JP2009284680A - キャパシタ充電装置およびその制御回路、制御方法、ならびにそれらを用いた発光装置および電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】出力電圧を簡易な回路構成で正確に検出する。
【解決手段】キャパシタ充電装置２１０は、トランス１０およびトランス１０の２次コイル１４に流れる電流によって充電される出力キャパシタＣ１を含む。制御回路１００は、トランス１０の１次コイル１２の経路上に設けられたスイッチングトランジスタＴｒ１をスイッチング制御することにより、出力キャパシタＣ１を充電する。電圧監視端子１０８は、トランス１２の２次コイルに設けられたタップと接続される。スイッチング制御部４０は電圧監視端子１０８に生ずる監視電圧Ｖｍｏｎｉを受け、監視電圧Ｖｍｏｎｉに応じてスイッチングトランジスタＴｒ１をスイッチング制御する。保護回路３８は監視電圧Ｖｍｏｎｉを監視し、監視電圧Ｖｍｏｎｉが所定時間継続して所定の条件を満たすとき、スイッチング制御部４０によるスイッチングトランジスタＴｒ１のスイッチング制御を停止させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、スイッチング電源に関し、特に、キャパシタを充電して高電圧を生成するキャパシタ充電装置に関する。

さまざまな電子機器において、入力電圧よりも高い電圧を生成して負荷に供給するため、昇圧型のスイッチング電源が用いられている。こうした昇圧型のスイッチング電源は、スイッチング素子と、トランスを備えており、スイッチング素子を時分割的にオンオフさせることによりトランスに逆起電力を発生させ、トランスの２次コイルに流れる電流によって出力キャパシタを充電することにより、入力電圧を昇圧して出力する。

トランスの１次コイルの一端には、入力電圧が印加され、その他端には、スイッチング素子が接続される。トランスの２次コイルの一端の電圧は固定され、その他端には、整流用のダイオードを介して、出力キャパシタが接続される。

こうしたスイッチング電源では、スイッチング素子（スイッチングトランジスタ）がオンすると、トランスの１次側に電流が流れ、トランスにエネルギが蓄えられる。続いてスイッチングトランジスタがオフすると、トランスの２次側においてトランスに蓄えられたエネルギが、整流用ダイオードを介して充電電流として出力キャパシタに転送され、充電される。スイッチングトランジスタのオンオフを繰り返すことにより、出力キャパシタが充電されていき、出力電圧が上昇する。

たとえば、特許文献１〜３参照には、トランスの１次側あるいは２次側の状態をモニタし、これらの状態に応じて、スイッチングトランジスタのオンオフを制御する自励式のキャパシタ充電装置の制御回路が開示されている。
特開２００３−７９１４７号公報 米国特許６５１８７３３号 米国特許６６３６０２１号

キャパシタ充電装置は、出力キャパシタに現れる出力電圧に応じて、回路動作を制御する場合がある。たとえば、負荷を駆動するために十分な出力電圧が生成されたかどうか、すなわち充電完了の検出は、出力電圧をモニタすることにより判定される。たとえば、上記特許文献１では、トランスの１次コイルの両端の電圧をモニタすることにより、出力電圧を間接的にモニタし、充電完了を検出する。

しかしながら、トランスの１次コイルの両端の電圧と、出力電圧との相関は、トランスの巻き線比などに応じて変化してしまうため、正確な出力電圧の検出が困難という問題がある。その結果、負荷を駆動するために十分な駆動電圧が得られなかったり、あるいは必要な電圧を超えて過充電することにより、無駄な電力を消費するおそれがある。

また、出力キャパシタに現れる出力電圧を、抵抗によって分圧し、直接モニタする場合、高耐圧の抵抗素子を用いる必要がある。高耐圧の抵抗素子は、ＬＳＩ内部に内蔵することが難しく、チップ部品として設ける必要があるため、部品点数および実装面積の増大につながってしまう。さらに出力キャパシタに蓄えられた電荷が抵抗素子を介してグランドに放電されないように、逆向きにダイオードを設けなければならない場合もある。

本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、出力電圧を簡易な回路構成で正確に検出可能なキャパシタ充電装置の提供にある。

本発明のある態様は、トランスおよびトランスの２次コイルに流れる電流によって充電される出力キャパシタを含み、トランスの１次コイルの経路上に設けられたスイッチングトランジスタをスイッチング制御することにより、出力キャパシタを充電するキャパシタ充電装置の制御回路に関する。この制御回路は、トランスの２次コイルに設けられたタップと接続される電圧監視端子と、電圧監視端子に生ずる監視電圧を受け、当該監視電圧に応じてスイッチングトランジスタをスイッチング制御するスイッチング制御部と、監視電圧を監視し、所定時間継続して所定の条件を満たすとき、スイッチング制御部によるスイッチングトランジスタのスイッチング制御を停止させる保護回路と、を備える。

トランスの２次コイルにタップを設け、その電位をモニタすると、キャパシタに現れる出力電圧に応じた電圧を精度よく検出することができる。また、タップの位置を、２次コイルの接地側、すなわち、低電圧側に設けることにより、抵抗分圧する必要がないため、部品点数が増加することもない。つまり、この態様の制御回路によれば、出力電圧を正確にモニタし、スイッチング制御を好適に実施することができる。また、タップとスイッチング制御部との間の配線が切断したり（オープン）、タップが地絡または天絡（ショート）した場合には、出力電圧が制御不能となるが、保護回路を設けて電圧監視端子の電位をモニタすることにより、オープン、ショートを検出して、回路を保護できる。

スイッチング制御部は、トランスの１次コイルに流れる電流が所定のピーク電流に達するまでの間、スイッチングトランジスタをオンし、その後、監視電圧に応じたオフ時間の間、スイッチングトランジスタをオフする動作を繰り返してもよい。保護回路は、オフ時間を監視し、当該オフ時間が所定の条件を満たすとき、スイッチング制御部によるスイッチングトランジスタのスイッチング制御を停止させてもよい。
上述のように、タップ電圧に応じた監視電圧は出力電圧に応じた電圧となるため、出力キャパシタに現れる電圧を直接モニタする場合に比べて、精度的に劣ることなく、スイッチングトランジスタのオフ時間、すなわち出力キャパシタに充電電流を供給する時間を好適に制御することができる。さらに配線のオープン、ショートが発生すると、監視電圧が低下してオフ時間に変化が生ずる。したがってオフ時間を監視することにより、監視電圧の低下を間接的に判定でき、回路保護が実現できる。

スイッチング制御部は、オフ時間を所定の最大オフ時間以下に制限する最大オフ時間設定回路を含んでもよい。保護回路は、オフ時間が連続して最大オフ時間に制限された回数をカウントし、カウント値が所定のしきい値を超えたとき、スイッチング制御部によるスイッチングトランジスタのスイッチング制御を停止させてもよい。
最大オフ時間に設定される回数をカウントすることにより、配線のオープン、ショートを確実に検出できる。

スイッチング制御部は、トランスの１次コイルに流れる１次電流を検出する１次電流検出回路と、１次電流検出回路によって検出された１次電流を、所定のピーク電流値と比較し、１次電流がピーク電流値を上回るとアサートされる比較信号を出力するコンパレータと、コンパレータから出力される比較信号がアサートされると時間計測を開始し、監視電圧に応じたオフ時間が経過するとアサートされる第１セット信号を生成する第１タイマと、コンパレータから出力される比較信号がアサートされると時間計測を開始し、所定の最大オフ時間が経過するとアサートされる第２セット信号を生成する第２タイマと、比較信号がアサートされるとスイッチングトランジスタをオフし、第１セット信号がアサートされるタイミングと第２セット信号がアサートされるタイミングのうち、早いタイミングでスイッチングトランジスタをオンするスイッチング制御部と、を含む。保護回路は、第２セット信号がアサートされるタイミングでスイッチングトランジスタがオンした回数をカウントするカウンタを含み、カウント値が所定値に達すると、スイッチング制御部によるスイッチングトランジスタのスイッチング制御を停止させてもよい。

スイッチング制御部は、監視電圧を所定のしきい値電圧と比較することにより、充電完了を検出する充電完了検出部を含んでもよい。スイッチング制御部は充電完了が検出されると、スイッチングトランジスタのオンオフを停止してもよい。
上述のように、タップ電圧に応じた監視電圧は、出力電圧と相関を有する電圧となるため、出力キャパシタに現れる電圧を直接モニタする場合に比べて、精度的に劣ることなく、満充電状態を検出し、スイッチングを停止することができる。

本発明の別の態様もまた、制御回路に関する。この制御回路は、トランスの２次コイルに設けられたタップと接続される電圧監視端子と、電圧監視端子に生ずる監視電圧を受け、当該監視電圧に応じてスイッチングトランジスタをスイッチング制御するスイッチング制御部と、電圧監視端子のインピーダンスを監視し、異常を検出するとスイッチング制御部によるスイッチングトランジスタのスイッチング制御を停止させる保護回路と、を備える。

この態様の制御回路によれば、出力電圧を正確にモニタし、スイッチング制御を好適に実施することができる。また、タップとスイッチング制御部との間の配線が切断したり（オープン）、タップが地絡または天絡（ショート）した場合には、フィードバックが無効となって出力電圧が制御不能となるが、タップのインピーダンスを監視することにより回路異常を検出できる。

スイッチング制御部は、トランスの１次コイルに流れる電流が所定のピーク電流に達するまでの間、スイッチングトランジスタをオンし、その後、監視電圧に応じたオフ時間の間、スイッチングトランジスタをオフする動作を繰り返してもよい。
スイッチング制御部は、監視電圧を所定のしきい値電圧と比較することにより、充電完了を検出する充電完了検出部を含んでもよい。スイッチング制御部は充電完了が検出されると、スイッチングトランジスタのオンオフを停止してもよい。

制御回路は、１つの半導体基板上に一体集積化されてもよい。「一体集積化」とは、回路の構成要素のすべてが半導体基板上に形成される場合や、回路の主要構成要素が一体集積化される場合が含まれ、回路定数の調節用に一部の抵抗やキャパシタなどが半導体基板の外部に設けられていてもよい。

本発明のさらに別の態様は、キャパシタ充電装置に関する。このキャパシタ充電装置は、１次コイルおよび２次コイルを含み、１次コイルの一端に入力電圧が印加され、他端にスイッチングトランジスタが接続されたトランスと、一端が接地された出力キャパシタと、アノードがトランスの２次コイル側に接続され、カソードが出力キャパシタの他端側に接続されたダイオードと、スイッチングトランジスタのオンオフを制御する上述のいずれかの態様の制御回路と、を備える。

本発明のさらに別の態様は発光装置に関する。発光装置は、上述のキャパシタ充電装置と、キャパシタ充電装置の出力キャパシタに現れる出力電圧により駆動される発光素子と、を備える。

本発明のさらに別の態様は、電子機器である。この電子機器は、上述の発光装置と、発光装置の発光状態を制御する制御部と、を備える。

本発明のさらに別の態様は、トランスおよびトランスの２次コイルに流れる電流によって充電される出力キャパシタを含み、トランスの１次コイルの経路上に設けられたスイッチングトランジスタをスイッチング制御することにより出力キャパシタを充電するキャパシタ充電装置の制御方法に関する。この方法は、以下のステップ１〜５を繰り返す。
ステップ１． トランスの１次コイルに流れる１次電流を検出する。
ステップ２． 検出された１次電流が、所定のピーク電流値に達するまでの間、スイッチングトランジスタをオンする。
ステップ３． トランスの２次コイルに設けられたタップの電圧に応じた監視電圧にもとづいてオフ時間を設定する。
ステップ４． オフ時間を所定の最大オフ時間以下に制限する。
ステップ５． 設定されたオフ時間の間、スイッチングトランジスタをオフする。
さらに、この方法は、監視電圧が所定時間継続して所定のしきい値を下回ると、スイッチングトランジスタのスイッチング制御を停止する保護ステップを実行する。

保護ステップは、オフ時間が最大オフ時間に制限された回数をカウントし、カウント値が所定のしきい値を超えたとき、スイッチングトランジスタのスイッチング制御を停止してもよい。

本発明のさらに別の態様もまた、キャパシタ充電装置の制御方法に関する。この制御方法は、上述のステップ１〜５を繰り返す。さらに、タップに接続されるべき端子のインピーダンスを監視し、異常を検出するとスイッチングトランジスタのスイッチング制御を停止するステップを実行する。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明に係るキャパシタ充電装置およびその制御回路によれば、簡易な回路構成で出力電圧を正確に検出し、スイッチングトランジスタの制御に反映させることができ、タップと制御回路間の結線に異常が生じても、回路を保護できる。

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

本明細書において、「部材Ａが部材Ｂに接続された状態」とは、部材Ａと部材Ｂが物理的に直接的に接続される場合や、部材Ａと部材Ｂが、電気的な接続状態に影響を及ぼさない他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。同様に、「部材Ｃが、部材Ａと部材Ｂの間に設けられた状態」とは、部材Ａと部材Ｃ、あるいは部材Ｂと部材Ｃが直接的に接続される場合のほか、電気的な接続状態に影響を及ぼさない他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。

図１は、実施の形態に係る発光装置２００を搭載した電子機器３００の構成を示すブロック図である。電子機器３００は、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラ、あるいは撮像機能を備えた携帯電話端末であり、電池３１０、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）３１４、撮像部３１６、発光装置２００を備える。

電池３１０は、たとえばリチウムイオン電池であり、電池電圧Ｖｂａｔとして３〜４Ｖ程度の電圧を出力する。ＤＳＰ３１４は、電子機器３００全体を統括的に制御するブロックであり撮像部３１６、発光装置２００と接続されている。撮像部３１６は、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）やＣＭＯＳセンサなどの撮像装置である。発光装置２００は、撮像部３１６による撮像の際に、フラッシュとして用いられる光源である。

発光装置２００は、キャパシタ充電装置２１０、発光素子２１２、トリガ回路２１４を備える。発光素子２１２としてはキセノンチューブなどが好適に用いられる。キャパシタ充電装置２１０は、その出力に設けられた出力キャパシタを充電することにより、電池３１０から供給される電池電圧Ｖｂａｔを昇圧し、発光素子２１２に３００Ｖ程度の駆動電圧を供給する。トリガ回路２１４は、発光装置２００の発光のタイミングを制御する回路である。発光素子２１２は、撮像部３１６の撮像と同期して発光する。

図２は、発光装置２００の構成を示す回路図である。発光装置２００は、キャパシタ充電装置２１０、発光素子２１２、ＩＧＢＴ２１４ａを含む。図２に示す制御回路１００、スイッチングトランジスタＴｒ１、トランス１０、整流用ダイオードＤ１、出力キャパシタＣ１は、図１のキャパシタ充電装置２１０に対応する。また、図１のトリガ回路２１４は、図２のＩＧＢＴ２１４ａ、発光制御部２１４ｂに対応する。

キャパシタ充電装置２１０は、出力キャパシタＣ１に充電電流を供給して、発光素子２１２の発光に必要な駆動電圧（以下、出力電圧Ｖｏｕｔともいう）を生成する。キャパシタ充電装置２１０は、出力回路２０と、制御回路１００を含んで構成される。

出力回路２０は、トランス１０、整流用ダイオードＤ１、出力キャパシタＣ１を含む。トランス１０は、１次コイル１２および２次コイル１４を備える。１次コイル１２の一端は、キャパシタ充電装置２１０の入力端子２０２となっており、図１の電池３１０から出力される電池電圧Ｖｂａｔが印加される。１次コイル１２の他端は、制御回路１００のスイッチング端子１０２と接続される。

トランス１０の２次コイル１４の一端は、接地されて電位が固定されており、その他端は、整流用ダイオードＤ１のアノードと接続される。出力キャパシタＣ１の一端は、接地されており、その他端は、整流用ダイオードＤ１のカソードと接続されている。出力キャパシタＣ１の端子は、本キャパシタ充電装置２１０の出力端子２０４とされ、出力キャパシタＣ１に充電された電圧が出力電圧Ｖｏｕｔとして出力される。

本実施の形態において、トランス１０の２次コイル１４にはタップ１６が設けられている。タップ１６の電圧（以下、監視電圧Ｖｍｏｎｉという）は、配線１８を介して制御回路１００の電圧監視端子１０８に入力される。制御回路１００は、監視電圧Ｖｍｏｎｉを、発光装置２００の出力電圧Ｖｏｕｔとみなして、スイッチングトランジスタＴｒ１のオンオフを制御する。電圧監視端子１０８および、タップ１６までの配線１８は、タップ１６の電圧をモニタする電圧検出部として機能する。

制御回路１００は、スイッチングトランジスタＴｒ１のオンオフをスイッチング制御することにより、トランス１０にエネルギを蓄え、出力キャパシタＣ１に対する充電電流を生成して、電池電圧Ｖｂａｔを昇圧するものである。以下、１次コイル１２に流れる電流を１次電流Ｉｃ１、２次コイル１４に流れる電流を２次電流Ｉｃ２という。

制御回路１００は、スイッチングトランジスタＴｒ１に加えて、検出抵抗Ｒ１、コンパレータ３２、オフ時間設定回路３４、ドライバ回路３６、保護回路３８、発光制御部２１４ｂ、充電完了検出回路５０を備える。制御回路１００は、１つの半導体基板上に機能ＩＣとして一体集積化される。

制御回路１００は、スイッチングトランジスタＴｒ１の制御端子に与える電圧あるいは電流を制御してオンオフを制御する。本実施の形態において、スイッチングトランジスタＴｒ１はバイポーラトランジスタである。スイッチングトランジスタＴｒ１のコレクタは、スイッチング端子１０２を介してトランス１０の１次コイル１２と接続される。ドライバ回路３６は、スイッチングトランジスタＴｒ１のベース電流Ｉｂをスイッチング制御する。

検出抵抗Ｒ１、コンパレータ３２、オフ時間設定回路３４、ドライバ回路３６、充電完了検出回路５０は、スイッチングトランジスタＴｒ１のスイッチング動作を制御するスイッチング制御部４０として機能する。このスイッチング制御部４０は、監視電圧Ｖｍｏｎｉを、キャパシタ充電装置２１０の出力電圧Ｖｏｕｔとみなして、スイッチングトランジスタＴｒ１のオンオフを制御する。具体的にスイッチング制御部４０は、監視電圧Ｖｍｏｎｉにもとづいて、
（１） スイッチングトランジスタＴｒ１のオン、オフのデューティ比の調節
（２） 満充電時のスイッチングトランジスタＴｒ１のスイッチング制御の停止
のいずれか一方、もしくは両方を行う。以下の説明では、両方を行うものとして説明するが、いずれか一方のみを行う回路も本発明の範囲に含まれる。

検出抵抗Ｒ１は、トランス１０の１次コイル１２に流れる１次電流Ｉｃ１を検出する１次電流検出回路として機能する。検出抵抗Ｒ１は、１次電流Ｉｃ１が流れる１次コイル１２およびスイッチングトランジスタＴｒ１と同一経路上に設けられており、一端が接地され、他端が、スイッチングトランジスタＴｒ１のエミッタに接続される。検出抵抗Ｒ１には、１次電流Ｉｃ１に比例した電圧降下Ｖｄｅｔ＝Ｉｃ１×Ｒ１が発生する。検出抵抗Ｒ１は、１次電流Ｉｃ１に応じた検出電圧Ｖｄｅｔを出力する。

制御回路１００の充電電流制御端子１０４には、外部から、出力キャパシタＣ１の充電電流を指示するための電流調節信号Ｖａｄｊが入力される。コンパレータ３２は、１次電流検出回路から出力される検出電圧Ｖｄｅｔを、電流調節信号Ｖａｄｊと比較する。コンパレータ３２は、検出電圧Ｖｄｅｔが、電流調節信号Ｖａｄｊを上回ると、すなわち、１次電流Ｉｃ１が、電流調節信号Ｖａｄｊに応じて定まる所定の電流値（以下、ピーク電流値Ｉｐｅａｋという）に達したことを検出すると、比較信号Ｓｃｍｐをハイレベルとする（アサート）。コンパレータ３２から出力される比較信号Ｓｃｍｐは、オフ時間設定回路３４に入力される。後述するように、電流調節信号Ｖａｄｊは、充電電流のピーク値Ｉｐｅａｋを規定する信号である。ピーク電流値Ｉｐｅａｋと、電流調節信号Ｖａｄｊの関係は、Ｉｐｅａｋ＝Ｖａｄｊ／Ｒ１で与えられる。

オフ時間設定回路３４は、比較信号Ｓｃｍｐがアサートされてから、あるオフ時間Ｔｏｆｆをカウントし、このオフ時間Ｔｏｆｆが経過するまでの間、第１レベル（たとえばローレベル）となる駆動信号Ｓｄｒｖを生成する。

ドライバ回路３６は、駆動信号Ｓｄｒｖが第１レベルの間、すなわち、オフ時間設定回路３４によって、オフ時間Ｔｏｆｆがカウントされる間、スイッチングトランジスタＴｒ１へのベース電流の供給を停止し、スイッチングトランジスタＴｒ１をオフする。オフ時間Ｔｏｆｆが経過して、駆動信号Ｓｄｒｖが第２レベル（たとえばハイレベル）に戻ると、ドライバ回路３６はスイッチングトランジスタＴｒ１にベース電流を供給して、再度、スイッチングトランジスタＴｒ１をオンする。

スイッチング制御部４０は、１次電流Ｉｃ１が、所定のピーク電流値Ｉｐｅａｋに達するまでの間、スイッチングトランジスタＴｒ１にオンを指示し、その後、あるオフ時間Ｔｏｆｆの間、スイッチングトランジスタＴｒ１にオフを指示するスイッチング信号Ｓｓｗを、スイッチングトランジスタＴｒ１のベースに出力する。

なお、オフ時間Ｔｏｆｆは、予め設定された時間であってもよいし、出力電圧Ｖｏｕｔに応じて設定されてもよいし、あるいは、トランス１０の１次側、あるいは２次側の状態に応じて設定される時間であってもよいし、あるいは後述するように、監視電圧Ｖｍｏｎｉに応じて設定されてもよい。

スイッチング制御部４０のドライバ回路３６には、充電電流を指示する電流調節信号Ｖａｄｊが入力されている。ドライバ回路３６は、電流調節信号Ｖａｄｊに応じて、スイッチングトランジスタＴｒ１のベースに出力するスイッチング信号を調節する。具体的には、スイッチング制御部４０は、スイッチングトランジスタＴｒ１のベースに対してスイッチング信号として出力するベース電流Ｉｂの電流値を、電流調節信号Ｖａｄｊに応じて調節する。

充電完了検出回路５０は、コンパレータであって、トランス１０の２次コイル１４に設けられたタップ１６に現れる監視電圧Ｖｍｏｎｉを、出力キャパシタＣ１に現れる出力電圧Ｖｏｕｔとみなし、所定のしきい値電圧Ｖｔｈと比較することにより、充電完了を検出する。しきい値電圧Ｖｔｈは、発光素子２１２の発光に十分な電圧、たとえば３００Ｖ程度に設定される。充電完了検出回路５０は、充電完了を検出すると、充電完了を示すフラグＦＵＬＬを立てる。充電完了検出回路５０によって、充電完了が検出されると、スイッチング制御部４０は、スイッチングトランジスタＴｒ１のスイッチングを停止する。

さらに、本実施の形態において、電圧監視端子１０８に入力された監視電圧Ｖｍｏｎｉは、スイッチング制御部４０のオフ時間設定回路３４へと入力される。オフ時間設定回路３４は、スイッチングトランジスタＴｒ１をオフとするオフ時間Ｔｏｆｆを、監視電圧Ｖｍｏｎｉに応じて変化させる。

たとえば、オフ時間設定回路３４は、監視電圧Ｖｍｏｎｉが大きいほど、すなわち出力電圧Ｖｏｕｔが大きいほど、オフ時間Ｔｏｆｆを短く設定してもよい。オフ時間設定回路３４をキャパシタに対して充放電を行うＣＲ時定数回路によって構成する場合には、充電あるいは放電電流を、監視電圧Ｖｍｏｎｉに応じて変化させることによって、オフ時間Ｔｏｆｆを調節することができる。

スイッチング制御部４０が監視電圧ＶｍｏｎｉにもとづいてスイッチングトランジスタＴｒ１を制御する場合、電圧監視端子１０８とタップ１６を接続する配線１８が切断したり（オープン）、地絡もしくは天絡する（ショート）と、監視電圧Ｖｍｏｎｉと出力電圧Ｖｏｕｔとの相関がなくなる。こうした回路異常が生じた状態で、監視電圧Ｖｍｏｎｉにもとづいて満充電検出を行うと、出力電圧Ｖｏｕｔがしきい値電圧Ｖｔｈを超えているにも関わらず充電が停止されないという問題が生ずる。あるいは、監視電圧Ｖｍｏｎｉにもとづいてオフ時間Ｔｏｆｆを変化させる場合、オフ時間Ｔｏｆｆが出力電圧Ｖｏｕｔと無関係に設定されるため、出力キャパシタＣ１の充電時間に過不足が生じるという問題が生じる。

そこで保護回路３８ａ、３８ｂは、監視電圧Ｖｍｏｎｉが所定時間継続して所定のしきい値を下回ると、スイッチング制御部４０によるスイッチングトランジスタＴｒ１のスイッチング制御を停止させる。保護回路３８ａは、スイッチング制御を停止すべき期間、ローレベルとなる（アサートされる）停止信号ＳＴＯＰを生成する。ＡＮＤゲート３８ｂは、停止信号ＳＴＯＰと駆動信号Ｓｄｒｖの論理積をドライバ回路３６に出力する。なお、スイッチングを停止するために、ＡＮＤゲート３８ｂなどによる駆動信号Ｓｄｒｖの論理値の固定ではなく、その他の手法を用いてもよい。また、スイッチングの停止に加えて、制御回路１００のいくつかの回路ブロックをシャットダウンしてもよい。

次に、保護回路３８ａ、３８ｂの具体的な構成例を説明する。

（第１の構成例）
図３は、スイッチング制御部４０および保護回路３８の第１の構成例を示すブロック図である。

オフ時間設定回路３４は、第１タイマ６０、第２タイマ６２、ＯＲゲート６４、ＳＲフリップフロップ６６を含む。

第１タイマ６０は、監視電圧Ｖｍｏｎｉに応じて設定されるオフ時間Ｔｏｆｆを計時する。第１タイマ６０は、コンパレータ３２からの比較信号Ｓｃｍｐを受け、比較信号Ｓｃｍｐがアサートされてからオフ時間Ｔｏｆｆの経過後にハイレベルとなる（アサート）第１セット信号Ｓ１を生成する。

第２タイマ６２、ＯＲゲート６４は、オフ時間Ｔｏｆｆを所定の最大オフ時間Ｔｏｆｆ＿ｍａｘ以下に制限する最大オフ時間設定回路として機能する。
第２タイマ６２は、比較信号Ｓｃｍｐがアサートされると時間計測を開始し、所定の最大オフ時間Ｔｏｆｆ＿ｍａｘが経過するとハイレベルとなる（アサート）第２セット信号Ｓ２を生成する。ＯＲゲート６４は、第１セット信号Ｓ１と第２セット信号Ｓ２の論理和を生成し、ＳＲフリップフロップ６６のセット端子に出力する。

ＳＲフリップフロップ６６のリセット端子には、比較信号Ｓｃｍｐが入力される。ＳＲフリップフロップ６６の出力は駆動信号Ｓｄｒｖとしてドライバ回路３６へと出力される。

つまりスイッチング制御部４０は、比較信号ＳｃｍｐがアサートされるとスイッチングトランジスタＴｒ１をオフする。また第１セット信号Ｓ１がハイレベルに遷移する（アサートされる）タイミングと第２セット信号Ｓ２がハイレベルに遷移する（アサートされる）タイミングのうち、早いタイミングでスイッチングトランジスタＴｒ１をオンする。

保護回路３８は、異常検出回路３８ａ、ＡＮＤゲート３８ｂを含む。異常検出回路３８ａはカウンタであり、オフ時間Ｔｏｆｆが連続して最大オフ時間Ｔｏｆｆ＿ｍａｘに制限された回数をカウントする。異常検出回路３８ａは、カウント値が所定のしきい値Ｎ（Ｎは整数）を超えるとローレベルとなる（アサートされる）停止信号ＳＴＯＰを生成する。つまり、Ｎ回連続してスイッチングトランジスタＴｒ１が最大オフ時間Ｔｏｆｆ＿ｍａｘに応じたデューティ比でオン、オフを繰り返すと、ＡＮＤゲート３８ｂは、停止信号ＳＴＯＰと駆動信号Ｓｄｒｖの論理積を生成し、ドライバ回路３６に供給する。停止信号ＳＴＯＰがアサートされると、駆動信号Ｓｄｒｖの論理値が固定され、スイッチング制御部４０によるスイッチングトランジスタＴｒ１のスイッチング制御が停止する。

第２タイマ６２はリセット端子を備えており、第１セット信号Ｓ１が入力されている。第２タイマ６２は第１セット信号Ｓ１がハイレベルに遷移するとリセットされる。第１セット信号Ｓ１によってリセットされることなく、最大オフ時間Ｔｏｆｆ＿ｍａｘが経過すると、第２セット信号Ｓ２がハイレベルに遷移する。したがって、オフ時間Ｔｏｆｆが最大オフ時間Ｔｏｆｆ＿ｍａｘに制限されるとき第２セット信号Ｓ２がハイレベルに遷移する。異常検出回路３８ａは、第２セット信号Ｓ２をカウントすることにより、オフ時間Ｔｏｆｆが最大オフ時間Ｔｏｆｆ＿ｍａｘに制限された回数をカウントする。

図３のスイッチング制御部４０および保護回路３８によれば、オフ時間Ｔｏｆｆの長さを監視することにより、間接的に監視電圧Ｖｍｏｎｉがしきい値電圧より低いこと検出することができ、配線１８のオープンまたはショート状態が発生すると、回路を好適に保護することができる。

（第２の構成例）
第１の構成例では、オフ時間Ｔｏｆｆを監視して回路保護を実行する場合を説明した。これに代えて第２の構成例では、監視電圧Ｖｍｏｎｉをしきい値電圧と比較して配線１８のオープン、ショート状態を検出する。この場合、保護回路３８は、監視電圧Ｖｍｏｎｉをしきい値電圧と比較するコンパレータと、コンパレータの出力信号に応じて所定時間を計測するタイマ回路とで構成される。

配線１８がオープン状態、もしくは地絡状態のとき、監視電圧Ｖｍｏｎｉは接地電位まで低下するから、０Ｖ付近の低いしきい値電圧と比較することで回路異常が検出できる。また配線１８が天絡すると、監視電圧Ｖｍｏｎｉは電源電圧付近まで上昇するから、別のしきい値電圧と比較することで天絡状態も検出可能である。

なお、第２の構成例ではしきい値電圧ごとにコンパレータが必要となるが、第１の構成例では、配線１８のショートや短絡を検出するために監視電圧Ｖｍｏｎｉをしきい値電圧と比較するコンパレータが不要となるため、回路を簡略化できるという利点がある。

（第３の構成例）
保護回路３８は、監視電圧Ｖｍｏｎｉをモニタする代わりに、電圧監視端子１０８のインピーダンスをモニタしてもよい。配線１８がタップ１６と正常に接続されるとき、電圧監視端子１０８から配線１８側を見たインピーダンスは、２次コイル１４のタップ１６と接地端子間のインピーダンスとなる。配線１８がオープン、ショート状態となると、そのインピーダンスは変化する。保護回路３８は、このインピーダンスの変化を検出してもよい。

以上が保護回路３８およびスイッチング制御部４０の構成例である。

図１に戻る。発光制御部２１４ｂは、発光制御信号Ｖｃｎｔを生成し、発光制御端子１０６に接続されるＩＧＢＴ２１４ａのベース電圧を制御する。出力キャパシタＣ１の充電が完了し、十分な駆動電圧Ｖｏｕｔが生成された状態で、発光制御信号Ｖｃｎｔがハイレベルとなると、ＩＧＢＴ２１４ａがオンし、発光素子２１２が発光する。

以上のように構成された発光装置２００の動作について説明する。図４は、実施の形態に係るキャパシタ充電装置２１０の動作を示すタイムチャートである。図４の縦軸および横軸は、理解を容易とするために適宜拡大、縮小したものであり、また示される各波形も、理解の容易のために簡略化されている。時刻ｔ０に、スイッチング信号Ｓｓｗがハイレベルとなり、すなわち、スイッチングトランジスタＴｒ１にベース電流Ｉｂが供給されて、スイッチングトランジスタＴｒ１がオンとなる。スイッチングトランジスタＴｒ１がオンすることにより、トランス１０の１次コイルに流れる１次電流Ｉｃ１が時間とともに徐々に上昇し、時刻ｔ１にＶｄｅｔ＞Ｖａｄｊとなる。

Ｖｄｅｔ＞Ｖａｄｊとなると、コンパレータ３２から出力される比較信号Ｓｃｍｐは、ローレベルからハイレベルに切り替わる。オフ時間設定回路３４は、比較信号Ｓｃｍｐがハイレベルとなってからオフ時間Ｔｏｆｆの間、駆動信号Ｓｄｒｖを第１レベル（ローレベル）に設定する。ドライバ回路３６は、駆動信号Ｓｄｒｖがローレベルの期間、スイッチングトランジスタＴｒ１へのベース電流Ｉｂの供給を停止し、スイッチングトランジスタＴｒ１をオフする。スイッチングトランジスタＴｒ１がオフすると、トランス１０の２次コイル１４に流れる２次電流Ｉｃ２によって、出力キャパシタＣ１が充電される。

時刻ｔ１からオフ時間Ｔｏｆｆ経過後の時刻ｔ２に、駆動信号Ｓｄｒｖがハイレベルに切り替わる。ドライバ回路３６は、駆動信号Ｓｄｒｖがハイレベルとなると、スイッチングトランジスタＴｒ１にベース電流Ｉｂを供給する。制御回路１００は、時刻ｔ０〜ｔ２の動作を１周期として、これを繰り返すことにより、出力キャパシタＣ１を充電し、出力電圧Ｖｏｕｔを上昇させる。

オフ時間設定回路３４によって設定されるオフ時間Ｔｏｆｆを、監視電圧Ｖｍｏｎｉに依存させることにより、監視電圧Ｖｍｏｎｉの上昇、すなわち、出力電圧Ｖｏｕｔの上昇にともなって、オフ時間Ｔｏｆｆは徐々に短くなる。その結果、充電開始直後の出力電圧Ｖｏｕｔが低いときには、トランス１０に蓄えられたエネルギを効率よく使用するとともに、出力電圧Ｖｏｕｔが高くなるに従い、充電速度を高めることができ、効率と充電速度のバランスを図ることが可能となる。

時刻ｔ３に、監視電圧Ｖｍｏｎｉが、しきい値電圧Ｖｔｈに達すると、充電完了検出回路５０によって、充電完了を示すフラグＦＵＬＬが立てられ、発光素子２１２の発光が許可される。監視電圧Ｖｍｏｎｉが所望の電圧値まで上昇すると、発光制御部２１４ｂは、図１の撮像部３１６による撮像と同期して発光制御信号Ｖｃｎｔをハイレベルに切り替える。その結果、ＩＧＢＴ２１４ａがオンし、発光素子２１２であるキセノンランプがフラッシュとして発光する。

本実施の形態に係るキャパシタ充電装置２１０によれば、トランス１０の２次コイル１４にタップを設け、その電位をモニタすることにより、出力キャパシタＣ１に現れる出力電圧Ｖｏｕｔに応じた電圧を精度よく検出することができる。また、タップ１６の位置を、２次コイル１４の接地側、すなわち、低電圧側に設けることにより、抵抗分圧する必要がないため、部品点数が増加することもない。制御回路１００は、出力電圧Ｖｏｕｔに応じた監視電圧Ｖｍｏｎｉに応じて、スイッチングトランジスタＴｒ１を好適にスイッチング制御することができる。

たとえば、実施の形態において、充電完了検出回路５０は、充電状態の検出を、監視電圧Ｖｍｏｎｉにもとづいて実行した。この場合、出力キャパシタＣ１に現れる出力電圧Ｖｏｕｔを直接モニタする場合に比べて、精度的に劣ることなく、満充電状態を検出し、スイッチングを停止することができる。その結果、負荷の駆動に必要な電圧が得られなかったり、逆に出力キャパシタＣ１を過充電するといった問題を解決することができる。

また、実施の形態では、オフ時間設定回路３４におけるオフ時間Ｔｏｆｆの設定も、監視電圧Ｖｍｏｎｉにもとづいて実行した。その結果、出力電圧を、スイッチング動作に精度よく反映することができる。

上記実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

実施の形態では、スイッチングトランジスタＴｒ１としてバイポーラトランジスタを用いる場合を説明したが、ＭＯＳＦＥＴを用いてもよい。また、実施の形態では、スイッチングトランジスタＴｒ１のオン、オフのタイミングを、１次電流Ｉｃ１にもとづいて実行する場合を説明したが、制御方式はこれに限定されるものではなく、その他の制御方式を用いてもよい。

実施の形態において、キャパシタ充電装置２１０は、発光素子２１２を駆動する場合を説明したが、これには限定されず、その他の高電圧を必要とするさまざまな負荷回路を駆動することができる。

また、本実施の形態において、ハイレベル、ローレベルの論理値の設定は一例であって、インバータなどによって適宜反転させることにより自由に変更することが可能である。

実施の形態に係る発光装置を搭載した電子機器の構成を示すブロック図である。 実施の形態に係る発光装置の構成を示す回路図である。 スイッチング制御部および保護回路の第１の構成例を示すブロック図である。 図２のキャパシタ充電装置の動作を示すタイムチャートである。

符号の説明

１０…トランス、１２…１次コイル、１４…２次コイル、１６…タップ、１８…配線、Ｔｒ１…スイッチングトランジスタ、Ｄ１…整流用ダイオード、Ｃ１…出力キャパシタ、２０…出力回路、Ｒ１…検出抵抗、３２…コンパレータ、３４…オフ時間設定回路、３６…ドライバ回路、３８…保護回路、４０…スイッチング制御部、５０…充電完了検出回路、６０…第１タイマ、６２…第２タイマ、６４…ＯＲゲート、６６…ＳＲフリップフロップ、１００…制御回路、１０２…スイッチング端子、１０４…充電電流制御端子、１０６…発光制御端子、１０８…電圧監視端子、２００…発光装置、２１０…キャパシタ充電装置、２１２…発光素子、２１４…トリガ回路、２１４ａ…ＩＧＢＴ、２１４ｂ…発光制御部、３００…電子機器、３１０…電池、３１４…ＤＳＰ、３１６…撮像部、Ｉｃ１…１次電流、Ｉｃ２…２次電流、Ｖａｄｊ…電流指示信号、Ｓｃｍｐ…比較信号、Ｓｄｒｖ…駆動信号、Ｓｓｗ…スイッチング信号。

Claims (15)

1. トランスおよび前記トランスの２次コイルに流れる電流によって充電される出力キャパシタを含み、前記トランスの１次コイルの経路上に設けられたスイッチングトランジスタをスイッチング制御することにより、前記出力キャパシタを充電するキャパシタ充電装置の制御回路であって、
   前記トランスの２次コイルに設けられたタップと接続される電圧監視端子と、
   前記電圧監視端子に生ずる監視電圧を受け、当該監視電圧に応じて前記スイッチングトランジスタをスイッチング制御するスイッチング制御部と、
   前記監視電圧を監視し、当該監視電圧が所定時間継続して所定の条件を満たすとき、前記スイッチング制御部による前記スイッチングトランジスタのスイッチング制御を停止させる保護回路と、
   を備えることを特徴とする制御回路。
2. 前記スイッチング制御部は、前記トランスの１次コイルに流れる電流が所定のピーク電流に達するまでの間、前記スイッチングトランジスタをオンし、その後、前記監視電圧に応じたオフ時間の間、前記スイッチングトランジスタをオフする動作を繰り返し、
   前記保護回路は、前記オフ時間を監視し、当該オフ時間が所定の条件を満たすとき、前記スイッチング制御部による前記スイッチングトランジスタのスイッチング制御を停止させることを特徴とする請求項１に記載の制御回路。
3. 前記スイッチング制御部は、前記オフ時間を所定の最大オフ時間以下に制限する最大オフ時間設定回路を含み、
   前記保護回路は、前記オフ時間が連続して前記最大オフ時間に制限された回数をカウントし、カウント値が所定のしきい値を超えたとき、前記スイッチング制御部による前記スイッチングトランジスタのスイッチング制御を停止させることを特徴とする請求項２に記載の制御回路。
4. 前記スイッチング制御部は、
   前記トランスの１次コイルに流れる１次電流を検出する１次電流検出回路と、
   前記１次電流検出回路によって検出された１次電流を、所定のピーク電流値と比較し、前記１次電流が前記ピーク電流値を上回るとアサートされる比較信号を出力するコンパレータと、
   前記コンパレータから出力される比較信号がアサートされると時間計測を開始し、前記監視電圧に応じたオフ時間が経過するとアサートされる第１セット信号を生成する第１タイマと、
   前記コンパレータから出力される比較信号がアサートされると時間計測を開始し、所定の最大オフ時間が経過するとアサートされる第２セット信号を生成する第２タイマと、
   前記比較信号がアサートされると前記スイッチングトランジスタをオフし、前記第１セット信号がアサートされるタイミングと前記第２セット信号がアサートされるタイミングのうち、早いタイミングで前記スイッチングトランジスタをオンするスイッチング制御部と、
   を含み、
   前記保護回路は、前記第２セット信号がアサートされるタイミングで前記スイッチングトランジスタがオンした回数をカウントするカウンタを含み、カウント値が所定値に達すると、前記スイッチング制御部による前記スイッチングトランジスタのスイッチング制御を停止させることを特徴とする請求項１に記載の制御回路。
5. 前記スイッチング制御部は、前記監視電圧を所定のしきい値電圧と比較することにより、充電完了を検出する充電完了検出部を含み、前記スイッチング制御部は充電完了が検出されると、前記スイッチングトランジスタのオンオフを停止することを特徴とする請求項１に記載の制御回路。
6. トランスおよび前記トランスの２次コイルに流れる電流によって充電される出力キャパシタを含み、前記トランスの１次コイルの経路上に設けられたスイッチングトランジスタをスイッチング制御することにより、前記出力キャパシタを充電するキャパシタ充電装置の制御回路であって、
   前記トランスの２次コイルに設けられたタップと接続される電圧監視端子と、
   前記電圧監視端子に生ずる監視電圧を受け、当該監視電圧に応じて前記スイッチングトランジスタをスイッチング制御するスイッチング制御部と、
   前記電圧監視端子のインピーダンスを監視し、異常を検出すると前記スイッチング制御部による前記スイッチングトランジスタのスイッチング制御を停止させる保護回路と、
   を備えることを特徴とする制御回路。
7. 前記スイッチング制御部は、前記トランスの１次コイルに流れる電流が所定のピーク電流に達するまでの間、前記スイッチングトランジスタをオンし、その後、前記監視電圧に応じたオフ時間の間、前記スイッチングトランジスタをオフする動作を繰り返すことを特徴とする請求項６に記載の制御回路。
8. 前記スイッチング制御部は、前記監視電圧を所定のしきい値電圧と比較することにより、充電完了を検出する充電完了検出部を含み、前記スイッチング制御部は充電完了が検出されると、前記スイッチングトランジスタのオンオフを停止することを特徴とする請求項６に記載の制御回路。
9. １つの半導体基板上に一体集積化されたことを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の制御回路。
10. １次コイルおよび２次コイルを含み、１次コイルの一端に入力電圧が印加され、他端にスイッチングトランジスタが接続されたトランスと、
    一端が接地された出力キャパシタと、
    アノードが前記トランスの２次コイル側に接続され、カソードが前記出力キャパシタの他端側に接続されたダイオードと、
    前記スイッチングトランジスタをスイッチング制御する請求項１から８のいずれかに記載の制御回路と、
    を備えることを特徴とするキャパシタ充電装置。
11. 請求項１０に記載のキャパシタ充電装置と、
    前記キャパシタ充電装置の出力キャパシタに現れる出力電圧により駆動される発光素子と、
    を備えることを特徴とする発光装置。
12. 請求項１１に記載の発光装置と、
    前記発光装置の発光状態を制御する制御部と、
    を備えることを特徴とする電子機器。
13. トランスおよび前記トランスの２次コイルに流れる電流によって充電される出力キャパシタを含み、前記トランスの１次コイルの経路上に設けられたスイッチングトランジスタをスイッチング制御することにより前記出力キャパシタを充電するキャパシタ充電装置の制御方法であって、
    繰り返し実行される、
    前記トランスの１次コイルに流れる１次電流を検出するステップと、
    検出された前記１次電流が、所定のピーク電流値に達するまでの間、前記スイッチングトランジスタをオンするステップと、
    前記トランスの２次コイルに設けられたタップの電圧に応じた監視電圧にもとづいてオフ時間を設定するステップと、
    前記オフ時間を所定の最大オフ時間以下に制限するステップと、
    設定された前記オフ時間の間、前記スイッチングトランジスタをオフするステップと、
    を備え、さらに、
    前記監視電圧が所定時間継続して所定のしきい値を下回ると、前記スイッチングトランジスタのスイッチング制御を停止する保護ステップと、
    を備えることを特徴とする方法。
14. 前記保護ステップは、
    前記オフ時間が連続して前記最大オフ時間に制限された回数をカウントし、カウント値が所定のしきい値を超えたとき、前記スイッチングトランジスタのスイッチング制御を停止することを特徴とする請求項１３に記載の方法。
15. トランスおよび前記トランスの２次コイルに流れる電流によって充電される出力キャパシタを含み、前記トランスの１次コイルの経路上に設けられたスイッチングトランジスタをスイッチング制御することにより前記出力キャパシタを充電するキャパシタ充電装置の制御方法であって、
    繰り返し実行される、
    前記トランスの１次コイルに流れる１次電流を検出するステップと、
    検出された前記１次電流が、所定のピーク電流値に達するまでの間、前記スイッチングトランジスタをオンするステップと、
    前記トランスの２次コイルに設けられたタップの電圧に応じたオフ時間を設定するステップと、
    前記オフ時間を所定の最大オフ時間以下に制限するステップと、
    設定された前記オフ時間の間、前記スイッチングトランジスタをオフするステップと、
    を備え、さらに、
    前記タップに接続されるべき端子のインピーダンスを監視し、異常を検出すると前記スイッチングトランジスタのスイッチング制御を停止するステップと、
    を備えることを特徴とする方法。

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