JP2005204437A - 制御回路装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 DC/DCコンバータを使用した制御回路装置の消費電力を低減する。
【解決手段】 マイクロコンピュータ１は、制御IC２に対して、負荷６，９を動作させるようにコマンドを出力する。制御IC２は、DC/DCコンバータ４，７をオンにして、負荷６，９を動作させるようにする。DC/DCコンバータ４は、電源３から供給される電力の電圧を８．４Vから１．５Vに変換し、定電流回路５に供給する。定電流回路５は、負荷６、および、DC/DCコンバータ７を介した負荷９が消費する負荷電流の電流値を求め、DC/DCコンバータ４の変換効率の最も高い電流値と比較し、負荷電流が小さい場合、余剰分を充電池８に供給し、負荷電流が大きい場合、不足分を充電池８より供給を受ける。
【選択図】 図１

Description

本発明は、制御回路装置に関し、特に、薄膜チョークコイルを用いた電圧変換器の変換効率を高めることで、消費電力を低減できるようにした制御回路装置に関する。
デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラなどに代表される電子制御機器の低消費電力化が進んできている。
この電子機器の低消費電力化については、例えば、二次側アクティブクランプ回路の駆動を制御して定電圧化を図るための回路系を、アナログのPWM（Pulse Width Modulation）制御回路によって直接駆動するように構成することにより、電圧制御回路系の入力電力を低減させ、電力変換効率を向上させると共に、低消費電力化を図ることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−０２７７４４号公報
しかしながら、以上においては、回路規模が大きくなってしまうため、小型軽量化を図ることが困難になってしまうと言う課題があった。
一般に、電子制御機器は、電源からの出力電圧を所定の電圧に変換して、負荷側に供給し、その負荷により各種の処理が実行される。ところが、デジタルビデオカメラ、HDD（Hard Disc Drive）、または、DVD（Digital Versatile Disc）駆動装置などは、出力負荷電流の変動が激しく、負荷側で消費される電力は一定ではない。このため、設計の段階で、電圧変換回路は、最大負荷が想定されたものとなるため、最大負荷の場合、最も電圧変換効率が高いものとなるが、負荷が最大ではないような場合、変換効率は低下してしまうことになる。最大負荷が掛かるような運転は一般に少なく、結果として、低消費電力化を図ることができないと言う課題があった。
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、特に、制御回路装置において、電圧変換器と負荷側の間に、定電流回路を設けることにより、電圧の変換効率を高めることで、制御回路装置の低消費電力化を図るようにするものである。
本発明の制御回路装置は、後段の負荷に供給する電力の電圧を、第１の電圧から第２の電圧に変換する薄膜チョークコイルを用いた第１の電圧変換器と、負荷での消費電力によらず、第２の電圧で電圧変換器より供給される電力の電流値を所定の電流値に維持する定電流回路とを備えることを特徴とする。
前記負荷による消費電力の電流値を計算する計算回路と、第１の電圧変換器から供給される電力の一部を充電、または、負荷に対して電力を供給する充電池とをさらに設けるようにさせることができ、定電流回路には、計算部による消費電力の電流値が、所定の電流値よりも小さい場合、所定の電流値と消費電力の電流値との差分となる電力を充電池に充電させ、計算部による消費電力の電流値が、所定の電流値よりも大きい場合、所定の電流値と消費電力の電流値との差分となる電力を充電池より供給させるようにすることができる。
前記負荷は、定電流回路より供給される電力の電圧を、第２の電圧から第３の電圧に変換する第２の電圧変換器とするようにすることができる。
本発明によれば、電圧変換効率を効率の高い状態で使用することができ、結果として、消費電力を低減させることが可能となる。
以下に本発明の実施の形態を説明するが、本明細書に記載の発明と、発明の実施の形態との対応関係を例示すると、次のようになる。この記載は、本明細書に記載されている発明をサポートする実施の形態が本明細書に記載されていることを確認するためのものである。従って、発明の実施の形態中には記載されているが、発明に対応するものとして、ここには記載されていない実施の形態があったとしても、そのことは、その実施の形態が、その発明に対応するものではないことを意味するものではない。逆に、実施の形態が発明に対応するものとしてここに記載されていたとしても、そのことは、その実施の形態が、その発明以外の発明には対応しないものであることを意味するものでもない。
さらに、この記載は、本明細書に記載されている発明の全てを意味するものではない。換言すれば、この記載は、本明細書に記載されている発明であって、この出願では請求されていない発明の存在、すなわち、将来、分割出願されたり、補正により出現、追加される発明の存在を否定するものではない。
即ち、本発明の制御回路装置は、後段の負荷に供給する電力の電圧を、第１の電圧から第２の電圧に変換する薄膜チョークコイルを用いた第１の電圧変換器（例えば、図１のDC/DCコンバータ４）と、負荷での消費電力によらず、第２の電圧で電圧変換器より供給される電力の電流値を所定の電流値に維持する定電流回路（例えば、図１の定電流回路５）とを備えることを特徴とする。
前記負荷による消費電力の電流値を計算する計算回路（例えば、図１の消費電流監視部３２）と、第１の電圧変換器から供給される電力の一部を充電、または、負荷に対して電力を供給する充電池とをさらに設けるようにさせることができ、定電流回路には、計算部による消費電力の電流値が、所定の電流値よりも小さい場合、所定の電流値と消費電力の電流値との差分となる電力を充電池に充電させ、計算部による消費電力の電流値が、所定の電流値よりも大きい場合、所定の電流値と消費電力の電流値との差分となる電力を充電池より供給させるようにすることができる。
前記負荷は、定電流回路より供給される電力の電圧を、第２の電圧から第３の電圧に変換する第２の電圧変換器（例えば、図１のDC/DCコンバータ７）とするようにすることができる。
以下、本発明の一実施の形態である制御回路装置について、図面を参照して説明する。
図１の制御回路装置は、各種の電子制御機器に組み込まれるものであり、電子制御機器における各種の駆動装置の動作を電気的に制御するものである。制御回路装置のマイクロコンピュータ１は、CPU（Central Processing Unit）、RAM（Random Access Memory）、および、ROM（Read Only Memory）から構成されるものであり、CPUがROMに組み込まれたプログラムを読み出すと共に、必要に応じてRAMに展開して、実行する。また、マイクロコンピュータ１は、制御回路装置全体を制御しており、制御IC２に対して、所定のコマンドを送ることにより、後述する負荷６，９を動作させるように指令する。
制御IC２は、マイクロコンピュータ１より供給されるコマンドに基づいて、DC/DC（Direct Current to Direct Current）コンバータ４または７のオン、または、オフを制御して後段の負荷６，９を実際に動作させる。
DC/DCコンバータ４は、制御IC２により制御され、電源３より供給される電力の電圧を８．４Vから１．５Vに変換して、定電流回路５に供給する。定電流回路５は、DC/DCコンバータ４の電圧の変換効率の最も高い状態で電力供給を受けるように、負荷６、および、DC/DCコンバータ７を介して負荷９で消費される電力を監視し（電流値を監視し）、余剰が出るような場合、余剰分を充電池８に供給して充電させると共に、不足するような場合、充電池８の電力を負荷６、および、DC/DCコンバータ７に供給する。
負荷６は、定電流回路５を介してDC/DCコンバータ４より供給される１．５Vの電力供給を受けて、駆動するものであり、例えば、モータなどである。DC/DCコンバータ７は、定電流回路５を介してDC/DCコンバータ４より供給される１．５Vの電力を１．２Vに変換して、１．２Vの電力に基づいて動作する負荷９に供給する。
次に、図１の制御回路装置の動作について説明する。マイクロコンピュータ１は、制御IC２に対して、負荷６，９に対して動作をさせるように指令を送る。制御IC２は、DC/DCコンバータ４，７に負荷６，９に対して電力を供給するように電圧を印加させる状態にする（オンの状態にする）。
DC/DCコンバータ４は、電源３より供給される８．４Vの電力を１．５Vの電源電圧にして、定電流回路５に供給する。定電流回路５は、１．５Vの電力を負荷６に供給し、所定の動作を実行させると共に、DC/DCコンバータ７に１．５Vの電力を供給する。DC/DCコンバータ７は、定電流回路５より供給された１．５Vの電力を１．２Vの電力に変換し、さらに、負荷９に供給して、動作を実行させる。
尚、定電流回路５は、負荷６、および、DC/DCコンバータ７に対して電力を供給する際、負荷６、および、DC/DCコンバータ７を介して電力が供給される負荷９による消費電力の状態を監視し、DC/DCコンバータ４の変換効率の最も高い電流値を維持するように制御する。より詳細には、定電流回路５は、DC/DCコンバータ４より供給される電力に余剰分がある場合、充電池８に供給して充電させ、不足分がある場合、充電池８より電力の供給を受けるようにする。
次に、図２を参照して、制御IC２とDC/DCコンバータ４の詳細な構成について説明する。
制御IC２のコンパレータ１１は、Aで示される端子より供給されるDC/DCコンバータ４からのフィードバック信号をPWM（Pulse Width Modulation）コンパレータ１３に供給する。SCP（短絡保護機能）コンパレータ１２は、電源１６より供給される電圧を用いて、制御IC２の短絡保護用の信号をメインコントローラ１７に供給する。
PWMコンパレータ１３は、コンパレータ１１より供給されるフィードバック信号をPWM変調して、デューティ比を変化させてアンド回路１４に供給する。アンド回路１４は、メインコントローラ１７からオンの信号が供給されると、フィードバック信号を駆動パルスとしてアンプ１５を介してDC/DCコンバータ４に供給し、DC/DCコンバータ４を制御させると共に、フィードバック信号を供給する。
DC/DCコンバータ４のFET（Field Effect Transistor）２１は、ゲート端子２１ａに制御IC２より供給される駆動パルスに基づいて、電源３よりドレイン端子２１ｂに供給される８．４Ｖの直流電力を、ソース端子２１ｃより薄膜チョークコイル２３に供給する。ダイオード２２、薄膜チョークコイル２３、および、コンデンサ２４は、FET２１より供給された電力の電圧を、８．４Vから１．５Vに変換すると共に、整流して定電流回路５に供給する。このとき、端子Aは、制御IC２にフィードバック信号を供給する。
尚、DC/DCコンバータ４の電圧の変換比と変換効率は、この薄膜チョークコイル２３の特性によって決定されるものであり、通常、コイルの巻き数を変化させることで特性を変化させることは可能であるが、薄膜チョークコイルは、薄膜プロセスで製造されるものであるため、巻き数を調整することができず、結果として、その特性を変化させることは非常に困難である。
図３は、DC/DCコンバータ４の変換効率を示したものである。DC/DCコンバータ４の変換効率は、負荷６，９により消費される電流が50mAであるとき、約63%となり、100mAであるとき、約79%となり、200mAであるとき、約93%であり、300mAであるとき94%となり、400mAのとき、約92%であり、500mAのとき、約88%である。
すなわち、負荷６，９の消費電力の電流である負荷電流が、200mA乃至400mAのとき、90%を超える高い効率となり、さらに、300mAのとき、最高効率であるが、負荷電流が、200mA乃至400mA以外の場合、極端に効率が下がることが示されている。
次に、図４を参照して定電流回路５の詳細な構成について説明する。
消費電流監視部３２は、負荷６に供給される電力の電流値と、DC/DCコンバータ７を介して負荷９で消費される電流値の合計値を監視し、上述したDC/DCコンバータ４の変換効率が最も高い300mAよりも小さい場合、余剰分の電流となる電力を充電池８に供給して充電させると共に、300mAよりも大きい場合、充電池８より電力供給を受けるように分配部３１を制御する。
分配部３１は、消費電流監視部３２からの指示に基づいて、負荷６、DC/DCコンバータ７を介した負荷９、および、充電池８に対して供給電力を分配して供給すると共に、必要に応じて充電池８からの電力供給を受ける。
次に、定電流回路５による定電流制御処理について説明する。
ステップＳ１において、消費電流監視部３２は、負荷６に供給される電力の電流値と、DC/DCコンバータ７を介して負荷９に対して供給される電力の電流値との合計値を求める。
ステップＳ２において、消費電流監視部３２は、計算された消費電力の電流値の合計が、300mA未満であるか否かを判定し、例えば、電流値の合計が300mA未満であると判定された場合、ステップＳ３において、分配部３１を制御して、実際に消費されている電力と300mAの差分となる余剰分の電力を充電池８に供給させ、残りの電力を負荷６および、DC/DCコンバータ７に供給するように分配させ、その処理は、ステップＳ１に戻る。
ステップＳ２において、合計300mA未満ではないと判定された場合、ステップＳ３において、消費電流監視部３２は、合計300mAよりも大きいか否かを判定し、例えば、大きいと判定した場合、その処理は、ステップＳ５に進む。
ステップＳ５において、消費電流監視部３２は、分配部３１を制御して、合計300mAを超えた負荷電流に相当する消費電力を充電池８より引き出して、負荷６および、DC/DCコンバータ７に供給するように分配させ、その処理は、ステップＳ１に戻る。
ステップＳ４において、負荷電流の合計が300mAより大きくないと判定された場合、すなわち、消費電流が300mAであると判定された場合、その処理は、ステップＳ１に戻り、それ以降の処理が繰り返される。
以上の処理により、DC/DCコンバータ４は、最も高い効率の状態で電圧の変換を実行し続けることが可能となる。すなわち、図３で示されるように、例えば、負荷電流が50mAである場合、電圧変換による電力損失は、27.75（mW）（＝1.5（V）×50（mA）×（1−0.63））であるが、充電池８より電力供給を受けて、変換効率の高い300mAとすることにより、27（mW）（＝1.5（V）×300（mA）×（1−0.94））となり、電力損失を減少させることが可能となる。
以上によれば、定電流回路５が、DC/DCコンバータ４より供給される電力の電流値を常に、DC/DCコンバータ４の最高効率となる電流値となるように制御することになるので、薄膜チョークコイルを用いたDC/DCコンバータ４のように、コイル巻き数により特性を変化させることができないような、DC/DCコンバータを用いるようにしても、変換効率を最高の状態で使用し続けることが可能となり、結果として、低消費電力化を実現することが可能となる。
尚、DC/DCコンバータ４の効率が最高出力（最大電流）で最高の変換効率となるように設計されているような場合、最高出力となるような運転がなされるケースは極わずかである。従って、通常の使用状態であれば、充電池８には、常時十分な電力が蓄えられることになるので、必要に応じて、例えば、ストロボの電源に使用するようにしても良い。また、定電流回路５の後段にDC/DCコンバータ７のようた１．５Vから１．２Vへと比較的近い電圧に変換するDC/DCコンバータを配設するようにすることで、例えば、８．４Vから１．２Vへと変換させるようにするよりも高い効率で変換させることが可能となる（一般に、変換前の電圧と変換後の電圧の差が小さい方が効率は高い）ので、結果として、さらなる低消費電力化を実現させることが可能となる。
さらに、以上においては、DC/DCコンバータ４の一例として、８．４Vから１．５Vに変換させる場合について説明してきたが、それ以外の電圧に変換させるようなDC/DCコンバータを用いてもよく、そのような場合、使用するDC/DCコンバータの特性に対応して、変換効率の最も高い電流値を維持する定電流回路を使用すればよい。従って、以上においては、定電流回路５が、負荷電流と300mAとを比較して、充電池８に充電させるか、または、電力供給を受けるかを調整する例について説明してきたが、それ以外の電流値と比較しても良いことは言うまでもない。
以上によれば、薄膜チョークコイルを用いたDC/DCコンバータの後段に、DC/DCコンバータの特性に応じた電流値を後段の負荷に供給するようにする定電流回路を配することにより、DC/DCコンバータにおける最高効率に近い状態で常に電力を使用することが可能となり、結果として、装置全体の消費電力の低消費電力化を実現させることが可能となる。
尚、本明細書において、処理手順を記述するステップは、記載された順序に沿って時系列的に行われる処理は、もちろん、必ずしも時系列的に処理されなくとも、並列的あるいは個別に実行される処理を含むものである。
本発明を適用した制御電子回路を説明する図である。 図１の制御ICとDC/DCコンバータを説明する図である。 図１のDC/DCコンバータの変換効率を説明する図である。 図１の定電流回路を説明する図である。 定電流制御処理を説明するフローチャートである。
符号の説明
１ マイクロコンピュータ， ２ 制御IC， ３ 電源， ４ DC/DCコンバータ， ５ 定電流回路， ６ 負荷， ７ DC/DCコンバータ， ８ 充電池， ９ 負荷， ３１ 分配部， ３２ 消費電流監視部

Claims (3)

  1. 後段の負荷に供給する電力の電圧を、第１の電圧から第２の電圧に変換する薄膜チョークコイルを用いた第１の電圧変換器と、
    前記負荷での消費電力によらず、前記第２の電圧で前記電圧変換器より供給される電力の電流値を所定の電流値に維持する定電流回路と
    を備えることを特徴とする制御回路装置。
  2. 前記負荷による消費電力の電流値を計算する計算回路と、
    前記第１の電圧変換器から供給される電力の一部を充電、または、前記負荷に対して電力を供給する充電池とをさらに備え、
    前記定電流回路は、前記計算部による消費電力の電流値が、所定の電流値よりも小さい場合、前記所定の電流値と消費電力の電流値との差分となる電力を前記充電池に充電させ、前記計算部による消費電力の電流値が、所定の電流値よりも大きい場合、前記所定の電流値と消費電力の電流値との差分となる電力を前記充電池より供給させる
    ことを特徴とする請求項１に記載の制御回路装置。
  3. 前記負荷は、前記定電流回路より供給される電力の電圧を、前記第２の電圧から第３の電圧に変換する第２の電圧変換器である
    ことを特徴とする請求項１に記載の制御回路装置。
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