JP4471980B2

JP4471980B2 - スイッチング電源およびその制御回路ならびにそれを用いた電子機器

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Publication number: JP4471980B2
Application number: JP2006546632A
Authority: JP
Inventors: 享一郎荒木; 洋一爲我井; 勲山本
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 2004-12-03
Filing date: 2005-12-02
Publication date: 2010-06-02
Anticipated expiration: 2025-12-02
Also published as: WO2006059705A1; KR20070086169A; CN100490287C; CN101065891A; US20080136341A1; JPWO2006059705A1; US7579784B2

Description

本発明は、スイッチング電源に関し、特にその出力電圧を緩やかに上昇させるソフトスタート技術に関する。

入力電圧よりも高い電圧を生成するための昇圧型のスイッチング電源がさまざまな電子機器において広く用いられている。この昇圧型のスイッチング電源は、スイッチング素子と、インダクタあるいはトランスを備えており、スイッチング素子を時分割的にオンオフさせることによりインダクタあるいはトランスに逆起電力を発生させ、入力電圧を昇圧して出力する。

このようなスイッチング電源においては、昇圧された電圧の高周波成分を除去して平滑化するために、出力コンデンサが設けられている。スイッチング電源を起動する際には、出力電圧を０Ｖから所定の昇圧電圧まで上昇させる必要があるが、出力電圧を急激に上昇させた場合、出力コンデンサに対して突入電流が発生したり、出力電圧のオーバーシュートやリンギングによって出力電圧が大きくなりすぎて回路を構成する素子の信頼性に影響を及ぼすおそれがある。

そこで、従来においては、上述の突入電流が発生しないように、スイッチング電源の制御回路にソフトスタート回路を設け、出力電圧を徐々に上昇させるという手法が用いられている（特許文献１）。
特開２００３−２１６２４９号公報

しかしながら、特許文献１に記載の従来のソフトスタート手段では、出力電圧を一定の傾きで上昇させていたため、スイッチング電源の出力端子に、数百Ｖ程度の非常に高い電圧が必要とされる負荷が接続された場合には、所望の昇圧電圧に達するまでの時間が長くなってしまうという問題があった。

本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、起動時間を短縮したスイッチング電源およびその制御回路の提供にある。

本発明のある態様はスイッチング電源の制御回路に関する。この制御回路は、スイッチング信号を生成し、スイッチング電源のスイッチング素子を制御する制御回路であって、スイッチング電源の出力電圧が所定の基準電圧に達するまでの期間、出力電圧が徐々に上昇するようにスイッチング信号を生成するソフトスタート回路を備える。ソフトスタート回路は、出力電圧が所定のしきい値電圧より低いとき、第１制限速度で出力電圧を上昇させる一方、出力電圧がしきい値電圧より高いとき、第１制限速度より速く設定される第２制限速度で出力電圧を上昇させる。

この態様によれば、第１制限速度にて出力電圧を所定のしきい値電圧まで上昇させた後、出力電圧の上昇速度を第２制限速度とし、出力電圧を急速に上昇させることによって、スイッチング電源の起動時間を短縮することができる。

所定のしきい値電圧は、第２制限速度にて出力電圧を上昇させる際に突入電流が発生しない範囲に設定されてもよい。
ソフトスタートによる出力電圧の上昇速度を切り替える所定のしきい値電圧を突入電流が発生しない電圧範囲に設定することによって、出力電圧を急速に上昇させる第２制限速度において突入電流が発生するのを防止することができる。

ソフトスタート回路は、一端が接地された充電コンデンサと、充電コンデンサの他端に接続され、充電コンデンサに定電流を供給する電流源と、出力電圧をしきい値電圧と比較する電圧比較器と、を含んでもよい。第１制限速度および第２制限速度に対応させて、すなわち、電圧比較器の出力信号に応じて、電流源により供給する電流値を変化させ、充電コンデンサに現れる電圧にもとづいて出力電圧を上昇させてもよい。
充電コンデンサに現れる電圧は、電流源から供給される定電流を時間積分した値で与えられるため、定電流の電流値を変化させることによって出力電圧の上昇速度を制御することができる。

ソフトスタート回路は、出力電圧が、所定の第２しきい値電圧より低くなってから一定期間アクティブとなり、充電コンデンサに現れる電圧を所定の電圧値に固定するバイアス回路をさらに含んでもよい。第２しきい値電圧は、上記しきい値電圧と同じ電圧値であってもよい。
バイアス回路は、充電コンデンサと並列に接続されるトランジスタと、トランジスタに所定のバイアス電流を供給するバイアス電流源と、を含んで構成されてもよい。トランジスタは、出力電圧が第２しきい値電圧より低くなってから、一定期間オンしてもよい。

出力電圧が第２しきい値電圧より低いときにトランジスタをオンすることにより、充電コンデンサに蓄えられた電荷が放電され、充電コンデンサに現れる電圧が下がり、所定の電圧値にバイアスされる。その結果、スイッチング電源の起動時のみならず、負荷変動などによって出力電圧が低下した場合にも、再度ソフトスタートによって出力電圧を上昇させることができる。

制御回路は、１つの半導体基板上に一体集積化されてもよい。「一体集積化」とは、回路の構成要素のすべてが半導体基板上に形成される場合や、回路の主要構成要素が一体集積化される場合が含まれ、回路定数の調節用に一部の抵抗やキャパシタなどが半導体基板の外部に設けられていてもよい。制御回路を１つのＬＳＩとして集積化することにより、回路面積を削減することができる。

本発明の別の態様は、スイッチング電源である。このスイッチング電源は、上記の制御回路と、この制御回路により制御されるスイッチング素子と、スイッチング素子のオンオフにより入力電圧を昇圧もしくは降圧する出力回路と、を含む。

本発明のさらに別の態様は、電子機器である。この電子機器は、撮像部と、撮像部による撮像の際に、フラッシュとして発光する発光素子と、電池の電圧を昇圧して発光素子に駆動電圧を供給する上述のスイッチング電源と、を備える。
この態様によれば、発光素子を駆動するため十分に高い電圧を生成するまでの時間を短縮することができる。

なお、以上の構成要素の任意の組合せや本発明の構成要素や表現を方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明に係るスイッチング電源およびその制御回路によれば、回路の信頼性を損なわずに起動時間を短縮することができる。

本実施の形態に係るスイッチング電源の構成を示す回路図である。本実施の形態に係るソフトスタート回路の構成を示す回路図である。定常状態におけるスイッチング電源の各部の電圧の時間波形を示す図である。ソフトスタート時のスイッチング電源の各部の電圧の時間波形を示す図である。図１のスイッチング電源を備える電子機器の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１００スイッチング電源、３００負荷回路、１０制御回路、ＳＷ１スイッチング素子、１２トランス、１４ドライバ回路、１６第１コンパレータ、Ｄ１整流ダイオード、Ｃｏ１出力コンデンサ、２０ソフトスタート回路、２２ヒステリシスコンパレータ、Ｃｓｓ充電コンデンサ、２００第２コンパレータ、２０２インバータ、２０４ワンショット回路、２０６インバータ、２０８遅延回路、２１０ＮＡＮＤ回路、２１２ＡＮＤ回路、２１４演算増幅器、２２０第１電流源、２２２第２電流源、２２４第３電流源、Ｍ１第１トランジスタ、Ｍ２第２トランジスタ、２３０ソフトスタート入力端子、２３２ソフトスタート出力端子。

図１は、実施の形態に係るスイッチング電源１００の構成を示す回路図である。このスイッチング電源１００は、入力端子１０２に入力された入力電圧Ｖｉｎを昇圧して出力端子１０４から出力する昇圧型のスイッチング電源である。このスイッチング電源にはキセノンランプのように３００Ｖ程度の出力電圧を要する負荷回路３００が接続されている。
スイッチング電源１００は、フライバック方式のスイッチングレギュレータであって、制御回路１０、スイッチング素子ＳＷ１、トランス１２、整流ダイオードＤ１、出力コンデンサＣｏ１を含む。

スイッチング素子ＳＷ１は、ＭＯＳトランジスタであって、制御回路１０から出力されるスイッチング信号Ｖｓｗによってゲート電圧が制御されてオンオフが制御される。
このスイッチング素子ＳＷ１と入力端子１０２の間にはトランス１２の１次側が接続されている。またこのトランス１２の２次側の一端は接地され、他端は整流ダイオードＤ１を介して出力端子１０４に接続されている。
出力端子１０４と接地電位間には、出力コンデンサＣｏ１が設けられている。この出力コンデンサＣｏ１は、出力端子１０４から出力される出力電圧Ｖｏｕｔを平滑化する。

スイッチング素子ＳＷ１は、制御回路１０から出力されるスイッチング信号Ｖｓｗによって間欠的にオンオフが繰り返され、オン状態においては、スイッチング素子ＳＷ１を介して入力端子１０２からトランス１２の１次側に電流が流れ、オフ状態においては、トランス１２の２次側にエネルギーが転送される。この結果、入力端子１０２に印加された入力電圧Ｖｉｎが昇圧されて、出力端子１０４に接続された負荷回路３００が出力電圧Ｖｏｕｔによって駆動される。

制御回路１０は、出力端子１０４から出力される出力電圧Ｖｏｕｔをモニタし、所定の電圧が得られるように、スイッチング信号Ｖｓｗを生成する。
この制御回路１０は、信号の入出力端子として、出力電圧Ｖｏｕｔをモニタするための帰還端子１１２および生成したスイッチング信号Ｖｓｗを出力するためのスイッチング端子１１４を備えている。

この制御回路１０は、ヒステリシスコンパレータ２２、ドライバ回路１４、第１コンパレータ１６、発振器１８およびソフトスタート回路２０を含む。
出力端子１０４に現れる出力電圧Ｖｏｕｔは、第１抵抗Ｒ１および第２抵抗Ｒ２によって抵抗分圧され、帰還電圧Ｖｆｂとして制御回路１０の帰還端子１１２に帰還入力される。帰還端子１１２に入力された帰還電圧Ｖｆｂは、ヒステリシスコンパレータ２２に入力される。

ヒステリシスコンパレータ２２は、信号の立ち上がり時と立ち下がり時においてそのしきい値電圧が変化する電圧比較器であって、通常の電圧比較器に正帰還をかけることによって構成することができる。このヒステリシスコンパレータ２２の非反転入力端子には基準電圧Ｖｒｅｆが入力されており、反転入力端子には帰還電圧Ｖｆｂが入力されている。このヒステリシスコンパレータ２２において、非反転入力端子に入力される帰還電圧Ｖｆｂが上昇する際には、比較電圧値がＶｒｅｆ１となり、帰還電圧Ｖｆｂが下降する際には比較電圧がＶｒｅｆ２となるヒステリシスを有するものとする。
ヒステリシスコンパレータ２２は、比較電圧Ｖｒｅｆと帰還電圧Ｖｆｂの比較の結果にもとづき、、Ｖｒｅｆ＞Ｖｆｂのときハイレベル、Ｖｒｅｆ＜Ｖｆｂのときローレベルとなる第１イネーブル信号ＥＮ１を出力する。ヒステリシスコンパレータ２２から出力される第１イネーブル信号ＥＮ１は、ドライバ回路１４のイネーブル端子ＥＮに入力されている。

第１コンパレータ１６は、３つの入力端子を備えており、２つのプラス端子＋およびマイナス端子−との電圧の比較結果からパルス幅変調（以下、ＰＷＭと略す）されたパルス状のＰＷＭ信号Ｖｐｗｍを生成する。
プラス端子＋には、最大デューティ比を決定する最大電圧Ｖｍａｘおよび、ソフトスタート回路２０から出力されるソフトスタート電圧Ｖｓｓが入力されている。またマイナス端子−には発振器１８から出力される発振信号Ｖｏｓｃが入力されている。この発振器１８から出力される発振信号Ｖｏｓｃは、三角波もしくはのこぎり波状の周期信号となっている。

第１コンパレータ１６は、ソフトスタート電圧Ｖｓｓまたは最大電圧Ｖｍａｘのうち、いずれか小さい方の電圧Ｖｘと、発振信号Ｖｏｓｃを比較し、Ｖｘ＞Ｖｏｓｃのときハイレベルを、Ｖｘ＜Ｖｏｓｃのときローレベルを出力する。ここで、最大電圧Ｖｍａｘはあらかじめ固定された電圧である一方、ソフトスタート回路２０により生成されるソフトスタート電圧は、後述のように、時間とともに増加する。したがって、第１コンパレータ１６から出力されるＰＷＭ信号Ｖｐｗｍは、Ｖｓｓ＜Ｖｍａｘのとき、ソフトスタート電圧Ｖｓｓにもとづき時間とともにオン期間が徐々に長くなっていくパルス幅変調された信号となり、Ｖｓｓ＞Ｖｍａｘとなると、最大電圧Ｖｍａｘで決められる最大固定デューティ比を有するパルス幅変調された信号となる。
第１コンパレータ１６から出力されるＰＷＭ信号Ｖｐｗｍは、ドライバ回路１４へと出力される。

ドライバ回路１４は、ＰＷＭ信号Ｖｐｗｍにもとづいてスイッチング信号Ｖｓｗを生成し、スイッチング素子ＳＷ１であるＭＯＳＦＥＴのゲート電圧を制御して間欠的にオンオフさせる。このドライバ回路１４は、イネーブル端子ＥＮを備えており、イネーブル端子ＥＮに入力される第１イネーブル信号ＥＮ１がハイレベルの期間、スイッチング素子ＳＷ１を駆動するためのスイッチング信号Ｖｓｗを生成する。一方、イネーブル端子ＥＮに入力される第１イネーブル信号ＥＮ１がローレベルの期間、スイッチング信号Ｖｓｗをローレベルに固定し、スイッチング素子ＳＷ１をオフしてスイッチングを停止する。

つぎに、ソフトスタート回路２０について図２をもとに説明する。図２は、本実施の形態に係るソフトスタート回路２０の構成を示す回路図である。
このソフトスタート回路２０は、スイッチング電源１００の出力電圧Ｖｏｕｔが所定の電圧に達するまでの期間、出力電圧Ｖｏｕｔが徐々に上昇するように、ソフトスタート電圧Ｖｓｓを生成する。

図２のソフトスタート回路２０は、入出力端子として、図１における帰還電圧Ｖｆｂが入力されるソフトスタート入力端子２３０および生成したソフトスタート電圧Ｖｓｓを出力するソフトスタート出力端子２３２を備える。
ソフトスタート回路２０は、出力電圧Ｖｏｕｔを定数倍した帰還電圧Ｖｆｂが所定のしきい値電圧Ｖｔｈより低いとき、出力電圧Ｖｏｕｔが第１制限速度で上昇するようにソフトスタート電圧Ｖｓｓを上昇させる。一方、帰還電圧Ｖｆｂがしきい値電圧Ｖｔｈより高いとき、出力電圧Ｖｏｕｔが第１制限速度より速く設定される第２制限速度で上昇するようにソフトスタート電圧Ｖｓｓを上昇させる。しきい値電圧Ｖｔｈは、第２制限速度にて出力電圧Ｖｏｕｔを上昇させる際に突入電流が発生しない範囲に設定しておく。

このソフトスタート回路２０は、一端が接地された充電コンデンサＣｓｓに定電流を供給し、充電コンデンサＣｓｓに現れる電圧をソフトスタート電圧Ｖｓｓとしてソフトスタート出力端子２３２から出力する。ここで、充電コンデンサＣｓｓを充電する定電流の値が大きければ、ソフトスタート電圧Ｖｓｓの上昇速度は速くなり、定電流の値が小さければ、ソフトスタート電圧Ｖｓｓの上昇の速度は遅くなる。
ソフトスタート電圧Ｖｓｓの上昇速度を変化させるために、このソフトスタート回路２０は、充電コンデンサＣｓｓを充電するための電流源として、第１電流源２２０、第２電流源２２２を備えており、それぞれの電流源は、電流供給をオンオフできるように構成されている。

ここで、第１電流源２２０により生成される定電流を第１定電流Ｉｃ１、第２電流源２２２により生成される定電流を第２定電流Ｉｃ２とする。第１制限速度にて出力電圧Ｖｏｕｔを上昇させるときは、第１電流源２２０のみをオンし、第２制限速度にて出力電圧Ｖｏｕｔを上昇させるときには、第１電流源２２０に加えて第２電流源２２２もオンする。
なお、ソフトスタート電圧Ｖｓｓは、充電コンデンサＣｓｓの充電に伴い上昇し続けるが、第１電流源２２０、第２電流源２２２、第３電流源２２４の内部のトランジスタが飽和し、電流供給が停止した状態で一定値をとる。

第２トランジスタＭ２、演算増幅器２１４、第３電流源２２４は、ソフトスタート出力端子２３２の電位、すなわちソフトスタート電圧Ｖｓｓが定電圧Ｖｂｉａｓよりも低くならないように固定するためのバイアス回路である。理由は後述するが、この定電圧Ｖｂｉａｓは、図１の発振器１８から出力される発振信号Ｖｏｓｃの最小電圧にほぼ等しく設定しておくのが望ましい。このバイアス回路は、出力電圧Ｖｏｕｔに応じた電圧Ｖｆｂが、しきい値電圧Ｖｔｈより低くなってから一定期間アクティブとなり、充電コンデンサＣｓｓに現れる電圧を所定の定電圧Ｖｂｉａｓに固定する。

演算増幅器２１４の反転入力端子にはバイアス電圧Ｖｂｉａｓが印加されており、その出力は第２トランジスタＭ２のゲート端子に接続されている。第２トランジスタＭ２のドレイン端子は、演算増幅器２１４の非反転入力端子に帰還されている。その結果、第２トランジスタＭ２のドレイン端子、すなわちソフトスタート出力端子２３２の電圧であるソフトスタート電圧Ｖｓｓは反転入力端子に印加されるバイアス電圧Ｖｂｉａｓに近づくように帰還制御される。第３電流源２２４は、第２トランジスタＭ２を動作させるために、バイアス電流Ｉｂｉａｓを供給するバイアス電流源である。なお、バイアス回路は、演算増幅器２１４を設けずに簡易な構成としてもよい。この場合、第２トランジスタＭ２のゲート電圧を固定した状態で、バイアス電流Ｉｂｉａｓが流れたときにドレインソース間に発生する電圧が、バイアス電圧Ｖｂｉａｓに設定される。

このバイアス回路は、第２トランジスタＭ２のオンオフに応じて、アクティブ、非アクティブが切り替え可能となっている。第２トランジスタＭ２のゲート端子には、第１トランジスタＭ１のドレイン端子が接続されており、第１トランジスタＭ１がオンすると第２トランジスタＭ２のゲート端子の電圧Ｖｇがローレベルに固定される。このとき、第２トランジスタＭ２はオフするため、バイアス回路は非アクティブとなり、バイアス電圧の固定が解除される。第１トランジスタＭ１がオフすると、バイアス回路はアクティブとなる。

第２コンパレータ２００は、ソフトスタート入力端子２３０から入力される帰還電圧Ｖｆｂと、所定のしきい値電圧Ｖｔｈとを比較し、Ｖｆｂ＞Ｖｔｈのときハイレベルを出力し、Ｖｆｂ＜Ｖｔｈのときローレベルを出力する。第２コンパレータ２００から出力される信号は、インバータ２０２によって論理反転されて、ワンショット回路２０４および第２電流源２２２へと出力される。

ワンショット回路２０４は、入力される信号のエッジを検出し、その遷移時刻から所定時間、出力を保持し続ける機能を有する。本実施の形態において、このワンショット回路２０４は、インバータ２０６、遅延回路２０８、ＮＡＮＤ回路２１０を含み、インバータ２０６に入力された信号の立ち上がり時刻から遅延回路２０８での遅延時間ＴｄだけＮＡＮＤ回路２１０からの出力をローレベルとする。

ＡＮＤ回路２１２は、ワンショット回路２０４の出力と、第２イネーブル端子２３４に印加される第２イネーブル信号ＥＮ２との論理積を出力する。ＡＮＤ回路２１２の出力は、第１トランジスタＭ１のゲート端子に入力されており、ＡＮＤ回路２１２の出力がハイレベルのとき第１トランジスタＭ１がオンし、ローレベルのとき第１トランジスタＭ１がオフする。

以上のように構成されたスイッチング電源１００の定常状態における動作について説明する。図３は、定常状態におけるスイッチング電源１００の各部の電圧の時間波形を示す。
定常状態においては、ソフトスタート回路２０において、充電コンデンサＣｓｓが充電された状態となっているため、ソフトスタート出力端子２３２から出力されるソフトスタート電圧Ｖｓｓは、最大電圧Ｖｍａｘとの関係において、Ｖｓｓ＞Ｖｍａｘが成り立っている。このとき、第１コンパレータ１６は、ＰＷＭ信号Ｖｐｗｍを、最大電圧Ｖｍａｘと、発振信号Ｖｏｓｃにもとづいて生成する。その結果、同図に示すようにデューティ比、すなわちオン期間の固定されたＰＷＭ信号となる。

時刻Ｔ０からＴ１までの期間、ヒステリシスコンパレータ２２において、Ｖｏｕｔ＞Ｖｒｅｆ２が成り立っており、ドライバ回路１４のイネーブル端子ＥＮには、ハイレベルが入力され、ＰＷＭ信号Ｖｐｗｍにもとづいてスイッチング信号Ｖｓｗを生成する。
時刻Ｔ１に帰還電圧Ｖｆｂが基準電圧Ｖｒｅｆ１まで上昇すると、ヒステリシスコンパレータ２２の出力はローレベルとなるため、ドライバ回路１４はスイッチング信号Ｖｓｗの生成を停止する。スイッチング素子ＳＷ１のオンオフ動作が停止すると、図１のスイッチング電源１００において、出力コンデンサＣｏ１への電荷の充電が停止するため、負荷回路３００に電流が流れることによって、出力電圧Ｖｏｕｔ、すなわち帰還電圧Ｖｆｂは下降し始める。

その後、時刻Ｔ２において帰還電圧Ｖｆｂが基準電圧Ｖｒｅｆ２まで下降すると、ドライバ回路１４のイネーブル端子ＥＮには再度ハイレベルの信号が入力されるため、スイッチング信号Ｖｓｗの生成を開始し、帰還電圧Ｖｆｂ、すなわち出力電圧Ｖｏｕｔは再び上昇を開始する。

このようにして、本実施の形態に係るスイッチング電源１００は、ヒステリシスコンパレータ２２によって出力電圧Ｖｏｕｔをモニタし、基準電圧Ｖｒｅｆ１およびＶｒｅｆ２の間に安定化している。

次に、スイッチング電源１００のソフトスタート時の動作について説明する。図４は、ソフトスタート時のスイッチング電源１００の各部の電圧の時間波形を示す。
時刻Ｔ０〜Ｔ１においては、第２イネーブル端子２３４に入力される第２イネーブル信号ＥＮ２はローレベルであるため、第１電流源２２０はオフしており、Ｖｆｂ＜Ｖｔｈであるため、第２電流源２２２もオフしている。また、第２イネーブル信号ＥＮ２がローレベルであるため、第１トランジスタＭ１はオフしており、第２トランジスタＭ２、演算増幅器２１４、第３電流源２２４を含むバイアス回路によって、ソフトスタート電圧Ｖｓｓはバイアス電圧Ｖｂａｉｓに安定化されている。

時刻Ｔ１において、第２イネーブル端子２３４に入力される第２イネーブル信号ＥＮ２がハイレベルに切り替えられる。その結果、図２の第１電流源２２０がオンし、充電コンデンサＣｓｓへの充電が開始されソフトスタート電圧Ｖｓｓは上昇を開始する。ソフトスタート電圧Ｖｓｓの上昇に伴って、図１の第１コンパレータ１６から出力されるＰＷＭ信号Ｖｐｗｍのデューティ比は徐々に大きくなっていく。その結果、スイッチング素子ＳＷ１のオン期間も徐々に長くなっていき、出力電圧Ｖｏｕｔ、すなわち帰還電圧Ｖｆｂが徐々に上昇を開始する。

時刻Ｔ２に帰還電圧Ｖｆｂがしきい値電圧Ｖｔｈまで上昇する。このとき、第２コンパレータ２００において、Ｖｆｂ＞Ｖｔｈとなると、第２コンパレータ２００の出力を反転して得られる信号ＳＳＥＮがローレベルとなる。第２電流源２２２は、信号ＳＳＥＮがローレベルとなると、第２定電流Ｉｃ２の生成を開始する。
このとき、充電コンデンサＣｓｓに対する充電電流は第１定電流Ｉｃ１、第２定電流Ｉｃ２およびバイアス電流Ｉｂｉａｓの合計となり、ソフトスタート電圧Ｖｓｓの上昇が加速される。
時刻Ｔ３に、ソフトスタート電圧Ｖｓｓが最大電圧Ｖｍａｘより大きくなると、ＰＷＭ信号Ｖｐｗｍは固定デューティとなり、スイッチング電源１００は定常状態となる。図４において、時刻Ｔ３からＴ４の期間、帰還電圧Ｖｆｂは平坦に示されているが、実際には、図３に示すように、Ｖｒｅｆ１とＶｒｅｆ２の間を変動することになる。

時刻Ｔ４に、負荷回路３００のキセノンランプの発光が開始されると、出力コンデンサＣｏ１に蓄えられていた電荷が急激に放電されるため、帰還電圧Ｖｆｂが低下する。時刻Ｔ５に、帰還電圧Ｖｆｂがしきい値電圧Ｖｔｈより小さくなると、信号ＳＳＥＮがハイレベルに切り替わる。信号ＳＳＥＮの切り替わりによってワンショット回路２０４の出力は所定期間Ｔｄの間、ローレベルとなる。この間、第１トランジスタＭ１のゲート電圧Ｖｇはローレベルとなり、第１トランジスタＭ１がオフし、第２トランジスタＭ２がオンする。充電コンデンサＣｓｓに蓄えられた電荷は、第２トランジスタＭ２によって放電され、ソフトスタート電圧Ｖｓｓは低下する。第２トランジスタＭ２がオンした状態では、ソフトスタート電圧Ｖｓｓは、バイアス電圧Ｖｂｉａｓに調節される。

もし、第２トランジスタＭ２、演算増幅器２１４を含んで構成されるバイアス回路が設けられず、第２トランジスタＭ２のみの構成とした場合、第２トランジスタＭ２がオンすると、充電コンデンサＣｓｓに蓄えられた電荷は完全に放電されて、ソフトスタート電圧Ｖｓｓは０Ｖ近くまで低下することになる。発振器１８の出力である発振信号Ｖｏｓｃの最小電圧がある程度大きい場合、ソフトスタート電圧Ｖｓｓが、その最小電圧に達するまでの間、ＰＷＭ信号のデューティ比は０％となるため、出力電圧Ｖｏｕｔを上昇させることができない。
一方、本実施の形態に係るソフトスタート回路２０においては、ソフトスタート電圧Ｖｓｓは、発振信号Ｖｏｓｃの最小電圧とほぼ等しく設定されたバイアス電圧Ｖｂｉａｓまで低下し、それ以下には下がらないため、その後、すぐにＰＷＭ信号を生成して出力電圧Ｖｏｕｔを上昇させることができる。

その後、時刻Ｔ５から所定期間Ｔｄ経過後の時刻Ｔ６にワンショット回路２０４の出力がハイレベルとなると、第１トランジスタＭ１はゲート電圧Ｖｇはハイレベルとなってオンする。このとき、第２トランジスタＭ２のゲート電圧がローレベルに固定されて第２トランジスタＭ２がオフし、再度、充電コンデンサＣｓｓの充電が開始され、ソフトスタート電圧Ｖｓｓは第１制限速度で上昇を開始する。

時刻Ｔ７に帰還電圧Ｖｆｂがしきい値電圧Ｖｔｈより大きくなると、第２電流源２２２がオンし、充電コンデンサＣｓｓへの充電速度が加速されて、出力電圧Ｖｏｕｔが急速に立ち上げられる。

以上のように、本実施の形態に係るソフトスタート回路２０およびスイッチング電源１００によれば、出力電圧Ｖｏｕｔの上昇速度を２段階で切り替えてソフトスタートされる。すなわち、ソフトスタート開始後、出力電圧Ｖｏｕｔが所定のしきい値電圧Ｖｔｈより低い範囲においては突入電流が発生しないように緩やかに上昇させた後、出力電圧Ｖｏｕｔがしきい値電圧Ｖｔｈを超えると上昇速度を速めて急速に立ち上げることにより、スイッチング電源１００の安定時間の短縮を図ることができる。

また、ソフトスタート回路２０は、出力電圧Ｖｏｕｔが所定のしきい値電圧より低くなるたびに動作するため、起動時のみでなく、負荷回路３００の動作開始時や、入力電圧Ｖｉｎの変動時などに出力電圧Ｖｏｕｔが低下した際にも、ソフトスタートを行うことができる。

さらに、本実施の形態に係るソフトスタート回路２０においては、第２トランジスタＭ２および演算増幅器２１４により構成されるバイアス回路によって、ソフトスタート電圧Ｖｓｓが、発振信号Ｖｏｓｃの最小電圧とほぼ等しく設定されたバイアス電圧Ｖｂｉａｓ以下には下がらないように制御される。そのため、デューティ比０％のＰＷＭ信号が生成されることがないため、短時間で出力電圧Ｖｏｕｔを上昇させることができる。

図５は、図１のスイッチング電源１００を備える電子機器５００の構成を示すブロック図である。たとえば、電子機器５００は、カメラを搭載した携帯電話端末であり、電池５１０、通信処理部５１２、ＤＳＰ（ＤｉｇｉｔａｌＳｉｇｎａｌＰｒｏｃｅｓｓｏｒ）５１４、撮像部５１６、発光装置６００を備える。なお、電子機器は、携帯電話端末に限定されるものではなく、ＰＤＡやデジタルカメラなどであってもよい。

電池５１０はたとえば、リチウムイオン電池であり、電池電圧Ｖｂａｔとして３〜４Ｖ程度の電圧を出力する。ＤＳＰ５１４は、電子機器５００全体を統括的に制御するブロックであり通信処理部５１２、撮像部５１６、発光装置６００と接続されている。通信処理部５１２は、アンテナ、高周波回路などを含み、基地局との通信を行うブロックである。
撮像部５１６は、ＣＣＤ（ＣｈａｒｇｅＣｏｕｐｌｅｄＤｅｖｉｃｅ）やＣＭＯＳセンサなどの撮像装置である。

発光装置６００は、撮像部５１６による撮像の際にフラッシュあるいはストロボ装置として用いられ、スイッチング電源１００、発光素子６１２、トリガ回路６１４を備える。発光素子６１２としてはキセノンチューブなどが好適に用いられる。スイッチング電源１００は、電池５１０から供給される電池電圧Ｖｂａｔを昇圧し、発光素子６１２に３００Ｖ程度の駆動電圧（以下、出力電圧ともいう）Ｖｏｕｔを供給する。駆動電圧Ｖｏｕｔは、所定のレベルの目標電圧に安定化される。トリガ回路６１４は、発光装置６００の発光のタイミングを制御する回路である。発光素子６１２は、撮像部５１６の撮像と同期して発光する。

本実施の形態に係るスイッチング電源１００は、図５のような発光装置６００に好適に用いることができ、この発光装置６００は、携帯電話端末をはじめとする電子機器に搭載することができる。本実施の形態に係るスイッチング電源１００は、上述のように起動時間が短縮されるため、撮像のタイミングを逸することなく発光素子６１２を発光可能とすることができる。

上記実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

本実施の形態に係るスイッチング電源１００では、スイッチング素子ＳＷ１のスイッチング信号Ｖｓｗを固定デューティとし、ドライバ回路１４を間欠的に動作させることにより出力電圧Ｖｏｕｔの安定化を図っていたが、これには限定されず、出力電圧とその目標電圧の誤差電圧を増幅し、この誤差電圧にもとづいてパルス幅変調を行うことによって出力電圧の安定化を図ってもよい。

本実施の形態においては、フライバック方式のスイッチングレギュレータに本発明に係るソフトスタート技術を適用した場合について説明を行ったが、フォワード方式のスイッチングレギュレータに適用することも可能である。また、実施の形態においてはトランスを用いた絶縁型のスイッチングレギュレータについて説明したが、非絶縁型のスイッチングレギュレータであってもよく、突入電流や出力電圧の不要な変動を抑えつつ、なるべく速く、出力電圧を立ち上げる必要のある電源装置に広く適用することが可能である。

また、本実施の形態においては、ソフトスタート回路２０において第１電流源２２０および第２電流源２２２の２つの定電流源をオンオフにより、ソフトスタート電圧Ｖｓｓの上昇速度を制御したがこれには限定されない。たとえば、電流源を１つのみとして、信号ＳＳＥＮおよび第２イネーブル信号ＥＮ２によって生成する電流値が切り替えられるように構成してもよい。

また、本実施の形態において、ハイレベル、ローレベルの論理信号の設定は一例であって、インバータなどによって適宜反転させることにより自由に変更することが可能である。

本実施の形態に係るスイッチング電源１００の負荷としては、図５に発光素子が例示されるが、これに限定されるものではなく、数十Ｖから数百Ｖを超える電圧によって動作するさまざまな負荷回路の駆動に好適に利用することができる。

Claims

スイッチング信号を生成し、スイッチング電源のスイッチング素子を制御する制御回路であって、
前記スイッチング電源の出力電圧が所定の基準電圧に達するまでの期間、出力電圧が徐々に上昇するようにスイッチング信号を生成するソフトスタート回路を備え、
前記ソフトスタート回路は、
一端が接地された充電コンデンサと、
前記充電コンデンサの他端に接続され、前記充電コンデンサに定電流を供給する電流源と、
前記出力電圧を、所定のしきい値電圧と比較する電圧比較器と、
を含み、前記電圧比較器の出力信号に応じて、前記電流源により供給する電流値を変化させ、前記充電コンデンサに現れる電圧にもとづいて前記出力電圧を上昇させることにより、前記出力電圧が前記しきい値電圧より低いとき、第１制限速度で出力電圧を上昇させる一方、前記出力電圧が前記しきい値電圧より高いとき、前記第１制限速度より速く設定される第２制限速度で出力電圧を上昇させることを特徴とする制御回路。
前記所定のしきい値電圧は、前記第２制限速度にて出力電圧を上昇させる際に突入電流が発生しない範囲に設定されることを特徴とする請求項１に記載の制御回路。
前記ソフトスタート回路は、前記出力電圧が、所定の第２しきい値電圧より低くなってから一定期間アクティブとなり、前記充電コンデンサに現れる電圧を所定の電圧値に固定するバイアス回路をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の制御回路。
前記バイアス回路は、
前記充電コンデンサと並列に接続されるトランジスタと、
前記トランジスタに所定のバイアス電流を供給するバイアス電流源と、
を含んで構成され、前記トランジスタは、前記出力電圧が前記第２しきい値電圧より低くなってから、一定期間オンすることを特徴とする請求項３に記載の制御回路。
１つの半導体基板上に一体集積化されたことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の制御回路。
請求項１から５のいずれかに記載の制御回路と、
前記制御回路により制御されるスイッチング素子と、
前記スイッチング素子のオンオフにより入力電圧を昇降する出力回路と、
を含むことを特徴とするスイッチング電源。
撮像部と、
前記撮像部による撮像の際に、フラッシュとして発光する発光素子と、
電池の電圧を昇圧して前記発光素子に駆動電圧を供給する請求項６に記載のスイッチング電源と、
を備えることを特徴とする電子機器。