JP3739768B2 - 負荷駆動装置及び携帯機器 - Google Patents

Description

本発明は、直流−直流変換型の電源回路を用いて、電源電圧から変換された出力電圧により負荷を駆動する負荷駆動装置及びそれを用いた携帯機器に関する。

従来から、電源電圧と異なる電圧を発生する直流−直流変換型の電源回路を用いて負荷を駆動する負荷駆動装置が多く用いられている。この負荷駆動装置は、負荷を駆動するための電源回路から所定の出力電圧、出力電流を発生させるために、負荷に印加される負荷電圧や負荷に流れる負荷電流を検出して、電源回路の制御回路に帰還させる（特許文献１参照）。

この従来の駆動装置では、制御電圧は入力電圧や負荷電圧を高抵抗で分圧して検出される。また、負荷電流は負荷に直列に接続された抵抗器の電圧降下によって検出される。この制御電圧や負荷電流を基準値と比較して電源回路からの出力電圧や出力電流を所定値に制御している。
特開２００１−３１３４２３号公報

携帯電話などの携帯型電子機器（携帯機器）では、所定の定電流で駆動されるべき負荷と所定電圧以上の電圧で駆動されるべき負荷とを駆動することが要求される場合がある。この場合には、従来はそれぞれの負荷に適した電源回路を個別に備えることが必要であった。したがって、それらの電源回路や負荷を含む電子機器の所要スペースが大きくなり、また、コスト増の要因となっていた。

そこで、本発明は、電源電圧から変換された出力電圧を発生する直流−直流変換型電源回路等の出力回路を用いて、定電流負荷を駆動する負荷電流を所定範囲に変化させるとともに、他の負荷のための出力電圧を所定値以上に保つようにして、要求される特性の異なる複数の負荷を駆動することができる負荷駆動装置、及びそれを用いた携帯機器を提供することを目的とする。

請求項１の負荷駆動装置は、電源電圧を変換して出力電圧として、所定電圧以上の電圧レベルを必要とする第２負荷と設定された所定の定電流が流される第１負荷とに出力する出力回路と、
この出力回路の出力電圧点と所定電圧点との間に直列に接続され、前記第１負荷を接続するための端子と、前記出力電圧に関連した制御信号によって抵抗値が変化する可変抵抗手段と、前記第１負荷及び前記可変抵抗手段に流れる電流を検出するための電流検出手段とを備え、
前記出力回路は、第１基準電圧と、前記電流検出手段からの第１検出電圧とが入力され、前記第１検出電圧が前記第１基準電圧に等しくなるように前記出力電圧を制御するとともに、
前記可変抵抗手段は、前記出力電圧に応じた電圧が前記所定電圧以上では低抵抗であり、且つ前記所定電圧以下になるにしたがって抵抗値が大きくなるように前記制御信号により制御されることを特徴とする。

請求項２の負荷駆動装置は、請求項１の負荷駆動装置において、前記出力電圧に応じた第２検出電圧と第２基準電圧とが入力され、前記制御信号を出力する誤差増幅手段を有することを特徴とする。

請求項３の負荷駆動装置は、電源電圧を変換して出力電圧として、所定電圧以上の電圧レベルを必要とする第２負荷と設定された所定の定電流が流される第１負荷とに出力する出力回路と、
この出力回路の出力電圧点と所定電圧点との間に、前記第１負荷を接続するための端子と、前記第１負荷に直列に接続される定電流源とを備え、
前記定電流源は、前記第１負荷に流すための電流を調整することができる可変電流型定電流源であり、
前記出力回路は、基準電圧と、前記定電流源の降下電圧である第１検出電圧と、前記出力電圧に応じた第２検出電圧とが入力され、前記第１検出電圧と第２検出電圧のうちの低い方の検出電圧が前記基準電圧に等しくなるように前記出力電圧を制御することを特徴とする。

請求項４の負荷駆動装置は、請求項１乃至３記載の負荷駆動装置において、前記第１負荷は、少なくとも１つの発光ダイオードを含む発光ダイオード群であることを特徴とする。

請求項５の負荷駆動装置は、請求項１乃至４記載の負荷駆動装置において、前記出力回路は、コイルと、このコイルへの通電をスイッチングするスイッチを有するスイッチング電源回路であることを特徴とする。

請求項６の携帯機器は、請求項１乃至５記載の負荷駆動装置を用いていることを特徴とする。

本発明によれば、電源電圧から変換された出力電圧を発生する直流−直流変換型電源回路等の出力回路を用いて、定電流負荷を駆動する負荷電流を所定範囲に変化させるとともに、他の負荷のために出力電圧を所定値以上に保つようにして、要求される特性の異なる複数の負荷を駆動することができる。

また、流れる電流で動作点が決まる定電流負荷、例、発光ダイオード群に直列に電流値が調整できる定電流源を接続することにより、その定電流負荷で要求される電流を、安定して負荷に流すことができる。

また、出力電圧が所定電圧以上のときには、定電流源の降下電圧が、その定電流源が安定して動作できる電圧値に設定された基準電圧に等しくなるように、直流ー直流変換型電源回路の出力電圧が制御される。したがって、定電流負荷である発光ダイオード群に特性のばらつきがあっても予定の発光量のために必要な電流が流れるように、出力回路の出力電圧は、自動調整される。

また、定電流源の電流設定値の調整に原因して、出力電圧が所定電圧以下に低下しようとするときにも、出力電圧は所定電圧を維持するように制御されるから、他の負荷の駆動に必要な所定電圧を出力することができる。

以下、本発明の負荷駆動装置の実施の形態について、図を参照して説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態に係る負荷駆動装置の構成を示す図である。

図１において、スイッチング電源回路１００は、入力される電源電圧Ｖｃｃを昇圧して、昇圧された出力電圧Ｖｏを出力する昇圧型の電源回路である。

電源電圧Ｖｃｃとグランド間にコイルＬ１とＮ型ＭＯＳトランジスタ（以下、Ｎ型トランジスタ）であるスイッチＱ１が直列に接続される。その直列接続点Ａから、整流用ダイオードＤと平滑用コンデンサＣ１とにより、直列接続点Ａの電圧が整流し平滑されて、出力電圧Ｖｏとして出力される。なお、電圧は、特に断らない場合には、グランドに対する電位である。

出力電圧Ｖｏ点とグランドとの間に、所定の定電流で駆動される第１の外部負荷（以下、第１負荷）１０と、制御信号によって抵抗値が変化する可変抵抗手段としてのＮ型トランジスタＱ２と、電流検出手段である抵抗Ｒ１とが直列に接続される。第１負荷１０は流れる電流で動作点が決まる負荷であり、第１負荷１０には設定された所定の駆動電流Ｉｏが流れる。そして、抵抗Ｒ１の降下電圧が第１検出電圧Ｖｄｅｔ１となる。

制御回路Ｃｏｎｔは、第１検出電圧Ｖｄｅｔ１と基準電圧源Ｂ１からの第１基準電圧Ｖｒｅｆ１とが入力され、第１検出電圧Ｖｄｅｔ１が第１基準電圧Ｖｒｅｆ１に等しくなるように、スイッチＱ１をスイッチング制御するためのスイッチング信号を発生する。ここでは、第１基準電圧Ｖｒｅｆ１と第１検出電圧Ｖｄｅｔ１との差を増幅して出力するエラーアンプＥａｍｐと、このエラーアンプＥａｍｐの出力に基づいてＰＷＭ信号を形成してスイッチング信号として出力するパルス幅変調制御回路Ｐｗｍを含んで構成されている。

第１負荷１０は、端子Ｐ１と端子Ｐ２との間に接続される。本発明は、負荷駆動装置の第１負荷１０及び他の負荷をも含めて、携帯機器などの電子機器として構成することができる。この場合には、端子Ｐ１、Ｐ２は省略されることもある。

第１負荷１０としては、発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤ３が用いられる。この発光ダイオードＬＥＤは、例えば白色発光ダイオードであり、ＬＣＤ（液晶表示パネル）のバックライト用等に用いられる。したがって、図１では３個の直列の例を示しているが、異なった数の直列接続、並列接続、或いは直並列接続など、その必要とされる発光エリアや発光量などに応じて、その組み合わせは種々の形態がある。

この発光ダイオードＬＥＤの電流ー電圧特性が図２に示されている。この特性は、白色発光ダイオードＬＥＤの電流Ｉｆ−電圧Ｖｆ特性の例である。この図２は、横軸が対数表示の電流Ｉｆであり、縦軸が電圧Ｖｆである。この発光ダイオードＬＥＤは、電流Ｉｆが２０ｍＡ（図中Ａ点）〜１．５ｍＡ（図中Ｂ点）の範囲で発光する。この電流Ｉｆを変化させることにより、その電流Ｉｆの大きさに応じて発光ダイオードＬＥＤからの発光量が変化する。

電流Ｉｆを２０ｍＡで使用すると、同図中のＡ点で示されるように、電流２０ｍＡ、電圧３．４Ｖで動作する。しかし、各々の発光ダイオードＬＥＤの特性は一律でなく、同じ電流２０ｍＡでもその電圧は、例えば３．４Ｖ〜４．０Ｖ程度の範囲でばらつく。

再び、図１に戻って説明する。出力電圧Ｖｏ点とグランドとの間に、所定電圧Ｖｌ以上の電圧で駆動される第２の外部負荷（以下、第２負荷）２０が接続される。

この出力電圧Ｖｏを検出するために、抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ３とによる抵抗分圧回路が設けられ、その分圧電圧が第２検出電圧Ｖｄｅｔ２となる。誤差増幅器ＥＡは、非反転入力端子（＋）に第２検出電圧Ｖｄｅｔ２が入力され、反転入力端子（−）に基準電圧源Ｂ２からの第２基準電圧Ｖｒｅｆ２が入力される。これら第２検出電圧Ｖｄｅｔ２と第２基準電圧Ｖｒｅｆ２とが誤差増幅器ＥＡで比較され、その差に応じた制御信号がＮ型トランジスタＱ２のゲートに印加される。

第２基準電圧Ｖｒｅｆ２は、第２負荷２０を所定電圧Ｖｌ以上の電圧で駆動するために、所定電圧Ｖｌを抵抗Ｒ２，Ｒ３で分圧した電圧（＝Ｖｌ×Ｒ３／（Ｒ２＋Ｒ３））に設定されている。したがって、Ｎ型トランジスタＱ２は、出力電圧Ｖｏが所定電圧Ｖｌより高いときにはスイッチオン状態に制御され、その抵抗値は極めて小さくなっている。即ち、ショート状態になっている。一方、出力電圧Ｖｏが所定電圧Ｖｌより低くなると、Ｎ型トランジスタＱ２の抵抗値は増加する。このようにして、Ｎ型トランジスタＱ２は、制御信号によって抵抗値が変化する可変抵抗手段として機能する。

このように構成された負荷駆動装置の動作を、駆動電流Ｉｏと出力電圧Ｖｏとの特性を示す図３をも参照して説明する。この負荷駆動装置では、図３のように、駆動電流Ｉｏが所定値Ｉｏｌ以下では、出力電圧Ｖｏは所定電圧Ｖｌに維持されるように動作する。また、駆動電流Ｉｏが所定値Ｉｏｌを越えると、出力電圧Ｖｏは駆動電流Ｉｏの増加とともに大きくなる。

まず、第１負荷１０である発光ダイオードに流す駆動電流Ｉｏに対応する第１基準電圧Ｖｒｅｆ１（Ｖｒｅｆ１＝Ｉｏ×Ｒ１）を設定する。このときの駆動電流Ｉｏは、所定値Ｉｏｌより大きい値に設定されていることを想定する。

スイッチング電源回路１００は、第１検出電圧Ｖｄｅｔ１が第１基準電圧Ｖｒｅｆ１に等しくなるように、スイッチＱ１のオンオフスイッチング制御が開始される。これにより、出力電圧Ｖｏが徐々に上昇する。

出力電圧Ｖｏが所定電圧Ｖｌより小さい間は、第２検出電圧Ｖｄｅｔ２は第２基準電圧Ｖｒｅｆ２より小さい。それ故に、Ｎ型トランジスタＱ２はオン状態にはならず、高抵抗である。したがって、駆動電流Ｉｏは十分には流れないから第１検出電圧Ｖｄｅｔ１は第１基準電圧Ｖｒｅｆ１より小さく、出力電圧Ｖｏは徐々に上昇していく。

出力電圧Ｖｏが上昇して、その結果、第１検出電圧Ｖｄｅｔ１と第１基準電圧Ｖｒｅｆ１とが等しくなる。この状態では、予定された駆動電流Ｉｏが第１負荷１０である発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤ３に流れる。これにより、発光ダイオードは、所定の発光量で発光する。

このとき、発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤ３の特性がばらついていたとしても、出力電圧Ｖｏがそのばらつきに応じて所定値からばらつくだけであり、発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤ３からの発光の制御には格別の影響はない。したがって、出力電圧Ｖｏは、第１基準電圧Ｖｒｅｆ１と等しい第１検出電圧Ｖｄｅｔ１に、その時点での駆動電流Ｉｏに応じた発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤ３の降下電圧Ｖｌｅｄ（＝３×Ｖｆ）を加えた大きさになる。

このときの出力電圧Ｖｏは、所定電圧Ｖｌよりも大きい。したがって、出力電圧Ｖｏを分圧した第２検出電圧Ｖｄｅｔ２は、第２基準電圧Ｖｒｅｆ２よりも大きい。これにより、Ｎ型トランジスタＱ２は誤差増幅器ＥＡからの制御信号により、オン状態となっている。その抵抗値は、極めて小さい値であり、Ｎ型トランジスタＱ２はショートされた状態と言って良い。

次に、発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤ３からの発光量を大きい方に変更する場合には、第１基準電圧Ｖｒｅｆ１を大きくすることにより駆動電流Ｉｏを大きくする。駆動電流Ｉｏを大きくすると、それに応じて発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤ３からの発光量が多くなる。これとともに、発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤ３の降下電圧Ｖｌｅｄも、図２の特性に依って大きくなる。なお、図３の出力電圧Ｖｏの傾きは、図２のＩｆ−Ｖｆ特性に従う。

したがって、駆動電流Ｉｏの増加に応じて発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤ３の降下電圧Ｖｌｅｄが大きくなるから、出力電圧Ｖｏは図３のような特性で大きくなる。

逆に、発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤ３からの発光量を小さく変更する場合には、第１基準電圧Ｖｒｅｆ１を小さくすることにより駆動電流Ｉｏを小さくする。駆動電流Ｉｏを小さくすると、それに応じて発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤ３からの発光量が少なくなる。これとともに、発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤ３の降下電圧Ｖｌｅｄも、図２の特性に依って小さくなっていく。

このときの駆動電流Ｉｏが所定値Ｉｏｌより小さい値に設定されると、発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤ３の降下電圧Ｖｌｅｄが少なくなるから、出力電圧Ｖｏは所定電圧Ｖｌより低くなろうとする。

しかし、このときには、第２検出電圧Ｖｄｅｔ２が、第２基準電圧Ｖｒｅｆ２と等しく、或いはそれより低くなる。したがって、誤差増幅器ＥＡからのＮ型トランジスタＱ２への制御信号により、Ｎ型トランジスタＱ２の抵抗値Ｒｓは増加する。

このＮ型トランジスタＱ２の抵抗値Ｒｓの増加によって、駆動電流Ｉｏは減少し、第１検出電圧Ｖｄｅｔ１は減少する。電源回路１００は、第１基準電圧Ｖｒｅｆ１に第１検出電圧Ｖｄｅｔ１が等しくなるように動作する。したがって、出力電圧Ｖｏは、駆動電流ＩｏとＮ型トランジスタＱ２の抵抗値Ｒｓとの積である電圧降下分だけ上昇する。

この結果、駆動電流Ｉｏが所定値Ｉｏｌよりも小さく設定される場合には、Ｎ型トランジスタＱ２が可変抵抗手段として機能して、出力電圧Ｖｏは所定電圧Ｖｌに維持される。

Ｎ型トランジスタＱ２では、その電圧降下分Ｉｏ×Ｒｓの損失は発生するが、第２負荷２０には所定電圧Ｖｌ以上の出力電圧Ｖｏが供給される。

図４は、本発明の第２の実施の形態に係る負荷駆動装置の構成を示す図である。図４においては、可変抵抗手段としてのＮ型トランジスタＱ２及びこれを制御するための誤差増幅器ＥＡ、基準電圧源Ｂ２を削除している。この削除に伴い、制御回路ＣｏｎｔのエラーアンプＥａｍｐを３入力型のものとしている。

エラーアンプＥａｍｐの第１の非反転入力端子（＋）には第１検出電圧Ｖｄｅｔ１が入力され、その第２の非反転入力端子（＋）には第２検出電圧Ｖｄｅｔ１が入力される。エラーアンプＥａｍｐの反転入力端子（−）には第１基準電圧Ｖｒｅｆ１が入力される。

このエラーアンプＥａｍｐは、第１及び第２の非反転入力端子（＋）に入力される第１及び第２検出電圧Ｖｄｅｔ１、Ｖｄｅｔ２のうちの低い方の電圧が自動的に選択されて、第１基準電圧Ｖｒｅｆ１と比較される。

また、図４では、駆動電流検出手段として、図１の抵抗Ｒ１に代えて、電流値が可変型の定電流源Ｉ１が設けられている。

図５は、定電流源Ｉ１の回路構成の例を示す図である。この図５において、電源電圧Ｖｃｃとグランド間に定電流回路Ｉ１１とＮ型トランジスタＱ３とが直列に接続されている。このＮ型トランジスタＱ３のドレインとゲートが直接接続されている。また、駆動電流Ｉｏを流すためのＮ型トランジスタＱ４が設けられている。このＮ型トランジスタＱ４のゲートがＮ型トランジスタＱ３のゲートに接続されて、カレントミラー回路を構成している。Ｎ型トランジスタＱ４のドレインは、端子Ｐ２及びエラーアンプＥａｍｐの第２非反転入力端子（＋）に接続される。

この図５で、定電流回路Ｉ１１の電流を調整することにより、Ｎ型トランジスタＱ４を流れる駆動電流Ｉｏの大きさを所望の値に設定する。

定電流源Ｉ１は、それに使用しているトランジスタの飽和電圧（約０．３Ｖ）以上の電圧があれば定電流動作できる。その飽和電圧（約０．３Ｖ）を越える部分の電圧は、定電流源Ｉ１の内部での損失分（即ち、損失は、電圧×電流）になる。定電流源Ｉ１の降下電圧である第１基準電圧Ｖｄｅｔ１が第１基準電圧Ｖｒｅｆになるように、電源回路の出力電圧Ｖｏが制御される。したがって、第１基準電圧Ｖｒｅｆ１は、定電流源Ｉ１に使用しているトランジスタの飽和電圧（約０．３Ｖ）に若干の余裕分の電圧を見込んだ値に設定される。

一方、第２検出電圧Ｖｄｅｔ２は、出力電圧Ｖｏが所定電圧Ｖｌのときに、第１基準電圧Ｖｒｅｆ１に見合うように、抵抗Ｒ２、Ｒ３の分圧比を設定する。即ち、Ｖｌ×Ｒ３／（Ｒ２＋Ｒ３）＝Ｖｒｅｆ１。

図４のその他の構成は、図１の第１の実施の形態におけるものと同様である。

この図４の負荷駆動回路では、定電流源Ｉ１の降下電圧である第１検出電圧Ｖｄｅｔ１と、出力電圧Ｖｏを分圧した第２検出電圧Ｖｄｅｔ２のうちの低い方の電圧が自動的に選択されて、電源回路１００のスイッチング制御が行われる。

この図４の負荷駆動装置においても、図１の第１の実施の形態と同様の出力特性を得ることができる。即ち、駆動電流Ｉｏと出力電圧Ｖｏとの特性を示す図３を参照して、駆動電流Ｉｏが所定値Ｉｏｌ以下では、出力電圧Ｖｏは所定電圧Ｖｌに維持されるように動作する。また、駆動電流Ｉｏが所定値Ｉｏｌを越えると、出力電圧Ｖｏは駆動電流Ｉｏの増加とともに大きくなる。

なお、図１の電流検出手段である抵抗Ｒ１に代えて、図５の定電流源Ｉ１を用いることができる。この場合には、定電流源Ｉ１を電流設定値が可変できるものとし、第１基準電圧Ｖｒｅｆ１は固定値でよい。

本発明の第１の実施の形態に係る負荷駆動装置の構成を示す図 発光ダイオードＬＥＤの電流ー電圧特性を示す図 駆動電流Ｉｏと出力電圧Ｖｏとの特性を示す図 本発明の第２の実施の形態に係る負荷駆動装置の構成を示す図 定電流源Ｉ１の回路構成の例を示す図

符号の説明

１００ 電源回路
１０、２０ 負荷
ＬＥＤ１〜ＬＥＤ３ 発光ダイオード
Ｌ１ コイル
Ｃ１ 平滑用コンデンサ
Ｄ１ ダイオード
Ｑ１ スイッチ
Ｃｏｎｔ 制御回路
Ｂ１、Ｂ２ 基準電圧源
Ｉ１ 定電流源
Ｉ１１ 定電流回路
Ｑ２〜Ｑ４ Ｎ型ＭＯＳトランジスタ
ＥＡ 誤差増幅器
Ｒ１〜Ｒ３ 抵抗
Ｖｃｃ 入力電源電圧
Ｖｏ 出力電圧
Ｉｏ 駆動電流
Ｖｌｅｄ 発光ダイオード降下電圧
Ｖｄｅｔ１、Ｖｄｅｔ２ 検出電圧
Ｖｒｅｆ１、Ｖｒｅｆ２ 基準電圧

Claims (6)

1. 電源電圧を変換して出力電圧として、所定電圧以上の電圧レベルを必要とする第２負荷と設定された所定の定電流が流される第１負荷とに出力する出力回路と、
   この出力回路の出力電圧点と所定電圧点との間に直列に接続され、前記第１負荷を接続するための端子と、前記出力電圧に関連した制御信号によって抵抗値が変化する可変抵抗手段と、前記第１負荷及び前記可変抵抗手段に流れる電流を検出するための電流検出手段とを備え、
   前記出力回路は、第１基準電圧と、前記電流検出手段からの第１検出電圧とが入力され、前記第１検出電圧が前記第１基準電圧に等しくなるように前記出力電圧を制御するとともに、
   前記可変抵抗手段は、前記出力電圧に応じた電圧が前記所定電圧以上では低抵抗であり、且つ前記所定電圧以下になるにしたがって抵抗値が大きくなるように前記制御信号により制御されることを特徴とする、負荷駆動装置。
2. 前記出力電圧に応じた第２検出電圧と第２基準電圧とが入力され、前記制御信号を出力する誤差増幅手段を有することを特徴とする、請求項１記載の負荷駆動装置。
3. 電源電圧を変換して出力電圧として、所定電圧以上の電圧レベルを必要とする第２負荷と設定された所定の定電流が流される第１負荷とに出力する出力回路と、
   この出力回路の出力電圧点と所定電圧点との間に、前記第１負荷を接続するための端子と、前記第１負荷に直列に接続される定電流源とを備え、
   前記定電流源は、前記第１負荷に流すための電流を調整することができる可変電流型定電流源であり、
   前記出力回路は、基準電圧と、前記定電流源の降下電圧である第１検出電圧と、前記出力電圧に応じた第２検出電圧とが入力され、前記第１検出電圧と第２検出電圧のうちの低い方の検出電圧が前記基準電圧に等しくなるように前記出力電圧を制御することを特徴とする、負荷駆動装置。
4. 前記第１負荷は、少なくとも１つの発光ダイオードを含む発光ダイオード群であることを特徴とする、請求項１乃至３記載の負荷駆動装置。
5. 前記出力回路は、コイルと、このコイルへの通電をスイッチングするスイッチを有するスイッチング電源回路であることを特徴とする、請求項１乃至４記載の負荷駆動装置。
6. 請求項１乃至５記載の負荷駆動装置を用いていることを特徴とする携帯機器。
   

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