JP2010004691A - フラッシュ用電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電池電圧が下がってもフラッシュ点灯が行なえるとともに、フラッシュ点灯で大電流がＬＥＤに流されてセット内の他の回路が誤動作を起こすのを回避できるＬＥＤフラッシュ用電源装置を提供する。
【解決手段】電池を電源とし電池からの入力電圧を所定の電圧まで昇圧する第１の昇圧回路（２０）と、該第１の昇圧回路から出力される電流により充電されるコンデンサ（４０）と、該コンデンサの充電電圧を昇圧する第２の昇圧回路（３０）とを設け、前記第２の昇圧回路の出力電流を発光素子（５０）に流してフラッシュ点灯させるように構成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、フラッシュランプを点灯駆動するための直流電源装置に関し、例えば携帯電話機やディジタルカメラのフラッシュランプに使用されるＷ−ＬＥＤ（白色発光ダイオード）の駆動電流を供給する電源装置に利用して有効な技術に関する。

携帯電話機やディジタルカメラ等の撮像機能を有する電子機器においては、夜間撮影や室内撮影の際あるいは逆光時に良好な撮影を可能にするためのフラッシュランプに、Ｗ−ＬＥＤを使用しているものがある。かかる撮像機能を有する電子機器は、一般に電池を電源とする一方、Ｗ−ＬＥＤのフラッシュ点灯には電池の電圧よりも高い電圧が必要とされるため、昇圧型のＤＣ−ＤＣコンバータやチャージポンプ回路などからなるフラッシュ駆動用電源を発生する電源装置に設けられている。

なお、撮像装置におけるＬＥＤフラッシュの駆動電源装置に関する発明としては、例えば特許文献１に記載されている発明がある。
特開２００５−９３５６６号公報 特開２００７−９７２５１号公報

特許文献１に記載されている発明においては、コンデンサにチャージした電荷を負荷駆動回路でＬＥＤを通して引き抜くことでＬＥＤをフラッシュ点灯させるようにしている。かかる駆動電源装置においては、フラッシュ点灯を行うとコンデンサの電圧が急速に低下するので、コンデンサの容量が充分に大きくないと連続したフラッシュ点灯が困難であるという課題がある。

そこで、本発明者は、特許文献２に記載されているようなチャージポンプ回路を使用した電源装置で、ＬＥＤフラッシュの駆動用電源を発生することについて検討した。その結果、電池電圧をチャージポンプ回路の入力電圧とした場合、フラッシュ点灯時には１〜２Ａの比較的に大きな電流を流す必要があるため、特に電池が消耗した状態でフラッシュ点灯を行うと、電源電圧を共通にするＣＰＵなどセット内の他の回路に供給される電流が減少してしまい、誤動作を起こすおそれがあることが明らかとなった。

そのため、撮像機能を備えた電子機器においては、電池電圧が下がったときにフラッシュ機能を無効にしたり、システムダウンしてユーザに電池交換を促す必要が生じる。その結果、フラッシュ点灯に必要なエネルギーが電池に残っているにもかかわらず、フラッシュ点灯ができなかったり、機器そのものが使用できなくなってしまうという課題がある。

この発明は上記のような課題に着目してなされたもので、その目的とするところは、電池を電源とするフラッシュ撮影機能を備えた電子機器において、連続フラッシュ点灯回数を増加させることができるＬＥＤフラッシュ用電源装置を提供することにある。

この発明の他の目的は、電池を電源とするフラッシュ撮影機能を備えた電子機器において、電池電圧が下がってもフラッシュ点灯が行なえるとともに、フラッシュ点灯で大電流がＬＥＤに流された際にセット内の他の回路が誤動作を起こすのを回避できるＬＥＤフラッシュ用電源装置を提供することにある。

この発明のさらに他の目的は、電池を電源とするフラッシュ撮影機能を備えた電子機器において、電池の残存エネルギーが非常に少なくなるまで使用することができ、それによって電池を有効に使用することができるＬＥＤフラッシュ用電源装置を提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するため、電池を電源とし電池からの入力電圧を所定の電圧まで昇圧する第１の昇圧回路と、該第１の昇圧回路から出力される電流により充電されるコンデンサと、該コンデンサの充電電圧を昇圧する第２の昇圧回路と、を備え、前記第２の昇圧回路の出力電流を発光素子に流してフラッシュ点灯させるように構成したものである。

上記のような構成によれば、放電によりコンデンサの電圧が下がっても第２の昇圧回路が昇圧して出力電流を発光素子に流してフラッシュ点灯させることができるため、連続フラッシュ点灯回数を増加させることができる。また、フラッシュ点灯していない間に第１の昇圧回路によってコンデンサを充電しておいて、フラッシュ点灯の際に第２の昇圧回路で発光に必要な電圧まで高めることで発光素子に電流を流してフラッシュ点灯させることができる。

また、望ましくは、前記第２の昇圧回路は、前記第１の昇圧回路よりも瞬間的な出力電流値が大きく、前記第１の昇圧回路よりも昇圧前後の電位差が小さい昇圧回路とする。これにより、フラッシュ点灯に適した特性を有する電源装置が得られる。前記第１の昇圧回路は入力電圧を所定の電圧まで昇圧する回路とし、前記第２の昇圧回路は入力電圧を所定倍率で昇圧する回路としてもよい。

ここで、前記第１の昇圧回路は、インダクタを有するＤＣ−ＤＣコンバータで構成することができる。また、前記コンデンサには、電気二重層コンデンサを使用するのがよい。電気二重層コンデンサは、小型大容量であるため携帯用電子機器に適しているとともに、入力電圧が低くなっても充放電できるため、電池の残存エネルギーがかなり少なくなるまで使用することができる。

さらに、望ましくは、前記第２の昇圧回路は、複数の容量素子と、これらの容量素子の端子の接続点を切替え可能なスイッチ素子とを備え、前記複数の容量素子に充電された電荷を前記スイッチ素子で端子接続を切り替えて他の容量素子との間で再配分することで昇圧した電圧を発生するチャージポンプ回路とする。チャージポンプ回路は、入力電圧が低い場合にも対応できるため、第１の昇圧回路でコンデンサに蓄積したエネルギーを無駄なく使用することができるようになる。また、短時間に所望の電圧以上に昇圧することが可能であるので、連続フラッシュ点灯を実現するのが容易となる。

本発明に従うと、電池を電源とするフラッシュ撮影機能を備えた電子機器において、連続フラッシュ点灯回数を増加させることができるＬＥＤフラッシュ用電源装置を実現できる。また、電池電圧が下がってもフラッシュ点灯が行なえるとともに、フラッシュ点灯で大電流がＬＥＤに流された際にセット内の他の回路が誤動作を起こすのを回避できる。さらに、電池の残存エネルギーが非常に少なくなるまで使用することができ、それによって電池を有効に使用することができるＬＥＤフラッシュ用電源装置を実現できるという効果がある。

以下、本発明の好適な実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１は本発明を適用したＬＥＤフラッシュ用電源装置の概略構成を示す。

本発明のＬＥＤフラッシュ用電源装置は、リチウムイオン電池のような直流電源１０からの直流電圧を昇圧する前段昇圧回路２０と、該前段昇圧回路２０により昇圧された電圧Ｖ１をさらに昇圧する後段昇圧回路３０と、上記前段昇圧回路２０の出力端子と接地点との間に接続されたコンデンサ４０とから構成され、後段昇圧回路３０から出力される電流がフラッシュランプとしての発光素子５０に流されることでフラッシュ点灯するように構成されている。

特に限定されるものではないが、上記前段昇圧回路２０と後段昇圧回路３０は、一つの半導体チップ上に半導体集積回路（本明細書ではこれを電源用ＩＣと称する）として形成され、コンデンサ４０と発光素子５０は、ディスクリート部品で構成され上記電源用ＩＣに外付け素子として接続されている。

上記コンデンサ４０には、例えば５．５Ｖで０．５Ｆの電荷を蓄積することが可能なスーパーキャパシタと呼ばれる大容量電気二重層コンデンサが使用される。発光素子５０には、例えば順方向電圧Ｖｆが２Ｖ〜６Ｖで発光可能なＷ−ＬＥＤ（ホワイト発光ダイオード）が使用される。

上記前段昇圧回路２０は、リチウムイオン電池（１０）から最大で０．５Ａ（アンペア）の入力電流Ｉｉｎを受けて、例えば５．５Ｖのような定電圧で０．２５〜０．４Ａの電流を出力可能に設計されている。前段昇圧回路２０の出力電流を０．２５〜０．４Ａに規制することで入力電流を０．５Ａ以下に抑え、電源を共通にするＣＰＵなどセット内の他の回路への影響を少なくすることができる。このような昇圧回路は、例えば後述するようなスイッチングレギュレータ方式のＤＣ−ＤＣコンバータにより構成することができるが、それに限定されるものではない。

上記後段昇圧回路３０は、例えば２Ｖ〜５．５Ｖの入力電圧を比較的短い時間内に１．５倍の電圧に昇圧して数Ａの出力電流Ｉｏｕｔを流すことができるように設計されている。このような昇圧回路は、例えば後述するような電荷再配分型のチャージポンプ回路により構成することができるが、それに限定されるものではない。

上記前段昇圧回路２０は電源が投入されている間ずっと動作させてもよいが、いつでもフラッシュ点灯可能にするためコンデンサ４０を予め充電して待機するフラッシュモードが設定されている間のみ動作するように構成しても良い。一方、後段昇圧回路３０はフラッシュ点灯時に動作するように構成することができる。

図２には、上記前段昇圧回路２０の一例が示されている。本実施形態の前段昇圧回路２０は、直流電圧Ｖｉｎが入力される電圧入力端子ＩＮと接地点との間に直列形態に接続されたコイル（インダクタ）Ｌ１およびＮチャネルＭＯＳＦＥＴ（絶縁ゲート型電界効果トランジスタ）からなる駆動用トランジスタＳＷ１、前記コイルＬ１とＳＷ１との接続ノードと出力端子ＯＵＴとの間に接続された整流用のダイオードＤ１、駆動用トランジスタＳＷ１をオン、オフ制御するスイッチング制御回路２１によって、スイッチングレギュレータとして構成されている。そして、出力端子ＯＵＴと接地点との間に、出力電圧検出用のブリーダ抵抗Ｒ１，Ｒ２が直列に接続され、Ｒ１，Ｒ２により分圧された電圧がスイッチング制御回路２１のフィードバック端子ＦＢに印加されている。

スイッチング制御回路２１は、上記フィードバック端子ＦＢの電圧ＶFBと参照電圧Ｖref1との電位差に応じた電圧を出力する誤差アンプ２２と、該誤差アンプ２２の出力に応じたＰＷＭパルスを生成するＰＷＭ制御回路２３と、該ＰＷＭ制御回路２３の出力に基づいて前記駆動用トランジスタＳＷ１のオン、オフ駆動信号を生成する駆動回路２４を有する。

上記ＰＷＭ制御回路２３は、所定の周波数の三角波（鋸波を含む）を生成する波形生成回路や該波形生成回路により生成された三角波と誤差アンプ２２の出力とを比較するコンパレータなどを備え、フィードバック電圧ＶFBに応じて電圧が高いときは出力のパルス幅を狭くしフィードバック電圧が低いときは出力のパルス幅を広くするような制御を行なう。ＰＷＭパルスの代わりにＰＦＭ（パルス周波数変調）パルスを生成する回路を用いても良い。

上記後段昇圧回路３０としては、例えば前段昇圧回路２０で昇圧された電圧Ｖ１を入力電圧とし、該入力電圧をキャパシタに蓄積して、該キャパシタに接続されたスイッチトランジスタのオン、オフ状態を切り替えて他のキャパシタに電荷を転送もしくは分配することで昇圧した電圧を出力するチャージポンプ回路を使用することができる。そのようなチャージポンプ回路は公知であるので、詳しい回路構成の図示は省略する。

このチャージポンプ回路は、例えば図３（Ａ）のように、図示しないスイッチトランジスタのオン、オフ状態を適宜設定してキャパシタＣ１，Ｃ２が直列に接続された回路となり、入力端子ＶＩＮの電圧によってそれぞれＶ１／２に充電される。その後、スイッチトランジスタのオン、オフ状態を切り替えて、等価的に図３（Ｂ）のように、キャパシタＣ１，Ｃ２が並列に、またＣ３がＣ１，Ｃ２と直列に接続された回路となり、Ｃ１，Ｃ２に充電されていた電荷が出力端子のキャパシタＣ３に分配される。また、キャパシタＣ１，Ｃ２の負電位側の端子が、昇圧電圧Ｖ１が印加されている入力端子ＶＩＮに接続されて他方の端子の電位がブーストされる。その結果、出力端子ＶＯＵＴに、Ｖ１の３／２すなわちＶ１の１．５倍の電圧が生じるように動作する。

キャパシタＣ１〜Ｃ３の容量値が小さくても所定の時間内に上記のような動作を繰り返すことで所望の電流を出力することができる。また、キャパシタＣ３の容量が一回のフラッシュ点灯に必要な電荷を蓄積できる大きさであれば、出力端子ＶＯＵＴの後ろにスイッチを設け、キャパシタＣ３に電荷を蓄積した後、スイッチをオンさせてＷ−ＬＥＤに電流を流すように構成することもできる。

次に、図１のフラッシュ用電源装置の動作を、図４を用いて説明する。なお、ここでは、一例として、発光素子５０としてＶｆが３．６ＶのＷ−ＬＥＤを使用し、２Ａ（アンペア）の出力電流を流してＷ−ＬＥＤを２灯フラッシュ点灯させる場合を想定する。また、フラッシュ点灯させる前に、コンデンサＣ４０は、前段昇圧回路２０によって５．５Ｖ、０．５Ｆにフル充電されているものとする（図４のタイミングｔ１）。

この状態で、後段昇圧回路であるチャージポンプ回路３０を例えば０．２５秒間動作させると、コンデンサ４０の電荷がチャージポンプ回路３０へ移されて２Ａの出力電流がＷ−ＬＥＤに流れてフラッシュ点灯する。すると、コンデンサ４０を放電する場合、Ｃ（容量）×Ｖ（電圧）＝ｉ（電流）×ｔ（時間）の関係があるので、Ｖ＝２Ａ×０．２５ｓ÷０．５Ｆ＝１Ｖより、コンデンサ４０はその電圧が約１Ｖ低下して４．５Ｖになる（図４の期間Ｔ１）。しかし、前段昇圧回路２０が動作を続けることによって、コンデンサ４０が充電され電圧は再び上昇する（図４の期間Ｔ２）。

ここで、連続フラッシュにおけるインターバルを例えば放電時間である０．２５秒の４倍の１秒に設定したとすると、前段昇圧回路２０の出力電流が０．４Ａであれば、コンデンサ４０を充電する場合、Ｃ（容量）×Ｖ（電圧）＝ｉ（電流）×ｔ（時間）の関係があるので、Ｖ＝０．４Ａ×１ｓ÷０．５Ｆ＝０．８Ｖより、コンデンサ４０の電圧が０．８Ｖ高くなるように充電することができる。これにより、コンデンサ４０の電圧は、放電前の５．５Ｖよりも０．２Ｖ低い５．３Ｖまで回復する（図４のタイミングｔ２）。

その後、再びフラッシュ点灯させると、コンデンサ４０の電荷がチャージポンプ回路３０に転送され、電圧は約１Ｖ低下して４．３Ｖになる（図４の期間Ｔ３）。そして、前段昇圧回路２０が動作を続けることによって、コンデンサ４０が充電され電圧は再び上昇して５．１Ｖまで回復する（図４の期間Ｔ４）。上記のような動作を続けて放電後のコンデンサ４０の電圧がある程度まで下がると、次に１秒かけて前段昇圧回路２０によってコンデンサ４０を充電させたとしてもチャージポンプ回路３０で２Ａの出力電流を流すことができなくなり、所望のフラッシュ点灯が行なえなくなる。前記実施形態の電源装置によれば、上記条件で１３回の連続フラッシュ点灯が可能である。ちなみに、図１において１．５倍昇圧を行う後段昇圧回路３０を設けない電源装置では、可能な連続フラッシュ点灯は５回である。よって、本実施形態を適用することで大幅に連続フラッシュ点灯回数を増加させることができる。

さらに、電池電圧を入力電圧とするチャージポンプ回路からなる昇圧回路のみで構成されたＬＥＤフラッシュ用電源装置にあっては、上記のように２Ａ（アンペア）のフラッシュ駆動電流をＷ−ＬＥＤに流そうとした場合、その電流はすべて電池から供給されるため、特に電池が消耗して電圧が下がった状態でフラッシュ点灯を行うと、電源電圧を共通にするＣＰＵなどセット内の他の回路に供給される電流が減少して、誤動作を起こすおそれがある。しかるに、前記実施形態のフラッシュ用電源装置によれば、フラッシュ点灯に必要なエネルギーは、電池ではなくコンデンサ４０から供給されるため、フラッシュ点灯により電源電圧を共通にするＣＰＵなどセット内の他の回路に供給される電流が減少して誤動作を起こすのを回避することができる。

また、昇圧回路を１段しか持たない電源装置では、フラッシュ点灯時の誤動作を回避するには、電池電圧が下がった場合にフラッシュ機能を無効にしたり、システムダウンしてユーザに電池交換を促す必要があるが、そのようにすると、フラッシュ点灯に必要なエネルギーが電池に残っているにもかかわらず、フラッシュ点灯ができなかったり、機器そのものが使用できなくなる。これに対し、前記実施形態のフラッシュ用電源装置を使用すれば、そのような不具合がなくなり、電池のエネルギーを充分に使いきって電池を有効に使用することができるという利点がある。

以上本発明者によってなされた発明を実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施形態に限定されるものではない。例えば、前記実施形態では、後段昇圧回路３０として図３を用いて説明したような電荷再配分型のチャージポンプ回路の代わりに、図２と同様な昇圧型のＤＣ−ＤＣコンバータやトランスを有するフライバック型のＤＣ−ＤＣコンバータを使用するようにしてもよい。また、前記実施形態においては、前段昇圧回路２０と後段昇圧回路３０とを１つのＩＣとして構成すると説明したが、別のＩＣとして構成するようにしても良い。

さらに、前記実施形態においては、コンデンサ４０として電気二重層コンデンサを使用しているが、大容量で比較的小型のコンデンサがあればそのようなものを使用することも可能である。ただし、現時点で、本発明者らが知る範囲では、フラッシュ撮影機能を備える携帯用電子機器に使用できるほど小型で大容量のコンデンサは電気二重層コンデンサである。

また、前記実施形態においては、連続フラッシュ点灯回数の増加に重点をおいた設計であるため、前段昇圧回路２０の出力電流を０．２５Ａ〜０．４Ａとしたが、連続点灯回数がそれほど必要のないシステムでは、前段昇圧回路２０の出力電流をもっと小さくする設計が可能である。

以上の説明では、本発明をＬＥＤフラッシュ用電源装置に適用した例を説明したが、本発明にそれに限定されるものではなく、短い時間に比較的大きな電流を出力したい機能を有する電子機器における電源装置に広く利用することができる。

本発明を適用したＬＥＤフラッシュ用電源装置の概略構成を示すブロック図である。 前段昇圧回路の一例を示す回路構成図である。 段昇圧回路の動作を示す電荷取り込み時の等価回路と昇圧動作時の等価回路を示す回路図である。 本発明を適用したＬＥＤフラッシュ用電源装置における連続フラッシュ点灯時のコンデンサの電圧の変化を示すタイムチャートである。

符号の説明

１０ 電源（電池）
２０ 前段昇圧回路
３０ 後段昇圧回路
４０ コンデンサ（電気二重層コンデンサ）
５０ 発光素子（Ｗ−ＬＥＤ）
２１ スイッチング制御回路
２２ 誤差アンプ
２３ ＰＷＭ制御回路
２４ 駆動回路
Ｌ１ コイル（インダクタ）
Ｃ１ 平滑容量
Ｗ−ＬＥＤ 白色発光ダイオード
ＳＷ１ コイル駆動用トランジスタ

Claims (6)

1. 電池を電源とし電池からの入力電圧を所定の電圧まで昇圧する第１の昇圧回路と、該第１の昇圧回路から出力される電流により充電されるコンデンサと、該コンデンサの充電電圧を昇圧する第２の昇圧回路と、を備え、前記第２の昇圧回路の出力電流を発光素子に流してフラッシュ点灯させるように構成したことを特徴とするフラッシュ用電源装置。
2. 前記第２の昇圧回路は、前記第１の昇圧回路よりも瞬間的な出力電流値が大きく、前記第１の昇圧回路よりも昇圧前後の電位差が小さい昇圧回路であることを特徴とする請求項１に記載のフラッシュ用電源装置。
3. 前記第１の昇圧回路は入力電圧を所定の電圧まで昇圧する回路であり、前記第２の昇圧回路は入力電圧を所定倍率で昇圧する回路であることを特徴とする請求項１に記載のフラッシュ用電源装置。
4. 前記第１の昇圧回路はインダクタを有するＤＣ−ＤＣコンバータであることを特徴とする請求項２または３に記載のフラッシュ用電源装置。
5. 前記第２の昇圧回路は、複数の容量素子と、これらの容量素子の端子の接続点を切替え可能なスイッチ素子とを備え、前記複数の容量素子に充電された電荷を前記スイッチ素子で端子接続を切り替えて他の容量素子との間で再配分することで昇圧した電圧を発生するチャージポンプ回路であることを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載のフラッシュ用電源装置。
6. 前記コンデンサは電気二重層コンデンサであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のフラッシュ用電源装置。

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