JP2009131066A - 電源回路、および電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】直流直流変換による電源回路において、入力電圧の制約を緩和する電圧制御技術を提供する。
【解決手段】電源回路は、入力端子と、入力端子へ入力される直流入力電圧を直流出力電圧に変換する直流電圧変換器と、直流出力電圧が出力される出力端子と、入力端子と出力端子との間で直流電圧変換器に設けられる迂回回路と、直流入力電圧が直流電圧変換器で処理されるべき所定の条件を満たすか否かを監視し、直流入力電圧が所定の条件を満たさないときに、迂回回路を通じて入力端子を出力端子に接続する監視制御部とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、電源回路に関する。

電源回路として従来から様々な構成のものが提案されている（例えば、下記特許文献１参照）。

例えば、直流直流変換器と呼ばれるものは、一般的には、直流をパルス波形に変換するチョッパ回路と、そのパルス波形を整流するＬＣ回路（インダクタンス素子とキャパシタとを含む回路）で構成される。そして、直流直流変換器は、パルス波形のデューティ比を調整することで、出力電圧を目標値に調整する。

しかし、このような構成の直流直流変換器では、チョッパ回路に含まれるスイッチ素子、あるいは、その他の抵抗成分等による電圧降下、パルス波形と直流との変換特性等に依存して、出力電圧の目標値より所定の限度以上入力電圧が高くないと正常に動作しないという問題があった。

このため、例えば、入力電圧の供給源として電池を用いた場合、電池の出力としては十分であっても、電圧が所定の限度より低下した場合に、直流直流変換器の出力電圧の目標値との関係上、その電池を使用できない場合もあった。そのため、本来の電池の寿命より短い期間に電池の交換が必要となる場合もあった。
特開２００１−１９５１３６号公報

以上のように、従来の直流直流変換器では、入力電圧を目標出力電圧に対して所定の限度以上とする必要があるため、入力電圧の供給源に制約が生じる場合があった。ここでは、直流直流変換による電源回路において、このような入力電圧の制約を緩和できる電圧制御技術を提供することを課題とする。

そこで、前記課題を解決するために、以下の構成の電源回路を採用した。すなわち、この電源回路は、入力端子と、入力端子へ入力される直流入力電圧を直流出力電圧に変換する直流電圧変換器と、直流出力電圧が出力される出力端子と、入力端子と出力端子との間で直流電圧変換器に設けられる迂回回路と、直流入力電圧が直流電圧変換器で処理されるべき所定の条件を満たすか否かを監視し、直流入力電圧が所定の条件を満たさないときに、迂回回路を通じて入力端子を出力端子に接続する監視制御部とを備える。

この電源回路は、入力電圧が所定の条件を満たさないときに、直流電圧変換器を迂回する迂回回路を通じて入力端子を前記出力端子に接続する。したがって、入力電圧が所定の条件を満足せず、直流電圧変換器によっては、所定の目標出力電圧が得られない場合でも、迂回回路を通じて所定の目標出力電圧に近づけることができる。

上記電源回路によれば、入力電圧の制約を緩和して出力電圧を制御することができる。

以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態（以下、実施形態という）に係る電源回路を説明する。以下の実施形態の構成は例示であり、本発明は実施形態の構成には限定されない。

図１は、ＤＣ−ＤＣコンバータを含む電圧制御回路を例示する図である。この電圧制御回路は、入力端子４と、入力端子４に入力される直流入力電圧を目標の直流出力電圧に変換する直流直流変換器１と、変換された直流出力電圧が出力される出力端子５と、直流直流変換器１を迂回して入力端子４を出力端子５に接続する迂回回路２と、直流入力電圧を監視する監視回路３とを備えている。以下、直流入力電圧を単に入力電圧といい、直流出力電圧を単に出力電圧という。

入力端子４には、入力電圧Ｖｉｎが入力される。本電圧制御回路は、この入力電圧Ｖｉｎに対して、目標出力電圧Ｖｏｕｔを出力端子５に出力する機能を提供する。

直流直流変換器１は、トランジスタ１２と、トランジスタ１２のオンとオフとを繰り返すことでトランジスタ１２をチョッパ回路として機能させるＤＣ−ＤＣコントロールブロック１１と、トランジスタ１２とアースとの間に接続されるダイオード１３と、トランジスタ１２に直列に接続されるインダクタンス素子１４と、インダクタンス素子１４と出力端子５とに対して並列に構成され、一端がアースに接続されるキャパシタ１５とを有している。

ＤＣ−ＤＣコントロールブロック１１は、トランジスタ１２のゲートに制御電圧を供給し、トランジスタ１２をオン状態とオフ状態とで切り換える。これにより、ＤＣ−ＤＣコントロールブロック１１はトランジスタ１２とともにチョッパ回路を構成し、入力電圧Ｖｉｎから矩形波を生成する。

ＤＣ−ＤＣコントロールブロック１１は、例えば、所定の周期、所定のデューティ比で矩形波を発生するマルチバイブレータ、あるいは、発振回路等を含む。ＤＣ−ＤＣコントロールブロック１１の周期、あるいは、デューティ比は、マルチバイブレータ、あるいは、発振回路を構成する増幅器のゲイン、充放電回路を構成する抵抗素子、キャパシタを調整することで制御可能である。このようなＤＣ−ＤＣコントロールブロック１１の構成は広く知られているので、その説明を省略する。

ダイオード１３は、トランジスタ１２がオフのときにＬＣ回路に電流を供給する。ダイオード１３は、フライホイールダイオードと呼ばれる。

インダクタンス素子１４とキャパシタ１５は、ローパスフィルタを構成し、矩形波から直流電圧を生成する。そして、矩形波のデューティ比によって出力電圧Ｖｏｕｔが制御されることになる。

迂回回路２は、トランジスタ２１と、トランジスタ２１に直列に接続され、トランジスタ２１からの電圧を調整して出力端子５に出力するＬＤＯ（Low Drop Out Voltage Regulator）２３と、ＬＤＯ２３に並列に接続され、トランジスタ２１からの電圧を調整せずに出力端子５に出力するトランジスタ２２とを含む。

トランジスタ２１は、そのゲート電圧を制御することでオン状態またはオフ状態となる。トランジスタ２１は、オン状態で、直流直流変換器１を迂回して入力電圧ＶｉｎをＬＤＯ２３に入力する。

ＬＤＯ２３は、例えば、フィードバック制御される定電圧回路（リニアレギュレータ）
である。定電圧回路は、例えば、入力電圧を所定の割合で出力するトランジスタ（一般には調整弁と呼ばれるもの）と、出力される電圧をそのトランジスタにフィードバックして、出力電圧が一定値になるように制御する回路として構成できる。ＬＤＯ２３は、直流直流変換器と比較して、出力電圧Ｖｏｕｔに対する入力電圧の制約が少ない。これは、入力電圧の一定割合がトランジスタによって出力電圧として出力されるという回路構成のためである。このため、入力電圧Ｖｉｎとしては、ＬＤＯ２３内の電圧降下分ΔＶ１だけ、出力電圧Ｖｏｕｔより高い電圧であればよい。
（式１） Ｖｉｎ ＞＝ Ｖｏｕｔ＋ΔＶ１；
ここで、ΔＶ１（入出力電圧の低下に相当）は、ＬＤＯ２３において調整弁として機能するトランジスタの特性で決定される。

一方、例えば、図１の直流直流変換器１の場合には、矩形波のデューティ比によって、出力電圧を制御するため、入力電圧Ｖｉｎとしては、ＬＤＯ２３と比較して、さらに、高い入力電圧を要求される。なぜなら、調整弁として、入力電圧の一定割合を出力端子５に出力する場合と比較し、一旦矩形波に変換した後、ＬＣ回路でさらに直流に戻す場合には、デューティ比１００％（または０％）近傍での動作が困難であり、所定の出力電圧Ｖｏｕｔを得るためには、入力電圧、さらには、矩形波振幅としては、所定限度の余裕が要求されるからである。

すなわち、このとき、要求される入力電圧Ｖｉｎとしては、以下の式２で表される。
（式２） Ｖｉｎ ＞＝ Ｖｏｕｔ＋ΔＶ２；（ΔＶ２＞ΔＶ１）
ここで、ΔＶ２（入出力電圧の低下に相当）は、トランジスタ１２、ダイオード１３，インダクタンス素子１４およびキャパシタ１５の特性また、これらを制御するコントロール回路（即ちトランジスタをonさせるためのboostup回路の特性（性能）や、安全性への配
慮で100%Dutyにできないなどの理由があるため）によって決定される。

トランジスタ２２は、そのゲート電圧を制御することでオン状態またはオフ状態となる。トランジスタ２２は、オン状態で、ＬＤＯ２３を迂回してトランジスタ２１の出力を出力端子５に出力する。トランジスタ２２のオン状態での電圧降下は、ＬＤＯ２３による電圧降下ΔＶ１よりも少ない。したがって、トランジスタ２１、２２がともにオンとなった場合には、概ね直接入力電圧Ｖｉｎが、出力端子５に出力されることになる。

監視回路３（監視制御部に相当）は、入力端子４とアースとの間に設けられ、直列に接続される抵抗Ｒ１、Ｒ２、およびＲ３と、基準電圧Ｖｓを発生する基準電圧発生部３４と、抵抗Ｒ１、Ｒ２、およびＲ３によって分圧される入力電圧と基準電圧Ｖｓとを比較する比較器３２、３３とを備える。比較器３３が第１の比較器に相当し、比較器３２が第２の比較器に相当する。

図１では、基準電圧発生部３４は、電池の記号で示されている。しかし、基準電圧発生部３４は、電池に限定されるわけではない。例えば、システムに電圧を供給する電源電圧を分圧したものでもよい。また、定電圧ダイオードを組み合わせて構成してもよい。

比較器３３は、以下の式３で与えられる分圧Ｖ１と基準電圧Ｖｓとを比較する。そして、比較器３３は、その比較の結果によって、トランジスタ２１をオンまたはオフにする。ただし、図１の符号Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３がそのまま抵抗値を表すものとする。
（式３）Ｖ１＝Ｖｉｎ＊Ｒ１／（Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３）；
また、比較３２は、以下の式４で与えられる分圧Ｖ２と基準電圧Ｖｓとを比較する。そして、比較器３２は、その比較の結果によって、トランジスタ２２をオンまたはオフにする。分圧Ｖ１、あるいは、Ｖ２がいずれも検出電圧に相当する。
（式４）Ｖ２＝Ｖｉｎ＊（Ｒ１＋Ｒ２）／（Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３）；
まず、分圧Ｖ１がＶｓより高い場合に、比較器３３は、トランジスタ２１をオフにする。この場合には、入力電圧Ｖｉｎは、直流直流変換器１を通じて制御される。すなわち、直流直流変換器１の出力が出力電圧Ｖｏｕｔとなる。

次に、分圧Ｖ１が基準値Ｖｓより低く、かつ、分圧Ｖ２が基準値Ｖｓより高い場合を考える。この場合に、比較器３３は、トランジスタ２１をオンにする。一方、比較器３２は、トランジスタ２２をオフにする。この場合には、入力電圧Ｖｉｎは、ＬＤＯ２３を通じて制御される。すなわち、ＬＤＯ２３の出力が出力電圧Ｖｏｕｔとなる。

さらに、分圧Ｖ２がＶｓより低い場合に、比較器３２は、トランジスタ２２をオンにする。この場合、式３および式４から当然に、分圧Ｖ１は、基準値Ｖｓよりも低い。したがって、比較器３３は、トランジスタ２１をオンに維持している。この場合には、入力電圧Ｖｉｎは、トランジスタ２１および２２を通じて、概ね、そのまま出力端子５に出力される。

以上から、直流直流変換器１への入力電圧として許容される入力電圧Ｖｉｎが式２で与えられる限界値Ｖｏｕｔ＋ΔＶ２より低くなるときに、分圧Ｖ１が基準電圧Ｖｓより低くなるように設定すればよい。すなわち、分圧Ｖ１の限界値Ｖ１ｌｉｍと基準電圧Ｖｓとの関係は、式２と式３とから、以下の式５のように表すことができる。
（式５） Ｖｓ ＞ Ｖ１ｌｉｍ ＝ （Ｖｏｕｔ＋ΔＶ２）＊Ｒ１／（Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３）；
分圧Ｖ１がＶ１ｌｉｍ以上のレベルにあるとき、入力電圧Ｖｉｎが第１レベルにあることになる。また、ＬＤＯ２３への入力電圧として許容される入力電圧Ｖｉｎが式１で与えられる限界値Ｖｏｕｔ＋ΔＶ１より低くなるときに、分圧Ｖ２が基準電圧Ｖｓより低くなるように設定すればよい。すなわち、分圧Ｖ２の限界値Ｖ１ｌｉｍと基準電圧Ｖｓとの関係は、式１と式４とから、以下の式６のように表すことができる。
（式６）Ｖｓ ＞ Ｖ２ｌｉｍ ＝（Ｖｏｕｔ＋ΔＶ１）＊（Ｒ１＋Ｒ２）／（Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３）；
分圧Ｖ２がＶ２ｌｉｍ以上のレベルにあるとき、入力電圧Ｖｉｎが第２レベルにあることになる。式５および式６の関係を満たすようにＲ１、Ｒ２、Ｒ３の値を設定することによって、入力電圧Ｖｉｎが十分に高く、直流直流変換器１が正常動作可能な場合には、入力電圧Ｖｉｎは、直流直流変換器１によって制御されて、出力電圧Ｖｏｕｔが生成されることになる。また、直流直流変換器１が正常動作可能でない場合でも、ＬＤＯ２３が正常動作可能な場合には、入力電圧Ｖｉｎは、ＬＤＯ２３によって制御されて、出力電圧Ｖｏｕｔが生成されることになる。また、ＬＤＯ２３によって、出力電圧Ｖｏｕｔが生成できない場合には、入力電圧Ｖｉｎは、トランジスタ２１および２２を通じて、概ねそのまま出力端子５に出力されることになる。

したがって、本電圧制御回路によれば、例えば、入力電圧Ｖｉｎが電池で供給される場合には、電池の出力が低下し、寿命が限界に近い状態まで使える可能性を高めることができる。

＜変形例＞
上記実施形態では、迂回回路２として、ＬＤＯ２３とトランジスタ２２とを並列に設け、監視回路３として、２つの比較器を設けた。そして、入力電圧が、直流直流変換器１の許容値より低い場合に、まず、ＬＤＯ２３を通じて入力電圧を調整した。そして、さらに、入力電圧が低下した場合に、トランジスタ２１、２２を通じて、入力端子４を出力端子５に接続した。

しかし、必ずしも、このような多段階の構成を採る必要はない。例えば、図２に示すよ
うに、直流直流変換器１とＬＤＯ２３によって構成してもよい。ただし、この場合には、ＬＤＯ２３の動作限界より低い入力電圧Ｖｉｎは利用できない。

また、図３に示すように、ＬＤＯ２３を省略して、直流直流変換器１とトランジスタ２２とによって電圧制御回路を構成してもよい。ただし、この場合には、直流直流変換器１の動作限界以下の入力電圧Ｖｉｎは、調整されずに、トランジスタ２２を通じて概ねそのまま出力端子５に出力されることになる。

また、本発明の直流直流変換器としては、チョッパ型変換器の説明をしたが、ダイオード１３がＦＥＴとなる構成、即ち同期整流型変換器であっても、同様の効果を得られることは言うまでもない。

＜その他の変形例＞
図４に、電圧調整回路９９を備える電子機器１００の例を示す。電子機器１００は、本体部１０１（電力被供給部に相当）と、電源部１０２とを有する。

本体部１０１は、プログラムを実行するＣＰＵ１１１と、ＣＰＵ１１１で実行されるプログラム、あるいは、ＣＰＵ１１１が処理するデータを記憶するメモリ１１２と、インターフェース１１３を介してＣＰＵ１１１に接続されるキーボード１１４Ａ、ポインティングデバイス１１４Ｂとを有する。ポインティングデバイス１１４Ｂは、マウス、トラックボール、タッチパネル、静電センサを有するフラットデバイス等である。

また、本体部１０１は、インターフェース１１５を通じて接続されたディスプレイ１１６を有する。ディスプレイ１１６は、キーボード１１４Ａから入力された情報、あるいは、ＣＰＵ１１１が処理したデータを表示する。ディスプレイ１１６は、例えば、液晶ディスプレイ、ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）パネルである。

また、本体部１０１は、インターフェース１１７を介して接続された通信部１１８を有している。通信部１１８は、ＬＡＮ（ローカルエリアネットワーク）ボード等である。

また、本体部１０１は、インターフェース１１９を介して接続された外部記憶装置２１０を有する。外部記憶装置１２０は、例えば、ハードディスクドライブである。さらに、本体部１０１は、インターフェース１２１を介して接続された着脱可能記憶媒体アクセス装置２２を有する。着脱可能な記憶媒体は、例えば、ＣＤ（Compact disc）、ＤＶＤ（Digital Versatile Disk）、フラッシュメモリカード等である。

この本体部１０１には、電源部１０２から電力が供給される。電源部１０２は、スイッチＳＷを介して、電圧調整回路９９（電源回路に相当）と交流アダプタに接続されている。電源部１０２は、電圧調整回路９９または交流アダプタのいずれかから、電力を本体部１０１に供給できる。電圧調整回路９９の構成は、図１から図３で説明した通りである。図４の例では、電圧調整回路９９は、例えば、電池（電源に相当）からの電圧を変換する。電源は、通常の電池でもよいし、２次電池でもよい。

このような電子機器としては、ノート型（ブック型、ラップトップ型ともいう）のパーソナルコンピュータ、携帯情報端末（ＰＤＡ）等の情報処理装置、デジタルカメラ、ビデオカメラ等の映像機器、携帯電話、ＰＨＳ等の通信機器、アナログまたはデジタルのテレビジョン装置等の受信機、車載器、センサを搭載した測定器等を例示できる。

一実施形態に係る電圧調整回路の構成を例示する図である。 変形例１に係る電圧調整回路の構成を例示する図である。 変形例２に係る電圧調整回路の構成を例示する図である。 電子機器の構成図である。

符号の説明

１ 直流直流変換器
２ 迂回回路
３ 監視回路
４ 入力端子
５ 出力端子
１１ ＤＣ−ＤＣコントロールブロック
１２、２１、２２ トランジスタ
１３ 定電圧ダイオード
１４ インダクタンス素子
１５ キャパシタ
３２、３３ 比較器
３４ 定電圧発生部
１００ 電子機器
１０１ 本体部
１０２ 電源部

Claims (5)

1. 入力端子と、
   前記入力端子へ入力される直流入力電圧を直流出力電圧に変換する直流電圧変換器と、
   前記直流出力電圧が出力される出力端子と、
   前記入力端子と前記出力端子との間で直流電圧変換器を迂回して設けられる迂回回路と、
   前記直流入力電圧が直流電圧変換器で処理されるべき所定の条件を満たすか否かを監視し、前記直流入力電圧が前記所定の条件を満たさないときに、前記迂回回路を通じて前記入力端子を前記出力端子に接続する監視制御部と、を備える電源回路。
2. 前記監視制御部は、
   基準電圧が出力される基準電圧端子と、
   前記直流入力電圧を基に得られる検出電圧と前記基準電圧とを比較する比較部と、を有し、
   前記迂回回路は、前記比較部によって前記検出電圧が前記基準値より高いと判定されたときに遮断し、前記比較部によって前記検出電圧が前記基準値より低いと判定されたときに導通するスイッチを有する請求項１に記載の電源回路。
3. 前記迂回回路は、前記直流電圧変換器よりも入出力電圧の低下の少ない電圧調整回路を有する請求項１または２に記載の電源回路。
4. 前記監視制御部は、
   前記直流入力電圧が第１レベル以上であるか否かを判定する第１の比較器と、
   前記直流入力電圧が第１レベルより低い第２レベル以上であるか否かを判定する第２の比較器と、を有し、
   前記迂回路は、前記直流電圧変換器よりも入出力電圧の低下の少ない電圧調整回路と前記電圧調整回路よりもさらに入出力電圧の低下の少ない迂回スイッチとを並列に接続した並列回路を有し、
   前記監視制御部は、前記直流入力電圧が前記第１レベル以上でない場合でかつ第２レベル以上の場合に前記調整回路を通じて前記直流入力電圧を前記出力端子に出力し、前記直流入力電圧が前記第２レベル以上でない場合には前記迂回スイッチを通じて前記直流入力電圧を前記出力端子に出力する請求項１に記載の電源回路。
5. 電源に接続可能な入力端子と、
   前記入力端子へ入力される直流入力電圧を直流出力電圧に変換する直流電圧変換器と、
   前記直流出力電圧が出力される出力端子と、
   前記入力端子と前記出力端子との間で直流電圧変換器を迂回して設けられる迂回回路と、
   前記直流入力電圧が直流電圧変換器で処理されるべき所定の条件を満たすか否かを監視し、前記直流入力電圧が前記所定の条件を満たさないときに、前記迂回回路を通じて前記入力端子を前記出力端子に接続する監視制御部と、を有する電源回路と、
   前記電源に接続された電源回路から電力の供給を受け、前記供給された電力により駆動される１以上の部品を有する電力被供給部と、を備える電子機器。

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