KR20060047875A - 레귤레이션 기능을 구비한 전원 장치 - Google Patents

레귤레이션 기능을 구비한 전원 장치 Download PDF

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KR20060047875A
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도모유키 이토
이사오 야마모토
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로무 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은, 전원 장치에 있어서, 출력 전압의 오버슈트를 방지하여, 안정성을 높이는 것이다.
전원 장치(100)는, 전압 비교기(16)에 의해서 출력 전압(Vout)과, 역치 전압(Vth)과 비교하여 오버슈트를 검지한다. 전원 장치(100)에는, 제1 ∼제3 스위치(SW1∼SW3)가 설치되어 있다. 오버슈트의 검지와 동시에, 승압 회로(10)의 승압 동작이 정지되고, 또한 제1∼제3 스위치(SW1∼SW3)가 온한다. 승압 동작 정지 중에 제2 스위치(SW2)에 의해 출력 전압(Vout)을 강하시키는 동시에, 제1, 제3 스위치(SW1, SW3)에 의해 입력 전압(Vin)을 강제적으로 강하하여, 승압 동작 재개 후의 출력 전압(Vout)을 설정 전압에 근접시킨다.

Description

레귤레이션 기능을 구비한 전원 장치{POWER SUPPLY DEVICE PROVIDED WITH REGULATION FUNCTION}
도 1은 본 발명의 실시형태에 관한 전원 장치를 도시하는 회로도,
도 2는 본 발명의 실시형태에 관한 전원 장치에 사용하는, 승압률이 전환 가능한 승압 회로의 구성을 도시하는 블록도,
도 3은 승압률 전환 시의 오버슈트의 발생에 관해서 설명하기 위한, 전지 전압, 출력 전압, 입력 전압의 시간 파형을 도시하는 도면,
도 4는 본 발명의 실시형태에 관한 전원 장치의, 승압률 전환 시의, 전지 전압, 출력 전압, 입력 전압의 시간 파형을 도시하는 도면,
도 5는 도 1의 전원 장치를 탑재한 전자 기기의 구성을 도시하는 블록도이다.
본 발명은, 출력 전압을 안정화하는 레귤레이션 기능을 구비한 전원 장치에 관한 것이다.
최근의 휴대전화, PDA(Personal Digital Assistants) 등의 소형 정보 단말에서는, 예컨대 액정의 백라이트에 이용되는 LED(Light Emitting Diode) 등과 같이 전지의 출력 전압보다도 높은 전압을 필요로 하는 디바이스가 존재한다. 예컨대, 이들 소형 정보 단말에서는, Li이온 전지가 많이 이용되지만, 그 출력 전압은 통상 3.5V 정도이고, 완전히 충전되었을 때에도 4.2V 정도이지만, LED는, 그 구동 전압으로서, 4.5V 정도의 전압을 필요로 한다. 이와 같이, 전지 전압보다도 높은 전압이 필요로 되는, 이른바 차지 펌프형 승압 회로를 이용한 전원 장치에 의해서 전지 전압을 승압하여, LED 구동에 필요한 전압을 출력하고 있다.
이러한 승압 회로를 갖는 전원 장치에서는, 기동 시나, 부하가 크게 변동한 경우에, 출력 전압이 일시적으로 큰 값으로 뛰어오르는 오버슈트가 발생하는 경우가 있다. 이 오버슈트는, 때로 전원 장치에 부하로서 접속되는 LED 등의 디바이스의 신뢰성에 영향을 미칠 우려가 있다.
이러한 오버슈트를 방지하기 위해서, 종래에는, 기동 시에, 출력 전압을 완만하게 상승시키는 소프트 스타트의 수단이 알려져 있었다(특허문헌 1, 2참조).
〈특허문헌 1〉
일본국 특개 2002-369501호 공보
〈특허문헌 2〉일본국 특개 2003-339156호 공보
그런데, 이러한 승압 회로를 갖는 전원 장치 중에는, 입력 전압인 전지 전압이 강하하여도, 일정한 출력 전압이 얻어지도록, 그 승압 회로의 승압률을 변화시키는 것이 존재한다. 이러한 승압 회로에서는, 기동 시뿐만 아니라, 그 승압률의 전환 시에도, 순간적으로 설정 출력 전압보다도 큰 오버슈트가 발생한다. 예컨대, 승압 회로의 입력 전압이 3V일 때에, 승압률을 1배로부터 2배로 전환한 경우, 순간적으로 출력 전압은 6V까지 오버슈트할 우려가 있다.
본 발명은 이러한 과제를 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적은, 구동 디바이스의 신뢰성에 영향을 줄 우려가 있는 오버슈트를 방지하는 기능을 구비하여, 출력 전압의 안정성을 높인 전원 장치의 제공에 있다.
본 발명의 한 형태는 전원 장치에 관하여, 설정된 승압률로 입력 전압을 승압하는 승압 회로와, 상기 승압 회로의 출력 전압이 설정 전압과 동일해지도록, 귀환에 의해 승압 회로의 입력 전압을 조절하는 레귤레이터와, 출력 전압과 소정의 역치 전압을 비교하여, 출력 전압이 역치 전압보다도 높을 때에 승압 정지 신호를 출력하는 전압 비교기와, 상기 승압 정지 신호를 받아, 승압 회로의 입력 전압을 강제적으로 강하시키는 보조 회로를 구비한다. 전압 비교기는, 오버슈트를 검지하여, 출력 전압이 역치 전압을 넘으면, 보조 회로를 온한다. 이 형태에 의하면, 레귤레이터에 의해 출력이 설정 전압으로 조절되는 동시에, 보조 회로에 의해서, 승압 회로의 입력 전압을 강제적으로 순간에 강하시켜, 출력 전압이 소정의 역치 전압을 크게 넘는 것과 같은 오버슈트를 방지하고, 그 후 단시간에 설정 전압으로 수속(收束)시킬 수 있다.
제1 보조 회로는, 승압 회로의 입력 단자와 접지 사이에 설치되고, 승압 정지 신호에 의해 온하는 제1 스위치 소자를 포함하여도 된다. 스위치 소자를 온함으로써, 승압 회로의 입력 측에 설치된 커패시터에 축적된 전하가 방전되어, 승압 회로의 입력 전압을 강제적으로 강하시킬 수 있다.
전원 장치는, 승압 정지 신호를 받아, 승압 회로의 승압 동작을 정지시키는 수단을 더 구비하여도 된다. 이 경우, 승압 동작을 정지함으로써 출력 전압이 역치 전압 이상이 되는 것을 방지하고, 그 사이에 제1 보조 회로에 의해서 승압 회로의 입력 전압의 강제적 저하를 행한다. 그 결과, 재차 승압이 개시될 때에는 출력 전압을 낮출 수 있어, 그 후 단시간에 출력 전압을 설정 전압에 근접시킬 수 있다.
전원 장치는, 승압 정지 신호를 받아, 승압 회로의 출력 전압을 강제적으로 강하시키는 제2 보조 회로를 더 구비하여도 된다. 역치 전압을 넘는 오버슈트 시에, 승압 회로의 출력에 접속되어 있는 부하 회로 이외에, 별도로 전류를 빠져나가게 하는 보조 회로를 온함으로써, 오버슈트에 의한 급준한 출력 전압의 상승을 완만하게 할 수 있다. 전원 장치는, 승압 정지 신호를 받아, 레귤레이터로부터 승압 회로에의 전류 공급을 제한하는 전류 제한 회로를 더 구비하여도 된다. 승압 회로의 입력 전압을 상승시키는 원인이 되는 레귤레이터로부터의 전류 공급을 정지함으로써, 입력 전압의 하강을 보조하여, 오버슈트를 방지할 수 있다.
본 발명의 다른 형태도 전원 장치에 관한 것이다. 이 전원 장치는, 설정된 승압률로 입력 전압을 승압하는 승압 회로와, 승압 회로의 출력 전압이 설정 전압과 동일해지도록, 귀환에 의해 승압 회로의 입력 전압을 조절하는 레귤레이터와, 출력 전압과 소정의 역치 전압을 비교하여, 출력 전압이 역치 전압보다도 높을 때에 승압 정지 신호를 출력하는 전압 비교기와, 승압 정지 신호를 받아, 승압 회로의 승압 동작을 정지시키는 수단을 구비한다. 이 형태에 의하면, 역치 전압을 넘는 오버슈트가 발생하면, 승압 회로의 승압 동작 자체를 정지시켜, 승압 회로의 입력 전압이 낮아져 있지 않더라도, 출력 전압이 소정의 역치 전압 이상이 되는 것을 방지할 수 있다.
본 발명의 또 다른 형태도 전원 장치에 관한 것이다. 이 전원 장치는, 설정된 승압률로 입력 전압을 승압하는 승압 회로와, 상기 승압 회로의 출력 전압이 설정 전압과 동일해지도록, 귀환에 의해 상기 승압 회로의 입력 전압을 조절하는 레귤레이터와, 출력 전압과 소정의 역치 전압을 비교하여, 출력 전압이 역치 전압보다도 높을 때에 승압 정지 신호를 출력하는 전압 비교기와, 상기 승압 정지 신호를 받아, 승압 회로의 출력 전압을 강제적으로 강하시키는 제2 보조 회로를 구비한다. 제2 보조 회로는, 승압 회로의 출력 단자와 접지 사이에 설치되고, 승압 정지 신호에 의해 온하는 제2 스위치 소자를 포함하여도 된다. 이 형태에 의하면, 역치 전압을 넘는 오버슈트 시에, 승압 회로의 출력에 접속되어 있는 부하 회로 이외에, 별도로 전류를 빠져나가게 하는 제2 보조 회로를 온하여, 오버슈트에 의한 급준한 출력 전압의 상승을 완만하게 할 수 있다.
본 발명의 또 다른 형태도 전원 장치에 관한 것이다. 이 전원 장치는, 설정된 승압률로 입력 전압을 승압하는 승압 회로와, 승압 회로의 출력 전압이 설정 전압과 동일해지도록, 귀환에 의해 승압 회로의 입력 전압을 조절하는 레귤레이터와, 출력 전압과 소정의 역치 전압을 비교하여, 출력 전압이 상기 역치 전압보다도 높을 때에 승압 정지 신호를 출력하는 전압 비교기와, 상기 승압 정지 신호를 받아, 레귤레이터로부터 승압 회로에의 전류 공급을 제한하는 전류 제한 회로를 구비한다. 이 형태에 의하면, 승압 회로의 입력 전압을 상승시키는 원인이 되는 레귤레이터로부터의 전류 공급을 정지함으로써, 입력 전압의 하강을 보조하여, 오버슈트를 방지할 수 있다.
레귤레이터는, 승압 회로의 출력 전압과, 설정 전압의 오차를 증폭하는 오차 증폭기와, 오차 증폭기의 출력에 의해 온의 정도가 제어되는 트랜지스터를 포함하고, 전류 제한 회로는, 트랜지스터의 제어 단자와 고정 전압 사이에 설치된 스위치 소자를 포함하여도 된다. 스위치 소자에 의해 트랜지스터의 제어 단자의 전압을 강제적으로 변화시킴으로써, 트랜지스터를 오프할 수 있어, 전류 공급을 차단할 수 있다.
본 발명의 또 다른 형태도 전원 장치에 관한 것이다. 이 전원 장치는, 설정된 승압률로 입력 전압을 승압하는 승압 회로와, 승압 회로의 출력 전압이 설정 전압과 동일해지도록, 귀환에 의해 승압 회로의 입력 전압을 조절하는 레귤레이터와, 레귤레이터에 의한 입력 전압의 조절보다도 빠른 응답 속도로 입력 전압을 조정하는 보조 회로를 구비한다. 통상적으로, 레귤레이터의 응답 속도는, 기동 시나 승압률 전환 시의 출력 전압의 전압 파형에 추종할 수 있을 정도로 빠르지 않다. 그래서, 레귤레이터와 같이 목표값을 가지고 출력 전압을 조정하는 능력은 갖지 않는 대신에, 고속으로 승압 회로의 입력 전압을 제어 가능한 보조 회로를 설치하여, 이 보조 회로를 예를 들어 어떠한 역치를 경계로 하여 온, 오프시킨다. 이 형태에 의하면, 역치 전압을 넘는 오버슈트를 방지할 수 있고, 또한, 레귤레이터를 단독으로 사용할 때의 수속 시간보다도 짧은 시간에, 출력 전압을 설정 전압으로 안정화할 수 있다. 본 발명의 다른 형태는 전자기기에 관한 것이다. 이 전자기기는, 발광 소자와, 발광 소자에 구동 전압을 공급하는 상술의 전원 장치를 구비한다. 이 형태에 의하면, 발광 소자에 높은 전압이 인가되는 것을 방지할 수 있다.
상술한 구성 요소의 임의의 조합 또는 재구성 등은 모두 유효하고 본 실시예에 포함됨에 유의해야 한다.
더욱이, 본 발명의 요약은 반드시 모든 특징을 기재하는 것은 아니어서, 본 발명은 또한 이들 기재된 특징의 하부 조합이 될 수도 있다.
이하, 본 발명이 양호한 실시예를 바탕으로 설명되지만, 본 발명의 범위를 제한하고자 하는 의도가 아니라 단지 예로써 든 것이다. 실시예에서 기재된 것의 모든 특징 및 조합은 본 발명에 필수적인 것은 아니다.
도 1은, 본 발명의 실시형태에 관한 전원 장치를 도시하는 회로도이다. 이 전원 장치는, 예컨대, 휴대 전화 단말이나 PDA 등의 전자기기에 탑재되어, 전지로부터 출력되는 전압을 승압하여, LCD의 백라이트로서 이용되는 LED를 구동하기 위한 구동 전압을 생성한다.
도 5는, 도 1의 전원 장치를 탑재한 전자 기기(200)의 구성을 도시하는 블록도이다. 전자 기기(200)는, 전원 장치(100), 전지(202), LED(204), 정전류 회로(206), 제어부(208)를 구비한다.
전지(202)는, 전지 전압(Vbat)을 출력한다. 전원 장치(100)는, 전지 전압(Vbat)을 승압하고, 구동 전압(Vout)을 LED(204)의 애노드에 출력한다. 정전류 회로(206)는, LED(204)의 캐소드와 접지 사이에 설치되고, LED(204)에 흐르게 하는 정전류를 생성하고, LED(204)를 원하는 휘도로 발광시킨다. LED(204), 정전류 회로(206)는, 도 1의 부하 회로(18)에 상당한다. 제어부(208)는, 전자 기기(200) 전체를 통괄적으로 제어하는 블록이다. 정전류 회로(206)는, 제어부(208)로부터 지시된 전류값에 기초하여 정전류를 생성하고, LED(204)의 휘도를 제어한다.
도 1로 되돌아간다. 본 실시형태에 관한 전원 장치(100)는, 차지 펌프 방식 등의 승압 회로(10)와, 그 출력 전압을 피드백하여 입력 전압을 조절하는 레귤레이터(20)에 더하여, 출력 전압의 오버슈트를 검지하는 전압 비교기(16), 검지한 오버슈트를 즉시 억제하기 위한 보조 회로인 제1∼제3 스위치(SW1∼SW3)를 구비한다. 본 실시형태에 관한 전원 장치(100)는, 적어도, 입출력 콘덴서(C1, C2) 및 부하 회로(18) 이외에는, 반도체 회로로서 일체 집적화되어 있다. 물론 사용하는 반도체 제조 프로세스 및 용량값에 따라서는, 입출력 콘덴서(C1,C2) 등도 일체 집적화되어 있어도 된다.
승압 회로(10)는, 입력 전압(Vin)에 소정의 승압률을 곱한 전압을 출력하지만, 이 출력 전압(Vout)은 그대로 전원 장치(100)의 출력이 되고 있다. 이 승압 회로(10)는, 전지 전압(Vbat)이 저하하더라도 소정의 설정 전압(Vset)을 계속 출력하기 위해서, 다수의 승압률을 전환하여 동작하는 것으로 한다. 또한, 승압 회로(10)는 인에이블 단자(EN)를 구비하고 있어, 외부로부터의 신호에 의해서 승압 동작을 정지시킬 수 있도록 되어 있다. 이 인에이블 단자는 액티브 로우, 즉, 하이 또는 로우 2값의 입력에 대하여, 로우 레벨이 입력되고 있는 사이에는 승압 동작을 행하고, 하이 레벨이 입력되면 승압 동작을 정지하는 것으로 한다. 이는, 예컨대 승압 회로로서 차지 펌프 회로를 이용하고 있는 경우에는, 내부의 오실레이터의 발진을 멈추는 등의 수단에 의해서 실현 가능하다. 또한, 승압 회로(10)의 입출력 단자는, 각각 평활화를 위한 입력 콘덴서(C1) 및 출력 콘덴서(C2)로 접지되어 있다. 승압 회로(10)는, 복수의 승압률을 전환하여 동작하는 것이면 되고, 그 승압률은 문제로 삼지 않으나, 본 실시형태에서는, 설명의 간결화를 위해, 1배 또는 2배의 2개의 승압률을 전환하여 동작하는 것으로 한다. 이러한 승압 회로(10)는, 예를 들어 도 2에 도시하는 것과 같이, 2배의 승압률을 갖는 차지 펌프 회로(30), 제어 회로(32), 바이패스 스위치(SW4)를 갖는다. 승압 회로(10)의 인에이블 단자(EN)에는 전압 비교기(16)로부터의 승압 정지 신호(DIS)가 입력되어, 그대로 제어 회로(32)에 입력되고 있다. 제어 회로(32)로부터는, 바이패스 스위치(SW4)의 온 오프를 제어하는 제1 제어 신호(S1)와, 차지 펌프 회로(30)의 승압률, 승압 정지를 제어하는 제2 제어 신호(S2)가 출력되어, 각각, 바이패스 스위치(SW4) 및 차지 펌프 회로(30)에 입력되어 있다.
이 승압 회로(10)의 내부는, 제어 회로(32)에 의해 다음과 같이 제어되고 있다. 제어 회로(32)는, 승압 정지 신호(DIS)가 로우 레벨인지 하이 레벨인지에 따라서 차지 펌프 회로(30)의 승압 동작의 정지를 제어한다. 또한, 출력 전압(Vout)과 설정 전압값(Vset)의 관계로 승압률을 결정하여, 차지 펌프 회로(30)의 스위칭을 제어한다. 즉, 출력 전압(Vout)이 설정 전압(Vset)과 동일하면, 승압률을 1배로 하고, 출력 전압(Vout)이 설정 전압(Vset)보다 낮은 소정의 전압을 하회하는 경우에는, 승압률을 2배로 한다. 승압 회로(10)의 제어 상태는, 출력 전압(Vout) 및 인에이블 단자(EN)에 입력되는 승압 정지 신호(DIS)에 의해서 이하의 3개로 나누어진다.
제1 상태는, 외부로부터 승압 정지 신호(DIS)가 하이 레벨로 입력되어 있는 경우로서, 이 때, 제어 회로(32)는, 제1 제어 신호(S1)에 의해서 바이패스 스위치(SW4)를 오프하여 입출력 단자 사이를 차단하는 동시에, 제2 제어 신호(S2)에 의해서 차지 펌프 회로(30)의 승압 동작을 정지한다. 그 결과, 승압 회로(10)는, 출력 전압(Vout)이 입력 전압(Vin)에 의존하지 않는 오프 상태가 된다.
제2 상태는, 외부로부터의 승압 정지 신호(DIS)가 로우 레벨로 입력되어 있고, 제어 회로(32)가, 승압률 1배를 지정한 경우이고, 이 때, 제1 제어 신호(S1)에 의해 바이패스 스위치(SW4)를 온하는 동시에, 제2 제어 신호(S2)에 의해 차지 펌프 회로(30)의 승압 동작을 정지한다. 그 결과, 차지 펌프 회로(30)의 입출력 전압 단자는 단락되게 되므로 Vin=Vout가 성립하게 되어, 즉 승압률 1배가 얻어지게 된다.
제3 상태는, 외부로부터의 승압 정지 신호(DIS)가 로우 레벨로 입력되어 있고, 제어 회로(32)가, 승압률 2배를 지정한 경우이다. 이 때에는, 제1 제어 신호(S1)에 의해 바이패스 스위치(SW4)를 오프하는 동시에, 제2 제어 신호(S2)에 의해 차지 펌프 회로(30)에는 통상의 승압 동작을 하게 하여, 승압률 2배를 얻을 수 있다. 이와 같이, 승압 회로(10)는, 출력 전압(Vout) 및 승압 정지 신호(DIS)의 상태에 따라서 동작 모드가 상이하게 구성되어 있다.
도 1로 되돌아간다. 승압 회로(10)의 출력 전압(Vout)은, 부하 회로(18)에 공급되는 동시에, 귀환에 의해서 출력 전압(Vout)을 안정화시키는 레귤레이터(20)에 입력되어 있다. 레귤레이터(20)는, 귀환 저항(R1, R2), 연산 증폭기(12) 및 P형의 MOSFET(14)(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)를 가지고 있다. 연산 증폭기(12)의 반전 입력 단자에는 기준 전압(Vref)이, 비 반전 입력 단자에는 출력 전압(Vout)이 귀환 저항(R1 및 R2)에 의해서 R1/(R1+R2)로 저항 분할되어 입력되어 있다. 이 연산 증폭기(12)의 출력은 MOSFET(14)의 제어 단자인 게이트 단자에 접속되어 있다. 이 MOSFET(14)의 소스 단자에는 배터리 전압(Vbat)이 접속되고, 드레인 단자가 레귤레이터(20)의 출력으로서, 승압 회로(10)의 입력 단자에 접속되어 있다.
설정 전압(Vset)은, 기준 전압(Vref)을 이용하여, Vset=(R1+R2)/R1×Vref로 가해지고, 이 설정 전압(Vset)과 출력 전압(Vout)의 오차가 최소가 되도록 피드백에 의해서 MOSFET(14)의 드레인 전압, 즉 승압 회로(10)의 입력 전압(Vin)이 조정된다. 전압 비교기(16)는, 오버슈트 검지용으로 설치되고, 전압 비교기(16)의 마이너스 측 입력 단자에는, 역치 전압(Vth)이 입력되어 있다. 한편, 플러스 측 입력 단자에는 승압 회로(10)의 출력 전압(Vout)이 입력되어 있다. 여기서, 역치 전압(Vth)은, 설정 전압(Vset)보다도 높고, 또한 부하 회로(18)에 사용하는 디바이스의 신뢰성에 영향을 미칠 우려가 있는 전압값보다도 낮게 정해둔다.
이 전압 비교기(16)는, 출력 전압(Vout)이 역치 전압(Vth)보다도 높을 때, 즉 과도한 오버슈트를 검지하면, 그 출력인 승압 정지 신호(DIS)를 하이 레벨로 한다. 물론, 전압 비교기(16)의 플러스 측 입력 단자는 출력 전압(Vout) 그 자체일 필요는 없고, 저항 분할에 의해서 일정한 비율로 낮추고 나서 입력하고, 마이너스 측 입력에는 역치 전압(Vth)을 같은 비율로 낮춘 전압값을 입력하여 비교하여도 된다.
이 전압 비교기(16)로부터 출력되는 승압 정지 신호(DIS)는, 승압 회로(10)의 인에이블 단자(EN) 및 제1∼제3 스위치(SW1∼SW3)에 입력되어 있다. 제1 스위치(SW1)는, 승압 회로(10)의 입력 전압(Vin)과, 접지 전위 사이에 설치되어 있고, 온 상태에서, 입력 콘덴서(C1)에 축적되어 있는 전하를 방전하는, 즉 입력 전압을 강제적으로 강하시키는 보조 회로로서의 역할을 한다. 제2 스위치는, 승압 회로(10)의 출력 전압(Vout)과, 접지 전위 사이에 설치되어 있고, 온 상태에서 출력 콘덴서(C2)에 축적되어 있는 전하를 방전하는, 즉 승압 회로(10)의 출력 전압(Vout)을 강제적으로 강하시키는 보조 회로로서의 역할을 한다. 제3 스위치는, 레귤레이터(20)에 이용되는 MOSFET(14)의 게이트 소스 단자 사이에 설치되어 있고, 온하면 게이트 소스간 전위는 단락되어, 승압 회로(10)에의 입력 전류를 차단하는 역할을 한다. 예컨대 이들 스위치는, MOSFET을 이용하여 구성할 수 있고, 게이트 단자에 승압 정지 신호(DIS)를 입력함으로써 게이트 소스간 전압을 제어하며, 그 온 오프에 의해서 드레인 소스간의 저항값을 변화시켜 스위치로서 이용할 수 있다. 이하, 이와 같이 구성된 전원 장치(100)의 동작에 관해서, 어떠한 시각에 승압 회로(10)의 승압률이 전환되는 경우에 관해서 설명한다. 전술과 같이, 승압 회로(10)는, 그 내부에 갖는 제어 회로(32)에 의해서, 승압률을 출력 전압(Vout)에 따른 최적의 값으로 자동적으로 전환한다.
본 실시형태에 관한 오버슈트 방지 기능의 동작을 보다 잘 이해하기 위해서, 처음에, 전압 비교기(10)를 동작시키지 않는, 즉 오버슈트의 검지를 행하지 않는 경우의 동작에 관해서 도 3을 이용하여 설명한다.
시각(T0∼T1)에서는, 전지 전압(Vbat)은 출력의 설정 전압(Vset)보다도 높기 때문에, 1배의 승압률로 출력 전압(Vout)을 설정 전압(Vset)으로 안정화할 수 있다. 전지 전압(Vbat)이 장시간의 사용에 의해 강하해 가면, 그에 따라, 승압 회로(10)의 입력 전압(Vin)도 낮아져 간다. 따라서, 승압 회로(10)의 승압률이 일정한 경우에는, 그 출력 전압(Vout)도 배터리의 전압 강하에 따라 저하하여, 설정 전압(Vset)의 출력을 유지할 수 없게 된다. 이 상태가 도 3에서의 시각(T1∼T2)의 기간에 상당한다. 그래서, 출력 전압(Vout)이 소정의 값을 하회하는 시각(T2)에, 제어 회로(32)는, 출력 전압(Vout)을 설정 전압(Vset)과 동일하게 하기 위해서, 승압 회로(10)의 승압률을 1배로부터 2배로 전환한다. 전환 순간에, 승압 회로(10)는 입력 전압(Vin)의 2배의 전압을 출력하고자 하기 때문에, 순간적으로 출력 전압(Vout)이 커지는 오버슈트가 발생한다. 그 후, 레귤레이터(20)의 귀환에 의해서 입력 전압(Vin)이 서서히 떨어지고, 출력 전압(Vout)은 완만하게 설정 전압(Vset)에 집속(集束)해간다. 이와 같이, 승압률의 전환 시의 오버슈트는, 레귤레이터(20)에 의한 귀환만으로는 완전히 방지되지 않아, 정상 상태로 안정될 때까지의 시간도 길어져 버린다.
다음으로, 본 발명의 실시형태에 관한 전원 장치(100)에 관해서, 오버슈트를 검지하는 전압 비교기(16)를 동작시킨 경우의 동작에 관하여, 도 4를 이용하여 설명한다. 시각(T0)으로부터 (T2)까지는, 상술한 오버슈트의 검지를 행하지 않는 경우와 동일하다. 이 기간에는, 출력 전압(Vout)은 역치 전압(Vth)보다도 낮기 때문에, 전압 비교기(16)는, 승압 정지 신호(DIS)로서 로우 레벨을 출력하고 있고, 모든 스위치(SW1∼SW3)는 오프하고 있다.시각(T2)에서 승압률을 1배로부터 2배로 전환하면, 승압 회로(10)는, 전환 순간의 입력 전압(Vin)의 2배의 전압을 출력하고자 동작하고, 출력 전압(Vout)이 상승하기 시작한다. 시각(T3)에서, 출력 전압(Vout)이, 역치 전압(Vth)까지 상승한 시점에서, 전압 비교기(16)가 이를 검지하여, 전압 비교기(16)의 출력인 승압 정지 신호(DIS)를 하이 레벨로 전환한다. 이 승압 정지 신호(DIS)가 하이 레벨이 되면, 승압 회로(10)의 승압 동작이 정지되는 동시에, 제1∼제3 스위치(SW1∼SW3)가 온한다.
승압 회로(10)의 승압 동작이 시각(T3)에 정지하면, 출력 전압(Vout)은, 어떠한 전압까지 오버슈트한 후, 입력 전압(Vin)과는 무관하게, 출력 콘덴서(C2)에 축적된 전하의 방전에 의해서 서서히 내려간다. 출력 콘덴서(C2)의 방전 경로는, 통상 시에는, 부하 회로(18)이지만, 승압 정지 신호(DIS)에 의해서 제2 스위치(SW2)가 온함으로써, 제2 스위치(SW2)를 통해서도 방전이 행하여진다. 그 결과, 부하 회로(18)에 의해서만 방전이 행하여지는 경우보다도 빠르게 출력 전압(Vout)을 낮출 수 있다.
한편, 이 시각(T3∼T4)의 사이의, 승압 회로(10)의 입력 전압(Vin)에 착안하면, 다음과 같은 동작이 행하여지고 있다. 승압 회로(10)의 승압 동작이 정지하면, 레귤레이터(20)로부터 공급되어, 입력 콘덴서(C1)에 축적된 전하는, 방전 경로를 잃기 때문에, 레귤레이터(20)가, 승압 회로(10)의 입력 전압(Vin)을 떨어뜨리고자 피드백을 주어도 입력 전압(Vin)은 낮아지지 않는다. 그래서, 제1 스위치(SW1)가 시각(T3)에 온함으로써 의해 승압 회로(10)의 입력 단자로부터 접지 전위에 대하여 방전 경로가 새롭게 설치된다. 이 방전 경로를 통하여 입력 콘덴서(C1)에 축적된 전하가 방전되어, 승압 회로(10)의 입력 전압(Vin)이 강제적으로 낮추어지게 된다. 또한, 제3 스위치(SW3)가 온하면, 레귤레이터(20)의 MOSFET(14)의 게이트 소스간 전위가 단락되기 때문에, MOSFET(14)는 오프하여, 승압 회로(10)에의 전류 공급이 정지된다. 이는, 입력 콘덴서(C1)의 충전을 정지하는 것이기 때문에, 간접적으로 승압 회로(1O)의 입력 전압(Vin)의 강하를 조장할 수 있다. 또한, 그 사이에 레귤레이터(20)로부터 공급되는 전류는, 결국 모두 제1 스위치(SW1)를 통하여 방전되어버려 쓸모 없어지기 때문에, 이 레귤레이터(20)로부터 공급되는 전류는 차단하는 편이 바람직하다고 할 수 있다. 이와 같이, 제1 스위치(SW1) 및 제3 스위치(SW3)는 모두 입력 전압(Vin)을 낮추는 보조 회로의 역할을 맡는다. 이 보조 회로는, 스위치를 통한 방전을 이용하고 있기 때문에, 연산 증폭기(12)를 이용하여 피드백 루프를 구성하는 레귤레이터(20)에 의한 입력 전압(Vin)의 조정보다도, 고속으로 전압을 변화시킬 수 있다. 다시, 승압 회로(10)의 출력 단자 측에 눈을 돌리면, 승압 정지 신호(DIS)가 하이 레벨이 되어있는 일련의 동작 기간 중에는, 승압 회로(10)의 승압 동작 자체는 정지하고 있기 때문에, 출력 전압(Vout)은, 부하 회로(18) 및 제3 스위치(SW3)를 통한 방전에 의해 저하해간다. 그 후, 전압 비교기(16)는, 출력 전압(Vout)이, 역치 전압(Vth)까지 내려간 시각(T4)에서, 승압 정지 신호(DIS)를 로우 레벨로 떨어뜨린다.
시각(T4)에서는, 제1 스위치(SW1) 및 제3 스위치(SW3)의 2개의 보조 회로에 의해서 입력 전압(Vin)은 충분하게 낮추어져 있다. 여기서, 입력 전압(Vin)을 강하시키는 제1 스위치(SW1)에 의한 방전의 속도는, 출력 전압(Vout)이 한번, 역치 전압(Vth)을 넘고, 다시 역치 전압보다 작아질 때까지의 시간, 즉 시각(T3∼T4)의 기간에, 입력 전압(Vin)이, 출력 설정 전압(Vset)의 1/2배까지 내려가도록 설계해둔다. 시각(T4)에 출력 정지 신호(DIS)가 로우 레벨이 되면, 제1∼제3 스위치(SW1∼SW3)는 다시 오프하고, 승압 회로(10)의 승압 동작은 재개된다. 승압 동작이 재개되면, 승압 회로(10)는, 입력 전압(Vin)의 승압률 2배의 전압을 출력한다. 따라서, 이 때, 승압 회로(10)의 입력 전압(Vin)이, 설정 전압(Vset)의 1/2배 정도로까지 내려가 있으면, 승압 회로(1O)의 출력 전압으로는 설정 전압(Vset)에 가까운 값이 출력되게 된다. 그 후에는, 다시 역치 전압(Vth)을 넘는 오버슈트가 발생하는 일은 없어, 승압 정지 신호(DIS)는 하이 레벨로는 되지 않기 때문에, 레귤레이터(20)에 의해서 승압 회로(10)의 입력 전압(Vin)이 조정되어 출력 전압(Vout)이 설정 전압(Vset)으로 수속된다.
이와 같이, 본 실시형태에 관한 전원 장치에서는, 소정의 역치 전압(Vth)을 넘는 것과 같은 오버슈트의 검지에 의해서, 승압 회로(10)의 승압 동작을 정지하고, 출력 전압(Vout)을 강제적으로 강하시키는 동시에, 그 사이에, 입력 전압(Vin)도 급속히 강하시키고 있다. 오버슈트의 원인은, 레귤레이터(20)의 응답 속도가 출력 전압(Vout)이 급격한 변화에 추종할 수 없는 점에 있으나, 새롭게 설치된, 입력 전압(Vin)을 강제 강하시키는 보조 회로, 출력 전압(Vout)을 강제 강하시키는 보조 회로는, 모두 레귤레이터(20)보다도 고속으로 입력 전압(Vin) 또는 출력 전압(Vout)을 변화시킬 수 있다. 그 결과, 부하 회로(18)로서 접속하는 디바이스의 신뢰성에 영향을 미치는 것과 같은 큰 오버슈트를 방지하고, 또한 단시간에 소정의 설정 전압(Vset)에 수속시킬 수 있다. 본 발명의 효과는, 통상의 승압 회로의 기동 시, 또는 부하가 전환된 순간에 발생하는 오버슈트에 대해서도, 동일한 프로세스에 의해서 동일한 효과를 얻을 수 있다. 상승 시에 발생하는 오버슈트의 발생 방지에 관해서는, 통상적인 소프트 스타트에 의한 수단과의 병용도 또한 유효하다.
이들 실시형태는 예시이고, 각 구성 요소나 각 처리 프로세스의 조합에 다양한 변형예가 가능한 것, 또한 그러한 변형예도 본 발명의 범위에 있는 것은 당업자에게 이해되는 바이다.
예를 들어, 본 실시형태에서는, 1배 및 2배의 승압률을 전환하는 전원 장치에 관해서, 그 구성, 작용, 효과를 설명하였으나, 1배, 1.5배, 2배와, 보다 많은 승압률을 전환 가능한 승압 회로(10)를 갖는 경우에도, 본 발명의 본질적인 구성, 작용 및 효과는 변하지 않는다. 이 경우, 차지 펌프 회로(30) 자체가 1.5배, 2배로 2개 이상의 승압률을 가지게 되지만, 1배의 승압률일 때에는, 차지 펌프 회로(30)의 승압 동작을 정지하는 동시에, 바이패스 스위치(SW4)에 의해서 차지 펌프 회로(30)를 바이패스하면 되고, 또한, 1.5배 또는 2배의 승압률의 전환은, 제2 제어 신호(S2)에 의해서, 원하는 승압률이 얻어지도록, 차지 펌프 회로(30)내의 스위칭 동작을 제어하면 된다. 이 차지 펌프 회로(30)에서의 1.5배, 2배의 승압률의 전환은, 보다 구체적으로는, 예를 들어, 차지 펌프 회로(30)에, 용량값이 동일한 2개의 충전 콘덴서를 설치함으로써 실현된다. 승압률이 1.5배일 때에는 2개의 충전 콘덴서를 직렬로 접속하여 입력 전압(Vin)으로 충전한다. 그 결과, 각각의 충전 콘덴서에는, 0.5×Vin의 전압이 충전되게 된다. 다음으로 스위칭에 의해 2개의 충전 콘덴서를 병렬 접속하고, 양 콘덴서의 접지 전위 측을 입력 전압(Vin)에 접속함으로써, 콘덴서의 타단에는, 출력 전압으로서, Vout=0.5×Vin+Vin-1.5×Vin이 얻어지고, 1.5배의 승압률이 얻어지게 된다. 또한, 승압률이 2배일 때에는, 2개의 충전 콘덴서를 병렬로 접속하여 입력 전압(Vin)에 의한 충전을 행한다. 이 경우에는, 양 콘덴서에는, Vin의 전압이 충전되게 된다. 다음으로 스위칭에 의해 병렬인 채로 접지 전위 측을 입력 전압(Vin)에 접속함으로써, 콘덴서의 타단에는, 출력 전압으로서 Vout=Vin+Vin=2×Vin이 얻어지고, 2배의 승압률이 얻어지게 된다. 이러한 스위칭 동작을, 제어 회로(32)로부터 출력되는 제2 제어 신호(S2)에 의해서 변화시켜, 바이패스 스위치(SW4)의 동작과 조합함으로써, 1배, 1.5배, 2배 등, 복수의 승압률을 자유롭게 전환할 수 있다.
또한 이와는 반대로, 승압 회로(10)는, 승압률의 전환 기능을 갖지 않고, 고정된 승압률로 동작 가능한 것이더라도 된다. 이 경우에는, 승압 회로(1O)의 기동 시 또는 접속되는 부하의 변동 시에, 오버슈트를 억제하는 기능이 유효하게 작용한다.
본 실시형태에서는, 제1 스위치(SW1)에 의한 입력 전압의 강제 강하, 승압 회로(10)의 승압 동작 정지, 제2 스위치(SW2)에 의한 출력 전압의 강제 강하, 제3 스위치(SW3)에 의한 전류 공급의 차단이라는, 모든 구성 요소를 병용하고 있지만, 동일한 효과를 얻기 위해서 반드시 모든 요소가 필요해지는 것은 아니다.
본 발명에서는, 승압 정지 신호(DIS)가 하이 레벨이 되어 있는 동안에, 출력 전압(Vout)이 저하하고, 다시 역치 전압(Vth)까지 강하하기까지의 시간(이하 Ta라고 한다)과, 입력 전압(Vin)이 강하하여 출력의 설정 전압(Vset)의 (1/승압률)배까지 강하하는 시간(이하 Tb라고 한다)이 동일하게 설계되어 있는 것이 바람직하다. 따라서 입출력 콘덴서(C1, C2)의 용량값이나, 출력 콘덴서(C2)의 방전 속도와 입력 콘덴서(C1)의 방전 속도가 조정되어 있다는 조건 하에서, 다양한 형태가 생각된다. 이 방전 속도의 조정은, 예를 들어, 사용하는 스위치에 사용하는 트랜지스터 사이즈의 변경이나, 스위치에 직렬로 저항을 삽입함으로써 행할 수 있다.이러한 수법에 의한 방전 속도의 조절에 의해, Ta=Tb가 성립하고 있으면, 예컨대, 오버슈트 검지 시의 보조 회로의 동작으로는, 제1 스위치(SW1) 및 승압 동작의 정지뿐이더라도 된다. 이 경우, 출력 전압(Vout)은, 부하 회로(18)에 의해 강하하고, 입력 전압(Vin)의 강제 강하는, 제1 스위치(SW1)에 의해서 행하여진다.
그밖에, 승압 회로(10)의 승압 동작 정지, 제1 스위치(SW1) 및 제2 스위치(SW2)의 병용이나, 승압 회로(10)의 승압 동작 정지, 제1 스위치(SW1) 및 제3 스위치(SW3)의 병용 등 다양한 형태가 생각된다.
또한, 상술과 같이 복수의 요소에 의하면, 효과적으로 오버슈트를 방지할 수 있어, 그 후의 설정 전압에의 수속도 단시간에 달성되지만, 오버슈트를 방지하거나, 또는 출력의 안정화 시간을 단축한다는 목적은, 어느 하나의 요소만에 의해서도 달성할 수 있다. 예컨대, 승압 정지 동작만을 행하는 경우에는, 출력 전압(Vout)을 역치 전압(Vth)을 크게 넘지 않도록 억제할 수 있다는 효과가 있다. 또한 출력 전압(Vout)의 강제 강하만을 행한 경우에는, 오버슈트의 상승을 완만하게 할 수 있다는 효과를 갖는다. 입력 전압(Vin)의 강제 강하만을 행한 경우에는, 단시간에 출력 전압(Vout)을 설정할 수 있다. 레귤레이터(20)로부터의 전류 공급을 정지하는 수단만을 이용한 경우에는, 승압 회로(10)에의 전류 공급이 끊어지기 때문에, 승압 동작의 정지와 등가적인 역할을 모두 맡아, 오버슈트의 지속 시간의 단축이라는 효과가 기대된다.또한, 본 실시형태에서는, 레귤레이터(20)로부터 승압 회로(10)에의 전류 차단의 수단으로서, 제3 스위치에 의한 예를 나타내었으나, 그밖에, 연산 증폭기(12)에 승압 정지 신호(DIS)의 입력 단자를 설치하고, 승압 정지 신호가 하이 레벨이 되면 MOSFET(14)의 게이트에 부여하는 전압을 전지 전압(Vbat)까지 상승시키는 등의 수단에 의해서도 동일한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 다른 실시형태로서, 전원 장치(100)는, 오버슈트의 방지 수단으로서, 레귤레이터(20)에 의한 입력 전압(Vin)의 조절보다도 빠른 응답 속도로 입력 전압(Vin)을 변화시킬 수 있는 보조 회로를 설치하고 있어도 된다. 통상적으로 발생하는 오버슈트는 레귤레이터(20)의 응답 속도가 급준한 출력 전압(Vout)의 변동에 추종할 수 없다는 것에 기인하고 있다. 그래서, 이 레귤레이터(20)보다도 고속으로 동작하는 대신에, 레귤레이터(20)와 같이 조정해야 하는 설정값을 가지지 않는, 온 오프 중 어느 하나로 동작하는 보조 회로를 레귤레이터(20)와 병렬로, 긴급피난용으로서 설치해둔다. 이러한 설정 전압(Vset)에의 수속의 가속을 촉구하는 보조 회로를, 예컨대 다수의 역치마다 1개, 혹은 복수 설치함으로써, 오버슈트의 발생을 보다 방지하는 동시에, 보다 짧은 시간에 설정 전압(Vset)에 집속시킬 수 있다.
상술한 본 발명의 구성에 따르면, 전원 장치의 출력 전압의 오버슈트를 방지하여, 출력 전압의 안정성을 높이게 되어, 디바이스의 신뢰성을 보장하게 되는 효과가 있다.

Claims (15)

  1. 설정된 승압률로 입력 전압을 승압하는 승압 회로와,
    상기 승압 회로의 출력 전압이 설정 전압과 동일해지도록, 귀환에 의해 상기 승압 회로의 입력 전압을 조절하는 레귤레이터와,
    상기 출력 전압과 소정의 역치 전압을 비교하여, 상기 출력 전압이 상기 역치 전압보다도 높을 때에 승압 정지 신호를 출력하는 전압 비교기와,
    상기 승압 정지 신호를 받아, 상기 승압 회로의 입력 전압을 강제적으로 강하시키는 제1 보조 회로를 구비하는 것을 특징으로 하는 전원 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 보조 회로는, 상기 승압 회로의 입력 단자와 접지 사이에 설치되고, 상기 승압 정지 신호에 의해 온하는 제1 스위치 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 전원 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 승압 정지 신호를 받아, 상기 승압 회로의 승압 동작을 정지시키는 수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 전원 장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 승압 정지 신호를 받아, 상기 승압 회로의 출력 전압을 강제적으로 강하시키는 제2 보조 회로를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 전원 장치.
  5. 제3항에 있어서, 상기 승압 정지 신호를 받아, 상기 승압 회로의 출력 전압을 강제적으로 강하시키는 제2 보조 회로를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 전원 장치.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 승압 정지 신호를 받아, 상기 레귤레이터로부터 상기 승압 회로에의 전류 공급을 제한하는 전류 제한 회로를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 전원 장치.
  7. 제3항에 있어서, 상기 승압 정지 신호를 받아, 상기 레귤레이터로부터 상기 승압 회로에의 전류 공급을 제한하는 전류 제한 회로를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 전원 장치.
  8. 제4항에 있어서, 상기 승압 정지 신호를 받아, 상기 레귤레이터로부터 상기 승압 회로에의 전류 공급을 제한하는 전류 제한 회로를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 전원 장치.
  9. 설정된 승압률로 입력 전압을 승압하는 승압 회로와,
    상기 승압 회로의 출력 전압이 설정 전압과 동일해지도록, 귀환에 의해 상기 승압 회로의 입력 전압을 조절하는 레귤레이터와,
    상기 출력 전압과 소정의 역치 전압을 비교하여, 상기 출력 전압이 상기 역치 전압보다도 높을 때에 승압 정지 신호를 출력하는 전압 비교기와,
    상기 승압 정지 신호를 받아, 상기 승압 회로의 승압 동작을 정지시키는 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 전원 장치.
  10. 설정된 승압률로 입력 전압을 승압하는 승압 회로와,
    상기 승압 회로의 출력 전압이 설정 전압과 동일해지도록, 귀환에 의해 상기 승압 회로의 입력 전압을 조절하는 레귤레이터와,
    상기 출력 전압과 소정의 역치 전압을 비교하여, 상기 출력 전압이 상기 역치 전압보다도 높을 때에 승압 정지 신호를 출력하는 전압 비교기와,
    상기 승압 정지 신호를 받아, 상기 승압 회로의 출력 전압을 강제적으로 강하시키는 제2 보조 회로를 구비하는 것을 특징으로 하는 전원 장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 제2 보조 회로는, 상기 승압 회로의 출력 단자와 접지 사이에 설치되고, 상기 승압 정지 신호에 의해 온하는 제2 스위치 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 전원 장치.
  12. 설정된 승압률로 입력 전압을 승압하는 승압 회로와,
    상기 승압 회로의 출력 전압이 설정 전압과 동일해지도록, 귀환에 의해 상기 승압 회로의 입력 전압을 조절하는 레귤레이터와,
    상기 출력 전압과 소정의 역치 전압을 비교하여, 상기 출력 전압이 상기 역치 전압보다도 높을 때에 승압 정지 신호를 출력하는 전압 비교기와,
    상기 승압 정지 신호를 받아, 상기 레귤레이터로부터 상기 승압 회로에의 전류 공급을 제한하는 전류 제한 회로를 구비하는 것을 특징으로 하는 전원 장치.
  13. 제12항에 있어서, 상기 레귤레이터는,
    상기 승압 회로의 출력 전압과, 상기 설정 전압의 오차를 증폭하는 오차 증폭기와,
    상기 오차 증폭기의 출력에 의해 온의 정도가 제어되는 트랜지스터를 포함하고,
    상기 전류 제한 회로는, 상기 트랜지스터의 제어 단자와 고정 전압 사이에 설치된 스위치 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 전원 장치.
  14. 설정된 승압률로 입력 전압을 승압하는 승압 회로와,
    상기 승압 회로의 출력 전압이 설정 전압과 동일해지도록, 귀환에 의해 상기 승압 회로의 입력 전압을 조절하는 레귤레이터와,
    상기 레귤레이터에 의한 입력 전압의 조절보다도 빠른 응답 속도로 상기 입력 전압을 조정하는 보조 회로를 구비하는 것을 특징으로 하는 전원 장치.
  15. 발광 소자와,
    상기 발광 소자에 구동 전압을 공급하는 제1항, 제2항, 제9항, 제10항, 제12항, 제14항 중 어느 한 항에 기재된 전원 장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 전자기기.
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