(57)【要約】【課題】電磁変換方式の電源装置において、システム構成を変えることなく、常に損失の少ない高効率の状態で動作できるようにする。【解決手段】ＭＯＳＦＥＴからなる複数個のスイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ１４を並列に接続し、各スイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ１４を負荷電流に応じて最適効率になるようにそれぞれ独立に制御する。具体的には、スイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ１４のそれぞれに対するゲート駆動信号の入力の有無を切り替えるＯＮ／ＯＦＦ切り替え部５１を設け、スイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ１４への入力を帰還させた帰還電流に応じて、スイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ１４を最適効率になるように選択的にオン、オフさせる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
スイッチング素子のオン、オフにより発生した脈流を整流して負荷に供給する電磁変換方式の電源装置において、
前記スイッチング素子を複数個並列に接続し、
複数個の前記スイッチング素子を負荷電流に応じて最適効率になるようにそれぞれ独立に制御する駆動制御回路を設けたことを特徴とする電源装置。
【請求項２】
前記駆動制御回路は、前記各スイッチング素子を、前記負荷電流に応じて最適効率になるように選択的にオン、オフさせることを特徴とする請求項１記載の電源装置。
【請求項３】
前記各スイッチング素子のドレイン端子に入力される入力電流の帰還電流に応じて前記各スイッチング素子のゲート駆動信号を出力する駆動信号出力回路を有し、
前記駆動制御回路は、前記スイッチング素子のそれぞれに対する前記ゲート駆動信号の入力の有無を、前記負荷電流として前記帰還電流に応じて最適効率になるように制御することを特徴とする請求項２記載の電源装置。
【請求項４】
前記駆動制御回路は、前記各スイッチング素子のゲート電圧を、前記負荷電流に応じて最適効率になるようにそれぞれ独立に制御することを特徴とする請求項１記載の電源装置。
【請求項５】
前記各スイッチング素子のドレイン端子に入力される入力電流の帰還電流に応じて前記各スイッチング素子のゲート駆動信号を出力する駆動信号出力回路を有し、
前記駆動制御回路は、前記負荷電流として前記帰還電流に応じて前記各スイッチング素子のゲート電圧を最適効率になるように制御することを特徴とする請求項４記載の電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＤＣ−ＤＣコンバータなどスイッチング素子を用いた電磁変換方式の電源装置に関し、特に損失を最小限に抑えた電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラなどの電源を使用するシステムでは、システムの動作モードにより電源の出力負荷が異なるため、ＤＣ−ＤＣコンバータなどスイッチング素子を用いた電磁変換方式の電源装置が用いられている。
【０００３】
図６は、このような一般的な電磁変換方式の電源装置の構成例を示す回路図である。
この電源装置は電流帰還型のステップダウンコンバータ（ＤＣ−ＤＣコンバータ）として構成され、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor-Field Effect Transistor）のスイッチング素子Ｑ１をＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御し、これにより得られた脈流をコイルＬ１及びコンデンサＣ１、抵抗Ｒ１で平滑して一定の出力電圧Ｖｏを負荷に供給するものである。
【０００４】
図６のブロック１０１では、出力電圧Ｖｏが抵抗Ｒ１１と抵抗Ｒ１２で分圧され、その分圧された電圧が出力の検出電圧としてコンパレータＣＰ１により基準電圧Ｖｒｅｆと比較される。ブロック１０２では、入力電圧Ｖｉｎが印加されたスイッチング素子Ｑ１に流れる電流が帰還され、抵抗Ｒ１３により電圧信号に変換されて、その電圧信号がコンパレータＣＰ１から出力されたＶＦＢ（Voltage Feed Back）信号とコンパレータＣＰ２により比較され、コンパレータＣＰ２からＰＷＭ信号が出力される。ブロック１０３では、コンパレータＣＰ２からのＰＷＭ信号がＲＳフリップフロップＦＦ１に入力され、このＲＳフリップフロップＦＦ１を通してスイッチング素子Ｑ１がＰＷＭ制御される。このとき、ＲＳフリップフロップＦＦ１はＲ（リセット）端子にＯＮ信号が入力されたときのみ、Ｓ端子に入力されるコンパレータＣＰ２からのＰＷＭ信号を出力する。
【０００５】
以上の制御により、負荷に必要な電圧が電磁変換によって一定の出力電圧Ｖｏとして出力される。この電流帰還型のステップダウンコンバータのスイッチング駆動方式は多種存在するが、ここでは例としてＰＷＭ信号を用いた方式を挙げている。他にはＰＦＭ（Pulse Frequency Modulation）信号を用いる方式などが挙げられる。
【０００６】
図７は、上記の電源装置における効率を示す図であり、負荷電流（Iload）[Ａ]と効率（η）[％]の関係を示している。
ＤＣ−ＤＣコンバータの電磁変換効率は以下の式（１）〜（３）により計算され、これらの式をもとに描いた効率グラフが図７である。
入力電力＝出力電力＋損失電力                                          ……（１）
損失電力＝Ｒｏｎ（オン抵抗）損失＋コイル損失（ＤＣ損失，ＡＣ損失）＋ＦＥＴ（ゲート損失，ＳＷ損失，同期整流損失）                                      ……（２）
効率＝出力／入力                                                      ……（３）
図７の効率グラフは、例として効率の最大ポイントが０．４Ａの負荷電流を求められたときになることを示しており、これより負荷電流が大きいときや小さいときには効率が下がってしまう。これは、出力側の負荷変動によって電流値が変化して、損失電力が増加するためである。このため、最大効率ポイントをどこにするかをシステムの状態に合わせて設計している。
【０００７】
このように、電磁変換方式の電源装置では、システムの動作モードに応じて種々の電圧を取り出すことができるが、電磁変換を行っているために損失が生まれる。この損失は、負荷やインピーダンス値、駆動回路部などの様々な条件によって変動する。また、システムでは一番使われるポイントのもとで最大効率になるように設定しているが、上記のように出力負荷変動などの要因で効率が大きく変わってしまうことがある。
【０００８】
デジタルスチルカメラを例に挙げると、撮影待機状態（液晶パネルはオン状態）であるカメラモードを一番使われるポイントとして最大効率になるように設定すると、動画モードでは出力負荷が大きいときと小さいときのどちらにおいても最大効率のポイントにはならない。さらに、静止画再生モードにおいては通常、カメラモードに比べてより使用電力が変動する。このため、動画モードや静止画再生モードでは、電磁変換による損失が増大してバッテリの耐久性が減少することになる。しかし、このような状況は、システムで一番使われるポイントをどこにするかによって大きく変わるので、システムで一番使われるポイントを考察して定義することが重要であるが、そのポイントを見つけることは時間がかかり、困難である。
【０００９】
なお、このような負荷条件に応じた効率改善の例として、一定期間中の負荷条件を監視し、その中で最も頻度の高い負荷条件で電源効率が最大となるように出力特性を調整するようにした電源装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この電源装置は、最も頻度の高い最頻負荷条件を判別し、その最頻負荷条件と最大定格とから負荷率を算出し、この負荷率で最大効率となる出力特性に合わせて出力部の構成要素を変更するもので、出力部の構成要素としては、回路方式、補助電源方式、共振条件を決定している各種定数、トランス、コイルの巻数及びインダクタンスなどがある。
【特許文献１】特開２００６−６０９５３号公報（段落番号〔００１２〕〜〔００１８〕、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上述したように、デジタルスチルカメラなどの電子機器では、種々の動作モードなどに応じて最大効率のポイントが変化するので、そのポイントを考察してシステムを設計する必要があったが、そのポイントを定義するのは困難であり、常に高効率の状態で使用できないことが問題となっていた。また、特許文献１に開示された技術のように、一定期間中の負荷条件を監視し、その中で最も頻度の高い最頻負荷条件を判別する場合には、その負荷条件を判別するための煩雑な構成が必要となってしまう。
【００１１】
本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、システム構成を変えることなく、常に損失の少ない高効率の状態で動作させることが可能な電源装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明では上記課題を解決するために、スイッチング素子のオン、オフにより発生した脈流を整流して負荷に供給する電磁変換方式の電源装置において、前記スイッチング素子を複数個並列に接続し、複数個の前記スイッチング素子を負荷電流に応じて最適効率になるようにそれぞれ独立に制御する駆動制御回路を設けたことを特徴とする電源装置が提供される。
【００１３】
このような電源装置によれば、複数個並列に接続したスイッチング素子を負荷電流に応じて最適効率になるようにそれぞれ独立に制御するので、負荷の状態に応じて効率のポイントが自動的に変化するようになる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の電源装置によれば、複数個並列に接続したスイッチング素子を負荷電流に応じて最適効率になるようにそれぞれ独立に制御するので、最適効率になる動作状態を事前に定義することなく、またシステム構成を変えることなく、常に損失の少ない高効率の状態で使用することができ、消費電力を低減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る電源装置を使用するシステムの構成を示すブロック図である。
【００１６】
本システムは、デジタルスチルカメラもしくはデジタルビデオカメラとして構成され、パワースイッチ１１，１２を有する入力部１と、サブ・マイクロコンピュータ（サブマイコン）２１及びメイン・マイクロコンピュータ（メインマイコン）２２を有するシステム制御部２と、画像記録再生部３１、及びＬＣＤ（Liquid Crystal Display）を用いた表示部３２を有するシステム部３と、電池（バッテリ）で駆動する電磁変換方式のＤＣ−ＤＣコンバータ４１を有する電源供給部４とから構成されている。
【００１７】
なお、システム制御部２のサブマイコン２１には、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）を用いることもできる。また、システム部３として、ここでは画像記録再生部３１と表示部３２が設けられている例を示している。画像記録再生部３１は、画像の撮像や、撮像により得られた画像データの記録媒体への記録、撮像中の画像や記録された画像を再生したときの表示部３２への表示データの生成などの処理を行うブロックである。
【００１８】
このシステムにおいて、電源供給部４に電池が挿入されると、ＤＣ−ＤＣコンバータ４１に電源が入り、システム制御部２のサブマイコン２１に電源が供給される。これにより、入力部１のパワースイッチ１１，１２を受け付けることができる状態となる。そして、ユーザによってパワースイッチ１１，１２が押されると、そのパワースイッチ１１，１２からの入力信号がサブマイコン２１に伝達される。このパワースイッチ１１，１２は電源を起動させるトリガとなるもので、システムにより１個から複数個設けられるが、ここでは２個の場合を示している。
【００１９】
パワースイッチ１１，１２からの入力信号を受けたサブマイコン２１は、システムの各部に電源を供給するようＤＣ−ＤＣコンバータ４１に信号を送る。ＤＣ−ＤＣコンバータ４１はこの信号を受けると、システム全体に電源を供給し始める。そして、システム全体に電源が行きわたるとそれぞれのデバイスが動作可能となり、サブマイコン２１とメインマイコン２２との間、メインマイコン２２から画像記録再生部３１及び表示部３２に対して信号の伝達を行うことができる。
【００２０】
図２は、本発明の第１の実施の形態に係る電源装置の構成を示すブロック図であり、図１のＤＣ−ＤＣコンバータ４１の内部構成を示している。
この電源装置は、図６に示すものと同様、電流帰還型のステップダウンコンバータであり、図６と同一符号は同一構成要素を示している。すなわち、ＭＯＳＦＥＴのスイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ１４をＰＷＭ制御し、これにより得られた脈流をコイルＬ１及びコンデンサＣ１、抵抗Ｒ１で平滑して一定の出力電圧Ｖｏを負荷に供給するものである。ただし、図６の電源装置との違いは、最終段のブロックにおいて、ＭＯＳＦＥＴを使用したスイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ１４を複数個（この例では４個）並列に接続したことであり、これに伴ってそれぞれのＲＳフリップフロップＦＦ１１〜ＦＦ１４も４個設けられている。
【００２１】
この電源装置において、出力電圧Ｖｏは抵抗Ｒ１１と抵抗Ｒ１２で分圧され、その分圧された電圧が出力の検出電圧としてコンパレータＣＰ１により基準電圧Ｖｒｅｆと比較される。また、コンパレータＣＰ２の一方の端子側には、入力電圧Ｖｉｎが印加されたスイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ１４のドレイン端子側に流れる電流が帰還され、抵抗Ｒ１３により電圧信号に変換されて、その電圧信号がコンパレータＣＰ１から出力されたＶＦＢ信号とコンパレータＣＰ２により比較される。これにより、コンパレータＣＰ２からは駆動制御信号としてＰＷＭ信号が出力される。コンパレータＣＰ２からのＰＷＭ信号はＲＳフリップフロップＦＦ１１〜ＦＦ１４に入力され、このＲＳフリップフロップＦＦ１１〜ＦＦ１４を通してスイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ１４がＰＷＭ制御される。このとき、ＲＳフリップフロップＦＦ１１〜ＦＦ１４はそれぞれ、Ｒ端子にＯＮ信号が入力されたときのみ、Ｓ端子に入力されるコンパレータＣＰ２からのＰＷＭ信号を出力する。
【００２２】
ここで、ＲＳフリップフロップＦＦ１１〜ＦＦ１４は、ＯＮ／ＯＦＦ切り替え部５１からのＯＮ信号によって切り替えられる。また、この電源装置には、図１のサブマイコン２１との間で通信を行う送信部６１及び受信部６２と、サブマイコン２１からのデータを解析してＯＮ／ＯＦＦ切り替え部５１に切り替え信号を送るデータ解析部７１と、スイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ１４に流れる電流値を解析してそのデータをサブマイコン２１に送るための電流値解析部８１が設けられている。
【００２３】
上記のように構成された電源装置においては、最終段のスイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ１４を負荷電流に応じて最適効率になるように選択的に切り替える（オン、オフさせる）ことにより、最大効率のポイントを可変させることができる。また、電流帰還によりスイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ１４に流れる電流値が検出できることから、その電流値をもとに最適な最大効率のポイントを見つけることができる。このため、負荷電流に応じて常に最適なポイントに効率を設定することができる。
【００２４】
すなわち、出力側の負荷によって必要とされる電流は、フィードバック系を通して電流値解析部８１に電圧信号として送られる。このとき、図に示す例では電流を電圧に変換してデータを送っているが、周波数に変換して送ることもでき、データ転送の方式は種々考えられる。電流値解析部８１は、受信したデータから負荷に流れていた電流量を解析する。この例では、電圧信号として受信しているため、電流値解析部８１は図示しないＡ／Ｄコンバータで解析結果をデジタルデータに変換する。もし、周波数信号で送られてきた場合は、カウンタを用いてデジタルデータに変換することができる。そして、デジタルデータに変換されたデータは、送信部６１に転送される。
【００２５】
送信部６１に転送されてきたデータは、シリアル通信でサブマイコン２１に送信される。ここでは例として双方型のシリアル通信を採用しているが、この伝達方式としてはシリアル通信の他にパラレル通信もあり、その場合はシステムに合わせてペリフェラルデバイスを埋め込むことで実現できる。そして、上記のシリアル通信で送られてきたデータにより、サブマイコン２１は最適な効率のポイントを演算することができ、その演算結果によってスイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ１４の駆動チャネル数をいくつにすればよいかを判断できる。この演算結果のデータは、サブマイコン２１からＤＣ−ＤＣコンバータ側の受信部６２に送られる。なお、この演算は前述の効率計算の式（１）から求めることができる。
【００２６】
上記受信部６２に送られてきたデータは、データ解析部７１に送られ、ここでＯＮ／ＯＦＦ切り替え部５１のシステムに応じたデータに変換される。ＯＮ／ＯＦＦ切り替え部５１は、データ解析部７１から送られてきたデータに基づき、スイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ１４を駆動するためのＯＮ／ＯＦＦ制御を決めるＲＳフリップフロップＦＦ１１〜ＦＦ１４のＲ端子を有効にするか否かの信号を決定する。これにより、駆動するスイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ１４の個数を可変にすることができる。
【００２７】
図３は、第１の実施の形態に係る電源装置における効率を示す図であり、スイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ１４の制御数を変化させたときのそれぞれの負荷電流と効率との関係を示している。
【００２８】
ここでは、スイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ１４の個数を４個とした場合について示しているが、この個数はシステムによりいくつでも可能であり、可変する数も分解能力に応じて、システムに合った数を選択すればよい。図の実線は４個（Full）のスイッチング素子を制御したとき、細かい破線は２個（１／２）のスイッチング素子を制御したとき、粗い破線は１個（１／４）のスイッチング素子を制御したときをそれぞれ示している。図に示すように、最大効率のポイントを負荷状況に合わせて変化させることができる。つまり、負荷電流に応じてスイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ１４の制御個数を変化させることで、常に効率を最適値（ＭＡＸ）にすることができる。
【００２９】
例えば、負荷電流が０．４Ａになっているときはスイッチング素子を４個使用し、負荷電流が０．２Ａになっているときはスイッチング素子を２個使用する。また、負荷電流が０．１Ａになっているときはスイッチング素子を１個使用する。このスイッチング素子の使用個数は上記のようにシステムに合った数を選ぶことができ、また分解能は細かいほどシステムの動的な負荷電流に細かに対応することができ、常に最大効率のポイントにスイッチング素子の動作状態を設定することができる。
【００３０】
このように、第１の実施の形態では、従来のようにシステムの変更（デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラの種類）によって最大効率になるようにチューニングを行い、一番使われるポイントを考察して定義する必要がなくなり、さらに、システム全体で常に最大効率のポイントで使用することができ、消費電力の低減やバッテリの耐久性の向上が図られる。
【００３１】
すなわち、従来ではシステムで一番使われるポイントのもとで最大効率になるようにチューニングしており、例えばカメラの画質設定をファイン、液晶モニタをＯＮにした状態で静止画撮影を待機している時間（カメラモード）があり、この時間が最大効率になるようにチューニングしている。これに対して、動画モードにおいて動画撮影を行ったときは、エンコードや記録制御用のシステムのＬＳＩ（Large Scale Integration）などが動作するため、消費電力が増加する。あるいは、静止画再生モードにおいては再生機能分だけＬＳＩが動作すればよいので、消費電力は減少する。これらのモード（状態）変化は、ＬＣＤパネルのバックライトがＯＮ／ＯＦＦされたとき、ストロボ発光やストロボ充電しているときなど、他にも多数存在する。そして、第１の実施の形態ではこれらのいずれのモードにおいても最大効率になるように制御することができる。
【００３２】
次に、図４は、本発明の第２の実施の形態に係る電源装置の要部を示すブロック図である。この図４では、図２に対応する構成には同じ符号を付して示しており、それらの説明は省略する（後の図５も同様）。
【００３３】
第２の実施の形態では、第１の実施の形態のように使用するスイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ１４の個数を変えるのではなく（すなわちＦＥＴ駆動部をＯＮ／ＯＦＦ制御するのではなく）、各スイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ１４のゲート電圧を負荷電流に応じて最適効率になるようにそれぞれ独立に制御する。そのため、各々のＲＳフリップフロップＦＦ１１〜ＦＦ１４とスイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ１４のゲート端子との間にレベルシフタＬＳ１１〜ＬＳ１４を挿入している。
【００３４】
図５は、第２の実施の形態に係る電源装置の詳細な構成を示すブロック図である。
この図５に示すように、第２の実施の形態では、図２のＯＮ／ＯＦＦ切り替え部５１の代わりに、出力電流に応じて各レベルシフタＬＳ１１〜ＬＳ１４の出力電圧を制御するＶｔｈ制御部９１を設けている。サブマイコン２１は、スイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ１４への入力を帰還した帰還電流の大きさに基づき、最適効率になるようなスイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ１４のゲート電圧を制御するための制御データを演算する。その演算結果は受信部６２を介してデータ解析部７１に送信され、Ｖｔｈ制御部９１のシステムに応じた制御データに変換される。
【００３５】
Ｖｔｈ制御部９１は、データ解析部７１からの制御データに応じて、レベルシフタＬＳ１１〜ＬＳ１４の出力電圧を制御する。この制御により、レベルシフタＬＳ１１〜ＬＳ１４は、ＲＳフリップフロップＦＦ１１〜ＦＦ１４から出力されるＰＷＭ信号の電圧レベルを変化させる。なお、サブマイコン２１で演算される制御データでは、レベルシフタＬＳ１１〜ＬＳ１４の出力電圧を一様に変化させるようにしてもよいし、レベルシフタＬＳ１１〜ＬＳ１４のそれぞれの出力電圧を個別に変化させるようにしてもよい。
【００３６】
このような動作により、スイッチング素子のゲート電圧が変化し、それに伴って動作効率の特性が変化する。すなわち、負荷の状態を自動的に検出して、その検出状態に応じて常に最大効率になるようにスイッチング素子の動作設定がチューニングされる。この第２の実施の形態の効率グラフは図３と同様であるので省略するが、第２の実施の形態においてもシステムで一番使われる最大効率のポイントを考察して定義する必要がなく、ＤＣ／ＤＣコンバータを常に損失の少ない高効率の状態で使用することができ、消費電力が低減し、バッテリの耐久性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の実施の形態に係る電源装置を使用するシステムの構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る電源装置の構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係る電源装置における効率を示す図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係る電源装置の要部を示すブロック図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態に係る電源装置の詳細な構成を示すブロック図である。
【図６】一般的な電磁変換方式の電源装置の構成例を示す回路図である。
【図７】図６の電源装置における効率を示す図である。
【符号の説明】
【００３８】
１……入力部、２……システム制御部、３……システム部、４……電源供給部、１１，１２……パワースイッチ、２１……サブ・マイクロコンピュータ（サブマイコン）、２２……メイン・マイクロコンピュータ（メインマイコン）、３１……画像記録再生部、３２……表示部、４１……ＤＣ−ＤＣコンバータ、５１……ＯＮ／ＯＦＦ切り替え部、６１……送信部、６２……受信部、７１……データ解析部、８１……電流値解析部、９１……Ｖｔｈ制御部、Ｃ１……コンデンサ、ＦＦ１，ＦＦ１１〜ＦＦ１４……ＲＳフリップフロップ、ＣＰ１，ＣＰ２……コンパレータ、Ｌ１……コイル、ＬＳ１１〜ＬＳ１４……レベルシフタ、Ｑ１，Ｑ１１〜Ｑ１４……スイッチング素子、Ｒ１，Ｒ１１〜Ｒ１３……抵抗
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2007325446.tif 000007
【図６】
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【図７】
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