JP2009027880A

JP2009027880A - 負電源装置

Info

Publication number: JP2009027880A
Application number: JP2007190901A
Authority: JP
Inventors: Shigeyuki Yamakita; 滋之山北; Toshinori Fukazawa; 敏則深澤
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2007-07-23
Filing date: 2007-07-23
Publication date: 2009-02-05

Abstract

【課題】簡易な構成で、高い電圧変換効率を実現できる負電源装置を提供する。
【解決手段】基準電源１０と、第１の充電用コンデンサ１２と、第２の充電用コンデンサ１３と、スイッチ１〜スイッチ７までの７つのスイッチと、出力用コンデンサ１１と、スイッチのＯＮ／ＯＦＦを制御するスイッチドライブ回路部８とを備え、スイッチのＯＮ／ＯＦＦ制御により、充電用コンデンサを直列接続と並列接続を交互に繰り替える構成とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、負電源装置に関し、特に、電力効率が良く、任意の電圧を出力する簡易な構成の負電源装置に関するものである。

近年、携帯電話等のモバイル機器において、負電源の需要が増加しつつある。このような現状により、モバイル機器に適した高効率な負電源が求められている。

負電源装置としては、基準電源を作り、その電圧を反転する形式が一般的である。図６は反転型の従来の負電源装置を示している。電源９より基準電源１０を生成する。スイッチ１４とスイッチ１５をＯＮ状態、スイッチ１６とスイッチ１７をＯＦＦ状態にすることで、充電用コンデンサ１８に電荷を充電する。

次にスイッチ１４とスイッチ１５をＯＦＦ状態、スイッチ１６とスイッチ１７をＯＮ状態にすることで、充電用コンデンサ１８に逐電された電荷を出力用コンデンサ１１に給電する。この一連の動作を連続して行うことで、基準電源１０を反転した負電圧が出力用コンデンサ１１に逐電される。

なお、このスイッチ１４、スイッチ１５、スイッチ１６、スイッチ１７のＯＮ／ＯＦＦ動作は、スイッチドライブ回路部８Ｃにより周期的に制御される。

ところで、基準電源を反転して負電圧を生成する以外の従来の負電源装置の一例としては、単に電源を反転して負電圧を生成するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

さらに、電源を反転して負電圧を生成し、出力電圧を他の基準電圧と比較して、充電用コンデンサおよび出力用コンデンサの電荷転送速度を制御し、出力電圧の安定化を図るものが知られている（例えば、特許文献２参照）。

特願平５−２０４３３７号公報特願２００５−３１２１６９号公報

しかしながら、図６の反転型の負電源装置は、電源８より基準電源１２を生成し、その出力を反転することで負電圧を生成していた。基準電源１２をレギュレータで構成し、たとえば電源９の電圧が３．６Ｖで、基準電源１０の出力電圧を１．２Ｖと仮定すると、その効率は約３３％（＝１．２Ｖ／３．６Ｖ）である。負電源装置の負荷が負電源回路装置の動作電流より十分大きいと仮定すると、負電源装置全体の効率は約３０％となり、モバイル機器としては低い電圧変換効率となってしまう。

また、特許文献１のような電源を反転するだけの負電源装置では出力電圧が、電源により変動してしまうことになる。

また、特許文献２のように、電源を反転して負電圧を生成し、出力電圧を他の基準電圧と比較して、充電用コンデンサおよび出力用コンデンサの電荷転送速度を制御し、出力電圧の安定化を図る負電源装置では、スイッチを駆動するドライバ回路部の制御が複雑になってしまう。

本発明の負電源装置は、上記事情を鑑みてされたものであって、簡易な構成で、高い電圧変換効率を実現できる負電源装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の第１の負電源装置は、電源から供給される正極性電圧を反転して負極性電圧を生成する負電源装置であって、第１の期間に前記電源と接地間に直列に接続されて前記正極性電圧が充電される複数の充電用コンデンサと、第２の期間に前記複数の充電用コンデンサの各々と並列に接続されて前記負極性電圧が充電される出力用コンデンサと、を有する構成としている。

この構成によれば、第１の期間に直列接続された複数の充電用コンデンサに正極性電圧が充電され、第２の期間に複数の充電用コンデンサの各々が出力用コンデンサと並列に接続され、出力用コンデンサに負極性電圧が充電されるので、簡易な構成で電圧変換効率を向上することができる。

また、本発明の第２の負電源装置は、前記正極性電圧がＶであり、前記充電用コンデンサがｎ個の場合、前記負極性電圧は、−Ｖ／ｎとなる構成としている。

この構成によれば、ｎ個の充電用コンデンサを直列接続して充電した後、並列に接続して出力用コンデンサに給電することで、正極性電圧の−１／ｎ倍の負電圧を容易に提供することができる。

また、本発明の第３の負電源装置は、前記電源に一端が接続される第１のスイッチと、前記第１のスイッチの他端と一端が接続され、他端が接地される第２のスイッチと、前記第１のスイッチの他端および第２のスイッチの一端と一端が接続される第１の充電用コンデンサと、前記第１の充電用コンデンサの他端に一端が接続される第３のスイッチと、前記第３のスイッチの他端と一端が接続され、他端が接地される第４のスイッチと、前記第３のスイッチの他端および前記第４のスイッチの一端と一端が接続される第２の充電用コンデンサと、前記第２の充電用コンデンサの他端と一端が接続され、他端が接地される第５のスイッチと、前記第２の充電用コンデンサの他端および前記第５のコンデンサの一端と一端が接続される第６のスイッチと、前記第１の充電用コンデンサの他端および前記第３のスイッチの一端と一端が接続され、前記第６のスイッチの他端と他端が接続される第７のスイッチと、前記第６のスイッチの他端および前記第７のスイッチの他端と一端が接続され、他端が接地される出力用コンデンサと、前記第１から第７のスイッチを制御するスイッチドライブ回路部と、を有する構成としている。

この構成によれば、２個の充電用コンデンサを直列に充電した後、並列に接続して出力用コンデンサに給電することにより、第１の充電用コンデンサと第２の充電用コンデンサが等しい容量である場合、第１のスイッチから第７のスイッチまでの７つのスイッチを適切にオン／オフ制御することで、電源の出力電圧であるＶｉの電圧の−０．５倍の負電圧を出力電圧Ｖｏに供給することが可能である。

また、本発明の第４の負電源装置は、前記電源に接続されて前記正極性電圧を生成する基準電源を有する構成としている。

この構成によれば、例えば、３．６Ｖの電源から−１．２Ｖの負極性電圧を生成する場合、基準電源の出力電圧は２．４Ｖに設定すればよいので、出力に接続される負荷に流れる電流が、スイッチドライブ回路部の自己消費電流と第１のスイッチから第７のスイッチまでの７つのスイッチのスイッチングロスの合計より十分に大きかった場合、電圧変換効率は約６７％（＝２．４Ｖ／３．６Ｖ）となり、高い電圧変換効率を実現可能である。

また、本発明の第５の負電源装置は、前記スイッチドライブ回路部は、前記第１の期間に前記第１、第３および第５のスイッチをオンにするとともに前記第２、第４、第６および第７のスイッチをオフとし、前記第２の期間に前記第１、第３および第５のスイッチをオフにするとともに前記第２、第４、第６および第７のスイッチをオンとする構成としている。

この構成によれば、第１の期間に第１および第２の充電用コンデンサを直列に充電し、第２の期間に第１および第２の充電用コンデンサを並列に接続して出力用コンデンサに給電するので、簡易な構成で電圧変換効率を向上することができる。

以上のように本発明は、簡易な構成で、高い電圧変換効率を実現できる。例えば、充電用コンデンサを２つ用いた場合、従来の負電源装置に比べ、２倍の高効率な負電源装置を提供できる。また、ｎ個の充電用コンデンサを用意することで、−１／ｎ倍の負電源装置を容易に提供できる。

以下、本発明の実施形態に係る負電源装置について、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る負電源装置１００の構成の一例を示すブロック図である。図１に示した負電源装置１００は、電源９と、基準電源１０と、一方が基準電源１０にもう一方が第１の充電用コンデンサ１２とスイッチ４に接続される第１のスイッチ１と、一方がＧＮＤにもう一方が第１の充電用コンデンサ１２とスイッチ１に接続される第２のスイッチ４と、一方がスイッチ１とスイッチ４にもう一方がスイッチ２とスイッチ５に接続される第１の充電用コンデンサ１２と、一方が第１の充電用コンデンサ１２とスイッチ５にもう一方が第２の充電用コンデンサ１３とスイッチ６に接続される第３のスイッチ２と、一方がスイッチ２とスイッチ６にもう一方がスイッチ３とスイッチ７に接続される第２の充電用コンデンサ１３と、一方が第１の充電用コンデンサ１２とスイッチ２にもう一方が出力用コンデンサ１１とスイッチ７に接続される第７のスイッチ５と、一方が第２の充電用コンデンサ１３とスイッチ２にもう一方がＧＮＤに接続される第４のスイッチ６と、一方が第２の充電用コンデンサ１３とスイッチ７にもう一方がＧＮＤに接続される第５のスイッチ３と、一方が第２の充電用コンデンサ１３とスイッチ３にもう一方が出力用コンデンサ１１とスイッチ５に接続される第６のスイッチ７と、出力用コンデンサ１１と、スイッチ１、スイッチ２、スイッチ３、スイッチ４、スイッチ５、スイッチ６、スイッチ７を周期的にＯＮ／ＯＦＦ制御するスイッチドライブ回路部８を有して構成される。

以上のように構成された本発明の第１の実施形態に係る負電源装置１００の動作の一例について、以下に説明する。

まず初期状態は、スイッチドライブ回路部７により、スイッチ１、スイッチ２、スイッチ３をＯＮ、スイッチ４、スイッチ５、スイッチ６、スイッチ７をＯＦＦ状態とする。このとき、第１の充電用コンデンサ１２と第２の充電用コンデンサ１３は直列に接続され、基準電源１０の出力電圧で充電される。

次に、図２に示すように、スイッチドライブ回路部７により、スイッチ１、スイッチ２、スイッチ３をＯＦＦ、スイッチ４、スイッチ５、スイッチ６、スイッチ７をＯＮ状態とする。すると、第１の充電用コンデンサ１２と出力用コンデンサ１１、第２の充電用コンデンサ１３と出力用コンデンサ１１が並列接続され、第１の充電用コンデンサ１２および第２の充電用コンデンサ１３のマイナスの電荷が出力用コンデンサ１１に移動する。

上記の動作を繰り返すと、出力用コンデンサ１１の電位は基準電源１０の−１／２倍の負電圧に充電されていく。ここでは、充電用コンデンサが２つの場合を明記したが、直列にｎ個の充電用コンデンサに充電した後に、ｎ個の充電用コンデンサを負電圧になるように並列接続する構成とすることで、基準電源の−１／ｎ倍の電圧の負電源装置も可能である。

このような負電源装置１００によれば、２個の充電用コンデンサ１２，１３を直列に充電した後、並列に接続して出力用コンデンサ１１に給電することにより、第１の充電用コンデンサ１２と第２の充電用コンデンサ１３が等しい容量である場合、第１のスイッチ１から第７のスイッチ５までの７つのスイッチを適切にオン／オフ制御することで、基準電源１０の出力電圧であるＶｉの電圧の−０．５倍の負電圧を出力電圧Ｖｏに供給することが可能である。

図３は、負電源装置１００と従来の負電源装置の消費電流を比較するグラフを示す。

従来の負電源装置では、負荷が負電源回路装置の動作電流より十分大きい場合に、電源の電圧が３．６Ｖで、基準電源の出力電圧を１．２Ｖと仮定すると、その効率は約３３％（＝１．２Ｖ／３．６Ｖ）となり、モバイル機器としては低い電圧変換効率となってしまう。これに対し、負電源装置１００によれば、３．６Ｖの電源から−１．２Ｖの負極性電圧を生成する場合、基準電源の出力電圧は２．４Ｖに設定すればよいので、出力に接続される負荷に流れる電流が、スイッチドライブ回路部８の自己消費電流と第１のスイッチ１から第７のスイッチ５までの７つのスイッチのスイッチングロスの合計より十分に大きい場合、本実施形態の負電源装置の効率は約６７％（＝２．４Ｖ／３．６Ｖ）となり、高効率を実現できる。

なお、回路の消費電流は回路規模が小さい方が有利であり、スイッチが多くてもスイッチのサイズを小さくすることで消費電流を軽減することができる。

（第２の実施形態）
図４は、本発明の第２の実施形態に係る負電源装置２００の構成の一例を示すブロック図である。本実施形態では、３個の充電用コンデンサを並列接続する構成とすることで、基準電源の−１／３倍の負電圧を生成する。なお、図４は、第１の期間におけるスイッチ状態を示し、図５は、第２の期間におけるスイッチ状態を示す。

すなわち、本実施形態の負電源装置２００は、電源９と、電源９に接続される基準電源１０と、基準電源１０に一端が接続される第１のスイッチ１と、第１のスイッチ１の他端と接地間に接続される第２のスイッチ４と、第１のスイッチ１の他端に一端が接続される第１の充電用コンデンサ１２と、第１の充電用コンデンサ１２の他端に一端が接続される第３のスイッチ２と、第３のスイッチ２の他端と接地間に接続される第４のスイッチ６と、第３のスイッチ２の他端に一端が接続される第２の充電用コンデンサ１３と、第２の充電用コンデンサ１３の他端に一端が接続される第５のスイッチ７と、第５のスイッチ７の他端と接地間に接続される第６のスイッチ２６と、第５のスイッチ７の他端に一端が接続される第３の充電用コンデンサ２３と、第３の充電用コンデンサ２３の他端と接地間に接続される第７のスイッチ２４と、第３の充電用コンデンサ２３の他端に一端が接続される第８のスイッチ２７と、第１の充電用コンデンサ１２の他端と第８のスイッチ２７の他端間に接続される第９のスイッチ５と、第２の充電用コンデンサ１３の他端と第８のスイッチ２７の他端間に接続される第１０のスイッチ２５と、第１から第１０のスイッチ１，４，２，６，７，２６，２４，２７，５，２５を制御するスイッチドライブ回路部８Ｂと、を有して構成される。また、出力用コンデンサ１１は、第８のスイッチ２７の他端と接地間に接続される。

また、本実施形態の負電源装置２００において、スイッチドライブ回路部８は、第１の期間に第１、第３、第５および第７のスイッチ１，２，７，２４をオンにするとともに第２、第４、第６、第８、第９および第１０のスイッチ４，６，２６，２７，５，２５をオフとし、第２の期間に第１、第３、第５および第７のスイッチ１，２，７，２４をオフにするとともに第２、第４、第６、第８、第９および第１０のスイッチ４，６，２６，２７，５，２５をオンとする。

負電源装置２００によれば、第１の期間に直列接続された３個の充電用コンデンサ１２，１３，２３に正極性電圧が充電され、第２の期間に３個の充電用コンデンサ１２，１３，２３の各々が出力用コンデンサ１１と並列に接続され、出力用コンデンサ１１に負極性電圧が充電されるので、簡易な構成で電圧変換効率を向上することができる。

本発明は、電力効率が良く、基準電源出力の−１／２倍もしくは−１／ｎ倍の負電圧を生成する負電源装置等として有用である。

本発明の実施形態にかかる負電源装置の実施方法の一例を示した説明図本発明の実施形態にかかる負電源装置の実施方法の一例を示した説明図本発明の実施形態にかかる負電源装置の消費電流の一例を示した説明図本発明の実施形態にかかる負電源装置の実施方法の一例を示した説明図本発明の実施形態にかかる負電源装置の実施方法の一例を示した説明図従来の負電源装置の一例を示した説明図

符号の説明

１００、２００負電源装置
１〜７，１４〜１７，２４，２５，２６，２７スイッチ
８、８Ｂ、８Ｃスイッチドライブ回路部
９電源
１０基準電源
１１出力用コンデンサ
１２，１３，１８，２３充電用コンデンサ

Claims

電源から供給される正極性電圧を反転して負極性電圧を生成する負電源装置であって、
第１の期間に前記電源と接地間に直列に接続されて前記正極性電圧が充電される複数の充電用コンデンサと、
第２の期間に前記複数の充電用コンデンサの各々と並列に接続されて前記負極性電圧が充電される出力用コンデンサと、
を有する負電源装置。
請求項１に記載の負電源装置であって、
前記正極性電圧がＶであり、前記充電用コンデンサがｎ個の場合、
前記負極性電圧は、−Ｖ／ｎとなる負電源装置。
請求項１に記載の負電源装置であって、
前記電源に一端が接続される第１のスイッチと、
前記第１のスイッチの他端と一端が接続され、他端が接地される第２のスイッチと、
前記第１のスイッチの他端および第２のスイッチの一端と一端が接続される第１の充電用コンデンサと、
前記第１の充電用コンデンサの他端に一端が接続される第３のスイッチと、
前記第３のスイッチの他端と一端が接続され、他端が接地される第４のスイッチと、
前記第３のスイッチの他端および前記第４のスイッチの一端と一端が接続される第２の充電用コンデンサと、
前記第２の充電用コンデンサの他端と一端が接続され、他端が接地される第５のスイッチと、
前記第２の充電用コンデンサの他端および前記第５のコンデンサの一端と一端が接続される第６のスイッチと、
前記第１の充電用コンデンサの他端および前記第３のスイッチの一端と一端が接続され、前記第６のスイッチの他端と他端が接続される第７のスイッチと、
前記第６のスイッチの他端および前記第７のスイッチの他端と一端が接続され、他端が接地される出力用コンデンサと、
前記第１から第７のスイッチを制御するスイッチドライブ回路部と、
を有する負電源装置。
請求項３に記載の負電源装置であって、更に、
前記電源に接続されて前記正極性電圧を生成する基準電源を有する負電源装置。
請求項３または４に記載の負電源装置であって、
前記スイッチドライブ回路部は、
前記第１の期間に前記第１、第３および第５のスイッチをオンにするとともに前記第２、第４、第６および第７のスイッチをオフとし、
前記第２の期間に前記第１、第３および第５のスイッチをオフにするとともに前記第２、第４、第６および第７のスイッチをオンとする負電源装置。