JP5174390B2 - 電源装置及びこれを備えた電子機器 - Google Patents

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Description

本発明は、入力電圧から所望の出力電圧を生成する電源装置、及び、これを備えた電子機器に関するものである。
従来より、熱損失が少なく、かつ、入出力較差が大きい場合に比較的効率が良い安定化電源手段の一つとして、出力トランジスタのオン/オフ制御(デューティ制御)によってエネルギ貯蔵素子(コンデンサやコイルなど)を駆動することで、入力電圧から所望の出力電圧を生成するスイッチングレギュレータが広く用いられている。
従来の一般的なスイッチングレギュレータは、出力電圧Voutに応じて変動する帰還電圧Vfbと所定の参照電圧Vrefとの差電圧を増幅する誤差増幅器を有して成り、当該誤差増幅器の出力信号(誤差電圧Verr)を用いて出力トランジスタのオン/オフ制御を行う構成とされていた。より具体的に述べると、このようなスイッチングレギュレータは、上記の誤差電圧Verrと所定のスロープ電圧Vslp(三角波或いはランプ波)との比較結果に応じたデューティのPWM[Pulse Width Modulation]信号を生成し、当該PWM信号を用いて出力トランジスタのオン/オフを制御する構成とされていた。
また、上記従来のスイッチングレギュレータは、起動時の突入電流を防止する手段として、ソフトスタート回路を備えた構成とされていた。より具体的に述べると、上記ソフトスタート回路は、イネーブル信号EN(動作許可信号)の立上がりに応じて緩やかに上昇を開始するソフトスタート電圧Vssを生成する構成とされており、PWMコンパレータは、誤差電圧Verr及びソフトスタート電圧Vssのいずれか低い方と、スロープ電圧Vslpとを比較することで、その比較結果に応じたデューティのPWM信号を生成する構成とされていた。
なお、上記に関連する従来技術の一例としては、本願出願人による特許文献1を挙げることができる。
特開平7−336999号公報
確かに、上記従来のスイッチングレギュレータであれば、ソフトスタート回路を用いて起動時の突入電流を防止することができる。
しかしながら、上記従来のスイッチングレギュレータでは、出力トランジスタのオンデューティを徐々に高めていくことにより、コイル電流ILが抑制されていたため、起動時の突入電流を抑制し得る反面、出力電圧Voutの立上がりが遅くなり、出力帰還制御の応答速度が低下していた。
特に、イネーブル信号ENをPWM[Pulse Width Modulation]駆動することで、LED[Light Emitting Diode]の輝度調整(LED電流の平均値調整)を行うLEDドライバでは、上記した出力帰還制御の応答速度低下に伴い、輝度の調整精度が悪化していた。
なお、ソフトスタートを解除すれば、出力帰還制御の応答速度は改善されるが、図12中の符号(X)で示すように、イネーブル信号ENの立上がり毎に、コイル電流ILに突入電流が生じるため、コイルや出力トランジスタが破壊に至るおそれがあった。
また、このような応答速度の改善策では、図12中の符号(Y)で示すように、帰還電圧Vfbの立上がり速度が入力電圧Vinの電圧変動に大きく依存する形(図中の実線は入力電圧Vinが高い場合の挙動を示しており、破線は入力電圧Vinが低い場合の挙動を示している)となっていた。
特に、先述のLEDドライバでは、イネーブル信号ENの低デューティ時(低輝度設定時)において、帰還電圧Vfbの立上がり速度が入力電圧Vinの電圧変動に依存して大きくばらつくため、LED電流(=Vfb/R)にムラを生じてしまい、この電流ムラがちらつきとしてユーザに視認されるおそれがあった。
なお、帰還電圧Vfbの立上がり速度に入力電圧依存性が生じる原因は、入力電圧Vinが変動するのに対して、コイル電流ILのリミット値ILmaxが一定とされているため、スイッチングレギュレータの入力電力(=ILmax×Vin)が入力電圧Vinに応じて変動し、それに伴って出力電圧Vout(延いては帰還電圧Vfb)の立上がり速度が変動するためである。
本発明は、上記の問題点に鑑み、入力電圧依存性がなく、応答性にも優れた出力帰還制御を実現するとともに、起動時の突入電流を抑制することが可能な電源装置、及びこれを備えた電子機器を提供することを目的とする。
上記目的を達成すべく、本発明に係る電源装置は、出力電圧に応じた帰還電圧と所定の参照電圧との差分を増幅して誤差電圧を生成し、これを低減するように、入力電圧から所望の出力電圧を生成する電源装置であって、前記電源装置の起動後、所定の期間中には、前記誤差電圧の上限値を定常時よりも低い値であって、前記入力電圧が低いほど高く、逆に、前記入力電圧が高いほど低く設定するクランプ部を有して成る構成(第1の構成)とされている。
なお、上記第1の構成から成る電源装置において、前記クランプ部は、前記所定の期間が経過した後、前記誤差電圧の上限値を定常時の値まで緩やかに上昇させる構成(第2の構成)にするとよい。
また、上記第1または第2の構成から成る電源装置は、前記電源装置の起動後、前記参照電圧を所定の目標値まで緩やかに上昇させる参照電圧生成部を有して成る構成(第3の構成)にするとよい。
また、上記第3の構成から成る電源装置において、前記参照電圧生成部は、前記電源装置が停止されている間、前記参照電圧と前記帰還電圧を一致させる構成(第4の構成)にするとよい。
また、上記第3または第4の構成から成る電源装置において、前記所定の期間は、前記参照電圧が所定の閾値に達するまでの期間である構成(第5の構成)にするとよい。
また、上記第1〜第5いずれかの構成から成る電源装置は、前記電源装置が停止されている間、直前の誤差電圧を保持する前値保持部を有して成る構成(第6の構成)にするとよい。
また、上記第6の構成から成る電源装置において、前記前値保持部は、前記誤差電圧の出力端と位相補償回路との間に接続され、前記電源装置の動作中にオンとされ、停止中にオフとされるスイッチである構成(第7の構成)にするとよい。
また、上記第1〜第7いずれかの構成から成る電源装置は、そのオン/オフ制御に応じて前記入力電圧から前記出力電圧を生成する出力トランジスタと;前記帰還電圧と前記参照電圧との差分を増幅することで、前記誤差電圧を生成する誤差増幅器と;前記誤差電圧と所定のスロープ電圧とを比較することで、その比較結果に応じたデューティの比較信号を生成するPWMコンパレータと;前記比較信号を用いて前記出力トランジスタのオン/オフ制御を行う制御部と;を有して成る構成(第8の構成)にするとよい。
また、上記第8の構成から成る電源装置は、一端が前記入力電圧の印加端に接続され、他端が前記出力トランジスタの一端に接続されるコイルと;一端が前記出力トランジスタの一端に接続され、他端が前記出力電圧の引出端に接続される同期整流素子と;一端が前記出力電圧の引出端に接続され、他端が基準電圧の印加端に接続されるコンデンサと;を有して成り、前記入力電圧を昇圧して前記出力電圧を生成する構成(第9の構成)にするとよい。
また、本発明に係る電子機器は、機器の電源であるバッテリと、前記バッテリからの入力電圧を所望の出力電圧に変換する電源装置と、前記出力電圧を用いて駆動する負荷と、を有して成る電子機器であって、前記電源装置として、上記第1〜第9いずれかの構成から成る電源装置を備えて成る構成(第10の構成)とされている。
なお、上記第10の構成から成る電子機器において、前記負荷は、発光ダイオード或いは発光ダイオード列である構成(第11の構成)にするとよい。
本発明によれば、入力電圧依存性がなく、応答性にも優れた出力帰還制御を実現するとともに、起動時の突入電流を抑制することが可能となる。
以下では、携帯電話端末に搭載され、バッテリからの入力電圧を変換して端末各部(例えば、TFT[Thin Film Transistor]液晶パネルを背面照射するバックライト)の駆動電圧を生成するDC/DCコンバータに本発明を適用した場合を例に挙げて説明を行う。
図1は、本発明に係る携帯電話端末の一実施形態を示すブロック図(特に、TFT液晶パネルへの電源系部分)である。本図に示すように、本実施形態の携帯電話端末は、装置電源であるバッテリ10と、バッテリ10の出力変換手段であるDC/DCコンバータ20と、携帯電話端末の表示手段であるTFT液晶パネル30と、を有して成る。なお、本図には明示されていないが、本実施形態の携帯電話端末は、上記構成要素のほか、その本質機能(通信機能など)を実現する手段として、送受信回路部、スピーカ部、マイク部、操作部、メモリ部など、を当然に有して成る。
DC/DCコンバータ20は、バッテリ10から印加される入力電圧Vinから一定の出力電圧Voutを生成し、該出力電圧VoutをTFT液晶パネル30(特に、そのバックライト)に供給する。
図2は、DC/DCコンバータ20の一構成例を示す回路図(一部にブロックを含む)である。本図に示すように、本実施形態のDC/DCコンバータ20は、スイッチング電源IC21のほか、外付けのコイル22、コンデンサ23、及び、抵抗24を有して成る昇圧型スイッチングレギュレータ(チョッパ型レギュレータ)であり、TFT液晶パネル30のバックライトを構成する発光ダイオード列(以下では、LED[Light Emitting Diode]列と呼ぶ)の駆動電圧として、出力電圧Voutを供給する手段である。
スイッチング電源IC21は、Nチャネル型電界効果トランジスタQ1と、Pチャネル型電界効果トランジスタQ2と、コンデンサC1と、抵抗R1及び抵抗R2と、ドライバDRV1及びドライバDRV2と、リセット優先型のRSフリップフロップFFと、電流検出部CSと、制御部CTRLと、PWMコンパレータPCMPと、発振器OSCと、加算器ADDと、スイッチSWと、クランプ部CLと、誤差増幅器ERRと、参照電圧生成部REFとを有するほか、外部との電気的な接続手段として、外部端子T1〜T5を有して成る。なお、スイッチング電源IC21には、上記した回路ブロックのほか、その他の保護回路ブロック(サーマルシャットダウン回路や過電圧保護回路、ショート保護回路など)を適宜組み込んでも構わない。
トランジスタQ1のドレインは、外部端子T1(スイッチ端子)に接続されている。トランジスタQ1のソースは、抵抗R1を介して接地端に接続される一方、電流検出部CSの入力端にも接続されている。トランジスタQ2のドレインは、外部端子T1に接続されている。トランジスタQ2のソースは、外部端子T3(出力端子)に接続されている。
加算器ADDの一入力端は、電流検出部CSの出力端(検出電圧出力端)に接続されており、他入力端は、発振器OSCの第1出力端(三角波電圧出力端)に接続されている。
PWMコンパレータPCMPの非反転入力端(+)は、加算器ADDの出力端(スロープ電圧出力端)に接続されている。PWMコンパレータPCMPの反転入力端(−)は、スイッチSWを介して、誤差増幅器ERRの出力端に接続される一方、コンデンサC1と抵抗R2を介して、接地端にも接続されている。
誤差増幅器ERRの反転入力端(−)は、外部端子T4(帰還入力端子)に接続されている。誤差増幅器ERRの非反転入力端(+)は、参照電圧生成部REFの出力端(参照電圧出力端)に接続されている。なお、誤差増幅器ERRの出力端には、クランプ部CLが接続されている。
制御部CTRLには、PWMコンパレータPCMPからの比較信号PWM、発振器OSCからのセットクロック信号SCLK、及び、リセットクロック信号RCLK、並びに、外部端子T5からのイネーブル信号ENが各々入力されている。
RSフリップフロップFFのセット入力端(S)は、制御部CTRLのセット信号出力端に接続されている。RSフリップフロップFFのリセット入力端(R)は、制御部CTRLのリセット信号出力端に接続されている。RSフリップフロップFFの出力端(Q)は、ドライバDRV1を介して、トランジスタQ1のゲートに接続されている。RSフリップフロップFFの反転出力端(QB)は、ドライバDRV2(インバータ)を介して、トランジスタQ2のゲートに接続されている。
また、スイッチング電源IC21の外部において、外部端子T1(スイッチ端子)は、コイル22を介して、バッテリ10の出力端(入力電圧Vinの印加端)に接続されている。外部端子T2(入力端子)は、バッテリ10の出力端に直接接続されている。外部端子T3(出力端子)は、コンデンサ23を介して接地端に接続される一方、出力電圧Voutの引出端として、TFT液晶パネル30のバックライトを構成するLED列のアノードにも接続されている。LED列のカソードは、抵抗24を介して接地端に接続される一方、スイッチング電源IC21の外部端子T4(帰還入力端子)にも接続されている。外部端子T5(イネーブル端子)は、イネーブル信号EN(PWMパルス信号)の印加端に接続されている。
上記構成から成るDC/DCコンバータ20の基本動作(直流/直流変換動作)について、詳細な説明を行う。
スイッチング電源IC21において、トランジスタQ1は、ドライバDRV1の出力信号(出力信号Q)に応じてオン/オフ制御される出力トランジスタであり、トランジスタQ2は、ドライバDRV2の出力信号(反転出力信号QBの反転信号)に応じてオン/オフ制御される同期整流トランジスタである。RSフリップフロップFFは、入力電圧Vinを昇圧して出力電圧Voutを得るに際し、トランジスタQ1、Q2を相補的にスイッチング制御する手段である。
なお、本明細書中で用いている「相補的」という文言は、トランジスタQ1、Q2のオン/オフが完全に逆転している場合のほか、貫通電流防止の観点からトランジスタQ1、Q2のオン/オフ遷移タイミングに所定の遅延を与えている場合をも含むものとする。
トランジスタQ1がオン状態にされると、コイル22にはトランジスタQ1を介して接地端に向けたコイル電流ILが流れ、その電気エネルギが蓄えられる。なお、トランジスタQ1のオン期間において、すでにコンデンサ23に電荷が蓄積されていた場合、LED列には、コンデンサ23から電流が流れることになる。また、このとき、同期整流素子であるトランジスタQ2は、トランジスタQ1のオン状態に対して相補的にオフ状態とされるため、コンデンサ23からトランジスタQ1に向けて電流が流れ込むことはない。
一方、トランジスタQ1がオフ状態にされると、コイル22に生じた逆起電圧により、そこに蓄積されていた電気エネルギが放出される。このとき、トランジスタQ2は、トランジスタQ1のオフ状態に対して相補的にオン状態とされるため、コイル22からトランジスタQ2を介して流れる電流は、負荷であるLED列に流れ込むとともに、コンデンサ23を介して接地端にも流れ込み、コンデンサ23を充電することになる。上記の動作が繰り返されることで、負荷であるLED列には、コンデンサ23により平滑された直流出力が供給される。
このように、本実施形態のスイッチング電源IC21は、トランジスタQ1、Q2のオン/オフ制御によってエネルギ貯蔵素子であるコイル22を駆動することで、入力電圧Vinを昇圧して出力電圧Voutを生成するチョッパ型昇圧回路の一構成要素として機能するものである。
なお、本実施形態のスイッチング電源IC21において、制御部CTRLは、LED列のPWM輝度調整を実現すべく、イネーブル信号EN(昇圧動作許可信号)の論理レベル(ハイレベル/ローレベル)に応じて、昇圧動作の可否が制御される構成(いわゆるパワーコントロール型のPWM輝度調整方式を採用した構成)とされている。具体的には、イネーブル信号ENがハイレベルであるときに昇圧動作が許可され、ローレベルであるときに昇圧動作が禁止される構成とされている。また、図2には明示されていないが、イネーブル信号ENは、スイッチング電源IC21に含まれる他の回路部にも入力されており、各々の動作可否がイネーブル信号ENに応じて制御される。
次に、上記構成から成るDC/DCコンバータ20の出力帰還制御について、図3を参照しながら詳細に説明する。
図3は、DC/DCコンバータ20の出力帰還制御を説明するためのタイミングチャートである。
スイッチング電源IC21において、誤差増幅器ERRは、抵抗24の一端から引き出される帰還電圧Vfb(出力電圧Voutの実際値に相当)と、参照電圧生成部REFで生成される参照電圧Vref(出力電圧Voutの目標設定値に相当)との差分を増幅して誤差電圧Verrを生成する。すなわち、誤差電圧Verrの電圧レベルは、出力電圧Voutがその目標設定値よりも低いほど高レベルとなる。
一方、PWMコンパレータPCMPは、反転入力端(−)に印加される誤差電圧Verrと、非反転入力端子(+)に印加されるスロープ電圧Vslpを比較し、その結果に応じた論理の比較信号PWMを生成する。すなわち、比較信号PWMの論理は、誤差電圧Verrがスロープ電圧Vslpよりも高ければローレベルとなり、逆に、誤差電圧Verrがスロープ電圧Vslpよりも低ければハイレベルとなる。
なお、上記のスロープ電圧Vslpは、発振器OSCで生成される基準三角波電圧Vosc(三角波或いはランプ波)と、電流検出部CSで生成される検出電圧Vcs(コイル電流ILに応じた電圧信号)とを足し合わせた加算器ADDの出力電圧である。
制御部CTRLは、RSフリップフロップFFのセット入力端(S)に対して、発振器OSCから入力されたセットクロック信号SCLKを出力し、リセット入力端(R)に対して、PWMコンパレータPCMPから入力された比較信号PWMを出力する。
従って、RSフリップフロップFFは、セットクロック信号SCLKの立上がりエッジで、出力信号Qをハイレベル(反転出力信号QBをローレベル)とし、比較信号PWMの立上がりエッジで、出力信号Qをローレベル(反転出力信号QBをハイレベル)とするように動作する。
その結果、セットクロック信号SCLKがハイレベルに立ち上がってから、比較信号PWMがハイレベルに立ち上がるまでの間、トランジスタQ1、Q2のゲート電圧は、ハイレベルに保持される。従って、トランジスタQ1はオン状態とされ、トランジスタQ2はオフ状態とされる。一方、比較信号PWMがハイレベルに立ち上がってから、次にセットクロック信号SCLKが立ち上がるまでの間、トランジスタQ1、Q2のゲート電圧は、ローレベルに保持される。従って、トランジスタQ1はオフ状態とされ、トランジスタQ2はオン状態とされる。
すなわち、DC/DCコンバータ20のオンデューティ(単位期間Tに占めるトランジスタQ1のオン期間Tonの比率)は、セットクロック信号SCLKがハイレベルに立ち上がってから、比較信号PWMがハイレベルに立ち上がるまでの期間に応じて、延いては誤差電圧Verrとスロープ電圧Vslpとの高低に応じて、逐次変動する形となる。
このように、ピークカレントモード制御方式のDC/DCコンバータ20では、出力電圧Voutのモニタ結果だけでなく、トランジスタQ1に流れるコイル電流ILのモニタ結果に基づいて、トランジスタQ1、Q2のオン/オフ制御が行われる。
従って、本実施形態のDC/DCコンバータ20であれば、急峻な負荷変動に誤差電圧Verrが追従できなくても、トランジスタQ1に流れるコイル電流ILのモニタ結果に応じてトランジスタQ1、Q2を直接オン/オフ制御することができるので、出力電圧Voutの変動を効果的に抑えることが可能となる。すなわち、本実施形態のDC/DCコンバータ20であれば、コンデンサ23を大容量化する必要がないので、不要なコストアップやコンデンサ23の大型化を回避することもできる。
また、本実施形態のDC/DCコンバータ20は、単位期間Tに対して後寄せで立ち上げられるリセットクロック信号RCLK(例えばデューティ5[%])を用いて、トランジスタQ1のオン期間Tonに所定の上限値Ton(max)を設定し、DC/DCコンバータ20のデューティ制限(例えば、最大デューティ95[%])を実施する機能(デューティロック機能)を備えている。
具体的に述べると、スイッチング電源IC21において、何らかの理由で比較信号PWMがハイレベルに立ち上がらない場合、制御部CTRLは、リセットクロック信号RCLKを用いて、RSフリップフロップFFを強制的にリセットする。すなわち、RSフリップフロップFFは、セットクロック信号SCLKの立上がりエッジで、出力信号Qをハイレベル(反転出力信号QBをローレベル)とし、リセットクロック信号RCLKの立上がりエッジで、出力信号Qをローレベル(反転出力信号QBをハイレベル)とするように動作する。従って、DC/DCコンバータ20のオンデューティは、リセットクロック信号RCLKに応じた上限値までしか上がらなくなる。
このような構成とすることにより、DC/DCコンバータ20に何らかの異常が生じた場合であっても、そのオンデューティが意図しない過大値まで上昇してしまうことはないので、機器の安全性を高めることが可能となる。
次に、参照電圧生成部REFの構成及び動作について、詳細な説明を行う。
図4は、参照電圧生成部REFの一構成例を示す回路図である。
本図に示すように、参照電圧生成部REFは、コンデンサCaと、抵抗Ra、Rb、Rcと、スイッチSWa、SWbと、を有して成る。
コンデンサCaの一端は、誤差増幅器ERRの非反転入力端(+)に接続されている。コンデンサCaの他端は、接地端に接続されている。スイッチSWa、SWbの一端は、いずれも、誤差増幅器ERRの非反転入力端(+)に接続されている。スイッチSWaの他端は、抵抗Raの一端に接続されている。スイッチSWbの他端は、誤差増幅器ERRの反転入力端(−)に接続されている。抵抗Raの他端は、抵抗Rbを介してバンドギャップ電圧BG(入力電圧依存性や周囲温度依存性を持たない定電圧)の印加端に接続される一方、抵抗Rcを介して接地端にも接続されている。
スイッチSWaは、イネーブル信号ENがハイレベルとされている間、所定のクロック信号に応じてオン/オフ制御される。このとき、コンデンサCaと抵抗Raとから成るCR時定数回路には、スイッチSWaのオン時にのみ、バンドギャップ電圧BGの分圧電圧(抵抗Rbと抵抗Rcとの接続ノードから引き出される電圧)が印加される形となる。一方、イネーブル信号ENがローレベルとされている間、スイッチSWaはオフとされる。
また、スイッチSWbは、イネーブル信号ENがハイレベルとされている間はオフとされ、ローレベルとされている間はオンとされる。
従って、イネーブル信号ENがハイレベルに立ち上げられたとき、誤差増幅器ERRの非反転入力端(+)に印加される参照電圧Vrefは、所定の時定数を持って緩やかに上昇し、帰還電圧Vfbをこれと一致させるように、所定の出力帰還制御が行われる。
図5は、イネーブル信号ENの立ち上がり時における参照電圧Vref(実線)、帰還電圧Vfb(破線)、及び、誤差電圧Verrの挙動を示すタイミングチャートである。
本図に示すように、時刻t1におけるイネーブル信号ENの立上がり後、帰還電圧Vfbは、入力電力の大小に依らず、時刻t2において速やかに参照電圧Vrefと交差し、誤差増幅器ERRは、この状態を維持するように動作する。そのため、時刻t2以降については、後述する誤差電圧Verrのクランプ調整(過電流リミット調整)を要することなく、参照電圧Vrefの緩やかな立上がりに律速される形で、帰還電圧Vfbをオーバーシュートなく、滑らかに立ち上げることが可能となる。
すなわち、本実施形態のDC/DCコンバータ20であれば、ソフトスタート電圧を用いて比較信号PWMのオンデューティを抑制していた従来構成と異なり、帰還電圧Vfbの入力電圧依存性を除くことが可能となる。
なお、図4に示した参照電圧生成部REFでは、スイッチSWaのオン時にのみ、コンデンサCaが充電される。このような構成とすることにより、コンデンサCaの容量値や抵抗Raの抵抗値を増大させることなく、スイッチSWaのオンデューティを下げることで、見かけ上のCR時定数を大きく設定することができるので、チップサイズを縮小することが可能となる。
ここで、スイッチSWaのオン/オフ制御に用いるクロック信号としては、先述したオンデューティ5[%]のリセットクロック信号RCLKを流用すればよい。このような構成とすることにより、別途のクロック信号を新たに設ける必要がなくなるので、回路規模の縮小に貢献することが可能となる。
次に、スイッチSWbによる誤差増幅器ERRの入力短絡動作について、図6を参照しながら詳細に説明する。
図6は、スイッチSWbによる誤差増幅器ERRの入力短絡動作を説明するためのタイミングチャートであり、イネーブル信号EN、参照電圧Vref、及び、帰還電圧Vfbの各電圧波形と、スイッチSWa、SWbの各オン/オフ状態が示されている。
なお、参照電圧Vrefと帰還電圧Vfbは、イネーブル信号ENのハイレベル時には出力帰還制御によって互いに一致され、イネーブル信号ENのローレベル時にはスイッチSWbを介して互いに一致されるため、図6中では、両電圧を一本の実線で示している。
イネーブル信号ENがハイレベルからローレベルに立ち下げられたとき、帰還電圧Vfbは、出力電圧Voutと同様の挙動で低下する。このとき、イネーブル信号ENのオンデューティが大きい場合には、帰還電圧Vfbがローレベルまで落ち切らない間に、次周期のオン期間が到来して、帰還電圧Vfbが再び上昇に転じる形となる。
このような状況が生じ得る中で、仮に、イネーブル信号ENのローレベル遷移に応じて参照電圧Vrefをローレベルに引き落とす構成(コンデンサCaを放電する構成)を採用した場合、イネーブル信号ENのオンデューティが小さく、次周期のオン期間が到来した時点で、図6中の符号(Z1)で示すように、帰還電圧Vfbがローレベルまで落ち切っていれば、参照電圧Vref(破線)と帰還電圧Vfb(実線)は、いずれもローレベルから再上昇するため、特段の問題は生じないが、イネーブル信号ENのオンデューティが大きく、図6中の符号(Z2)で示すように、帰還電圧Vfbがゼロ値まで落ち切らない間に、次周期のオン期間が到来した場合には、参照電圧Vref(破線)よりも帰還電圧Vfb(実線)が高くなり、昇圧動作が行われない状態に陥ってしまう。
そこで、図4に示した参照電圧生成部REFは、イネーブル信号ENのローレベル期間中にスイッチSWbをオンさせることで、参照電圧Vrefと帰還電圧Vfbを一致する構成(言い換えれば、イネーブル信号ENがローレベルから再びハイレベルに復帰されるとき、その時点の帰還電圧Vfbを参照電圧Vrefの初期値として設定し、そこから参照電圧Vrefを所定の時定数で立ち上げる構成)とされている。
このような構成とすることにより、イネーブル信号ENのオンデューティに依ることなく、参照電圧Vrefと帰還電圧Vfbとの乖離を回避し、出力帰還制御を適切に継続することが可能となる。
次に、クランプ部CLの構成及び動作について、詳細な説明を行う。
図7は、クランプ部CLの一構成例を示す回路図である。
本図に示すように、クランプ部CLは、Nチャネル型電界効果トランジスタNA、NBと、Pチャネル型電界効果トランジスタPAと、コンデンサCAと、抵抗RA、RB、RC、RD、RE、RFと、スイッチSWA、SWB、SWCと、バッファBUFと、を有して成る。
抵抗RA、RB、RCは、バイアス電圧(例えば1.2[V])の印加端と接地端との間に図示の順序で直列接続されている。抵抗RAと抵抗RBとの接続ノードは、スイッチSWC及び抵抗RDを介して、バッファBUFの非反転入力端(+)に接続されている。抵抗RBと抵抗RCとの接続ノードは、スイッチSWBを介して、バッファBUFの非反転入力端(+)に接続されている。バッファBUFの出力端は、誤差増幅器ERRの出力端に接続されるとともに、バッファBUFの反転入力端(−)に接続されている。コンデンサCAの一端は、バッファBUFの非反転入力端(+)に接続されている。コンデンサCAの他端は、接地端に接続されている。なお、上記の構成要素により、クランプ電圧設定回路CL1が形成されている。
トランジスタPAのソースは、抵抗RFを介して、入力電圧Vinの印加端に接続されている。トランジスタPAのゲートは、バイアス電圧の印可端に接続されている。トランジスタPAのドレインは、トランジスタNAのドレインに接続されている。トランジスタNAのソースは、接地端に接続されている。トランジスタNA、NBのゲートは、互いに接続されており、その接続ノードはトランジスタNAのドレインに接続されている。トランジスタNBのソースは、接地端に接続されている。トランジスタNBのドレインは、スイッチSWA及び抵抗REを介して、抵抗RBと抵抗RCとの接続ノードに接続されている。なお、上記の構成要素により、入力電圧調整調整回路CL2が形成されている。
図8は、起動時における誤差電圧Verrのクランプ動作を説明するためのタイミングチャートであり、イネーブル信号EN、参照電圧Vref(実線)、帰還電圧Vfb(破線)、誤差電圧Verr(実線)、及び、クランプ電圧Vcl(破線)の各電圧波形と、スイッチSWA、SWB、SWCの各オン/オフ状態が示されている。
時刻t1において、イネーブル信号ENがハイレベルに立ち上げられると、スイッチSWA、SWBがオンとされ、スイッチSWCがオフとされる。このとき、コンデンサCAは、スイッチSWBを介して流れる電流i6(バイアス電圧BIASの印加端から抵抗RA、RBを介して流れる電流i3から、抵抗RE、スイッチSWA、及び、トランジスタNBを介して接地端に流れる電流i2と、抵抗RCを介して接地端に流れる電流i4を差し引いた電流)によって充電される。そして、コンデンサCAの一端から引き出されるクランプ電圧Vclによって、誤差電圧Verrの上限値が設定される。
なお、時刻t1〜時刻t3(参照電圧Vrefが目標値の60[%]に達する時刻)までの初期チャージ期間において、誤差電圧Verrの上限値は、起動時の突入電流を防止すべく、定常時よりも低い値に設定される。
また、上記の電流i2は、トランジスタNA、NBから成るカレントミラー回路によって、入力電圧Vinとバイアス電圧(例えば1.2[V])との差分に応じた電流i1をミラーすることで生成される。すなわち、電流i2は、入力電圧Vinが高いほど大きくなり、入力電圧Vinが低いほど小さくなるように、入力電圧依存性を持って変動する。
従って、入力電圧Vinが高く、電流i2が大きいほど、クランプ電圧Vcl(延いては誤差電圧Verrの上限値)は低くなり、逆に、入力電圧Vinが低く、電流i2が小さいほど、クランプ電圧Vclは高くなる。
このような構成とすることにより、入力電圧Vinが高いときにはコイル電流ILを低減する形となり、入力電圧Vinが低いときにはコイル電流ILを増大する形となる。従って、入力電圧Vinの電圧レベルに依ることなく、入力電力(=入力電圧Vin×コイル電流IL)が一定となるので、コイル電流ILのピーク値を適切に(例えば350[mA]以下に)抑えつつ、出力電圧Vout(延いては帰還電圧Vfb)の立上がりを一定とすることが可能となる。
なお、クランプ電圧Vclを入力電圧Vinに依存して変化させる期間(初期チャージ期間)は、帰還電圧Vfbが参照電圧Vrefに追いつき、出力帰還制御がロック状態となるまで継続すればよく、例えば、参照電圧Vrefが目標値(例えば0.5[V])の60[%](例えば0.3[V])に達するまで継続すればよい。
時刻t3において、参照電圧Vrefが目標値の60[%]に達すると、スイッチSWA、SWBがオフとされ、スイッチSWCが所定のクロック信号によってオン/オフ制御される。このとき、コンデンサCAは、スイッチSWCと抵抗RDを介して流れる電流i5によって充電される。従って、時刻t3以降の期間(RCチャージ期間)においては、クランプ電圧Vclが所定の時定数を持って緩やかに上昇され、延いては、誤差電圧Verrの上限値が緩やかに上昇される。
このように、初期チャージ期間の満了後、誤差電圧Verrの上限値を所定の時定数で緩やかに高めていく構成であれば、コイル電流ILの急上昇を抑制して、出力電圧Vout(延いては帰還電圧Vfb)の立上がり波形を滑らかに維持しつつ、減電状態(入力電力不足)による昇圧不能を回避することが可能となる。
なお、図7に示したクランプ部CLでは、スイッチSWCのオン時にのみ、コンデンサCAが充電される。このような構成とすることにより、コンデンサCAの容量値や抵抗RDの抵抗値を増大させることなく、スイッチSWCのオンデューティを下げることで、見かけ上のCR時定数を大きく設定することができるので、チップサイズを縮小することが可能となる。
ここで、スイッチSWCのオン/オフ制御に用いるクロック信号としては、先述したオンデューティ5[%]のリセットクロック信号RCLKを流用すればよい。このような構成とすることにより、別途のクロック信号を新たに設ける必要がなくなるので、回路規模の縮小に貢献することが可能となる。
次に、スイッチSWによる誤差電圧Verrの前値保持動作について、図9を参照しながら詳細な説明を行う。
図9は、スイッチSWによる誤差電圧Verrの前値保持動作を説明するためのタイミングチャートであり、イネーブル信号EN、誤差電圧Verrの各電圧波形と、スイッチSWのオン/オフ状態が示されている。なお、図9中の誤差電圧Verrに関して、実線は本発明の挙動を示しており、破線は従来の挙動を参考までに示している。
DC/DCコンバータ20の反応時間を短縮するための取り組みとしては、誤差電圧Verrの立ち上がり時間を早くするために、誤差増幅器ERRの出力端に接続される位相補償回路(容量C1、抵抗R2)のCR時定数を小さくすることが考えられるが、この対策では、システム発振を防止するために、コンデンサ23を大容量化しなければならず、大型のコンデンサ23を薄型パネルに載せることは、設置面積の観点から困難であった。
そこで、本実施形態のDC/DCコンバータ20では、誤差電圧Verrの立ち上がりを早くするのではなく、誤差電圧Verrの立ち上がりに必要な変化量を少なくするという観点に立ち、イネーブル信号ENがローレベルとされている間、誤差電圧Verrの前値(イネーブル信号ENがローレベルとされる直前の誤差電圧Verr)を保持することで、DC/DCコンバータ20の応答性向上を図る構成とされている。
具体的には、先出の図2で示したように、誤差増幅器ERRの出力端と位相補償回路との間に、イネーブル信号ENに応じてオン/オフ制御されるスイッチSWを有して成る。
このように、位相補償用のコンデンサC1を誤差電圧Verrの前値保持用にも流用する構成であれば、素子数の増加を招くことなく、図9で示す通り、誤差電圧Verrの変化量(ドロップ量)を低減し、その立ち上げを早めることができるので、出力帰還制御を速やかにロックさせることが可能となる。
図10は、イネーブル信号ENのPWM駆動時における出力電圧Vout、帰還電圧Vfb、コイル電流IL、誤差電圧Verr(実線)、及び、クランプ電圧Vcl(破線)の各挙動を示すタイミングチャートである。
本図に示すように、本実施形態のDC/DCコンバータ20であれば、入力電圧依存性がなく、応答性にも優れた出力帰還制御を実現するとともに、起動時の突入電流を抑制することが可能となる。
図11は、イネーブル信号ENのデューティと帰還電圧Vfbとの相関関係を示す図である。なお、本図中の実線は本発明における帰還電圧Vfbを示しており、破線は従来の帰還電圧(入力電圧Vinが高い場合と低い場合)を参考までに示している。
本図に示すように、従来では、イネーブル信号ENの低デューティ時において、帰還電圧Vfbの入力電圧依存性が大きく、LED電流(=Vfb/R)の電流ムラが生じて、画面がちらついていたが、本実施形態のDC/DCコンバータ20であれば、先述した参照電圧生成部REFによる参照電圧Vrefのソフトスタート機能、クランプ部CLによる誤差電圧Verrの上限値制御機能、並びに、スイッチSWによる誤差電圧Verrの前値保持機能を協働的に用いることにより、イネーブル信号ENの低デューティ時においても、帰還電圧Vfbの変動幅を抑えて、画面のちらつきを低減することが可能となる。
なお、上記の実施形態では、携帯電話端末に搭載され、バッテリの出力電圧を変換して端末各部の駆動電圧を生成するDC/DCコンバータに本発明を適用した場合を例に挙げて説明を行ったが、本発明の適用対象はこれに限定されるものではなく、入力電圧から所望の出力電圧を生成する電源装置、及び、これを備えた電子機器全般に広く適用することが可能である。
また、本発明の構成は、上記実施形態のほか、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記実施形態では、同期整流型の電源装置に本発明を適用した場合を例に挙げて説明を行ったが、本発明の適用対象はこれに限定されるものではなく、同期整流素子として、ダイオードを用いた電源装置にも適用することが可能である。その際には、ダイオードのアノードを出力トランジスタQ1のドレインに接続し、カソードを出力電圧Voutの引出端に接続すればよい。
本発明は、電源装置を搭載する電子機器の応答性向上や消費電力低減を実現する上で有用な技術であり、バッテリ仕様の電子機器など、電源装置を搭載するあらゆる電子機器に好適な技術である。
は、本発明に係る携帯電話端末の一実施形態を示すブロック図である。 は、DC/DCコンバータ20の一構成例を示す回路図である。 は、DC/DCコンバータ20の出力帰還制御を説明するためのタイミングチャートである。 は、参照電圧生成部REFの一構成例を示す回路図である。 は、起動時における参照電圧Vref、帰還電圧Vfb、及び、誤差電圧Verrの挙動を示すタイミングチャートである。 は、スイッチSWbによる誤差増幅器ERRの入力短絡動作を説明するためのタイミングチャートである。 は、クランプ部CLの一構成例を示す回路図である。 は、起動時における誤差電圧Verrのクランプ動作を説明するためのタイミングチャートである。 は、スイッチSWによる誤差電圧Verrの前値保持動作を説明するためのタイミングチャートである。 は、イネーブル信号ENのPWM駆動時における出力電圧Vout、帰還電圧Vfb、コイル電流IL、誤差電圧Verr、及び、クランプ電圧Vclの各挙動を示すタイミングチャートである。 は、イネーブル信号ENのデューティと帰還電圧Vfbとの相関関係を示す図である。 は、ソフトスタートがない場合の従来課題を説明するための図である。
符号の説明
10 バッテリ
20 DC/DCコンバータ(スイッチングレギュレータ)
21 スイッチング電源IC
22 コイル(外付け)
23 コンデンサ(外付け)
24 抵抗(外付け)
Q1 Nチャネル型電界効果トランジスタ(出力トランジスタ)
Q2 Pチャネル型電界効果トランジスタ(同期整流トランジスタ)
C1 コンデンサ
R1、R2 抵抗
DRV1、DRV2 ドライバ
FF RSフリップフロップ
CS 電流検出部
CTRL 制御部
PCMP PWMコンパレータ
OSC 発振器
ADD 加算器
SW スイッチ
CL クランプ部
ERR 誤差増幅器
REF 参照電圧生成部
T1〜T5 外部端子
Ca コンデンサ
Ra、Rb、Rc 抵抗
SWa、SWb スイッチ
CL1 クランプ電圧設定回路
CL2 入力電圧調整調整回路
NA、NB Nチャネル型電界効果トランジスタ
PA Pチャネル型電界効果トランジスタ
CA コンデンサ
RA、RB、RC、RD、RE、RF 抵抗
SWA、SWB、SWC スイッチ
BUF バッファ

Claims (11)

  1. 出力電圧に応じた帰還電圧と所定の参照電圧との差分を増幅して誤差電圧を生成し、これを低減するように、入力電圧から所望の出力電圧を生成する電源装置であって、
    PWM駆動されるイネーブル信号が前記電源装置を動作させるための第1論理レベルとされた後、所定の期間中には、前記誤差電圧の上限値を定常時よりも低い値であって、前記入力電圧が低いほど高く、逆に、前記入力電圧が高いほど低く設定するクランプ部を有して成るものであって、かつ、
    前記参照電圧を生成して出力すると共に、前記イネーブル信号が前記第1論理レベルとされたときに前記参照電圧を所定の目標値まで緩やかに上昇させる参照電圧生成部をさらに有することを特徴とする電源装置。
  2. 前記クランプ部は、前記所定の期間が経過した後、前記誤差電圧の上限値を定常時の値まで緩やかに上昇させることを特徴とする請求項1に記載の電源装置。
  3. 前記参照電圧生成部は、前記イネーブル信号が前記電源装置を停止させるための第2論理レベルとされている間、前記参照電圧と前記帰還電圧を一致させることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の電源装置。
  4. 出力電圧に応じた帰還電圧と所定の参照電圧との差分を増幅して誤差電圧を生成し、これを低減するように、入力電圧から所望の出力電圧を生成する電源装置であって、
    前記電源装置の起動後、所定の期間中には、前記誤差電圧の上限値を定常時よりも低い値であって、前記入力電圧が低いほど高く、逆に、前記入力電圧が高いほど低く設定するクランプ部と、
    前記電源装置の起動後、前記参照電圧を所定の目標値まで緩やかに上昇させる参照電圧生成部と、
    を有して成り、
    前記参照電圧生成部は、前記電源装置が停止されている間、前記参照電圧と前記帰還電圧を一致させることを特徴とする電源装置。
  5. 前記所定の期間は、前記参照電圧が所定の閾値に達するまでの期間であることを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれかに記載の電源装置。
  6. 前記電源装置が停止されている間、直前の誤差電圧を保持する前値保持部を有して成ることを特徴とする請求項1〜請求項5のいずれかに記載の電源装置。
  7. 前記前値保持部は、前記誤差電圧の出力端と位相補償回路との間に接続され、前記電源装置の動作中にオンとされ、停止中にオフとされるスイッチであることを特徴とする請求項6に記載の電源装置。
  8. そのオン/オフ制御に応じて前記入力電圧から前記出力電圧を生成する出力トランジスタと;前記帰還電圧と前記参照電圧との差分を増幅することで、前記誤差電圧を生成する誤差増幅器と;前記誤差電圧と所定のスロープ電圧とを比較することで、その比較結果に応じたデューティの比較信号を生成するPWMコンパレータと;前記比較信号を用いて前記出力トランジスタのオン/オフ制御を行う制御部と;を有して成ることを特徴とする請求項1〜請求項7のいずれかに記載の電源装置。
  9. 一端が前記入力電圧の印加端に接続され、他端が前記出力トランジスタの一端に接続されるコイルと;一端が前記出力トランジスタの一端に接続され、他端が前記出力電圧の引出端に接続される同期整流素子と;一端が前記出力電圧の引出端に接続され、他端が基準電圧の印加端に接続されるコンデンサと;を有して成り、前記入力電圧を昇圧して前記出力電圧を生成することを特徴とする請求項8に記載の電源装置。
  10. 機器の電源であるバッテリと、前記バッテリからの入力電圧を所望の出力電圧に変換する電源装置と、前記出力電圧を用いて駆動する負荷と、を有して成る電子機器であって、前記電源装置として、請求項1〜請求項9のいずれかに記載の電源装置を備えて成ることを特徴とする電子機器。
  11. 前記負荷は、発光ダイオード或いは発光ダイオード列であることを特徴とする請求項10に記載の電子機器。
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