JP7253970B2

JP7253970B2 - 電源装置

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Publication number: JP7253970B2
Application number: JP2019085109A
Authority: JP
Inventors: 和明室田
Original assignee: Denso Ten Ltd
Current assignee: Denso Ten Ltd
Priority date: 2019-04-26
Filing date: 2019-04-26
Publication date: 2023-04-07
Anticipated expiration: 2039-04-26
Also published as: JP2020182348A

Description

本発明は、電源装置に関する。

従来、例えば、ＴＦＴ（Thin Film Transistor）液晶ディスプレイやオーディオ機器等のように、正電圧および負電圧の電源を必要とする電子機器がある。この種の電子機器における電源装置には、入力電圧をスイッチングにより昇圧して正電圧として出力する昇圧回路と、昇圧回路のスイッチング信号により駆動して負電圧を出力するチャージポンプ回路とを備えるものがある（例えば、特許文献１参照）。

特開２００８－１３１７３１号公報

正電圧の電源に昇降圧回路を用いる場合、スイッチングの振幅が入力電圧に依存するため、従来のチャージポンプでは、負電圧が入力電圧によって変化してしまい、このため、例えば、車載バッテリ等のように入力電圧の変動が比較的大きい場合には、出力される負電圧の変動も大きくなってしまい、その結果、電子機器の動作が不安定になるおそれがあった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、入力電圧が変動した場合であっても出力電圧を安定させることができる電源装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る電源装置は、昇降圧回路と、チャージポンプ回路とを備える。前記昇降圧回路は、入力電圧をスイッチングにより昇圧または降圧して、正の第１電圧を出力する。前記チャージポンプ回路は、制御端子に接続される前記昇降圧回路のスイッチングにより生じる信号で駆動され、出力端子から負の第２電圧を出力するチャージポンプ回路であって、入力端子には前記第２電圧の基準となる前記入力電圧が印加される。

本発明によれば、入力電圧が変動した場合であっても出力電圧を安定させることができる。

図１は、第１の実施形態に係る電源装置の回路構成例を示す図である。図２は、第２の実施形態に係る電源装置の回路構成例を示す図である。図３は、実施形態に係る電源装置が接続されるオーディオ装置の構成例を示す図である。図４は、実施形態に係る電源装置が接続されるディスプレイ装置の構成例を示す図である。

以下、添付図面を参照して、実施形態に係る電源装置を詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態によりこの発明が限定されるものではない。

まず、図１および図２を用いて、第１の実施形態に係る電源装置および第２の実施形態に係る電源装置の回路構成例について説明する。まず、図１を用いて、第１の実施形態に係る電源装置１の回路構成例について説明する。図１は、実施形態に係る電源装置１の回路構成例を示す図である。

図１に示すように、第１の実施形態に係る電源装置１は、昇降圧回路２と、チャージポンプ回路３と、コンデンサＣ１とを備える。コンデンサＣ１は、一端が入力電圧Ｖｉｎおよび昇降圧回路２に接続され、他端がグランドに接続される。入力電圧Ｖｉｎは、例えば、車載バッテリの入力電圧である。

昇降圧回路２は、入力電圧Ｖｉｎをスイッチングにより昇圧または降圧して、正の電圧Ｖｏ１（以下、第１電圧Ｖｏ１と記載する）を出力する。図１には、昇降圧回路２の一例として、ＳＥＰＩＣ（Single Ended Primary Inductance Converter）型の回路を示している。なお、昇降圧回路２は、ＳＥＰＩＣ型に限らず、スイッチングの振幅が入力電圧によって変化する他の形式の昇降圧コンバータであってもよい。

図１に示すように、昇降圧回路２は、入力端子ＴＡｉｎと、出力端子ＴＡｏｕｔと、制御端子ＴＡｃｏｎとを備える。また、昇降圧回路２は、第１コイルＬ１と、第２コイルＬ２と、第１コンデンサＣ２と、第２コンデンサＣ３と、ダイオードＤ１と、スイッチング素子Ｑ１と、誤差アンプＡＭＰと、第１抵抗Ｒ１と、第２抵抗Ｒ２と、制御部２０とを備える。

第１コイルＬ１は、一端が入力端子ＴＡｉｎおよび制御部２０に接続され、他端が第２コンデンサＣ３、スイッチング素子Ｑ１および制御端子ＴＡｃｏｎに接続される。第２コイルＬ２は、一端が第２コンデンサＣ３およびダイオードＤ１の間に接続され、他端がグランドに接続される。

第１コンデンサＣ２は、一端がダイオードＤ１および出力端子ＴＡｏｕｔの間に接続され、他端がグランドに接続される。第２コンデンサＣ３は、一端が第１コイルＬ１、スイッチング素子Ｑ１および制御端子ＴＡｃｏｎに接続され、他端が第２コイルＬ２およびダイオードＤ１に接続される。

ダイオードＤ１は、アノードが第２コンデンサＣ３および第２コイルＬ２に接続され、カソードが出力端子ＴＡｏｕｔおよび第１コンデンサＣ２に接続される。

スイッチング素子Ｑ１は、例えば、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）等の半導体スイッチング素子である。

スイッチング素子Ｑ１のゲート端子は、制御部２０に接続される。スイッチング素子Ｑ１のドレイン端子は、第１コイルＬ１、第２コンデンサＣ３および制御端子ＴＡｃｏｎに接続される。スイッチング素子Ｑ１のソース端子は、グランドに接続される。また、制御端子ＴＡｃｏｎは、チャージポンプ回路３の制御端子ＴＢｃｏｎに接続される。すなわち、チャージポンプ回路３は、制御端子ＴＢｃｏｎが昇降圧回路２の制御端子ＴＡｃｏｎを介してスイッチング素子Ｑ１（ドレイン端子）に接続される。

誤差アンプＡＭＰは、２つの入力側の一方（プラス側）が基準電圧ＶＲを介してグランドに接続され、他方（マイナス側）が第１抵抗Ｒ１および第２抵抗Ｒ２の間に接続される。また、誤差アンプＡＭＰの出力側は、制御部２０に接続される。誤差アンプＡＭＰは、第１抵抗Ｒ１および第２抵抗Ｒ２の抵抗分割値と基準電圧ＶＲとの誤差を検出し、誤差信号として制御部２０へ出力する。

第１抵抗Ｒ１および第２抵抗Ｒ２は、それぞれの一端が直列に接続され、第１抵抗Ｒ１の他端がダイオードＤ１（あるいは、第１コンデンサＣ２）および出力端子ＴＡｏｕｔの間に接続され、第２抵抗Ｒ２の他端がグランドに接続される。

制御部２０は、後述する誤差アンプＡＭＰから出力される誤差信号に基づく制御信号によりスイッチング素子Ｑ１を制御することで、出力端子ＴＡｏｕｔから所望の第１電圧Ｖｏ１を出力する。制御信号は、例えば、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号である。

ここで、制御部２０は、例えば、マイクロプロセッサである。マイクロプロセッサは、メモリを備える。メモリには、プログラムが記録されている。プログラムは、マイクロプロセッサを制御部２０として機能させるためのプログラムである。このプログラムには、例えば、スイッチング素子Ｑ１を動作させるプログラム等が記述されている。なお、プログラムは、マイクロプロセッサのメモリに記録されているが、これに限らず、例えば、メモリカード等の非一時的な記録媒体に記録して提供されたり、電気通信回線を通して提供されたりしてもよい。

次に、チャージポンプ回路３の回路構成について説明する。チャージポンプ回路３は、入力端子ＴＢｉｎと、出力端子ＴＢｏｕｔと、制御端子ＴＢｃｏｎとを備える。チャージポンプ回路３は、制御端子ＴＢｃｏｎに接続される昇降圧回路２のスイッチングにより生じる信号で駆動され、出力端子ＴＢｏｕｔから負の電圧Ｖｏ２（以下、第２電圧Ｖｏ２と記載する）を出力するチャージポンプ回路であって、入力端子ＴＢｉｎには第２電圧の基準となる入力電圧が印加される。

図１に示すように、チャージポンプ回路３は、第１コンデンサＣ１１と、第２コンデンサＣ１２と、第１ダイオードＤ１１と、第２ダイオードＤ１２とを備える。

第１コンデンサＣ１１は、一端が制御端子ＴＢｃｏｎに接続され、他端が第１ダイオードＤ１１および第２ダイオードＤ１２の間に接続される。第２コンデンサＣ１２は、一端が第２ダイオードＤ１２および出力端子ＴＢｏｕｔの間に接続され、他端がグランドに接続される。

第１ダイオードＤ１１は、アノードが第１コンデンサＣ１１および第２ダイオードＤ１２のカソードに接続され、カソードが入力端子ＴＢｉｎに接続される。第２ダイオードＤ１２は、アノードが第２コンデンサＣ１２および出力端子ＴＢｏｕｔに接続され、カソードが第１コンデンサＣ１１および第１ダイオードＤ１１のアノードに接続される。

以下、第１の実施形態に係る電源装置１において、スイッチング素子Ｑ１がオン状態およびオフ状態の場合の動作について、図１を用いて説明する。

まず、スイッチング素子Ｑ１がオン状態の場合、昇降圧回路２において、第１コイルＬ１には、コンデンサＣ１の電圧が印加されて電流が増加し、エネルギーが蓄積される。また、スイッチング素子Ｑ１がオン状態の場合、第２コイルＬ２には、第２コンデンサＣ３の電圧が印加されて電流が増加し、エネルギーが蓄積される。

そして、スイッチング素子Ｑ１がオン状態からオフ状態となった場合、第１コイルＬ１に逆起電力が発生する。これにより、第１コイルＬ１、第２コンデンサＣ３、ダイオードＤ１、第１コンデンサＣ２の経路で電流が流れる。また、スイッチング素子Ｑ１がオフ状態となった場合、第２コイルＬ２にも逆起電力が発生する。これにより、第２コイルＬ２、ダイオードＤ１、第１コンデンサＣ２の経路で電流が流れる。このように、第１コイルＬ１および第２コイルＬ２に蓄えられたエネルギーを開放することで第１電圧Ｖｏ１が出力される。

なお、第１コイルＬ１および第２コイルＬ２にエネルギーを蓄える時間比（すなわち、ＰＷＭ信号である制御信号のＤｕｔｙ比）を変更することで、第１電圧Ｖｏ１を昇圧または降圧する。

そして、昇降圧回路２の制御部２０は、入力端子ＴＡｉｎを介して第１コイルＬ１に印加される入力電圧Ｖｉｎを計測しつつ、誤差アンプＡＭＰの誤差信号に基づいて所望の出力電圧Ｖｏ１となるような制御信号（ＰＷＭ信号）を生成し、スイッチング素子Ｑ１のゲート端子に印加する。

具体的には、制御部２０は、出力電圧Ｖｏ１が所望の電圧値よりも高い場合には、ＰＷＭ信号である制御信号のＤｕｔｙ比を下げて出力電圧Ｖｏ１を降圧し、出力電圧Ｖｏ１が所望の電圧値よりも低い場合には、制御信号のＤｕｔｙ比を上げて出力電圧Ｖｏ１を昇圧する。

つづいて、図１に示すように、チャージポンプ回路３の制御端子ＴＢｃｏｎには、昇降圧回路２のスイッチングにより生じる信号が印加される。具体的には、チャージポンプ回路３の制御端子ＴＢｃｏｎは、昇降圧回路２の第１コイルＬ１および第２コンデンサＣ３の間に接続されるため、入力電圧Ｖｉｎの信号振幅および第１電圧Ｖｏ１の信号振幅を合算した振幅の信号が制御端子ＴＢｃｏｎに印加される。チャージポンプ回路３は、かかる信号（Ｖｉｎ＋Ｖｏ１）により駆動し、負の第２電圧Ｖｏ２を出力する。

具体的には、チャージポンプ回路３は、昇降圧回路２のスイッチング素子Ｑ１がオフ状態の場合、第１コンデンサＣ１１に電圧（Ｖｉｎ＋Ｖｏ１）が印加されて電流が増加し、電荷が蓄積される。この時、第１ダイオードＤ１１のカソードには入力電圧Ｖｉｎが接続されるため、第１コンデンサＣ１１における両端の電位差はＶｏ１となるため、Ｖｏ１に応じた電荷が蓄積される。

そして、スイッチング素子Ｑ１がオフ状態からオン状態になった場合、第１コンデンサＣ１１に印加される電圧が０Ｖとなることで、第１コンデンサＣに蓄積された電荷分だけ出力端子ＴＢｏｕｔの電圧が降下するため、第２電圧Ｖｏ２が負の電圧となる。つまり、第２電圧Ｖｏ２は、Ｖｏ２＝Ｖｉｎ－（Ｖｉｎ＋Ｖｏ１）＝－Ｖｏ１となる。

つまり、第１の実施形態に係る電源装置１によれば、チャージポンプ回路３の入力端子ＴＢｉｎに入力電圧Ｖｉｎが印加されることで、チャージポンプ回路３の基準が入力電圧Ｖｉｎとなる。このため、入力電圧Ｖｉｎが変動した場合であっても、出力される第２電圧Ｖｏ２を一定値（－Ｖｏ１）に定めることができる。すなわち、入力電圧Ｖｉｎが変動した場合であっても、出力電圧（第２電圧Ｖｏ２）を安定させることができる。

次に、図２を用いて、第２の実施形態に係る電源装置１の回路構成について説明する。図２は、第２の実施形態に係る電源装置１の回路構成例を示す図である。

図２に示すように、第２の実施形態に係る電源装置１は、チャージポンプ回路３の制御端子ＴＢｃｏｎの接続先が第２コンデンサＣ３およびダイオードＤ１の間である点が第１の実施形態に係る電源装置１と異なる。なお、第１の実施形態に係る電源装置１では、チャージポンプ回路３の制御端子ＴＢｃｏｎは、スイッチング素子Ｑ１のドレイン端子（あるいは、第１コイルＬ１および第２コンデンサＣ３の間）に接続される。

つまり、第２の実施形態に係るチャージポンプ回路３は、制御端子ＴＢｃｏｎが、昇降圧回路２の制御端子ＴＡｃｏｎを介してダイオードＤ１のアノードに接続される。これにより、第２の実施形態では、チャージポンプ回路３の制御端子ＴＢｃｏｎに印加される電圧は、Ｖｏ１および－Ｖｉｎの間でスイッチングすることとなる。具体的には、スイッチング素子Ｑ１がオフ状態の場合、制御端子ＴＢｃｏｎの電圧は、Ｖｏ１となり、スイッチング素子Ｑ１がオン状態の場合、制御端子ＴＢｃｏｎの電圧は、－Ｖｉｎとなる。換言すれば、スイッチングの振幅は、第１の実施形態と同様にＶｉｎ＋Ｖｏ１となる。そして、第２電圧Ｖｏ２は、Ｖｏ２＝Ｖｉｎ－（Ｖｉｎ＋Ｖｏ１）＝－Ｖｏ１となる。

従って、第２の実施形態に係る電源装置１によれば、入力電圧Ｖｉｎが変化した場合であっても、出力される第２電圧Ｖｏ２を一定値（－Ｖｏ１）に定めることができる。すなわち、入力電圧Ｖｉｎが変化した場合であっても、出力電圧を安定させることができる。

次に、図３および図４を用いて、実施形態に係る電源装置１が接続された電子機器の構成例について説明する。図３は、実施形態に係る電源装置１が接続されるオーディオ装置１００の構成例を示す図である。図４は、実施形態に係る電源装置１が接続されるディスプレイ装置２００の構成例を示す図である。なお、図３および図４では、第１の実施形態に係る電源装置１が接続される場合を示したが、第２の実施形態に係る電源装置１が接続されてもよい。

まず、図３に示すオーディオ装置１００の構成例について説明する。図３に示すように
、実施形態に係るオーディオ装置１００は、電源装置１と、アンプ回路１１０と備える。

アンプ回路１１０は、電源装置１からの正の第１電圧Ｖｏ１と負の第２電圧Ｖｏ２が電源電圧として供給され、正負両方の極性の振幅を持った入力信号を増幅して出力することができる。

ここで、正負の電源電圧のバランスが変化するとアンプ回路１１０の動作点が変化してオフセットが発生するなど、安定した増幅が行えないが、実施形態に係るオーディオ装置１００によれば、上述したように、第２電圧Ｖｏ２が安定することによって、正負の電源電圧のバランスも安定し、入力信号を安定して増幅させることができる。

次に、図４に示すディスプレイ装置２００の構成例について説明する。図４に示すように、実施形態に係るディスプレイ装置２００は、電源装置１と、チャージポンプ回路２１０と、第１レギュレータ２２０と、第２レギュレータ２３０と、ＴＦＴ２４０とを備える。

チャージポンプ回路２１０は、昇降圧回路２の出力端子ＴＡｏｕｔおよびＴＦＴ２４０の間に接続される。また、チャージポンプ回路２１０は、コンデンサＣ２１を介して、昇降圧回路２の制御端子ＴＡｃｏｎおよびスイッチング素子Ｑ１の間に接続される。また、チャージポンプ回路２１０は、第１レギュレータ２２０およびコンデンサＣ２２に接続される。そして、チャージポンプ回路２１０は、出力端子ＴＡｏｕｔから出力された第１電圧Ｖｏ１が印加されると、第１電圧Ｖｏ１を昇圧して第１レギュレータ２２０へ出力する。

第１レギュレータ２２０は、ＴＦＴ２４０およびコンデンサＣ２３に接続される。第１レギュレータ２２０は、チャージポンプ回路２１０によって昇圧された電圧を所望の電圧値となるように制御する。第１レギュレータ２２０は、電圧値を制御した電圧をＴＦＴ２４０へ出力する。

第２レギュレータ２３０は、電源装置１が出力する第２電圧Ｖｏ２が印加され、第２電圧Ｖｏ２を所望の電圧値となるように制御する。第２レギュレータ２３０は、電圧値を制御した電圧をＴＦＴ２４０へ出力する。

ＴＦＴ２４０は、薄膜トランジスタを備える液晶表示装置である。ＴＦＴ２４０は、電源装置１から出力される第１電圧Ｖｏ１をソースドライバ用の電源電圧ＡＶＤＤとして使用する。また、ＴＦＴ２４０は、第１レギュレータ２２０から出力される信号をゲートドライバ用の電源電圧ＶＧＨ（高電圧）として使用し、第２レギュレータ２３０から出力される信号をゲートドライバ用の電源電圧ＶＧＬ（低電圧）として使用する。

そして、上述したように、第２電圧Ｖｏ２が安定することで、第２レギュレータ２３０から出力される電源電圧ＶＧＬを安定させることができるため、ＴＦＴ２４０を安定して動作させることができる。

上述してきたように、実施形態に係る電源装置１は、昇降圧回路２と、チャージポンプ回路３とを備える。昇降圧回路２は、入力電圧Ｖｉｎをスイッチングにより昇圧または降圧して、正の第１電圧Ｖｏ１を出力する。チャージポンプ回路３は、制御端子ＴＢｃｏｎに接続される昇降圧回路２のスイッチングにより生じる信号で駆動され、出力端子ＴＢｏｕｔから負の第２電圧Ｖｏ２を出力するチャージポンプ回路３であって、入力端子ＴＢｉｎには第２電圧Ｖｏ２の基準となる入力電圧Ｖｉｎが印加される。これにより、入力電圧Ｖｉｎが変動する場合であっても、出力電圧を安定させることができる。

さらに、上述した実施形態に係る電源装置１は、例えば、車載バッテリ等のような入力電圧Ｖｉｎの変動が比較的大きい場合には、特に好適である。従って、実施形態に係る電源装置１によれば、車載バッテリにより入力電圧Ｖｉｎが変動する場合であっても、出力電圧（第２電圧Ｖｏ２）を安定させることができる。

さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。このため、本発明のより広範な態様は、以上のように表しかつ記述した特定の詳細および代表的な実施形態に限定されるものではない。したがって、添付の特許請求の範囲およびその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。

１電源装置
２昇降圧回路
３チャージポンプ回路
２０制御部
１００オーディオ装置
２００ディスプレイ装置

Claims

入力電圧をスイッチングにより昇圧または降圧して、正の第１電圧を出力する昇降圧回路と、
制御端子に接続される前記昇降圧回路のスイッチングにより生じる、前記入力電圧と前記第１電圧との和の電圧の信号と、入力端子に印加される前記入力電圧との電圧差によって駆動され、出力端子から負の第２電圧を出力するチャージポンプ回路と
を備え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、
前記制御端子に接続されるコンデンサと、
アノードが前記コンデンサに接続され、カソードが前記入力端子に接続される第１ダイオードと、
アノードが前記出力端子に接続され、カソードが前記コンデンサおよび前記第１ダイオードのアノードに接続される第２ダイオードと
を備えることを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
前記チャージポンプ回路は、
前記制御端子が前記昇降圧回路のスイッチング素子に接続されること
を特徴とする請求項１または２に記載の電源装置。
前記昇降圧回路は、
入力電圧が印加される第１コイルと、前記第１コイルに接続されるコンデンサと、カソードが前記コンデンサに接続されるダイオードとを有するＳＥＰＩＣ回路であって、
前記チャージポンプ回路は、
前記制御端子が前記ダイオードのカソードに接続されること
を特徴とする請求項１～３のいずれか１つに記載の電源装置。
前記昇降圧回路は、
車載バッテリの前記入力電圧が印加されること
を特徴とする請求項１～４のいずれか１つに記載の電源装置。