JP2018061386A - 撮像装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】PFM動作中でもAVSを実施して省電力化を図ることができるようにする。【解決手段】基準クロックに同期したスイッチング制御で定電圧を生成し、一定以下の軽負荷時にスイッチングのスキップ動作が可能な電源部と、撮像センサの駆動信号を生成し、かつ有効画素区間とブランキング区間を識別する撮像識別信号を出力する撮像駆動制御部とを有する撮像装置において、出力電圧が前記電源部のスキップ動作時のオン制御電圧しきい値よりも高い第二の電圧しきい値を下回ったことを検出してスキップ同期信号を生成するスキップ動作検出器と、前記撮像識別信号と前記スキップ同期信号の論理積信号を生成する論理積回路とをさらに有し、前記性能評価部は前記論理積回路が生成した前記論理積信号に同期して性能指標を取得する。【選択図】図1
Description
本発明は、電源電圧制御を行う撮像装置に関するものである。
小型化、多ゲート化の要求にともない半導体製造プロセスの微細化が進むCPUは、リーク電流の増加による消費電力増加が問題となっている。また、半導体製造プロセスの微細化は、集積されるトランジスタの動作速度バラつきの増加をもたらし、その結果としてCPU(Central Processing Unit)のコアを動作させるのに必要な最低動作電圧のバラつきが増加する。このようなCPUを電子機器製品に組み込む場合には、最低動作電圧が高いCPUでも確実に動作させるために、想定するバラつき上限電圧に対してマージンを持った高い電圧をCPUに供給する必要があり、消費電力増加がさらに顕著になる。
これに対し、トランジスタの動作速度バラつきを抑え、CPUに適切な駆動電圧を与えることを目的とした、適応型電圧制御(AVS:Adaptive Voltage Scaling)と呼ばれる技術がある。これは、現在供給されている電圧でのCPUの動作状況をモニタし、その結果に応じてCPUに供給する電圧を最適に変更する技術である。
特許文献1には、LSI内に性能検出部と、前記性能検出部で得られた結果に基づきLSIの最適電圧値を決定する最適電圧決定部と、決定された最適電圧に応じて可変電源の出力電圧を変更するための制御信号を生成する電圧制御信号生成部とを有し、標準電源電圧が印加された時に動作周波数または消費電力が規定外となる場合に前記制御信号のデューティ比によって電源出力電圧を変更するための装置が開示されている。
特許文献2には、動作保証された最低電圧値を格納するROMと、前記ROM内に格納された最低電圧値に応じて分圧比を可変可能な分圧回路と、前記分圧回路を電圧監視のフィードバック用分圧抵抗として使用する電源回路とを有し、出力電圧が前記ROM内に格納された最低電圧値に等しくなるように前記電源回路を制御するための装置が開示されている。
一方で、電源ICの軽負荷時の省電力技術として、出力電圧がしきい値以下になるまでスイッチングを停止するPFM(Pulse Frequency Modulation)制御という技術がある。スイッチング動作と休止動作を組み合わせて制御するPFM制御のリップル電圧は、スイッチング周波数が一定でオンオフのデューティ比を制御するPWM(Pulse Width Modulation)制御のそれより大きくなる。その結果、PFM動作中はLSIの動作状態が同じでもAVSの評価値の繰り返しばらつきが大きくなり、PFM動作中はAVSを実施できないという問題があった。
そこで、本発明は、PFM動作中でもAVSを実施して省電力化を図ることができるようにすることを目的とする。
本発明に係る撮像装置は、基準クロックに同期したスイッチング制御で定電圧を生成し、一定以下の軽負荷時にスイッチングのスキップ動作が可能な電源部と、前記電源部で生成された電圧で動作するCPUと、前記電源部で生成された電圧値における前記CPUの性能指標を入力された同期信号に同期して取得する性能評価部と、前記性能評価部で得られた性能指標に基づいて前記電源部の設定電圧値を算出し前記電源部に送信する設定電圧算出部と、光電変換により被写体画像データを取得する撮像センサと、前記撮像センサの駆動信号を生成し、かつ有効画素区間とブランキング区間を識別する撮像識別信号を出力する撮像駆動制御部と、出力電圧が前記電源部のスキップ動作時のオン制御電圧しきい値よりも高い第二の電圧しきい値を下回ったことを検出してスキップ同期信号を生成するスキップ動作検出器と、前記撮像識別信号と前記スキップ同期信号の論理積信号を生成する論理積回路とを有し、前記性能評価部は前記論理積回路が生成した前記論理積信号に同期して性能指標を取得することを特徴とする。
本発明によれば、PFM動作中でもAVSを実施して省電力化を図ることができる。
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。ただし、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。
[実施形態1]
以下、図2を参照して、実施形態1における撮像装置の構成について説明する。
[実施形態1]
以下、図2を参照して、実施形態1における撮像装置の構成について説明する。
撮像装置全体の制御を司るCPU1内の制御部2から指令を受けた撮像駆動制御部3はその指令に基づきAFE(Analog Front End)4を制御する。AFE4は、撮像駆動制御部3からの指示に応じた撮像センサ5の駆動制御と撮像センサ5から得られた画像信号をCPU1に受け渡す役割を担う。撮像駆動制御部3からの指令は、AFE4のレジスタ設定などを変更するシリアル通信と、撮像センサ5の水平駆動信号HDと垂直駆動信号VDである。被写体からの光は、このように制御された撮像センサ5によって光電変換され、AFE4によってデジタルデータに変換された画像データがCPU1の画像一時メモリ6に取り込まれる。
スルー画を表示する撮影待機状態の場合は、制御部2からのスルー画用の間引き駆動指令によって撮像センサ5から取り込まれたデータが画像一時メモリ6に展開される。取得した画像は画像補正部8で画像補正された後、表示画像変換部9で表示用のデータに変換され、表示ドライバ10を介して表示部11に表示される。ユーザーがレリーズボタンを押下した場合は、撮像駆動制御部3の指示によってAFE4から本撮影用駆動制御された撮像センサ5から画像データを取り込む。画像一時メモリ6上に展開された画像データは画像補正部8で補正され、記録部12に静止画あるいは動画として記録される。
間引き駆動と本撮影用駆動は、撮像センサ5から取り込むデータの量が異なる。間引き駆動は撮像センサ5から全ラインを読み出さず、少ないデータで処理を行う。データ量が少ないため、画像更新レートが高く、撮像センサ5の消費電力だけでなくCPU1のコア電流を低減することができる。一方、本撮影駆動は画質優先で全ラインの読み出しを行うため、撮像センサ5の消費電力およびCPU1のコア電流は多くなる。なお、簡略化のため図2では図示していないが、ズームやフォーカスなどの動作を行うための光学系レンズや、レンズを駆動するためのモータドライバ、ユーザーの操作入力のための操作部なども有する。
電源部13は、各種デバイスに必要な電圧・電流を供給する。なお、簡略化のため、図2では本発明に関係のあるCPU1のみに供給する記載となっているが、実際には全てのデバイスに供給を行う。電源部13から供給された電圧はCPU1内の各種ブロックを動作させるために使用される。
性能評価部14では、現在供給されている電圧でのCPU1の動作性能を評価し、その指標である評価値Eを得る。動作性能は電源電圧に依存するので、供給される電圧が低いほど評価値も低くなる。CPU1の出荷検査時に各個体で最低限の性能が保証される基準評価値ErがCPU1内部の記録部12に記録される。実動作時に得られたEと基準評価値Erとを比較することで、供給されている電源電圧の適正電圧値に対する電圧過不足量を算出することができる。算出された電圧過不足量を用いて、設定電圧算出部16で設定電圧を算出し、電源部13に電圧指令値として送信する。
電源部13の詳細構成について図1を用いて説明する。CPU1内のCPUコア36に供給する電源部13は電流モード方式の同期整流型の降圧電源回路で構成される。電圧を維持するためのフィードバック機構は、PWMコンパレータ24で電圧ループ信号と電流ループ信号を比較することで実現する。電圧ループ信号は出力電圧を出力設定抵抗30で分圧してエラーアンプ23で基準電圧用D/Aコンバータ22と比較増幅することで得られる。また、電流ループ信号はメイン側PチャネルFET(QA)20に流れる電流にスロープ補償部37で不安定動作を防ぐスロープ補償を加えることで得られる。
QA20に流れる電流はQA20のカレントミラーFET41と直列に挿入された電流検出抵抗42の電位差を電流検出部29が検出する。電流検出部29には差動アンプなどが用いられる。さらに、電流検出部29の出力には、QA20の電流がリミット電流ILIMを超えたかどうかを判定するILIMコンパレータ32が接続される。後段のR−Sフリップフロップ25のリセット入力にはPWMコンパレータ24とILIMコンパレータ32の論理和(OR)の出力が、セット入力にはPWMデューティ制御の基準クロックであるOSC31の信号が接続される。
このフリップフロップ25の出力に対し、QA20と同期整流側のNチャネルFET(QB)21のFETが同時にオンにならないためのデッドタイムをPWMコントローラ26で付加する。その駆動信号によって、メイン側FETプリドライバ27と同期側FETプリドライバ28を介してそれぞれQA20とQB21がオンオフ制御される。QA20とQB21のオンオフ制御にしたがい、インダクタ19に流れる電流が制御され、これが平滑コンデンサ38で平滑されることで一定の出力電圧が得られる。負荷変動などで出力電圧が低くなっている時は、エラーアンプ23の出力が上がり、PWMコンパレータ24がHを出力するまでの時間が長くなる。
すなわち、QA20のオンデューティが大きくなり、出力電圧を上げる方向に制御が働く。入力電圧が低くQA20の電流の立ち上がりが遅い時も同様である。逆に、出力電圧が高いときや入力電圧が高い時はPWMコンパレータ24がHを出力するまでの時間が短くなる。すなわち、QA20のオンデューティが小さくなり、出力電圧を下げる方向に制御が働く。また、負荷短絡などによりILIMを超える過剰な負荷電流が流れると、ILIMコンパレータ32の働きによりすぐさまQA20をオフし、過電流が長時間流れることを防ぐ。
負荷電流が低下し、あるしきい値以下になると、PWMコントローラ26はスキップ動作としてのPFM制御モードに移行する。負荷電流は電流検出部29と並列に設置されたPFM電流コンパレータ33によって検出する。電流検出部29は電源部13のピーク電流検出用であるため電流しきい値ILIMは定格電流Irより高く設定されている。
一方、PFM電流コンパレータ33はPFMに移行するかどうかの判定用であるため、電流しきい値IPFMはIrより低く設定されている。例えばIr=1A、ILIM=1.5A、IPFM=0.2Aなどである。PFM電流コンパレータ33で負荷電流がIPFMを下回ったと判定された場合には、PWMコントローラ26はPFM電圧コンパレータ39からのスイッチング再開信号が入力されるまでQA20とQB21のスイッチングを停止し、休止動作に移行する。
図3はPFM制御モードにおける出力電圧の時間変化を表している。休止動作中は、平滑コンデンサ38に蓄えられた電荷のみでCPUコア36への電源供給を行うことになり、負荷電流と平滑コンデンサ38の静電容量で決まる傾きで出力電圧が低下する。PFM電圧コンパレータ39は、出力電圧Voが電圧しきい値V1を下回ったかどうかを判定する。Vo>V1の場合は、PFM電圧コンパレータ出力はHとなり、休止動作を継続する。Vo≦V1の場合は、PFM電圧コンパレータ出力がHからLに反転し、これを受けたPWMコントローラ26はPWM動作に移行し、QA20とQB21のスイッチング動作を再開する。
スイッチングが再開されるとインダクタ19に流れる電流が上昇する。ここで、PFM電流コンパレータ33によってインダクタ19に流れるピーク電流ILがPFM電流しきい値IPFMを超えたかどうかが判定される。IL≦IPFMの場合はPWM動作を継続し、IL>IPFMとなるとPWMコントローラ26は再び休止動作に移行する。
このように出力電圧がV1まで低下したらスイッチングを再開し、インダクタ19の電流がIPFMに達するとスイッチングを停止する、という動作を繰り返す。負荷電流が増えてくると、PWMスイッチング動作で供給する電荷がすぐに消費されてしまうため、何度もスイッチングを行わないとIL>IPFMにならない。また、IL>IPFMになった後の休止区間における電圧低下も速くなるため、結果としてPWM動作の期間が長くなる。また、負荷電流の増加にともない出力電圧Voが低下し、常にVo≦V1となってPWM動作へと移行する。
ゼロクロスコンパレータ40は、同期側FET(QB21)の電流がゼロ以下になったかどうかを判定し、ゼロ以下になった場合にPWMコントローラ26はQB21を強制的にOFFして電流の逆流を防ぐ。
AVSコンパレータ45は、PFM電圧コンパレータ39と同じ出力電圧を監視するコンパレータであるが、その検出しきい値V2はPFM電圧コンパレータのしきい値V1よりわずかに高い値に設定されておりスキップ動作検出器としての役割を担う。すなわち、PFM動作中にQA20とQB21のスイッチング動作が停止して出力電圧が低下してPWM動作に移行する直前、すなわち最も出力電圧が低下したタイミングでAVSコンパレータ45の出力はHからLに反転する。すなわち、AVSコンパレータ45の出力信号はスキップ同期信号としての役割を担う。
一方で、撮像駆動制御部3はAVSCLK生成部34に対し、図4に示すような垂直駆動信号VDの周期内の垂直有効画素期間tveと垂直ブランキング期間tvbを識別する識別信号を送信する。実施形態1ではtve期間の時Hレベル、tvb期間の時Lレベルになるデジタル信号としている。前期AVSコンパレータ45の出力の否定(NOT)と前記識別信号との論理積(AND)を取り、この信号をAVSCLKとする。すなわち、AVSCLKがLの時は前記撮像センサ5が有効画素期間でかつ出力電圧がV2を下回っている状態である。
このAVSCLKの立ち上がりエッジに同期して性能評価部14でCPU1の評価値Eを取得することで、最も出力電圧が低い状態で評価値Eを取得することが可能になり、マージン電圧を必要最小限に抑制することができる。
ところで、前述のようにQA20とQB21のスイッチングが停止されると、負荷電流と平滑コンデンサ38の静電容量で決まる傾きで出力電圧が低下する。このため、負荷電流が多いモードと少ないモードで同じV2しきい値にすると、V2からV1までの時間Δtは負荷電流が多いモードほど短く、負荷電流が少ないモードほど長くなる。Δtが短すぎると評価値を取得している最中にPWMスイッチングが始まるおそれがあり、長すぎると出力電圧が下がり切っていないタイミングで評価値を取得するおそれがある。
これを防ぐため、しきい値V2は、CPUコアの負荷電流が多いモードほど高く、少ないモードほど低くなるよう複数の値をLUT記録部47にテーブルとして持ち、起動時にこのLUTを読み出してモードが切り替わるごとに変更する構成としている。
また、Δtカウンタ48は、V2しきい値からV1しきい値までの時間差Δtを計測し、PWMコントローラ26に通知する。計測されたΔtがあらかじめ定められた上限しきい値tmaxを超える場合は、V2が高すぎると判断され、V2を規定ステップだけ低くする。逆に、Δtが下限しきい値tminを下回る場合は、V2が低すぎると判断され、V2を規定ステップだけ高くする。
AVSコンパレータ45の後段には、AVSコンパレータ45の出力を遅延させる遅延回路46が挿入され、この遅延量はPWMコントローラ26から変更できるように構成されている。これは、PFM電圧コンパレータ39でVoがV1を下回ったと判定されてから、PWM動作に移行してQA20とQB21のスイッチングが再開してインダクタ19の電流が増加して出力電圧が上昇するまでの時間遅延を考慮した調整機構である。すなわち、このような時間遅延を見越してAVSCLKをHにするタイミングも遅らせることで、できるだけ出力電圧が低い状態で評価値を得ることを目的としている。
前述のV2しきい値をカメラモード毎に変更するのと効果は同じであるが、ハードに起因する遅延要因に対して同じ物理量である時間の遅延回路にすることで調整しやすくしている。さらにその後段には、ゼロクロスコンパレータ40との論理和(OR)回路35が挿入されている。この回路により、QB21の電流がゼロ以下になっていない、すなわちゼロクロスコンパレータ40の出力がLになっていない時は電圧がV2しきい値を下回った場合でもAVSCLKはHにならない。これは、例えばPWM動作中でも急激な負荷変動により出力電圧が一時的にV2を下回った場合などは評価値を取得するタイミングとしては不適当であるとして除外するためである。
次に、実施形態1におけるAVSCLKの生成に関わる演算処理を図5のフローチャートを用いて詳細に説明する。なお、スイッチング制御そのものの処理については本フローチャートでは記載を省略している。まず、制御部2からカメラの動作モードを読み出す(S401)。例えば、フルHD動画モード、ライブビューモード、再生モードなどである。次に、LUT記録部47から当該モードにおけるV2しきい値と遅延量DLYの値を読み出し、演算に用いる変数Δtを0に初期化する(S402)。
前述のようにΔtはΔtカウンタ48によって計測されるV2しきい値からV1しきい値までの時間間隔である。次に、PFMモードに入っているかどうかを判定する(S403)。PWMモードの場合は何もせず最初に戻る。PFMモードに入っている場合は、AVSコンパレータ45の出力を監視することで出力電圧VoがV2しきい値以下になっているかどうかを判定する(S404)。Vo>V2の場合は何もせずループする。Vo≦V2になると、Δtカウンタ48はΔtのカウントを開始する(S405)。
次に、駆動制御部3からの識別信号がH、すなわち有効画素期間かどうかを判定する(S406)。有効画素期間である場合は、ゼロクロスが検出されているかを判定する(S407)。ゼロクロスが検出されている場合はAVSCLKをHにする(S408)。S406で有効画素期間でないと判定された場合およびS407でゼロクロスが検出されていない場合は、出力電圧VoがV1しきい値以下になっているかどうかを判定する(S409)。Vo>V1の場合は何もせずループし、Vo≦V1の場合はΔtのカウントを停止する(S410)。
次に、Δtが上限しきい値Δtmax以上かどうかを判定する(S411)。Δt≧Δtmaxの場合は、V2から規定電圧ステップVsを引いて新たなV2とする(S412)。Δt<Δtmaxの場合は、Δtが下限しきい値Δtmin以下かどうかを判定する(S413)。Δt≦Δtminの場合は、V2に規定電圧ステップVsを足して新たなV2とする(S414)。Δt>Δtminの場合は、S401に戻って一連の処理を繰り返す。
このように、PFMのオンスイッチングの直前でかつ撮像の有効画素期間の時のみHとなるAVSCLKの立ち上がりエッジに同期して評価値Eを取得することで、最も出力電圧が低い状態で評価値Eを取得することが可能になる。これにより、マージン電圧を必要最小限に抑制することができ、消費電力を低減することができる。また、動作モード毎のV2しきい値設定やΔtの実計測結果に基づくV2の補正処理により、刻々と変化する動作状況に応じた柔軟性の高い電圧設定を行うことができる。さらに、ゼロクロスの検出結果と合わせてAVSCLKを生成するため、一時的な出力低下時などの評価値取得に望ましくない状況でAVSCLKがHになるのを防止することが可能である。
なお、本発明の実施形態は上述の実施形態に限るものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で様々な変形又は変更が可能である。
例えば、実施形態1では、QA20の電流検出をカレントミラー構成でミラーリングしたFETの電流を検出する構成としたが、QA自身のドレイン−ソース間のオン抵抗による電位差を差動アンプで増幅することで実現してもよい。また、実施形態1では、PFM動作時に出力電圧がV1を下回ったこと検出した後にPWM動作を行い、電流しきい値で停止するPFM制御としたが、固定のオンパルス幅のスイッチング動作で電圧しきい値によって停止するPFM制御方式でもよい。
また、実施形態1では、制御方式として電流モードの構成としたが、電圧モードやヒステリシス制御などでも同様に実現が可能である。また、実施形態1では動作モードの取得やLUT記録部47からのV2しきい値の取得、遅延回路46の遅延量設定などの処理を電源部13のPWMコントローラ26が行う構成としたが、CPU1やその他の処理部が実施する構成としてもよい。また、AVSCLK生成の演算においては、演算そのものの遅延を最小限にするために、ソフトウェアプログラムではなくハードウェアロジックで実現してもよい。
また、実施形態1の機能を実現するソフトウェアのプログラムを、記録媒体から直接、或いは有線/無線通信を用いてプログラムを実行可能なコンピュータを有するシステム又は装置に供給し、そのプログラムを実行する場合も本発明に含む。従って、本発明の機能処理をコンピュータで実現するために、該コンピュータに供給、インストールされるプログラムコード自体も本発明を実現するものである。
つまり、本発明の機能処理を実現するためのコンピュータプログラム自体も本発明に含まれる。その場合、プログラムの機能を有していれば、オブジェクトコード、インタプリタにより実行されるプログラム、OSに供給するスクリプトデータ等、プログラムの形態を問わない。プログラムを供給するための記録媒体としては、例えば、ハードディスク、磁気テープ等の磁気記録媒体、光/光磁気記憶媒体、不揮発性の半導体メモリでもよい。
また、プログラムの供給方法としては、コンピュータネットワーク上のサーバに本発明を形成するコンピュータプログラムを記憶し、接続のあったクライアントコンピュータはがコンピュータプログラムをダウンロードしてプログラムするような方法も考えられる。
1 CPU
5 撮像センサ
13 電源部
14 性能評価部
5 撮像センサ
13 電源部
14 性能評価部
Claims (6)
- 基準クロックに同期したスイッチング制御で定電圧を生成し、一定以下の軽負荷時にスイッチングのスキップ動作が可能な電源部と、
前記電源部で生成された電圧で動作するCPUと、
前記電源部で生成された電圧値における前記CPUの性能指標を入力された同期信号に同期して取得する性能評価部と、
前記性能評価部で得られた性能指標に基づいて前記電源部の設定電圧値を算出し前記電源部に送信する設定電圧算出部と、
光電変換により被写体画像データを取得する撮像センサと、
前記撮像センサの駆動信号を生成し、かつ有効画素区間とブランキング区間を識別する撮像識別信号を出力する撮像駆動制御部と、
出力電圧が前記電源部のスキップ動作時のオン制御電圧しきい値よりも高い第二の電圧しきい値を下回ったことを検出してスキップ同期信号を生成するスキップ動作検出器と、
前記撮像識別信号と前記スキップ同期信号の論理積信号を生成する論理積回路と
を有し、
前記性能評価部は前記論理積回路が生成した前記論理積信号に同期して性能指標を取得することを特徴とする撮像装置。 - 前記第二の電圧しきい値を前記CPUの負荷電流が異なる動作モードごとに複数保管するしきい値保管部をさらに有し、
前記CPUの動作モードに対応する第二の電圧しきい値を用いて前記スキップ同期信号を生成することを特徴とする請求項1に記載の撮像装置。 - 前記電源部の出力電圧が前記第二の電圧しきい値を下回ってから前記オン制御電圧しきい値を下回るまでの時間間隔を計測する時間計測手段と、
前記時間計測手段が計測した時間間隔に応じて前記第二の電圧しきい値を補正するしきい値補正部と
を有することを特徴とする請求項1または2に記載の撮像装置。 - 前記しきい値補正部は、前記時間計測手段が測定した時間間隔があらかじめ定められた第一の時間しきい値よりも長い場合は、前記第二の電圧しきい値を短く補正し、前記時間計測手段が測定した時間間隔があらかじめ定められた第二の時間しきい値よりも短い場合は、前記第二の電圧しきい値を短く補正する
ことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の撮像装置。 - 前記スキップ動作検出器の検出結果に時間遅延を付加する遅延回路をさらに有することを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の撮像装置。
- 前記スイッチング素子に流れる電流がゼロ以下かどうかを判定する第二の電流検出部をさらに有し、
前記第二の電流検出部によって前記スイッチング素子に流れる電流がゼロ以下であると判定されたときのみ、前記スキップ同期信号を生成することを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の撮像装置。
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