JP4526962B2 - 電源装置および電子装置 - Google Patents

Description

本発明は、電源装置に関し、特にチャージポンプ回路のソフトスタート技術に関する。

近年の携帯電話、ＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｄｉｇｉｔａｌ Ａｓｓｉｓｔａｎｃｅ）、等の小型情報端末においては、たとえば液晶のバックライトに用いられる発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ、以下ＬＥＤという）などのように電池の出力電圧よりも高い電圧を必要とするデバイスが存在する。これらの小型情報端末では、Ｌｉイオン電池が多く用いられ、その出力電圧は通常３．５Ｖ程度であり、満充電時においても４．２Ｖ程度であるが、ＬＥＤはその駆動電圧として電池電圧よりも高い電圧を必要とする。このように、電池電圧よりも高い電圧が必要とされる場合には、スイッチングレギュレータやチャージポンプ回路などを用いた昇圧型の電源装置によって電池電圧を昇圧し、ＬＥＤなどの負荷回路を駆動するために必要な電圧を得ている。

ここで、負荷回路に対する電圧の供給を開始する起動時において、電源装置の出力電圧が急激に上昇すると、負荷回路や、電源装置の内部素子に突入電流が流れ、信頼性に影響を及ぼすおそれがある。そこで、このような電源装置においては、その出力電圧を緩やかに上昇させるソフトスタートを行うのが一般的である。たとえば、特許文献１、特許文献２には、スイッチングレギュレータを用いた電源装置におけるソフトスタート技術について開示されている。

特開平７−３３６９９９号公報 特開２００３−２９９３４８号公報

いま、電源装置として、スイッチングレギュレータに代えて、チャージポンプ回路を用いる場合について考える。チャージポンプ回路はその入力電圧を昇圧率倍して出力するため、その出力電圧を所定の設定電圧に安定化できる電源装置を構成するには、チャージポンプ回路の入力側にレギュレータ回路を設け、その入力電圧を調節する必要がある。
上記特許文献に記載のスイッチングレギュレータのソフトスタート技術では、スイッチングレギュレータのスイッチングトランジスタのデューティ比を徐々に変化させることによってソフトスタートを行っている。しかし、チャージポンプ回路においては、内部のコンデンサの充放電経路を切り替えるスイッチング素子は、デューティ比が固定された信号によってオンオフされるため、ソフトスタートを行うには、上記特許文献に記載の技術をそのまま用いることができない。

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、チャージポンプ回路を用いた電源装置のソフトスタート手段の提供にある。

本発明のある態様は電源装置に関する。この電源装置は、入力端子に印加された入力電圧を、チャージポンプ回路を用いて所定の設定電圧に電圧変換し、出力端子から出力する電源装置であって、本電源装置の入力端子とチャージポンプ回路の入力端子間に設けられ、チャージポンプ回路の出力電圧が設定電圧に近づくよう、チャージポンプ回路の入力端子の電圧を調節する電圧調節部と、設定電圧を生成する出力電圧設定部と、を備える。出力電圧設定部は、チャージポンプ回路の起動時に、設定電圧を漸増せしめる。

この態様によれば、設定電圧を緩やかに上昇させることにより、電圧調整部によってチャージポンプ回路の入力端子の電圧が徐々に上昇することになるため、電源装置の出力電圧を緩やかに上昇させるソフトスタートが実現できる。

出力電圧設定部は、設定電圧をデジタル値として出力するロジック部と、ロジック部から出力されるデジタル値の設定電圧をデジタルアナログ変換するデジタルアナログ変換器と、を含んでもよい。ロジック部は、チャージポンプ回路の起動時に、デジタル値を漸増させてもよい。
設定電圧をデジタル値によって設定することにより、出力電圧を上昇させる速度や、タイミング等の調整を容易に行うことができる。

出力電圧設定部は、設定電圧をアナログ値として生成する基準電圧源と、基準電圧源から出力される設定電圧の高周波成分を除去するフィルタと、を含んでもよい。
基準電圧源としてバンドギャップリファレンス回路などを用い、アナログフィルタを後置することにより、基準電圧源をオンする際に、フィルタの時定数に従って設定電圧が緩やかに上昇するため、ソフトスタートを行うことができる。

出力電圧設定部は、出力電圧の目標値が高いほど、チャージポンプ回路の起動時に設定電圧を漸増せしめる速度を遅く設定してもよい。
出力電圧の目標値が低く、突入電流が発生しにくい場合には、設定電圧の上昇速度を速く設定することにより起動時間を短縮することができる。

電圧調節部は、入力電圧が印加される端子とチャージポンプ回路の入力端子間に設けられたトランジスタと、出力電圧と設定電圧との誤差電圧にもとづいてトランジスタの制御端子の電圧を調節する誤差増幅器と、を含んでもよい。
チャージポンプ回路の入力端子の電圧をレギュレータ回路によって調節することによって、出力電圧を精度よく設定電圧に近づけることができる。トランジスタの制御端子とは、ＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）のときゲート端子を、バイポーラトランジスタのときベース端子をいう。

電圧調整部のトランジスタは、ディスクリート部品として接続されてもよい。
トランジスタをディスクリート部品として集積回路の外部に設けることにより、発熱を分散することができ、回路を安定に動作させることができる。

本発明の別の態様は、電子装置に関する。この電子装置は、負荷回路と、負荷回路を駆動する上述の電源装置と、を備える。負荷回路は、電源装置の出力端子に接続される。
負荷回路の駆動開始時にソフトスタートを行うことによって、負荷回路に供給される駆動電圧を緩やかに上昇させることができる。
負荷回路は、発光素子であってもよい。発光素子とは、ＬＥＤ、有機ＥＬ（ＥｌｅｃｔｒｏＬｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）などをいう。

負荷回路は複数の発光素子であって、出力電圧設定部は、チャージポンプ回路の起動時に、各発光素子ごとに異なる電圧を目標値として設定電圧を漸増せしめてもよい。
各発光素子ごとに設定電圧の目標値を変え、その電圧を上昇させることにより、発光素子ごとに最適なソフトスタートを行うことができる。

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。

本発明に係る電源装置によれば、チャージポンプ回路を用いた電源装置においてソフトスタートを行うことができる。

図１は、本発明の実施の形態に係る電源装置１００の構成を示す回路図である。
この電源装置１００は、電池５００により駆動される小型情報端末に搭載され、電池５００から出力される電池電圧Ｖｂａｔを入力電圧とし、この電池電圧Ｖｂａｔを昇圧して負荷回路を駆動するために必要な電圧を生成する。

電源装置１００は、入出力端子として、入力端子１０２と出力端子１０４を備える。入力端子１０２には、電池５００から出力される電池電圧Ｖｂａｔが印加されている。出力端子１０４には図示しない負荷回路が接続される。電源装置１００は、入力端子１０２に印加される電池電圧Ｖｂａｔを昇圧し、出力端子１０４から出力電圧Ｖｏｕｔを出力する。

電源装置１００は、チャージポンプ回路１０、電圧調節部２０、出力電圧設定部４０を含む。

チャージポンプ回路１０は、入力端子ＩＮに入力される電圧Ｖｘを所定の昇圧率で昇圧し、その出力端子ＯＵＴから出力する。このチャージポンプ回路１０の出力端子ＯＵＴは、そのまま電源装置１００の出力端子１０４となっている。チャージポンプ回路１０は、複数の昇圧率が切り替え可能に構成されていてもよい。
電源装置１００の出力端子１０４、すなわちチャージポンプ回路１０の出力端子ＯＵＴからは、電圧Ｖｘに昇圧率ＸＣＰを乗じた出力電圧Ｖｏｕｔ＝Ｖｘ×ＸＣＰが出力される。このチャージポンプ回路１０は図示しないイネーブル端子にイネーブル信号ＣＰＥＮが入力されており、イネーブル信号ＣＰＥＮがハイレベルのとき昇圧動作を行い、ローレベルのとき昇圧動作を停止する。

出力電圧設定部４０は、電源装置１００が負荷回路に供給すべき出力電圧Ｖｏｕｔを設定する設定電圧Ｖｓｅｔを生成する。この出力電圧設定部４０は、ロジック部４２、Ｄ／Ａコンバータ４４を含む。
ロジック部４２は、設定電圧Ｖｓｅｔをデジタル値Ｄｓｅｔとして出力する。Ｄ／Ａコンバータ４４は、ロジック部４２から出力されるデジタル値Ｄｓｅｔをアナログ値の設定電圧Ｖｓｅｔにデジタルアナログ変換する。デジタル値Ｄｓｅｔは、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）等に予め記憶されたデータでもよいし、外部から入力されたデータであってもよい。

電圧調節部２０は、レギュレータ回路であって、入力端子１０２に印加される電池電圧Ｖｂａｔを必要に応じて降圧し、チャージポンプ回路１０の入力端子ＩＮの電圧Ｖｘを調節する。この電圧調節部２０は、トランジスタＭ１、誤差増幅器２２、抵抗Ｒ１、Ｒ２を含む。
誤差増幅器２２の反転入力端子には出力電圧設定部４０から出力される設定電圧Ｖｓｅｔが印加され、非反転入力端子には出力電圧Ｖｏｕｔを抵抗Ｒ１、Ｒ２によって分圧して得られる電圧Ｖｙ＝Ｖｏｕｔ×Ｒ１／（Ｒ１＋Ｒ２）が印加されている。
トランジスタＭ１は、Ｐ型のＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）であって、電源装置１００の入力端子１０２とチャージポンプ回路１０の入力端子ＩＮ間に設けられている。このトランジスタＭ１の制御端子であるゲート端子には、誤差増幅器２２の出力端子が接続されている。電圧調節部２０は、トランジスタＭ１のゲート端子に印加する電圧Ｖｇによってそのオン抵抗を調節し、ドレイン端子の電圧、すなわちチャージポンプ回路１０の入力端子ＩＮの電圧Ｖｘを調節する。

この電圧調節部２０において、誤差増幅器２２は、反転入力端子と非反転入力端子に入力される２つの電圧が等しくなるようにトランジスタＭ１のゲート端子の電圧Ｖｇを調節する。ここでトランジスタＭ１の反転入力端子には、設定電圧Ｖｓｅｔが印加され、非反転入力端子には電圧Ｖｙが印加されている。誤差増幅器２２によってＶｓｅｔ＝Ｖｙとなるように帰還がかかり、トランジスタＭ１のオン抵抗が調節されると、出力電圧Ｖｏｕｔは、Ｖｏｕｔ＝Ｖｓｅｔ×（Ｒ１＋Ｒ２）／Ｒ１を満たすように安定化される。このとき、チャージポンプ回路１０の入力端子ＩＮの電圧Ｖｘは、Ｖｘ＝Ｖｏｕｔ／ＸＣＰ＝Ｖｓｅｔ×（Ｒ１＋Ｒ２）／Ｒ１／ＸＣＰに近づくように安定化される。

以上のように構成された電源装置１００の動作について説明する。図２は、電源装置１００の起動時、すなわち昇圧動作開始時の状態を示すタイムチャートである。

時刻Ｔ０に、チャージポンプ回路１０に入力されるイネーブル信号ＣＰＥＮがハイレベルとなり、昇圧開始が指示される。このとき、ロジック部４２からは、設定電圧Ｖｓｅｔ＝０Ｖに対応するデジタル値Ｄｓｅｔが出力されている。また、トランジスタＭ１のゲート電圧Ｖｇは、電池電圧Ｖｂａｔ付近まで上昇しており、トランジスタＭ１は完全にオフした状態となり、チャージポンプ回路１０の入力端子ＩＮの電圧Ｖｘは０Ｖとなる。したがって、チャージポンプ回路１０の出力電圧は、Ｖｏｕｔ＝Ｖｘ×ＸＣＰ＝０Ｖとなっている。

時刻Ｔ１に、電源装置１００の出力電圧Ｖｏｕｔを上昇させるため、ロジック部４２は、デジタル値Ｄｓｅｔを徐々に上昇させていく。このデジタル値Ｄｓｅｔの上昇にともなって、設定電圧Ｖｓｅｔは緩やかに上昇し始める。電圧調節部２０は、出力電圧Ｖｏｕｔと設定電圧Ｖｓｅｔとの間に、Ｖｏｕｔ＝Ｖｓｅｔ×（Ｒ１＋Ｒ２）／Ｒ１が成り立つように、トランジスタＭ１のゲート電圧Ｖｇを調節する。設定電圧Ｖｓｅｔの上昇にともなって、トランジスタＭ１のゲート電圧Ｖｇは徐々に低くなり、ゲートソース間電圧は徐々に大きくなるため、トランジスタＭ１のオン抵抗が減少し、ドレイン電圧であるＶｘは徐々に上昇する。
チャージポンプ回路１０は、この入力端子の電圧Ｖｘを昇圧率ＸＣＰ倍して出力するため、電圧Ｖｘに比例して出力電圧Ｖｏｕｔも緩やかに上昇する。

このように、本実施の形態に係る電源装置１００によれば、チャージポンプ回路１０の入力側に電圧調節部２０を設け、チャージポンプ回路１０の入力端子ＩＮの電圧Ｖｘを緩やかに上昇させることによってソフトスタートを行うことができる。このソフトスタートによって、電源装置１００内部あるいは出力端子１０４に接続される負荷回路に突入電流が流れるのを防止することができる。また、ソフトスタートによって、電圧調節部２０において形成される帰還ループの応答の遅れによるオーバーシュートやリンギングを低減することができる。

出力電圧設定部４０をロジック部４２およびＤ／Ａコンバータ４４により構成することによって、設定電圧Ｖｓｅｔの上昇の速度やタイミング等の調整を容易に行うことができる。たとえば、出力電圧Ｖｏｕｔの設定値が低く、突入電流が発生しにくい場合には、設定電圧Ｖｓｅｔの上昇速度を速く設定し、逆に出力電圧Ｖｏｕｔの設定値が高い場合には、設定電圧Ｖｓｅｔの上昇速度を遅く設定するなど、柔軟な設計が容易となる。
また、出力端子１０４に接続される負荷回路の種類などによっても、立ち上がり速度を変化させることができる。たとえば、負荷回路として複数の発光素子が接続される場合には、出力電圧設定部４０は、各発光素子ごとに出力電圧Ｖｏｕｔの目標値を設定することができる。この場合、出力電圧設定部４０は、チャージポンプ回路１０の起動時に、各発光素子ごとに異なる電圧値を目標値として設定電圧Ｖｓｅｔを上昇させることにより、発光素子ごとに最適なソフトスタートを行うことができる。

ロジック部４２はレジスタに設定電圧Ｖｓｅｔと立ち上がり波形に関する情報を格納しておき、この情報にもとづいてソフトスタートを行ってもよい。

図１の電源装置１００を構成する各回路ブロックは、チャージポンプ回路１０内部のコンデンサ、電圧調節部２０のトランジスタＭ１を除き一体集積化してもよい。このとき、コンデンサは外部に外付けされる。また、トランジスタＭ１は、集積回路の外部にディスクリート素子として接続され、または別の集積回路上に形成される。電圧調節部２０において、電池電圧Ｖｂａｔを降圧して電圧Ｖｘを生成する際のトランジスタＭ１における発熱が大きい場合には、トランジスタＭ１を集積回路の外部に設けることによって、熱を分散させることができ、回路を安定に動作させることができる。

また、トランジスタＭ１の発熱がそれほど問題とならない場合には、他の回路ブロックとともに１つの半導体チップに集積化してもよい。トランジスタＭ１を誤差増幅器２２、出力電圧設定部４０等と一体集積化することによって、配線を外部に引き回す必要がなくなるため、端子数を減らし、回路面積を小さくすることができる。

また、電圧調節部２０のトランジスタＭ１を、チャージポンプ回路１０の前段に設けることにより、後段に設けた場合に比べて損失を抑えることができる。

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。

図３は、図１の電源装置１００の変形例を示す回路図である。同図において、図１と同一もしくは同等の構成要素には同一の符号を付し、適宜説明を省略する。
図３の電源装置２００の出力電圧設定部４０は、基準電圧源３０およびローパスフィルタ３２を含む。

基準電圧源３０は、バンドギャップリファレンス回路などによって構成することができ、所定のアナログ基準電圧Ｖｒｅｆを生成する。基準電圧源３０は、外部から与えられるイネーブル信号によって、アナログ基準電圧Ｖｒｅｆの値を０、Ｖｓｅｔの２値で切り替え可能に構成される。

ローパスフィルタ３２は、抵抗Ｒ３、コンデンサＣ１を含み、基準電圧源３０から出力されるアナログ基準電圧Ｖｒｅｆの高周波成分を除去し、設定電圧Ｖｓｅｔを誤差増幅器２２へと出力する。

図３に示す電源装置２００によれば、チャージポンプ回路１０の昇圧動作開始時に、基準電圧源３０のイネーブル信号によってアナログ基準電圧Ｖｒｅｆを０ＶからＶｓｅｔへと切り替えることによって、ローパスフィルタ３２から出力される設定電圧Ｖｓｅｔは、ローパスフィルタ３２の時定数に従って緩やかに上昇する。その結果、図１の電源装置１００と同様に、ソフトスタートを行うことができる。さらに、こうしたソフトスタートによって電源装置２００内部あるいは出力端子１０４に接続される負荷回路に突入電流が流れるのを防止することができ、またオーバーシュートやリンギングを低減することができる。

また、図３に示す電源装置２００において、ローパスフィルタ３２は、電源装置２００の外部より与えられるアナログ基準電圧Ｖｒｅｆの高周波成分を除去し、誤差増幅器２２へと出力しても良い。

本実施の形態においては、トランジスタＭ１は、チャージポンプ回路１０と入力端子１０２間に設けたが、チャージポンプ回路１０と出力端子１０４間に設けてもよい。この場合も実施の形態と同様、設定電圧Ｖｓｅｔを緩やかに上昇させることによりソフトスタートを行うことができる。

実施の形態においては、使用するトランジスタＭ１はＦＥＴとしたがバイポーラトランジスタ等の別のタイプのトランジスタを用いてもよく、これらの選択は、電源装置に要求される設計仕様、使用する半導体製造プロセスなどによって決めればよい。

実施の形態において、電源装置を構成する素子はすべて一体集積化されていてもよく、その一部がディスクリート部品で構成されていてもよい。どの部分を集積化するかは、使用する半導体製造プロセスや、コスト、占有面積などにもとづいて決めればよい。

実施の形態に係る電源装置の構成を示す回路図である。 図１の電源装置の昇圧動作開始時の状態を示すタイムチャートである。 図１の電源装置の変形例を示す回路図である。

符号の説明

Ｍ１ トランジスタ、 １０ チャージポンプ回路、 ２０ 電圧調節部、 ３０ 基準電圧源、 ３２ ローパスフィルタ、 ４０ 出力電圧設定部、 ４２ ロジック部、 １００ 電源装置、 ２００ 電源装置、 １０２ 入力端子、 １０４ 出力端子。

Claims (7)

1. 入力端子に印加された入力電圧を、チャージポンプ回路を用いて所定の設定電圧に電圧変換し、出力端子から出力する電源装置であって、
   本電源装置の入力端子と前記チャージポンプ回路の入力端子間に設けられ、前記チャージポンプ回路の出力電圧が前記設定電圧に近づくよう、前記チャージポンプ回路の入力端子の電圧を調節する電圧調節部と、
   前記設定電圧を生成する出力電圧設定部と、を備え、
   前記出力電圧設定部は、前記チャージポンプ回路の起動時に、前記設定電圧を漸増せしめることを特徴とする電源装置。
2. 前記出力電圧設定部は、
   前記設定電圧をデジタル値として出力するロジック部と、
   前記ロジック部から出力されるデジタル値の設定電圧をデジタルアナログ変換するデジタルアナログ変換器と、を含み、
   前記ロジック部は、前記チャージポンプ回路の起動時に、前記デジタル値を漸増せしめることを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
3. 前記出力電圧設定部は、
   前記設定電圧をアナログ値として生成する基準電圧源と、
   前記基準電圧源から出力される設定電圧の高周波成分を除去するフィルタと、
   を含むことを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
4. 前記電圧調節部は、
   前記入力電圧が印加される端子と前記チャージポンプ回路の入力端子間に設けられたトランジスタと、
   前記出力電圧と前記設定電圧との誤差電圧にもとづいて前記トランジスタの制御端子の電圧を調節する誤差増幅器と、
   を含むことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の電源装置。
5. 前記出力電圧設定部は、前記出力電圧の目標値が高いほど、前記チャージポンプ回路の起動時に前記設定電圧を漸増せしめる速度を遅く設定することを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
6. 負荷回路と、
   前記負荷回路を駆動する請求項１から５のいずれかに記載の電源装置と、
   を備え、前記負荷回路は、前記電源装置の出力端子に接続されることを特徴とする電子装置。
7. 前記負荷回路は複数の発光素子であって、前記出力電圧設定部は、前記チャージポンプ回路の起動時に、各発光素子ごとに異なる電圧を目標値として前記設定電圧を漸増せしめることを特徴とする請求項６に記載の電子装置。

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