JP2020057885A - スイッチング電源回路 - Google Patents

Abstract

【課題】スイッチング電源回路に求められる、効率や、負荷追従性の向上だけでなく、スイッチング電源回路で発生するノイズの撮像センサに対しての、影響を軽減することを可能にしたスイッチング電源回路を提供すること。【解決手段】入射光に基づいて光電変換を行うことで光電変換信号を生成する画素と、該光電変換信号及び、画素で発生するノイズ信号をサンプリングする撮像素子であって、又、可変する比較用信号と入力電圧を比較し、入力電圧と比較用信号が一致する迄の時間によって出力を決定する、Ａ／Ｄ変換機能を有し、被写体光が所定の輝度範囲幅内に分布している画像の場合と、被写体の輝度が所定輝度範囲内を超えて分布している画像において、外部のスイッチング電源回路のスイッチング周波数の制御方法を変更する。【選択図】図１

Description

本発明は、撮像センサとそこに電源供給をおこなうスイッチング電源回路に関する。

昨今のデジタルカメラにおいては、Ｂｏｄｙの小型化が進み、それに伴って、撮像センサと、撮像センサやＤＳＰに電源を供給するスイッチング電源回路の距離が近くなっている。その結果、撮像センサがスイッチング電源回路がスイッチング動作時に発生するインダクタノイズや、スイッチング電源の電源変動ノイズの影響をうけやすくなっている。

又、一方で撮像センサにおいては、プロセスの微細化が進み、ＡＤコンバータを内蔵する撮像センサが世の中でも主流となりつつある。このＡＤコンバータを内蔵する撮像センサの特徴の１つとしては、撮像素子の光電変換信号を読むタイミング、つまりＡＤコンバータが信号をホールドするタイミングが、被写体の明るさによって変わってくるというものがある。

又、一方で撮像センサの動作は、カメラの性能として、画素数や連写速度が速くなっていることから、動作クロックが高速化し、撮像センサ消費する電流変動、いわゆる負荷変動も高速化し、スイッチング電源回路に求められる、負荷応答性もより厳しくなってきている。

又、一方で、前述したカメラの連写性能の向上に伴い、ユーザーの撮影枚数が増加傾向にあり、１本の電池で撮影可能な枚数のニーズが高まっている。その為、スイッチング電源回路の効率の更なる改善が求められている。

以上の様に、一眼レフカメラをとっても、スイッチング電源に求められる要求には、様々なものが存在している。

この撮像センサの動作において、スイッチング電源のノイズ回避をおこなう制御方法の提案として、特許文献１があげられる。

特許文献１では、撮像素子の外部スイッチング電源のノイズ周期（電源ノイズ等）を検出する機構をそなえている。更に撮像素子の光電変換信号読み（以下Ｓ読みとする）−ノイズ信号読み（以下Ｎ読みとする）の時間差Ａの整数分の１の長さになるようにスイッチング電源回路のスイッチング周波数（以下ＳＷ周波数と呼ぶ）を変更しノイズ影響の低減をはかっている。

特開２０１５−１１５７３６号公報

しかしがなら、特許文献１においては、撮像素子のＳ読み−Ｎ読みの時間差Ａが一律で決定する撮像センサの場合には、スイッチング電源からのノイズ影響低減として有効な提案となるが、前述した通り、昨今のＡＤコンバータを内蔵した撮像センサでは、被写体の輝度によりＡＤのホールドタイミングが異なる制御のものがある。つまり、Ｓ読みとＮ読みの時間差が被写体の輝度によりことなってくるような制御を行う撮像素子においては、撮像素子に対してノイズ影響の少ないスイッチング電源の周期は一義的には決定しない。

本発明の目的は、被写体の輝度により、撮像素子のＳ読み−Ｎ読みの時間差がかわる、撮像素子に対しても、スイッチング電源で発生するノイズの撮像センサに対しての影響を低減することを可能にしたスイッチング電源回路を提供することにある。

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回路は、
入射光に基づいて光電変換を行うことで光電変換信号を生成する画素と、該光電変換信号及び、画素で発生するノイズ信号をサンプリングする撮像素子であって、又、可変する比較用信号と入力電圧を比較し、入力電圧と比較用信号が一致する迄の時間によって出力を決定する、Ａ／Ｄ変換機能を有し、被写体光が所定の輝度範囲幅内に分布している画像の場合と、被写体の輝度が所定輝度範囲外に分布している画像において、外部のスイッチング電源回路のスイッチング周波数の制御方法を変更することを特徴とする。

本発明によれば、撮像素子のＳ読みとＮ読みの時間差が被写体の明るさに応じて変わる様な、ＡＤ内蔵型の撮像素子においても、スイッチング電源回路の動作時にインダクタ等で発生するスイッチングノイズの撮像素子への影響を低減することが可能な、スイッチング電源回路の提供を実現できる。

本発明の実施形態を示す全体構成図 本発明の実施形態の動作を示すタイムチャート 被写体に応じたスイッチング制御の概念図 撮像センサ読み出しタイミングとノイズ増幅利得の関係を示す図 被写体輝度が暗い場合のＳ読みとＮ読みの関係を示す図 スイッチング周波数と応答性、効率の関係を示す図 スイッチング周波数とノイズ増幅利得の関係を示す図 本発明の実施形態の動作を示すフローチャート

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。

最初に図１を用いて本発明の実施形態の構成について説明する。

ここではデジタルカメラを例に説明する。

１は、この回路のバッテリーを示す。１５は、バッテリー１を入力電源とし、任意の電圧を効率よく生成するスイッチング電源ＩＣ（ＤＣＤＣコンバータ）である。３は１５のスイッチング電源ＩＣの周辺部品として使用するインダクタである。１５と３を含めた２がスイッチング電源回路となる。又、７はデジタルカメラ全体の制御を行うマイコンである。マイコン７は、バッテリー１が投入されると、ＬＤＯ８（低飽和リニアレギュレータ）を介して、電源が供給される構成となっている。又、９はユーザーが操作可能なレリーズ釦等のＳＷ制御部である。ＳＷ制御部の操作によりシステムが起動する場合は、マイコン７は、スイッチング電源ＩＣ１５を通信で起動させる。

次に、スイッチング電源ＩＣ１５は、通信制御部１０でマイコン７からの通信内容に応じて、１１〜１３で生成したスイッチング制御パルスにより１４スイッチング部を駆動し、撮像センサ４、ＤＳＰ５や起動に必要なモジュールに対してインダクタ３を介して電源を供給する。インダクタ３ではスイッチング電源ＩＣ１５のＳＷ動作により任意の電圧レベルのＤＣ電源を生成する時に三角波の様なインダクタ電流が発生する。このインダクタ電流により、撮像センサ等への影響がある電磁界ノイズを発生させる。４は撮像センサであり、撮像センサ４はＤＳＰ５より出力される同期クロック１７に同期させ、被写体像を撮像したデータを、画像処理を行うＤＳＰ５へ転送する。又、撮像センサ４は、光電変換信号を読みとるＳ読みの値から、ノイズ信号を読み取るＮ読みの値を引き算したものを画素信号として出力する。又、撮像センサ４は、ノイズ信号を読み取るＮ読みのタイミングは変わらないが、光電変換信号を読み取るＳ読みのタイミングが輝度レベルにより異なることを特徴としている。

又、ＤＳＰ５は撮像センサからの画像データの現像処理等の一連の画像処理をおこない、メモリ等に記憶するデジタルシグナルプロセッサーである。又、ＤＳＰ５は前述した撮像クロック１７を撮像センサへ出力するとともに、スイッチング電源ＩＣ１５に対しても同信号を出力する構成となっている。スイッチング電源ＩＣ１５内部の１１は、内蔵で固定の周波数を生成する内蔵ＯＳＣであり、スイッチング電源回路２における第１のクロック生成部である。１２はスイッチング電源回路２における第２のクロック生成部であり、予め通信制御部１０から指定された変換レートによって、外部からの入力クロック（撮像クロック１７）を所定の分周率や逓倍率で変換し、スイッチング周波数としてクロックを生成する。本実施例ではＰＬＬを想定している。

又、１３はスイッチングパルスの制御をおこなうＰＷＭ制御部であり、第１のクロック生成部と第２のクロック生成部からクロックを受け、ＰＷＭパルスを生成するブロックである。本実施例においては、外部からのクロック入力を受け付けた時には、第２のクロック生成部からのパルスをもとにＰＷＭパルスの生成を行う。

１４はスイッチング部であり、内蔵のスイッチ素子とスイッチ素子をドライブするプリドライバ部で構成されている。

６はＡＥセンサであり、本撮影前のＰｒｅ撮影として、被写体の輝度レベルを事前に検出する為のエリア型のＡＥセンサである。本本実施形態の構成では、Ｐｒｅ撮影としてエリア型のＡＥセンサを用いているが、撮像センサをＰｒｅ撮影として用いる構成でも構わない。

又、図１では、レンズや、シャッター、絞りや、外部表示部等のその他のモジュールは本発明提案に直接関係しない構成であることから、ここでは割愛している。

次に、図３、図４を用いて、本発明における動作原理について説明を行う。

まず、図４（ｂ）においては、本実施形態の撮像センサ４の撮像の読み出しタイミングについての説明である。この例では、被写体が比較的暗い輝度レベルで構成されたシーン（夜景等）においてである。前述でも説明した様に、撮像センサ４のノイズ信号読み出しタイミングは、固定のタイミングであり、撮像素子の光電変換信号読み出しタイミングは、輝度レベルにより異なる為、被写体が比較的暗い輝度レベルの中においても、その中で被写体輝度がが比較的小さい時のＳ読みＮ読みの時間差Ｔｓｎ１（４２）と、その中で被写体輝度が中レベルの時のＳ読みＮ読みの時間差Ｔｓｎ２と、その中で被写体輝度が大きい時のＳ読みＮ読みの時間差Ｔｓｎ３は、
Ｔｓｎ１＜Ｔｓｎ２＜Ｔｓｎ３
の関係となる。本実施形態の撮像センサ４のＡＤコンバータとしては、読み出し信号値（入力信号値）をしきい値として、所定の傾きのランプ波形がしきい値まで到達する時間をＴｓｎとしている為、輝度値が高い程、ＡＤの時間を要する。

以上より、被写体が比較的暗い輝度レベルの夜景等のシーンにおいても、Ｓ読みとＮ読みの読み出し時間差Ｔｓｎは、比較的小さな幅ではあるが、所定のバラつき幅ΔＴｓｎ（４５）内でバラつきが発生する。

次に、図４（ａ）では、スイッチング電源回路がある所定のスイッチング周波数で制御をおこなっている場合の、撮像センサ４のＳ読みとＮ読みの時間差Ｔｓｎのパラメータにおける、スイッチング電源ノイズが撮像センサ４に対して与える影響度（ノイズ増幅利得）を示したものである。

ここでは、撮像センサがスイッチング電源回路２からのスイッチングノイズの影響をうけにくい、ポイントを、ノイズ増幅利得の周期をＴｓｎ−ｇ（４０）とすると、ノイズ増幅利得のｍｉｎポイントを中心として（Ｔｓｎ−ｇ）／２の幅をもった４１のポイントとしている。一般的に、撮像センサ４のスイッチングノイズが画像への影響をうけやいのは、すなわち画像として目立ちやすいシーンは、相対的に撮像センサの信号レベルが低い、つまり輝度レベルが低いほどノイズが目立ちやすく影響を受けやすい。従って、この撮像センサがスイッチング電源のノイズを受けにくい幅４１は、被写体の輝度レベルが相対的に高い場合は、輝度レベルが相対的に低い時にくらべて広くなる。

次に、図４（ｃ）においては、スイッチング電源回路２のＳＷ周波数に対しての、電源効率と負荷応答性の特性を表したものである。ここでは、電源効率と負荷応答の両特性のバランスが良いポイントしては、５０の領域であることを示している。

次に、図４（ｄ）では、撮像センサ４のＳ読みとＮ読みの時間がある所定の時間差の時の、スイッチング電源回路２のＳＷ周波数とノイズ増幅利得の関係を示したものである。ここでは、Ｓ読みとＮ読みの時間差が決まっている条件においては、ノイズ増幅利得がもっとも小さなスイッチング電源回路のＳＷ周波数α（５１）は、ある周期タイミングで存在することを示している。

次に、図３においては、被写体輝度の分布が所定の輝度範囲内に集中している様なシーン３０と、被写体輝度の分布が所定の輝度範囲を超えて分散しているシーン３３についてのスイッチング電源回路２の周波数制御の例についてである。

ここでは、シーン３０が、撮影した画像のＳ読みとＮ読みの時間差：Ｔｓｎの分布において、図４（ａ）で説明した、撮像センサ４がスイッチング電源回路２からのスイッチングノイズの影響をうけにくい、ポイント（Ｔｓｎ−ｇ）／２ （４１）の中に、殆ど入っている状態（９０％以上入っている状態）における例（３１）を示している。この場合は、撮像センサへのスイッチング電源回路ノイズの影響を受けにくい制御としては、Ｓ読みとＮ読みの時間差：Ｔｓｎの分布の中心値の条件下において、図４（ｃ）で説明したノイズ増幅利得がすくないポイント（５０）にスイッチング電源回路のＳＷ周波数を固定するという例である（３２）。

又、一方でシーン３３は、撮影した画像のＳ読みとＮ読みの時間差：Ｔｓｎの分布が図４（ａ）で説明した、撮像センサ４がスイッチング電源回路２からのスイッチングノイズの影響をうけにくい、ポイント（Ｔｓｎ−ｇ）／２ （４１）の中には、殆ど収まら例（３４）を示している。この場合は、撮像センサへのスイッチング電源回路ノイズの影響を受けにくい制御としては、Ｓ読みとＮ読みの時間差：Ｔｓｎの分布が一様に広がっている為、スイッチング電源回路２のＳＷ周波数を所定の周波数の範囲でランダムに制御を行う（３５）という例である。

前記、３２、３５のスイッチング電源のＳＷ周波数としては、図４（ｄ）で説明した、スイッチング電源回路の電源効率、負荷応答性の両特性のバランスが良い周波数範囲（５０）の中において、制御を行うことが好ましい。

次に、図２のタイムチャート、図５のフローチャートを用いて、本発明の実施形態における、動作について説明を行う。

最初に、図２のタイムチャートを用いて、動作概要について説明する。２０、２１はＳＷ制御部９の一部である、撮影用のレリーズ釦の操作による制御信号である。レリーズ釦は２段階の押下反応をする構造となっており、第１押下で反応する信号を２０のＳＷ１、第２押下で反応する信号を２１のＳＷ２としている。２２は、撮像動作のステータスを示すタイムチャートであり、実際の撮像をおこなう本撮影と、撮像をおこなう前の測光やフォーカス制御をおこなうプリ撮影のステータスを示している。２３は６のエリア型のＡＥセンサのＡＥ動作タイミングを示している。２４、２５は撮像センサ４のＳ読み、Ｎ読みを示しており、Ｓ読みタイミングを２８、Ｎ読みタイミングを２９で示している。２６はインダクタ３を流れるインダクタ電流波形を示している。又、１７は撮像センサ４からの撮像同期信号、兼スイッチング電源回路の外部入力クロック信号であり、２７はスイッチング電源回路のＯＳＣの動作状態を示している。

ユーザーがレリーズ釦の操作により、撮影準備段階としてＳＷ１信号が検知されると、撮像動作としてはプリ撮影動作に入り、その中の動作としてＡＥサセンサ６がＡＥ動作を行う。この時、マイコン７では、ＡＥセンサからの被写体の輝度分布により、スイッチング電源回路のＳＷ周波数を、応答性、効率、撮像ノイズの観点から、本撮影時にどの様な制御にするかを予め決定しておく。そしてユーザーがレリーズ釦の操作により、本撮影の要求をおこないＳＷ２信号が検出されると、ＤＳＰ５から撮像クロック１７が動作し、スイッチング電源回路２、外部クロック１７を用いて、プリ撮影時に予めきめていたＳＷ周波数でスイッチング電源制御を行う。ここでは、プリ撮影時の被写体輝度が所定の輝度範囲内にあり、固定の周波数で撮像センサ４へのノイズ影響を低減する時の制御例である。即ち、最も頻度が高いＳ読み信号とＮ読み信号のタイミング周期の１／ｎの周波数でスイッチング電源を制御している例である。

次に、図５のフローチャートを用いて、具体的な動作の説明を行う。

まず、はじめにユーザーが撮影準備をおこなう（＃１００）。ユーザーが、マイコン７に接続された、ＳＷ制御部９を操作することによる割り込み要求によって、マイコン７が起動し、スイッチング電源回路２を動作させることによって、カメラ全体のシステムを起動させる。この状態では、スイッチング電源回路２においては、内蔵ＯＳＣ１１によって動作し、撮影に関わるデバイスに電源を供給する。次に、ＡＥセンサ６はプリ撮影として、被写体の輝度の確認をおこなう（＃１０１）。ＡＥセンサ６はエリア型のセンサであり、撮影画面内の全画素がどの様な輝度分布になっているかを確認している。次に、現在のスイッチング電源回路が動作しているＳＷ周波数の確認をおこなう（＃１０２）。次に、＃１０２で確認したスイッチング電源回路のＳＷ周波数において、図４（ａ）で説明した撮像センサへのノイズ増幅利得が低い時間幅（Ｔｓｎ−ｇ）／２ （４１）を算出する（＃１０３）。次に、＃１０１でおこなったＡＥセンサでの被写体の各画素の輝度情報が、＃１０３で算出したノイズ増幅利得が低い時間幅（Ｔｓｎ−ｇ）／２ （４１）に９０％以上収まるかの判断を行う（＃１０４）。

ここでは、被写体の各画素の輝度情報が、ノイズ増幅利得が低い時間幅（Ｔｓｎ−ｇ）／２ （４１）に９０％以上収まると判断した場合には、＃１０１のＰｒｅ撮影結果による輝度分布の中で最も頻度が高いＴｓｎよりスイッチング電源回路のノイズ利得が少ないＳＷ周波数を算出する（＃１０５）。次に、スイッチング電源回路２のＳＷ周波数を＃１０５で算出したものに切り替えをおこなう（＃１０６）。次に本撮影の要求があると、撮像センサに対してノイズの増幅利得の少ないスイッチング電源回路２のＳＷ周波数で撮影することができる（＃１０７）。本撮影の要求が無い場合は、＃１０１のＰｒｅ撮影から進め、再度、被写体の輝度情報を取得し、適宜、撮影する画像に対してスイッチング電源ノイズの影響を受けない制御をおこなう。

＃１０４において、ＡＥセンサでの被写体の各画素の輝度情報が、＃１０３で算出したノイズ増幅利得が低い時間幅（Ｔｓｎ−ｇ）／２ （４１）に９０％以上収まらない場合においては、スイッチング電源回路のＳＷ周波数をランダムにスイープ制御させる（＃１０８）。この時のＳＷ周波数の範囲としては、図４（ｃ）の５０で示した、負荷応答、効率特性のバランスが良い範囲であることが望ましい。

次に、次に本撮影の要求があると、撮像センサ４に対してノイズの増幅利得の少ないスイッチング電源回路２のＳＷ周波数で撮影することができる（＃１０９）。本撮影の要求が無い場合は、＃１０１のＰｒｅ撮影から進め、再度、被写体の輝度情報を取得し、適宜、撮影する画像に対してスイッチング電源ノイズの影響を受けない制御をおこなう。

以上説明した様に、被写体輝度が変わることにより、撮像センサ４の読み出しタイミングが変わるシステムにおいても、撮像センサ４がスイッチング電源ノイズの影響をうけにくいスイッチング電源の制御について動作例を説明した。

１ バッテリー、２ スイッチング電源回路、３ インダクタ、
４ 撮像センサ、５ ＤＳＰ（画像処理）

Claims (5)

1. 入射光に基づいて光電変換を行うことで光電変換信号を生成する画素と、該光電変換信号及び、画素で発生するノイズ信号をサンプリングする撮像素子であって、又、可変する比較用信号と入力電圧を比較し、入力電圧と比較用信号が一致する迄の時間によって出力を決定する、Ａ／Ｄ変換機能を有し、被写体光が所定の輝度範囲幅内に分布している画像の場合と、被写体の輝度が所定輝度範囲内を超えて分布している画像において、外部のスイッチング電源回路のスイッチング周波数の制御方法を変更することを特徴とするスイッチング電源回路。
2. 所定の輝度範囲内とは、外部のスイッチング電源回路のスイッチング周波数に対して撮像素子の光電変換信号のサンプリングタイミングと、ノイズ信号のサンプリングタイミングの時間差Ｔｓｎが、外部のスイッチング電源回路のノイズ影響をうけにくい周期Ｔｓｎ−ｇの１／２以内の時間に収まることを特徴とする請求項１に記載のスイッチング電源回路。
3. 制御方法の変更とは、撮影前に取得した被写体の輝度分布の所定の割合以上が、輝度範囲幅内にある場合には、光電変換信号をサンプリングするタイミング時間とノイズ信号のサンプリングタイミングの平均の時間差Ｔｓｎ（ａｖ）に対して、Ｔｓｎ（ａｖ）／ｎ（ｎ＝整数）の周期で外部のスイッチング電源回路のスイッチング周波数を決定し、それ以外の場合は、外部のスイッチング電源回路のスイッチング周波数をランダムな周波数で駆動させることを特徴とする請求項２に記載のスイッチング電源回路。
4. スイッチング電源回路のスイッチング周波数は、撮像動作に対して、効率、応答性の観点から最適な周波数範囲内での変更であることを特徴とする請求項１に記載のスイッチング電源回路。
5. スイッチングの制御方法を変更する、所定の輝度範囲の幅は、輝度レベルが明るい場合には、輝度レベルが暗い場合に対して、所定の輝度範囲の幅を広げることを特徴とする請求項１に記載のスイッチング電源回路。