JP2009219193A - スイッチング電源装置及びこれを用いた電子機器。 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、回路規模増大やコストアップを招くことなく、軽負荷時や無負荷時の消費電流を低減することが可能なスイッチング電源装置を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明に係るスイッチング電源装置１００は、出力電圧Ｖｏｕｔの目標値に対する乖離度に応じて電圧レベルが変動する誤差信号ＥＲＲと、所定の発振周波数を有する三角波信号ＯＳＣと、を比較することで生成されるＰＷＭ信号を用いて、出力トランジスタのスイッチング制御を行い、エネルギ貯蔵素子（コイルなど）を駆動することで、入力電圧Ｖｉｎから所望の出力電圧Ｖｏｕｔを生成するものであって、上記の誤差信号ＥＲＲは、その下限値ＶＬが三角波信号ＯＳＣの下限値よりも低い値に設定されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、入力電圧から所望の出力電圧を生成するスイッチング電源装置（チョッパ型電源装置）及びこれを用いた電子機器（例えば携帯電話端末）に関するものである。

従来より、ＰＷＭ［Pulse Width Modulation］信号を用いて出力トランジスタのスイッチング制御を行い、エネルギ貯蔵素子（コイルやコンデンサなど）を駆動することで、入力電圧Ｖｉｎから所望の出力電圧Ｖｏｕｔを生成するスイッチング電源装置（チョッパ型電源装置）が広く一般に用いられている。

上記のＰＷＭ信号は、目標電圧値に対する出力電圧Ｖｏｕｔの乖離度に応じて電圧レベルが変動する誤差信号ＥＲＲと、所定の発振周波数を有する三角波信号ＯＳＣと、を比較することで生成される矩形波信号である。

図３は、従来のスイッチング電源装置におけるＰＷＭ信号の生成動作を説明するためのタイミングチャートであり、図３の上段、中段、下段には、それぞれ、誤差信号ＥＲＲ、三角波信号ＯＳＣ、及び、ＰＷＭ信号が示されている。なお、図３の上段には、誤差信号ＥＲＲが上限レベルＶＨとなり、ＰＷＭ信号が最大デューティとなっている様子が示されている。図３の中段には、誤差信号ＥＲＲが上限レベルＶＨと下限レベルＶＬの中間となり、ＰＷＭ信号が中間デューティとなっている様子が示されている。図３の下段には、誤差信号ＥＲＲが下限レベルＶＬとなり、ＰＭＷ信号が最小デューティとなっている様子が示されている。

なお、本願発明に関連する従来技術（軽負荷時の消費電流低減技術）の一例としては、特許文献１を挙げることができる。
特開２００１−２２４１６６号公報

確かに、上記従来のスイッチング電源装置は、熱損失が少なく、かつ、入出力較差が大きい場合に比較的効率が良い安定化電源手段の一つとして有用である。

しかしながら、上記従来のスイッチング電源装置では、ＰＷＭ信号の最小デューティがゼロとならないように、誤差信号ＥＲＲの下限値ＶＬが三角波信号ＯＳＣの下限値よりも高く設定されていた（図３を参照）。

そのため、上記従来のスイッチング電源装置では、負荷変動に対する応答スピードを維持することができる反面、軽負荷時や無負荷時において、出力電圧Ｖｏｕｔが目標電圧値の近傍に維持されている場合には、出力トランジスタが不要にスイッチングされて消費電流が増大する、という課題があった。

なお、軽負荷時や無負荷時の消費電流を低減する技術としては、通常動作モードと省電力動作モードを適宜切り換える構成も考えられるが、このような構成では、動作モードの切換制御が必要となるため、制御部の回路規模増大やコストアップを招くおそれがあり、必ずしも最善の構成とは言えなかった。

本発明は、上記の問題点に鑑み、回路規模増大やコストアップを招くことなく、軽負荷時や無負荷時の消費電流を低減することが可能なスイッチング電源装置、及び、これを用いた電子機器を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明に係るスイッチング電源装置は、出力電圧の目標値に対する乖離度に応じて電圧レベルが変動する誤差信号と、所定の発振周波数を有する三角波信号と、を比較することで生成される矩形波信号を用いて、出力トランジスタのスイッチング制御を行い、エネルギ貯蔵素子を駆動することで、入力電圧から所望の出力電圧を生成するスイッチング電源装置であって、前記誤差信号は、その下限値が前記三角波信号の下限値よりも低い値に設定された構成（第１の構成）とされている。

また、本発明に係る電子機器は、上記第１の構成から成るスイッチング電源装置と、前記スイッチング電源装置から電力供給を受けて駆動する液晶表示パネルと、を有して成る構成（第２の構成）とされている。

本発明に係るスイッチング電源装置、及び、これを用いた電子機器であれば、回路規模増大やコストアップを招くことなく、軽負荷時や無負荷時の消費電流を低減することが可能となる。

図１は、本発明に係るスイッチング電源装置の一構成例を示すブロック図である。本構成例のスイッチング電源装置１００は、入力電圧Ｖｉｎを昇圧して所望の出力電圧Ｖｏｕｔを生成し、これを不図示の負荷（例えば液晶表示パネル）に供給する昇圧型のスイッチング電源装置であって、Ｎチャネル型ＭＯＳ［Metal Oxide Semiconductor］電界効果トランジスタ１と、Ｐチャネル型ＭＯＳ電界効果トランジスタ２と、コイル３と、コンデンサ４と、抵抗５、６と、誤差アンプ７と、直流電圧源８と、発振器９と、コンパレータ１０と、制御部１１と、を有して成る。

トランジスタ１のドレインは、コイル３の一端に接続されている。コイル３の他端は、入力電圧Ｖｉｎの印加端に接続されている。トランジスタ１のソースは、接地端に接続されている。トランジスタ１のゲートは、制御部１１の第１ゲート信号出力端に接続されている。トランジスタ２のドレインは、コイル３の一端に接続されている。トランジスタ２のソースは、出力電圧Ｖｏｕｔの出力端に接続されている。トランジスタ２のゲートは、制御部１１の第２ゲート信号出力端に接続されている。コンデンサ４の一端は、出力電圧Ｖｏｕｔの出力端に接続されている。コンデンサ４の他端は、接地端に接続されている。抵抗５の一端は、出力電圧Ｖｏｕｔの出力端に接続されている。抵抗５の他端は、抵抗６の一端に接続されている。抵抗６の他端は、接地端に接続されている。

誤差アンプ７の反転入力端（−）は、抵抗５と抵抗６の接続ノード（出力電圧Ｖｏｕｔに応じた帰還電圧Ｖｆｂ（出力電圧Ｖｏｕｔの分圧電圧）の出力端）に接続されている。誤差アンプ７の非反転入力端（＋）は、直流電圧源８の正極端（基準電圧Ｖｒｅｆの出力端）に接続されている。直流電圧源８の負極端は、接地端に接続されている。コンパレータ１０の非反転入力端（＋）は、誤差アンプ７の出力端（誤差信号ＥＲＲの出力端）に接続されている。コンパレータ１０の反転入力端（−）は、発振器９の出力端（三角波信号ＯＳＣの出力端）に接続されている。コンパレータ１０の出力端（ＰＷＭ信号の出力端）は、制御部１１のＰＷＭ信号入力端に接続されている。

まず、上記構成から成るスイッチング電源装置１００の基本動作（出力電圧Ｖｏｕｔの生成動作）について詳細な説明を行う。

トランジスタ１は、制御部１１からの第１ゲート信号Ｇ１に応じてスイッチング制御される出力トランジスタであり、トランジスタ２は、制御部１１からの第２ゲート信号Ｇ２に応じてスイッチング制御される同期整流トランジスタである。

制御部１１は、入力電圧Ｖｉｎを昇圧して出力電圧Ｖｏｕｔを生成するに際し、トランジスタ１、２を相補的（排他的）にスイッチング制御する。

なお、本明細書中で用いている「相補的（排他的）」という文言は、トランジスタ１、２のオン／オフが完全に逆転している場合のほか、貫通電流防止の観点からトランジスタ１、２のオン／オフ遷移タイミングに所定の遅延を与えている場合をも含むものとする。

トランジスタ１がオン状態にされると、コイル３には、トランジスタ１を介して、接地端に向けたスイッチ電流が流れ、その電気エネルギが蓄えられる。なお、トランジスタ１のオン期間において、既にコンデンサ４に電荷が蓄積されていた場合、負荷にはコンデンサ４からの電流が流れることになる。また、このとき、同期整流素子であるトランジスタ２は、トランジスタ１のオン状態に対して相補的（排他的）にオフ状態とされるため、コンデンサ４からトランジスタ１に向けて電流が流れ込むことはない。

一方、トランジスタ１がオフ状態にされると、コイル３に生じた逆起電圧によって、コイル３に蓄積されていた電気エネルギが放出される。このとき、トランジスタ２は、トランジスタ１のオフ状態に対して相補的（排他的）にオン状態とされるため、コイル３の一端からトランジスタ２を介して流れる電流は、出力電圧Ｖｏｕｔの出力端を介して負荷に流れ込むとともに、コンデンサ４を介して接地端にも流れ込み、コンデンサ４を充電することになる。上記動作が繰り返されることにより、負荷にはコンデンサ４によって平滑された出力電圧Ｖｏｕｔが供給される。

次に、上記構成から成るスイッチング電源装置１００の出力帰還制御について詳細な説明を行う。

スイッチング電源装置１００において、誤差アンプ７は、抵抗５と抵抗６の接続ノードから引き出される帰還電圧Ｖｆｂ（出力電圧Ｖｏｕｔの実際値に相当）と、直流電圧源８で生成される基準電圧Ｖｒｅｆ（出力電圧Ｖｏｕｔの目標値に相当）との差分を増幅して誤差信号ＥＲＲを生成する。すなわち、誤差信号ＥＲＲの電圧レベルは、出力電圧Ｖｏｕｔの目標値に対する乖離度に応じて変動する。より具体的に述べると、誤差信号ＥＲＲの電圧レベルは、出力電圧Ｖｏｕｔが目標値よりも低いほど高レベルとなる。一方、発振器９は、所定の発振周波数を有する三角波信号ＯＳＣを生成する。

コンパレータ１０は、誤差信号ＥＲＲと三角波信号ＯＳＣとを比較してＰＷＭ信号を生成する。すなわち、ＰＷＭ信号のオンデューティ（単位期間に占めるトランジスタ１のオン期間の比）は、誤差信号ＥＲＲと三角波信号ＯＳＣとの相対的な高低に応じて逐次変動する。具体的に述べると、出力電圧Ｖｏｕｔがその目標値よりも低いほど、ＰＷＭ信号のオンデューティは大きくなり、出力電圧Ｖｏｕｔがその目標値に近付くにつれて、ＰＷＭ信号のオンデューティは小さくなる。

制御部１１は、入力電圧Ｖｉｎを昇圧して出力電圧Ｖｏｕｔを生成するに際し、ＰＷＭ信号に応じて第１ゲート信号Ｇ１及び第２ゲート信号Ｇ２を生成し、トランジスタ１及びトランジスタ２を相補的（排他的）にスイッチング制御する。具体的に述べると、制御部１１は、ＰＷＭ信号のオン期間には、トランジスタ１をオン状態、トランジスタ２をオフ状態とする一方、ＰＷＭ信号のオフ期間には、トランジスタ１をオフ状態、トランジスタ２をオン状態とする。

このように、スイッチング電源装置１００は、誤差信号ＥＲＲに基づく出力帰還制御により、出力電圧Ｖｏｕｔをその目標値に合わせ込むことができる。

図２は、スイッチング電源装置１００におけるＰＷＭ信号の生成動作を説明するためのタイミングチャートであり、図２の上段、中段、下段には、それぞれ、誤差信号ＥＲＲ、三角波信号ＯＳＣ、及び、ＰＷＭ信号が示されている。なお、図２の上段には、誤差信号ＥＲＲが上限レベルＶＨとなり、ＰＷＭ信号が最大デューティとなっている様子が示されている。図２の中段には、誤差信号ＥＲＲが上限レベルＶＨと下限レベルＶＬの中間となり、ＰＷＭ信号が中間デューティとなっている様子が示されている。図２の下段には、誤差信号ＥＲＲが下限レベルＶＬとなり、ＰＭＷ信号が最小デューティとなっている様子が示されている。

図２に示すように、スイッチング電源装置１００は、先述の従来構成（図３を参照）と異なり、誤差信号ＥＲＲの下限値ＶＬが三角波信号ＯＳＣの下限値よりも低い値に設定された構成とされている。具体例を挙げると、三角波信号ＯＳＣの下限値が０．３［Ｖ］であるのに対して、誤差信号ＥＲＲの下限値ＶＬが０．１［Ｖ］に設定されている。

このような構成とすることにより、軽負荷時や無負荷時において、出力電圧Ｖｏｕｔが目標電圧値の近傍に維持されている場合には、動作モードの切換制御等を何ら要することなく、ＰＷＭ信号のデューティがゼロとなるので、トランジスタ１、２のスイッチングを自動的に停止状態（間欠モード）とすることができる。従って、上記構成から成るスイッチング電源装置１００であれば、回路規模増大やコストアップを招くことなく、軽負荷時や無負荷時の消費電流を低減することが可能となる。

また、誤差信号ＥＲＲの下限値ＶＬは、できる限り三角波信号ＯＳＣの下限値近傍に設定することが望ましい。このような構成とすることにより、負荷変動に対する応答スピードの低下を最小限に留めることが可能となる。

また、上記構成から成るスイッチング電源装置１００は、負荷変動に対する応答スピードが問われない電子機器の電源手段として好適である。例えば、スイッチング電源装置１００と、このスイッチング電源装置１００からの電力供給を受けて駆動する液晶表示パネルと、を有して成る電子機器（バッテリ駆動の携帯電話端末など）であれば、スリープ状態（軽負荷状態）からアクティブ状態（重負荷状態）への移行に際して、液晶表示パネルでの表示動作が開始されるまでには、スイッチング電源装置１００の出力電圧Ｖｏｕｔを十分安定化することができるため、負荷変動に対する応答スピードを多少犠牲にしたとしても、特段の支障が生じることはない。

また、本発明の構成は、上記実施形態のほか、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることが可能である。

例えば、上記実施形態では、同期整流素子としてトランジスタ２を用いた構成を例に挙げて説明を行ったが、本発明の構成はこれに限定されるものではなく、同期整流素子としてダイオードを用いても構わない。

また、上記実施形態では、昇圧型のスイッチング電源装置を例示して説明を行ったが、本発明の適用対象はこれに限定されるものではなく、降圧型のスイッチング電源装置にも当然に適用することが可能である。

本発明は、スイッチング電源装置において、軽負荷時や無負荷時の消費電流低減を図る上で有用な技術であり、バッテリ駆動の携帯電話端末を始めとして、スイッチング電源装置を搭載する電子機器全般に好適な技術である。

は、本発明に係るスイッチング電源装置の構成を示すブロック図である。 は、スイッチング電源装置１００におけるＰＷＭ信号の生成動作を説明するためのタイミングチャートである。 は、従来のスイッチング電源装置におけるＰＷＭ信号の生成動作を説明するためのタイミングチャートである。

符号の説明

１ Ｎチャネル型ＭＯＳ電界効果トランジスタ（出力トランジスタ）
２ Ｐチャネル型ＭＯＳ電界効果トランジスタ（同期整流トランジスタ）
３ コイル
４ コンデンサ
５、６ 抵抗
７ 誤差アンプ
８ 直流電圧源
９ 発振器
１０ コンパレータ
１１ 制御部
１００ スイッチング電源装置

Claims (2)

1. 出力電圧の目標値に対する乖離度に応じて電圧レベルが変動する誤差信号と、所定の発振周波数を有する三角波信号と、を比較することで生成される矩形波信号を用いて、出力トランジスタのスイッチング制御を行い、エネルギ貯蔵素子を駆動することで、入力電圧から所望の出力電圧を生成するスイッチング電源装置であって、
   前記誤差信号は、その下限値が前記三角波信号の下限値よりも低い値に設定されていることを特徴とするスイッチング電源装置。
2. 請求項１に記載のスイッチング電源装置と、前記スイッチング電源装置から電力供給を受けて駆動する液晶表示パネルと、を有して成ることを特徴とする電子機器。

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