JP6079257B2

JP6079257B2 - 定電圧発生回路、半導体装置および電子時計

Info

Publication number: JP6079257B2
Application number: JP2013007675A
Authority: JP
Inventors: 修視山田
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2013-01-18
Filing date: 2013-01-18
Publication date: 2017-02-15
Anticipated expiration: 2033-01-18
Also published as: JP2014137353A

Description

本発明は、定電圧発生回路、定電圧発生回路を有する半導体装置、および、定電圧発生回路を有する電子時計に関する。

電子時計では、ステップモーターを駆動するモータードライバー等の負荷回路に定電圧を供給する定電圧発生回路を有しているものがある。例えば、特許文献１には、出力負荷回路に定電圧を供給する定電圧回路が開示されている。

電子時計の定電圧発生回路の１つには、図３に示す定電圧発生回路２００がある。定電圧発生回路２００は、ＶＤＤが供給されるＶＤＤ電源線２０１、ＶＳＳが供給されるＶＳＳ電源線２０２、出力端子２１０、差動回路２２０、および、出力制御スイッチ素子２３０を有している。
出力端子２１０には、外部のモータードライバー等の負荷回路２１とコンデンサー２２とが並列接続されている。差動回路２２０は、基準電位が入力される入力端子２２１、および、出力端子２１０に接続された入力端子２２２を備え、基準電位と出力端子２１０の電位との比較結果に基づいて制御信号を生成して出力する。出力制御スイッチ素子２３０は、ＶＤＤ電源線２０１および出力端子２１０の間に接続され、ＶＤＤ電源線２０１と出力端子２１０との間の導通状態を、差動回路２２０が出力した制御信号に基づいて制御する。ここでは、出力制御スイッチ素子２３０は、差動回路２２０が出力した制御信号がローレベルのとき、オンしてＶＤＤ電源線２０１と出力端子２１０との間を導通する。

ここで、定電圧発生回路を有する電子時計では、通常、定電圧発生回路は常時動作状態とされている。

特開平１０−２１４１２１号公報

腕時計等の携帯される電子時計は、サイズが小さく大容量の電池もしくは二次電池の搭載が難しい等の事情により、少しでも消費電力を低減する必要がある。このような事情から、本発明者は、定電圧回路を有する電子時計に関して、消費電力を低減するべく、例えば負荷回路が停止しているときに、定電圧発生回路の動作を停止させる方法を試みた。

しかしながら、定電圧発生回路２００を有する電子時計において、定電圧発生回路２００を停止させたとき、差動回路２２０の入力端子２２１に入力される基準電位が不安定（フローティング状態）になり、入力端子２２１の電位がＶＤＤ側に上昇する場合がある。
この状態から定電圧発生回路２００が動作状態に移行すると、差動回路２２０内の入力端子２２１側の経路に電流Ｉ２１が流れ、差動回路２２０が出力する制御信号の電位がＶＳＳ側に下降し、出力制御スイッチ素子２３０がオンする。この結果、ＶＤＤ電源線２０１から出力端子２１０を介してコンデンサー２２に電流が流れ、出力端子２１０の電位（定電圧出力）が過剰に上昇してしまうことがある。

この場合、負荷回路２１の消費電力が増大してしまう。つまり、定電圧発生回路２００をオンオフして消費電力の低減をはかる一方で、定電圧発生回路２００のオンオフの制御に伴って負荷回路２１の消費電力が増大してしまうという状態が発生し、電子時計の消費電力を十分に低減することができない。

本発明の目的は、消費電力を低減できる定電圧発生回路、半導体装置および電子時計を提供することにある。

本発明の定電圧発生回路は、負荷回路に定電圧を供給する定電圧発生回路であって、第１電位が供給される第１電源線と、前記第１電位よりも低い第２電位が供給される第２電源線と、前記負荷回路に接続された出力端子と、基準電位が入力される第１入力端子、および、前記出力端子に接続された第２入力端子を備え、基準電位と前記出力端子の電位との比較結果に基づいて制御信号を生成して出力する差動回路と、前記第１電源線および前記出力端子の間に接続され、前記第１電源線と前記出力端子との間の導通状態を、前記差動回路が出力した制御信号に基づいて制御する出力制御スイッチ素子と、前記第１入力端子と固定電位が供給される供給端子との間に接続され、定電圧発生回路が停止状態にあるとき、前記第１入力端子と前記供給端子との間を導通し、定電圧発生回路が動作状態にあるとき、前記第１入力端子と前記供給端子との間を非導通とする入力制御スイッチ素子と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、定電圧発生回路が停止状態にあるとき、前記入力制御スイッチ素子によって前記差動回路の前記第１入力端子と固定電位が供給される前記供給端子との間は導通され、前記第１入力端子に固定電位が入力される。これにより、前記第１入力端子の電位が不安定（フローティング状態）になり前記第１入力端子の電位が前記第１電位側に上昇することを防止できる。
これにより、定電圧発生回路が停止状態から動作状態へ移行した際に、前記差動回路は、基準電位と前記出力端子の電位との比較結果に基づいた制御信号を正しく出力できる。すなわち、前記出力端子の電位が所定の電位に維持されるように、前記出力制御スイッチ素子が適切に制御される。この結果、前記第１電源線から前記出力端子に電流が流れて前記出力端子の電位（定電圧出力）が過剰に上昇してしまうことを防止でき、前記負荷回路の消費電力を抑制できる。このため、定電圧発生回路のオンオフ制御により、この定電圧発生回路が搭載された電子機器の消費電力を十分に低減できる。

本発明の定電圧発生回路において、前記負荷回路は、電子時計の指針を回転させるステップモーターを駆動するモータードライバーであり、定電圧発生回路は、前記ステップモーターの動作周期毎に動作状態に移行し、前記ステップモーターが正常に動作したことを検出すると停止状態に移行することが好ましい。

本発明によれば、前記ステップモーターの動作に合わせて定電圧発生回路をオンオフ制御することができる。つまり、前記モータードライバーに前記ステップモーターを動作させるための負荷がかかる間、定電圧発生回路を動作状態とし、前記モータードライバーに前記ステップモーターを動作させるための負荷がかからない間、定電圧発生回路を停止状態とすることができる。
これにより、前記モータードライバーの動作に影響を与えることなく、電子時計の消費電力を十分に低減できる。

本発明の定電圧発生回路において、前記供給端子は、前記第１電源線および前記第２電源線の一方に接続されていることが好ましい。
本発明によれば、前記供給端子の電位は、前記第１電位または前記第２電位に固定されるため、前記供給端子に固定電位を供給するための新たな回路を設ける必要がない。このため、定電圧発生回路を複雑にすることがない。

本発明の半導体装置は、前述の定電圧発生回路と、前記定電圧発生回路を制御する制御回路とを有し、前記制御回路は、前記定電圧発生回路における停止状態と動作状態との切り換えを制御するとともに、前記定電圧発生回路の前記入力制御スイッチ素子のスイッチ動作を制御する、ことを特徴とする。
本発明によれば、前述の定電圧発生回路の発明と同様に前記負荷回路の消費電力は抑制され、半導体装置が搭載された電子機器の消費電力を十分に低減できる。

本発明の電子時計は、前述の定電圧発生回路と、指針を回転させるステップモーターと、負荷回路と、前記定電圧発生回路を制御する制御回路と、時刻を計時するための基準信号を生成して出力する基準信号生成回路とを有し、前記負荷回路は、前記ステップモーターを駆動するモータードライバーであり、前記制御回路は、前記基準信号生成回路が出力した基準信号に基づいて前記定電圧発生回路を前記ステップモーターの動作周期毎に動作状態に移行させ、前記モータードライバーが出力した前記ステップモーターが正常に動作したことを示す検出信号に基づいて前記定電圧発生回路を停止状態に移行させるとともに、前記入力制御スイッチ素子のスイッチ動作を制御する、ことを特徴とする。

本発明によれば、前述の定電圧発生回路の発明と同様に前記負荷回路の消費電力は抑制され、電子時計の消費電力を十分に低減できる。また、前記モータードライバーの動作に影響を与えることなく、電子時計の消費電力を低減できる。

本実施形態に係る電子時計を示す回路図である。本実施形態に係る定電圧出力の状態を示す図である。従来の定電圧発生回路を示す回路図である。

以下、本発明の実施形態に係る電子時計を図面に基づいて説明する。
図１は、本実施形態に係る電子時計を示す回路図である。
［電子時計の概要］
電子時計１は、太陽電池等で駆動するアナログ式の電子時計である。電子時計１は、指針を回転させるステップモーター１４、ステップモーター１４を駆動するモータードライバー１１、コンデンサー１２、モータードライバー１１に定電圧を供給する定電圧発生回路１００、定電圧発生回路１００を制御する制御回路１０、および、時刻を計時するための基準信号を生成して出力する基準信号生成回路１３を有している。
ここで、定電圧発生回路１００、モータードライバー１１、制御回路１０、および、基準信号生成回路１３とは、半導体基板上に形成され、半導体装置を構成している。なお、コンデンサー１２は、モータードライバー１１に供給される定電圧を安定させる外付けのコンデンサーである。

［定電圧発生回路の構成］
定電圧発生回路１００は、第１電位であるＶＤＤが供給されるＶＤＤ電源線１０１、ＶＤＤよりも低い第２電位であるＶＳＳが供給されるＶＳＳ電源線１０２、出力端子１１０、差動回路１２０，１３０、定電流源１４１，１４２，１４３、出力制御スイッチ素子１５０、および、入力制御スイッチ素子１６０を有している。ＶＤＤは、例えば、５Ｖであり、ＶＳＳは、例えば、０Ｖである。

出力端子１１０とＶＳＳ電源線１０２との間には、モータードライバー１１およびコンデンサー１２が並列接続されている。すなわち、モータードライバー１１は、負荷回路を構成している。

１段目の差動回路１２０は、ＶＤＤ電源線１０１に接続され、さらに、定電流源１４１を介してＶＳＳ電源線１０２に接続されている。差動回路１２０は、図示しない入力信号に基づいて基準電位を生成して出力する。

２段目の差動回路１３０は、ＶＤＤ電源線１０１に接続され、さらに、定電流源１４２を介してＶＳＳ電源線１０２に接続されている。
差動回路１３０は、差動回路１２０が出力した基準電位が入力される入力端子１３１と、出力端子１１０に接続された入力端子１３２とを有している。そして、差動回路１３０は、基準電位と出力端子１１０の電位との比較結果に基づいて制御信号を生成して出力する。

出力制御スイッチ素子１５０は、Ｐ型チャネルＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）電界効果トランジスターにより構成されている。出力制御スイッチ素子１５０は、ＶＤＤ電源線１０１と出力端子１１０との間に接続され、差動回路１３０が出力した制御信号に応じて、ＶＤＤ電源線１０１と出力端子１１０との間の導通状態を制御する。
具体的には、出力制御スイッチ素子１５０は、差動回路１３０が出力した制御信号がローレベルのとき、ＶＤＤ電源線１０１と出力端子１１０との間を導通し、差動回路１３０が出力した制御信号がハイレベルのとき、ＶＤＤ電源線１０１と出力端子１１０との間を非導通とする。
すなわち、差動回路１３０は、出力端子１１０の電位（定電圧出力）が所定の電位（例えば、３．５Ｖ）となるように、制御信号によって出力制御スイッチ素子１５０のオンオフを制御する。
また、出力端子１１０とＶＳＳ電源線１０２との間には、定電流源１４３が接続されている。

入力制御スイッチ素子１６０は、Ｎ型チャネルＭＯＳ電界効果トランジスターにより構成されている。入力制御スイッチ素子１６０は、差動回路１３０の入力端子１３１とＶＳＳ電源線１０２との間に接続され、制御回路１０から出力された制御信号に応じて、入力端子１３１とＶＳＳ電源線１０２との間の導通状態を制御する。すなわち、入力制御スイッチ素子１６０とＶＳＳ電源線１０２との接続端子が、固定電位ＶＳＳが供給される供給端子を構成している。
具体的には、入力制御スイッチ素子１６０は、制御信号がハイレベルのとき、オンして入力端子１３１とＶＳＳ電源線１０２との間を導通し、制御信号がローレベルのとき、オフして入力端子１３１とＶＳＳ電源線１０２との間を非導通とする。

［制御回路の構成］
制御回路１０は、定電圧発生回路１００、モータードライバー１１、および、基準信号生成回路１３に接続されている。
ここで、モータードライバー１１は、ステップモーター１４を駆動するとともに、ステップモーター１４が正常に動作したことを検出し、検出信号を出力する。基準信号生成回路１３は、図示しない水晶振動子の発振信号を分周して基準信号を生成して出力する。基準信号は、例えば、１Ｈｚの信号である。

制御回路１０は、基準信号生成回路１３から出力された基準信号に基づいて、ステップモーター１４の動作周期毎に、定電圧発生回路１００を動作状態に移行させる。
例えば、秒針駆動用のステップモーター１４の動作周期は１秒となるため、制御回路１０は、１秒毎に定電圧発生回路１００を動作状態に移行する。また、分針および時針用のステップモーター１４の動作周期は例えば２０秒となるため、制御回路１０は、２０秒毎に定電圧発生回路１００を動作状態に移行させる。
また、制御回路１０は、モータードライバー１１から出力された検出信号を受信すると、定電圧発生回路１００を停止状態に移行させる。
ここで、停止状態とは、定電圧発生回路１００の少なくとも差動回路１２０，１３０への電源供給が遮断された状態である。

また、制御回路１０は、定電圧発生回路１００の入力制御スイッチ素子１６０を制御する制御信号を出力する。
具体的には、制御回路１０は、定電圧発生回路１００が動作状態にあるとき、入力制御スイッチ素子１６０をオフする制御信号（ローレベル）を出力し、定電圧発生回路１００が停止状態にあるとき、入力制御スイッチ素子１６０をオンする制御信号（ハイレベル）を出力する。

［定電圧発生回路の動作］
まず、定電圧発生回路１００が停止状態にあるときの動作について説明する。
この場合、制御回路１０からハイレベルの制御信号が出力され、入力制御スイッチ素子１６０はオンする。これにより、差動回路１３０の入力端子１３１とＶＳＳ電源線１０２との間が導通し、入力端子１３１がＶＳＳに固定される。
このとき、差動回路１３０が出力する制御信号がハイレベルとなり、出力制御スイッチ素子１５０はオフする。

次に、定電圧発生回路１００が停止状態から動作状態に移行した際の動作について説明する。
この場合、制御回路１０からローレベルの制御信号が出力され、入力制御スイッチ素子１６０はオフする。これにより、差動回路１３０の入力端子１３１とＶＳＳ電源線１０２との間が非導通とされ、入力端子１３１に差動回路１２０から出力された基準電位が入力される。
そして、この基準電位と出力端子１１０の電位との比較結果に応じて、出力制御スイッチ素子１５０のオンオフが適切に制御され、出力端子１１０の電位（定電圧出力）は、所定の電位に維持される。

［定電圧出力の状態］
図２は、本実施形態に係る定電圧出力の状態を示す図である。
図２には、定電圧発生回路１００の出力端子１１０の電位（定電圧出力）ＶＤＭ、定電圧発生回路１００のオンオフ状態、および、モータードライバー１１が出力するモーターパルスが示されている。
ここで、モーターパルス１１Ａは、交流磁界検出パルスであり、モーターパルス１１Ｂは、ステップモーター１４を主駆動する主駆動パルスであり、モーターパルス１１Ｃは、ステップモーター１４の回転検出パルスであり、モーターパルス１１Ｄ，１１Ｅは、ステップモーター１４を補助的に駆動する補助駆動パルスであり、モーターパルス１１Ｆは、消磁パルスである。
回転検出パルスで回転検出が行われるとステップモーター１４が正常に動作したことを確認できる。回転検出できない場合には、補助駆動パルスと消磁パルスとを出力する。なお、交流磁界が検出された場合には、主駆動パルスおよび回転検出パルスを出力せずに、直接、補助駆動パルスと消磁パルスとを出力する。
図２は、回転検出パルスで回転検出できずに補助駆動パルスおよび消磁パルスが出力された場合を示すものである。この場合、図２に示すように、消磁パルスの出力後に、定電圧発生回路１００は停止する。なお、回転検出パルスで回転検出でき、補助駆動パルスおよび消磁パルスが出力されない場合には、回転検出後、ただちに定電圧発生回路１００は停止する。

定電圧発生回路１００では、定電圧発生回路１００が停止状態（ＯＦＦ）から動作状態（ＯＮ）に移行したとき、定電圧出力ＶＤＭは、実線で示されるように所定の電位（例えば、３．５Ｖ）に維持される。
また、モーターパルスが出力されている間、定電圧発生回路１００は動作状態にあるため、定電圧出力ＶＤＭは所定の電位に維持されている。一方、モーターパルスが出力されていない間、定電圧発生回路１００は停止状態にあるため、定電圧出力ＶＤＭはＶＳＳ側へ下降する。
一方、従来の定電圧発生回路２００の場合は、定電圧発生回路が停止状態から動作状態に移行したとき、ＶＤＤ電源線２０１から出力端子２１０を介してコンデンサー２２に電流が流れ、定電圧出力ＶＤＭは、点線で示されるように所定の電位から大幅にＶＤＤ側へ上昇する場合がある。

このような本実施形態によれば、次のような効果がある。
（１）本実施形態では、定電圧発生回路１００が停止状態にあるとき、入力制御スイッチ素子１６０によって差動回路１３０の入力端子１３１とＶＳＳ電源線１０２との間は導通される。このため、入力端子１３１に固定電位ＶＳＳが入力される。これにより、入力端子１３１の電位が不安定（フローティング状態）になり入力端子１３１の電位がＶＤＤ側に上昇することを防止できる。
これにより、定電圧発生回路１００が停止状態から動作状態へ移行した際に、差動回路１３０は、基準電位と出力端子１１０の電位との比較結果に基づいた制御信号を正しく出力できる。この結果、ＶＤＤ電源線１０１から出力端子１１０を介してコンデンサー１２に電流が流れて出力端子１１０の電位（定電圧出力）が過剰に上昇してしまうことを防止でき、モータードライバー１１の消費電力を抑制できる。このため、定電圧発生回路１００のオンオフ制御によって、電子時計１の消費電力を十分に低減できる。
さらに、定電圧出力が過剰に上昇してしまうことを防止できるため、ステップモーター１４において通常よりも強い磁界が発生することを抑制でき、電子時計１の電子部品がこの磁界の影響を受けることを抑制できる。さらに、モータードライバー１１によってステップモーター１４を安定して駆動させることができる。
（２）定電圧発生回路１００は、ステップモーター１４の動作周期毎に動作状態に移行し、ステップモーター１４が正常に動作したことを検出すると停止状態に移行する。
これにより、ステップモーター１４の動作に合わせて定電圧発生回路１００をオンオフ制御することができる。このため、モータードライバー１１の動作に影響を与えることなく、電子時計１の消費電力を低減できる。
（３）差動回路１３０の入力端子１３１は、定電圧発生回路１００が停止状態にあるとき、ＶＳＳ電源線１０２に接続される。
これにより、入力端子１３１はＶＳＳに固定されるため、入力端子１３１に固定電位を入力させるための新たな回路を設ける必要がない。このため、定電圧発生回路１００を複雑にすることがない。

なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、入力制御スイッチ素子１６０は、差動回路１３０の入力端子１３１とＶＳＳ電源線１０２との間に接続されているが、入力端子１３１とＶＤＤ電源線１０１との間に接続されていてもよい。この場合、入力制御スイッチ素子１６０とＶＤＤ電源線１０２との接続端子が、固定電位ＶＤＤが供給される供給端子を構成する。また、この場合、入力端子１３１とＶＤＤ電源線１０１とが導通した際に、出力制御スイッチ素子１５０がオフするように、差動回路１３０および出力制御スイッチ素子１５０は構成される。
また、入力制御スイッチ素子１６０は、入力端子１３１と、ＶＤＤ電源線１０１およびＶＳＳ電源線１０２から供給されるＶＤＤおよびＶＳＳに基づいて生成された中間電位等の固定電位が供給される端子（供給端子）との間に接続されていてもよい。
また、差動回路１３０の入力端子１３１に供給される基準電位は、差動回路１２０によって生成されているが、定電圧発生回路１００が停止状態にあるとき電源の供給が遮断される別の回路によって生成されている場合も、本実施形態と同様の効果を得ることができる。
また、出力端子１１０に接続される負荷回路は、モータードライバー１１に限らない。
また、定電圧発生回路１００が搭載される装置は、半導体装置に限らない。
また、定電圧発生回路１００は、電子時計に限らず、定電圧により駆動する負荷回路を有する各種の電子機器にも適用することができる。例えば、携帯型の血圧計、携帯電話機、ページャー、歩数計、電卓、携帯用パーソナルコンピュータ、電子手帳、携帯ラジオ、オルゴール、メトロノーム、および、電気かみそり等の各種の電子機器に適用することができる。特に、大容量の電池もしくは二次電池の搭載が難しい携帯型の電子機器に適している。

１…電子時計、１０…制御回路、１１…モータードライバー、１２…コンデンサー、１３…基準信号生成回路、１４…ステップモーター、１００…定電圧発生回路、１０１…ＶＤＤ電源線、１０２…ＶＳＳ電源線、１１０…出力端子、１２０，１３０…差動回路、１３１，１３２…入力端子、１４１〜１４３…定電流源、１５０…出力制御スイッチ素子、１６０…入力制御スイッチ素子。

Claims

負荷回路に定電圧を供給する定電圧発生回路であって、
第１電位が供給される第１電源線と、
前記第１電位よりも低い第２電位が供給される第２電源線と、
前記負荷回路に接続された出力端子と、
基準電位が入力される第１入力端子、および、前記出力端子に接続された第２入力端子を備え、基準電位と前記出力端子の電位との比較結果に基づいて制御信号を生成して出力する差動回路と、
前記第１電源線および前記出力端子の間に接続され、前記第１電源線と前記出力端子との間の導通状態を、前記差動回路が出力した制御信号に基づいて制御する出力制御スイッチ素子と、
前記第１入力端子と固定電位が供給される供給端子との間に接続され、定電圧発生回路が停止状態にあるとき、前記第１入力端子と前記供給端子との間を導通し、定電圧発生回路が動作状態にあるとき、前記第１入力端子と前記供給端子との間を非導通とする入力制御スイッチ素子と、
を有し、
前記負荷回路は、電子時計の指針を回転させるステップモーターを駆動するモータードライバーであり、
定電圧発生回路は、前記ステップモーターの動作周期毎に動作状態に移行し、前記ステップモーターが正常に動作したことを検出すると停止状態に移行する、
ことを特徴とする定電圧発生回路。
請求項１に記載の定電圧発生回路において、
前記供給端子は、前記第１電源線および前記第２電源線の一方に接続されている、
ことを特徴とする定電圧発生回路。
請求項１または請求項２に記載の定電圧発生回路と、前記定電圧発生回路を制御する制御回路とを有し、
前記制御回路は、前記定電圧発生回路における停止状態と動作状態との切り換えを制御するとともに、前記定電圧発生回路の前記入力制御スイッチ素子のスイッチ動作を制御する、
ことを特徴とする半導体装置。
請求項１または請求項２に記載の定電圧発生回路と、指針を回転させるステップモーターと、負荷回路と、前記定電圧発生回路を制御する制御回路と、時刻を計時するための基準信号を生成して出力する基準信号生成回路とを有し、
前記負荷回路は、前記ステップモーターを駆動するモータードライバーであり、
前記制御回路は、前記基準信号生成回路が出力した基準信号に基づいて前記定電圧発生回路を前記ステップモーターの動作周期毎に動作状態に移行させ、前記モータードライバーが出力した前記ステップモーターが正常に動作したことを示す検出信号に基づいて前記定電圧発生回路を停止状態に移行させるとともに、前記入力制御スイッチ素子のスイッチ動作を制御する、
ことを特徴とする電子時計。