JPWO2002099947A1 - 電源装置及び電源装置の給電方法 - Google Patents
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Abstract
電池１を効率よく利用できるステップアップダウン電源装置を得る。電子回路４を駆動する電池１と、上記電池１と上記電子回路４との間に接続された電池１の出力電圧を昇圧するステップアップコンバータ２と、上記ステップアップコンバータ２と並列に接続され、上記電池１から放電された電流をバイパスするダイオード５と、上記ステップアップコンバータ２により昇圧された電圧を降圧するリニアレギュレータ３と、上記ステップアップコンバータ２と並列に接続された補助給電回路６とを備えたことを特徴とする。
Description
技術分野
この発明は、電源装置及び電源装置の給電方法、例えば、電池で駆動し、内部回路が電池の動作電圧範囲の内側で動作する携帯型電子機器に関するものである。例えば、リチウムイオン電池の動作電圧範囲が２．７５Ｖ〜４．２Ｖであり、かつ携帯型電子機器の機能を実現する為のＬＳＩ等に必要な電子回路の駆動電圧（Ｖｃｃ）が３Ｖである場合などの電源装置及び電源装置の給電方法に関するものである。
背景技術
従来例１．
図６は従来の電源装置における構成を示したものである。
ここで、電池１は、携帯型電子機器の電力源となる。ステップアップコンバータ２は、上記電池１の電圧をより安定した高い電圧に変換する。リニアレギュレータ３は、上記ステップアップコンバータ２の出力電圧を電子回路４の駆動電圧に安定して降圧する。電子回路４は、携帯型電子機器の主回路を示す。
また、ステップアップコンバータ２は、制御回路部５０、スイッチングを行なうトランジスタ５１、チョークコイル５２、ダイオード５３、コンデンサ５４で構成される。また、ステップアップコンバータ２の出力電圧は制御回路部５０にフィードバックされている。また、トランジスタ５１のエミッタ端子とコンデンサ５４の一方の端子は、回路の基準電圧（グランド）５５に接続されている。ここで、回路の基準電圧は、電池１内部の電源１０１の負極電圧である。電源１０１の負極は、グランド１０２，５５，５７，５９，３０１，４０１に接続され、上記グランド１０２，５５，５７，５９，３０１，４０１は回路の基準電圧を維持している。また、電池１の出力側にはコンデンサ５６が接続されている。コンデンサ５６はグランド５７に接続されている。リニアレギュレータ３の出力側には出力を安定化するためのコンデンサ５８が接続されている。また、コンデンサ５８はグランド５９に接続されている。
次に動作について説明する。電池１の電圧をステップアップコンバータ２で電池１の出力電圧範囲より高い電圧まで昇圧する。この動作により、電池１の電圧の状態に関わらず、一定の安定した電圧が生成される。
次に、ステップアップコンバータ２で昇圧された一定の電圧を入力として、リニアレギュレータ３が上記電圧を降圧する。これにより、一定の安定した電子回路４用の電圧が生成される。携帯型電子機器の主回路である電子回路４は、リニアレギュレータ３で降圧された電圧に基づき動作を行う。このようにステップアップコンバータ２を前段回路とし、リニアレギュレータ３を後段回路として構成したステップアップダウン電源装置によれば、電池１の電圧が電子回路４の必要とする電圧より高い場合でも、低い場合でも、安定した出力を得ることができる。従来技術においては、後段のリニアレギュレータ３をステップダウンコンバータ（チョッパ式スイッチングレギュレータ）で構成することも可能である。
また、リニアレギュレータ３と同様の機能を果たすスイッチングレギュレータの方式として、ＳＥＰＩＣ（Ｓｉｎｇｌｅ Ｅｎｄ Ｐｒｉｍａｒｙ Ｉｎｄｕｃｔａｎｎｃｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ）回路方式やトランス方式がある。
ここで、従来の携帯型端末における、ステップアップダウン電源装置は、ステップアップコンバータ２が常時動作する。しかしながら、常時動作すると、通常このようなスイッチングタイプの電源回路はその出力電力が小さくなった時には効率が極端に悪くなる特性を持っている。そのため、携帯型電子機器の消費電力が小さくなった時、例えば、携帯電話における電話の待受け状態、またはＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｄｉｇｉｔａｌ Ａｓｓｉｓｔａｎｃｅ）やＰＣ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ）等における省電力モード（サスペンド、スタンバイ、スリープ等の名称で用いられる）等のような低消費電力モードでは、ステップアップコンバータ２の損失が、機器の動作時間を短くしてしまう主要因の一つとなり問題があった。
そのため、機器の動作条件等によっては、ステップアップダウン電源を搭載せず、リニアレギュレータ３のみを搭載し、電子回路４の動作電圧より高い状態の電池１電圧範囲でしか電池１を利用しない場合もある。例えば電子回路４の動作電圧が３．３Ｖとした場合に、リニアレギュレータ３の飽和電圧分を考慮し、４．２Ｖ〜３．５Ｖの間だけを利用し、３．４Ｖ以下は使用しない場合などである。
このように、機器の消費電力によっては、電池１の電圧範囲を全て利用しようとステップアップコンバータ２を搭載するよりも、ステップアップコンバータ２を搭載せずに電池１を上記４．２Ｖ〜３．５Ｖの間だけ利用する方がかえってステップアップコンバータ２の損失が無い分、動作時間が長くなる場合もある。
しかしながら、本来このステップアップコンバータ２の動作が必要な期間は、電池１電圧が、電子機器４の動作電圧を発生するのに必要なリニアレギュレータ３の入力電圧より小さくなった時だけである。そのため、電池１電圧が高い間は電力損失の大きいステップアップコンバータ２を停止または休止状態（例えば、ステップアップコンバータ２がＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御タイプのスイッチングコンバータであるならば、スイッチングオンＤＵＴＹが０％あるいはそれに近い状態とすること）によりステップアップコンバータ２の電力ロスを抑制できる。
しかし、単純に停止および休止をさせた場合には、負荷の変動により出力電流が増加した時に電池１電圧が低下してしまう。これにより、電池１電圧がリニアレギュレータ３の必要とする電圧を下回ってしまう。したがって、電子機器４への電源供給が不安定となり、電子機器４の誤動作を発生させる。
よって、通常はこの問題を防止するため、ステップアップコンバータ２は、高速な応答性能が得られる様にするために、電池１の最大電圧より高い出力電圧を設定し、常時動作させる。しかしながら、これは、上述したように、ステップアップコンバータ２による電力損失を常時発生させるということにつながる。
また、後段のリニアレギュレータ３で代表されるステップダウン電源には、状況によりスイッチング方式のステップダウンコンバータが使用される場合もある。
このように、上記ステップアップダウン電源装置では、電源装置のロスを抑制しながら電池電圧範囲の全範囲に渡って電池１を利用することが困難である。
本発明は、電力損失を抑制できるステップアップダウン電源装置を得ることを目的とする。
また、負荷の変動による電子機器への電源供給の不安定を解消し安定して給電できるステップアップダウン電源装置を得ることを目的とする。
また、電池を効率よく利用できるステップアップダウン電源装置を得ることを目的とする。
従来例２．
特開昭５７−２０６２３１号公報には、車両のエンジン停止時にＤＣ−ＤＣ（直流−直流）コンバータの動作によるバッテリの放電により、車両が始動不能になることを回避するため、バッテリと、このバッテリの電圧を昇圧するＤＣ−ＤＣコンバータと、ＤＣ−ＤＣコンバータの作動を兼ねたイグニッションスイッチと、昇圧回路の出力が入力される定電圧回路と、定電圧回路の出力が入力される車両用電子機器と、上記ＤＣ−ＤＣコンバータがオフの場合に上記バッテリから上記車両用電子機器にダイオードを介して直接電源が供給される回路とを備えた車両用電子機器の電源装置が記載されている。
図に示してはいないが、上記構成において、上記イグニッションスイッチがオフのときは、上記ＤＣ−ＤＣコンバータは駆動せず、バッテリは上記ダイオードを介して定電圧回路へ供給され、さらに上記車両用電子機器へ供給される。上記イグニッションスイッチがオンのときは、そのオン時のほとんどにおいてエンジンが作動しているときであることからバッテリは充電される。これにより、ＤＣ−ＤＣコンバータが作動して消費電力が増加してもバッテリは放電しない。また、車両のエンジンスタータ始動時においてもＤＣ−ＤＣコンバータは同様に作動し、バッテリの電圧は低下する。これにもかかわらず電圧はＤＣ−ＤＣコンバータにより昇圧され正常な電圧電源で上記車両用電子機器に供給できる旨記載されている。
しかしながら、上記電源装置においては、バッテリは、上記エンジンにより通常は充電されていることを前提としたものであって、バッテリを使用不能な電圧範囲にまで有効に利用することを解決するものではない。
従来例３．
特開平４−２５９０１７号公報には、高電圧駆動系と低電圧駆動系との作動電圧の異なる電気部品を駆動する直流電源装置として、スイッチングレギュレータとリニアレギュレータと上記スイッチングレギュレータの目標電圧を切り替える目標電圧切替手段とを備えた直流電源装置が記載されている。
図に示してはいないが、上記スイッチングレギュレータは、直流電圧を外部から指定された目標電圧に変換して出力し、高電圧駆動系を駆動する。また、上記リニアレギュレータは、上記スイッチングレギュレータからの出力電圧を分岐入力し、上記出力電圧より低い所定電圧に変換して出力し、低電圧駆動系を駆動している。また、上記スイッチングレギュレータからの出力電圧を高電圧駆動系に供給する場合に、供給しない場合の目標電圧より大きくなるように、上記目標電圧切替手段は上記スイッチングレギュレータの目標電圧を切り替える。
これにより、高電圧駆動系に供給しない場合のリニアレギュレータでの電力損失を抑制している。
しかしながら、上記直流電源装置は、上記低電圧駆動系の電気部品を駆動する際、上記高電圧駆動系の電気部品を駆動するのに必要な電圧に昇圧することによる電力損失を低減するためのものであって、電源を使用不能な電圧範囲にまで有効に利用することを解決するものではない。
発明の開示
本発明の電源装置は、負荷部を駆動する第１の電源部と、
上記第１の電源部と上記負荷部との間に接続された第１の電源部の出力電圧を昇圧する昇圧部と、
上記昇圧部と並列に接続され、上記第１の電源部から放電された電流をバイパスするバイパス回路部と、
上記昇圧部により昇圧された電圧を降圧する降圧部と、
上記昇圧部と並列に接続された第２の電源部とを備えたことを特徴とする。
また、上記昇圧部は、上記昇圧部を駆動するスイッチを有するとともに、上記昇圧部の出力電圧をフィードバックし、上記フィードバックされた結果に基づき上記スイッチを制御し、出力電圧を一定に安定化する非絶縁型コンバータであることを特徴とする。
また、上記バイパス回路部は、上記昇圧部の入力電圧が上記昇圧部の出力電圧より大きいときにのみ電流が流れるダイオードを備えたことを特徴とする。
また、上記第２の電源部は、上記昇圧部の出力電流により充電される蓄電手段を備えたことを特徴とする。
また、上記第２の電源部は、上記第２の電源部から電力を放電する時間を設定する第１の時間設定回路部と、
上記第１の時間設定回路部により設定された上記第２の電源部から電力を放電させる時間の始期と同期して上記昇圧部の出力電圧を変更する時間を設定する第２の時間設定回路部とを備え、
上記電源装置は、上記第２の時間設定回路部に設定された時間中、上記昇圧部の出力電圧を変更する電圧可変回路部を備えたことを特徴とする。
また、上記電源装置は、上記第２の時間設定回路部が作動している間、上記昇圧部の出力電圧を上記第２の電源部の出力電圧より高い電圧値に設定することを特徴とする。
また、本発明の電源装置の給電方法は、第１の電源部により負荷部を駆動し、
上記第１の電源部の出力電圧が負荷部を駆動するために必要な電圧より小さい場合に、上記第１の電源部の出力電圧を昇圧し、
上記第１の電源部の出力電圧が負荷部を駆動するために必要な電圧より小さくなるまで上記第１の電源部から放電された電流をバイパスし、
上記第１の電源部の昇圧された出力電圧が負荷部を駆動するために必要な電圧より小さい場合に、第２の電源部により上記バイパスされた電圧を昇圧し、
上記第１の電源部の出力電圧と上記第１の電源部の昇圧された出力電圧と上記第２の電源部の出力電圧との少なくとも１つの電圧を、負荷部を駆動する電圧まで降圧することを特徴とする。
また、上記電源装置の給電方法は、さらに、上記第２の電源部を上記第１の電源部の昇圧された出力電圧により充電することを特徴とする。
また、上記電源装置の給電方法は、さらに、上記第２の電源部から電力を放電する第１の時間を設定し、
上記設定された第１の時間中、上記第２の電源部から電力を放電し、
上記第２の電源部からの放電開始と同期して上記第１の電源部の出力電圧を変更する第２の時間を設定し、
上記第２の時間中、上記第１の電源部の出力電圧を変更することを特徴とする。
また、上記電源装置の給電方法は、さらに、上記第１の電源部の出力電圧の昇圧を開始するときに、上記昇圧する電圧を第２の電源部の出力電圧より高く設定することを特徴とする。
発明を実施するための最良の形態
実施の形態１．
以下、実施の形態１を図に基づいて説明する。
図１において、電池１は、第１の電源部の一例であり、携帯型電子機器の主電力源となる。ステップアップコンバータ２は、昇圧部の一例であり、上記電池１の電圧をより安定した高い電圧に変換する非絶縁型コンバータである。リニアレギュレータ３は、降圧部の一例であり、上記ステップアップコンバータ２の出力電圧を電子回路４の駆動電圧に安定して降圧する。電子回路４は、負荷部の一例であり、携帯型電子機器の主回路を示す。
また、ステップアップコンバータ２は、制御回路部５０、スイッチングを行なうトランジスタ５１、チョークコイル５２、ダイオード５３、コンデンサ５４、電圧可変回路１３（電圧可変回路部の一例）で構成される。ステップアップコンバータ２の出力電圧は、電圧可変回路１３を介して制御回路部５０にフィードバックされている。また、トランジスタ５１のエミッタ端子とコンデンサ５４の一方の端子は、回路の基準電圧（グランド）５５に接続されている。ここで、回路の基準電圧は、電池１内部の電源１０１の負極電圧である。電源１０１の負極は、グランド１０２，５５，５７，５９，３０１，４０１，６４，６６に接続され、上記グランド１０２，５５，５７，５９，３０１，４０１，６４，６６は回路の基準電圧を維持している。
また、電池１の出力側にはコンデンサ５６が接続されている。コンデンサ５６はグランド５７に接続されている。リニアレギュレータ３の出力側には出力を安定化するためのコンデンサ５８が接続されている。コンデンサ５８はグランド５９に接続されている。
また、ステップアップコンバータ２は、電圧可変回路１３により電圧可変機能を持っている。バイパスダイオード５は、上記ステップアップコンバータ２と並列に接続されている（バイパス回路部の一例である）。また、ステップアップコンバータ２は、外部から制御回路部５０にＯＮ／ＯＦＦ（オン／オフ）信号を入力することにより、外部から起動または停止させることができる。補助給電回路６は、第２の電源部の一例であり、ステップアップコンバータ２の出力およびバイパスダイオード５のカソード側に接続され補助的に電力を補填する。電圧検出回路７は、２端子ある入力の一方を基準電圧を構成する直流電源６５の正極側に接続し、他方をステップアップコンバータ２の出力およびバイパスダイオード５のカソード側に接続する。直流電源６５の負極側は、グランド６６に接続されている。電圧検出回路７は、補助給電回路６が給電を行なうか否かを判定する。タイマ８は、第１の時間設定回路部の一例であり、入力が電圧検出回路７の出力に接続され、出力がタイマ９、半導体スイッチ１０、コンパレータ６０に入力され制御されている。タイマ８は、電圧検出回路７の出力により任意の時間補助給電回路６を動作させる。タイマ９は、第２の時間設定回路部の一例であり、入力がタイマ８の出力に接続され、タイマ９の出力が電圧可変回路１３に接続されている。タイマ９は、補助給電回路６の動作開始に同期して任意の時間ステップアップコンバータ２の出力電圧設定を通常動作状態よりも高く設定するように電圧可変回路１３を動作させる。半導体スイッチ１０は、ＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｅ）やバイポーラ型トランジスタに代表されるスイッチである。半導体スイッチ１０は、タイマ８の出力により補助給電のオン・オフをする。半導体スイッチ１１は、半導体スイッチ１０と同様ＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｅ）やバイポーラ型トランジスタに代表されるスイッチである。半導体スイッチ１１は、コンパレータ６０の出力により補助給電用エネルギを充電するための回路をオン・オフをする。コンデンサ１２は、蓄電手段の一例であり、２端子の内、一方がグランド６４に接続され、他方がダイオード６１のカソード側およびダイオード６２のアノード側に接続されている。コンデンサ１２は、補助給電用エネルギを蓄積する。ダイオード６１は、アノード側を抵抗６３、半導体スイッチ１１を介してステップアップコンバータ２の出力およびバイパスダイオード５のカソード側に接続されている。ダイオード６２は、カソード側が、半導体スイッチ１０を介して、ステップアップコンバータ２の出力およびバイパスダイオード５のカソード側に接続されている。
次に電源装置の動作について説明する。ステップアップコンバータ２はリニアレギュレータ３の動作に最低限必要な電圧を出力するように出力電圧を設定する。そのため、電池１電圧がステップアップコンバータ２の出力電圧設定値より高い場合には、ステップアップコンバータ２の出力フィードバック制御回路部５０はトランジスタ５１のスイッチング動作を休止するように動作し、実際にステップアップコンバータ２は休止状態となるか、あるいは間欠発振動作となる。いずれにしても電力損失が抑制された状態となる。バイパスダイオード５は、ステップアップコンバータ２の出力電圧ができるだけ電池１電圧に近い値になるようにステップアップコンバータ２の入出力抵抗による電圧ロスを緩和し、より多くの時間、ステップアップコンバータ２が休止状態を保てるように作用する。補助給電回路６は、電子回路４の負荷が急激に増加することにより、電池１の電圧が低下した場合、または、ステップアップコンバータ２の動作遅延等により発生するリニアレギュレータ３の入力電圧が正常な動作範囲より低下した場合に、急激に補助的なエネルギ補填を行い、電圧を上昇させる動作を行う。
また、本電源回路起動時においては、電圧可変回路１３によるステップアップコンバータ２の出力電圧設定の初期設定値は、補助給電回路６におけるコンデンサ１２の充電のために高い電圧設定とする。ここで、電圧可変回路１３においては、ステップアップコンバータ２の出力電圧を検出する部分の抵抗値比率を可変することによりステップアップコンバータ２の出力電圧設定を行なう。上記初期設定値は、一定時間のみ作用し、その時間設定は、タイマ９の設定時間とは異なることから、図示してはいないがリセットＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）により生成する。ただし、タイマ９の設定時間は、後述するようにコンデンサ１２の充電時間よりも長いことから、上記初期設定値の時間設定は、タイマ９により生成してもよい。
次に、補助給電回路６の動作について説明する。電圧検出回路７はステップアップコンバータ２の電圧を検出するコンパレータであり、リニアレギュレータ３の最低限必要な動作電圧を比較基準値として、上記比較基準値より検出電圧が低下した場合は、コンパレータである電圧検出回路７の出力信号が反転する。現実には補助給電回路６の給電動作にも時間的遅れ要素があるので電圧検出回路７の比較基準値としてはリニアレギュレータ３の最低限必要な動作電圧より若干高い電圧を検出電圧値とする。電圧検出回路７の出力信号が反転することをトリガとして１ショットタイマ８及びタイマ９が動作する。このタイマ８の出力により、補助給電オンスイッチである半導体スイッチ１０が任意の一定時間導通し、コンデンサ１２に蓄積された電荷を電圧エネルギとしてダイオード６２、半導体スイッチ１０を介してリニアレギュレータ３の入力に供給する。更に、タイマ９の出力により、任意に設定された時間の間、電圧可変回路１３はステップアップコンバータ２の出力電圧を補助給電回路６のコンデンサ１２の最高電圧より０．５Ｖ程度高い値に設定する。これにより、ステップアップコンバータ２の出力電圧は設定値まで上昇する。タイマー８の設定時間に到達すると、補助給電オンスイッチである半導体スイッチ１０がオフすると同時に補助給電充電オンスイッチである半導体スイッチ１１がオンする。そして、補助給電回路６は、上昇したステップアップコンバータ２の出力電圧により、急速にコンデンサ１２を充電し、また、コンデンサ１２を次の補助給電動作準備状態に遷移させる。タイマ９の時間は、タイマ８の時間とコンデンサ１２の充電時間の和に設定する。ただし、多少の余裕を考え、上記和以上の時間に設定するのが望ましい。
実施の形態１による、補助給電回路６の動作と補助給電回路６への充電動作の一例を示すタイムチャートを図２に示す。
図２において、電池１の電圧は、リニアレギュレータ３の最低動作電圧より高い（Ｈ）状態にある。電子回路４の負荷は小さい（Ｌ）状態にある。ステップアップコンバータ２の出力電圧は、リニアレギュレータ３の最低動作電圧より高い（Ｈ）状態にある。電圧検出回路７の出力信号はＬｏｗ（Ｌ）状態にある。タイマ８の出力はオフ（ＯＦＦ）である。タイマ９の出力はＯＦＦである。電圧可変回路１３の出力設定はリニアレギュレータ３の最低動作電圧（通常設定：Ｎ）である。補助給電スイッチである半導体スイッチ１０はＯＦＦである。補助給電充電スイッチである半導体スイッチ１１はオン（ＯＮ）である。これを通常運転時とする。
ここで、電子回路４の負荷が大きい（Ｈ）状態になると、電池１の電圧は、低下していく。また、ステップアップコンバータ２の出力電圧も低下する。
また、電圧検出回路７の出力信号はＨｉｇｈ（Ｈ）状態になる。
これにより、タイマ８の出力はＯＮになる。これにより、半導体スイッチ１０はＯＮになる。また、半導体スイッチ１１はＯＦＦになる。これにより補助給電回路６のコンデンサ１２からリニアレギュレータ３の入力に電力を供給する。
また、タイマ９の出力はＯＮになる。これにより、電圧可変回路１３の出力設定は補助給電回路６のコンデンサ１２の最高電圧より高い値（高い電圧設定：ＨＨ）になる。これにより、ステップアップコンバータ２が作動を開始する。ここで、コンデンサ１２から電力を供給しない場合には、図２の点線で示したように、ステップアップコンバータ２の出力電圧はリニアレギュレータ３の最低動作電圧（Ｍｉｎ）を下回ることになる。
次に、ステップアップコンバータ２の出力電圧がＨ状態になると、電圧検出回路７の出力信号はＬ状態になる。
次に、タイマ８の出力はＯＦＦになると、半導体スイッチ１０はＯＦＦになる。また、半導体スイッチ１１はＯＮになる。これにより、上昇したステップアップコンバータ２の出力電圧より、急速にコンデンサ１２に充電を行い、コンデンサ１２を次の補助給電動作準備状態に遷移させる。
次に、タイマ９の出力はＯＦＦになると、これにより、電圧可変回路１３の出力設定はＮ状態になる。これにより、ステップアップコンバータ２が作動を停止する。
以上により一連の補助給電回路６の動作と補助給電回路６への充電動作が終了する。
上記のように動作することにより、より安定した電力供給をしながら、電池１駆動時間を延ばすことが可能となる。
ここで、例えば、一例として従来の電源装置であるステップアップダウンコンバータと本実施の形態１による電源装置の動作状態の違いを電池１電圧に合わせて示した図を図３に示す。ここで、電子回路４の作動電圧を３．３Ｖ、リニアレギュレータ３飽和電圧を０．３Ｖとする。よって、リニアレギュレータ３の最低動作電圧は３．６Ｖとする。
図３のケースでは、電池１電圧が４．２Ｖ〜３．６１Ｖまでは、本実施の形態１によればステップアップコンバータ２が動作を休止状態とすることになり、従来の電源装置であるステップアップコンバータ部が連続動作であることと比べて、この部分の電力損失を抑制できる。
このように、本実施の形態１のステップアップダウン電源装置において、ステップアップコンバータ２の出力電圧設定を、後段のリニアレギュレータ３が動作可能な電圧の範囲の中でできうる限り低く設定する。さらに、順方向電圧の低いダイオード５をバイパスダイオードとして、ステップアップコンバータ２と並列に接続する。これにより、電池１電圧範囲の中で最大限ステップアップコンバータ２の動作が休止状態となるように電圧可変回路１３を設定し、電源装置の電力損失を減らし、電池駆動携帯型電子機器の駆動時間を延ばすことができる。
さらに、負荷の変動に対して安定した電力供給を行うために、ステップアップコンバータ２回路が急変時（例えば、起動時）にステップアップコンバータ２回路の動作を正常に行うまでの間、つまりは、電圧がリニアレギュレータ３が動作可能な電圧の範囲以下である間、ステップアップコンバータ２の代わりに電力をリニアレギュレータ３に供給するための電力タンク回路となる補助給電回路６を構成する。そして、負荷急変時に半導体スイッチ１０、１１により一定時間補助給電回路６からリニアレギュレータ３に電力を補助的に給電し、電子回路４への給電が安定に行えるようにする。また、このとき、同時にステップアップコンバータ２回路を正常なスイッチング動作状態に状態遷移させるために、ステップアップコンバータ２の出力電圧設定を電圧可変回路１３により高く設定変更する。出力電圧設定を高くする時間は、補助給電回路６から給電している時間と補助給電回路６のエネルギ貯蔵源となるコンデンサ１２に再充電する時間との和とする。これは次の負荷急変に備えるために必要な動作である。また補助給電回路６から給電している時間はステップアップコンバータ２がノーマルなスイッチング状態に戻るのに必要な時間となる。
また、本電源回路起動時には補助給電回路６に充電を行うため、同様に出力電圧設定を高くする。
この実施の形態１による補助給電回路６を組み込んだステップアップダウン電源装置を電池駆動型電子機器に組み込むことにより、より安定した電力供給をしながら、電池１駆動時間を延ばすことが可能となる。
実施の形態２
上記実施の形態１では、任意の時間を作るためにタイマ回路を用いた実施の形態を示したが、タイマ８、９の代わりに簡易なコンデンサ（Ｃ）と抵抗（Ｒ）を用いたＣＲ時定数回路でも同様の効果が得られる。以下この実施の形態２を、実施の形態１と異なる点を中心に、図４に基づいて説明する。
ドライブ回路１４は、半導体スイッチ８１とコンデンサ８２と抵抗８３とダイオード８４で構成されている。ダイオード８４のアノード側には電圧検出回路７の出力が接続されていて、カソード側には半導体スイッチ８１のスイッチ入力端子とコンデンサ８２の一方の端子と抵抗８３の一方の端子に接続されている。コンデンサ８２と抵抗８３のそれぞれ他方の端子は、半導体スイッチ８１を介して半導体スイッチ１０のスイッチ入力端子に接続しているとともに、グランド８６と接続されている。ドライブ回路１４は、補助給電オンスイッチである半導体スイッチ１０を駆動する回路であり、ＣＲ時定数により、半導体スイッチ１０がオンからオフへ切り換わる時間を遅延させる。
ドライブ回路１５は、半導体スイッチ７１とコンデンサ７２と抵抗７３、７５とダイオード７４で構成されている。ダイオード７４のアノード側には電圧検出回路７の出力が接続されていて、カソード側には半導体スイッチ７１のスイッチ入力端子とコンデンサ７２の一方の端子と抵抗７３の一方の端子に接続されている。コンデンサ７２と抵抗７３のそれぞれ他方の端子は、半導体スイッチ７１を介して電圧可変回路１３の信号入力端子と抵抗７５に接続しているとともに、グランド７６と接続されている。ドライブ回路１５は電圧可変回路１３を駆動する回路であり、ＣＲ時定数により、ステップアップコンバータ２の電圧をＣＲ時定数で定めた期間、高い電圧に設定するように電圧可変回路１３を駆動することを可能とする。グランド７６，８６は、電源１０１の負極に接続され、上記グランドグランド７６，８６は回路の基準電圧を維持している。
実施の形態２では形態１より安価な部品を構成してタイマー部分を構成できる効果が得られる。
実施の形態３．
上記実施の形態１と２では、専用の補助給電回路６を用いた実施の形態を示したが、例えば携帯型電子機器には複数の電源種類を用いる場合があり、これらの電源出力を補助給電回路６のエネルギ供給源としても同様の効果が得られる。以下この実施の形態３を図５に基づいて説明する。
他の電源１６の出力は、ダイオード６２のアノード側に接続されている。また、他の電源１６の出力は、電子回路４に接続されていて、電子回路４を直接駆動することもできる。また、他の電源１６の出力は、電池１の出力に接続されていて、電池１の出力の代用をすることもできる。
他の電源１６は、第２の電源部の一例であり、ステップアップコンバータ２の通常設定の出力電圧よりも高い電圧を出力し、かつ電源容量はリニアレギュレータ３の負荷容量より数倍以上十分大きいものである。補助給電スイッチである半導体スイッチ１０をオンすることにより、他の電源１６の出力から半導体スイッチ１０を介してリニアレギュレータ３の入力にエネルギを供給する。本実施の形態３では、補助給電回路６はエネルギを蓄積する必要がないので、補助給電回路充電オンスイッチである半導体スイッチ１１およびエネルギを蓄積するコンデンサ１２は不要である。更に、補助給電オンスイッチである半導体スイッチ１０がオンしている時間とステップアップコンバータ２の電圧設定を高くしている時間が等しくてよいことから、タイマ９も不要となる。
本実施の形態３では上記実施の形態２よりも更に安価に構成できることになる。但し、他の電源１６出力が動作していることから省電力化への影響は小さい。
携帯型電子機器において，リチウム系二次電池が一般的であるが、これを１セルで使用する場合、利用電圧が一般的には２．７５Ｖ〜４．２Ｖとなる。この利用電圧範囲の中で、例えば電子機器の一般的な動作電圧３Ｖまたは３．３Ｖを作るためには、電源装置は、上記利用電圧範囲にある電池１電圧により、電圧を上げたり、下げたりしなければならない。上記実施の形態１、２、３は、このステップアップダウン電源回路について電圧変換効率を改善するための方式に関するものである。
前述したステップアップダウン電源回路は、上記利用電圧範囲を上げることを目的とするステップアップダウン電源装置で、電力損失を極力抑制するため、昇圧型コンバータの出力電圧設定を可能な限り、後段のリニアレギュレータ３の入力範囲の下限に設定した昇圧コンバータと、
その昇圧された電圧を電子回路４が要求する一定電圧（例えば３Ｖ）に一定化するために電圧を下げるリニアレギュータ３と、
入力電圧電池１電圧がリニアレギュレータ３より高い状態の時にバイパスするバイパスダイオード５と、
昇圧型コンバータ停止時における、急激な負荷変動による電池１電圧の低下をエネルギ補填するための補助給電回路６と、
補助給電回路６の動作に同期して一時的に昇圧回路の出力電圧設定を通常より高く設定する電圧可変回路１３とを備えた、高効率ステップアップダウン電源装置である。
また、ステップアップダウン電源回路は、上記において補助給電回路６の供給源を自励で得ることを目的として、補助給電回路６の供給源を得るため、電源回路起動時および補助給電回路６動作時に予め定めた任意の期間、ステップアップコンバータ２の出力電圧を通常より高く設定する電圧可変回路１３と、
上記通常より高く設定された電圧により電力を蓄積する電池またはコンデンサ１２を装備した補助給電回路６とを備えた、高効率ステップアップダウン電源装置である。
産業上の利用可能性
この発明の好適な実施の形態によれば、第１の電源部電圧が高く、電源容量が十分ある状態での不要な昇圧動作を休止し、高効率を維持し、更に電池の利用範囲の最後まで動作させることが可能となることにより、電源容量を最大限まで使用することを実現できる効果がある。
また、以上により、例えば、電池駆動型携帯電子機器の動作モードが携帯電話における待受け状態やＰＤＡやＰＣ等における低消費電力動作モード（サスペンドモード、スタンバイモード、スリープモードと称されている）での電源装置の電力損失を抑制し、より一層の低消費電力化を実現することができる効果がある。
よって、電源駆動時間をより長くした電池駆動型携帯電子機器が得られる効果がある。
また、第２の電源部が多出力電源でなくても負荷部に安定した電力供給を実現できる効果を得ることができる。すなわち、単一電源機器においても負荷部に安定した電力供給を実現できる効果を得ることができる。
この発明の好適な実施の形態によれば、降圧部の入力電圧をフィードバックし制御する非絶縁型コンバータを備えることにより、必要時に必要なだけ昇圧動作を自動的に行なうことができる効果がある。
この発明の好適な実施の形態によれば、ダイオードにより、昇圧時に昇圧回路を経由せずに電力が供給されることがなく、また、昇圧された電力の損失を低減することができる効果がある。
この発明の好適な実施の形態によれば、第２の電源部が蓄電されることにより使い捨ての補助電源が不要となり第１の電源部単体で電源装置を実現できる効果がある。
この発明の好適な実施の形態によれば、第２の電源部からの給電時間を任意に設定できる効果がある。また、昇圧部の出力電圧を任意に一定時間可変することができる効果がある。これにより、昇圧部を円滑に正常な動作状態に状態遷移させることができ、ひいては、より一層の低消費電力化を実現することができる効果がある。
この発明の好適な実施の形態によれば、安価な部品を構成して時間設定回路を構成できる効果が得られる。
この発明の好適な実施の形態によれば、昇圧部を円滑に正常な動作状態に状態遷移させることができ、ひいては、より一層の低消費電力化を実現することができる効果がある。また、第２の電源部を十分充電することができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
図１は、実施の形態１によるステップアップダウン電源装置の構成図。
図２は、実施の形態１による補助給電回路の動作と補助給電回路への充電動作の一例を示すタイムチャート図。
図３は、従来のステップアップコンバータと実施の形態１によるステップアップコンバータの動作状態の違いを電池電圧に合わせて示した図。
図４は、実施の形態２による補助給電回路の電圧検出部の構成図。
図５は、実施の形態３よるステップアップダウン電源装置の構成図。
図６は、従来のステップアップダウン電源装置の構成図。
この発明は、電源装置及び電源装置の給電方法、例えば、電池で駆動し、内部回路が電池の動作電圧範囲の内側で動作する携帯型電子機器に関するものである。例えば、リチウムイオン電池の動作電圧範囲が２．７５Ｖ〜４．２Ｖであり、かつ携帯型電子機器の機能を実現する為のＬＳＩ等に必要な電子回路の駆動電圧（Ｖｃｃ）が３Ｖである場合などの電源装置及び電源装置の給電方法に関するものである。
背景技術
従来例１．
図６は従来の電源装置における構成を示したものである。
ここで、電池１は、携帯型電子機器の電力源となる。ステップアップコンバータ２は、上記電池１の電圧をより安定した高い電圧に変換する。リニアレギュレータ３は、上記ステップアップコンバータ２の出力電圧を電子回路４の駆動電圧に安定して降圧する。電子回路４は、携帯型電子機器の主回路を示す。
また、ステップアップコンバータ２は、制御回路部５０、スイッチングを行なうトランジスタ５１、チョークコイル５２、ダイオード５３、コンデンサ５４で構成される。また、ステップアップコンバータ２の出力電圧は制御回路部５０にフィードバックされている。また、トランジスタ５１のエミッタ端子とコンデンサ５４の一方の端子は、回路の基準電圧（グランド）５５に接続されている。ここで、回路の基準電圧は、電池１内部の電源１０１の負極電圧である。電源１０１の負極は、グランド１０２，５５，５７，５９，３０１，４０１に接続され、上記グランド１０２，５５，５７，５９，３０１，４０１は回路の基準電圧を維持している。また、電池１の出力側にはコンデンサ５６が接続されている。コンデンサ５６はグランド５７に接続されている。リニアレギュレータ３の出力側には出力を安定化するためのコンデンサ５８が接続されている。また、コンデンサ５８はグランド５９に接続されている。
次に動作について説明する。電池１の電圧をステップアップコンバータ２で電池１の出力電圧範囲より高い電圧まで昇圧する。この動作により、電池１の電圧の状態に関わらず、一定の安定した電圧が生成される。
次に、ステップアップコンバータ２で昇圧された一定の電圧を入力として、リニアレギュレータ３が上記電圧を降圧する。これにより、一定の安定した電子回路４用の電圧が生成される。携帯型電子機器の主回路である電子回路４は、リニアレギュレータ３で降圧された電圧に基づき動作を行う。このようにステップアップコンバータ２を前段回路とし、リニアレギュレータ３を後段回路として構成したステップアップダウン電源装置によれば、電池１の電圧が電子回路４の必要とする電圧より高い場合でも、低い場合でも、安定した出力を得ることができる。従来技術においては、後段のリニアレギュレータ３をステップダウンコンバータ（チョッパ式スイッチングレギュレータ）で構成することも可能である。
また、リニアレギュレータ３と同様の機能を果たすスイッチングレギュレータの方式として、ＳＥＰＩＣ（Ｓｉｎｇｌｅ Ｅｎｄ Ｐｒｉｍａｒｙ Ｉｎｄｕｃｔａｎｎｃｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ）回路方式やトランス方式がある。
ここで、従来の携帯型端末における、ステップアップダウン電源装置は、ステップアップコンバータ２が常時動作する。しかしながら、常時動作すると、通常このようなスイッチングタイプの電源回路はその出力電力が小さくなった時には効率が極端に悪くなる特性を持っている。そのため、携帯型電子機器の消費電力が小さくなった時、例えば、携帯電話における電話の待受け状態、またはＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｄｉｇｉｔａｌ Ａｓｓｉｓｔａｎｃｅ）やＰＣ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ）等における省電力モード（サスペンド、スタンバイ、スリープ等の名称で用いられる）等のような低消費電力モードでは、ステップアップコンバータ２の損失が、機器の動作時間を短くしてしまう主要因の一つとなり問題があった。
そのため、機器の動作条件等によっては、ステップアップダウン電源を搭載せず、リニアレギュレータ３のみを搭載し、電子回路４の動作電圧より高い状態の電池１電圧範囲でしか電池１を利用しない場合もある。例えば電子回路４の動作電圧が３．３Ｖとした場合に、リニアレギュレータ３の飽和電圧分を考慮し、４．２Ｖ〜３．５Ｖの間だけを利用し、３．４Ｖ以下は使用しない場合などである。
このように、機器の消費電力によっては、電池１の電圧範囲を全て利用しようとステップアップコンバータ２を搭載するよりも、ステップアップコンバータ２を搭載せずに電池１を上記４．２Ｖ〜３．５Ｖの間だけ利用する方がかえってステップアップコンバータ２の損失が無い分、動作時間が長くなる場合もある。
しかしながら、本来このステップアップコンバータ２の動作が必要な期間は、電池１電圧が、電子機器４の動作電圧を発生するのに必要なリニアレギュレータ３の入力電圧より小さくなった時だけである。そのため、電池１電圧が高い間は電力損失の大きいステップアップコンバータ２を停止または休止状態（例えば、ステップアップコンバータ２がＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御タイプのスイッチングコンバータであるならば、スイッチングオンＤＵＴＹが０％あるいはそれに近い状態とすること）によりステップアップコンバータ２の電力ロスを抑制できる。
しかし、単純に停止および休止をさせた場合には、負荷の変動により出力電流が増加した時に電池１電圧が低下してしまう。これにより、電池１電圧がリニアレギュレータ３の必要とする電圧を下回ってしまう。したがって、電子機器４への電源供給が不安定となり、電子機器４の誤動作を発生させる。
よって、通常はこの問題を防止するため、ステップアップコンバータ２は、高速な応答性能が得られる様にするために、電池１の最大電圧より高い出力電圧を設定し、常時動作させる。しかしながら、これは、上述したように、ステップアップコンバータ２による電力損失を常時発生させるということにつながる。
また、後段のリニアレギュレータ３で代表されるステップダウン電源には、状況によりスイッチング方式のステップダウンコンバータが使用される場合もある。
このように、上記ステップアップダウン電源装置では、電源装置のロスを抑制しながら電池電圧範囲の全範囲に渡って電池１を利用することが困難である。
本発明は、電力損失を抑制できるステップアップダウン電源装置を得ることを目的とする。
また、負荷の変動による電子機器への電源供給の不安定を解消し安定して給電できるステップアップダウン電源装置を得ることを目的とする。
また、電池を効率よく利用できるステップアップダウン電源装置を得ることを目的とする。
従来例２．
特開昭５７−２０６２３１号公報には、車両のエンジン停止時にＤＣ−ＤＣ（直流−直流）コンバータの動作によるバッテリの放電により、車両が始動不能になることを回避するため、バッテリと、このバッテリの電圧を昇圧するＤＣ−ＤＣコンバータと、ＤＣ−ＤＣコンバータの作動を兼ねたイグニッションスイッチと、昇圧回路の出力が入力される定電圧回路と、定電圧回路の出力が入力される車両用電子機器と、上記ＤＣ−ＤＣコンバータがオフの場合に上記バッテリから上記車両用電子機器にダイオードを介して直接電源が供給される回路とを備えた車両用電子機器の電源装置が記載されている。
図に示してはいないが、上記構成において、上記イグニッションスイッチがオフのときは、上記ＤＣ−ＤＣコンバータは駆動せず、バッテリは上記ダイオードを介して定電圧回路へ供給され、さらに上記車両用電子機器へ供給される。上記イグニッションスイッチがオンのときは、そのオン時のほとんどにおいてエンジンが作動しているときであることからバッテリは充電される。これにより、ＤＣ−ＤＣコンバータが作動して消費電力が増加してもバッテリは放電しない。また、車両のエンジンスタータ始動時においてもＤＣ−ＤＣコンバータは同様に作動し、バッテリの電圧は低下する。これにもかかわらず電圧はＤＣ−ＤＣコンバータにより昇圧され正常な電圧電源で上記車両用電子機器に供給できる旨記載されている。
しかしながら、上記電源装置においては、バッテリは、上記エンジンにより通常は充電されていることを前提としたものであって、バッテリを使用不能な電圧範囲にまで有効に利用することを解決するものではない。
従来例３．
特開平４−２５９０１７号公報には、高電圧駆動系と低電圧駆動系との作動電圧の異なる電気部品を駆動する直流電源装置として、スイッチングレギュレータとリニアレギュレータと上記スイッチングレギュレータの目標電圧を切り替える目標電圧切替手段とを備えた直流電源装置が記載されている。
図に示してはいないが、上記スイッチングレギュレータは、直流電圧を外部から指定された目標電圧に変換して出力し、高電圧駆動系を駆動する。また、上記リニアレギュレータは、上記スイッチングレギュレータからの出力電圧を分岐入力し、上記出力電圧より低い所定電圧に変換して出力し、低電圧駆動系を駆動している。また、上記スイッチングレギュレータからの出力電圧を高電圧駆動系に供給する場合に、供給しない場合の目標電圧より大きくなるように、上記目標電圧切替手段は上記スイッチングレギュレータの目標電圧を切り替える。
これにより、高電圧駆動系に供給しない場合のリニアレギュレータでの電力損失を抑制している。
しかしながら、上記直流電源装置は、上記低電圧駆動系の電気部品を駆動する際、上記高電圧駆動系の電気部品を駆動するのに必要な電圧に昇圧することによる電力損失を低減するためのものであって、電源を使用不能な電圧範囲にまで有効に利用することを解決するものではない。
発明の開示
本発明の電源装置は、負荷部を駆動する第１の電源部と、
上記第１の電源部と上記負荷部との間に接続された第１の電源部の出力電圧を昇圧する昇圧部と、
上記昇圧部と並列に接続され、上記第１の電源部から放電された電流をバイパスするバイパス回路部と、
上記昇圧部により昇圧された電圧を降圧する降圧部と、
上記昇圧部と並列に接続された第２の電源部とを備えたことを特徴とする。
また、上記昇圧部は、上記昇圧部を駆動するスイッチを有するとともに、上記昇圧部の出力電圧をフィードバックし、上記フィードバックされた結果に基づき上記スイッチを制御し、出力電圧を一定に安定化する非絶縁型コンバータであることを特徴とする。
また、上記バイパス回路部は、上記昇圧部の入力電圧が上記昇圧部の出力電圧より大きいときにのみ電流が流れるダイオードを備えたことを特徴とする。
また、上記第２の電源部は、上記昇圧部の出力電流により充電される蓄電手段を備えたことを特徴とする。
また、上記第２の電源部は、上記第２の電源部から電力を放電する時間を設定する第１の時間設定回路部と、
上記第１の時間設定回路部により設定された上記第２の電源部から電力を放電させる時間の始期と同期して上記昇圧部の出力電圧を変更する時間を設定する第２の時間設定回路部とを備え、
上記電源装置は、上記第２の時間設定回路部に設定された時間中、上記昇圧部の出力電圧を変更する電圧可変回路部を備えたことを特徴とする。
また、上記電源装置は、上記第２の時間設定回路部が作動している間、上記昇圧部の出力電圧を上記第２の電源部の出力電圧より高い電圧値に設定することを特徴とする。
また、本発明の電源装置の給電方法は、第１の電源部により負荷部を駆動し、
上記第１の電源部の出力電圧が負荷部を駆動するために必要な電圧より小さい場合に、上記第１の電源部の出力電圧を昇圧し、
上記第１の電源部の出力電圧が負荷部を駆動するために必要な電圧より小さくなるまで上記第１の電源部から放電された電流をバイパスし、
上記第１の電源部の昇圧された出力電圧が負荷部を駆動するために必要な電圧より小さい場合に、第２の電源部により上記バイパスされた電圧を昇圧し、
上記第１の電源部の出力電圧と上記第１の電源部の昇圧された出力電圧と上記第２の電源部の出力電圧との少なくとも１つの電圧を、負荷部を駆動する電圧まで降圧することを特徴とする。
また、上記電源装置の給電方法は、さらに、上記第２の電源部を上記第１の電源部の昇圧された出力電圧により充電することを特徴とする。
また、上記電源装置の給電方法は、さらに、上記第２の電源部から電力を放電する第１の時間を設定し、
上記設定された第１の時間中、上記第２の電源部から電力を放電し、
上記第２の電源部からの放電開始と同期して上記第１の電源部の出力電圧を変更する第２の時間を設定し、
上記第２の時間中、上記第１の電源部の出力電圧を変更することを特徴とする。
また、上記電源装置の給電方法は、さらに、上記第１の電源部の出力電圧の昇圧を開始するときに、上記昇圧する電圧を第２の電源部の出力電圧より高く設定することを特徴とする。
発明を実施するための最良の形態
実施の形態１．
以下、実施の形態１を図に基づいて説明する。
図１において、電池１は、第１の電源部の一例であり、携帯型電子機器の主電力源となる。ステップアップコンバータ２は、昇圧部の一例であり、上記電池１の電圧をより安定した高い電圧に変換する非絶縁型コンバータである。リニアレギュレータ３は、降圧部の一例であり、上記ステップアップコンバータ２の出力電圧を電子回路４の駆動電圧に安定して降圧する。電子回路４は、負荷部の一例であり、携帯型電子機器の主回路を示す。
また、ステップアップコンバータ２は、制御回路部５０、スイッチングを行なうトランジスタ５１、チョークコイル５２、ダイオード５３、コンデンサ５４、電圧可変回路１３（電圧可変回路部の一例）で構成される。ステップアップコンバータ２の出力電圧は、電圧可変回路１３を介して制御回路部５０にフィードバックされている。また、トランジスタ５１のエミッタ端子とコンデンサ５４の一方の端子は、回路の基準電圧（グランド）５５に接続されている。ここで、回路の基準電圧は、電池１内部の電源１０１の負極電圧である。電源１０１の負極は、グランド１０２，５５，５７，５９，３０１，４０１，６４，６６に接続され、上記グランド１０２，５５，５７，５９，３０１，４０１，６４，６６は回路の基準電圧を維持している。
また、電池１の出力側にはコンデンサ５６が接続されている。コンデンサ５６はグランド５７に接続されている。リニアレギュレータ３の出力側には出力を安定化するためのコンデンサ５８が接続されている。コンデンサ５８はグランド５９に接続されている。
また、ステップアップコンバータ２は、電圧可変回路１３により電圧可変機能を持っている。バイパスダイオード５は、上記ステップアップコンバータ２と並列に接続されている（バイパス回路部の一例である）。また、ステップアップコンバータ２は、外部から制御回路部５０にＯＮ／ＯＦＦ（オン／オフ）信号を入力することにより、外部から起動または停止させることができる。補助給電回路６は、第２の電源部の一例であり、ステップアップコンバータ２の出力およびバイパスダイオード５のカソード側に接続され補助的に電力を補填する。電圧検出回路７は、２端子ある入力の一方を基準電圧を構成する直流電源６５の正極側に接続し、他方をステップアップコンバータ２の出力およびバイパスダイオード５のカソード側に接続する。直流電源６５の負極側は、グランド６６に接続されている。電圧検出回路７は、補助給電回路６が給電を行なうか否かを判定する。タイマ８は、第１の時間設定回路部の一例であり、入力が電圧検出回路７の出力に接続され、出力がタイマ９、半導体スイッチ１０、コンパレータ６０に入力され制御されている。タイマ８は、電圧検出回路７の出力により任意の時間補助給電回路６を動作させる。タイマ９は、第２の時間設定回路部の一例であり、入力がタイマ８の出力に接続され、タイマ９の出力が電圧可変回路１３に接続されている。タイマ９は、補助給電回路６の動作開始に同期して任意の時間ステップアップコンバータ２の出力電圧設定を通常動作状態よりも高く設定するように電圧可変回路１３を動作させる。半導体スイッチ１０は、ＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｅ）やバイポーラ型トランジスタに代表されるスイッチである。半導体スイッチ１０は、タイマ８の出力により補助給電のオン・オフをする。半導体スイッチ１１は、半導体スイッチ１０と同様ＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｅ）やバイポーラ型トランジスタに代表されるスイッチである。半導体スイッチ１１は、コンパレータ６０の出力により補助給電用エネルギを充電するための回路をオン・オフをする。コンデンサ１２は、蓄電手段の一例であり、２端子の内、一方がグランド６４に接続され、他方がダイオード６１のカソード側およびダイオード６２のアノード側に接続されている。コンデンサ１２は、補助給電用エネルギを蓄積する。ダイオード６１は、アノード側を抵抗６３、半導体スイッチ１１を介してステップアップコンバータ２の出力およびバイパスダイオード５のカソード側に接続されている。ダイオード６２は、カソード側が、半導体スイッチ１０を介して、ステップアップコンバータ２の出力およびバイパスダイオード５のカソード側に接続されている。
次に電源装置の動作について説明する。ステップアップコンバータ２はリニアレギュレータ３の動作に最低限必要な電圧を出力するように出力電圧を設定する。そのため、電池１電圧がステップアップコンバータ２の出力電圧設定値より高い場合には、ステップアップコンバータ２の出力フィードバック制御回路部５０はトランジスタ５１のスイッチング動作を休止するように動作し、実際にステップアップコンバータ２は休止状態となるか、あるいは間欠発振動作となる。いずれにしても電力損失が抑制された状態となる。バイパスダイオード５は、ステップアップコンバータ２の出力電圧ができるだけ電池１電圧に近い値になるようにステップアップコンバータ２の入出力抵抗による電圧ロスを緩和し、より多くの時間、ステップアップコンバータ２が休止状態を保てるように作用する。補助給電回路６は、電子回路４の負荷が急激に増加することにより、電池１の電圧が低下した場合、または、ステップアップコンバータ２の動作遅延等により発生するリニアレギュレータ３の入力電圧が正常な動作範囲より低下した場合に、急激に補助的なエネルギ補填を行い、電圧を上昇させる動作を行う。
また、本電源回路起動時においては、電圧可変回路１３によるステップアップコンバータ２の出力電圧設定の初期設定値は、補助給電回路６におけるコンデンサ１２の充電のために高い電圧設定とする。ここで、電圧可変回路１３においては、ステップアップコンバータ２の出力電圧を検出する部分の抵抗値比率を可変することによりステップアップコンバータ２の出力電圧設定を行なう。上記初期設定値は、一定時間のみ作用し、その時間設定は、タイマ９の設定時間とは異なることから、図示してはいないがリセットＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）により生成する。ただし、タイマ９の設定時間は、後述するようにコンデンサ１２の充電時間よりも長いことから、上記初期設定値の時間設定は、タイマ９により生成してもよい。
次に、補助給電回路６の動作について説明する。電圧検出回路７はステップアップコンバータ２の電圧を検出するコンパレータであり、リニアレギュレータ３の最低限必要な動作電圧を比較基準値として、上記比較基準値より検出電圧が低下した場合は、コンパレータである電圧検出回路７の出力信号が反転する。現実には補助給電回路６の給電動作にも時間的遅れ要素があるので電圧検出回路７の比較基準値としてはリニアレギュレータ３の最低限必要な動作電圧より若干高い電圧を検出電圧値とする。電圧検出回路７の出力信号が反転することをトリガとして１ショットタイマ８及びタイマ９が動作する。このタイマ８の出力により、補助給電オンスイッチである半導体スイッチ１０が任意の一定時間導通し、コンデンサ１２に蓄積された電荷を電圧エネルギとしてダイオード６２、半導体スイッチ１０を介してリニアレギュレータ３の入力に供給する。更に、タイマ９の出力により、任意に設定された時間の間、電圧可変回路１３はステップアップコンバータ２の出力電圧を補助給電回路６のコンデンサ１２の最高電圧より０．５Ｖ程度高い値に設定する。これにより、ステップアップコンバータ２の出力電圧は設定値まで上昇する。タイマー８の設定時間に到達すると、補助給電オンスイッチである半導体スイッチ１０がオフすると同時に補助給電充電オンスイッチである半導体スイッチ１１がオンする。そして、補助給電回路６は、上昇したステップアップコンバータ２の出力電圧により、急速にコンデンサ１２を充電し、また、コンデンサ１２を次の補助給電動作準備状態に遷移させる。タイマ９の時間は、タイマ８の時間とコンデンサ１２の充電時間の和に設定する。ただし、多少の余裕を考え、上記和以上の時間に設定するのが望ましい。
実施の形態１による、補助給電回路６の動作と補助給電回路６への充電動作の一例を示すタイムチャートを図２に示す。
図２において、電池１の電圧は、リニアレギュレータ３の最低動作電圧より高い（Ｈ）状態にある。電子回路４の負荷は小さい（Ｌ）状態にある。ステップアップコンバータ２の出力電圧は、リニアレギュレータ３の最低動作電圧より高い（Ｈ）状態にある。電圧検出回路７の出力信号はＬｏｗ（Ｌ）状態にある。タイマ８の出力はオフ（ＯＦＦ）である。タイマ９の出力はＯＦＦである。電圧可変回路１３の出力設定はリニアレギュレータ３の最低動作電圧（通常設定：Ｎ）である。補助給電スイッチである半導体スイッチ１０はＯＦＦである。補助給電充電スイッチである半導体スイッチ１１はオン（ＯＮ）である。これを通常運転時とする。
ここで、電子回路４の負荷が大きい（Ｈ）状態になると、電池１の電圧は、低下していく。また、ステップアップコンバータ２の出力電圧も低下する。
また、電圧検出回路７の出力信号はＨｉｇｈ（Ｈ）状態になる。
これにより、タイマ８の出力はＯＮになる。これにより、半導体スイッチ１０はＯＮになる。また、半導体スイッチ１１はＯＦＦになる。これにより補助給電回路６のコンデンサ１２からリニアレギュレータ３の入力に電力を供給する。
また、タイマ９の出力はＯＮになる。これにより、電圧可変回路１３の出力設定は補助給電回路６のコンデンサ１２の最高電圧より高い値（高い電圧設定：ＨＨ）になる。これにより、ステップアップコンバータ２が作動を開始する。ここで、コンデンサ１２から電力を供給しない場合には、図２の点線で示したように、ステップアップコンバータ２の出力電圧はリニアレギュレータ３の最低動作電圧（Ｍｉｎ）を下回ることになる。
次に、ステップアップコンバータ２の出力電圧がＨ状態になると、電圧検出回路７の出力信号はＬ状態になる。
次に、タイマ８の出力はＯＦＦになると、半導体スイッチ１０はＯＦＦになる。また、半導体スイッチ１１はＯＮになる。これにより、上昇したステップアップコンバータ２の出力電圧より、急速にコンデンサ１２に充電を行い、コンデンサ１２を次の補助給電動作準備状態に遷移させる。
次に、タイマ９の出力はＯＦＦになると、これにより、電圧可変回路１３の出力設定はＮ状態になる。これにより、ステップアップコンバータ２が作動を停止する。
以上により一連の補助給電回路６の動作と補助給電回路６への充電動作が終了する。
上記のように動作することにより、より安定した電力供給をしながら、電池１駆動時間を延ばすことが可能となる。
ここで、例えば、一例として従来の電源装置であるステップアップダウンコンバータと本実施の形態１による電源装置の動作状態の違いを電池１電圧に合わせて示した図を図３に示す。ここで、電子回路４の作動電圧を３．３Ｖ、リニアレギュレータ３飽和電圧を０．３Ｖとする。よって、リニアレギュレータ３の最低動作電圧は３．６Ｖとする。
図３のケースでは、電池１電圧が４．２Ｖ〜３．６１Ｖまでは、本実施の形態１によればステップアップコンバータ２が動作を休止状態とすることになり、従来の電源装置であるステップアップコンバータ部が連続動作であることと比べて、この部分の電力損失を抑制できる。
このように、本実施の形態１のステップアップダウン電源装置において、ステップアップコンバータ２の出力電圧設定を、後段のリニアレギュレータ３が動作可能な電圧の範囲の中でできうる限り低く設定する。さらに、順方向電圧の低いダイオード５をバイパスダイオードとして、ステップアップコンバータ２と並列に接続する。これにより、電池１電圧範囲の中で最大限ステップアップコンバータ２の動作が休止状態となるように電圧可変回路１３を設定し、電源装置の電力損失を減らし、電池駆動携帯型電子機器の駆動時間を延ばすことができる。
さらに、負荷の変動に対して安定した電力供給を行うために、ステップアップコンバータ２回路が急変時（例えば、起動時）にステップアップコンバータ２回路の動作を正常に行うまでの間、つまりは、電圧がリニアレギュレータ３が動作可能な電圧の範囲以下である間、ステップアップコンバータ２の代わりに電力をリニアレギュレータ３に供給するための電力タンク回路となる補助給電回路６を構成する。そして、負荷急変時に半導体スイッチ１０、１１により一定時間補助給電回路６からリニアレギュレータ３に電力を補助的に給電し、電子回路４への給電が安定に行えるようにする。また、このとき、同時にステップアップコンバータ２回路を正常なスイッチング動作状態に状態遷移させるために、ステップアップコンバータ２の出力電圧設定を電圧可変回路１３により高く設定変更する。出力電圧設定を高くする時間は、補助給電回路６から給電している時間と補助給電回路６のエネルギ貯蔵源となるコンデンサ１２に再充電する時間との和とする。これは次の負荷急変に備えるために必要な動作である。また補助給電回路６から給電している時間はステップアップコンバータ２がノーマルなスイッチング状態に戻るのに必要な時間となる。
また、本電源回路起動時には補助給電回路６に充電を行うため、同様に出力電圧設定を高くする。
この実施の形態１による補助給電回路６を組み込んだステップアップダウン電源装置を電池駆動型電子機器に組み込むことにより、より安定した電力供給をしながら、電池１駆動時間を延ばすことが可能となる。
実施の形態２
上記実施の形態１では、任意の時間を作るためにタイマ回路を用いた実施の形態を示したが、タイマ８、９の代わりに簡易なコンデンサ（Ｃ）と抵抗（Ｒ）を用いたＣＲ時定数回路でも同様の効果が得られる。以下この実施の形態２を、実施の形態１と異なる点を中心に、図４に基づいて説明する。
ドライブ回路１４は、半導体スイッチ８１とコンデンサ８２と抵抗８３とダイオード８４で構成されている。ダイオード８４のアノード側には電圧検出回路７の出力が接続されていて、カソード側には半導体スイッチ８１のスイッチ入力端子とコンデンサ８２の一方の端子と抵抗８３の一方の端子に接続されている。コンデンサ８２と抵抗８３のそれぞれ他方の端子は、半導体スイッチ８１を介して半導体スイッチ１０のスイッチ入力端子に接続しているとともに、グランド８６と接続されている。ドライブ回路１４は、補助給電オンスイッチである半導体スイッチ１０を駆動する回路であり、ＣＲ時定数により、半導体スイッチ１０がオンからオフへ切り換わる時間を遅延させる。
ドライブ回路１５は、半導体スイッチ７１とコンデンサ７２と抵抗７３、７５とダイオード７４で構成されている。ダイオード７４のアノード側には電圧検出回路７の出力が接続されていて、カソード側には半導体スイッチ７１のスイッチ入力端子とコンデンサ７２の一方の端子と抵抗７３の一方の端子に接続されている。コンデンサ７２と抵抗７３のそれぞれ他方の端子は、半導体スイッチ７１を介して電圧可変回路１３の信号入力端子と抵抗７５に接続しているとともに、グランド７６と接続されている。ドライブ回路１５は電圧可変回路１３を駆動する回路であり、ＣＲ時定数により、ステップアップコンバータ２の電圧をＣＲ時定数で定めた期間、高い電圧に設定するように電圧可変回路１３を駆動することを可能とする。グランド７６，８６は、電源１０１の負極に接続され、上記グランドグランド７６，８６は回路の基準電圧を維持している。
実施の形態２では形態１より安価な部品を構成してタイマー部分を構成できる効果が得られる。
実施の形態３．
上記実施の形態１と２では、専用の補助給電回路６を用いた実施の形態を示したが、例えば携帯型電子機器には複数の電源種類を用いる場合があり、これらの電源出力を補助給電回路６のエネルギ供給源としても同様の効果が得られる。以下この実施の形態３を図５に基づいて説明する。
他の電源１６の出力は、ダイオード６２のアノード側に接続されている。また、他の電源１６の出力は、電子回路４に接続されていて、電子回路４を直接駆動することもできる。また、他の電源１６の出力は、電池１の出力に接続されていて、電池１の出力の代用をすることもできる。
他の電源１６は、第２の電源部の一例であり、ステップアップコンバータ２の通常設定の出力電圧よりも高い電圧を出力し、かつ電源容量はリニアレギュレータ３の負荷容量より数倍以上十分大きいものである。補助給電スイッチである半導体スイッチ１０をオンすることにより、他の電源１６の出力から半導体スイッチ１０を介してリニアレギュレータ３の入力にエネルギを供給する。本実施の形態３では、補助給電回路６はエネルギを蓄積する必要がないので、補助給電回路充電オンスイッチである半導体スイッチ１１およびエネルギを蓄積するコンデンサ１２は不要である。更に、補助給電オンスイッチである半導体スイッチ１０がオンしている時間とステップアップコンバータ２の電圧設定を高くしている時間が等しくてよいことから、タイマ９も不要となる。
本実施の形態３では上記実施の形態２よりも更に安価に構成できることになる。但し、他の電源１６出力が動作していることから省電力化への影響は小さい。
携帯型電子機器において，リチウム系二次電池が一般的であるが、これを１セルで使用する場合、利用電圧が一般的には２．７５Ｖ〜４．２Ｖとなる。この利用電圧範囲の中で、例えば電子機器の一般的な動作電圧３Ｖまたは３．３Ｖを作るためには、電源装置は、上記利用電圧範囲にある電池１電圧により、電圧を上げたり、下げたりしなければならない。上記実施の形態１、２、３は、このステップアップダウン電源回路について電圧変換効率を改善するための方式に関するものである。
前述したステップアップダウン電源回路は、上記利用電圧範囲を上げることを目的とするステップアップダウン電源装置で、電力損失を極力抑制するため、昇圧型コンバータの出力電圧設定を可能な限り、後段のリニアレギュレータ３の入力範囲の下限に設定した昇圧コンバータと、
その昇圧された電圧を電子回路４が要求する一定電圧（例えば３Ｖ）に一定化するために電圧を下げるリニアレギュータ３と、
入力電圧電池１電圧がリニアレギュレータ３より高い状態の時にバイパスするバイパスダイオード５と、
昇圧型コンバータ停止時における、急激な負荷変動による電池１電圧の低下をエネルギ補填するための補助給電回路６と、
補助給電回路６の動作に同期して一時的に昇圧回路の出力電圧設定を通常より高く設定する電圧可変回路１３とを備えた、高効率ステップアップダウン電源装置である。
また、ステップアップダウン電源回路は、上記において補助給電回路６の供給源を自励で得ることを目的として、補助給電回路６の供給源を得るため、電源回路起動時および補助給電回路６動作時に予め定めた任意の期間、ステップアップコンバータ２の出力電圧を通常より高く設定する電圧可変回路１３と、
上記通常より高く設定された電圧により電力を蓄積する電池またはコンデンサ１２を装備した補助給電回路６とを備えた、高効率ステップアップダウン電源装置である。
産業上の利用可能性
この発明の好適な実施の形態によれば、第１の電源部電圧が高く、電源容量が十分ある状態での不要な昇圧動作を休止し、高効率を維持し、更に電池の利用範囲の最後まで動作させることが可能となることにより、電源容量を最大限まで使用することを実現できる効果がある。
また、以上により、例えば、電池駆動型携帯電子機器の動作モードが携帯電話における待受け状態やＰＤＡやＰＣ等における低消費電力動作モード（サスペンドモード、スタンバイモード、スリープモードと称されている）での電源装置の電力損失を抑制し、より一層の低消費電力化を実現することができる効果がある。
よって、電源駆動時間をより長くした電池駆動型携帯電子機器が得られる効果がある。
また、第２の電源部が多出力電源でなくても負荷部に安定した電力供給を実現できる効果を得ることができる。すなわち、単一電源機器においても負荷部に安定した電力供給を実現できる効果を得ることができる。
この発明の好適な実施の形態によれば、降圧部の入力電圧をフィードバックし制御する非絶縁型コンバータを備えることにより、必要時に必要なだけ昇圧動作を自動的に行なうことができる効果がある。
この発明の好適な実施の形態によれば、ダイオードにより、昇圧時に昇圧回路を経由せずに電力が供給されることがなく、また、昇圧された電力の損失を低減することができる効果がある。
この発明の好適な実施の形態によれば、第２の電源部が蓄電されることにより使い捨ての補助電源が不要となり第１の電源部単体で電源装置を実現できる効果がある。
この発明の好適な実施の形態によれば、第２の電源部からの給電時間を任意に設定できる効果がある。また、昇圧部の出力電圧を任意に一定時間可変することができる効果がある。これにより、昇圧部を円滑に正常な動作状態に状態遷移させることができ、ひいては、より一層の低消費電力化を実現することができる効果がある。
この発明の好適な実施の形態によれば、安価な部品を構成して時間設定回路を構成できる効果が得られる。
この発明の好適な実施の形態によれば、昇圧部を円滑に正常な動作状態に状態遷移させることができ、ひいては、より一層の低消費電力化を実現することができる効果がある。また、第２の電源部を十分充電することができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
図１は、実施の形態１によるステップアップダウン電源装置の構成図。
図２は、実施の形態１による補助給電回路の動作と補助給電回路への充電動作の一例を示すタイムチャート図。
図３は、従来のステップアップコンバータと実施の形態１によるステップアップコンバータの動作状態の違いを電池電圧に合わせて示した図。
図４は、実施の形態２による補助給電回路の電圧検出部の構成図。
図５は、実施の形態３よるステップアップダウン電源装置の構成図。
図６は、従来のステップアップダウン電源装置の構成図。
Claims (10)
- 負荷部を駆動する第１の電源部と、
上記第１の電源部と上記負荷部との間に接続された第１の電源部の出力電圧を昇圧する昇圧部と、
上記昇圧部と並列に接続され、上記第１の電源部から放電された電流をバイパスするバイパス回路部と、
上記昇圧部により昇圧された電圧を降圧する降圧部と、
上記昇圧部と並列に接続された第２の電源部とを備えたことを特徴とする電源装置。 - 上記昇圧部は、上記昇圧部を駆動するスイッチを有するとともに、上記昇圧部の出力電圧をフィードバックし、上記フィードバックされた結果に基づき上記スイッチを制御し、出力電圧を一定に安定化する非絶縁型コンバータであることを特徴とする請求項１記載の電源装置。
- 上記バイパス回路部は、上記昇圧部の入力電圧が上記昇圧部の出力電圧より大きいときにのみ電流が流れるダイオードを備えたことを特徴とする請求項１記載の電源装置。
- 上記第２の電源部は、上記昇圧部の出力電流により充電される蓄電手段を備えたことを特徴とする請求項１記載の電源装置。
- 上記第２の電源部は、上記第２の電源部から電力を放電する時間を設定する第１の時間設定回路部と、
上記第１の時間設定回路部により設定された上記第２の電源部から電力を放電させる時間の始期と同期して上記昇圧部の出力電圧を変更する時間を設定する第２の時間設定回路部とを備え、
上記電源装置は、上記第２の時間設定回路部に設定された時間中、上記昇圧部の出力電圧を変更する電圧可変回路部を備えたことを特徴とする請求項１記載の電源装置。 - 上記電源装置は、上記第２の時間設定回路部が作動している間、上記昇圧部の出力電圧を上記第２の電源部の出力電圧より高い電圧値に設定することを特徴とする請求項５記載の電源装置。
- 第１の電源部により負荷部を駆動し、
上記第１の電源部の出力電圧が負荷部を駆動するために必要な電圧より小さい場合に、上記第１の電源部の出力電圧を昇圧し、
上記第１の電源部の出力電圧が負荷部を駆動するために必要な電圧より小さくなるまで上記第１の電源部から放電された電流をバイパスし、
上記第１の電源部の昇圧された出力電圧が負荷部を駆動するために必要な電圧より小さい場合に、第２の電源部により上記バイパスされた電圧を昇圧し、
上記第１の電源部の出力電圧と上記第１の電源部の昇圧された出力電圧と上記第２の電源部の出力電圧との少なくとも１つの電圧を、負荷部を駆動する電圧まで降圧することを特徴とする電源装置の給電方法。 - 上記電源装置の給電方法は、さらに、上記第２の電源部を上記第１の電源部の昇圧された出力電圧により充電することを特徴とする請求項７記載の電源装置の給電方法。
- 上記電源装置の給電方法は、さらに、上記第２の電源部から電力を放電する第１の時間を設定し、
上記設定された第１の時間中、上記第２の電源部から電力を放電し、
上記第２の電源部からの放電開始と同期して上記第１の電源部の出力電圧を変更する第２の時間を設定し、
上記第２の時間中、上記第１の電源部の出力電圧を変更することを特徴とする請求項７記載の電源装置の給電方法。 - 上記電源装置の給電方法は、さらに、上記第１の電源部の出力電圧の昇圧を開始するときに、上記昇圧する電圧を第２の電源部の出力電圧より高く設定することを特徴とする請求項７記載の電源装置の給電方法。
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