JP2007074797A - スイッチング電源装置およびそれを用いた電子機器 - Google Patents

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Abstract

【課題】 複数のチャージポンプ回路を直列に接続したスイッチング電源装置における出力電圧のリップルを低減する。
【解決手段】 スイッチング電源装置100において、第1チャージポンプ回路110は、入力電圧Vinを所定の電圧に変換し、第1出力電圧Vout1として出力する。第2チャージポンプ回路120は、第1チャージポンプ回路110から出力される第1出力電圧Vout1を所定の電圧に変換し、第2出力電圧Vout2として出力する。制御回路10は、第1チャージポンプ回路110、第2チャージポンプ回路120の充放電状態を制御する。制御回路10は、第1チャージポンプ回路110において第1出力キャパシタCo1を充電する状態と、第2チャージポンプ回路120において第2フライングキャパシタCf2を充電する状態と、を同期制御する。
【選択図】 図1

Description

本発明は、スイッチング電源装置に関する。
近年の携帯電話、PDA(Personal Digital Assistance)等の小型情報端末においては、例えば液晶のバックライトに用いられるLED(Light Emitting Diode)などのように電池の出力電圧よりも高い電圧を必要とするデバイスが存在する。たとえば、これらの小型情報端末では、Liイオン電池が多く用いられ、その出力電圧は通常3.5V程度であり、満充電時においても4.2V程度であるが、LEDはその駆動電圧として電池電圧よりも高い電圧を必要とする。このように、電池電圧よりも高い電圧が必要とされる場合には、スイッチドキャパシタ方式等の昇圧回路を用いて電池電圧を昇圧し、LEDなどの負荷回路を駆動するために必要な電圧を得ている。また、このような小型情報端末装置において負電源が必要とされる場合もあり、このような場合にもスイッチドキャパシタ方式の電圧反転回路を用いて所望の負電圧を得ている(特許文献1)。
ここで、ある小型情報端末装置において、電池電圧よりも高い電圧を必要とする負荷回路と、負の電圧を必要とする負荷回路を同時に駆動する場合を考える。このように異なる電圧で駆動すべき負荷回路に適切な電圧を供給するために、複数のチャージポンプ回路を直列に接続し、各チャージポンプ回路の出力をそれぞれ負荷に供給する手法が考えられる。たとえば、昇圧率が2倍のチャージポンプ回路と、電圧反転型のチャージポンプ回路を2段直列に接続した場合、電池電圧をVbatと書くと、Vbat、2×Vbat、−2×Vbatの3つの異なる電圧を負荷に対して供給することができる。
特開2001−258241号公報
一般的なチャージポンプ回路は、フライングキャパシタ、出力キャパシタ、ならびに、これら2つのキャパシタを接続する複数のスイッチ素子を備えており、スイッチ素子のオンオフを制御することにより、フライングキャパシタおよび出力キャパシタに電荷を蓄えて、入力電圧を所望の電圧に変換する。
ここで、上述のように、複数のチャージポンプ回路を直列に接続する場合を考える。この場合、2段目のチャージポンプ回路の入力電圧は、1段目のチャージポンプ回路の出力電圧となり、2段目のチャージポンプ回路のフライングキャパシタは、1段目のチャージポンプ回路の出力キャパシタに蓄えられた電荷によって充電されることになる。したがって、各チャージポンプ回路において、キャパシタの充放電状態、すなわちスイッチ素子のオン・オフ状態を別個独立に制御すると、場合によっては、出力電圧のリップルが大きくなってしまう。
本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、複数のチャージポンプ回路を直列に接続したスイッチング電源装置における出力電圧のリップルの低減にある。
本発明のある態様のスイッチング電源装置は、入力電圧を所定の電圧に変換し、第1出力電圧として出力する第1チャージポンプ回路と、第1チャージポンプ回路から出力される第1出力電圧を所定の電圧に変換し、第2出力電圧として出力する第2チャージポンプ回路と、第1、第2チャージポンプ回路の充放電状態を制御する制御回路と、を備える。制御回路は、第1チャージポンプ回路において出力キャパシタを充電する状態と、第2チャージポンプ回路においてフライングキャパシタを充電する状態と、を同期制御する。
この態様によれば、第2チャージポンプ回路のフライングキャパシタは、第1チャージポンプ回路の出力キャパシタに蓄えられた電荷によって充電される。そこで、第2チャージポンプ回路のフライングキャパシタを充電するフェーズと、第1チャージポンプ回路の出力キャパシタを充電するフェーズを同時に行うことにより、第1チャージポンプ回路の出力キャパシタに蓄えられる電荷量の変動が低減される。その結果、第1出力電圧のリップルを低減することができる。
第2チャージポンプ回路は、第1出力電圧を反転する反転型チャージポンプ回路であってもよい。また、第1チャージポンプ回路は、入力電圧を2倍の昇圧率で昇圧してもよい。
本発明の別の態様は、電子機器である。この電子機器は、電池と、電池の電圧を所定の電圧に変換して出力する上述のスイッチング電源装置と、を備える。
この態様によると、電子機器に搭載される複数の負荷に対して、安定した電圧供給を行うことができる。
なお、以上の構成要素の任意の組合せや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。
本発明に係るスイッチング電源装置によれば、出力電圧のリップルを低減することができる。
図1は、本発明の実施の形態に係るスイッチング電源装置100の構成を示す。スイッチング電源装置100は、第1チャージポンプ回路110、第2チャージポンプ回路120、制御回路10を備える。
第1チャージポンプ回路110は、第1入力端子112に入力される入力電圧Vinを所定の電圧に変換し、第1出力端子114から第1出力電圧Vout1として出力する。本実施の形態において、第1チャージポンプ回路110の昇圧率は2倍であり、入力電圧Vinと第1出力電圧Vout1の間には、Vout1=2×Vinの関係が成り立つ。入力電圧Vinとしては、本実施の形態に係るスイッチング電源装置100が搭載される機器の電源電圧、たとえば電池電圧が使用される。
第1チャージポンプ回路110は、第1スイッチSW11、第2スイッチSW12、第3スイッチSW13、第4スイッチSW14、第1フライングキャパシタCf1、第1出力キャパシタCo1を備える。
第1スイッチSW11は、第1入力端子112と第1フライングキャパシタCf1の第1端子(+)の間に設けられ、第2スイッチSW12は、第1入力端子112と第1フライングキャパシタCf1の第2端子(−)の間に設けられる。また、第3スイッチSW13は、第1出力端子114と第1フライングキャパシタCf1の第1端子の間に設けられ、第4スイッチSW14は、第1フライングキャパシタCf1の第2端子と接地間に設けられる。第1出力キャパシタCo1は、第1出力端子114と接地間に設けられている。
第1スイッチSW11〜第4スイッチSW14は、たとえばMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)によって構成される。第1スイッチSW11〜第4スイッチSW14を構成するMOSFETのゲートは、図示しない配線を介して、制御回路10と接続されており、制御回路10により生成される制御信号によってそれぞれのオン、オフ状態が制御される。
制御回路10は、外部から入力されるクロック信号CLKにもとづき、第1チャージポンプ回路110、第2チャージポンプ回路120の充放電状態を制御する。具体的には、制御回路10は、第1スイッチSW11、第4スイッチSW14をオン、第2スイッチSW12、第3スイッチSW13をオフする第1状態φ1と、第1スイッチSW11、第4スイッチSW14をオフ、第2スイッチSW12、第3スイッチSW13をオンする第2状態φ2を交互に繰り返す。
第1状態φ1において、第1スイッチSW11、第4スイッチSW14がオンすると、第1フライングキャパシタCf1の第1端子に入力電圧Vinが印加され、第1フライングキャパシタCf1の第2端子が接地される。その結果、第1状態φ1において、第1フライングキャパシタCf1は入力電圧Vinで充電される。
次いで、第2状態φ2において、第2スイッチSW12、第3スイッチSW13がオンすると、第1フライングキャパシタCf1の第2端子が第1入力端子112と接続され、第1端子が第1出力端子114と接続される。その結果、第1出力キャパシタCo1は、第1フライングキャパシタCf1の第1端子に現れる電圧(Vin+Vin=Vin×2)で充電される。
このように、第1チャージポンプ回路110は、第1状態φ1、第2状態φ2を交互に繰り返すことにより、第1出力端子114から第1出力電圧Vout1(=Vin×2)を出力する。第1出力端子114から出力される第1出力電圧Vout1は、図示しない負荷に供給されるとともに、第2チャージポンプ回路120へと出力される。
第2チャージポンプ回路120は、第2入力端子122に入力される第1出力電圧Vout1を所定の電圧に変換し、第2出力端子124から第2出力電圧Vout2として出力する。本実施の形態において、第2チャージポンプ回路120の昇圧率は−1倍に設定されており、第2出力電圧Vout2と第1出力電圧Vout1の間には、Vout2=−Vout1の関係が成り立つ。
第2チャージポンプ回路120は、第1スイッチSW21、第2スイッチSW22、第3スイッチSW23、第4スイッチSW24、第2フライングキャパシタCf2、第2出力キャパシタCo2を備える。
第1スイッチSW21は、第2入力端子122と第2フライングキャパシタCf2の第1端子(+)の間に設けられ、第2スイッチSW22は、第2フライングキャパシタCf2の第1端子と接地間に設けられる。また、第3スイッチSW23は、第2フライングキャパシタCf2の第2端子(−)と接地間に設けられ、第4スイッチSW24は、第2フライングキャパシタCf2の第2端子と第2出力端子124の間に設けられる。第2出力キャパシタCo2は、第2出力端子124と接地間に設けられている。
制御回路10は、第1スイッチSW21、第3スイッチSW23をオン、第2スイッチSW22、第4スイッチSW24をオフする第1状態φ1’と、第1スイッチSW21、第3スイッチSW23をオフ、第2スイッチSW22、第4スイッチSW24をオンする第2状態φ2’とを交互に繰り返す。
第1状態φ1’において、第1スイッチSW21、第3スイッチSW23がオンすると、第2フライングキャパシタCf2の第1端子に第1出力電圧Vout1が印加され、第2フライングキャパシタCf2の第2端子が接地される。その結果、第1状態φ1’において、第2フライングキャパシタCf2は第1出力電圧Vout1で充電される。
次いで、第2状態φ2’において、第2スイッチSW22、第4スイッチSW24がオンすると、第2フライングキャパシタCf2の第1端子が接地され、第2端子が第2出力端子124と接続される。その結果、第2出力キャパシタCo2は、第2フライングキャパシタCf2の第2端子に現れる電圧−Vout1で充電される。
このように、第2チャージポンプ回路120は、第1状態φ1’、第2状態φ2’を交互に繰り返すことにより、第2出力端子124から第2出力電圧Vout2(=−Vout1)を出力する。第2出力端子124から出力される第2出力電圧Vout2は、図示しない負荷に供給される。
なお、本実施の形態において、制御回路10、第1チャージポンプ回路110の第1スイッチSW11〜第4スイッチSW14、第2チャージポンプ回路120の第1スイッチSW21〜第4スイッチSW24は、ひとつの半導体基板上に一体集積化された機能ICとして構成される。また、第1フライングキャパシタCf1、第2フライングキャパシタCf2、第1出力キャパシタCo1、第2出力キャパシタCo2は、このICの外部に、チップ部品として接続される。
本実施の形態に係るスイッチング電源装置100において、制御回路10は、第1チャージポンプ回路110および第2チャージポンプ回路120のスイッチのオンオフを同期制御する。以下、第1チャージポンプ回路110の第1状態φ1、第2状態φ2および第2チャージポンプ回路120の第1状態φ1’、第2状態φ2’の関係について説明する。
制御回路10は、第1チャージポンプ回路110における第1状態φ1と、第2チャージポンプ回路120における第2状態φ2’を対応付け、第1チャージポンプ回路110における第2状態φ2と、第2チャージポンプ回路120における第1状態φ1’を対応付けて、各キャパシタの充放電状態を制御する。すなわち、本実施の形態においては、φ1=φ2’、φ2=φ1’が成り立っている。
その結果、第1チャージポンプ回路110において第1出力キャパシタCo1を充電する第1状態φ1と、第2チャージポンプ回路120において第2フライングキャパシタCf2を充電する第2状態φ2’と、が同時に発生する。また、第1フライングキャパシタCf1を充電する第2状態φ2と、第2出力キャパシタCo2を充電する第2状態φ1’とが同時に発生する。
図2は、本実施の形態に係るスイッチング電源装置100の動作状態を示すタイムチャートである。図2において、第1チャージポンプ回路110の第1スイッチSW11〜第4スイッチSW14、第2チャージポンプ回路120の第1スイッチSW21〜第4スイッチSW24は、それぞれのオン、オフ状態を示しており、ハイレベルのときがオン状態、ローレベルのときがオフ状態に対応する。なお、同図の縦軸および横軸は、説明を簡潔にするため、適宜拡大、縮小して示される。
時刻T1に、第1チャージポンプ回路110において、第1スイッチSW11、第4スイッチSW14がオンすると、第1フライングキャパシタCf1が入力電圧Vinで充電される。
次いで、時刻T2に、第2スイッチSW12、第3スイッチSW13がオンすると、第1フライングキャパシタCf1に蓄えられた電荷が第1出力キャパシタCo1に転送され、第1出力電圧Vout1が2×Vin付近まで上昇する。このとき、第2チャージポンプ回路120に着目すると、時刻T2に第1スイッチSW21、第3スイッチSW23がオンし、第2フライングキャパシタCf2が充電される第1状態φ1’となる。このとき、第1出力キャパシタCo1および第2フライングキャパシタCf2は、第1フライングキャパシタCf1の第1端子と接地間に並列に接続される。したがって、時刻T2には、第1フライングキャパシタCf1に蓄えられた電荷は、第1出力キャパシタCo1に転送されるとともに、第2フライングキャパシタCf2にも転送されることになる。その結果、第2フライングキャパシタCf2は、第1出力電圧Vout1(=2×Vin)で充電される。
時刻T2から時刻T4までの期間、第1出力端子114に接続される負荷に電流が流れることにより、第1出力キャパシタCo1に蓄えられた電荷が放電され、第1出力電圧Vout1は時間とともに徐々に低下していく。
時刻T3に、第1チャージポンプ回路110において、第1スイッチSW11、第4スイッチSW14がオンして第1フライングキャパシタCf1が入力電圧Vinで充電される。一方、第2チャージポンプ回路120においては、第2スイッチSW22、第4スイッチSW24がオンし、第2フライングキャパシタCf2に蓄えられた電荷が第2出力キャパシタCo2に転送される。このとき、第2出力電圧Vout2は、−Vout1(=−2×Vin)まで低下する。その後、第2出力端子124に接続される負荷に電流が流れることにより、第2出力キャパシタCo2に蓄えられる電荷が減少していき、第2出力電圧Vout2は徐々に上昇していく。
本実施の形態に係るスイッチング電源装置100は、上述のスイッチング動作を繰り返し行うことにより、第1出力端子114から第1出力電圧Vout1(=2×Vin)を、第2出力端子124から第2出力電圧Vout2(=−Vout1=−2×Vin)を出力する。
本実施の形態に係るスイッチング電源装置100によれば、第2チャージポンプ回路120の第2フライングキャパシタCf2を充電するフェーズと、第1チャージポンプ回路110の第1出力キャパシタCo1を充電するフェーズを同時に行うことにより、第1チャージポンプ回路110の第1出力キャパシタCo1に蓄えられる電荷量の変動が低減され、第1出力電圧Vout1の変動量ΔV1を低減することができる。さらに、第2チャージポンプ回路120の第2出力電圧Vout2を、第1出力電圧Vout1を反転した電圧、すなわち−Vout1=−2×Vinに近づけることができる。
本実施の形態に係るスイッチング電源装置100の効果は、図3との対比によって、より明らかとなる。図3は、第1チャージポンプ回路110と第2チャージポンプ回路120のスイッチング動作を、本実施の形態と逆相に設定した場合のタイムチャートである。
図3に示すように、時刻T1に第1スイッチSW11、第4スイッチSW14がオンし、第1フライングキャパシタCf1が充電される。その後、時刻T2に第2スイッチSW12、第3スイッチSW13がオンして、第1フライングキャパシタCf1に蓄えられた電荷が転送されることにより、第1出力キャパシタCo1が充電される。その結果、第1出力電圧Vout1は、Vout1=2×Vin付近まで上昇する。
その後、時刻T2から時刻T3の期間、第1出力端子114に接続される負荷に電流が流れることにより、第1出力電圧Vout1は徐々に低下していく。
時刻T3に、第2チャージポンプ回路120において、第1スイッチSW21、第3スイッチSW23がオンすると、第1出力電圧Vout1によって、第2フライングキャパシタCf2が充電される。このとき、第1出力キャパシタCo1に蓄えられた電荷が第2フライングキャパシタCf2に転送されるため、第1出力電圧Vout1は低下する。
その後、時刻T4に、第2チャージポンプ回路120において、第2スイッチSW22、第4スイッチSW24がオンすると、第2フライングキャパシタCf2に蓄えられた電荷が第2出力キャパシタCo2転送され、第2出力電圧Vout2が−Vout1付近まで低下する。その後、第2出力端子124に接続される負荷に電流が流れることにより、第2出力キャパシタCo2に蓄えられた電荷が減少し、第2出力電圧Vout2は徐々に上昇していく。
図3に示すように、第1チャージポンプ回路110と第2チャージポンプ回路120のスイッチング動作を、図2に示す本実施の形態に係るスイッチング電源装置100と逆相で制御した場合、時刻T3において、第1出力キャパシタCo1に蓄えられた電荷が第2フライングキャパシタCf2に転送されるときに、第1出力電圧Vout1が低下し、変動量ΔV1が大きくなってしまう。これに対して、図2に示す本実施の形態に係るスイッチング電源装置100の場合、第1フライングキャパシタCf1に蓄えられた電荷によって、第1出力キャパシタCo1と第2フライングキャパシタCf2の充電を同時に行うため、第1出力電圧Vout1の変動量ΔV1を抑えることができる。
以上で説明した実施の形態に係るスイッチング電源装置は、たとえば携帯電話端末やPDAなどの電池駆動型の電子機器に好適に用いることができる。図4は、実施の形態に係るスイッチング電源装置を搭載した電子機器の構成を示すブロック図である。電子機器1000は、電池1010、スイッチング電源装置100、第1負荷1030、第2負荷1040を備える。スイッチング電源装置100は、電池1010から出力される電池電圧Vbatを、第1出力電圧Vout1(=2×Vbat)、第2出力電圧Vout2(−2×Vbat)に変換して出力する。第1出力電圧Vout1は、LEDや液晶パネルなどの第1負荷1030に供給される。また第2出力電圧Vout2は、負電源を必要とする第2負荷1040に供給される。
上記実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
実施の形態において、第2チャージポンプ回路120は、反転型の場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、昇圧率が1.5倍、2倍あるいは4倍のチャージポンプ回路であってもよく、あるいは複数の昇圧率が切り換え可能なチャージポンプ回路であってもよい。第1チャージポンプ回路110についても同様に、昇圧率は2倍に限定されるものではなく、1.5倍や4倍、あるいは複数の昇圧率が切り換え可能なチャージポンプ回路であってもよい。
実施の形態においてMOSFETで構成された素子は、バイポーラトランジスタなど別のトランジスタ、あるいはダイオードに置換することも可能である。これらの選択は、半導体製造プロセスやコスト、回路に求められる使用に応じて決定すればよい。
実施の形態において、スイッチング電源装置100を構成する素子はすべて一体集積化されていてもよく、または別の集積回路に分けて構成されていてもよく、さらにはその一部がディスクリート部品で構成されていてもよい。どの部分を集積化するかは、コストや占有面積、用途などに応じて決めればよい。
本発明の実施の形態に係るスイッチング電源装置の構成を示す図である。 図1のスイッチング電源装置の動作状態を示すタイムチャートである。 第1チャージポンプ回路と第2チャージポンプ回路のスイッチング動作を、本実施の形態と逆相に設定した場合のタイムチャートである。 図1のスイッチング電源装置を搭載した電子機器の構成を示すブロック図である。
符号の説明
10 制御回路、 100 スイッチング電源装置、 110 第1チャージポンプ回路、 112 第1入力端子、 114 第1出力端子、 120 第2チャージポンプ回路、 122 第2入力端子、 124 第2出力端子、 Cf1 第1フライングキャパシタ、 Co1 第1出力キャパシタ、 SW11 第1スイッチ、 SW12 第2スイッチ、 SW13 第3スイッチ、 SW14 第4スイッチ、 Cf2 第2フライングキャパシタ、 Co2 第2出力キャパシタ、 SW21 第1スイッチ、 SW22 第2スイッチ、 SW23 第3スイッチ、 SW24 第4スイッチ、 Vin 入力電圧、 Vout1 第1出力電圧、 Vout2 第2出力電圧。

Claims (4)

  1. 入力電圧を所定の電圧に変換し、第1出力電圧として出力する第1チャージポンプ回路と、
    前記第1チャージポンプ回路から出力される前記第1出力電圧を所定の電圧に変換し、第2出力電圧として出力する第2チャージポンプ回路と、
    前記第1、第2チャージポンプ回路の充放電状態を制御する制御回路と、
    を備え、
    前記制御回路は、前記第1チャージポンプ回路において出力キャパシタを充電する状態と、前記第2チャージポンプ回路においてフライングキャパシタを充電する状態と、を同期制御することを特徴とするスイッチング電源装置。
  2. 前記第2チャージポンプ回路は、前記第1出力電圧を反転する反転型チャージポンプ回路であることを特徴とする請求項1に記載のスイッチング電源装置。
  3. 前記第1チャージポンプ回路は、前記入力電圧を2倍の昇圧率で昇圧することを特徴とする請求項1または2に記載のスイッチング電源装置。
  4. 電池と、
    前記電池の電圧を所定の電圧に変換して出力する請求項1から3のいずれかに記載のスイッチング電源装置と、
    を備えることを特徴とする電子機器。
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