JP6004772B2

JP6004772B2 - 充電回路及びその制御方法

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Publication number: JP6004772B2
Application number: JP2012138941A
Authority: JP
Inventors: 理湖山
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2012-06-20
Filing date: 2012-06-20
Publication date: 2016-10-12
Anticipated expiration: 2032-06-20
Also published as: JP2014002315A

Description

本発明は充電回路及びその制御方法に関する。

ストロボフラッシュ用のコンデンサを充電する手段として、トランスを用いた回路構成が知られている（例えば、特許文献１参照）。ストロボ充電回路は、所望の充電制御（充電時間、入力電流等）を高効率で実現する事を要求されており、デジタルカメラに内蔵されるストロボ充電回路では、充電用ＩＣによるフライバックトランスを用いた他励制御型が多く使われている。

特開２０００−３１４９０９号公報

フライバックトランスを用いた他励制御型では、スイッチング素子を流れる電流は入力電源の電圧とフライバックトランスの１次側のインダクタンスに依存する。従って、入力電源の電圧値が低く、フライバックトランスの１次側インダクタンスの初期バラツキが大きい場合には、充電する際の入力電流が少なくなり、充電時間が長くなる。

これに対し、フライバックトランスの１次側にあるスイッチング素子を流れる電流を検出し、その検出結果により所定の電流値でスイッチング素子を制御することが考えられる。

特許文献１に記載の回路構成では、単位時間当たりの電流変化の大きいトランス１次側での電流検出が必要になり、電流検出のための導通損失分の無効電力が常に発生する。

本発明は、所望の充電制御を低消費電力で高効率に実現できる充電回路及びその制御方法を提示することを目的とする。

本発明に係る充電回路は、１次側及び２次側を有する電力変換のためのトランスと、前記トランスの２次側の電流により充電を行う充電手段と、オン状態で電源から前記トランスの前記１次側に電流を供給し、オフ状態で前記１次側への電流の供給を停止する電流制御スイッチと、前記電流制御スイッチがオンであるときに前記１次側に流れる電流を検出する電流検出手段と、オン状態で前記電流検出手段をバイパスし、オフ状態で前記電流検出手段による検出を行わせるバイパススイッチと、前記電源の出力電圧値をモニタする電圧計測手段と、前記電圧計測手段の計測結果と、前記電流検出手段の検出結果とに従い、前記１次側に流れる電流が所定値になるまでの時間を決定し、前記決定した時間を前記電流制御スイッチのオン時間を示すオン時間情報として記憶手段に保持する演算手段と、前記バイパススイッチをオフにした状態で前記演算手段を動作させ、前記バイパススイッチをオンにした状態で、前記記憶手段に保持された前記オン時間情報に従い前記電流制御スイッチをオン／オフ制御する制御手段とを具備することを特徴とする。

本発明に係る充電回路の制御方法は、１次側及び２次側を有する電力変換のためのトランスと、前記トランスの２次側の電流により充電を行う充電手段と、オン状態で電源から前記トランスの前記１次側に電流を供給し、オフ状態で前記１次側への電流の供給を停止する電流制御スイッチと、前記電流制御スイッチがオンであるときに前記１次側に流れる電流を検出する電流検出手段と、オン状態で前記電流検出手段をバイパスし、オフ状態で前記電流検出手段による検出を行わせるバイパススイッチと、前記電源の出力電圧値をモニタする電圧計測手段と、前記電圧計測手段の計測結果と、前記電流検出手段の検出結果とに従い、前記１次側に流れる電流が所定値になるまでの時間を決定し、前記決定した時間を前記電流制御スイッチのオン時間を示すオン時間情報として記憶手段に保持する演算手段とを具備する充電回路を制御する方法であって、前記バイパススイッチをオフにした状態で前記演算手段を動作させるステップと、前記バイパススイッチをオンにした状態で、前記記憶手段に保持された前記オン時間情報に従い前記電流制御スイッチをオン／オフ制御するステップとを具備することを特徴とする。

本発明によれば、トランスのインダクタンス値のばらつきに関わらず、当該トランスのスイッチング駆動の適切なオン時間を決定でき、また、オン時間決定のための手段は充電時には電力を消費しない。これにより、低消費電力で高効率な充電を実現できる。

本発明の実施例１の回路図である。実施例１の制御フローチャートである。本発明の実施例２の回路図である。実施例２の制御フローチャートである。

以下、図面を参照して、本発明の実施例を詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施例の回路図を示し、図２は、図１に示す充電回路の充電制御動作のフローチャートを示す。

電源１０は、図示した充電回路を組み込んだ電子機器を駆動する電池からなる。電源１０は、本実施例では、１セルのＬｉ二次電池からなり、出力電圧範囲が２．８Ｖ乃至４．２Ｖであるとする。

電源１０の出力は、電力変換のためのフライバックトランス１２の１次側コイル、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ１４及び電流検出用の抵抗１６を介して、アースに接続する。ＭＯＳＦＥＴ１４は、フライバックトランス１２の１次側コイルへの電流供給をオン／オフ制御する電流制御スイッチである。抵抗１６に並列に、抵抗１６をバイパスするバイパススイッチとしてのＮチャネルＭＯＳＦＥＴ２０が接続する。フライバックトランス１２の２次側コイルは、整流ダイオード２２及びコンデンサ２４を介してアースに接続する。コンデンサ２４は、フライバックトランス１２の２次側の電流により充電される。

充電制御回路１８は、主要な要素としてタイミング検出部３０、メモリ４４、ロジック部４２及びバッファアンプ４６を具備する。充電制御回路１８は、充電開始制御信号ＣＨＧ、クロックＣＬＫ及び抵抗１６により計測される電流値Ａに従い、ＭＯＳＦＥＴ１４，２０のスイッチングを制御する。詳細は後述するが、充電制御回路１８は、コンデンサ２４への充電を開始するときＭＯＳＦＥＴ１４をオンに制御し、充電を停止するとき、ＭＯＳＦＥＴ１４をオフに制御する。充電制御回路１８はまた、抵抗１６による電流検出を行う期間だけ、ＭＯＳＦＥＴ２０をオフ状態にする。

図２を参照して、充電制御回路１８の動作を詳細に説明する。充電制御回路１８は、充電開始制御信号ＣＨＧが入力すると、図２に示すフローを開始する。ロジック部４２が充電開始制御信号ＣＨＧに従いメモリ４４の記憶データを消去し、低レベルのゲート駆動信号によりＭＯＳＦＥＴ２０をオフ状態にする（Ｓ２０１）。ＭＯＳＦＥＴ２０がオフのとき、抵抗１６による電流検出が可能になる。

次に、ロジック部４２は、バッファアンプ４６を介して高レベルのゲート駆動信号をＭＯＳＦＥＴ１４に供給して、ＭＯＳＦＥＴ１４をオンにする（Ｓ２０２）。ＭＯＳＦＥＴ１４がオンになることにより、電源１０からフライバックトランス１２の１次側コイルに電流Ｉｏｎが流れる。電源１０の電圧値をＶｉｎ、フライバックトランス１２の１次側インダクタンス値をＬｐ、ＭＯＳＦＥＴ１４のオン時間をＴｏｎとすると、電流Ｉｏｎは、Ｉｏｎ＝Ｖｉｎ・Ｔｏｎ／Ｌｐで増加する。

電流Ｉｏｎの電流検出用抵抗１６による電圧降下が、充電制御回路１８のタイミング検出部３０に入力する（Ｓ２０３）。抵抗１６は電流／電圧変換素子として機能し、電流Ｉｏｎを対応する電圧Ｖａに変換する。抵抗１６の抵抗値をＲｓとすると、抵抗１６での電圧降下Ｖａは、Ｖａ＝Ｒｓ・Ｖｉｎ・Ｔｏｎ／Ｌｐで表される。

本実施例では、消費電力を抑えるために抵抗１６として低抵抗品を用いている。タイミング検出部３０では、オペアンプ３６と抵抗３２，３４からなる増幅器で抵抗１６からの電圧Ｖａを増幅する。比較器３８が、オペアンプ３６の出力電圧Ｖｂを所定閾値電圧Ｖｒｅｆと比較する（Ｓ２０４）。比較器３８は、増幅後の電圧Ｖｂが閾値電圧Ｖｒｅｆよりも高くなると低（Ｌｏｗ）レベルをフリップフロップ（ＦＦ）４０に出力し、そうでないときには高い（Ｈｉｇｈ）レベルをＦＦ４０に出力する。

ＦＦ４０は、充電開始制御信号ＣＨＧにより起動され、クロック信号ＣＬＫに従い比較器３８の出力をフェッチする。ＭＯＳＦＥＴ１４がオン状態になるとＩｏｎが時間の経過に従い増加するので、ＦＦ４０は、ＭＯＳＦＥＴ１４がオンになってからＩｏｎが所定値になるまでの期間、高（Ｈｉｇｈ）レベルをロジック部４２に出力する。

ロジック部４２は、ＦＦ４０の出力が低（ｌｏｗ）レベルに落ちると、ＭＯＳＦＥＴ１４をオフにする（Ｓ２０５）。同時に、ロジック部４２は、ＭＯＳＦＥＴ１４をオンにした時間Ｔ１、即ち、ＦＦ４０の出力が高レベルであった時間Ｔ１を示すオン時間情報をメモリ４４に保存する（Ｓ２７０）。この時間Ｔ１は、以後、ＭＯＳＦＥＴ１４をＰＦＭ（パルス周波数変調）方式でスイッチング制御するオン時間として使用される。このようにして、抵抗１６による電流の検出結果から、トランス１２のインダクタンスに対して適切なオン時間を決定できる。以後、電流検出が不要になるので、ロジック部４２はまた、ＭＯＳＦＥＴ２０をオン状態にする（Ｓ２０７）。

メモリ４４に保持したオン時間情報が示すオン時間Ｔ１は、電源１０の出力電圧値Ｖｉｎにも、フライバックトランス１２の１次側インダクタンス値Ｌｐにも依存しない。ロジック部４２は以後、メモリ４４に保持されるオン時間情報が示すオン時間Ｔ１に従いＭＯＳＦＥＴ１４をＰＦＭ方式でスイッチング制御する（Ｓ２０８）。

以上の処理はいわば、ＭＯＳＦＥＴ１４をＰＦＭ方式でスイッチング制御するためのオン時間を決定する前処理である。以後、充電制御回路１８は、ＭＯＳＦＥＴ２０をオンに維持したまま、ＭＯＳＦＥＴ１４をＰＦＭ方式でスイッチング制御し、この制御によりコンデンサ２４は充電される（Ｓ２０９）。具体的には、ＭＯＳＦＥＴ１４がオンのとき、電源１０から供給される電流Ｉｏｎによりフライバックトランス１２のコアが励磁され、この間、整流ダイオード２２により２次側には電流が流れない。ＭＯＳＦＥＴ１４がオフになることにより、励磁によりコアに蓄積されたエネルギーが２次側で開放され、整流ダイオード２２を介して２次側の電流としてコンデンサ２４に供給され、コンデンサ２４を充電する。

実使用上、ＭＯＳＦＥＴ１４をＰＦＭ方式でスイッチング制御する際のオフ時間を決定し、充電完了となる２次側電圧を検出する必要がある。そのためには、例えば、ＭＯＳＦＥＴ１４をオフにしている間に、フライバックトランス１２の１次側に発生するフライバック電圧を監視すればよい。又は、ＭＯＳＦＥＴ１４をオフにしている間の、フライバックトランス１２の２次側の充電電流と充電電圧を検出すればよい。

電源１０は、Ｌｉ二次電池以外の電池でも良いし、商用電源を直流変換したＤＣ電源でもよい。トランス１２はフライバック型ではなく、フォーワード型でもよく、補助用のフライバック巻き線があるトランスでもよい。また、スイッチング素子１４，２０は、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ以外に、電流駆動型のバイポーラトランジスタでもよく、その他の半導体素子でもよい。スイッチング素子２０は機械的スイッチでもよい。

電流検出手段として単独の抵抗１６以外に、スイッチング素子をＩＣに内蔵化した際の配線抵抗分でもよく、電流Ｉｏｎにより電圧降下が発生する回路でもよい。

タイミング検出部３０では、オペアンプ３６及び抵抗３２，３４からなるアンプを省略し、比較器３８が直接、抵抗１６の電圧降下Ｖａを閾値電圧Ｖｒｅｆと比較しても良い。

ステップＳ２０９で充電動作を開始した後は、オン時間計測手段としてのタイミング検出部３０は不要となるので、電源を切り離してもよい。これにより消費電力を低減できる。タイミング検出部３０とメモリ４４は、ピーク・タイミング回路などを組んで構成してもよい。

スイッチング素子１４，２０及び電流検出用抵抗１６を充電制御回路１８と共にＩＣ化しても、一部を外付けとしてもよい。整流ダイオード２２をＦＥＴなどの半導体素子で置換できる。

ＰＦＭ方式は一般に、オフ時間を可変とするが、オフ時間を固定して、スイッチング素子１４をスイッチング制御してもよい。

図２に示すフローでは、オン電流Ｉｏｎが所定値に到達する時間を計測する処理（ステップＳ２０１〜Ｓ２０８）を充電開始時に実行しているが、適宜のタイミングで、例えば充電途中に割り込んで、実行しても良い。

本実施例では、フライバックトランス１２への入力電圧とインダクタンス値がばらついたとしても、所望の一定の充電制御を実現できる。電流検出により電力を消費するが、ごく短時間のみの実行に留まるので、消費電力は少ない。

図３は本発明の実施例２の回路図を示し、図４は図３に示す充電回路の充電制御動作のフローチャートを示す。図３において、図１と同じ構成要素には同じ符号を付してある。

充電制御回路１８ａは、比較器３８及びＦＦ４０の代わりに、オペアンプ３６の出力電圧Ｖｂをアナログ／デジタル変換するＡ／Ｄ変換器４８を具備する。また、電源１０の出力電圧をモニタするために、電源１０に並列に抵抗５０，５２を接続し、Ａ／Ｄ変換器５４が抵抗５２の降下電圧をアナログ・デジタル変換してロジック部４２ａに供給する。抵抗５０，５２及びＡ／Ｄ変換器５４は、電源１０の電圧を計測する電圧計測手段を構成する。

充電制御回路１８ａの動作を説明する。充電制御回路１８ａは、充電開始制御信号ＣＨＧが入力すると、図４に示すフローを開始する。ロジック部４２ａが充電開始制御信号ＣＨＧに従いメモリ４４の記憶データを消去し、低レベルのゲート駆動信号によりＭＯＳＦＥＴ２０をオフ状態にする（Ｓ４０１）。ＭＯＳＦＥＴ２０をオフ状態にすることにより、抵抗１６による電流計測が可能になる。

次に、ロジック部４２ａは、バッファアンプ４６を介して高レベルのゲート駆動信号をＭＯＳＦＥＴ１４に供給して、ＭＯＳＦＥＴ１４をオンにし（Ｓ４０２）、所定時間Ｔ２経過後に、オフにする（Ｓ４０３）。ＭＯＳＦＥＴ１４がオンになることにより、電源１０からフライバックトランス１２の１次側コイルに電流Ｉｏｎが流れる。Ａ／Ｄ変換器４８が抵抗１６の降下電圧Ｖａを増幅した電圧Ｖｂをデジタル値に変換してロジック部４２ａに供給し、Ａ／Ｄ変換器５４が電源１０の出力電圧の計測結果を示す分圧値をロジック部４２ａに供給する（Ｓ４０４）。

ロジック部４２ａは、Ａ／Ｄ変換器４８，５４の出力（電流Ｉｏｎと電源電圧のモニタ結果）からフライバックトランス１２の１次側インダクタンス値Ｌｐと、任意の電流Ｉｐを得るためのＭＯＳＦＥＴ１４のオン時間Ｔ３を演算する（Ｓ４０５）。演算内容を具体的に説明する。ＭＯＳＦＥＴ１４を所定時間Ｔ２、オンにしたときの１次側電流をＩｏｎ２、抵抗５０、５２の抵抗値をそれぞれＲ１、Ｒ２とする。
Ｉｏｎ２＝ΔＶａ／Ｒｓ
Ｖｉｎ＝Ｖｃ・（Ｒ１＋Ｒ２）／Ｒ２
Ｌｐ＝Ｖｉｎ・Ｔ２／Ｉｏｎ２
Ｔ３＝Ｌｐ・Ｉｐ／Ｖｉｎ
となり、ＬｐとＴ３を決定できる。

ロジック部４２ａは、この演算処理後にオン時間Ｔ３をメモリ４４に格納し（Ｓ４０６）、ＭＯＳＦＥＴ２０をオンにする（Ｓ４０７）。

次に、ロジック部４２ａは、オン時間Ｔ３のＰＦＭ方式でＭＯＳＦＥＴ１４をスイッチング制御する（Ｓ４０８）。これにより、コンデンサ２４への充電が開始される（Ｓ４０９）。

実施例２でも、実使用上、ＭＯＳＦＥＴ１４をＰＦＭ方式でスイッチング制御する際のオフ時間を決定し、充電完了となる２次側電圧を検出する必要がある。そのためには、例えば、ＭＯＳＦＥＴ１４をオフにしている間に、フライバックトランス１２の１次側に発生するフライバック電圧を監視すればよい。又は、ＭＯＳＦＥＴ１４をオフにしている間の、フライバックトランス１２の２次側の充電電流と充電電圧を検出すればよい。

実施例２でも、電源１０は、Ｌｉ二次電池以外の電池でも良いし、商用電源を直流変換したＤＣ電源でもよい。トランス１２はフライバック型ではなく、フォーワード型でもよく、補助用のフライバック巻き線があるトランスでもよい。また、スイッチング素子１４，２０は、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ以外に、電流駆動型のバイポーラトランジスタでもよく、その他の半導体素子でもよい。スイッチング素子２０は機械的スイッチでもよい。

Ａ／Ｄ変換器４８は、抵抗１６の降下電圧を直接、アナログ／デジタル変換してもよい。

図４に示すフローでは、オン電流Ｉｏｎが所定値に到達する時間Ｔ３を計測する処理（ステップＳ４０１〜Ｓ４０７）を充電開始時に実行しているが、適宜のタイミングで、例えば充電途中に割り込んで、実行しても良い。

本実施例でも、フライバックトランス１２への入力電圧とインダクタンス値がばらついたとしても、所望の一定の充電制御を実現できる。電流検出により電力を消費するが、ごく短時間のみの実行に留まるので、消費電力は少ない。

Claims

１次側及び２次側を有する電力変換のためのトランスと、
前記トランスの２次側の電流により充電を行う充電手段と、
オン状態で電源から前記トランスの前記１次側に電流を供給し、オフ状態で前記１次側への電流の供給を停止する電流制御スイッチと、
前記電流制御スイッチがオンであるときに前記１次側に流れる電流を検出する電流検出手段と、
オン状態で前記電流検出手段をバイパスし、オフ状態で前記電流検出手段による検出を行わせるバイパススイッチと、
前記電源の出力電圧値をモニタする電圧計測手段と、
前記電圧計測手段の計測結果と、前記電流検出手段の検出結果とに従い、前記１次側に流れる電流が所定値になるまでの時間を決定し、前記決定した時間を前記電流制御スイッチのオン時間を示すオン時間情報として記憶手段に保持する演算手段と、
前記バイパススイッチをオフにした状態で前記演算手段を動作させ、前記バイパススイッチをオンにした状態で、前記記憶手段に保持された前記オン時間情報に従い前記電流制御スイッチをオン／オフ制御する制御手段
とを具備することを特徴とする充電回路。
１次側及び２次側を有する電力変換のためのトランスと、
前記トランスの２次側の電流により充電を行う充電手段と、
オン状態で電源から前記トランスの前記１次側に電流を供給し、オフ状態で前記１次側への電流の供給を停止する電流制御スイッチと、
前記電流制御スイッチがオンであるときに前記１次側に流れる電流を検出する電流検出手段と、
オン状態で前記電流検出手段をバイパスし、オフ状態で前記電流検出手段による検出を行わせるバイパススイッチと、
前記電源の出力電圧値をモニタする電圧計測手段と、
前記電圧計測手段の計測結果と、前記電流検出手段の検出結果とに従い、前記１次側に流れる電流が所定値になるまでの時間を決定し、前記決定した時間を前記電流制御スイッチのオン時間を示すオン時間情報として記憶手段に保持する演算手段
とを具備する充電回路を制御する方法であって、
前記バイパススイッチをオフにした状態で前記演算手段を動作させるステップと、
前記バイパススイッチをオンにした状態で、前記記憶手段に保持された前記オン時間情報に従い前記電流制御スイッチをオン／オフ制御するステップ
とを具備することを特徴とする充電回路の制御方法。