JP4855153B2 - 電源装置、レギュレータ回路、チャージポンプ回路およびそれらを用いた電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、電源装置に関する。

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ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）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。たとえば、、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、その出力であるバッテリ電圧は通常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方式等の昇圧回路を用い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。特許文献１、２には、関連する技術が記載されている。

特開２００１−２２３０９５号公報 特開２００２−２０４５６９号公報

昇圧回路としてチャージポンプ回路を用いる場合、負荷に供給する電圧を、バッテリ電圧によらずに一定に保つために、チャージポンプ回路の前段にレギュレータ回路を設ける場合がある。

チャージポンプ回路は、フライングキャパシタを充電し、フライングキャパシタに蓄えられた電荷を出力キャパシタに転送することにより、入力された電圧を昇圧して出力する。上述のように、チャージポンプ回路の前段にレギュレータ回路を設けた場合、フライングキャパシタへの充電電流は、レギュレータ回路から供給されることになる。

本発明者はこうした状況下、以下の課題を認識するに至った。チャージポンプ回路は、通常、昇圧率が切り換え可能に構成される。もっともシンプルな構成では、１倍と２倍の昇圧率が切り換え可能である。ある昇圧率で動作していたチャージポンプ回路を、別の昇圧率に切り換えると、フライングキャパシタの充電経路が切り換えられるため、フライングキャパシタに対して突入電流が発生する場合がある。かかる突入電流は回路の信頼性に影響を及ぼすおそれがあるため、極力抑制する必要がある。この問題は、負荷の駆動能力を上げるために、トランジスタのサイズを大きくした場合、さらに顕著となる。

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、突入電流を抑制した電源装置の提供にある。

本発明のある態様は、入力された電圧を、昇圧率倍した出力電圧を生成するチャージポンプ回路と、チャージポンプ回路の前段に設けられ、チャージポンプ回路の入力電圧を調節するレギュレータ回路と、チャージポンプ回路の昇圧率の切り換え時に、レギュレータ回路からチャージポンプ回路への電流供給能力を低下せしめる制御部と、を備える。

この態様によると、昇圧率の切り換えにより、チャージポンプ回路のフライングキャパシタへの充電経路が切り換わる際に、電流供給能力が低下させることにより充電電流が抑制されるため、突入電流の発生を抑制することができる。

レギュレータ回路は、一端に外部から入力される入力電圧が印加され、他端がチャージポンプ回路の入力端子に接続された出力トランジスタと、電位が安定すべき端子の電圧に応じた帰還電圧と、所定の基準電圧とが入力され、帰還電圧が基準電圧に近づくように、出力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。制御部は、出力トランジスタの電流供給能力を強制的に変化させてもよい。

ある態様において、制御部は、出力トランジスタの制御端子の電圧を強制的に変化させることにより、電流供給能力を変化させてもよい。制御部は、一端に入力電圧が印加され、他端がトランジスタの制御端子に接続されたスイッチ素子を含み、当該スイッチ素子をオンすることにより、出力トランジスタの制御端子の電圧を強制的に変化させてもよい。
出力トランジスタの制御端子の電圧を、出力トランジスタがオフする方向に変化させることにより、電流供給能力を低下させることができる。

制御部は、出力トランジスタの実効的なサイズを変化させることにより、電流供給能力を変化させてもよい。

制御部は、チャージポンプ回路の昇圧率を設定する昇圧率設定部と、昇圧率設定部から、昇圧率の切り換えを指示する信号が出力されてから所定の期間、レギュレータ回路の電流供給能力を低下せしめる能力設定部と、を含んでもよい。
所定の期間を、突入電流が発生する時間に応じて設定することにより、チャージポンプ回路の動作に影響を及ぼすことなく、突入電流を抑制することができる。

所定の期間は、チャージポンプ回路に供給されるクロック信号の周期の整数倍であってもよい。この場合、チャージポンプ回路の動作の数クロック分だけ、フライングキャパシタの充電が抑制されることになり、チャージポンプ動作に影響を及ぼすことなく、突入電流を抑制できる。

制御部は、昇圧率の切り換え時において、チャージポンプ回路への電流供給を遮断してもよい。

電源装置は、一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。

本発明の別の態様は、レギュレータ回路である。このレギュレータ回路は、入力インピーダンスが非連続的に変化する負荷回路の前段に設けられるレギュレータ回路であって、一端に外部から入力される入力電圧が印加され、他端が負荷回路の入力端子に接続された出力トランジスタと、負荷回路の入力インピーダンスの変動時に、出力トランジスタの電流供給能力を低下させる制御部と、を備える。

この態様によると、負荷回路のインピーダンスの変動時に、突入電流が発生するのを抑制することができる。

負荷回路は、昇圧率の切り換え時に入力インピーダンスが不連続となるチャージポンプ回路であって、制御部は、チャージポンプ回路の昇圧率の切り換え時に、出力トランジスタの電流供給能力を低下させてもよい。

本発明の別の態様は、入力電圧を、切り換え可能な昇圧率に応じて昇圧した出力電圧を生成するチャージポンプ回路に関する。このチャージポンプ回路は、少なくとも一つのフライングキャパシタと、入力電圧が印加される入力端子から、フライングキャパシタに至る経路に設けられ、フライングキャパシタへの充電電流を制限する電流制限素子と、昇圧率を設定するとともに、昇圧率の切り換え時に、電流制限素子により充電電流を制限する制御部と、を備える。

この態様によれば、昇圧率の切り換え時に、フライングキャパシタに対して流れ込む突入電流を抑制することができる。

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、発光素子と、発光素子を負荷として駆動する上述の電源装置と、を備える。

なお、以上の構成要素の任意の組み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、突入電流を抑制することができる。

以下本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合せは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

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、携帯電話端末などの電池駆動型の電子機器に搭載され、ＬＥＤなどのバッテリ電圧より高い電圧を要求する負荷を駆動するために用いられる。電源装置１００は、入力端子１０２に入力された入力電圧Ｖｉｎを安定化して、出力端子１０４に接続される負荷回路に対して出力電圧Ｖｏｕｔを供給する。本実施の形態に係る電源装置１００は、出力電圧Ｖｏｕｔが一定値に保たれるように帰還を行う。すなわち、出力端子１０４が、電位が安定すべき端子となる。

電源装置１００は、チャージポンプ回路１０、レギュレータ回路２０、制御部３０を備える。
チャージポンプ回路１０は、入力された電圧Ｖｉｎ’を昇圧率α倍し、出力電圧Ｖｏｕｔを生成する。たとえば、、チャージポンプ回路１０は、２つのフライングキャパシタＣｆ１、Ｃｆ２および出力キャパシタＣｏを備え、昇圧率αが１倍、１．５倍、２倍で切り換えられるものとする。チャージポンプ回路の構成については、広く知られているため、ここでは説明を省略する。

レギュレータ回路２０は、チャージポンプ回路１０の前段に設けられ、チャージポンプ回路１０の入力電圧Ｖｉｎ’を調節する。レギュレータ回路２０は、出力トランジスタＭ１、誤差増幅器２２、第１抵抗Ｒ１、第２抵抗Ｒ２を含む。
出力トランジスタＭ１は、一端（ソース）に外部から入力される入力電圧Ｖｉｎが印加され、他端（ドレイン）がチャージポンプ回路１０の入力端子１２に接続される。誤差増幅器２２の２つの入力端子には、電位が安定すべき端子、すなわち出力端子１０４の出力電圧Ｖｏｕｔに応じた帰還電圧Ｖｆｂと、所定の基準電圧Ｖｒｅｆとが入力される。誤差増幅器２２は、帰還電圧Ｖｆｂが基準電圧Ｖｒｅｆに近づくように、出力トランジスタＭ１の制御端子（ゲート）の電圧を調節する。出力電圧Ｖｏｕｔと、帰還電圧Ｖｆｂは、Ｖｆｂ＝Ｖｏｕｔ×Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２）の関係が成り立つから、出力電圧Ｖｏｕｔは、帰還によって、
Ｖｏｕｔ＝Ｖｒｅｆ×（Ｒ１＋Ｒ２）／Ｒ２
を目標値として安定化される。

制御部３０は、チャージポンプ回路１０の昇圧率αを設定する。制御部３０は、チャージポンプ回路１０の昇圧率αの切り換え時に、レギュレータ回路２０からチャージポンプ回路１０への電流供給能力を低下せしめる。

ある態様において、制御部３０は、昇圧率設定部３２、能力設定部３４を含む。昇圧率設定部３２は、チャージポンプ回路１０の昇圧率αを設定する。昇圧率αを切り換えるための方式は特に限定されるものではないが、一例として、昇圧率設定部３２は、出力電圧Ｖｏｕｔを監視し、出力電圧Ｖｏｕｔが、負荷を駆動するために必要なしきい値電圧を下回ると、昇圧率を１段階上昇させる。昇圧率αを設定する制御信号ＳＩＧ１は、チャージポンプ回路１０へと出力されるとともに、能力設定部３４へと出力される。能力設定部３４は、制御信号ＳＩＧ１を受け、昇圧率設定部３２から、昇圧率αの切り換えを指示する信号が出力されたことを検出する。能力設定部３４は、昇圧率αの切り換えが指示されてから所定の期間（以下、オフ時間Ｔｏｆｆともいう）、レギュレータ回路２０の電流供給能力を低下せしめる。

ある態様において、制御部３０は、出力トランジスタＭ１の電流供給能力を強制的に変化させる。たとえば、、制御部３０は、出力トランジスタＭ１のゲート電圧を出力トランジスタＭ１がオフする方向にシフトさせる。

図２は、能力設定部３４の構成を示す回路図である。能力設定部３４は、タイミング設定部３６、インバータ３８、スイッチＳＷ１を含む。
スイッチＳＷ１は、一端が入力端子１０２に接続されて入力電圧Ｖｉｎが印加され、他端が出力トランジスタＭ１のゲートに接続される。タイミング設定部３６には、制御信号ＳＩＧ１が入力され、制御信号ＳＩＧ１にもとづいて、スイッチＳＷ１をオンするタイミングを設定する。タイミング設定部３６は、制御信号ＳＩＧ１に応じて、所定の期間Ｔｏｆｆの間、ハイレベルとなるオフ信号Ｓｏｆｆを出力する。たとえば、、タイミング設定部３６は、タイマ回路を用いて構成される。この場合、タイマ回路は、チャージポンプ回路１０のスイッチング動作を制御するために供給されるクロック信号と同一のクロック信号をカウントしてもよい。好適には、所定の期間Ｔｏｆｆは、クロック信号の１周期から１０周期程度に設定される。この値は、実験により最適化することができる。クロック信号が１ＭＨｚの場合、所定の期間Ｔｏｆｆは、１μｓ〜１０μｓ程度に設定される。なお、タイミング設定部３６は、ワンショット回路などを用いて構成してもよい。

インバータ３８は、オフ信号Ｓｏｆｆを反転し、スイッチＳＷ１のゲートに供給する。オフ信号Ｓｏｆｆがハイレベルとなる所定の期間Ｔｏｆｆの間、スイッチＳＷ１はオンとなり、出力トランジスタＭ１のゲート電圧が強制的にソース電圧である入力電圧Ｖｉｎまで上昇し、出力トランジスタＭ１がオフし、電流供給能力が低下（遮断）される。オフ信号Ｓｏｆｆがハイレベルの期間に、出力トランジスタＭ１を完全にオフするか、オンの程度を弱めるかは、適宜選択すればよい。

別の構成例では、出力トランジスタＭ１を、実効的なサイズが変更可能に構成する。すなわち、出力トランジスタＭ１を、並列接続された複数のトランジスタで構成し、オフ信号Ｓｏｆｆがハイレベルの期間、いずれかのトランジスタをオフしてもよい。この構成によっても、昇圧率αの切り換え時に、レギュレータ回路２０の電流供給を低減させることができる。

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３（ａ）〜（ｄ）は、図１の電源装置１００の起動時の動作波形を示す図である。同図（ａ）は、出力電圧Ｖｏｕｔを、同図（ｂ）は、昇圧率αを、同図（ｃ）は、オフ信号Ｓｏｆｆを、同図（ｄ）は、レギュレータ回路２０の出力電流Ｉｏｕｔを示す。動作波形は、説明のために縦軸、横軸が適宜拡大縮小されるとともに、実際の波形を簡略化して示すものである。時刻ｔ０に、電源装置１００が起動を開始する。

たとえば、、入力電圧（バッテリ電圧）Ｖｉｎが、３．２Ｖで、負荷を駆動するために必要な電圧が、４．８Ｖである場合、最終的な昇圧率αは、１．５倍に設定され、チャージポンプ回路の入力電圧Ｖｉｎ’は、３．２Ｖに調節される。すなわち、レギュレータ回路２０における電圧降下はほぼ０Ｖとなる。図１は、起動から、この最終状態に遷移するまでの様子を示している。

まず、本実施の形態に係る電源装置１００の効果を明確化するため、レギュレータ回路２０の電流供給能力の調節を行わない場合について説明する。このときのレギュレータ回路２０の出力電流Ｉｏｕｔの波形は、破線で示される。

起動時に、昇圧率設定部３２は、昇圧率αを１倍に設定する。昇圧率α＝１のとき、チャージポンプ回路１０の入力端子１２と出力端子１４は、内部のスイッチによって接続される。チャージポンプ回路１０の出力キャパシタＣｏは、出力トランジスタＭ１およびチャージポンプ回路１０の内部スイッチを介して充電され、出力電圧Ｖｏｕｔは時間とともに上昇する。出力電圧Ｖｏｕｔが、しきい値電圧Ｖｔｈを上回ると、昇圧率設定部３２は昇圧率αを１段階増加し、１．５倍に切り換える（時刻ｔ１）。

その後、チャージポンプ回路１０の昇圧動作により、出力キャパシタＣｏが充電されていき、出力電圧Ｖｏｕｔが上昇していき、時刻ｔ２に、入力電圧Ｖｉｎの１．５倍の電圧に安定化される。

ここで、レギュレータ回路２０の出力電流Ｉｏｕｔに着目する。レギュレータ回路２０の電流供給能力の制御を行わない場合、チャージポンプ回路１０の昇圧率αが切り換えられると、チャージポンプ回路１０内部の充電経路が切り替わるため、レギュレータ回路２０は非常に大きな電流を供給するように動作する。その結果、出力電流Ｉｏｕｔは、昇圧率の切り換えタイミングにおいて、急峻に上昇する。この出力電流Ｉｏｕｔの上昇は突入電流として回路の信頼性に影響を及ぼすおそれがある。

次に、本実施の形態に係る電源装置１００の動作について説明する。時刻ｔ１に昇圧率αが切り替わると、それからオフ時間Ｔｏｆｆの間、能力設定部３４からハイレベルのオフ信号Ｓｏｆｆが出力される。このオフ時間Ｔｏｆｆの間、出力トランジスタＭ１が強制的にオフ、もしくは非常に弱くオンの状態となり、電流能力が低下する。その結果、図３（ｄ）に示すように、レギュレータ回路２０の出力電流Ｉｏｕｔの上昇が抑制され、突入電流を抑制することができる。

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み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。

レギュレータ回路２０の電流供給能力を低下させる手法については、以下のような変形例がある。
たとえば、、能力設定部３４から出力されるオフ信号Ｓｏｆｆを、誤差増幅器２２の内部に入力し、結果として、誤差増幅器２２の出力電圧、すなわち出力トランジスタＭ１のゲート電圧が上昇するように回路を構成してもよい。また、出力トランジスタＭ１をメイントランジスタと、サブトランジスタに分割して構成し、通常の動作時（オフ信号Ｓｏｆｆがローレベル）の期間は、２つのトランジスタを動作させ、昇圧率切り換え時（オフ信号Ｓｏｆｆがハイレベル）の期間は、サブトランジスタのみを動作させてもよい。すなわち、出力トランジスタＭ１の実効的なサイズを、昇圧率の切り換えに際して変化させてもよい。また、出力トランジスタＭ１のバックゲート電圧を制御して電流能力を調節してもよい。

実施の形態では、レギュレータ回路２０およびチャージポンプ回路１０を備える電源装置１００を例に発明を説明したが、本発明を別の観点から考察すると、その特徴の一部は、レギュレータ回路２０に存在する。すなわち、レギュレータ回路２０は、広く負荷回路への突入電流を抑制するものであり、レギュレータ回路２０以外の負荷についても、同様の効果を奏するものである。

この場合、レギュレータ回路２０は、以下のように把握することができる。すなわち、レギュレータ回路２０は、入力インピーダンスが非連続的に変化する負荷回路の前段に設けられる。出力トランジスタＭ１は、一端に外部から入力される入力電圧Ｖｉｎが印加され、他端が負荷回路の入力端子に接続される。制御部は、負荷回路の入力インピーダンスの変動時に、出力トランジスタＭ１の電流供給能力を低下させる。このように把握すれば、チャージポンプ回路１０以外の負荷回路についても、本発明を適用することができる。

また、本発明を別の観点から考察すると、その特徴の一部は、チャージポンプ回路１０に存在すると考えられる。このチャージポンプ回路は、入力電圧Ｖｉｎを、切り換え可能な昇圧率αに応じて昇圧した出力電圧Ｖｏｕｔを生成する。このチャージポンプ回路は、少なくとも一つのフライングキャパシタＣｆを含む。電流制限素子は、入力電圧Ｖｉｎが印加される入力端子から、フライングキャパシタに至る経路に設けられ、フライングキャパシタへの充電電流を制限する。制御部は、昇圧率を設定するとともに、昇圧率の切り換え時に、電流制限素子により充電電流を制限する。この場合、図１の出力トランジスタＭ１を電流制限素子に、制御部を図１の制御部３０に対応付けることができる。

このように把握すれば、電流制限素子として、レギュレータ回路２０の出力トランジスタＭ１に換えて、別の構成要素を利用してもよい。この場合、レギュレータ回路２０は設けられていなくてもよい。たとえば、、電流制限素子を、チャージポンプ回路１０の内部のチャージポンプ用のスイッチ素子に対応付け、昇圧率の切り換え時に、スイッチ素子をオフすることにより充電電流を制御してもよい。

本実施の形態において、電源装置１００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、コストや占有面積などによって決めればよい。

実施の形態に係る電源装置の構成を示す回路図である。 能力設定部の構成を示す回路図である。 図３（ａ）〜（ｄ）は、図１の電源装置の起動時の動作波形を示す図である。

符号の説明

１０ チャージポンプ回路、 ２０ レギュレータ回路、 ２２ 誤差増幅器、 Ｍ１ 出力トランジスタ、 Ｒ１ 第１抵抗、 Ｒ２ 第２抵抗、 ３０ 制御部、 ３２ 昇圧率設定部、 ３４ 能力設定部、 ３６ タイミング設定部、 ３８ インバータ、 １００ 電源装置、 １０２ 入力端子、 １０４ 出力端子。

Claims (12)

1. 入力された電圧を、昇圧率倍した出力電圧を生成するチャージポンプ回路と、
   前記チャージポンプ回路の前段に設けられ、前記チャージポンプ回路の入力電圧を調節するレギュレータ回路と、
   前記チャージポンプ回路の昇圧率の切り換え時に、前記レギュレータ回路から前記チャージポンプ回路への電流供給能力を低下せしめる制御部と、
   を備えることを特徴とする電源装置。
2. 前記レギュレータ回路は、
   一端に外部から入力される入力電圧が印加され、他端が前記チャージポンプ回路の入力端子に接続された出力トランジスタと、
   電位が安定すべき端子の電圧に応じた帰還電圧と、所定の基準電圧とが入力され、前記帰還電圧が前記基準電圧に近づくように、前記出力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、
   を含み、
   前記制御部は、前記出力トランジスタの電流供給能力を強制的に変化させることを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
3. 前記制御部は、前記出力トランジスタの制御端子の電圧を強制的に変化させることにより、電流供給能力を変化させることを特徴とする請求項２に記載の電源装置。
4. 前記制御部は、一端に前記入力電圧が印加され、他端が前記トランジスタの制御端子に接続されたスイッチ素子を含み、当該スイッチ素子をオンすることにより、前記出力トランジスタの制御端子の電圧を強制的に変化させることを特徴とする請求項３に記載の電源装置。
5. 前記制御部は、前記出力トランジスタの実効的なサイズを変化させることにより、電流供給能力を変化させることを特徴とする請求項２に記載の電源装置。
6. 前記制御部は、
   前記チャージポンプ回路の昇圧率を設定する昇圧率設定部と、
   前記昇圧率設定部から、昇圧率の切り換えを指示する信号が出力されてから所定の期間、前記レギュレータ回路の電流供給能力を低下せしめる能力設定部と、
   を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の電源装置。
7. 前記制御部は、昇圧率の切り換え時において、前記チャージポンプ回路への電流供給を遮断することを特徴とする請求項１または２に記載の電源装置。
8. 一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または２に記載の電源装置。
9. 入力インピーダンスが非連続的に変化する負荷回路の前段に設けられるレギュレータ回路であって、
   一端に外部から入力される入力電圧が印加され、他端が前記負荷回路の入力端子に接続された出力トランジスタと、
   前記負荷回路の入力インピーダンスの変動時に、前記出力トランジスタの電流供給能力を低下させる制御部と、
   を備えることを特徴とするレギュレータ回路。
10. 前記負荷回路は、昇圧率の切り換え時に入力インピーダンスが不連続となるチャージポンプ回路であって、
    前記制御部は、前記チャージポンプ回路の昇圧率の切り換え時に、前記出力トランジスタの電流供給能力を低下させることを特徴とする請求項９に記載のレギュレータ回路。
11. 入力電圧を、切り換え可能な昇圧率に応じて昇圧した出力電圧を生成するチャージポンプ回路であって、
    少なくとも一つのフライングキャパシタと、
    前記入力電圧が印加される入力端子から、前記フライングキャパシタに至る経路に設けられ、前記フライングキャパシタへの充電電流を制限する電流制限素子と、
    昇圧率を設定するとともに、昇圧率の切り換え時に、前記電流制限素子により充電電流を制限する制御部と、
    を備えることを特徴とするチャージポンプ回路。
12. 発光素子と、
    前記発光素子を負荷として駆動する請求項１または２に記載の電源装置と、
    を備えることを特徴とする電子機器。

Images