JP2007189771A - 電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＤＣ／ＤＣコンバータを用いた電源装置において、軽負荷時にＤＣ／ＤＣコンバータの入出力間を短絡させても電池電圧の瞬間的な低下が発生することなく、電池容量を全て使い切るまで動作させることができるようにする。
【解決手段】ＤＣ／ＤＣコンバータ２の入出力間に並列にＦＥＴＱ２を接続し、このＦＥＴＱ２のゲート信号を緩やかに変化させる時定数回路５１を設ける。そして、軽負荷時のＤＣ／ＤＣコンバータ２の入出力間の短絡時に、ＦＥＴＱ２を高抵抗状態から低抵抗状態を経て緩やかに短絡状態にする。
【選択図】図１

Description

本発明は、降圧型スイッチング電源を有する電源装置に関し、特にスルーモード付きＤＣ／ＤＣコンバータを用いた電源装置に関する。

従来、携帯機器のように電池で動作する電子機器においては、当該電子機器の電源電圧を安定化させるために、一般に電源装置を設けて電源電圧の制御が行われている。この電源装置が、ＬＤＯ（Low Dropout Voltage Regulator；低ドロップアウト・リニア・レギュレータ）を含むシリーズレギュレータ（リニアレギュレータ）の場合、入力電圧である電池電圧と出力電圧との電圧差で電力が消費される。したがって、電池電圧と上記電子機器の電源電圧の差が大きいときは、シリーズレギュレータでの入出力電圧差による消費電力が大きくなり、電池のエネルギーを有効に使用することができない。例えば、シリーズレギュレータの出力電圧が入力電圧の半分以下となった場合は、負荷である制御回路の消費電力よりシリーズレギュレータを用いた電源回路での消費電力の方が大きくなってしまう。

このため、電池とシリーズレギュレータ（特にＬＤＯ）との間に電圧変換効率の高い（変換によるエネルギロスの少ない）ＤＣ／ＤＣコンバータを挿入し、シリーズレギュレータ（特にＬＤＯ）の入出力電圧差を小さくして、電源回路での消費電力を抑えることにより、携帯機器の動作時間の改善を図ることが行われている。しかし、負荷回路としての上記電子機器に流れる負荷電流が大きいときは動作時間の改善を図ることができるが、軽負荷時には、ＤＣ／ＤＣコンバータの消費電流が負荷電流より大きくなり、ＤＣ／ＤＣコンバータがないシリーズレギュレータだけの電源回路の方が有利となる。

そこで、ＤＣ／ＤＣコンバータを用いた電源回路において、ＤＣ／ＤＣコンバータの入出力間を短絡する短絡回路を設け、軽負荷時にＤＣ／ＤＣコンバータの入出力間を短絡するとともにＤＣ／ＤＣコンバータを停止させ、シリーズレギュレータのみの動作に切り替えることにより自身の消費電流を下げることが可能なスルー（短絡）モード付きのＤＣ／ＤＣコンバータを構成し、電子機器の待機時間の改善を図ることが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

図３はこのような従来のＤＣ／ＤＣコンバータを用いた電源装置の回路構成を示す図である。この電源装置は、入力端子Ｔ１からの電池（バッテリー）１の電池電圧Ｖｂを直流−直流変換するＤＣ／ＤＣコンバータ２及びＬＤＯ３からなる電源回路を有し、出力端子Ｔ２から負荷である携帯機器の制御回路４に電源電圧を供給するものである。

ＤＣ／ＤＣコンバータ２は、ＰチャネルのＦＥＴＱ１、インダクタＬ１、出力コンデンサＣ２及びダイオードＤ１により降圧型スイッチング電源を構成し、制御ＩＣ２１を有している。Ｃ１，Ｃ３は平滑用のコンデンサである。

また、ＤＣ／ＤＣコンバータ２には、ＤＣ／ＤＣコンバータ２の入出力間を短絡するためのＦＥＴＱ２を有した短絡回路１０が接続されており、合わせてスルーモード付きのＤＣ／ＤＣコンバータが構成されている。ＦＥＴＱ２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２の入出力間に接続され、ゲート端子にはＮチャネルのＦＥＴＱ１１が接続されている。このＦＥＴＱ１１のゲート端子には、制御回路４からの制御信号ＣＥがインバータＱ１２を介して入力される。Ｒ１１は抵抗である。

図４は図３に示す従来の電源装置の各部の出力波形を示す図である。ここでは、制御回路４の制御信号ＣＥ、ＦＥＴＱ２のゲート信号Ｖｇ、ＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力端子の電圧Ｖｏ、ＦＥＴＱ２を介して出力コンデンサＣ２に流れる電流Ｉｃ、及び電池１の電池電圧Ｖｂを示している。なお、出力電流が過大でないときの電池電圧Ｖｂ＝４Ｖ，ＤＣ／ＤＣコンバータ２が動作しているＤＣ／ＤＣモードのときのＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力電圧＝２Ｖ，ＬＤＯ３の出力電圧＝１．５Ｖとしている。

上記のように構成された電源装置においては、短絡回路１０のＦＥＴＱ２はゲート端子が抵抗Ｒ１１によりプルアップされ、ＦＥＴＱ１１により駆動される。ＦＥＴＱ１１のゲートは、制御回路４からの制御信号ＣＥをインバータＱ１２により反転された信号により駆動される。そして、ＦＥＴＱ２は、ＦＥＴＱ１１のゲート信号がＨ（高レベル）のときにオン（導通）となり、このときＤＣ／ＤＣコンバータ２の入出力間が短絡状態となる。なお、ＤＣ／ＤＣモードでは制御回路４から出力される制御信号ＣＥがＨ（１．５Ｖ）となっていて、ＤＣ／ＤＣコンバータ２が動作しているとともにＦＥＴＱ２がオフ（遮断）しているので電圧Ｖｏは２Ｖとなり、スルーモードでは制御信号ＣＥがＬ（０Ｖ）となっていて、ＤＣ／ＤＣコンバータ２の動作が停止するとともにＦＥＴＱ２がオンしているので電圧Ｖｏは４Ｖとなる。

したがって、制御回路４が軽負荷のときは制御信号ＣＥをＬにすることによりＤＣ／ＤＣコンバータ２の入出力間を短絡し、電池の消耗を低減させて携帯機器の動作時間の改善を図ることができる。なお、ＤＣ／ＤＣコンバータ２内部の制御ＩＣ２１のＣＥ端子への入力信号がＬ（低レベル）で、ＤＣ／ＤＣコンバータ２が動作する場合は、制御信号ＣＥを直接ＦＥＴＱ１１のゲート端子に入力することで、インバータＱ１２は不要となる。
特開平５−３８１３８号公報

ところで、上記のような従来の電源装置においては、軽負荷時にＤＣ／ＤＣコンバータ２の入出力間をＦＥＴＱ２で短絡させた瞬間、ＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力コンデンサＣ２に電池電圧Ｖｂが印加されて、図４のＩｃの波形に示すように出力コンデンサＣ２への充電突入電流が発生し、電池電圧Ｖｂが一瞬低下するという現象が発生する。

そして、この現象が電池電圧Ｖｂが低いとき、すなわち電池残量が少ないときに発生すると、制御回路４はこの電圧低下を図示しない手段により検知して電池残量がなくなったと判断してしまい、携帯機器の電源をオフ（ＯＦＦ）にする。このため、電池容量を全て使い切ることができないという問題点がある。

本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、軽負荷時にＤＣ／ＤＣコンバータの入出力間を短絡させても電池電圧の瞬間的な低下が発生することなく、電池容量を全て使い切るまで動作させることができる電源装置を提供することを目的とする。

本発明では上記課題を解決するために、ＤＣ／ＤＣコンバータを用いた電源装置において、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの入出力間に並列に接続されたスイッチ素子と、前記スイッチ素子を高抵抗状態から低抵抗状態を経て緩やかに短絡状態にする短絡制御回路と、を備えたことを特徴とする電源装置が提供される。

このような電源装置によれば、ＤＣ／ＤＣコンバータの入出力間に接続されたスイッチ素子を高抵抗状態から低抵抗状態を経て緩やかに短絡状態にするので、軽負荷時にＤＣ／ＤＣコンバータの入出力間を短絡させても電池電圧の瞬間的な低下が発生することなく、電池容量を全て使い切るまで動作させることができる。

また、本発明では、出力にＬＤＯなどのシリーズレギュレータを接続して総合的に変換効率を向上させることのできる電源装置が提供される。

本発明の電源装置は、ＤＣ／ＤＣコンバータの入出力間に接続されたスイッチ素子を高抵抗状態から低抵抗状態を経て緩やかに短絡状態にするため、軽負荷時にＤＣ／ＤＣコンバータの入出力間を短絡させても電池電圧の瞬間的な低下が発生することなく、電池容量を全て使い切るまで動作させることができるという利点がある。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は本発明の実施の形態のＤＣ／ＤＣコンバータを用いた電源装置の回路構成を示す図である。この電源装置は、図３に示す従来のものと同様、電池１の電池電圧Ｖｂを直流−直流変換するＤＣ／ＤＣコンバータ２及びＬＤＯ３からなる電源回路を有し、負荷である携帯機器の制御回路４に電源電圧を供給するものである。

ＤＣ／ＤＣコンバータ２は、ＰチャネルのＦＥＴＱ１、インダクタＬ１、出力コンデンサＣ２及びダイオードＤ１により降圧型スイッチング電源を構成し、フィードバック（ＦＢ）制御によりＦＥＴＱ１を駆動する制御ＩＣ２１を有している。Ｔ１は入力端子、Ｔ２は出力端子、Ｃ１，Ｃ３は平滑用のコンデンサである。

また、ＤＣ／ＤＣコンバータ２には、ＤＣ／ＤＣコンバータ２の入出力間を短絡するためのスイッチ素子であるＰチャネルのＦＥＴＱ２を有した短絡回路５が接続され、合わせてスルーモード付きのＤＣ／ＤＣコンバータが構成されている。ＦＥＴＱ２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２の入出力間に並列に接続され、ゲート端子は時定数回路５１に接続されている。この時定数回路５１は、抵抗Ｒ１とコンデンサＣ４からなるＣＲ時定数回路の出力によりＦＥＴＱ２のゲート電圧を緩やかに変化させて、ＦＥＴＱ２を高抵抗状態から低抵抗状態を経て緩やかに短絡状態にする短絡制御回路として設けられている。Ｄ２は抵抗Ｒ１と並列に接続されたダイオードである。

上記時定数回路５１には、制御回路４からの制御信号ＣＥがレベル変換回路５２を通して入力される。このレベル変換回路５２は、制御信号ＣＥをＦＥＴＱ２のソース端子電圧である電池電圧レベルの信号に変換するもので、図では演算増幅器ＩＣ１と閾値設定用の抵抗Ｒ２，Ｒ３で構成した例を示しているが、レベル変換ＩＣなどを用いてもよい。

図２は図１に示す本実施の形態の電源装置の各部の出力波形を示す図である。ここでは、ＤＣ／ＤＣコンバータ２のＤＣ／ＤＣモード及びスルーモード時における制御回路４から出力される制御信号ＣＥ、ＦＥＴＱ２のゲート信号Ｖｇ、ＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力端子の電圧Ｖｏ、ＦＥＴＱ２を介して出力コンデンサＣ２に流れる電流Ｉｃ、及び電池１の電池電圧Ｖｂ（定格は通常３〜４．２Ｖ）を示している。なお、出力電流が過大でないときの電池電圧Ｖｂ＝４Ｖ，ＤＣ／ＤＣモードのときのＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力電圧＝２Ｖ，ＬＤＯ３の出力電圧＝１．５Ｖとしている。

本実施の形態の電源装置では、ＤＣ／ＤＣコンバータ２の入出力間の短絡回路５に、瞬間的に短絡させないための時定数回路５１を追加し、電池１からの電流が徐々に増加するように制御し、出力コンデンサＣ２への突入電流を制限して、電池電圧の瞬間的な低下が発生しないようにしている。

すなわち、制御回路４が軽負荷になって制御信号ＣＥがＬになると、ＤＣ／ＤＣコンバータ２はその動作が停止されるとともに入出力間が短絡される。このとき、レベル変換回路５２の出力もＬに変わるが、ＦＥＴＱ２のゲート端子電圧Ｖｇは、時定数回路５１のコンデンサＣ４に蓄えられた電荷が抵抗Ｒ１を通して放電されるため、緩やかに低下する。これにより、ＦＥＴＱ２のオン（ＯＮ）抵抗が高抵抗状態から低抵抗状態に緩やかに変化して短絡状態に至る。

以上の動作により、ＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力コンデンサＣ２の充電電流は、ＦＥＴＱ２のオン抵抗に制限されながら出力コンデンサＣ２を充電するため、充電突入電流を防ぐことができる。したがって、図２に示すように、軽負荷時にＤＣ／ＤＣコンバータ２の入出力間を短絡させても電池電圧Ｖｂの瞬間的な低下が発生することなく、電池容量を全て使い切るまで動作させることができる。

なお、制御回路４の負荷が増える場合は、制御信号ＣＥがＨに切り替わり、ＤＣ／ＤＣコンバータ２が動作を開始するが、このときＦＥＴＱ２のゲート端子電圧Ｖｇは、レベル変換回路５２の出力がダイオードＤ１を通してコンデンサＣ４を充電するので、時定数による遅延なしにＨに切り替わる。このため、ＦＥＴＱ２は直ぐにオフ（遮断）に切り替わり、ＤＣ／ＤＣコンバータ２の動作（出力）には影響を与えない。

本発明の実施の形態の電源装置の回路構成を示す図である。 本実施の形態の電源装置の各部の出力波形を示す図である。 従来の電源装置の回路構成を示す図である。 従来の電源装置の各部の出力波形を示す図である。

符号の説明

１ 電池
２ ＤＣ／ＤＣコンバータ
３ ＬＤＯ
４ 制御回路
５ 短絡回路
２１ 制御ＩＣ
５１ 時定数回路
５２ レベル変換回路
Ｃ１，Ｃ３，Ｃ４ コンデンサ
Ｃ２ 出力コンデンサ
Ｄ１，Ｄ２ ダイオード
ＩＣ１ 演算増幅器
Ｌ１ インダクタ
Ｑ１，Ｑ２ ＦＥＴ
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３ 抵抗

Claims (4)

1. ＤＣ／ＤＣコンバータを用いた電源装置において、
   前記ＤＣ／ＤＣコンバータの入出力間に並列に接続されたスイッチ素子と、
   前記スイッチ素子を高抵抗状態から低抵抗状態を経て緩やかに短絡状態にする短絡制御回路と、を備えたことを特徴とする電源装置。
2. 前記スイッチ素子は、ＦＥＴからなり、
   前記短絡制御回路は、前記ＦＥＴのゲート信号を緩やかに変化させる時定数回路からなることを特徴とする請求項１記載の電源装置。
3. 出力にシリーズレギュレータの入力が接続されていることを特徴とする請求項１または２記載の電源装置。
4. 前記シリーズレギュレータがＬＤＯ（ロー・ドロップ・レギュレータ）であることを特徴とする請求項３記載の電源装置。
   

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