JP7222753B2 - 電圧変換装置および制御方法 - Google Patents

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Description

本発明は、スイッチドキャパシタとして動作可能な電圧変換装置などに関する。
特許文献１には、スイッチドキャパシタ（ｓｗｉｔｃｈｅｄ ｃａｐａｃｉｔｏｒ）として動作する降圧回路５が記載されている。特許文献１には、降圧回路５に含まれるスイッチ４７および４９を制御することにより、入力電圧を入力電圧よりも低い所定の出力電圧に変換することが記載されている。
特開２００３－３３００９号公報
しかしながら、特許文献１は、降圧回路５の入力電圧が所定の基準電圧（スイッチ４７または４９をＯＮ状態にするのに要する最低の電圧）よりも低い電圧まで降下してしまった場合に生じる課題を考慮していない。このような場合、降圧回路５に含まれる制御回路部７は、降圧回路５の入力電圧で動作することができても、スイッチ４７または４９をＯＮ状態に制御することができなくなる。その結果、降圧回路５は、入力電圧を所定の出力電圧（例えば、入力電圧の１／２となる出力電圧）に変換することができなくなってしまう。
そこで、本発明は、スイッチドキャパシタとして動作可能な電圧変換装置の入力電圧が所定の基準電圧よりも低い電圧まで降下してしまった場合であっても、入力電圧を入力電圧よりも低い所定の出力電圧に変換できるようにすることを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明に係る電圧変換装置は、スイッチドキャパシタとして動作可能な電圧変換装置であって、前記電圧変換装置の入力電圧を、前記入力電圧よりも低い電圧に変換するための複数のスイッチと、前記入力電圧が所定の基準電圧未満である場合に、前記入力電圧を前記所定の基準電圧よりも高い電圧に昇圧する昇圧回路と、前記入力電圧または前記昇圧回路から出力された電圧のいずれかを前記複数のスイッチのそれぞれに供給することにより、前記複数のスイッチの状態を制御する制御手段とを有することを特徴とする。
本発明によれば、スイッチドキャパシタとして動作可能な電圧変換装置の入力電圧が所定の基準電圧よりも低い電圧まで降下してしまった場合であっても、入力電圧を入力電圧よりも低い所定の出力電圧に変換することができる。
実施形態１および他の実施形態における電圧変換装置１０の構成の一例を説明するためのブロック図である。
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。ただし、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。
［実施形態１］
図１を参照して、実施形態１における電圧変換装置１０の構成の一例を説明する。ただし、電圧変換装置１０の構成要素は、図１に示す構成要素に限るものではない。電圧変換装置１０は、スイッチドキャパシタ（ｓｗｉｔｃｈｅｄ ｃａｐａｃｉｔｏｒ）として動作可能な電圧変換装置である。電圧変換装置１０は、キャパシティブボルテージディバイダ（ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ ｖｏｌｔａｇｅ ｄｉｖｉｄｅｒ）またはキャップディバイダ（ｃａｐ－ｄｉｖｉｄｅｒ）として動作する電圧変換装置でもある。入力電圧Ｖｉｎは電圧変換装置１０の入力電圧であり、出力電圧Ｖｏｕｔは電圧変換装置１０の出力電圧である。電圧変換装置１０は、入力電圧Ｖｉｎを、入力電圧Ｖｉｎのｎ（ｎは例えば２から２０までの整数）分の１に相当する出力電圧Ｖｏｕｔに変換することができる。なお、実施形態１および他の実施形態では、ｎが２である場合を説明するが、何れの実施形態においても、ｎは２に限るものではない。
図１に示すように、電圧変換装置１０は、ＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）１００と、ＩＣ１００に接続される３つのコンデンサ１２１、１３１および１３２とを有する。ＩＣ１００は、例えば、一つの集積回路で構成される。３つのコンデンサ１２１、１３１および１３２は、例えば、同じ静電容量を有する。なお、３つのコンデンサ１２１、１３１および１３２は、ＩＣ１００の中にあってもよい。
ＩＣ１００は、４つのスイッチ１１１～１１４と、４つのスイッチ１１１～１１４の状態を制御する制御部１０１とを有する。制御部１０１は、入力端子ＶＩＮと、昇圧回路２００と、４つの出力端子ＧＡＴＥ＿Ｑ１～Ｑ４と、４つの電圧セレクタ２０１～２０４とを有する。入力端子ＶＩＮには、電圧変換装置１０の入力電圧である入力電圧Ｖｉｎが供給される。
スイッチ１１１～１１４をＯＮ状態にするためには、スイッチ１１１～１１４のゲート電極に供給される制御電圧Ｖｇｓが（出力電圧Ｖｏｕｔ＋α）Ｖ以上であることが要求される。ここで、αは、ＩＣ１００を製造する際のプロセスによって決まる電圧であり、実施形態１および他の実施形態ではαが例えば２．５である場合を説明する。出力電圧Ｖｏｕｔが入力電圧Ｖｉｎ×０．５Ｖであることと、制御部１０１の入力電圧が入力電圧Ｖｉｎであることとを考慮すると、入力電圧Ｖｉｎは５．０Ｖ以上であることが要求される。入力電圧Ｖｉｎが５．０Ｖ以上である場合は、入力電圧Ｖｉｎを制御電圧Ｖｇｓとして制御部１０１からスイッチ１１１～１１４のゲート電極にすれば、スイッチ１１１～１１４をＯＮ状態にすることができる。ところが、入力電圧Ｖｉｎが５．０Ｖを下回ると、入力電圧Ｖｉｎを制御電圧Ｖｇｓとして制御部１０１からスイッチ１１１～１１４のゲート電極に供給しても、スイッチ１１１～１１４をＯＮ状態にすることができない。そこで、実施形態１および他の実施形態では、ＩＣ１００の中に昇圧回路２００を設ける。
入力電圧Ｖｉｎは、昇圧回路２００の入力電圧として昇圧回路２００に供給される。昇圧回路２００は、入力電圧Ｖｉｎを監視し、入力電圧Ｖｉｎが所定の基準電圧（例えば５．０Ｖ）以上であるか否かを判定する。入力電圧Ｖｉｎが所定の基準電圧以上であると判定された場合、昇圧回路２００は、０Ｖまたは入力電圧Ｖｉｎよりも低い電圧を昇圧回路２００の出力電圧として電圧セレクタ２０１～２０４に供給する。入力電圧Ｖｉｎが所定の基準電圧未満であると判定された場合、昇圧回路２００は、昇圧回路２００の入力電圧を所定の基準電圧以上の電圧に昇圧させる。所定の基準電圧以上の電圧に昇圧された昇圧回路２００の入力電圧は、昇圧回路２００の出力電圧として電圧セレクタ２０１～２０４に供給される。なお、実施形態１および他の実施形態では、所定の基準電圧が例えば５．０Ｖである場合を説明するが、所定の基準電圧は５．０Ｖに限るものではない。
電圧セレクタ２０１は、入力電圧Ｖｉｎと昇圧回路２００の出力電圧とを比較する。入力電圧Ｖｉｎが昇圧回路２００の出力電圧未満である場合、電圧セレクタ２０１は、昇圧回路２００の出力電圧を制御電圧Ｖｇｓとして選択する。入力電圧Ｖｉｎが昇圧回路２００の出力電圧未満でない場合、電圧セレクタ２０１は、入力電圧Ｖｉｎを制御電圧Ｖｇｓとして選択する。スイッチ１１１をＯＮ状態にする場合、制御部１０１は、制御電圧Ｖｇｓを出力端子ＧＡＴＥ＿Ｑ１を介して電圧セレクタ２０１からスイッチ１１１のゲート電極に供給する。スイッチ１１１をＯＦＦ状態にする場合、制御部１０１は、制御電圧Ｖｇｓを出力端子ＧＡＴＥ＿Ｑ１を介して電圧セレクタ２０１からスイッチ１１１のゲート電極に供給することを停止する。このように、制御部１０１は、制御電圧Ｖｇｓを電圧セレクタ２０１からスイッチ１１１のゲート電極に供給するか否かを制御することにより、スイッチ１１１をＯＮ状態またはＯＦＦ状態にすることができる。
電圧セレクタ２０２は、入力電圧Ｖｉｎと昇圧回路２００の出力電圧とを比較する。入力電圧Ｖｉｎが昇圧回路２００の出力電圧未満である場合、電圧セレクタ２０２は、昇圧回路２００の出力電圧を制御電圧Ｖｇｓとして選択する。入力電圧Ｖｉｎが昇圧回路２００の出力電圧未満でない場合、電圧セレクタ２０２は、入力電圧Ｖｉｎを制御電圧Ｖｇｓとして選択する。スイッチ１１２をＯＮ状態にする場合、制御部１０１は、制御電圧Ｖｇｓを出力端子ＧＡＴＥ＿Ｑ２を介して電圧セレクタ２０２からスイッチ１１２のゲート電極に供給する。スイッチ１１２をＯＦＦ状態にする場合、制御部１０１は、制御電圧Ｖｇｓを出力端子ＧＡＴＥ＿Ｑ２を介して電圧セレクタ２０２からスイッチ１１２のゲート電極に供給することを停止する。このように、制御部１０１は、制御電圧Ｖｇｓを電圧セレクタ２０２からスイッチ１１２のゲート電極に供給するか否かを制御することにより、スイッチ１１２をＯＮ状態またはＯＦＦ状態にすることができる。
電圧セレクタ２０３は、入力電圧Ｖｉｎと昇圧回路２００の出力電圧とを比較する。入力電圧Ｖｉｎが昇圧回路２００の出力電圧未満である場合、電圧セレクタ２０３は、昇圧回路２００の出力電圧を制御電圧Ｖｇｓとして選択する。入力電圧Ｖｉｎが昇圧回路２００の出力電圧未満でない場合、電圧セレクタ２０３は、入力電圧Ｖｉｎを制御電圧Ｖｇｓとして選択する。スイッチ１１３をＯＮ状態にする場合、制御部１０１は、制御電圧Ｖｇｓを出力端子ＧＡＴＥ＿Ｑ３を介して電圧セレクタ２０３からスイッチ１１３のゲート電極に供給する。スイッチ１１３をＯＦＦ状態にする場合、制御部１０１は、制御電圧Ｖｇｓを出力端子ＧＡＴＥ＿Ｑ３を介して電圧セレクタ２０３からスイッチ１１３のゲート電極に供給することを停止する。このように、制御部１０１は、制御電圧Ｖｇｓを電圧セレクタ２０３からスイッチ１１３のゲート電極に供給するか否かを制御することにより、スイッチ１１３をＯＮ状態またはＯＦＦ状態にすることができる。
電圧セレクタ２０４は、入力電圧Ｖｉｎと昇圧回路２００の出力電圧とを比較する。入力電圧Ｖｉｎが昇圧回路２００の出力電圧未満である場合、電圧セレクタ２０４は、昇圧回路２００の出力電圧を制御電圧Ｖｇｓとして選択する。入力電圧Ｖｉｎが昇圧回路２００の出力電圧未満でない場合、電圧セレクタ２０４は、入力電圧Ｖｉｎを制御電圧Ｖｇｓとして選択する。スイッチ１１４をＯＮ状態にする場合、制御部１０１は、制御電圧Ｖｇｓを出力端子ＧＡＴＥ＿Ｑ４を介して電圧セレクタ２０４からスイッチ１１４のゲート電極に供給する。スイッチ１１４をＯＦＦ状態にする場合、制御部１０１は、制御電圧Ｖｇｓを出力端子ＧＡＴＥ＿Ｑ４を介して電圧セレクタ２０４からスイッチ１１４のゲート電極に供給することを停止する。このように、制御部１０１は、制御電圧Ｖｇｓを電圧セレクタ２０４からスイッチ１１４のゲート電極に供給するか否かを制御することにより、スイッチ１１４をＯＮ状態またはＯＦＦ状態にすることができる。
入力電圧Ｖｉｎが制御部１０１に入力されると、制御部１０１は、制御電圧Ｖｇｓをスイッチ１１１～１１４のゲート電極に供給するか否かを制御する。この制御により、制御部１０１は、スイッチ１１３およびスイッチ１１１をＯＮ状態にし、スイッチ１１４およびスイッチ１１２をＯＦＦ状態にする。なお、スイッチ１１３およびスイッチ１１１がＯＮ状態であり、スイッチ１１４およびスイッチ１１２がＯＦＦ状態であるＩＣ１００の状態を「状態Ａ」と呼ぶ。これにより、コンデンサ１２１とコンデンサ１３２とが直列接続され、出力電圧Ｖｏｕｔは入力電圧Ｖｉｎを２分の１に分圧した電圧になる。このとき、コンデンサ１３１は、出力電圧Ｖｏｕｔの平滑化を行う。
次に、制御部１０１は、制御電圧Ｖｇｓをスイッチ１１１～１１４のゲート電極に供給するか否かを制御することにより、スイッチ１１１～１１４の状態を反転させる。例えば、制御部１０１は、スイッチ１１３およびスイッチ１１１をＯＦＦ状態にし、スイッチ１１４およびスイッチ１１２をＯＮ状態にする。なお、スイッチ１１３およびスイッチ１１１がＯＦＦ状態であり、スイッチ１１４およびスイッチ１１２がＯＮ状態であるＩＣ１００の状態を「状態Ｂ」と呼ぶ。これにより、コンデンサ１２１とコンデンサ１３２とが並列接続され、出力電圧Ｖｏｕｔは入力電圧Ｖｉｎを２分の１に分圧した電圧になる。このときも、コンデンサ１３１は、出力電圧Ｖｏｕｔの平滑化を行う。
その後、制御部１０１は、制御電圧Ｖｇｓをスイッチ１１１～１１４のゲート電極に供給するか否かを高速に制御することにより、スイッチ１１１～１１４の状態を反転させることを高速に繰り返す。このように、制御部１０１は、制御電圧Ｖｇｓをスイッチ１１１～１１４のゲート電極に供給するか否かを高速に制御することにより、ＩＣ１００の状態を「状態Ａ」と「状態Ｂ」との間で交互に高速に切り替えることができる。制御部１０１がスイッチ１１１～１１４の状態を制御することで、コンデンサ１２１および１３２の接続状態は、直列接続または並列接続に変化する。そして、コンデンサ１２１および１３２の接続状態を直列接続または並列接続に変化させることで、電圧変換装置１０は、入力電圧Ｖｉｎの２分の１となる出力電圧Ｖｏｕｔを出力することができる。
以上のように、実施形態１によれば、ＩＣ１００の中に昇圧回路２００を設けることで、入力電圧Ｖｉｎが所定の基準電圧よりも低い電圧に降下してもスイッチ１１１～１１４を安定して制御することができる。これにより、電圧変換装置１０は、入力電圧Ｖｉｎが所定の基準電圧よりも低い電圧に降下しても、入力電圧Ｖｉｎを入力電圧Ｖｉｎよりも低い所定の出力電圧（例えば入力電圧Ｖｉｎの２分の１）に変換することができる。
［実施形態２］
次に、実施形態２における電圧変換装置１０の構成の一例を説明する。実施形態２では、実施形態１と異なる部分について説明し、実施形態１と同様の部分についてはその説明を省略する。
実施形態２において、昇圧回路２００は、インダクタを用いないチャージポンプで構成される。その上で、昇圧回路２００は、入力電圧Ｖｉｎを２倍に昇圧した電圧を昇圧回路２００の出力電圧として電圧セレクタ２０１～２０４に供給する。このように構成することで、入力電圧Ｖｉｎが所定の基準電圧（例えば５．０Ｖ）を下回った場合でも磁気ノイズが発生しないという利点を有したまま、入力電圧Ｖｉｎを入力電圧Ｖｉｎよりも低い所定の出力電圧に変換することができる。ここで、所定の出力電圧は、例えば入力電圧Ｖｉｎの２分の１である。
なお、入力電圧Ｖｉｎが５．０Ｖからさらに低下し、例えばＶｉｎ＝１．６Ｖになった場合は、入力電圧Ｖｉｎを２倍に昇圧しても入力電圧Ｖｉｎが所定の基準電圧（例えば５．０Ｖ）以上にならない。この場合、Ｖｏｕｔ＋２．５）Ｖよりも（Ｖｉｎ×２）Ｖの方が小さくなる。このような場合、昇圧回路２００は、例えば昇圧比を２倍からＸ倍（Ｘは３から２０までの整数）に変更することで、入力電圧Ｖｉｎが所定の基準電圧（例えば５．０Ｖ）以上になるように調整する。
以上のように、実施形態２によれば、昇圧回路２００をインダクタを用いないチャージポンプで構成することで、磁気ノイズが発生しないという利点を有したまま、入力電圧Ｖｉｎを入力電圧Ｖｉｎよりも低い所定の出力電圧に変換することができる。
［実施形態３］
次に、実施形態３における電圧変換装置１０の構成の一例を説明する。実施形態３では、実施形態１または２と異なる部分について説明し、実施形態１または２と同様の部分についてはその説明を省略する。
スイッチ１１１～１１４をＯＮ状態に制御する際に所定の動作状態よりも高めの制御電圧Ｖｇｓで制御すると、ＩＣ１００の損失は増加してしまうが、スイッチ１１１～１１４のＯＮ抵抗が小さくなる。この場合、スイッチ１１１～１１４による電圧降下が小さくなり、電圧変換装置１０の出力電圧の品質が向上する。したがって、高品質の電源が必要な電子機器の動作状態においては、不図示のマイクロコントローラ等から制御部１０１に指示を与えることで、所定の動作状態よりも高めの制御電圧Ｖｇｓでスイッチ１１１～１１４を制御するようにする。
例えば、電圧変換装置１０を有する電子機器がデジタルカメラなどの撮像装置であり、電圧変換装置１０で生成した電圧が撮像センサに供給されている場合を考える。撮像装置が撮像動作を行う場合は、撮像センサに供給する電圧は高品質なものが求められるため、撮像装置の撮像動作が終了するまでは、所定の動作状態（例えば非撮像動作）よりも高めの制御電圧Ｖｇｓでスイッチ１１１～１１４を制御する。
一方で、撮像センサが取得している画像をＬＣＤ等の表示部に表示するライブビュー動作においては、実際にメモリカード等の記録媒体には画像を保存していないため、撮像動作時と比較すると高品質の出力電圧は必要ない。この場合、昇圧回路２００の昇圧比を小さくし、通常の制御電圧Ｖｇｓでスイッチ１１１～１１４を制御する。
以上のように、実施形態３によれば、電圧変換装置１０を有する電子機器の動作状態に応じて制御電圧Ｖｇｓの高さを制御することで、電圧変換装置１０を高品質な電源または高効率な電源として適切に使い分けることができる。
［実施形態４］
次に、実施形態４における電圧変換装置１０の構成の一例を説明する。実施形態４では、実施形態１、２または３と異なる部分について説明し、実施形態１、２または３と同様の部分についてはその説明を省略する。
実施形態４では、制御部１０１に複数の昇圧回路２００を設け、スイッチ１１１～１１４に供給される制御電圧Ｖｇｓを個別に制御する場合を説明する。制御部１０１に複数の昇圧回路２００を設けることで、スイッチ１１１～１１４を個別に適切にＯＮ状態またはＯＦＦ状態にすることができる。
［実施形態５］
実施形態１～４で説明した様々な機能、処理または方法は、パーソナルコンピュータ、マイクロコンピュータ、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、プロセッサなどがプログラムを用いて実現することもできる。以下、実施形態２では、パーソナルコンピュータ、マイクロコンピュータ、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、プロセッサなどを「コンピュータＸ」と呼ぶ。また、実施形態５では、コンピュータＸを制御するためのプログラムであって、実施形態１～４で説明した様々な機能、処理または方法を実現するためのプログラムを「プログラムＹ」と呼ぶ。
実施形態１～４で説明した様々な機能、処理または方法は、コンピュータＸがプログラムＹを実行することによって実現される。この場合において、プログラムＹは、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体を介してコンピュータＸに供給される。実施形態５におけるコンピュータ読み取り可能な記憶媒体は、ハードディスク装置、磁気記憶装置、光記憶装置、光磁気記憶装置、メモリカード、揮発性メモリ、不揮発性メモリなどの少なくとも１つを含む。実施形態５におけるコンピュータ読み取り可能な記憶媒体は、ｎｏｎ－ｔｒａｎｓｉｔｏｒｙな記憶媒体である。
１０…電圧変換装置、１００…ＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）、１０１…制御部、１１１～１１４…スイッチ、１２１，１３１，１３２…コンデンサ、２００…昇圧回路、２０１～２０４…電圧セレクタ

Claims (8)

  1. スイッチドキャパシタとして動作可能な電圧変換装置であって、
    前記電圧変換装置の入力電圧を、前記入力電圧よりも低い電圧に変換するための複数のスイッチと、
    前記入力電圧が所定の基準電圧未満である場合に、前記入力電圧を前記所定の基準電圧よりも高い電圧に昇圧する昇圧回路と、
    前記入力電圧または前記昇圧回路から出力された電圧のいずれかを前記複数のスイッチのそれぞれに供給することにより、前記複数のスイッチの状態を制御する制御手段とを有することを特徴とする電圧変換装置。
  2. 前記制御手段は、前記入力電圧が前記昇圧回路から出力された電圧未満である場合、前記昇圧回路から出力された電圧を前記複数のスイッチのそれぞれに供給し、前記入力電圧が前記昇圧回路から出力された電圧未満でない場合、前記入力電圧を前記複数のスイッチのそれぞれに供給することを特徴とする請求項１に記載の電圧変換装置。
  3. 前記昇圧回路は、前記入力電圧が前記所定の基準電圧未満でない場合、前記入力電圧よりも低い電圧を出力し、
    前記制御手段は、前記昇圧回路から出力された電圧と、前記入力電圧のうちの、高い方の電圧を選択して前記複数のスイッチのそれぞれに供給することを特徴とする請求項１に記載の電圧変換装置。
  4. 前記昇圧回路は、前記入力電圧を監視し、前記入力電圧が前記所定の基準電圧未満でないか否かを判定することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の電圧変換装置。
  5. 前記昇圧回路をチャージポンプにより構成したことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の電圧変換装置。
  6. 前記複数のスイッチ、前記昇圧回路、および、前記制御手段は１つの集積回路として構成されることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の電圧変換装置。
  7. スイッチドキャパシタとして動作可能な電圧変換装置を有する撮像装置であって、
    前記電圧変換装置は、
    前記電圧変換装置の入力電圧を、前記入力電圧よりも低い電圧に変換するための複数のスイッチと、
    前記入力電圧が所定の基準電圧未満である場合に、前記入力電圧を前記所定の基準電圧よりも高い電圧に昇圧する昇圧回路と、
    前記入力電圧または前記昇圧回路から出力された電圧のいずれかを前記複数のスイッチのそれぞれに供給することにより、前記複数のスイッチの状態を制御する制御手段とを有することを特徴とする撮像装置。
  8. スイッチドキャパシタとして動作可能な電圧変換装置の制御方法であって、
    前記電圧変換装置は、
    前記電圧変換装置の入力電圧を、前記入力電圧よりも低い電圧に変換するための複数のスイッチと、
    前記入力電圧が所定の基準電圧未満である場合に、前記入力電圧を前記所定の基準電圧よりも高い電圧に昇圧する昇圧回路と、を有し、
    前記制御方法は、
    前記入力電圧または前記昇圧回路から出力された電圧のいずれかを前記複数のスイッチのそれぞれに供給することにより、前記複数のスイッチの状態を制御するステップを有することを特徴とする制御方法。
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