請求項２または５に記載の電源切替回路において、
   前記第２の入力端子と出力端子の間のスイッチ手段として、第２のシリーズレギュレータを配置したことを特徴とする電源切替回路。
7. 請求項２〜６のいずれかに記載の電源切替回路において、
   前記切り替え動作の制御を、前記入力端子の電圧状態によって行うことを特徴とする電源切替回路。
8. 請求項２〜６のいずれかに記載の電源切替回路において、
   前記切り替え動作の制御を、外部入力信号によって行うことを特徴とする電源切替回路。

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