JP3693599B2 - スイッチドキャパシタ型安定化電源装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スイッチドキャパシタ型安定化電源装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のスイッチドキャパシタ型安定化電源装置について図７を参照して説明する。入力端子ＩＮはコンデンサＣ２の正極性側と昇圧回路１２の入力側に接続される。コンデンサＣ２の負極性側は接地される。
【０００３】
昇圧回路１２は、コンデンサＣ１及びスイッチング素子ＳＷ１１〜ＳＷ１４を備えている。スイッチング素子ＳＷ１２の一端とスイッチング素子ＳＷ１３の一端との接続ノードは昇圧回路１２の入力側に接続される。スイッチング素子ＳＷ１２の他端はスイッチング素子ＳＷ１１の一端に接続され、スイッチング素子ＳＷ１１の他端は昇圧回路１２の出力側に接続される。スイッチング素子ＳＷ１３の他端はスイッチング素子ＳＷ１４の一端に接続され、スイッチング素子ＳＷ１４の他端は接地される。そして、スイッチング素子ＳＷ１１とスイッチング素子ＳＷ１２との接続ノードにコンデンサＣ１の一端が接続され、スイッチング素子ＳＷ１３とスイッチング素子ＳＷ１４との接続ノードにコンデンサＣ１の他端が接続される。
【０００４】
昇圧回路１２の出力側に抵抗Ｒ１の一端、コンデンサＣ３の一端、及び出力端子ＯＵＴが接続される。コンデンサＣ３の他端は接地される。また、抵抗Ｒ１の他端は抵抗Ｒ２を介して接地される。
【０００５】
そして、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２との接続ノードがコンパレータ３の非反転入力端子に接続される。コンパレータ３の反転入力端子に基準電圧Ｖref1を出力する定電圧源４の正極側が接続される。また、定電圧源４の負極側は接地される。コンパレータ３の出力端子は制御回路５に接続され、制御回路５はスイッチング素子ＳＷ１１〜ＳＷ１４の制御端子に接続される。尚、コンパレータ３はヒステリシス機能を備えている。
【０００６】
このような構成の従来のスイッチドキャパシタ型安定化電源装置の動作について説明する。入力端子ＩＮに直流電源（図示せず）が接続され、入力端子ＩＮに入力電圧Ｖinが印加される。制御回路５は後述するコンパレータ３の出力信号Ｓ１のレベルに応じてスイッチング素子ＳＷ１１〜ＳＷ１４のＯＮ／ＯＦＦ制御を行う。制御回路５は内部に発振器を有しており、周期Ｔ毎にコンパレータ３の出力信号Ｓ１のレベルを判定している。
【０００７】
コンパレータ３の出力信号Ｓ１がＬｏｗレベルの場合、制御回路５は、スイッチング素子ＳＷ１２及びＳＷ１４をＯＮ状態にし、スイッチング素子ＳＷ１１及びＳＷ１３をＯＦＦ状態にする充電制御動作と、スイッチング素子ＳＷ１２及びＳＷ１４をＯＦＦ状態にし、スイッチング素子ＳＷ１１及びＳＷ１３をＯＮ状態にする放電制御動作とを周期Ｔ毎に切り替える。
【０００８】
一方、コンパレータ３の出力信号Ｓ１がＨｉｇｈレベルの場合、制御回路５は、周期Ｔ毎に制御動作を切り替えずに、スイッチング素子ＳＷ１２及びＳＷ１４をＯＮ状態にし、スイッチング素子ＳＷ１１及びＳＷ１３をＯＦＦ状態にする充電制御動作のみを行う。
【０００９】
制御回路５が充電制御動作を行うことによって、昇圧回路１２のコンデンサＣ１は充電され、その充電電圧はＶinとなる。この充電期間中、出力端子ＯＵＴから出力端子ＯＵＴに接続される負荷（図示せず）に出力電流が流れるためコンデンサＣ３は放電し、出力電圧Ｖoが低下する。
【００１０】
一方、制御回路５が放電制御動作を行うことによって、コンデンサＣ１の負極性側が入力端子ＩＮに接続されることになるので、制御回路５が充電制御動作を行っていたときは零であったコンデンサＣ１の負極性側の電位がＶinになる。それに伴い、制御回路５が充電制御動作を行っていたときはＶinであったコンデンサＣ１の正極性側の電位が２×Ｖinになる。このように放電期間中は、２倍に昇圧された電圧がコンデンサＣ３へ供給され、出力電圧Ｖoは増加する。
【００１１】
抵抗Ｒ１及び抵抗Ｒ２は出力電圧Ｖoを検出する電圧検出手段であり、出力電圧の分圧Ｖaをコンパレータ３に出力する。コンパレータ３は、出力電圧の分圧Ｖaと基準電圧Ｖref1を比較し、出力電圧の分圧Ｖaが基準電圧Ｖref1以上のとき、出力信号Ｓ１をＨｉｇｈレベルにする。
【００１２】
コンパレータ３はヒステリシス機能を備えたコンパレータであるので、出力信号Ｓ１を一旦Ｈｉｇｈレベルにすると、出力電圧の分圧Ｖaが基準電圧Ｖref1未満になっても出力信号Ｓ１をＨｉｇｈレベルのまま維持する。そして、出力電圧Ｖoが低下し出力電圧の分圧ＶaがＶref1’（＜Ｖref1）より小さくなると、出力信号Ｓ１をＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルに変更する。
【００１３】
このような動作を行うことによって、出力電圧の分圧ＶaをＶref’からＶrefまでの範囲にして、出力電圧Ｖoを所定の範囲内で定電圧化し、出力電圧Ｖoを設定出力電圧Ｖo *とほぼ一致させることができる。
【００１４】
尚、図７に示した従来のスイッチドキャパシタ型安定化電源装置の昇圧回路１２には入力電圧を２倍に昇圧する２倍昇圧回路を用いたが、昇圧回路のスイッチング素子やコンデンサの組み合わせを変えることにより、１．５倍昇圧や３倍昇圧等さまざまな昇圧倍率の昇圧回路を実現することができる。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
スイッチドキャパシタ型安定化電源装置に電力を供給する直流電源には通常電池が用いられる。電池の寿命を長くするためには、電池電圧が低いところまでスイッチドキャパシタ型安定化電源装置が安定動作できること及びスイッチドキャパシタ型安定化電源装置の電力変換効率を上げることが必要である。特に近年、スイッチドキャパシタ型安定化電源装置は、携帯電話が搭載する液晶ディスプレイのバックライトとして用いられる青色ＬＥＤ或いは白色ＬＥＤの駆動電源としての用途が増加しており、電池の長寿命化の必要性が高まっている。
【００１６】
そして、電池電圧の低いところまでスイッチドキャパシタ型安定化電源装置が安定動作できるようにするには、スイッチドキャパシタ型安定化電源装置が備える昇圧回路の昇圧倍率を大きく設定する必要がある。
【００１７】
しかしながら、昇圧回路の昇圧倍率を大きくすると、電池電圧が高いときに昇圧回路により昇圧された電圧と設定出力電圧Ｖo *との差が大きくなり、電力変換効率が悪くなってしまうという問題点があった。例えば、図７に示した２倍昇圧回路を有する従来のスイッチドキャパシタ型安定化電源装置の場合、電力変換効率η[%]は、(１００×ＶO)／(２×Ｖin)で近似され、例えばＶO＝Ｖinのとき、電力変換効率ηは５０％になる。さらに、従来のスイッチドキャパシタ型安定化電源装置のように昇圧回路の昇圧倍率ｎが固定の場合、スイッチドキャパシタ型安定化電源装置の耐圧は、Ｖin×ｎ必要であり、昇圧回路の昇圧倍率ｎを大きく設定すると、その分スイッチドキャパシタ型安定化電源装置の耐圧を大きくしなければならないという問題点があった。
【００１８】
本発明は、上記の問題点に鑑み、スイッチドキャパシタ型安定化電源装置の入力値及び／又は出力値が大きく変化する場合でも電力変換効率を高くすることができるスイッチドキャパシタ型安定化電源装置を提供する。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係るスイッチドキャパシタ型安定化電源装置においては、直流電圧が印加される入力端子と、コンデンサとスイッチング手段とを有し前記スイッチング手段のスイッチング動作により前記コンデンサの充放電を切り替えて前記コンデンサの放電時に前記直流電圧を昇圧して出力する昇圧手段と、前記昇圧手段の出力電圧を充電する出力側コンデンサと、を備え、前記昇圧手段を複数設けそれぞれ昇圧倍率の異なる昇圧手段にするとともに、前記出力側コンデンサの電圧を検出する電圧検出手段と、前記電圧検出手段が検出する電圧に基づいて前記スイッチング手段をＯＮ／ＯＦＦ制御する制御手段と、前記入力端子と前記昇圧手段との接続状態を切り替える切替手段と、前記スイッチドキャパシタ型安定化電源装置の入力値及び／又は出力値に応じて前記切替手段を制御する切替制御手段と、を備えるようにする。
【００２０】
また、前記切替制御手段が、前記直流電圧の値に基づいて前記切替手段を制御するようにしてもよい。
【００２１】
また、前記切替制御手段が、前記直流電圧の値及び前記出力側コンデンサの電圧の値に基づいて前記切替手段を制御するようにしてもよい。
【００２２】
また、前記切替制御手段が、所定の値を前記直流電圧で除した値以上である昇圧倍率の昇圧手段と前記入力端子とを接続しないように前記切替手段を制御するようにしてもよい。
【００２３】
また、前記直流電圧を降圧して出力する降圧手段を備え、前記切替手段が前記入力端子と前記昇圧手段及び前記降圧手段との接続状態を切り替え、前記制御手段が前記昇圧手段及び前記降圧手段の動作を制御するようにしてもよい。
【００２４】
また、前記切替手段によって前記入力端子と接続されなかった昇圧手段及び／又は降圧手段をＯＦＦ状態にする手段を備えるようにしてもよい。
【００２５】
また、前記制御手段のうち前記切替手段によって前記入力端子と接続されなかった昇圧手段及び／又は降圧手段を制御する部分をＯＦＦ状態にする手段を備えるようにしてもよい。
【００２６】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。本発明に係る第一実施形態のスイッチドキャパシタ型安定化電源装置の構成を図１に示す。尚、図７の従来のスイッチドキャパシタ型安定化電源装置と同一の部分には同一の符号を付し、説明を省略する。
【００２７】
入力端子ＩＮはコンデンサＣ２の正極性側、切替制御回路６、スイッチング素子ＳＷ１の一端、及びスイッチング素子ＳＷ２の一端に接続される。コンデンサＣ２の負極性側は接地される。また、切替制御回路６に基準電圧Ｖref2を出力する定電圧源７の正極側が接続され、定電圧源７の負極側は接地される。さらに、切替制御回路６はスイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２の制御端子に接続される。
【００２８】
スイッチング素子ＳＷ１の他端はｎ1倍昇圧回路１の入力側に接続され、スイッチング素子ＳＷ２の他端はｎ2倍昇圧回路２の入力側に接続される。ｎ1倍昇圧回路１の出力側とｎ2倍昇圧回路２の出力側とが接続され、その接続ノードに抵抗Ｒ１の一端、コンデンサＣ３の一端、及び出力端子ＯＵＴが接続される。コンデンサＣ３の他端は接地される。また、抵抗Ｒ１の他端は抵抗Ｒ２を介して接地される。尚、ｎ1倍昇圧回路１の昇圧倍率はｎ2倍昇圧回路２の昇圧倍率より小さい。すなわち、ｎ1＜ｎ2である。
【００２９】
そして、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２との接続ノードがコンパレータ３の非反転入力端子に接続される。コンパレータ３の反転入力端子に、基準電圧Ｖref1を出力する定電圧源４の正極側が接続される。また、定電圧源４の負極側は接地される。コンパレータ３の出力端子は制御回路５に接続され、制御回路５はｎ1倍昇圧回路１が有するスイッチング素子（図示せず）の制御端子及びｎ2倍昇圧回路２が有するスイッチング素子（図示せず）の制御端子に接続される。
【００３０】
このような構成のスイッチドキャパシタ型安定化電源装置は、次のように動作する。切替制御回路６は、入力電圧Ｖinと定電圧源７の出力する基準電圧Ｖref2とを比較し、入力電圧Ｖinが基準電圧Ｖref2以上であればスイッチング素子ＳＷ１をＯＮ状態、スイッチング素子ＳＷ２をＯＦＦ状態にしてｎ1倍昇圧回路１を選択する。逆に入力電圧Ｖinが基準電圧Ｖref2未満であれば、切替制御回路６はスイッチング素子ＳＷ１をＯＦＦ状態、スイッチング素子ＳＷ２をＯＮ状態にして、ｎ2倍昇圧回路２を選択する。
【００３１】
尚、基準電圧Ｖref2の設定は、ｎ1倍昇圧回路１によって入力電圧Ｖinを設定出力電圧Ｖo *まで昇圧することができる入力電圧Ｖinの最小値にするとよい。
【００３２】
このように、入力電圧Ｖinが大きいときは昇圧回路によって昇圧された電圧と設定出力電圧Ｖo *との差を小さくして電力変換効率を高くするために昇圧倍率の小さい昇圧回路であるｎ1倍昇圧回路１を選択し、入力電圧Ｖinが小さいときは設定出力電圧Ｖo *まで昇圧できるように昇圧倍率の大きい昇圧回路であるｎ2倍昇圧回路２を選択する。これにより、安定動作可能な入力電圧が低く且つ入力電圧の変化が大きい場合でも電力変換効率が高いスイッチドキャパシタ型安定化電源装置を実現することができる。従って、入力端子ＩＮに接続される直流電源が電池である場合、電池の長寿命化を図ることができる。
【００３３】
次に本発明に係る第二実施形態のスイッチドキャパシタ型安定化電源装置の構成を図２に示す。尚、図１の第二実施形態のスイッチドキャパシタ型安定化電源装置と同一の部分には同一の符号を付し、説明を省略する。
【００３４】
図２に示す第二実施形態のスイッチドキャパシタ型安定化電源装置が図１の第一実施形態のスイッチドキャパシタ型安定化電源装置と異なる点は、定電圧源７を有さず、出力端子ＯＵＴが切替制御回路６に接続される点である。
【００３５】
抵抗Ｒ１、抵抗Ｒ２の抵抗値や定電圧源４が出力する基準電圧Ｖref1の値を変更することによって、設定出力電圧Ｖo *の値を変更することができる。設定出力電圧Ｖo *の値を変更した場合、ｎ1倍昇圧回路１によって入力電圧Ｖinを設定出力電圧Ｖo *まで昇圧することができる入力電圧Ｖinの最小値は変化する。
【００３６】
そこで、第二実施形態のスイッチドキャパシタ型安定化電源装置では、切替制御回路６が、入力電圧Ｖinと出力電圧Ｖoを入力し、出力電圧Ｖoを入力電圧Ｖinで除した値（Ｖo／Ｖin）を算出する。切替制御回路６は、Ｖo／Ｖinがｎ1倍昇圧回路１の昇圧倍率ｎ1未満であれば、スイッチング素子ＳＷ１をＯＮ状態、スイッチング素子ＳＷ２をＯＦＦ状態にして、ｎ1倍昇圧回路１を選択する。また、切替制御回路６は、Ｖo／Ｖinがｎ1倍昇圧回路１の昇圧倍率ｎ1以上であれば、スイッチング素子ＳＷ１をＯＦＦ状態、スイッチング素子ＳＷ２をＯＮ状態にして、ｎ2倍昇圧回路２を選択する。
【００３７】
これにより、設定出力電圧Ｖo *が可変する構成においても、入力電圧Ｖinが大きいときは昇圧回路によって昇圧される電圧と設定出力電圧Ｖo *との差を小さくして電力変換効率を高くするために昇圧倍率の小さい昇圧回路であるｎ1倍昇圧回路１を選択し、入力電圧Ｖinが小さいときは設定出力電圧Ｖo *まで昇圧できるように昇圧倍率の大きい昇圧回路であるｎ2倍昇圧回路２を選択することができる。従って、設定出力電圧Ｖo *が可変するスイッチドキャパシタ型安定化電源装置においても、安定動作可能な入力電圧が低く且つ入力電圧の変化が大きい場合でも電力変換効率が高いスイッチドキャパシタ型安定化電源装置を実現することができる。従って、入力端子ＩＮに接続される直流電源が電池である場合、電池の長寿命化を図ることができる。
【００３８】
次に本発明に係る第三実施形態のスイッチドキャパシタ型安定化電源装置の構成を図３に示す。尚、図１の第一実施形態のスイッチドキャパシタ型安定化電源装置と同一の部分には同一の符号を付し、説明を省略する。
【００３９】
図３に示す第三実施形態のスイッチドキャパシタ型安定化電源装置が図１の第一実施形態のスイッチドキャパシタ型安定化電源装置と異なる点は、切替制御回路６が直接スイッチング素子ＳＷ１及びＳＷ２の制御端子に接続されずに判定回路８を介してスイッチング素子ＳＷ１及びＳＷ２の制御端子に接続されており、判定回路８が入力端子ＩＮと基準電圧Ｖref3を出力する定電圧源９の正極側とに接続される点である。尚、定電圧源９の負極側は接地され、基準電圧Ｖref3はスイッチドキャパシタ型安定化電源装置の耐圧と等しい値である。
【００４０】
このような構成のスイッチドキャパシタ型安定化電源装置は、次のように動作する。切替制御回路６は信号Ｓ２を判定回路８に送出する。切替制御回路６は、入力電圧Ｖinが基準電圧Ｖref2以上であれば信号Ｓ２をスイッチング素子ＳＷ１をＯＮ状態にしスイッチング素子ＳＷ２をＯＦＦ状態にする旨の信号とし、逆に入力電圧Ｖinが基準電圧Ｖref2未満であれば信号Ｓ２をスイッチング素子ＳＷ１をＯＦＦ状態にしスイッチング素子ＳＷ２をＯＮ状態にする旨の信号とする。
【００４１】
判定回路８は、ｎ2倍昇圧回路２の昇圧倍率ｎ2を予め記憶している。判定回路８は、切替制御回路６の出力信号Ｓ２を有効にするか否かを判定する。この判定方法について図６のフローチャート図を参照して説明する。
【００４２】
判定回路８は、まず信号Ｓ２がスイッチング素子ＳＷ１をＯＦＦ状態にしスイッチング素子ＳＷ２をＯＮ状態にする旨の信号であるか否かを判定する（ステップ＃１０）。
【００４３】
信号Ｓ２がスイッチング素子ＳＷ１をＯＦＦ状態にしスイッチング素子ＳＷ２をＯＮ状態にする旨の信号でなければ（ステップ＃１０のＮｏ）、昇圧倍率の大きいｎ2倍昇圧回路２が選択されることはなく、スイッチドキャパシタ型安定化電源装置の耐圧以上の電圧が発生するおそれがないので、ステップ＃４０に移行し信号Ｓ２を有効として信号Ｓ２をそのままスイッチング素子ＳＷ１及びＳＷ２に出力してフロー動作を終了する。
【００４４】
一方、信号Ｓ２がスイッチング素子ＳＷ１をＯＦＦ状態にしスイッチング素子ＳＷ２をＯＮ状態にする旨の信号であれば（ステップ＃１０のＹｅｓ）、信号Ｓ２を有効とした場合昇圧倍率の大きいｎ2倍昇圧回路２が選択されるので、信号Ｓ２を有効とした場合でもスイッチドキャパシタ型安定化電源装置の耐圧以上の電圧が発生するおそれがないかを判定する（ステップ＃２０）。
【００４５】
ステップ＃２０では、昇圧倍率ｎ2に入力電圧Ｖinをかけた値が基準電圧Ｖref3以上であるかを判定する。昇圧倍率ｎ2に入力電圧Ｖinをかけた値が基準電圧Ｖref3以上でなければ（ステップ＃２０のＮｏ）、昇圧倍率の大きいｎ2倍昇圧回路２が選択されてもスイッチドキャパシタ型安定化電源装置の耐圧以上の電圧が発生するおそれがないので、ステップ＃４０に移行し信号Ｓ２を有効として信号Ｓ２をそのままスイッチング素子ＳＷ１及びＳＷ２に出力してフロー動作を終了する。
【００４６】
一方、昇圧倍率ｎ2に入力電圧Ｖinをかけた値が基準電圧Ｖref3以上であれば（ステップ＃２０のＹｅｓ）、昇圧倍率の大きいｎ2倍昇圧回路２が選択されるとスイッチドキャパシタ型安定化電源装置の耐圧以上の電圧が発生してしまうので、ステップ＃３０に移行し信号Ｓ２を無効にしてスイッチング素子ＳＷ１をＯＮ状態にしスイッチング素子ＳＷ２をＯＦＦ状態にする旨の信号をスイッチング素子ＳＷ１及びＳＷ２に出力してフロー動作を終了する。
【００４７】
判定回路８がこのような動作を行うことによって、スイッチドキャパシタ型安定化電源装置に発生する電圧の最大値を制限することが可能となり、スイッチドキャパシタ型安定化電源装置の耐圧以上の電圧が発生することによる素子破壊を防ぐことができる。
【００４８】
次に本発明に係る第四実施形態のスイッチドキャパシタ型安定化電源装置の構成を図４に示す。尚、図２の第二実施形態のスイッチドキャパシタ型安定化電源装置と同一の部分には同一の符号を付し、説明を省略する。
【００４９】
図４に示す第四実施形態のスイッチドキャパシタ型安定化電源装置が図２の第二実施形態のスイッチドキャパシタ型安定化電源装置と異なる点は、スイッチング素子ＳＷ３及び降圧型レギュレータ１０を有し、スイッチング素子ＳＷ３の一端がスイッチング素子ＳＷ１とスイッチング素子ＳＷ２との接続ノードに接続され、スイッチング素子ＳＷ３の他端が降圧型レギュレータ１０の入力側に接続され、降圧型レギュレータ１０の出力側が出力端子ＯＵＴに接続される点である。
【００５０】
第四実施形態のスイッチドキャパシタ型安定化電源装置では、切替制御回路６が、入力電圧Ｖinと出力電圧Ｖoを入力し、出力電圧Ｖoを入力電圧Ｖinで除した値（Ｖo／Ｖin）を算出する。切替制御回路６は、Ｖo／Ｖinが１未満であれば、スイッチング素子ＳＷ１をＯＦＦ状態、スイッチング素子ＳＷ２をＯＦＦ状態、スイッチング素子ＳＷ３をＯＮ状態にして、降圧型レギュレータ１０を選択する。また、切替制御回路６は、Ｖo／Ｖinが１以上であってｎ1倍昇圧回路１の昇圧倍率未満であれば、スイッチング素子ＳＷ１をＯＮ状態、スイッチング素子ＳＷ２をＯＦＦ状態、スイッチング素子ＳＷ３をＯＦＦ状態にして、ｎ1倍昇圧回路１を選択する。また、切替制御回路６は、Ｖo／Ｖinがｎ1倍昇圧回路１の昇圧倍率以上であれば、スイッチング素子ＳＷ１をＯＦＦ状態、スイッチング素子ＳＷ２をＯＮ状態、スイッチング素子ＳＷ３をＯＦＦ状態にして、ｎ2倍昇圧回路２を選択する。
【００５１】
これにより、入力電圧Ｖinが設定出力電圧Ｖo *より高い場合でも、スイッチドキャパシタ型安定化電源装置は設定出力電圧Ｖo *を出力することができる。また、入力電圧Ｖinが大きいときは入力電圧Ｖinを昇圧した電圧と設定出力電圧Ｖo *との差を小さくして電力変換効率を高くするために昇圧倍率の小さい昇圧回路であるｎ1倍昇圧回路１を選択し、入力電圧Ｖinが小さいときは設定出力電圧まで昇圧できるように昇圧倍率の大きい昇圧回路であるｎ2倍昇圧回路２を選択することができる。
【００５２】
次に本発明に係る第五実施形態のスイッチドキャパシタ型安定化電源装置の構成を図５に示す。尚、図４の第四実施形態のスイッチドキャパシタ型安定化電源装置と同一の部分には同一の符号を付し、説明を省略する。
【００５３】
図５に示す第五実施形態のスイッチドキャパシタ型安定化電源装置が図４の第四実施形態のスイッチドキャパシタ型安定化電源装置と異なる点は、駆動制御回路１１を有し、駆動制御回路１１が制御回路５、切替制御回路６、降圧型レギュレータ１０、ｎ1倍昇圧回路１、及びｎ2倍昇圧回路２に接続される点である。
【００５４】
尚、ｎ1倍昇圧回路１及びｎ2倍昇圧回路２各々はコンデンサとスイッチング素子以外に定電圧が供給される回路を備えている。また、降圧型レギュレータ１０も定電圧が供給される回路を備えている。本実施形態に係るスイッチドキャパシタ型安定化電源装置では、ｎ1倍昇圧回路１、ｎ2倍昇圧回路２、及び降圧型レギュレータ１０の各々は定電圧源と定電圧が供給される回路との接続をＯＮ／ＯＦＦするスイッチング素子を備え、そのスイッチング素子の制御端子に駆動制御回路１１から制御信号が送られる。
【００５５】
駆動制御回路１１は、降圧型レギュレータ１０、ｎ1倍昇圧回路１、及びｎ2倍昇圧回路２のうちのどれが選択されたかを伝達する信号Ｓ３を切替制御回路６から受け取る。駆動制御回路１１は、信号Ｓ３に基づいて降圧型レギュレータ１０、ｎ1倍昇圧回路１、及びｎ2倍昇圧回路２のうち選択されていない２つの回路内に設けられている定電圧源と定電圧が供給される回路との接続をＯＮ／ＯＦＦするスイッチング素子をＯＦＦ状態する。
【００５６】
制御回路５は、降圧型レギュレータ１０の動作制御のみに必要な部分、ｎ1倍昇圧回路１の動作制御にのみ必要な部分、ｎ2倍昇圧回路２の動作制御にのみ必要な部分、複数の回路の動作制御に必要な部分から成っている。駆動制御回路１１は、信号Ｓ３に基づいて制御回路５の一部への電源供給を停止する。すなわち、駆動制御回路１１は、信号Ｓ３に基づいて降圧型レギュレータ１０、ｎ１倍昇圧回路、ｎ２倍昇圧回路のうち選択されていない２つの回路それぞれの動作制御のみに必要な部分への電源供給を停止する。
【００５７】
これにより、降圧型レギュレータ１０、ｎ１倍昇圧回路、ｎ２倍昇圧回路のうち選択されていない回路及びその選択されていない回路の制御動作にのみ必要な部分での不要な消費電力（待機電力）を低減することができる。これにより、より一層電力変換効率を高くすることができる。
【００５８】
尚、上述した第一〜第五実施形態では昇圧回路を２つ設ける構成としたが、昇圧回路は３つ以上あってもよい。また、切替制御回路は、入力電圧一定のときは出力電圧のみを検出する構成や出力電流を検出して出力電流が大きい場合に生じる電力変換効率の低下等に応じて切替制御を行う構成にしてもよい。
【００５９】
また、小型化・低コスト化を図るために、集積化を行うことが望ましい。例えば、図１の第一実施形態のスイッチドキャパシタ型安定化電源装置において、入力端子ＩＮ、コンデンサＣ２、抵抗Ｒ１、抵抗Ｒ２、コンデンサＣ３、出力端子ＯＵＴ、ｎ1倍昇圧回路１が有するコンデンサ（図示せず）、及びｎ2倍昇圧回路２が有するコンデンサ（図示せず）以外部分を１チップ半導体集積回路装置に搭載するとよい。
【００６０】
【発明の効果】
本発明によると、それぞれ昇圧倍率の異なる昇圧手段を複数設けるとともに、直流電圧が印加される入力端子と昇圧手段との接続状態を切り替える切替手段と、スイッチドキャパシタ型安定化電源装置の入力値及び／又は出力値に応じて切替手段を制御する切替制御手段と、を備えるので、スイッチドキャパシタ型安定化電源装置の入力値及び／又は出力値に応じて適切な昇圧倍率の昇圧手段を選択することができる。これにより、スイッチドキャパシタ型安定化電源装置の入力値及び／又は出力値が大きく変化する場合でも昇圧手段によって昇圧された電圧と設定出力電圧との差を小さくして電力変換効率を高くすることができる。
【００６１】
また、本発明によると、切替制御手段が入力端子に印加される直流電圧の値に基づいて切替手段を制御するので、入力端子に印加される直流電圧が大きいときは昇圧手段によって昇圧された電圧と設定出力電圧との差を小さくように昇圧倍率の小さい昇圧手段を選択することができ、入力端子に印加される直流電圧が小さいときは設定出力電圧まで昇圧できるように昇圧倍率の大きい昇圧手段を選択することができる。これにより、安定動作可能な入力端子に印加される直流電圧が低く且つ入力端子に印加される直流電圧の変化が大きい場合でも電力変換効率を高くすることができる。
【００６２】
また、本発明によると、切替制御手段が、入力端子に印加される直流電圧の値及び出力側コンデンサの電圧の値に基づいて切替手段を制御するので、設定出力電圧を可変する構成においても、安定動作可能な入力端子に印加される直流電圧が低く且つ入力端子に印加される直流電圧の変化が大きい場合でも電力変換効率を高くすることができる。
【００６３】
また、本発明によると、前記切替制御手段が、所定の値を前記直流電圧で除した値以上である昇圧倍率の昇圧手段と前記入力端子とを接続しないように前記切替手段を制御するので、スイッチドキャパシタ型安定化電源装置に発生する電圧の最大値を制限することが可能となる。これにより、スイッチドキャパシタ型安定化電源装置の耐圧以上の電圧が発生することによる素子破壊を防ぐことができる。
【００６４】
また、本発明によると、入力端子に印加される直流電圧を降圧して出力する降圧手段を備え、切替手段が入力端子と昇圧手段及び前降圧手段との接続を切り替え、制御手段が昇圧手段及び降圧手段の動作を制御するので、降圧手段を選択することもできる。これにより、入力端子に印加される直流電圧の値が設定出力電圧より高い場合でも、設定出力電圧を出力することができる。
【００６５】
また、本発明によると、切替手段によって入力端子と接続されなかった昇圧手段及び／又は降圧手段をＯＦＦ状態にする手段を備えるので、切替手段によって入力端子と接続されなかった昇圧手段及び／又は降圧手段での不要な消費電力を低減することができる。これにより、より一層電力変換効率を高くすることができる。
【００６６】
また、本発明によると、制御手段のうち切替手段によって入力端子と接続されなかった昇圧手段及び／又は降圧手段を制御する部分をＯＦＦ状態にする手段を備えるので、制御手段のうち切替手段によって入力端子と接続されなかった昇圧手段及び／又は降圧手段を制御する部分での不要な消費電力を低減することができる。これにより、より一層電力変換効率を高くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る第一実施形態のスイッチドキャパシタ型安定化電源装置の構成を示す図である。
【図２】 本発明に係る第二実施形態のスイッチドキャパシタ型安定化電源装置の構成を示す図である。
【図３】 本発明に係る第三実施形態のスイッチドキャパシタ型安定化電源装置の構成を示す図である。
【図４】 本発明に係る第四実施形態のスイッチドキャパシタ型安定化電源装置の構成を示す図である。
【図５】 本発明に係る第五実施形態のスイッチドキャパシタ型安定化電源装置の構成を示す図である。
【図６】 第五実施形態のスイッチドキャパシタ型安定化電源装置が備える判定回路の動作を示すフローチャート図である。
【図７】 従来のスイッチドキャパシタ型安定化電源装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
１ ｎ1倍昇圧回路
２ ｎ2倍昇圧回路
３ コンパレータ
４、７、９ 定電圧源
５ 制御回路
６ 切替制御回路
８ 判定回路
１０ 降圧型レギュレータ
１１ 駆動制御回路
Ｃ１〜Ｃ３ コンデンサ
Ｒ１、Ｒ２ 抵抗
ＳＷ１、ＳＷ２ スイッチング素子
【発明の属する技術分野】
本発明は、スイッチドキャパシタ型安定化電源装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のスイッチドキャパシタ型安定化電源装置について図７を参照して説明する。入力端子ＩＮはコンデンサＣ２の正極性側と昇圧回路１２の入力側に接続される。コンデンサＣ２の負極性側は接地される。
【０００３】
昇圧回路１２は、コンデンサＣ１及びスイッチング素子ＳＷ１１〜ＳＷ１４を備えている。スイッチング素子ＳＷ１２の一端とスイッチング素子ＳＷ１３の一端との接続ノードは昇圧回路１２の入力側に接続される。スイッチング素子ＳＷ１２の他端はスイッチング素子ＳＷ１１の一端に接続され、スイッチング素子ＳＷ１１の他端は昇圧回路１２の出力側に接続される。スイッチング素子ＳＷ１３の他端はスイッチング素子ＳＷ１４の一端に接続され、スイッチング素子ＳＷ１４の他端は接地される。そして、スイッチング素子ＳＷ１１とスイッチング素子ＳＷ１２との接続ノードにコンデンサＣ１の一端が接続され、スイッチング素子ＳＷ１３とスイッチング素子ＳＷ１４との接続ノードにコンデンサＣ１の他端が接続される。
【０００４】
昇圧回路１２の出力側に抵抗Ｒ１の一端、コンデンサＣ３の一端、及び出力端子ＯＵＴが接続される。コンデンサＣ３の他端は接地される。また、抵抗Ｒ１の他端は抵抗Ｒ２を介して接地される。
【０００５】
そして、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２との接続ノードがコンパレータ３の非反転入力端子に接続される。コンパレータ３の反転入力端子に基準電圧Ｖref1を出力する定電圧源４の正極側が接続される。また、定電圧源４の負極側は接地される。コンパレータ３の出力端子は制御回路５に接続され、制御回路５はスイッチング素子ＳＷ１１〜ＳＷ１４の制御端子に接続される。尚、コンパレータ３はヒステリシス機能を備えている。
【０００６】
このような構成の従来のスイッチドキャパシタ型安定化電源装置の動作について説明する。入力端子ＩＮに直流電源（図示せず）が接続され、入力端子ＩＮに入力電圧Ｖinが印加される。制御回路５は後述するコンパレータ３の出力信号Ｓ１のレベルに応じてスイッチング素子ＳＷ１１〜ＳＷ１４のＯＮ／ＯＦＦ制御を行う。制御回路５は内部に発振器を有しており、周期Ｔ毎にコンパレータ３の出力信号Ｓ１のレベルを判定している。
【０００７】
コンパレータ３の出力信号Ｓ１がＬｏｗレベルの場合、制御回路５は、スイッチング素子ＳＷ１２及びＳＷ１４をＯＮ状態にし、スイッチング素子ＳＷ１１及びＳＷ１３をＯＦＦ状態にする充電制御動作と、スイッチング素子ＳＷ１２及びＳＷ１４をＯＦＦ状態にし、スイッチング素子ＳＷ１１及びＳＷ１３をＯＮ状態にする放電制御動作とを周期Ｔ毎に切り替える。
【０００８】
一方、コンパレータ３の出力信号Ｓ１がＨｉｇｈレベルの場合、制御回路５は、周期Ｔ毎に制御動作を切り替えずに、スイッチング素子ＳＷ１２及びＳＷ１４をＯＮ状態にし、スイッチング素子ＳＷ１１及びＳＷ１３をＯＦＦ状態にする充電制御動作のみを行う。
【０００９】
制御回路５が充電制御動作を行うことによって、昇圧回路１２のコンデンサＣ１は充電され、その充電電圧はＶinとなる。この充電期間中、出力端子ＯＵＴから出力端子ＯＵＴに接続される負荷（図示せず）に出力電流が流れるためコンデンサＣ３は放電し、出力電圧Ｖoが低下する。
【００１０】
一方、制御回路５が放電制御動作を行うことによって、コンデンサＣ１の負極性側が入力端子ＩＮに接続されることになるので、制御回路５が充電制御動作を行っていたときは零であったコンデンサＣ１の負極性側の電位がＶinになる。それに伴い、制御回路５が充電制御動作を行っていたときはＶinであったコンデンサＣ１の正極性側の電位が２×Ｖinになる。このように放電期間中は、２倍に昇圧された電圧がコンデンサＣ３へ供給され、出力電圧Ｖoは増加する。
【００１１】
抵抗Ｒ１及び抵抗Ｒ２は出力電圧Ｖoを検出する電圧検出手段であり、出力電圧の分圧Ｖaをコンパレータ３に出力する。コンパレータ３は、出力電圧の分圧Ｖaと基準電圧Ｖref1を比較し、出力電圧の分圧Ｖaが基準電圧Ｖref1以上のとき、出力信号Ｓ１をＨｉｇｈレベルにする。
【００１２】
コンパレータ３はヒステリシス機能を備えたコンパレータであるので、出力信号Ｓ１を一旦Ｈｉｇｈレベルにすると、出力電圧の分圧Ｖaが基準電圧Ｖref1未満になっても出力信号Ｓ１をＨｉｇｈレベルのまま維持する。そして、出力電圧Ｖoが低下し出力電圧の分圧ＶaがＶref1’（＜Ｖref1）より小さくなると、出力信号Ｓ１をＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルに変更する。
【００１３】
このような動作を行うことによって、出力電圧の分圧ＶaをＶref’からＶrefまでの範囲にして、出力電圧Ｖoを所定の範囲内で定電圧化し、出力電圧Ｖoを設定出力電圧Ｖo *とほぼ一致させることができる。
【００１４】
尚、図７に示した従来のスイッチドキャパシタ型安定化電源装置の昇圧回路１２には入力電圧を２倍に昇圧する２倍昇圧回路を用いたが、昇圧回路のスイッチング素子やコンデンサの組み合わせを変えることにより、１．５倍昇圧や３倍昇圧等さまざまな昇圧倍率の昇圧回路を実現することができる。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
スイッチドキャパシタ型安定化電源装置に電力を供給する直流電源には通常電池が用いられる。電池の寿命を長くするためには、電池電圧が低いところまでスイッチドキャパシタ型安定化電源装置が安定動作できること及びスイッチドキャパシタ型安定化電源装置の電力変換効率を上げることが必要である。特に近年、スイッチドキャパシタ型安定化電源装置は、携帯電話が搭載する液晶ディスプレイのバックライトとして用いられる青色ＬＥＤ或いは白色ＬＥＤの駆動電源としての用途が増加しており、電池の長寿命化の必要性が高まっている。
【００１６】
そして、電池電圧の低いところまでスイッチドキャパシタ型安定化電源装置が安定動作できるようにするには、スイッチドキャパシタ型安定化電源装置が備える昇圧回路の昇圧倍率を大きく設定する必要がある。
【００１７】
しかしながら、昇圧回路の昇圧倍率を大きくすると、電池電圧が高いときに昇圧回路により昇圧された電圧と設定出力電圧Ｖo *との差が大きくなり、電力変換効率が悪くなってしまうという問題点があった。例えば、図７に示した２倍昇圧回路を有する従来のスイッチドキャパシタ型安定化電源装置の場合、電力変換効率η[%]は、(１００×ＶO)／(２×Ｖin)で近似され、例えばＶO＝Ｖinのとき、電力変換効率ηは５０％になる。さらに、従来のスイッチドキャパシタ型安定化電源装置のように昇圧回路の昇圧倍率ｎが固定の場合、スイッチドキャパシタ型安定化電源装置の耐圧は、Ｖin×ｎ必要であり、昇圧回路の昇圧倍率ｎを大きく設定すると、その分スイッチドキャパシタ型安定化電源装置の耐圧を大きくしなければならないという問題点があった。
【００１８】
本発明は、上記の問題点に鑑み、スイッチドキャパシタ型安定化電源装置の入力値及び／又は出力値が大きく変化する場合でも電力変換効率を高くすることができるスイッチドキャパシタ型安定化電源装置を提供する。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係るスイッチドキャパシタ型安定化電源装置においては、直流電圧が印加される入力端子と、コンデンサとスイッチング手段とを有し前記スイッチング手段のスイッチング動作により前記コンデンサの充放電を切り替えて前記コンデンサの放電時に前記直流電圧を昇圧して出力する昇圧手段と、前記昇圧手段の出力電圧を充電する出力側コンデンサと、を備え、前記昇圧手段を複数設けそれぞれ昇圧倍率の異なる昇圧手段にするとともに、前記出力側コンデンサの電圧を検出する電圧検出手段と、前記電圧検出手段が検出する電圧に基づいて前記スイッチング手段をＯＮ／ＯＦＦ制御する制御手段と、前記入力端子と前記昇圧手段との接続状態を切り替える切替手段と、前記スイッチドキャパシタ型安定化電源装置の入力値及び／又は出力値に応じて前記切替手段を制御する切替制御手段と、を備えるようにする。
【００２０】
また、前記切替制御手段が、前記直流電圧の値に基づいて前記切替手段を制御するようにしてもよい。
【００２１】
また、前記切替制御手段が、前記直流電圧の値及び前記出力側コンデンサの電圧の値に基づいて前記切替手段を制御するようにしてもよい。
【００２２】
また、前記切替制御手段が、所定の値を前記直流電圧で除した値以上である昇圧倍率の昇圧手段と前記入力端子とを接続しないように前記切替手段を制御するようにしてもよい。
【００２３】
また、前記直流電圧を降圧して出力する降圧手段を備え、前記切替手段が前記入力端子と前記昇圧手段及び前記降圧手段との接続状態を切り替え、前記制御手段が前記昇圧手段及び前記降圧手段の動作を制御するようにしてもよい。
【００２４】
また、前記切替手段によって前記入力端子と接続されなかった昇圧手段及び／又は降圧手段をＯＦＦ状態にする手段を備えるようにしてもよい。
【００２５】
また、前記制御手段のうち前記切替手段によって前記入力端子と接続されなかった昇圧手段及び／又は降圧手段を制御する部分をＯＦＦ状態にする手段を備えるようにしてもよい。
【００２６】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。本発明に係る第一実施形態のスイッチドキャパシタ型安定化電源装置の構成を図１に示す。尚、図７の従来のスイッチドキャパシタ型安定化電源装置と同一の部分には同一の符号を付し、説明を省略する。
【００２７】
入力端子ＩＮはコンデンサＣ２の正極性側、切替制御回路６、スイッチング素子ＳＷ１の一端、及びスイッチング素子ＳＷ２の一端に接続される。コンデンサＣ２の負極性側は接地される。また、切替制御回路６に基準電圧Ｖref2を出力する定電圧源７の正極側が接続され、定電圧源７の負極側は接地される。さらに、切替制御回路６はスイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２の制御端子に接続される。
【００２８】
スイッチング素子ＳＷ１の他端はｎ1倍昇圧回路１の入力側に接続され、スイッチング素子ＳＷ２の他端はｎ2倍昇圧回路２の入力側に接続される。ｎ1倍昇圧回路１の出力側とｎ2倍昇圧回路２の出力側とが接続され、その接続ノードに抵抗Ｒ１の一端、コンデンサＣ３の一端、及び出力端子ＯＵＴが接続される。コンデンサＣ３の他端は接地される。また、抵抗Ｒ１の他端は抵抗Ｒ２を介して接地される。尚、ｎ1倍昇圧回路１の昇圧倍率はｎ2倍昇圧回路２の昇圧倍率より小さい。すなわち、ｎ1＜ｎ2である。
【００２９】
そして、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２との接続ノードがコンパレータ３の非反転入力端子に接続される。コンパレータ３の反転入力端子に、基準電圧Ｖref1を出力する定電圧源４の正極側が接続される。また、定電圧源４の負極側は接地される。コンパレータ３の出力端子は制御回路５に接続され、制御回路５はｎ1倍昇圧回路１が有するスイッチング素子（図示せず）の制御端子及びｎ2倍昇圧回路２が有するスイッチング素子（図示せず）の制御端子に接続される。
【００３０】
このような構成のスイッチドキャパシタ型安定化電源装置は、次のように動作する。切替制御回路６は、入力電圧Ｖinと定電圧源７の出力する基準電圧Ｖref2とを比較し、入力電圧Ｖinが基準電圧Ｖref2以上であればスイッチング素子ＳＷ１をＯＮ状態、スイッチング素子ＳＷ２をＯＦＦ状態にしてｎ1倍昇圧回路１を選択する。逆に入力電圧Ｖinが基準電圧Ｖref2未満であれば、切替制御回路６はスイッチング素子ＳＷ１をＯＦＦ状態、スイッチング素子ＳＷ２をＯＮ状態にして、ｎ2倍昇圧回路２を選択する。
【００３１】
尚、基準電圧Ｖref2の設定は、ｎ1倍昇圧回路１によって入力電圧Ｖinを設定出力電圧Ｖo *まで昇圧することができる入力電圧Ｖinの最小値にするとよい。
【００３２】
このように、入力電圧Ｖinが大きいときは昇圧回路によって昇圧された電圧と設定出力電圧Ｖo *との差を小さくして電力変換効率を高くするために昇圧倍率の小さい昇圧回路であるｎ1倍昇圧回路１を選択し、入力電圧Ｖinが小さいときは設定出力電圧Ｖo *まで昇圧できるように昇圧倍率の大きい昇圧回路であるｎ2倍昇圧回路２を選択する。これにより、安定動作可能な入力電圧が低く且つ入力電圧の変化が大きい場合でも電力変換効率が高いスイッチドキャパシタ型安定化電源装置を実現することができる。従って、入力端子ＩＮに接続される直流電源が電池である場合、電池の長寿命化を図ることができる。
【００３３】
次に本発明に係る第二実施形態のスイッチドキャパシタ型安定化電源装置の構成を図２に示す。尚、図１の第二実施形態のスイッチドキャパシタ型安定化電源装置と同一の部分には同一の符号を付し、説明を省略する。
【００３４】
図２に示す第二実施形態のスイッチドキャパシタ型安定化電源装置が図１の第一実施形態のスイッチドキャパシタ型安定化電源装置と異なる点は、定電圧源７を有さず、出力端子ＯＵＴが切替制御回路６に接続される点である。
【００３５】
抵抗Ｒ１、抵抗Ｒ２の抵抗値や定電圧源４が出力する基準電圧Ｖref1の値を変更することによって、設定出力電圧Ｖo *の値を変更することができる。設定出力電圧Ｖo *の値を変更した場合、ｎ1倍昇圧回路１によって入力電圧Ｖinを設定出力電圧Ｖo *まで昇圧することができる入力電圧Ｖinの最小値は変化する。
【００３６】
そこで、第二実施形態のスイッチドキャパシタ型安定化電源装置では、切替制御回路６が、入力電圧Ｖinと出力電圧Ｖoを入力し、出力電圧Ｖoを入力電圧Ｖinで除した値（Ｖo／Ｖin）を算出する。切替制御回路６は、Ｖo／Ｖinがｎ1倍昇圧回路１の昇圧倍率ｎ1未満であれば、スイッチング素子ＳＷ１をＯＮ状態、スイッチング素子ＳＷ２をＯＦＦ状態にして、ｎ1倍昇圧回路１を選択する。また、切替制御回路６は、Ｖo／Ｖinがｎ1倍昇圧回路１の昇圧倍率ｎ1以上であれば、スイッチング素子ＳＷ１をＯＦＦ状態、スイッチング素子ＳＷ２をＯＮ状態にして、ｎ2倍昇圧回路２を選択する。
【００３７】
これにより、設定出力電圧Ｖo *が可変する構成においても、入力電圧Ｖinが大きいときは昇圧回路によって昇圧される電圧と設定出力電圧Ｖo *との差を小さくして電力変換効率を高くするために昇圧倍率の小さい昇圧回路であるｎ1倍昇圧回路１を選択し、入力電圧Ｖinが小さいときは設定出力電圧Ｖo *まで昇圧できるように昇圧倍率の大きい昇圧回路であるｎ2倍昇圧回路２を選択することができる。従って、設定出力電圧Ｖo *が可変するスイッチドキャパシタ型安定化電源装置においても、安定動作可能な入力電圧が低く且つ入力電圧の変化が大きい場合でも電力変換効率が高いスイッチドキャパシタ型安定化電源装置を実現することができる。従って、入力端子ＩＮに接続される直流電源が電池である場合、電池の長寿命化を図ることができる。
【００３８】
次に本発明に係る第三実施形態のスイッチドキャパシタ型安定化電源装置の構成を図３に示す。尚、図１の第一実施形態のスイッチドキャパシタ型安定化電源装置と同一の部分には同一の符号を付し、説明を省略する。
【００３９】
図３に示す第三実施形態のスイッチドキャパシタ型安定化電源装置が図１の第一実施形態のスイッチドキャパシタ型安定化電源装置と異なる点は、切替制御回路６が直接スイッチング素子ＳＷ１及びＳＷ２の制御端子に接続されずに判定回路８を介してスイッチング素子ＳＷ１及びＳＷ２の制御端子に接続されており、判定回路８が入力端子ＩＮと基準電圧Ｖref3を出力する定電圧源９の正極側とに接続される点である。尚、定電圧源９の負極側は接地され、基準電圧Ｖref3はスイッチドキャパシタ型安定化電源装置の耐圧と等しい値である。
【００４０】
このような構成のスイッチドキャパシタ型安定化電源装置は、次のように動作する。切替制御回路６は信号Ｓ２を判定回路８に送出する。切替制御回路６は、入力電圧Ｖinが基準電圧Ｖref2以上であれば信号Ｓ２をスイッチング素子ＳＷ１をＯＮ状態にしスイッチング素子ＳＷ２をＯＦＦ状態にする旨の信号とし、逆に入力電圧Ｖinが基準電圧Ｖref2未満であれば信号Ｓ２をスイッチング素子ＳＷ１をＯＦＦ状態にしスイッチング素子ＳＷ２をＯＮ状態にする旨の信号とする。
【００４１】
判定回路８は、ｎ2倍昇圧回路２の昇圧倍率ｎ2を予め記憶している。判定回路８は、切替制御回路６の出力信号Ｓ２を有効にするか否かを判定する。この判定方法について図６のフローチャート図を参照して説明する。
【００４２】
判定回路８は、まず信号Ｓ２がスイッチング素子ＳＷ１をＯＦＦ状態にしスイッチング素子ＳＷ２をＯＮ状態にする旨の信号であるか否かを判定する（ステップ＃１０）。
【００４３】
信号Ｓ２がスイッチング素子ＳＷ１をＯＦＦ状態にしスイッチング素子ＳＷ２をＯＮ状態にする旨の信号でなければ（ステップ＃１０のＮｏ）、昇圧倍率の大きいｎ2倍昇圧回路２が選択されることはなく、スイッチドキャパシタ型安定化電源装置の耐圧以上の電圧が発生するおそれがないので、ステップ＃４０に移行し信号Ｓ２を有効として信号Ｓ２をそのままスイッチング素子ＳＷ１及びＳＷ２に出力してフロー動作を終了する。
【００４４】
一方、信号Ｓ２がスイッチング素子ＳＷ１をＯＦＦ状態にしスイッチング素子ＳＷ２をＯＮ状態にする旨の信号であれば（ステップ＃１０のＹｅｓ）、信号Ｓ２を有効とした場合昇圧倍率の大きいｎ2倍昇圧回路２が選択されるので、信号Ｓ２を有効とした場合でもスイッチドキャパシタ型安定化電源装置の耐圧以上の電圧が発生するおそれがないかを判定する（ステップ＃２０）。
【００４５】
ステップ＃２０では、昇圧倍率ｎ2に入力電圧Ｖinをかけた値が基準電圧Ｖref3以上であるかを判定する。昇圧倍率ｎ2に入力電圧Ｖinをかけた値が基準電圧Ｖref3以上でなければ（ステップ＃２０のＮｏ）、昇圧倍率の大きいｎ2倍昇圧回路２が選択されてもスイッチドキャパシタ型安定化電源装置の耐圧以上の電圧が発生するおそれがないので、ステップ＃４０に移行し信号Ｓ２を有効として信号Ｓ２をそのままスイッチング素子ＳＷ１及びＳＷ２に出力してフロー動作を終了する。
【００４６】
一方、昇圧倍率ｎ2に入力電圧Ｖinをかけた値が基準電圧Ｖref3以上であれば（ステップ＃２０のＹｅｓ）、昇圧倍率の大きいｎ2倍昇圧回路２が選択されるとスイッチドキャパシタ型安定化電源装置の耐圧以上の電圧が発生してしまうので、ステップ＃３０に移行し信号Ｓ２を無効にしてスイッチング素子ＳＷ１をＯＮ状態にしスイッチング素子ＳＷ２をＯＦＦ状態にする旨の信号をスイッチング素子ＳＷ１及びＳＷ２に出力してフロー動作を終了する。
【００４７】
判定回路８がこのような動作を行うことによって、スイッチドキャパシタ型安定化電源装置に発生する電圧の最大値を制限することが可能となり、スイッチドキャパシタ型安定化電源装置の耐圧以上の電圧が発生することによる素子破壊を防ぐことができる。
【００４８】
次に本発明に係る第四実施形態のスイッチドキャパシタ型安定化電源装置の構成を図４に示す。尚、図２の第二実施形態のスイッチドキャパシタ型安定化電源装置と同一の部分には同一の符号を付し、説明を省略する。
【００４９】
図４に示す第四実施形態のスイッチドキャパシタ型安定化電源装置が図２の第二実施形態のスイッチドキャパシタ型安定化電源装置と異なる点は、スイッチング素子ＳＷ３及び降圧型レギュレータ１０を有し、スイッチング素子ＳＷ３の一端がスイッチング素子ＳＷ１とスイッチング素子ＳＷ２との接続ノードに接続され、スイッチング素子ＳＷ３の他端が降圧型レギュレータ１０の入力側に接続され、降圧型レギュレータ１０の出力側が出力端子ＯＵＴに接続される点である。
【００５０】
第四実施形態のスイッチドキャパシタ型安定化電源装置では、切替制御回路６が、入力電圧Ｖinと出力電圧Ｖoを入力し、出力電圧Ｖoを入力電圧Ｖinで除した値（Ｖo／Ｖin）を算出する。切替制御回路６は、Ｖo／Ｖinが１未満であれば、スイッチング素子ＳＷ１をＯＦＦ状態、スイッチング素子ＳＷ２をＯＦＦ状態、スイッチング素子ＳＷ３をＯＮ状態にして、降圧型レギュレータ１０を選択する。また、切替制御回路６は、Ｖo／Ｖinが１以上であってｎ1倍昇圧回路１の昇圧倍率未満であれば、スイッチング素子ＳＷ１をＯＮ状態、スイッチング素子ＳＷ２をＯＦＦ状態、スイッチング素子ＳＷ３をＯＦＦ状態にして、ｎ1倍昇圧回路１を選択する。また、切替制御回路６は、Ｖo／Ｖinがｎ1倍昇圧回路１の昇圧倍率以上であれば、スイッチング素子ＳＷ１をＯＦＦ状態、スイッチング素子ＳＷ２をＯＮ状態、スイッチング素子ＳＷ３をＯＦＦ状態にして、ｎ2倍昇圧回路２を選択する。
【００５１】
これにより、入力電圧Ｖinが設定出力電圧Ｖo *より高い場合でも、スイッチドキャパシタ型安定化電源装置は設定出力電圧Ｖo *を出力することができる。また、入力電圧Ｖinが大きいときは入力電圧Ｖinを昇圧した電圧と設定出力電圧Ｖo *との差を小さくして電力変換効率を高くするために昇圧倍率の小さい昇圧回路であるｎ1倍昇圧回路１を選択し、入力電圧Ｖinが小さいときは設定出力電圧まで昇圧できるように昇圧倍率の大きい昇圧回路であるｎ2倍昇圧回路２を選択することができる。
【００５２】
次に本発明に係る第五実施形態のスイッチドキャパシタ型安定化電源装置の構成を図５に示す。尚、図４の第四実施形態のスイッチドキャパシタ型安定化電源装置と同一の部分には同一の符号を付し、説明を省略する。
【００５３】
図５に示す第五実施形態のスイッチドキャパシタ型安定化電源装置が図４の第四実施形態のスイッチドキャパシタ型安定化電源装置と異なる点は、駆動制御回路１１を有し、駆動制御回路１１が制御回路５、切替制御回路６、降圧型レギュレータ１０、ｎ1倍昇圧回路１、及びｎ2倍昇圧回路２に接続される点である。
【００５４】
尚、ｎ1倍昇圧回路１及びｎ2倍昇圧回路２各々はコンデンサとスイッチング素子以外に定電圧が供給される回路を備えている。また、降圧型レギュレータ１０も定電圧が供給される回路を備えている。本実施形態に係るスイッチドキャパシタ型安定化電源装置では、ｎ1倍昇圧回路１、ｎ2倍昇圧回路２、及び降圧型レギュレータ１０の各々は定電圧源と定電圧が供給される回路との接続をＯＮ／ＯＦＦするスイッチング素子を備え、そのスイッチング素子の制御端子に駆動制御回路１１から制御信号が送られる。
【００５５】
駆動制御回路１１は、降圧型レギュレータ１０、ｎ1倍昇圧回路１、及びｎ2倍昇圧回路２のうちのどれが選択されたかを伝達する信号Ｓ３を切替制御回路６から受け取る。駆動制御回路１１は、信号Ｓ３に基づいて降圧型レギュレータ１０、ｎ1倍昇圧回路１、及びｎ2倍昇圧回路２のうち選択されていない２つの回路内に設けられている定電圧源と定電圧が供給される回路との接続をＯＮ／ＯＦＦするスイッチング素子をＯＦＦ状態する。
【００５６】
制御回路５は、降圧型レギュレータ１０の動作制御のみに必要な部分、ｎ1倍昇圧回路１の動作制御にのみ必要な部分、ｎ2倍昇圧回路２の動作制御にのみ必要な部分、複数の回路の動作制御に必要な部分から成っている。駆動制御回路１１は、信号Ｓ３に基づいて制御回路５の一部への電源供給を停止する。すなわち、駆動制御回路１１は、信号Ｓ３に基づいて降圧型レギュレータ１０、ｎ１倍昇圧回路、ｎ２倍昇圧回路のうち選択されていない２つの回路それぞれの動作制御のみに必要な部分への電源供給を停止する。
【００５７】
これにより、降圧型レギュレータ１０、ｎ１倍昇圧回路、ｎ２倍昇圧回路のうち選択されていない回路及びその選択されていない回路の制御動作にのみ必要な部分での不要な消費電力（待機電力）を低減することができる。これにより、より一層電力変換効率を高くすることができる。
【００５８】
尚、上述した第一〜第五実施形態では昇圧回路を２つ設ける構成としたが、昇圧回路は３つ以上あってもよい。また、切替制御回路は、入力電圧一定のときは出力電圧のみを検出する構成や出力電流を検出して出力電流が大きい場合に生じる電力変換効率の低下等に応じて切替制御を行う構成にしてもよい。
【００５９】
また、小型化・低コスト化を図るために、集積化を行うことが望ましい。例えば、図１の第一実施形態のスイッチドキャパシタ型安定化電源装置において、入力端子ＩＮ、コンデンサＣ２、抵抗Ｒ１、抵抗Ｒ２、コンデンサＣ３、出力端子ＯＵＴ、ｎ1倍昇圧回路１が有するコンデンサ（図示せず）、及びｎ2倍昇圧回路２が有するコンデンサ（図示せず）以外部分を１チップ半導体集積回路装置に搭載するとよい。
【００６０】
【発明の効果】
本発明によると、それぞれ昇圧倍率の異なる昇圧手段を複数設けるとともに、直流電圧が印加される入力端子と昇圧手段との接続状態を切り替える切替手段と、スイッチドキャパシタ型安定化電源装置の入力値及び／又は出力値に応じて切替手段を制御する切替制御手段と、を備えるので、スイッチドキャパシタ型安定化電源装置の入力値及び／又は出力値に応じて適切な昇圧倍率の昇圧手段を選択することができる。これにより、スイッチドキャパシタ型安定化電源装置の入力値及び／又は出力値が大きく変化する場合でも昇圧手段によって昇圧された電圧と設定出力電圧との差を小さくして電力変換効率を高くすることができる。
【００６１】
また、本発明によると、切替制御手段が入力端子に印加される直流電圧の値に基づいて切替手段を制御するので、入力端子に印加される直流電圧が大きいときは昇圧手段によって昇圧された電圧と設定出力電圧との差を小さくように昇圧倍率の小さい昇圧手段を選択することができ、入力端子に印加される直流電圧が小さいときは設定出力電圧まで昇圧できるように昇圧倍率の大きい昇圧手段を選択することができる。これにより、安定動作可能な入力端子に印加される直流電圧が低く且つ入力端子に印加される直流電圧の変化が大きい場合でも電力変換効率を高くすることができる。
【００６２】
また、本発明によると、切替制御手段が、入力端子に印加される直流電圧の値及び出力側コンデンサの電圧の値に基づいて切替手段を制御するので、設定出力電圧を可変する構成においても、安定動作可能な入力端子に印加される直流電圧が低く且つ入力端子に印加される直流電圧の変化が大きい場合でも電力変換効率を高くすることができる。
【００６３】
また、本発明によると、前記切替制御手段が、所定の値を前記直流電圧で除した値以上である昇圧倍率の昇圧手段と前記入力端子とを接続しないように前記切替手段を制御するので、スイッチドキャパシタ型安定化電源装置に発生する電圧の最大値を制限することが可能となる。これにより、スイッチドキャパシタ型安定化電源装置の耐圧以上の電圧が発生することによる素子破壊を防ぐことができる。
【００６４】
また、本発明によると、入力端子に印加される直流電圧を降圧して出力する降圧手段を備え、切替手段が入力端子と昇圧手段及び前降圧手段との接続を切り替え、制御手段が昇圧手段及び降圧手段の動作を制御するので、降圧手段を選択することもできる。これにより、入力端子に印加される直流電圧の値が設定出力電圧より高い場合でも、設定出力電圧を出力することができる。
【００６５】
また、本発明によると、切替手段によって入力端子と接続されなかった昇圧手段及び／又は降圧手段をＯＦＦ状態にする手段を備えるので、切替手段によって入力端子と接続されなかった昇圧手段及び／又は降圧手段での不要な消費電力を低減することができる。これにより、より一層電力変換効率を高くすることができる。
【００６６】
また、本発明によると、制御手段のうち切替手段によって入力端子と接続されなかった昇圧手段及び／又は降圧手段を制御する部分をＯＦＦ状態にする手段を備えるので、制御手段のうち切替手段によって入力端子と接続されなかった昇圧手段及び／又は降圧手段を制御する部分での不要な消費電力を低減することができる。これにより、より一層電力変換効率を高くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る第一実施形態のスイッチドキャパシタ型安定化電源装置の構成を示す図である。
【図２】 本発明に係る第二実施形態のスイッチドキャパシタ型安定化電源装置の構成を示す図である。
【図３】 本発明に係る第三実施形態のスイッチドキャパシタ型安定化電源装置の構成を示す図である。
【図４】 本発明に係る第四実施形態のスイッチドキャパシタ型安定化電源装置の構成を示す図である。
【図５】 本発明に係る第五実施形態のスイッチドキャパシタ型安定化電源装置の構成を示す図である。
【図６】 第五実施形態のスイッチドキャパシタ型安定化電源装置が備える判定回路の動作を示すフローチャート図である。
【図７】 従来のスイッチドキャパシタ型安定化電源装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
１ ｎ1倍昇圧回路
２ ｎ2倍昇圧回路
３ コンパレータ
４、７、９ 定電圧源
５ 制御回路
６ 切替制御回路
８ 判定回路
１０ 降圧型レギュレータ
１１ 駆動制御回路
Ｃ１〜Ｃ３ コンデンサ
Ｒ１、Ｒ２ 抵抗
ＳＷ１、ＳＷ２ スイッチング素子
Claims (7)
- 直流電圧が印加される入力端子と、コンデンサとスイッチング手段とを有し前記スイッチング手段のスイッチング動作により前記コンデンサの充放電を切り替えて前記コンデンサの放電時に前記直流電圧を昇圧して出力する昇圧手段と、前記昇圧手段の出力電圧を充電する出力側コンデンサと、を備えたスイッチドキャパシタ型安定化電源装置において、前記昇圧手段を複数設けそれぞれ昇圧倍率の異なる昇圧手段にするとともに、前記出力側コンデンサの電圧を検出する電圧検出手段と、前記電圧検出手段が検出する電圧に基づいて前記スイッチング手段をＯＮ／ＯＦＦ制御する制御手段と、前記入力端子と前記昇圧手段との接続状態を切り替える切替手段と、前記スイッチドキャパシタ型安定化電源装置の入力値及び／又は出力値に応じて前記切替手段を制御する切替制御手段と、を備えることを特徴とするスイッチドキャパシタ型安定化電源装置。
- 前記切替制御手段が、前記直流電圧の値に基づいて前記切替手段を制御する請求項１に記載のスイッチドキャパシタ型安定化電源装置。
- 前記切替制御手段が、前記直流電圧の値及び前記出力側コンデンサの電圧の値に基づいて前記切替手段を制御する請求項２に記載のスイッチドキャパシタ型安定化電源装置。
- 前記切替制御手段が、所定の値を前記直流電圧で除した値以上である昇圧倍率の昇圧手段と前記入力端子とを接続しないように前記切替手段を制御する請求項１〜３のいずれかに記載のスイッチドキャパシタ型安定化電源装置。
- 前記直流電圧を降圧して出力する降圧手段を備え、前記切替手段が前記入力端子と前記昇圧手段及び前記降圧手段との接続状態を切り替え、前記制御手段が前記昇圧手段及び前記降圧手段の動作を制御する請求項１〜４のいずれかに記載のスイッチドキャパシタ型安定化電源装置。
- 前記切替手段によって前記入力端子と接続されなかった昇圧手段及び／又は降圧手段をＯＦＦ状態にする手段を備える請求項１〜５のいずれかに記載のスイッチドキャパシタ型安定化電源装置。
- 前記制御手段のうち前記切替手段によって前記入力端子と接続されなかった昇圧手段及び／又は降圧手段を制御する部分をＯＦＦ状態にする手段を備える請求項１〜６のいずれかに記載のスイッチドキャパシタ型安定化電源装置。
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