JP2006101637A - 電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 負荷回路の状態に適した帰還方法により駆動電圧を生成することができる電源装置の提供する。
【解決手段】 電源装置１００は、昇圧回路１０、ＰＷＭ制御回路２０、電流制御回路１６、利得制御回路５０を含む。昇圧回路１０は、一般的なスイッチングレギュレータであって、入力端子１０２に入力される入力電圧Ｖｉｎを昇圧して出力端子１０４に出力する。電源装置１００には第１負荷回路のＬＥＤ８０と、第２負荷回路８２が接続され、切り替えて使用される。ＬＥＤ８０を定電流駆動するため電流制御回路１６は第１帰還回路３０と第２帰還回路４０とを含む。第１帰還回路３０は、ＬＥＤ８０のみ駆動する場合に使用され、第２帰還回路４０は、第２負荷回路８２を駆動する場合に使用される。これらの帰還回路の切り替えは、選択端子１０８から入力される選択信号Ｖｓｅｌによって行われる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電源装置に関し、特に負荷回路を定電流駆動する電源装置に関する。

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。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、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程度であるが、ＬＥＤはその駆動電圧として電池電圧よりも高い電圧を必要とする。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には、スイッチングレギュレータやスイッチドキャパシタ方式等の電源装置を用いて電池電圧を昇圧し、ＬＥＤなどの負荷回路を駆動するために必要な電圧を得ている。

このような電源装置により、ＬＥＤを負荷回路として駆動するためには、ＬＥＤのカソード端子に検出抵抗を接続し、その検出抵抗での降下電圧を一定に保つように帰還を行い、ＬＥＤを駆動する方法がある（特許文献１参照）。例えば、しきい値電圧がＶｆで与えられるＬＥＤをｎ段直列に接続して駆動する場合には、前記検出抵抗の抵抗値をＲ、ＬＥＤに流れる電流をＩｃとすると、電源装置の出力電圧をＶｏｕｔ＝Ｖｆ×ｎ＋Ｒ×Ｉｃとすればよい。この技術によれば、検出抵抗の抵抗値Ｒを小さくすることにより検出抵抗での消費電力を低減でき、回路全体としての効率を高くすることができる。

また、検出抵抗Ｒに変えて、ＬＥＤに電流Ｉｃを流す定電流源を接続して定電流駆動を行う方法もある（特許文献２参照）。この定電流源とＬＥＤの接続点の電位をＶｘとすれば、電源装置の出力電圧は、Ｖｏｕｔ＝Ｖｆ×ｎ＋Ｖｘとなる。定電流源は、Ｖｘの値によらずに一定の電流を流すことができるので、ＬＥＤに定電流Ｉｃを流しつつ、定電流源が正常に動作する範囲において出力電圧Ｖｏｕｔを所望の値に設定することができる。
特開２００３−１５２２２４号公報 特開２００４−２２９２９号公報

本発明者はこうした状況下、以下の課題を認識するに至った。いま、負荷回路として、ＬＥＤと、ＬＥＤよりも高い駆動電圧を必要とする第２のデバイスを切り替えて駆動する場合について考える。第２のデバイスを駆動するために必要な出力電圧がＶｏｕｔ２であるとき、特許文献１に記載の技術によれば、検出抵抗の抵抗値は、Ｒ２＝（Ｖｏｕｔ２−Ｖｆ×ｎ）／Ｉｃとして設定すればよい。しかしながら、この技術によると、ＬＥＤのみを駆動する際にも、負荷回路に対してＶｏｕｔ２が印加されることになるため、検出抵抗での電力損失は、出力電圧がＶｏｕｔのときと比べてＩｃ×（Ｖｏｕｔ’−Ｖｏｕｔ）だけ大きくなり、ＬＥＤ駆動時の回路全体の効率が低下する。さらに、昇圧回路の昇圧倍率が高くなるため、昇圧回路への入力電流が増加して昇圧回路での効率も悪化する。

また、特許文献２に記載の技術では、定電流源とＬＥＤの接続点の電位をＶｘは、定電流回路に使用されるトランジスタが飽和しないように、所定のしきい値電圧Ｖｔｈより高く設定する必要がある。従って、ＬＥＤのみを駆動する場合にも、Ｖｘの値をＶｔｈ以下に下げることができず、定電流回路の消費電力はＩｃ×Ｖｔｈ以下には低減できないため、ＬＥＤ駆動時の効率が悪化してしまう。

本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は負荷回路の状態に適した帰還方法により駆動電圧を生成することができる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する。この電源装置は、所定の定電流で駆動すべき負荷回路を駆動するための駆動電圧を生成する駆動電圧生成部と、負荷回路と直列に接続された検出抵抗を含み、検出抵抗での降下電圧に対応する負荷回路との接続点の電圧を駆動電圧生成部に帰還する第１帰還回路と、負荷回路と直列に、かつ検出抵抗と並列に接続された所定の定電流を生成する定電流回路を含み、該定電流回路と負荷回路の接続点の電圧を駆動電圧生成部に帰還する第２帰還回路と、を備える。駆動電圧生成部は、第１または第２帰還回路のうち選択された一方から帰還される電圧に基づいて駆動電圧を生成する。

第１帰還回路は、負荷回路に流れる電流を検出抵抗により電圧に変換して帰還制御を行うことにより定電流駆動を行う。第２帰還回路は、負荷回路に定電流回路を接続することにより定電流駆動を行う。
この態様によれば、駆動電流のみが問題となる負荷回路に対しては第１帰還回路によって駆動電圧を生成し、駆動電流に加えて駆動電圧も問題となる負荷回路や、駆動電圧を変化させたい負荷回路に対しては、第２帰還回路を使用することにより様々な負荷回路に適した駆動電圧を生成することができる。

駆動電圧生成部は、第１帰還回路が選択されたとき、第１帰還回路から帰還される電圧が、所定の定電流と検出抵抗の積で与えられる目標値に近づくように駆動電圧を生成し、第２帰還回路が選択されたとき、第２帰還回路から帰還される電圧が、定電流回路が正常に動作するように決められた目標値に近づくように駆動電圧を生成してもよい。
第１帰還回路は、検出抵抗での降下電圧を一定に保つことで、負荷回路に流れる電流を所定の定電流に安定化することができる。一方、第２帰還回路は、定電流回路と負荷回路との接続点の電圧の制御目標値を、定電流回路が正常動作するために必要な所定のしきい値電圧より高く設定することにより、負荷回路に流れる電流を所定の定電流に安定化することができる。

電源装置は、第１および第２帰還回路から前記駆動電圧生成部への電圧帰還経路上に設けられた可変利得増幅器をさらに備えてもよい。可変利得増幅器は、駆動電圧生成部に帰還される電圧の信号レベルが、第１または第２帰還回路いずれが選択されたときにも略同一となるように、第１または第２帰還回路のいずれが選択されたかに応じてその利得を切り替えてもよい。
第１帰還回路と第２帰還回路により帰還される電圧はそれぞれ信号のレベルが異なっている場合がある。このような場合に、可変利得増幅器により駆動電圧生成部に帰還される電圧レベルをそろえることにより、駆動電圧生成部の構成を簡略化することができる。

負荷回路は発光ダイオードを含み、検出抵抗および定電流回路は、発光ダイオードのカソード端子と接地端子間に並列に接続されてもよい。

電源装置は、第１帰還回路または第２帰還回路を選択するための選択信号を入力する選択端子をさらに備えてもよい。
電源装置が搭載された電子機器等において、負荷回路の状態を統合的に制御する回路から出力される選択信号によって電源装置の帰還回路を切り替えることにより負荷回路に応じた適切な駆動電圧の生成を行うことができる。

検出抵抗の抵抗値は、第１帰還電圧が第２帰還電圧よりも低くなるように決定されてもよい。第１帰還電圧を低くすることにより、検出抵抗における消費電力を低減することができ、第１帰還回路を選択した場合に高効率とすることができる。

本発明の別の態様もまた、電源装置に関する。この電源装置は、第１の負荷回路および第１の負荷回路よりも高い電圧で駆動すべき第２の負荷回路を駆動するための駆動電圧を生成する駆動電圧生成部と、第１の負荷回路と直列に接続された検出抵抗を含み、検出抵抗での降下電圧に対応する前記負荷回路との接続点の電圧を駆動電圧生成部に帰還する第１帰還回路と、第１の負荷回路と直列に、かつ検出抵抗と並列に接続された所定の定電流を生成する定電流回路を含み、該定電流回路と負荷回路の接続点の電圧を駆動電圧生成部に帰還する第２帰還回路と、を備える。駆動電圧生成部は、第１の負荷回路が単独で駆動される第１モードにおいては、第１帰還回路から帰還される電圧に基づいて駆動電圧を生成し、第１および第２の負荷回路の両方が同時に駆動される第２モードにおいては、第２帰還回路から帰還される電圧に基づいて駆動電圧を生成する。

この態様によれば、第１の負荷回路のみ駆動する場合には、駆動電流のみをモニタし、第２の負荷回路が第１の負荷回路と同時に駆動される場合には、第１の負荷回路の駆動電流と、第２の負荷回路の駆動電圧の両方をモニタすることにより、各負荷回路に応じた適切な駆動電圧の生成を行うことができる。

本発明の別の態様もまた、電源装置に関する。この電源装置は、所定の定電流で駆動すべき第１の負荷回路および第１の負荷回路よりも高い電圧で駆動すべき第２の負荷回路を駆動するための駆動電圧を生成する駆動電圧生成部と、第１の負荷回路と直列に接続された検出抵抗を含み、検出抵抗での降下電圧に対応する負荷回路との接続点の電圧を駆動電圧生成部に帰還する第１帰還回路と、第１の負荷回路と直列に、かつ検出抵抗と並列に接続された所定の定電流を生成する定電流回路を含み、該定電流回路と負荷回路の接続点の電圧を駆動電圧生成部に帰還する第２帰還回路と、駆動電圧生成部により生成された駆動電圧を駆動電圧生成部に帰還する第３帰還回路と、を備える。駆動電圧生成部は、第１の負荷回路が単独で駆動される第１モードにおいては、第１帰還回路から帰還される電圧に基づいて駆動電圧を生成し、第１および第２の負荷回路の両方が同時に駆動される第２モードにおいては、第２帰還回路または第３帰還回路から帰還される電圧に基づいて駆動電圧を生成する。

この態様によれば、定電流駆動すべき第１の負荷回路のみ駆動する場合には、駆動電流のみをモニタし、定電圧駆動すべき第２の負荷回路が第１の負荷回路と同時に駆動される場合には、第１の負荷回路の駆動電流と、第２の負荷回路の駆動電圧の両方をモニタすることにより、各負荷回路に応じた適切な駆動電圧の生成を行うことができる。

この電源装置は、第１および第２帰還回路から前記駆動電圧生成部への電圧帰還経路上
に設けられ、第１または第２帰還回路から駆動電圧生成部に帰還される電圧を、第１または第２モードで利得を切り替えて増幅することにより、いずれのモードにおいても信号レベルが略同一とされた第１帰還電圧として出力する第１増幅器と、第３帰還回路と駆動電圧生成部との間に設けられ、第３帰還回路から駆動電圧生成部に帰還される電圧を、第１増幅器から出力される第１帰還電圧の信号レベルと略同一となるように増幅して第２帰還電圧として出力する第２増幅器と、第１帰還電圧と第２帰還電圧のうち、低い方を選択して出力する最小値回路と、をさらに備えてもよい。駆動電圧生成部は、最小値回路の出力に基づいて駆動電圧を生成してもよい。

第１増幅器および第２増幅器により第１および第２帰還電圧を略同一のレベルの信号とし、低い方を基準に駆動電圧を生成することにより、第１、第２帰還電圧の低い方の一方は目標値に近づくように制御され、他方はその目標値よりも高い電圧に安定化されるため、いずれの帰還電圧もそれぞれの目標値より低くなることはないため、負荷回路を安定に動作させることができる。

第１の負荷回路は発光ダイオードであり、検出抵抗および定電流回路は、発光ダイオードのカソード端子と接地端子間に並列に接続されてもよい。

本発明の別の態様もまた、電源装置に関する。この電源装置は、負荷回路の一端に所定の駆動電圧を出力する駆動電圧生成部と、負荷回路の他端と基準電圧との間に接続された帰還回路と、負荷回路と帰還回路との接続点の電圧を電源電圧生成回路に帰還して出力電圧の値を制御するための出力制御回路と、を備える。帰還回路は、定電流回路または抵抗回路の一方が選択可能に形成されている。

この態様によれば、帰還回路において、駆動電流のみが問題となる負荷回路に対しては抵抗回路を選択し、駆動電流に加えて駆動電圧も問題となる負荷回路や、駆動電圧を変化させたい負荷回路に対しては、定電流回路を選択することにより様々な負荷回路に適した駆動電圧を生成することができる。

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、負荷回路の状態に応じた駆動電圧の生成を行うことができる。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１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は入力電圧を昇圧して出力する昇圧型コンバータである。
この電源装置１００には、第１負荷回路であるＬＥＤ８０と、第２負荷回路８２が接続されており、負荷回路の状態に応じて２つの動作モードが切り替えて使用される。以下、ＬＥＤ８０のみが駆動される状態を第１モードといい、ＬＥＤ８０と第２負荷回路８２が駆動される状態を第２モードという。

電源装置１００は、端子として、入力端子１０２、出力端子１０４、ＬＥＤ端子１０６、選択端子１０８を備える。それぞれの端子に印加され、または現れる電圧を入力電圧Ｖｉｎ、出力電圧Ｖｏｕｔ、カソード電圧Ｖｌｅｄ、選択信号Ｖｓｅｌという。

第１負荷回路であるＬＥＤ８０は、順方向電圧ＶｆのＬＥＤが４段直列に接続されている。つまり、各端子の電圧間には、Ｖｏｕｔ＝Ｖｆ×４＋Ｖｌｅｄの関係が成り立つ。Ｖｆ＝３．２Ｖとすれば、電源装置１００はＶｏｕｔ１＝１２．８＋Ｖｌｅｄを出力することになる。ただし、ＬＥＤ８０のみ駆動される状態では、ＬＥＤ８０に定電流Ｉｒｅｆが流れていればよく、出力電圧Ｖｏｕｔ１は特に問題とはならない。
第２負荷回路は、ＬＥＤ８０よりも高い駆動電圧が要求されるデバイスであり、駆動電圧としてＶｏｕｔ２＝１５Ｖ以上が必要とされるものとする。
本実施の形態に係る電源装置１００は、これらの２つの負荷回路に適した駆動電圧の生成を行う。

この電源装置１００は、昇圧回路１０、ＰＷＭ制御回路２０、電流制御回路１６、利得制御回路５０を含む。

昇圧回路１０は、一般的なスイッチングレギュレータであって、入力端子１０２に入力される入力電圧Ｖｉｎを昇圧して出力端子１０４に出力する。この昇圧回路１０の入出力端子はそのまま電源装置１００の入出力端子に対応する。昇圧回路１０は、スイッチングトランジスタＳＷ１、整流用ダイオード１２、インダクタＬ１、出力コンデンサＣｏを含み、スイッチングトランジスタＳＷ１をオンオフさせることによりインダクタＬ１と出力コンデンサＣｏによりエネルギ変換を行うことで入力電圧Ｖｉｎを昇圧して出力する。

電源装置１００には、第１の負荷回路としてＬＥＤ８０が接続される。ＬＥＤ８０のアノード端子は出力端子１０４に、カソード端子はＬＥＤ端子１０６にそれぞれ接続されている。
電流制御回路１６は、ＬＥＤ８０に流れる電流を制御するための回路であって、ＬＥＤ８０のカソード端子に接続され、ＬＥＤ８０の輝度を調節する機能を有する。電流制御回路１６は、第１帰還回路３０、第２帰還回路４０、インバータ１８を含む。この電流制御回路１６には、選択端子１０８から選択信号Ｖｓｅｌが入力されている。第２帰還回路４０と選択端子１０８の間にはインバータ１８が設けられており、選択信号Ｖｓｅｌのハイレベルとローレベルを反転する。選択信号Ｖｓｅｌがハイレベルの時には第１帰還回路３０が動作し、ローレベルのときには第２帰還回路４０が動作する。

第１帰還回路３０は、検出抵抗Ｒ１とスイッチＳＷ２を含む。選択信号Ｖｓｅｌがハイレベルのとき、スイッチＳＷ２はオンし、検出抵抗Ｒ１がＬＥＤ端子１０６に接続される。第１負荷回路であるＬＥＤ８０に流れる電流をＩｃとすると、検出抵抗Ｒ１での降下電圧は、Ｒ１×Ｉｃで与えられ、スイッチＳＷ２での電圧降下を無視すれば、ＬＥＤ８０のカソード端子の電圧Ｖｌｅｄは、Ｖｌｅｄ＝Ｒ１×Ｉｃとなる。検出抵抗Ｒ１で消費される電力は損失となるため、その抵抗値は極力小さく設定する。
第１帰還回路３０においては、ＬＥＤ８０に流すべき定電流をＩｒｅｆとすると、カソード端子の電圧Ｖｌｅｄを目標値Ｖｒｅｆ１＝Ｉｒｅｆ×Ｒ１に近づくように制御すれば、Ｉｃ＝Ｉｒｅｆとなるように帰還がかかり、ＬＥＤ８０に所望の定電流Ｉｒｅｆにが流れることになる。検出抵抗Ｒ１の抵抗値は、関係式Ｒ１＝Ｖｒｅｆ１／Ｉｒｅｆ１により決定する。例えば、目標値Ｖｒｅｆ１は０．１Ｖに設定する。

第２帰還回路４０は、第１帰還回路３０と並列に設けられており、定電流Ｉｒｅｆを生成する定電流回路４２を含む。この定電流回路４２は、ＬＥＤ端子１０６を介してＬＥＤ８０のカソード端子に接続され、第２帰還回路４０が動作する期間、ＬＥＤ８０には所定の定電流Ｉｒｅｆが流れる。

図２（ａ）〜（ｂ）は、定電流回路４２の回路構成例を示す。
図２（ａ）の定電流回路４２は、誤差増幅器２０２、トランジスタＭ２、抵抗Ｒ１０を含む。トランジスタＭ２はＰ型のＭＯＳＦＥＴでありソース端子がＬＥＤ端子１０６に接続され、ドレイン端子は抵抗Ｒ１０に接続されている。抵抗Ｒ１０とトランジスタＭ２の接続点は、誤差増幅器２０２の非反転入力端子に接続されている。また、誤差増幅器２０２の反転入力端子には基準電圧Ｖｒｅｆ４が入力される。誤差増幅器２０２は、反転入力端子と非反転入力端子の電位差が０に近づくようにその出力であるトランジスタＭ２のゲート電圧を制御するため、抵抗Ｒ１０とトランジスタＭ２の接続点の電圧は、基準電圧Ｖｒｅｆ４に近づくことになる。その結果、抵抗Ｒ１０には、Ｉｒｅｆ＝Ｖｒｅｆ４／Ｒ１０の電流が流れ、この定電流ＩｒｅｆがＬＥＤ８０に流れることになる。

図２（ｂ）の定電流回路４２は、定電流源２０４、トランジスタＭ４、トランジスタＭ６を含む。トランジスタＭ４およびＭ６はカレントミラー回路を構成しており、定電流源２０４に流れる定電流Ｉｒｅｆが、ＬＥＤ端子１０６を介してＬＥＤ８０に流れることになる。

図２（ａ）、（ｂ）いずれの定電流回路４２においても、ＬＥＤ端子１０６と接地電位の間には、トランジスタＭ２またはＭ６が設けられている。これらの定電流回路４２は、トランジスタＭ２、Ｍ６が飽和領域、すなわちトランジスタのドレインソース電圧Ｖｄｓが一定電圧以上で動作するとき、定電流ＩｒｅｆをＬＥＤ８０に流すことができる。逆に、トランジスタＭ２、Ｍ６が非飽和領域（三極管領域）で動作するときには、定電流回路４２は正常に動作しなくなる。このため、ＬＥＤ端子１０６のカソード電圧Ｖｌｅｄは、半導体製造プロセスなどに依存するが、概ね０．７Ｖ程度をしきい値電圧Ｖｔｈとし、このしきい値電圧Ｖｔｈよりも下がらないように制御することにより、ＬＥＤ８０に定電流Ｉｒｅｆを流すことができる。
なお、トランジスタＭ２、Ｍ６がバイポーラトランジスタの場合には、常に活性領域で動作するようにしきい値電圧Ｖｔｈを決定すればよい。

第２負荷回路８２を駆動する際のカソード電圧Ｖｌｅｄは、関係式Ｖｏｕｔ２＝Ｖｆ×ｎ＋ＶｌｅｄにＶｆ＝３．２Ｖ、Ｖｏｕｔ２＝１５Ｖを代入して求めることができ、Ｖｒｅｆ２＝１５−３．２×４＝２．２Ｖを目標値として帰還を行えばよい。この目標値Ｖｒｅｆ２＝２．２Ｖは定電流回路４２が正常に動作するしきい値電圧Ｖｔｈ＝０．７Ｖよりも高く、定電流回路４２は正常に動作する。ＬＥＤの順方向電圧Ｖｆのばらつきを考慮する場合には、上記のＶｌｅｄの目標値２．２Ｖにマージンを加えた値を目標値として駆動電圧を生成することにより、確実に駆動電圧としてＶｏｕｔ２＝１５Ｖ以上を得ることができる。

図１に戻る。上述のように、電流制御回路１６は、第１帰還回路３０の動作時には、ＬＥＤ端子１０６のカソード電圧ＶｌｅｄをＶｒｅｆ１＝Ｉｒｅｆ×Ｒ１を目標値として帰還を行う。また、第２帰還回路４０の動作時には、Ｖｒｅｆ２＝Ｖｏｕｔ２−Ｖｆ×ｎを目標値として帰還を行う。本実施の形態では、Ｖｒｅｆ１＝０．１Ｖであり、Ｖｒｅｆ２＝２．２Ｖである。

利得制御回路５０は、帰還されたカソード電圧Ｖｌｅｄを増幅する。利得制御回路５０は第１増幅器５２を含み、利得制御回路５０に入力された選択信号Ｖｓｅｌによって、その利得が切り替えられる。第１モードのときの利得をｇ１、第２モードのときの利得をｇ２とすれば、ｇ１×Ｖｒｅｆ１＝ｇ２×Ｖｒｅｆ２が成り立つようにそれぞれの利得を設定する。利得ｇ１およびｇ２は、１以下として信号を減衰させてもよい。Ｖｒｅｆ１＝０．１Ｖ、Ｖｒｅｆ２＝２．２Ｖの場合、第１モードと第２モードでの利得の比はｇ１：ｇ２＝２．２：０．１に設定する。この利得制御回路５０により、ＰＷＭ制御回路２０に帰還される帰還電圧Ｖｆｂは、第１または第２帰還回路いずれが選択されたときにも略同一となる。

ＰＷＭ制御回路２０は、ＰＷＭ信号Ｖｐｗｍ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）によってスイッチングトランジスタＳＷ１のオンオフを制御して、出力電圧Ｖｏｕｔを調節する。ＰＷＭ制御回路２０は、電圧比較器２２、誤差増幅器２４、のこぎり波発振器２６、基準電圧源２８を含む。

基準電圧源２８は、基準電圧Ｖｒｅｆを生成する。この基準電圧Ｖｒｅｆは、Ｖｒｅｆ＝ｇ１×Ｖｒｅｆ１＝ｇ２×Ｖｒｅｆ２となるように設定する。
誤差増幅器２４には、基準電圧Ｖｒｅｆと帰還電圧Ｖｆｂが入力されており、２つの電圧が等しくなるように誤差信号Ｖｅｒｒを出力する。誤差信号Ｖｅｒｒは、電圧比較器２２に入力され、のこぎり波状の電圧Ｖｓａｗと比較され、Ｖｅｒｒ＞Ｖｓａｗのときハイレベルが出力され、Ｖｅｒｒ＜Ｖｓａｗのときローレベルが出力される。このＰＷＭ信号Ｖｐｗｍによって、昇圧回路１０のスイッチングトランジスタＳＷ１のオンオフ期間が制御されて、Ｖｆｂ＝Ｖｒｅｆとなるような出力電圧Ｖｏｕｔが生成される。

第1モードにおいては、Ｖｆｂ＝ｇ１×Ｖｌｅｄであり、ＰＷＭ制御回路２０における基準電圧Ｖｒｅｆは、Ｖｒｅｆ＝ｇ１×Ｖｒｅｆ１となるように設定しているため、ＶｒｅｆがＶｆｂが近づくことにより、Ｖｌｅｄ＝Ｖｒｅｆ１が成り立つように帰還がかかることになる。同様に第２モードにおいては、Ｖｆｂ＝ｇ２×ＶｌｅｄおよびＶｒｅｆ＝ｇ２×Ｖｒｅｆ２が成り立つからＶｌｅｄ＝Ｖｒｅｆ２となるように帰還がかけられる。
電源装置１００の出力電圧Ｖｏｕｔは、Ｖｏｕｔ＝３．２×４＋Ｖｌｅｄであるため、第１モードにおいてはＶｏｕｔ１＝１２．９Ｖ、第２モードにおいてはＶｏｕｔ２＝１５Ｖとなるように安定化されることになる。

以上のように構成された電源装置１００の動作について説明する。
図３は、本実施の形態に係る電源装置１００の各電圧波形を示す。横軸および縦軸は、いずれも見やすさのため、実際のスケールとは異なって示されている。時刻Ｔ０〜Ｔ１は、ＬＥＤ８０のみが駆動される第１モード、時刻Ｔ１〜Ｔ２がＬＥＤ８０と第２負荷回路が同時に駆動される第２モードの動作状態を示している。

時刻Ｔ０〜Ｔ１では、選択信号Ｖｓｅｌによって第１帰還回路３０が選択され、また利得制御回路５０の利得がｇ１に設定される。
第１モードにおいては、Ｖｆｂ＝Ｖｌｅｄ×ｇ１となり、このＶｆｂがＶｒｅｆに近づくように出力電圧Ｖｏｕｔが生成される。その結果、上述のようにＶｌｅｄ＝Ｖｒｅｆ１＝０．１Ｖとなる。このときの出力電圧Ｖｏｕｔ１は、カソード電圧Ｖｌｅｄに、ＬＥＤ８０での電圧降下を加え、Ｖｏｕｔ１＝Ｖｆ×ｎ＋Ｖｌｅｄ＝１２．８＋０．１＝１．２９Ｖとなる。

第２モードにおいては、選択信号Ｖｓｅｌによって第２帰還回路４０が選択され、また利得制御回路５０の利得がｇ２に設定される。第２モードにおいては、帰還電圧Ｖｆｂ＝Ｖｌｅｄ×ｇ２となり、このＶｆｂがＶｒｅｆに近づくため、Ｖｌｅｄ＝Ｖｒｅｆ２＝２．２Ｖに安定化される。このときの出力電圧Ｖｏｕｔ２は、Ｖｏｕｔ２＝１２．８＋２．２＝１５Ｖとなる。

以上のように、本実施の形態に係る電源装置１００は、第１モードにおいては検出抵抗Ｒ１を含む第１帰還回路３０を動作させることにより、ＬＥＤ８０のカソード電圧Ｖｌｅｄの制御目標値を小さな値に設定して高効率動作を行い、第２モードにおいては、定電流回路４２を含む第２帰還回路４０に切り替えて、第２負荷回路８２を駆動するために必要とされる出力電圧Ｖｏｕｔ２が得られるようにカソード電圧Ｖｌｅｄを調節する。
もし、電源装置が第１帰還回路３０を備えていなかったとすると、第１モードにおいても定電流回路４２でＬＥＤ８０を駆動することになる。この場合、カソード電圧Ｖｌｅｄは、しきい値電圧Ｖｔｈ以下には下げられないため、出力電圧は、Ｖｏｕｔ’＝１２．８＋０．７＝１３．５Ｖを出力することになる。出力電圧Ｖｏｕｔを高くするには、昇圧回路１０の昇圧倍率を高くする必要があるため、入力電流Ｉｏｕｔが増加し、昇圧回路１０での効率が悪化することにもなる。

本実施の形態に係る電源装置１００では、２つの帰還回路を切り替えることにより、ＬＥＤ８０のみを駆動する際の回路全体の効率を、定電流回路のみにより駆動する場合に比べて向上することができる。

本実施の形態に係る電源装置１００では、第１モードにおいて、利得制御回路５０の利得ｇ１を変化させることにより、ＬＥＤ８０に流す電流、すなわちＬＥＤ８０の輝度を変化させることも可能となる。
また、第２モードにおいて、利得制御回路５０の利得ｇ２を変化させることによりカソード電圧Ｖｌｅｄを調節することができるため、出力電圧Ｖｏｕｔを変化させることも可能となる。これは、例えば、第２負荷回路として、搭載される電子機器の状態に応じて必要な電源電圧が異なるようなデバイスが接続された場合や、必要とする電源電圧の異なる複数の負荷回路が接続された場合に、利得ｇ２を変化させることで様々な負荷回路を駆動することができる。

（第２の実施の形態）
第１の実施の形態では、第２モードにおいて、出力電圧を帰還せずに、カソード電圧Ｖｌｅｄのみを帰還することにより第２負荷回路に必要な出力電圧Ｖｏｕｔ２を生成していた。第２の実施の形態に係る電源装置２００は、カソード電圧Ｖｌｅｄに加えて、出力電圧Ｖｏｕｔを帰還することにより、第２負荷回路をより安定に駆動する手段を提供するものである。

図４は、本発明の第２の実施の形態に係る電源装置２００の構成を示す。図４において、図１と同様の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。
電源装置２００は、昇圧回路１０、ＰＷＭ制御回路２０、電流制御回路１６、利得制御回路５０に加えて、第３帰還経路９０、最小値回路６０を含む。電源装置２００は、第１モードでの動作は、第１の実施の形態に係る電源装置１００と同様であり、第２モードにおける帰還方法が第１の実施の形態と異なっている。電源装置２００は、出力電圧Ｖｏｕｔを帰還するための第３帰還経路９０を有している。

利得制御回路５０には、カソード電圧Ｖｌｅｄに加えて、出力電圧Ｖｏｕｔが入力されている。出力電圧Ｖｏｕｔは、第２増幅器５４によって利得ｇ３倍されて第２帰還電圧Ｖｆｂ２として出力される。すなわち、Ｖｆｂ２＝ｇ３×Ｖｏｕｔとなる。
第２モードにおける出力電圧の目標値はＶｏｕｔ２であるから、この第２増幅器５４の利得ｇ３は、ＰＷＭ制御回路２０での基準電圧Ｖｒｅｆとの間に、Ｖｒｅｆ＝ｇ１×Ｖｒｅｆ１＝ｇ２×Ｖｒｅｆ２＝ｇ３×Ｖｏｕｔ２が成り立つように決定すればよい。

第１の実施の形態では、第２帰還回路４０により帰還されるカソード電圧Ｖｌｅｄの目標値Ｖｒｅｆ２は、出力電圧Ｖｏｕｔ２が得られるように決められていた。本実施の形態に係る電源装置２００では、第２モードにおいて、第２負荷回路８２を駆動するための出力電圧Ｖｏｕｔ２を生成するために、第３帰還経路９０から出力電圧Ｖｏｕｔを直接帰還する。従って、第２帰還回路４０により帰還されるカソード電圧Ｖｌｅｄの目標値Ｖｒｅｆ２は、定電流回路４２を正常動作させるためのしきい値電圧Ｖｔｈに設定しておく。

すなわち、本実施の形態に係る電源装置２００において、第１モードでは、第１帰還回路により帰還されるカソード電圧Ｖｌｅｄが目標値Ｖｒｅｆ１＝０．１Ｖに近づくように制御される。また、第２モードでは、第３帰還経路９０により帰還される出力電圧Ｖｏｕｔが目標値Ｖｏｕｔ２＝１５Ｖに近づくように制御され、第２帰還回路４０により帰還されるカソード電圧Ｖｌｅｄは定電流回路４２が正常動作するしきい値電圧Ｖｔｈに近づくように制御される。

最小値回路６０には、第１帰還電圧Ｖｆｂ１および第２帰還電圧Ｖｆｂ２が入力されている。この最小値回路６０は、第１帰還電圧Ｖｆｂ１および第２帰還電圧Ｖｆｂ２の内、電圧の低い方を選択して出力する、いわゆる最小値回路を構成する。

図５は、最小値回路６０の構成例を示す。最小値回路６０は、定電流源６８、第１トランジスタＭ６０、第２トランジスタＭ６２、第１誤差増幅器６４、第２誤差増幅器６６を含む。第１トランジスタＭ６０のゲート端子は第１誤差増幅器６４の出力と接続され、ドレイン端子は第１誤差増幅器６４の反転入力端子に接続される。また、第１誤差増幅器６４の非反転入力端子には帰還電圧Ｖｆｂが入力される。従って、第１トランジスタＭ６０のドレイン端子には第１帰還電圧Ｖｆｂ１が現れる。第２トランジスタＭ６２と第２誤差増幅器６６も同様に接続され、第２トランジスタＭ６２のドレイン端子には第２帰還電圧Ｖｆｂ２が現れる。いま、第１トランジスタＭ６０および第２トランジスタＭ６２に流れる電流の和は、定電流源６８によって定められる電流値に等しく制御され、その結果、最小値回路６０は、第１帰還電圧Ｖｆｂ１および第２帰還電圧Ｖｆｂ２のうち、低い方の電圧を選択して電圧Ｖｆｂ’としてＰＷＭ制御回路２０に出力する最小値回路として機能する。

ＰＷＭ制御回路２０には、第１帰還電圧Ｖｆｂ１または第２帰還電圧Ｖｆｂ２のうち、低い方が帰還電圧Ｖｆｂ’として帰還入力され、このＶｆｂ’が基準電圧Ｖｒｅｆに近づくようにＰＷＭ信号が生成され、昇圧回路１０のスイッチングが制御されて出力電圧Ｖｏｕｔが生成される。

以上のように構成された電源装置２００の動作について説明する。
第１モードでは、選択信号Ｖｓｅｌによって第１帰還回路３０が選択されて、利得制御回路５０における第１増幅器５２の利得がｇ１に設定される。第１モードでは、出力電圧Ｖｏｕｔは帰還制御しないため、第２増幅器５４の利得を高くしたり、最小値回路６０の第２誤差増幅器６６をオフするなどし、常に最小値回路６０の出力Ｖｆｂ’を第１帰還回路３０からの帰還電圧としておく。この結果、第１モードにおいては、カソード電圧ＶｌｅｄがＶｒｅｆ１＝０．１Ｖに近づくように帰還制御されるため、高効率動作を行うことができる。

第２モードでは、選択信号Ｖｓｅｌによって第２帰還回路４０が選択され、利得制御回路５０における第１増幅器５２の利得がｇ２に設定される。利得制御回路５０において、カソード電圧Ｖｌｅｄは、第１増幅器５２によりｇ２倍され、第１帰還電圧がＶｆｂ１＝Ｖｌｅｄ×ｇ２として出力される。一方、出力電圧Ｖｏｕｔは第２増幅器５４によりｇ３倍されて、第２帰還電圧がＶｆｂ２＝Ｖｏｕｔ×ｇ３として出力される。

最小値回路６０において、カソード電圧Ｖｌｅｄに基づいた第１帰還電圧Ｖｆｂ１が低い場合には、ＰＷＭ制御回路２０において、この第１帰還電圧Ｖｆｂ１＝Ｖｌｅｄ×ｇ２がＶｒｅｆ＝Ｖｒｅｆ２×ｇ２に近づくように制御されるため、カソード電圧Ｖｌｅｄは目標値Ｖｒｅｆ２＝Ｖｔｈに近づくことになり、電流制御回路１６は正常に動作する。このとき第２帰還電圧はＶｆｂ２＝Ｖｏｕｔ×ｇ３＞Ｖｆｂ１＝Ｖｒｅｆが必ず成り立っているので、出力電圧Ｖｏｕｔは、所望の値Ｖｏｕｔ２よりも高い値が得られることが保証される。

逆に出力電圧Ｖｏｕｔに基づいた第２帰還電圧Ｖｆｂ２の方が低い場合には、最小値回路６０によりＶｆｂ’＝Ｖｆｂ２が出力され、ＰＷＭ制御回路２０においてＶｆｂ２＝Ｖｏｕｔ×ｇ３がＶｒｅｆに近づくように制御されるため、出力電圧Ｖｏｕｔ＝Ｖｏｕｔ２となる。このときのカソード電圧Ｖｌｅｄは、目標値Ｖｒｅｆ２＝Ｖｔｈよりも高いことが保証されるため、電流制御回路１６は正常に動作する。

以上のように、本実施の形態に係る電源装置２００によれば、複数の負荷回路が接続されており、その負荷が切り替えて使用される場合においても、それぞれの負荷回路を安定に動作させることができる。特に、本実施の形態に係る電源装置２００では、ＬＥＤ８０の順方向電圧Ｖｆがばらついた場合においても、第２モードにおける出力電圧Ｖｏｕｔが所定の値より低くなることがないため、より安定に負荷回路を駆動することができる。これは、第１の実施の形態のようにカソード電圧Ｖｌｅｄに基づいて出力電圧Ｖｏｕｔを生成する場合のマージン電圧を考慮する必要がなくなることを意味し、不要に高い電圧を出力することがなくなるため、回路全体を高効率化することにもなる。

本実施の形態においても、第１の実施の形態と同様に、第１モードにおいて、第１増幅器５２の利得ｇ１を変化させることにより、ＬＥＤ８０に流す電流、すなわちＬＥＤ８０の輝度を変化させることが可能となる。また、第２モードにおいて、第２増幅器５４の利得ｇ３を変化させることにより出力電圧Ｖｏｕｔを変化させることも可能となる。これは、例えば、第２負荷回路として、搭載される電子機器の状態に応じて必要な電源電圧が異なるようなデバイスが接続された場合や、必要とする電源電圧の異なる複数の負荷回路が接続された場合に、利得ｇ３を変化させることで様々な負荷回路を駆動することができる。

上記実施の形態は例示であり、それらの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。

本実施の形態では、昇圧回路１０としてスイッチングレギュレータを用いたが、これには限定されず、スイッチドキャパシタ方式など他の方式による昇圧回路にも適用することができる。

本実施の形態では、第１の負荷回路としてＬＥＤを例に説明したが、昇圧された電圧により駆動される回路であれば他のデバイスであってもよい。また、帰還入力される電圧としてカソード電圧を制御する例について説明したが、これも駆動するデバイスに応じて適宜変更することができる。

実施の形態では、利得制御回路５０によって帰還されるカソード電圧Ｖｌｅｄや出力電圧Ｖｏｕｔをレベルシフトして、電圧レベルを略同一に設定することによって、同一の目標値Ｖｒｅｆに近づくように帰還制御を行ったがこれには限定されない。例えば、各モードに応じて基準電圧Ｖｒｅｆの値を切り替えることによって帰還制御を行ってもよい。

実施の形態では、第１モードとしてＬＥＤのみを駆動し、第２モードとしてＬＥＤおよび第２負荷両方を駆動する場合について説明したがこれには限定されず、第２負荷回路のみを駆動し、または、より複数の負荷回路を駆動してもよく、それぞれの負荷回路の状態に応じて帰還回路の選択と帰還利得を制御を行うことにより、それぞれの負荷回路を好適に駆動することができる。

本実施の形態においては、使用するトランジスタはＦＥＴとしたがバイポーラトランジスタ等の別のタイプのトランジスタを用いてもよく、これらの選択は、電源装置に要求される設計仕様、使用する半導体製造プロセスなどによって決めればよい。

本実施の形態において、電源装置１００、２００を構成する素子はすべて一体集積化されていてもよく、その一部がディスクリート部品で構成されていてもよい。どの部分を集積化するかは、コストや占有面積などによって決めればよい。

本発明の第１の実施の形態に係る電源装置の構成を示す回路図である。 図２（ａ）〜（ｂ）は、定電流回路の構成を示す回路図である。 図１の電源装置の各電圧波形を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係る電源装置の構成を示す回路図である。 図４の最小値回路の構成を示す図である。

符号の説明

１０ 昇圧回路、 １６ 電流制御回路、 １８ インバータ、 ２０ ＰＷＭ制御回路、 ３０ 第１帰還回路、 ４０ 第２帰還回路、 ４２ 定電流回路、 ５０ 利得制御回路、 ５２ 第１増幅器、 ５４ 第２増幅器、 ６０ 最小値回路、 ８０ ＬＥＤ、 ８２ 第２負荷回路、 ９０ 第３帰還経路、 １００ 電源装置、 １０２ 入力端子、 １０４ 出力端子、 １０６ ＬＥＤ端子、 １０８ 選択端子、 ２００ 電源装置、 Ｖｉｎ 入力電圧、 Ｖｏｕｔ 出力電圧、 Ｖｓｅｌ 選択信号、 Ｖｌｅｄ カソード電圧。

Claims (8)

1. 所定の定電流で駆動すべき負荷回路を駆動するための駆動電圧を生成する駆動電圧生成部と、
   前記負荷回路と直列に接続された検出抵抗を含み、前記検出抵抗での降下電圧に対応する前記負荷回路との接続点の電圧を前記駆動電圧生成部に帰還する第１帰還回路と、
   前記負荷回路と直列に、かつ前記検出抵抗と並列に接続された前記所定の定電流を生成する定電流回路を含み、該定電流回路と前記負荷回路の接続点の電圧を前記駆動電圧生成部に帰還する第２帰還回路と、
   を備え、前記駆動電圧生成部は、前記第１または第２帰還回路のうち選択された一方から帰還される電圧に基づいて前記駆動電圧を生成することを特徴とする電源装置。
2. 前記駆動電圧生成部は、
   前記第１帰還回路が選択されたとき、前記第１帰還回路から帰還される電圧が、前記所定の定電流と前記検出抵抗の積で与えられる目標値に近づくように駆動電圧を生成し、
   前記第２帰還回路が選択されたとき、前記第２帰還回路から帰還される電圧が、前記定電流回路が正常に動作するように決められた目標値に近づくように駆動電圧を生成することを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
3. 前記第１および第２帰還回路から前記駆動電圧生成部への電圧帰還経路上に設けられた可変利得増幅器をさらに備え、該可変利得増幅器は、前記駆動電圧生成部に帰還される電圧の信号レベルが、前記第１または第２帰還回路いずれが選択されたときにも略同一となるように、前記第１または第２帰還回路のいずれが選択されたかに応じてその利得を切り替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. 前記負荷回路は発光ダイオードを含み、前記検出抵抗および前記定電流回路は、前記発光ダイオードのカソード端子と接地端子間に並列に接続されることを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
5. 第１の負荷回路および前記第１の負荷回路よりも高い電圧で駆動すべき第２の負荷回路を駆動するための駆動電圧を生成する駆動電圧生成部と、
   前記第１の負荷回路と直列に接続された検出抵抗を含み、前記検出抵抗での降下電圧に対応する前記負荷回路との接続点の電圧を前記駆動電圧生成部に帰還する第１帰還回路と、
   前記第１の負荷回路と直列に、かつ前記検出抵抗と並列に接続された前記所定の定電流を生成する定電流回路を含み、該定電流回路と前記負荷回路の接続点の電圧を前記駆動電圧生成部に帰還する第２帰還回路と、
   を備え、前記駆動電圧生成部は、前記第１の負荷回路が単独で駆動される第１モードにおいては、前記第１帰還回路から帰還される電圧に基づいて前記駆動電圧を生成し、前記第１および第２の負荷回路の両方が同時に駆動される第２モードにおいては、前記第２帰還回路から帰還される電圧に基づいて前記駆動電圧を生成することを特徴とする電源装置。
6. 所定の定電流で駆動すべき第１の負荷回路および前記第１の負荷回路よりも高い電圧で駆動すべき第２の負荷回路を駆動するための駆動電圧を生成する駆動電圧生成部と、
   前記第１の負荷回路と直列に接続された検出抵抗を含み、前記検出抵抗での降下電圧に対応する前記負荷回路との接続点の電圧を前記駆動電圧生成部に帰還する第１帰還回路と、
   前記第１の負荷回路と直列に、かつ前記検出抵抗と並列に接続された前記所定の定電流を生成する定電流回路を含み、該定電流回路と前記負荷回路の接続点の電圧を前記駆動電圧生成部に帰還する第２帰還回路と、
   前記駆動電圧生成部により生成された駆動電圧を前記駆動電圧生成部に帰還する第３帰還回路と、
   を備え、前記駆動電圧生成部は、前記第１の負荷回路が単独で駆動される第１モードにおいては、前記第１帰還回路から帰還される電圧に基づいて前記駆動電圧を生成し、前記第１および第２の負荷回路の両方が同時に駆動される第２モードにおいては、前記第２帰還回路または第３帰還回路から帰還される電圧に基づいて前記駆動電圧を生成することを特徴とする電源装置。
7. 前記第１および第２帰還回路から前記駆動電圧生成部への電圧帰還経路上に設けられ、前記第１または第２帰還回路から前記駆動電圧生成部に帰還される電圧を、前記第１または第２モードで利得を切り替えて増幅することにより、いずれのモードにおいても信号レベルが略同一とされた第１帰還電圧として出力する第１増幅器と、
   前記第３帰還回路と前記駆動電圧生成部との間に設けられ、前記第３帰還回路から前記駆動電圧生成部に帰還される電圧を、前記第１増幅器から出力される第１帰還電圧の信号レベルと略同一となるように増幅して第２帰還電圧として出力する第２増幅器と、
   前記第１帰還電圧と第２帰還電圧のうち、低い方を選択して出力する最小値回路と、
   をさらに備え、前記駆動電圧生成部は、前記最小値回路の出力に基づいて前記駆動電圧を生成することを特徴とする請求項６に記載の電源装置。
8. 負荷回路の一端に所定の駆動電圧を出力する駆動電圧生成部と、
   前記負荷回路の他端と基準電圧との間に接続された帰還回路と、
   前記負荷回路と前記帰還回路との接続点の電圧を前記電源電圧生成回路に帰還して前記出力電圧の値を制御するための出力制御回路と、
   を備え、前記帰還回路は、定電流回路または抵抗回路の一方が選択可能に形成されていることを特徴とする電源装置。

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