JP4855084B2

JP4855084B2 - 電源装置及びこれを用いた電気機器

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Publication number: JP4855084B2
Application number: JP2006016315A
Authority: JP
Inventors: 昌男堀部; 裕司大宮
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 2006-01-25
Filing date: 2006-01-25
Publication date: 2012-01-18
Anticipated expiration: 2026-01-25
Also published as: JP2007202267A

Description

本発明は、チャージポンプ回路を備えた電源装置、及び、これを用いた電気機器に関するものである。

図６は、チャージポンプ回路を備えた電源装置の一従来例を示すブロック図（一部に回路要素を含む）である。

図６（ａ）に示すように、バッテリ電圧Ｖｂａｔを生成するバッテリ１０と、バッテリ電圧Ｖｂａｔから所定の定常電圧Ｖｉを生成するレギュレータ回路２０と、定常電圧Ｖｉを所定の倍率（本図では１．５倍）で昇圧して出力電圧Ｖｏを生成するチャージポンプ回路３０と、を有して成る従来の電源装置では、一般に、チャージ動作時（図６（ｂ））とポンプ動作時（図６（ｃ））のいずれにおいても、チャージポンプ回路３０にて、レギュレータ回路２０の出力（すなわち定常電圧Ｖｉ）を使用する構成とされていた（例えば、特許文献１を参照）。

特開２００３−３４８８２１号公報

確かに、上記従来の電源装置であれば、チャージポンプ回路３０にて、レギュレータ回路２０の定常電圧Ｖｉを使用することにより、バッテリ電圧Ｖｂａｔの変動に依ることなく、常に所望の出力電圧Ｖｏを生成することが可能である。

しかしながら、上記従来の電源装置は、先述した通り、チャージ動作時（図６（ｂ））とポンプ動作時（図６（ｃ））のいずれにおいても、チャージポンプ回路３０にて、レギュレータ回路２０の定常電圧Ｖｉを使用する構成とされていたため、ポンプ動作時における系全体のオン抵抗がレギュレータ回路２０を挿入した分だけ高くなり、その昇圧効率が低下していた。その結果、上記従来の電源装置では、バッテリ１０の残量を最大限に活用することができなかった。

本発明は、上記の問題点に鑑み、昇圧効率を高めることが可能な電源装置及びこれを用いた電気機器を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明に係る電源装置は、電源電圧を生成する直流電圧源と、前記電源電圧から所定の定常電圧を生成するレギュレータ回路と、複数のスイッチを用いてキャパシタの充放電を行うことにより入力電圧を昇圧して出力電圧を生成するチャージポンプ回路と、を有して成る電源装置であって、前記チャージポンプ回路は、チャージ動作時には前記定常電圧を用いて前記キャパシタの充電を行う一方、ポンプ動作時には前記電源電圧を用いてポンプ動作を行い、前記キャパシタの放電を行う構成（第１の構成）とされている。

なお、上記第１の構成から成る電源装置において、前記レギュレータ回路は、その出力電流を所定の上限値に抑制する過電流リミッタ手段を有して成る構成（第２の構成）にするとよい。

また、上記第２の構成から成る電源装置は、前記出力電圧が所定の閾値電圧よりも低いか否かを検出する検出部と、その検出結果に応じて前記チャージポンプ回路のスイッチング制御を行う制御部と、を有して成り、前記制御部は、前記出力電圧が所定の閾値電圧よりも低いときに、前記チャージポンプ回路の昇圧動作を停止させ、かつ、前記レギュレータ回路の出力端と前記出力電圧の引出端とを短絡させるように、前記チャージポンプ回路のスイッチング制御を行う構成（第３の構成）にするとよい。

また、上記第３の構成から成る電源装置において、前記チャージポンプ回路は、電荷蓄積用の第１キャパシタ及び第２キャパシタと；一端が前記レギュレータ回路の出力端に接続され、他端が第１キャパシタの一端に接続された第１スイッチと；一端が第１キャパシタの一端に接続され、他端が前記出力電圧の引出端に接続された第２スイッチと；一端が第１キャパシタの他端に接続され、他端が第２キャパシタの一端に接続された第３スイッチと；一端が前記直流電圧源の正極端に接続され、他端が第１キャパシタの他端に接続された第４スイッチと；一端が第２キャパシタの他端に接続され、他端が接地端に接続された第５スイッチと；一端が前記直流電圧源の正極端に接続され、他端が第２キャパシタの他端に接続された第６スイッチと；一端が第２キャパシタの一端に接続され、他端が前記出力電圧の引出端に接続された第７スイッチと；を有して成り、チャージ動作時には、第１スイッチ、第３スイッチ、及び第５スイッチがそれぞれオンとされ、その余のスイッチがそれぞれオフとされるものであり、ポンプ動作時には、第２スイッチ、第４スイッチ、第６スイッチ、及び、第７スイッチがそれぞれオンとされ、その余のスイッチがそれぞれオフとされるものであり、かつ、前記出力電圧が所定の閾値電圧よりも低いときには、第１スイッチ及び第２スイッチがそれぞれオンとされ、その余のスイッチについては、前記直流電圧源の正極端から前記出力電圧の引出端への直接的な電流経路を遮断するように、それぞれスイッチング制御されるものである構成（第４の構成）にするとよい。

また、本発明に係る電気機器は、負荷への電力供給手段として、上記第１〜第４いずれかの構成から成る電源装置を備えた構成（第５の構成）とされている。

上記したように、本発明に係る電源装置であれば、ポンプ動作時にレギュレータ回路を系から切り離すことで系全体のオン抵抗を低減し、その昇圧効率を高めることができる。従って、直流電圧源としてバッテリを用いた場合には、その残量を最大限に活用することが可能となる。

以下では、液晶表示パネルを背面から照射するバックライト装置において、その光源である発光ダイオードへの電力供給手段として、本発明に係る電源装置を適用した場合を例に挙げて説明を行う。

図１は、本発明に係るバックライト装置の一実施形態を示すブロック図（一部に回路要素を含む）である。本図に示すように、本実施形態のバックライト装置は、負荷（複数の発光ダイオードを並列接続して成る発光ダイオード列、以下では、単にＬＥＤ、或いは、ＬＥＤ列と呼ぶ）への電力供給手段として、直流電圧源１と、レギュレータ回路２と、チャージポンプ回路３と、検出部４と、制御部５と、電流源６１〜６ｎと、を集積化して成る電源ＩＣを有して成る。

このようなＬＥＤ列をバックライトとして用いる液晶表示装置であれば、蛍光管等を用いる構成に比べて、省電力、長寿命、低発熱、省スペースといった効果を得ることが可能となる。また、ＬＥＤを用いた他のバックライトよりも、さらに省電力、低発熱になる。

また、ＬＥＤ列を構成する各ＬＥＤは、赤、緑、青の発光色を有する３つのＬＥＤ素子を一群として成るものであり、各ＬＥＤ素子の出射光を混合することによって、所望の発光色（本実施形態では白色）を有する照明光を生成するものである。このような白色ＬＥＤをバックライトとして用いる液晶表示装置であれば、蛍光管等を用いる構成に比べて、液晶表示パネルの色再現範囲を広げることが可能となる。

直流電圧源１は、直流電圧を生成する手段であり、本実施形態では、バッテリ電圧Ｖｂａｔを生成するバッテリ（リチウムイオン電池などの二次電池）を用いている。なお、直流電圧源１としては、商用交流電圧を直流電圧に変換する交流／直流コンバータを用いても構わない。

レギュレータ回路２は、後述する帰還電圧Ｖｆｂ１〜Ｖｆｂｎのうち、最低の電圧値を有する帰還電圧が所定の参照電圧Ｖｒｅｆと一致するように、バッテリ電圧Ｖｂａｔから所定の定常電圧Ｖｉを生成する手段であり、例えば、直流電圧源１とチャージポンプ回路３との電流経路に直列接続されたパワートランジスタのオン抵抗制御を行うシリーズレギュレータ等を用いればよい。

なお、本実施形態のレギュレータ回路２は、その出力電流を所定の上限値に抑制する過電流リミッタ手段（不図示）を備えて成る。より具体的に述べると、本実施形態のレギュレータ回路２は、上記の過電流リミッタ手段として、定常時の電流制限を行う電流帰還回路と、起動時の電流制限を行うソフトスタート回路と、を備えて成る。このような過電流リミッタ機能を備えたレギュレータ回路２であれば、装置の起動直後などにおいて、チャージポンプ回路３に流れ込む過大な電流を抑制することが可能となる。

また、レギュレータ回路２の過電流リミッタ機能は、出力ショート時における過電流抑制にも活用されるが、これについては、後ほど詳細な説明を行うことにする。

チャージポンプ回路３は、複数のスイッチＳＷ１〜ＳＷ７を用いてキャパシタＣ１〜Ｃ２（互いに同一容量）の充放電を行うことにより、入力電圧を所定の倍率（本実施形態では１．５倍昇圧動作）で昇圧して出力電圧Ｖｏを生成する手段である。

なお、スイッチＳＷ１は、一端が前記レギュレータ回路の出力端に接続され、他端が第１キャパシタの一端に接続されている。スイッチＳＷ２は、一端がキャパシタＣ１の一端に接続され、他端が出力電圧引出端Ｔｏに接続されている。スイッチＳＷ３は、一端がキャパシタＣ１の他端に接続され、他端がキャパシタＣ２の一端に接続されている。スイッチＳＷ４は、一端が直流電圧源１の正極端に接続され、他端がキャパシタＣ１の他端に接続されている。スイッチＳＷ５は、一端がキャパシタＣ２の他端に接続され、他端が接地端に接続されている。スイッチＳＷ６は、一端が直流電圧源１の正極端に接続され、他端がキャパシタＣ２の他端に接続されている。スイッチＳＷ７は、一端がキャパシタＣ２の一端に接続され、他端が出力電圧引出端Ｔｏに接続されている。

検出部４は、出力電圧Ｖｏ（或いはその分圧電圧）が所定の閾値電圧Ｖｔｈよりも低いか否かを検出する手段であり、比較回路や抵抗分割回路を用いて構成されるものである。なお、上記の閾値電圧Ｖｔｈとしては、出力ショート（地絡）を検出するための低電圧値が設定されている。

制御部５は、検出部４での検出結果に応じて、チャージポンプ回路３のスイッチング制御（スイッチＳＷ１〜ＳＷ７に対するクロック信号のゲート制御）、並びに、レギュレータ回路２の過電流リミッタ増強制御を行う手段である。なお、当該制御については、後ほど詳細な説明を行うことにする。

電流源６１〜６ｎは、ＬＥＤ列の駆動電流を制御する手段、並びに、帰還電圧Ｖｆｂ１〜Ｖｆｂｎを生成する手段として、ＬＥＤ列と接地端との間に接続されている。

以下では、上記構成から成る電源ＩＣの動作について詳細な説明を行う。

まず、チャージポンプ回路３の通常動作（昇圧動作）について詳細に説明する。

上記構成から成るチャージポンプ回路３において、そのチャージ動作時には、スイッチＳＷ１、スイッチＳＷ３、及び、スイッチＳＷ５がそれぞれオンとされ、その余のスイッチがそれぞれオフとされる。このようなスイッチング制御によって、チャージポンプ回路３の等価回路は、図２（ａ）に示すように、レギュレータ回路２の出力端と接地端との間に、キャパシタＣ１〜Ｃ２が直列接続された形となる。従って、キャパシタＣ１〜Ｃ２はその両端電位差が各々１／２Ｖｉになるまで充電される。

一方、ポンプ動作時には、スイッチＳＷ２、スイッチＳＷ４、スイッチＳＷ６、及び、スイッチＳＷ７がそれぞれオンとされ、その余のスイッチがそれぞれオフとされる。このようなスイッチング制御によって、チャージポンプ回路３の等価回路は、図２（ｂ）に示すように、直流電圧源１の正極端と出力電圧引出端Ｔｏとの間に、キャパシタＣ１〜Ｃ２が並列接続された形となる。従って、キャパシタＣ１〜Ｃ２の他端は、接地電圧ＧＮＤからバッテリ電圧Ｖｂａｔまで引き上げられるので、出力電圧Ｖｏとしては、バッテリ電圧Ｖｂａｔに上記の充電電圧１／２Ｖｉを加えた電圧が引き出される。

上記したように、本実施形態のチャージポンプ回路３は、チャージ動作時には定常電圧Ｖｉを用いてキャパシタＣ１〜Ｃ２の充電を行う一方、ポンプ動作時には電源電圧Ｖｂａｔを用いてポンプ動作を行い、キャパシタＣ１〜Ｃ２の放電を行う構成とされている。このような構成とすることにより、ポンプ動作時にレギュレータ回路２を系から切り離すことで、系全体のオン抵抗を低減することができるので、その昇圧効率を高めることができる。従って、直流電圧源１としてバッテリを用いた場合には、その残量を最大限に活用することが可能となる。

次に、出力ショート時におけるチャージポンプ回路３の保護動作について、図１、図２とともに、図３を参照しながら、詳細に説明する。

図３は、出力ショート時におけるチャージポンプ回路３の保護動作を説明するためのフローチャートである。

ステップＳ１にて、チャージポンプ回路３の通常動作（先述の１．５倍昇圧動作）が行われている間、検出部４では、出力電圧Ｖｏが閾値電圧Ｖｔｈよりも低いか否かの検出が行われる（ステップＳ２）。ここで、出力電圧Ｖｏが閾値電圧Ｖｔｈよりも低いと判定された場合には、フローがステップＳ３に進められる。一方、出力電圧Ｖｏが閾値電圧Ｖｔｈよりも低くないと判定された場合には、フローがステップＳ１に戻され、チャージポンプ回路３の通常動作が継続される。

ステップＳ２にて、出力電圧Ｖｏが閾値電圧Ｖｔｈよりも低いと判定された場合、制御部５は、出力ショートが生じたという認識の下、チャージポンプ回路３の昇圧動作を停止させ、かつ、レギュレータ回路２の出力端と出力電圧引出端Ｔｏとを短絡させるように、言い換えれば、定常電圧Ｖｉを出力電圧Ｖｏとして直接出力するように、チャージポンプ回路３のスイッチング制御を行う（ステップＳ３、Ｓ４）。

より具体的に述べると、出力電圧Ｖｏが閾値電圧Ｖｔｈよりも低いと判定された場合、チャージポンプ回路３では、スイッチＳＷ１及びスイッチＳＷ２がそれぞれオンとされ、その余のスイッチについては、直流電圧源１の正極端から出力電圧引出端Ｔｏへの直接的な電流経路を遮断するように、それぞれスイッチング制御される。なお、最も単純には、スイッチＳＷ１〜ＳＷ２をオンとし、その余のスイッチを全てオフとすればよい。

このような構成とすることにより、出力ショート時には、図２（ｃ）に示すように、直流電圧源１から出力電圧引出端Ｔｏへの電流経路が、レギュレータ回路２を経由するルートのみとなるので、レギュレータ回路２に過大な電流が流れることになり、その過電流リミッタ手段が必ず動作することになる（ステップＳ５）。

従って、本実施形態の電源ＩＣであれば、ポンプ動作時にレギュレータ回路２を系から切り離すことで系全体のオン抵抗を低減しつつ、出力ショート時には、レギュレータ回路２に具備された過電流リミッタ機能を有効に活用することができるので、出力ショート時に過大な電流が流れることを防止し、電源ＩＣを破壊から保護することも可能となる。

また、本実施形態の電源ＩＣは、上記のステップＳ５における過電流リミッタ機能の発動に先立ち、制御部５を用いて、レギュレータ回路２の過電流リミッタ増強制御を行う構成とされている。より具体的に述べると、本実施形態の電源ＩＣは、レギュレータ回路２が定常状態に至り、既にその役目を終えているソフトスタート回路の再起動（ソフトスタートコンデンサの放電）を行うことで、レギュレータ回路２に起動時と同様の厳しい電流制限を行わせる構成とされている。このような構成とすることにより、出力ショート時の過大電流を効果的に抑制し、電源ＩＣを破壊から保護することが可能となる。

なお、ステップＳ４にて、チャージポンプ回路３の保護動作（１倍昇圧動作）が行われている間も、検出部４では、出力電圧Ｖｏが閾値電圧Ｖｔｈよりも低いか否かの検出が行われる（ステップＳ６）。ここで、出力電圧Ｖｏが閾値電圧Ｖｔｈよりも低いと判定された場合には、フローがステップＳ４に戻され、引き続いてチャージポンプ回路３の保護動作が継続される。一方、出力電圧Ｖｏが閾値電圧Ｖｔｈよりも低くないと判定された場合には、フローがステップＳ１に戻され、チャージポンプ回路３が通常動作に復帰される。

従って、電源ＩＣの通常起動時には、レギュレータ回路２の過電流リミッタ手段が動作しながら出力電圧Ｖｏの立上げが行われ、出力電圧Ｖｏが閾値電圧Ｖｔｈよりも高くなると、チャージポンプ回路３が保護動作から通常動作へと移行されることになる。

なお、上記実施形態では、並列接続されたＬＥＤ列を負荷とするチャージポンプ回路に本発明を適用した場合を例示して説明を行ったが、本発明の適用対象はこれに限定されるものではなく、直列接続されたＬＥＤ列を負荷とするチャージポンプ回路（図４を参照）や、単一のＬＥＤを負荷とするチャージポンプ回路にも適用することが可能である。

また、上記の実施形態では、バックライト装置の光源であるＬＥＤへの電力供給手段として、本発明に係る電源装置を適用した場合を例に挙げて説明を行ったが、本発明の適用対象はこれに限定されるものではなく、チャージポンプ回路を備えた電源装置全般に広く適用することが可能である。

また、本発明の構成は、上記実施形態のほか、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることが可能である。

例えば、上記実施形態では、チャージポンプ回路３を１．５倍昇圧型として説明を行ったが、本発明の構成はこれに限定されるものではなく、その昇圧倍率はいかなる値であっても構わない。すなわち、図５に示すように、２倍昇圧型のチャージポンプ回路にも、本発明を適用することが可能である。また、図１の電流源６１〜６ｎに代えて、外付け抵抗Ｒ（図４を参照）を用いても構わない。

また、上記実施形態では、バックライト装置の発光手段として、赤色光、緑色光、青色光を混合して白色光を生成するＬＥＤを例に挙げて説明を行ったが、本発明の適用対象はこれに限定されるものではなく、その他の発色光を混合して所望の発色光を出射する発光手段や、単色光を出射する発光手段を用いた構成についても、当然に本発明を適用することが可能である。

本発明は、電源装置の効率向上並びに信頼性向上を図る上で有用な技術であり、本発明に係る電源装置は、例えば、携帯電話端末、携帯ゲーム機など、液晶のバックライトに白色ＬＥＤを使用している全ての電気機器、その他、チャージポンプ方式の昇圧回路を備えた全ての電気機器に搭載することが可能である。

は、本発明に係るバックライト装置の一実施形態を示すブロック図である。は、チャージポンプ回路３の動作を説明するための図である。は、チャージポンプ回路３の動作を説明するためのフローチャートである。は、本発明に係るバックライト装置の一変形例を示すブロック図である。は、本発明に係るバックライト装置の別の変形例を示すブロック図である。は、電源装置の一従来例を示すブロック図である。

符号の説明

１直流電圧源（バッテリ）
２レギュレータ回路
３チャージポンプ回路
４検出部
５制御部
６１〜６ｎ電流源
ＬＥＤ負荷（発光ダイオード列）
Ｒ外付け抵抗
Ｔｏ出力電圧引出端
Ｃ１〜Ｃ２キャパシタ
ＳＷ１〜ＳＷ７スイッチ

Claims

電源電圧を生成する直流電圧源と、
前記電源電圧から所定の定常電圧を生成するレギュレータ回路と、
複数のスイッチを用いてキャパシタの充放電を行うことにより入力電圧を昇圧して出力電圧を生成するチャージポンプ回路と、
前記出力電圧が所定の閾値電圧よりも低いか否かを検出する検出部と、
前記検出部の検出結果に応じて前記チャージポンプ回路のスイッチング制御を行う制御部と、
を有して成る電源装置であって、
前記チャージポンプ回路は、チャージ動作時には前記定常電圧を用いて前記キャパシタの充電を行う一方、ポンプ動作時には前記電源電圧を用いてポンプ動作を行い、前記キャパシタの放電を行うものであり、
前記レギュレータ回路は、その出力電流を所定の上限値に抑制する過電流リミッタ手段を有して成り、
前記制御部は、前記出力電圧が所定の閾値電圧よりも低いときに、前記チャージポンプ回路の昇圧動作を停止させ、かつ、前記レギュレータ回路の出力端と前記出力電圧の引出端とを短絡させるように、前記チャージポンプ回路のスイッチング制御を行うことを特徴とすることを特徴とする電源装置。
前記チャージポンプ回路は、電荷蓄積用の第１キャパシタ及び第２キャパシタと；一端が前記レギュレータ回路の出力端に接続され、他端が第１キャパシタの一端に接続された第１スイッチと；一端が第１キャパシタの一端に接続され、他端が前記出力電圧の引出端に接続された第２スイッチと；一端が第１キャパシタの他端に接続され、他端が第２キャパシタの一端に接続された第３スイッチと；一端が前記直流電圧源の正極端に接続され、他端が第１キャパシタの他端に接続された第４スイッチと；一端が第２キャパシタの他端に接続され、他端が接地端に接続された第５スイッチと；一端が前記直流電圧源の正極端に接続され、他端が第２キャパシタの他端に接続された第６スイッチと；一端が第２キャパシタの一端に接続され、他端が前記出力電圧の引出端に接続された第７スイッチと；を有して成り、チャージ動作時には、第１スイッチ、第３スイッチ、及び、第５スイッチがそれぞれオンとされ、その余のスイッチがそれぞれオフとされるものであり、ポンプ動作時には、第２スイッチ、第４スイッチ、第６スイッチ、及び、第７スイッチがそれぞれオンとされ、その余のスイッチがそれぞれオフとされるものであり、かつ、前記出力電圧が所定の閾値電圧よりも低いときには、第１スイッチ及び第２スイッチがそれぞれオンとされ、その余のスイッチについては、前記直流電圧源の正極端から前記出力電圧の引出端への直接的な電流経路を遮断するように、それぞれスイッチング制御されるものであることを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
負荷への電力供給手段として、請求項１または請求項２に記載の電源装置を備えて成ることを特徴とする電気機器。