JP2009038850A

JP2009038850A - 負電源装置

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Publication number: JP2009038850A
Application number: JP2007198502A
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: 2007-07-31
Filing date: 2007-07-31
Publication date: 2009-02-19

Abstract

【課題】電子機器において、高効率で簡素な構成の負電源装置を提供する。
【解決手段】電源８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１００であって、電源８に一端が接続されるスイッチ１と、スイッチ１の他端と一端が接続され、他端が接地されるスイッチ３と、スイッチ１の他端およびスイッチ３の一端が接続される充電用コンデンサ５と、充電用コンデンサ５の他端と一端が接続され、他端が接地されるスイッチ４と、充電用コンデンサ５の他端およびスイッチ４の一端に一端が接続されるスイッチ２と、スイッチ２の他端と一端が接続され、他端が接地され、負極性電圧を生成する出力用コンデンサ６と、負極性電圧に応じて、スイッチ１〜４を制御するスイッチドライブ回路部７を有して構成される。
【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５は従来の反転型の負電源装置の一例を示した図である。電源８より基準電源１２を生成する。スイッチ１とスイッチ４をＯＮ状態、スイッチ２とスイッチ３をＯＦＦ状態にすることで、充電用コンデンサ５に電荷を充電する。

次に、スイッチ１とスイッチ４をＯＦＦ状態、スイッチ２とスイッチ３をＯＮにすることで、充電用コンデンサ５に逐電された電荷を出力用コンデンサ６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１２を反転した負電圧が出力用コンデンサ６に逐電される。なお、このスイッチ１、スイッチ２、スイッチ３、スイッチ４のＯＮ／ＯＦＦ動作は、スイッチドライブ回路部７０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）。

特開平７−０５９３３６号公報特開２００５−３１２１６９号公報

しかしながら、図５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８の電圧が３．６Ｖで、基準電源１２の出力電圧を１．２Ｖと仮定すると、その効率は３０％（＝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可能性がある。

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可能性がある。

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、常にＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ４がＯＮ／ＯＦＦ動作を繰り返すため、スイッチングロスが大きくなってしまい、電圧変換効率が低くなってしまう可能性がある。

本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであって、出力電圧に応じてスイッチのＯＮ／ＯＦＦを制御することで安定した負電圧を生成す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、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前記第２のスイッチの一端が接続される充電用コンデンサと、前記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３のスイッチと、前記充電用コンデンサの他端および前記第３のスイッチの一端に一端が接続される第４のスイッチと、前記第４のスイッチの他端と一端が接続され、他端が接地され、前記負極性電圧を生成する出力用コンデンサと、前記負極性電圧に応じて、前記第１から第４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。

この構成により、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の自己消費電流と第１のスイッチ、第２のスイッチ、第３のスイッチ、第４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、当該負電源装置の効率は約１００%となり、高効率な負電源装置を提供することが可能である。また、充電用コンデンサと出力用コンデンサの容量比をかえることで、出力電圧波形に現れるリップル電圧の大きさや出力の電流能力を容易に調整することが可能である。

また、本発明の第２の負電源装置は、前記スイッチドライブ回路部が、前記第１および第３のスイッチをオンにするとともに前記第２および第４のスイッチをオフとする第１状態と、前記第１および第３のスイッチをオフにするとともに前記第２および第４のスイッチをオンとする第２状態とを反復し、前記負極性電圧が第１の閾値電圧以下となる場合に、前記第１状態で前記反復を停止し、前記負極性電圧が前記第１の閾値電圧より高い第２の閾値電圧以上になる場合に、前記反復を再開する構成としている。

この構成により、スイッチドライブ回路は、負極性電圧が第１の閾値電圧以下になると第１から第４のスイッチのオンオフを第１状態で停止し、負極性電圧が第１の閾値電圧より高い第２の閾値電圧以上になると第１から第４のスイッチのオンオフを再開するので、第１から第４のスイッチのオンオフ動作が間欠的となり、スイッチングロスを小さくして電圧変換効率を向上することができる。

また、本発明の第３の負電源装置は、前記充電用コンデンサの容量を制御する容量制御部を有し、前記充電用コンデンサが、容量が可変な可変コンデンサである構成としている。

この構成により、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の自己消費電流と第１のスイッチ、第２のスイッチ、第３のスイッチ、第４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、本発明の負電源装置の効率は約１００%となり、高効率な負電源装置を提供することが可能である。また、出力電圧波形に現れるリップル電圧の大きさや出力の電流能力を容易に調整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、前記充電用コンデンサの一端に一端が接続される１つ以上の調整用スイッチと、前記調整用スイッチの他端と前記充電用コンデンサの他端間に接続される１つ以上の充電容量調整用コンデンサと、前記調整用スイッチを制御する調整用スイッチ制御部とを有する構成としている。

本発明は、出力電圧に応じてスイッチのＯＮ／ＯＦＦを制御することで安定した負電圧を生成することが可能である。例えば、出力に接続される記述されていない負荷に流れる電流が、スイッチドライブ回路の自己消費電流と第１のスイッチ、第２のスイッチ、第３のスイッチ、第４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、本発明の負電源装置の効率は約１００％となり、高効率な負電源装置を提供するものである。

また、出力用コンデンサに電荷を供給する充電用コンデンサの容量、および充電用コンデンサとその充電用コンデンサにスイッチ経由で並列接続される充電容量調整用コンデンサの容量の総和と、出力用コンデンサの容量の比を調整することで、出力電圧波形に現れるリップル電圧の大きさや出力の電流能力を容易に調整することが可能となる。

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８と、充電用コンデンサ５と、一方が電源８にもう一方が充電用コンデンサ５とスイッチ３に接続されるスイッチ１と、一方がＧＮＤにもう一方が充電用コンデンサ５とスイッチ１に接続されるスイッチ３と、一方が出力用コンデンサ６にもう一方が充電用コンデンサ５とスイッチ４に接続されるスイッチ２と、一方がＧＮＤにもう一方が充電用コンデンサ５とスイッチ２に接続されるスイッチ４と、出力用コンデンサ６と、出力電圧を入力としスイッチ１、スイッチ２、スイッチ３、スイッチ４のＯＮ／ＯＦＦを制御するスイッチドライブ回路部７とを有して構成される。

次に、負電源装置１００の動作の一例について、図４のタイミングチャートを参照しながら、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およびスイッチ４をＯＮ、スイッチ２およびスイッチ３をＯＦＦ状態とする。このとき、充電用コンデンサ５は電源８の電位で充電される。

続いて、スイッチドライブ回路部７により、スイッチ１およびスイッチ４をＯＦＦ、スイッチ２およびスイッチ３をＯＮ状態とする。すると、充電用コンデンサ５と出力用コンデンサ６が並列接続され、充電用コンデンサ５の電荷が出力用コンデンサ６に移動する。

このとき、充電用コンデンサ５と出力用コンデンサ６の容量比により、出力電圧のステップ幅および負荷変動による出力電圧の応答性を調整することが出来る。

上記の動作を繰り返すと出力コンデンサ６の電位はマイナス方向に充電されていく。出力電圧はスイッチドライブ回路部７に入力され、閾値電圧Ｂ以下になったことを検出すると、スイッチドライブ回路部７はスイッチングを停止する。

ここで、図示されない負荷に流れる電流により出力電圧はＧＮＤレベルに近づいていく。そこで閾値電圧Ａより電位が高くなると、スイッチドライブ回路部７により再度スイッチング動作を行い、充電用コンデンサ５の電荷を出力用コンデンサ６に供給する。ここで、閾値電圧Ａと閾値電圧Ｂは同電位でも構わない。

このような負電源装置１００によれば、出力用コンデンサ６に接続される図示されない負荷に流れる電流が、スイッチドライブ回路部７の自己消費電流と第１のスイッチ１、第２のスイッチ３、第３のスイッチ４、第４のスイッチ２のスイッチングロスの合計より十分に大きかった場合、負電源装置１００の効率は約１００%となる。また、充電用コンデンサ５と出力用コンデンサ６の容量比をかえることで、出力電圧波形に現れるリップル電圧の大きさや出力の電流能力を容易に調整することが可能である。

また、スイッチドライブ回路部７は、出力用コンデンサ６の負極性電圧が第１の閾値電圧Ｂ以下になると第１から第４のスイッチ１，３，４，２のＯＮ／ＯＦＦを停止し、負極性電圧が第１の閾値電圧Ｂより高い第２の閾値電圧Ａ以上になると第１から第４のスイッチ１，３，４，２のＯＮ／ＯＦＦを再開するので、第１から第４のスイッチ１，３，４，２のＯＮ／ＯＦＦ動作が間欠的となり、スイッチングロスを小さくして電圧変換効率を向上することができる。

（第２の実施形態）
図２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。図２に示した負電源装置２００は、電源８と、容量が可変な充電用コンデンサ５Ｂと、充電用コンデンサ５Ｂの容量を制御する制御部９と、一方が電源８にもう一方が充電用コンデンサ５Ｂとスイッチ３に接続されるスイッチ１と、一方がＧＮＤにもう一方が充電用コンデンサ５Ｂとスイッチ１に接続されるスイッチ３と、一方が出力用コンデンサ６にもう一方が充電用コンデンサ５Ｂとスイッチ４に接続されるスイッチ２と、一方がＧＮＤにもう一方が充電用コンデンサ５Ｂとスイッチ２に接続されるスイッチ４と、出力用コンデンサ６と、出力電圧を入力としスイッチ１、スイッチ２、スイッチ３、スイッチ４のＯＮ／ＯＦＦを制御するスイッチドライブ回路部７とを有して構成される。

尚、制御部９は「容量制御部」としての機能を有する。

次に、負電源装置２００の動作の一例について、図４のタイミングチャートを参照しながら、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およびスイッチ４をＯＮ、スイッチ２およびスイッチ３をＯＦＦ状態とする。このとき、充電用コンデンサ５Ｂは電源８の電位で充電される。

続いて、スイッチドライブ回路部７により、スイッチ１およびスイッチ４をＯＦＦ、スイッチ２およびスイッチ３をＯＮ状態とする。すると、充電用コンデンサ５Ｂと出力用コンデンサ６が並列接続され、充電用コンデンサ５Ｂの電荷が出力用コンデンサ６に移動する。

このとき、充電用コンデンサ５Ｂと出力用コンデンサ６の容量比により、出力電圧のステップ幅を調整することが出来る。さらに、充電用コンデンサ５Ｂの容量は、制御部９により可変することが可能であるため、図示されない負荷の電流値に応じて出力電圧のステップ幅および負荷変動による出力電圧の応答性を調整することが出来る。

上記の動作を繰り返すと出力コンデンサ６の電位はマイナス方向に充電されていく。出力電圧はスイッチドライブ回路部７に入力され、スイッチドライブ回路部７は、閾値電圧Ｂ以下になったことを検出すると、スイッチングを停止する。

ここで、図示されない負荷に流れる電流により出力電圧はＧＮＤレベルに近づいていく。そこで閾値電圧Ａより電位が高くなると、スイッチドライブ回路部７は、再度スイッチング動作を行い、充電用コンデンサ５Ｂの電荷を出力用コンデンサ６に供給する。ここで、閾値電圧Ａと閾値電圧Ｂは同電位でも構わない。

このような負電源装置２００によれば、出力用コンデンサ６に接続される図示されない負荷に流れる電流が、スイッチドライブ回路部７の自己消費電流と第１のスイッチ１、第２のスイッチ３、第３のスイッチ４、第４のスイッチ２のスイッチングロスの合計より十分に大きかった場合、負電源装置２００の効率は約１００%となる。また、充電用コンデンサ５Ｂの容量を充電用コンデンサ５Ｂの容量を制御する制御部９によって調整することで、出力電圧波形に現れるリップル電圧の大きさや出力の電流能力を容易に調整することが可能である。

また、制御部９は、負荷電流値に応じて充電用コンデンサ５Ｂの容量を可変するので、負極性電圧の変動に応じて第１から第４のスイッチ１，３，４，２のオンオフを制御することができ、安定した負極性電圧を生成することができる。

（第３の実施形態）
図３は、本発明の第３の実施形態に係る負電源装置３００の構成の一例を示すブロック図である。図３に示した負電源装置３００は、電源８と、充電用コンデンサ５と、充電用コンデンサ５と並列に接続された複数の充電容量調整用コンデンサ１１と、充電容量調整用コンデンサ１１に接続された複数のスイッチ１０と、充電容量調整用コンデンサ１１に接続された複数のスイッチ１０を制御する制御部９Ｂと、一方が電源８にもう一方が充電用コンデンサ５とスイッチ３に接続されるスイッチ１と、一方がＧＮＤにもう一方が充電用コンデンサ５とスイッチ１に接続されるスイッチ３と、一方が出力用コンデンサ６にもう一方が充電用コンデンサ５とスイッチ４に接続されるスイッチ２と、一方がＧＮＤにもう一方が充電用コンデンサ５とスイッチ２に接続されるスイッチ４と、出力用コンデンサ６と、出力電圧を入力としスイッチ１、スイッチ２、スイッチ３、スイッチ４のＯＮ／ＯＦＦを制御するスイッチドライブ回路部７とを有して構成される。

尚、制御部９Ｂは「調整用スイッチ制御部」としての機能を有する。

次に、負電源装置３００の動作の一例について、図４のタイミングチャートを参照しながら、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およびスイッチ４をＯＮ、スイッチ２およびスイッチ３をＯＦＦ状態とする。このとき、充電用コンデンサ５および充電容量調整用コンデンサ１１は電源８の電位で充電される。

続いて、スイッチドライブ回路部７により、スイッチ１およびスイッチ４をＯＦＦ、スイッチ２およびスイッチ３をＯＮ状態とする。すると、充電用コンデンサ５および充電容量調整用コンデンサ１１と出力用コンデンサ６が並列接続され、充電用コンデンサ５および充電容量調整用コンデンサ１１の電荷が出力用コンデンサ６に移動する。

このとき、充電用コンデンサ５および充電容量調整用コンデンサ１１と出力用コンデンサ６の容量比により、出力電圧のステップ幅を調整することが出来る。さらに、充電用コンデンサ５および充電容量調整用コンデンサ１１の容量の総和は、制御部９Ｂにより可変とすることが可能であるため、図示されない負荷の電流値に応じて出力電圧のステップ幅および負荷変動による出力電圧の応答性を調整することが出来る。

ここで、図示されない負荷に流れる電流により出力電圧はＧＮＤレベルに近づいていく。そこで閾値電圧Ａより電位が高くなると、スイッチドライブ回路部７は、再度スイッチング動作を行い、充電用コンデンサ５および充電容量調整用コンデンサ１１の電荷を出力用コンデンサ６に供給する。ここで、閾値電圧Ａと閾値電圧Ｂは同電位でも構わない。

このような負電源装置３００によれば、出力用コンデンサ６に接続される図示されない負荷に流れる電流が、スイッチドライブ回路部７の自己消費電流と第１のスイッチ１、第２のスイッチ３、第３のスイッチ４、第４のスイッチ２のスイッチングロスの合計より十分に大きかった場合、負電源装置３００の効率は約１００%となる。また、充電容量調整用コンデンサ１１に接続された複数の調整用スイッチ１０を制御部９ＢによりＯＮ／ＯＦＦして充電用コンデンサ５と充電容量調整用コンデンサ１１を並列接続することで、出力電圧波形に現れるリップル電圧の大きさや出力の電流能力を容易に調整することが可能である。

また、制御部９Ｂは、負荷電流値に応じて調整用スイッチ１０を制御するので、安定した負極性電圧を電力効率良く生成することができる。

尚、調整用スイッチ１０および充電容量調整用コンデンサ１１の数は図３のように３つに限らず、１〜２つであってもよいし、４つ以上であってもよい。

本発明は、電力効率が良く、出力電圧に応じてスイッチのＯＮ／ＯＦＦを制御することで安定した負電圧を生成する負電源装置等として有用である。

本発明の第１の実施形態における負電源装置の構成の一例を示すブロック図本発明の第２の実施形態における負電源装置の構成の一例を示すブロック図本発明の第３の実施形態における負電源装置の構成の一例を示すブロック図本発明の第１ないし第３の実施形態における負電源装置の動作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、３００負電源装置
１、２、３、４、１０スイッチ
５、５Ｂ充電用コンデンサ
６出力用コンデンサ
７、７０スイッチドライブ回路部
８電源
９、９Ｂ制御部
１１充電容量調整用コンデンサ
１２基準電源

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、
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前記第２のスイッチの一端が接続される充電用コンデンサと、
前記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３のスイッチと、
前記充電用コンデンサの他端および前記第３のスイッチの一端に一端が接続される第４のスイッチと、
前記第４のスイッチの他端と一端が接続され、他端が接地され、前記負極性電圧を生成する出力用コンデンサと、
前記負極性電圧に応じて、前記第１から第４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１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および第３のスイッチをオンにするとともに前記第２および第４のスイッチをオフとする第１状態と、前記第１および第３のスイッチをオフにするとともに前記第２および第４のスイッチをオンとする第２状態とを反復し、前記負極性電圧が第１の閾値電圧以下となる場合に、前記第１状態で前記反復を停止し、前記負極性電圧が前記第１の閾値電圧より高い第２の閾値電圧以上になる場合に、前記反復を再開する負電源装置。
請求項１または２に記載の負電源装置であって、更に、
前記充電用コンデンサの容量を制御する容量制御部を有し、
前記充電用コンデンサは、容量が可変な可変コンデンサである負電源装置。
請求項１または２に記載の負電源装置であって、更に、
前記充電用コンデンサの一端に一端が接続される１つ以上の調整用スイッチと、
前記調整用スイッチの他端と前記充電用コンデンサの他端間に接続される１つ以上の充電容量調整用コンデンサと、
前記調整用スイッチを制御する調整用スイッチ制御部と
を有する負電源装置。