JP4355237B2 - 突入電流を抑止可能な電源回路 - Google Patents

Description

本発明は、電源回路の制御に関し、特に、電源回路に含まれる昇圧回路にて生じる突入電流の制御に関する。

電子機器の中には、電源回路が、共通の電源からの電圧を昇圧、降圧して異なる大きさの電圧とする複数の変圧回路から構成されるものがある。

また、電子機器の起動時に生じる突入電流を小さくし、電子機器を保護する方法が知られている。例えば、電子機器の起動時に電圧を徐々に印加することにより、突入電流が電子機器に流入することが防止される（特許文献１参照）。
実開平５−６９９６４号公報（段落［０００６］）

複数の変圧回路からなる電源回路の場合、１つの変圧回路において突入電流が生じると、他の変圧回路が影響を受ける。すなわち、各変圧回路が供給する電圧が、一時的に低下する。特に、電源電圧を降圧して低い電圧をマイコンなどの負荷に供給する降圧回路においては、供給する電圧に対して低下する割合が大きいために、マイコンなどの負荷の動作に深刻な影響を与える可能性がある。

また、大きな突入電流の発生を防止するために、起動時に電圧を徐々に印加すると、突入電流抑制のための回路が必要となり、電子機器の機構が複雑になる。さらに、起動に時間がかかるために、電子機器の操作性が低下する。

本発明は、共通の電源から、異なる大きさの電圧をそれぞれ発生させる複数の変圧回路から成る電源回路であって、簡単な構成で、電子機器の操作性を維持しつつ、突入電流の影響を回避する電源回路を提供することを目的とする。

本発明の電源回路は、直流電源と接続可能であり、電子機器の作動中に断続的に起動する第１の昇圧回路と、常時起動している第２の昇圧回路とを備えた電子機器の電源回路である。第１の昇圧回路は、直流電源から供給された供給電圧を、トランスを用いて第１の電圧に昇圧する昇圧回路であり、トランスの二次側の電圧を検知してトランスの二次側の電圧に応じてトランスの一次側に流れる電流量を調整する制御手段を備える。第２の昇圧回路は、直流電源から供給された供給電圧を、第１の電圧よりも小さい第２の電圧に昇圧する昇圧回路であって、第２の電圧をトランスの二次側に供給可能である。そして、制御手段が、第１の昇圧回路の起動時には、第２の昇圧回路によって供給される第２の電圧を検知することにより、トランスの一次側に流れる電流量を抑制し、第１の昇圧回路の起動時に生じる突入電流を抑制する。

第１の昇圧回路は、トランスに流れる電流を平滑化する平滑化手段をさらに有し、制御手段は、トランスの二次側の電圧を検知するスイッチングレギュレータとトランジスタとを有することが好ましい。そして、スイッチングレギュレータは、トランスの二次側の電圧が高いほど、トランジスタへの駆動信号のデューティ比を下げて、トランジスタのオン時間を短縮し、トランスの一次側に流れる電流量を抑制することが望ましい。

平滑化手段は、平滑コンデンサを有することが好ましく、第１の昇圧回路は、平滑コンデンサに流れる電流を抑制するための抵抗をさらに有することが望ましい。なお、抵抗の大きさは、例えば０．５（Ω）以上で１．５（Ω）以下の範囲内にある。

平滑化手段は、直流電源に接続された平滑化コイルと、トランスに接続された平滑コンデンサとを有することが好ましい。制御手段は、第１の整流素子と第１のコンデンサとの間に電気的に接続され、トランスの二次側の電圧を検知する第１のスイッチングレギュレータと、トランスの二次側の電圧に基づいて第１のスイッチングレギュレータがオン時間を調整する第１のトランジスタとを有することが望ましい。そして第１の昇圧回路は、例えば、トランスの二次側の巻線に接続された第１の整流素子と、第１の整流素子に接続された第１のコンデンサと、第１の整流素子と第１のコンデンサとの間に第１のコンデンサと並列に接続され、第２の昇圧回路が第２の電圧を第１の昇圧回路に供給するための第２の整流素子を備える。

第２の昇圧回路は、例えば、直流電源に接続され、供給電圧を昇圧するコイルと、コイルに接続された第３の整流素子と、コイルに、第３の整流素子と並列になるように接続された第２のトランジスタと、第２のトランジスタに接続された第２のスイッチングレギュレータと、第３の整流素子に接続された第２のコンデンサと、第３の整流素子に、第２のコンデンサと並列に接続された負荷とを備える。そして、第２のスイッチングレギュレータが、第２のコンデンサと負荷との間に電気的に接続されていて、第２のコンデンサの電圧を検知し、第２のコンデンサの電圧が低いほど、第２のスイッチングレギュレータが第２のトランジスタへの出力電圧のデューティ比を上げて、第２のトランジスタのオン時間を延長してコイルに流れる電流の量を増加することにより、供給電圧を第２の電圧に昇圧して負荷に供給すると共に、トランスの二次側に第２の電圧を供給することが好ましい。

本発明の突入電流制限回路は、直流電源と接続可能であって、電子機器の作動中に断続的に起動し、直流電源からの供給電圧を第１の電圧に昇圧する昇圧回路と、供給電圧よりも高く、第１の電圧よりも低い第２の電圧を昇圧回路に供給する電圧供給源とを備える。そして、昇圧回路は、直流電源から供給された供給電圧を、トランスを用いて所定の電圧に昇圧する昇圧手段と、トランスの二次側の電圧を検知して、検知したトランスの二次側電圧に応じてトランスの一次側に流れる電流量を調整する制御手段とを備える。電圧供給源は、整流素子を介してトランスの二次側に接続されており、制御手段は、昇圧回路の起動時に第２の電圧を検知するように構成されている。

本発明によれば、電子機器の操作性を維持しつつ、特別な機構なしに突入電流の影響を回避する電源回路を提供できる。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。図１は、本実施形態の電源回路を示す回路図である。

電源回路１０は、デジタルカメラ（図示せず）に内蔵されており、撮像素子用電源回路２０、モータ駆動電源回路５０、およびマイコン用電源回路６０を備える。直流電源１２は、デジタルカメラの電池室（図示せず）に充填されると、撮像素子用電源回路２０、モータ駆動電源回路５０、およびマイコン用電源回路６０とそれぞれ電気的に接続され、１．８（Ｖ）の電圧を各回路に供給する電池である。撮像素子用電源回路２０、モータ駆動電源回路５０、およびマイコン用電源回路６０は、直流電源１２から供給される電圧を、それぞれ所定の電圧に変圧し、各負荷に供給する。すなわち、撮像素子用電源回路２０は１２（Ｖ）と−８（Ｖ）、モータ駆動電源回路５０は５（Ｖ）、そしてマイコン用電源回路６０は１（Ｖ）の電圧を、撮像素子の入力端子２２、２４、レンズなどを駆動するモータなどのアクチュエータ５２、マイコン６２等に、それぞれ供給する。

撮像素子用電源回路２０は、デジタルカメラの作動時に常に作動しておらず、撮影動作、再生動作時など、撮像素子へ電源供給が必要な時にのみ作動する。すなわち、撮像素子用電源回路２０は、ＣＰＵ（図示せず）からの制御信号に基づいて断続的に作動する。スイッチ２６がオンになることにより撮像素子用電源回路２０が起動すると、第１トランジスタ４４はオン状態になり、第１トランジスタ４４にコレクタ電流が流れ、トランス３６の一次側に電流が流れる。

撮像素子用電源回路２０の作動時に、直流電源１２からトランス３６へ供給される電圧は、平滑化コイル３０および平滑コンデンサ３４によって平滑化される。そして、直流電源１２から流れる電流によってトランス３６の一次側巻線に電流が流れると、トランス３６の二次側において一次側より大きい電圧、電流が発生する。トランス３６の二次側で生じた電流は、第１ダイオード３８に流れる。第１ダイオード３８は、そのアノード側がトランス３６の二次側巻線に接続されていて、第１ダイオード３８を通過した電流により、第１コンデンサ４０が充電される。その結果、トランス３６の二次側で生じた電圧はさらに昇圧され、撮像素子入力端子２２に供給される。

一方、第２ダイオード４２は、そのカソード側がトランス３６の二次側巻線に接続されている。電流が第２ダイオード４２を介してトランス３６に流れ、撮像素子出力端子２４の電圧は、ＧＮＤ４６を基準として負の電圧になる。

第１コンデンサ４０の電圧は、第１節点３９から、第１スイッチングレギュレータ２８のフィードバック端子ＦＢによって検知される。第１スイッチングレギュレータ２８は、第１コンデンサ４０の電圧に応じて、第１トランジスタ４４のオン・オフ時間を調整する。すなわち、第１スイッチングレギュレータ２８は、フィードバック端子ＦＢが検出した電圧が低いほど、出力電圧のデューティ比を高め、第１トランジスタ４４に供給する単位時間当たりのベース電流を大きくして第１トランジスタ４４のオン時間を長くする。

第１トランジスタ４４のオン時間が長いほど、トランス３６の二次側の昇圧電圧は大きくなる。以上のことから、第１コンデンサ４０の電圧が低いほど、トランス３６の二次側における昇圧が大きくなり、第１コンデンサ４０の電圧が高いとトランス３６の二次側における昇圧が抑制される。その結果、第１コンデンサ４０の電圧、および第２コンデンサ４８の電圧は、それぞれ安定する。すなわち、撮像素子入力端子２２に供給される電圧は、ＧＮＤ４６に対して１２（Ｖ）、撮像素子出力端子２４の電圧は、ＧＮＤ４６に対して−８（Ｖ）でそれぞれ一定となる。

モータ駆動電源回路５０は、デジタルカメラの作動時に常に作動しており、アクチュエータ５２等に対して電圧を供給する。アクチュエータ５２への供給電圧は、直流電源１２から供給される１．８（Ｖ）よりも高いことが必要であるため、モータ駆動電源回路５０は、昇圧回路として機能する。

第２スイッチングレギュレータ５１がベース電流を流し、第２トランジスタ５５がオン状態になると、直流電源１２からの電流は、第１コイル５４を介して第２ＧＮＤ５９に流れ、第１コイル５４には磁気エネルギーが蓄えられる。そして、第２スイッチングレギュレータ５１がベース電流の供給を停止し、第２トランジスタ５５がオフ状態になると、直流電源１２からの電流は、第４ダイオード５６を介して、第３コンデンサ５８、アクチュエータ５２に流れる。この時、第１コイル５４に蓄えられた磁気エネルギーによって、第４ダイオード５６を通って第３コンデンサ５８に電荷が蓄積され、第３コンデンサ５８が充電される。

第３コンデンサ５８の電圧は、第３節点５３から、第２スイッチングレギュレータ５１のフィードバック端子ＦＢによって検知される。第２スイッチングレギュレータ５１は、第１スイッチングレギュレータ２８と同様に、フィードバック端子ＦＢが検知した電圧に応じて、第２トランジスタ５５のオン時間を調整する。すなわち、第２スイッチングレギュレータ５１は、第３コンデンサ５８の電圧が低いほど、出力電圧のデューティ比を高め、第２トランジスタ５５のオン時間が長くなる。このため、第３コンデンサ５８の電圧が低いほど第１コイル５４による昇圧が大きくなり、第３コンデンサ５８の電圧が高いほど第１コイル５４による昇圧が抑制される。その結果、第３コンデンサ５８の電圧は一定になり、本実施形態においてはこの電圧が５（Ｖ）になるように設計されている。

アクチュエータ５２に供給される５（Ｖ）の電圧は、第３節点５７、および第３ダイオード４３を介して、撮像素子用電源回路２０の第１コンデンサ４０に供給される。モータ駆動電源回路５０は、撮像素子用電源回路２０と異なり、デジタルカメラの作動時には常に作動している。このため、モータ駆動電源回路５０からの５（Ｖ）電圧は、撮像素子用電源回路２０の起動前に第１コンデンサ４０供給される。

マイコン用電源回路６０は、デジタルカメラの作動時に常にオン状態であり、電圧をマイコン６２等に供給する。マイコン６２に供給する電圧は、電源１２から供給される１．８（Ｖ）よりも低い１（Ｖ）であることが必要であるため、マイコン用電源回路６０は、降圧回路として機能する。

第３スイッチングレギュレータ６４が、出力端子ＥＸＩＴからベース電流を流すことにより第３トランジスタ６６がオン状態になると、直流電源１２からの電流は、第３トランジスタ６６を介して第２コイル７０に流れ、第４コンデンサ７２を充電する。この電流量は、直流電源１２から供給される１．８（Ｖ）の電圧と、第３トランジスタ６６のオン時間との積に比例する。

一方、第３スイッチングレギュレータ６４が、出力端子ＥＸＩＴからベース電流を供給せずに第３トランジスタ６６がオフ状態になると、電流は、第４コンデンサ７２から第５ダイオード６８を介して第２コイル７０に流れる。この電流量は、出力電圧、すなわちマイコン６２に供給する電圧と、第３トランジスタ６６のオフ時間との積に比例する。

ここで、第２コイル７０に流れる電流の量は、第３トランジスタ６６のオン状態時とオフ状態時とで等しいことから、マイコン６２に供給される電圧は、入力電圧である１．８（Ｖ）に第３トランジスタ６６のオフ時間に対するオン時間の割合を乗じた大きさになる。本実施形態においては、第４コンデンサ７２の電圧が、第４節点７７から、第３スイッチングレギュレータ６４のフィードバック端子ＦＢによって検知され、検知された第４コンデンサ７２の電圧に応じて、第３スイッチングレギュレータ６４が、第３トランジスタ６６のオン・オフ時間を調整する。この結果、マイコン６２への出力電圧は１（Ｖ）で一定となる。

なお、電源回路１０は、汎用的な素子によって構成することができる。例えば、第１および第２スイッチングレギュレータ２８、５１として、「トレックスセミコンダクター社」製の「ＸＣ６３６８Ｄ１０５ＭＲ」、第３スイッチングレギュレータ６４として「トレックスセミコンダクター社」製の「ＸＣ６３６６Ｄ１０５ＭＲ」、第１および第２トランジスタ４４、５５として「ＶＩＳＨＡＹ」社製の「Ｓｉ１４０６ＤＨ」、第３トランジスタ６６として「ＶＩＳＨＡＹ」社製の「Ｓｉ１４１３ＤＨ」等を用いることができる。

マイコン６２からの制御信号により、スイッチ２６がオンされて撮像素子用電源回路２０が起動すると、トランスの一次側と二次側が磁界のみにより結合されていることに起因して、第１節点３９の検出電圧に基づく第１スイッチングレギュレータ２８によるフィードバック電圧制御が遅れ、直流電源１２からトランス３６の一次側に向けて、本来流れるべき量を大きく上回る電流である突入電流が流れる。

しかしながら、先述のように、第１節点３９には、第３ダイオード４３、第２節点４１を介して、モータ駆動電源回路５０から５（Ｖ）の定常電圧が供給されている。このため、トランス３６の二次側で未だ昇圧電圧が生じない段階であっても、既に第１節点３９を介して、５（Ｖ）の定常電圧が、第１スイッチングレギュレータ２８のフィードバック端子ＦＢに供給される。従って、第１スイッチングレギュレータ２８は、フィードバック端子ＦＢが５（Ｖ）（０（Ｖ）ではない）の電圧を検知した場合のデューティ比に基づき、コレクタ電流量を、フィードバック端子ＦＢが０（Ｖ）の電圧を検知した場合に比べ、抑制する。その結果、トランス３６の一次側に流れる電流量が小さくなり、突入電流が抑制される。

なお、トランス３６の一次側に流れる電流量を抑制することにより、トランス３６による昇圧開始は遅れるものの、撮像素子用電源回路２０の起動時に、５（Ｖ）の電圧が第１コンデンサ４０に供給されていることから、所定の電圧である１２（Ｖ）までの昇圧に要する時間は、モータ駆動電源回路５０からの電圧供給がない場合に比べて長くならない。

さらに、平滑コンデンサ３４の入力側には、抵抗３２が設けられている。この抵抗３２の抵抗値は１（Ω）であり、直流電源１２から平滑コンデンサ３４に流れる突入電流を小さくし、第１トランジスタ４４がオンした際に、トランス３６の一次側電圧が大きく降下した時も、直流電源１２の端子電圧を降下させにくくする。

撮像素子用電源回路２０に突入電流が流れると、直流電源１２からの電圧が低下し、マイコン用電源回路６０に供給される電圧も、モータ駆動電源回路５０に供給される電圧と同じだけ低下する。マイコン用電源回路６０が、マイコン６２に供給する電圧の電圧値は１（Ｖ）であり、昇圧回路であるモータ駆動電源回路５０がアクチュエータ５２に供給する５（Ｖ）の電圧に比べて小さいので、降圧回路を用いている。降圧回路は、昇圧回路と異なり、入力電圧を昇圧する方向の補正が効かないので、入力電圧の変動が出力電圧に影響し易い。このため、マイコン用電源回路６０は、直流電源１２から供給される電圧が低下して許容入力電圧下限をわずかに下回ると、マイコン６２への出力電圧を維持できなくなる可能性が高く、突入電流による電圧降下の影響を受け易い。本実施形態においては、第２節点４１を介したモータ駆動電源回路５０から撮像素子用電源回路２０への電圧供給と、抵抗３２が突入電流の電流量を小さくすることにより、マイコン用電源回路６０は保護される。

以上のように本実施形態によれば、デジタルカメラにおいて汎用的に用いられるモータ駆動電源回路５０から、突入電流が発生する撮像素子用電源回路２０に電圧を供給することや、撮像素子用電源回路２０内に抵抗３２を設けることにより、特別な機構を備えることなく、突入電流を抑制する電源回路１０が実現できる。そして、突入電流の影響を受け易い降圧回路であるマイコン用電源回路６０を保護することができる。また、撮像素子用電源回路２０の起動時に、電圧を徐々に印加するといった制約がなく、速やかに起動できるために、デジタルカメラの撮影動作を迅速化できる。

突入電流抑制のために、撮像素子用電源回路２０に供給される電圧の大きさは、直流電源１２から供給される電圧１．８（Ｖ）よりも高ければ、５（Ｖ）に限定されない。例えば、３．３（Ｖ）であっても良い。また、電圧の供給源は、モータ駆動電源回路５０に限定されず、電源回路１０における図示しない他の回路であっても良い。

抵抗３２の大きさは本実施形態に１（Ω）に限定されず、例えば、０．５（Ω）〜１．５（Ω）の範囲内であっても良い。また、直流電源１２の電圧が、本実施形態の１．８（Ｖ）よりも大きい場合には、０．５（Ω）以下であっても良い。

電源回路を示す回路図である。

符号の説明

１０ 電源回路
１２ 直流電源
２０ 撮像素子用電源回路（第１の昇圧回路・昇圧回路）
２８ 第１スイッチングレギュレータ（第１のスイッチングレギュレータ）
３０ 平滑化コイル
３２ 抵抗
３４ 平滑コンデンサ
３６ トランス
３８ 第１ダイオード（第１の整流素子）
４０ 第１コンデンサ（第１のコンデンサ）
４２ 第２ダイオード
４３ 第３ダイオード（第２の整流素子）
４４ 第１トランジスタ（第１のトランジスタ）
４８ 第２コンデンサ
５０ モータ駆動電源回路（第２の昇圧回路・電圧供給源）
５１ 第２スイッチングレギュレータ（第２のスイッチングレギュレータ）
５２ アクチュエータ（負荷）
５４ 第１コイル（コイル）
５５ 第２トランジスタ（第２のトランジスタ）
５６ 第４ダイオード（第３の整流素子）
５８ 第３コンデンサ（第２のコンデンサ）
６０ マイコン用電源回路

Claims (7)

1. 直流電源と接続可能で、電子機器の起動中に断続的に起動する第１の昇圧回路と、常時起動している第２の昇圧回路とを備えた前記電子機器の電源回路であって、
   前記第１の昇圧回路が、前記直流電源から供給された供給電圧を、トランスを用いて第１の電圧に昇圧する昇圧回路であって、前記トランスの二次側の電圧を検知して前記トランスの二次側の電圧に応じて前記トランスの一次側に流れる電流量を調整する制御手段を備え、
   前記第２の昇圧回路が、前記直流電源から供給された供給電圧を、前記第１の電圧よりも小さい第２の電圧に昇圧する昇圧回路であって、前記第２の電圧を前記トランスの二次側に供給可能であり、
   前記制御手段が、前記第１の昇圧回路の起動時には、前記第２の昇圧回路によって供給される前記第２の電圧を検知することにより前記トランスの一次側に流れる電流量を抑制し、前記第１の昇圧回路の起動時に生じる突入電流を抑制することを特徴とする電源回路。
2. 前記第１の昇圧回路が、前記供給電圧を平滑化する平滑化手段をさらに有し、前記制御手段が、前記トランスの二次側の電圧を検知するスイッチングレギュレータとトランジスタとを有し、前記トランスの二次側の電圧が高いほど、前記スイッチングレギュレータが前記トランジスタへの駆動信号のデューティ比を下げて、前記トランジスタのオン時間を短縮して、前記電流量を抑制することを特徴とする請求項１に記載の電源回路。
3. 前記平滑化手段が、平滑コンデンサを有し、
   前記第１の昇圧回路が、前記平滑コンデンサに流れる電流を抑制する抵抗をさらに有することを特徴とする請求項２に記載の電源回路。
4. 前記抵抗の大きさが、０．５（Ω）以上１．５（Ω）以下であることを特徴とする請求項３に記載の電源回路。
5. 前記平滑化手段が、
   前記直流電源に接続された平滑化コイルと、
   前記トランスに接続された平滑コンデンサとを有し、
   前記第１の昇圧回路が、
   前記トランスの二次側の巻線に接続された第１の整流素子と、
   前記第１の整流素子に接続された第１のコンデンサと、
   前記第１の整流素子と前記第１のコンデンサとの間に接続された、前記第２の昇圧回路が前記第２の電圧を供給するための第２の整流素子とを備え、
   前記制御手段が、
   前記第１の整流素子と前記第１のコンデンサとの間に電気的に接続されていて前記トランスの二次側の電圧を検知する第１のスイッチングレギュレータと、前記トランスの二次側の電圧に基づいて前記第１のスイッチングレギュレータがオン時間を調整する第１のトランジスタとを備えることを特徴とする請求項２に記載の電源回路。
6. 前記第２の昇圧回路が、
   前記直流電源に接続され、前記供給電圧を昇圧するコイルと、
   前記コイルに接続された第３の整流素子と、
   前記第３の整流素子に接続された第２のコンデンサと、
   前記コイルに、前記第３の整流素子と前記第２のコンデンサとの直列回路に対して並列になるように接続された第２のトランジスタと、
   前記第２のトランジスタに接続された第２のスイッチングレギュレータと、
   前記第３の整流素子に、前記第２のコンデンサと並列に接続された負荷とを備え、
   前記第２のスイッチングレギュレータが、前記第２のコンデンサと前記負荷との間に電気的に接続されていて前記第２のコンデンサの電圧を検知し、前記第２のコンデンサの電圧が低いほど、前記第２のスイッチングレギュレータが前記第２のトランジスタへの駆動信号のデューティ比を上げて、前記第２のトランジスタのオン時間を延長して前記コイルに流れる電流の量を増加することにより、前記供給電圧を前記第２の電圧に昇圧して前記負荷に供給すると共に、前記トランスの二次側に前記第２の電圧を供給することを特徴とする請求項２に記載の電源回路。
7. 直流電源と接続可能で、電子機器の作動中に断続的に起動し、前記直流電源の供給電圧を第１の電圧に昇圧する昇圧回路と、前記供給電圧よりも高く前記第１の電圧よりも低い第２の電圧を前記昇圧回路に供給する電圧供給源とを備えた前記電子機器の突入電流制限回路であって、
   前記昇圧回路が、前記直流電源から供給された供給電圧を、トランスを用いて所定の電圧に昇圧する昇圧手段と、前記トランスの二次側の電圧を検知して前記トランスの二次側の電圧に応じて前記トランスの一次側に流れる電流量を調整する制御手段とを備え、
   前記電圧供給源が、整流素子を介して前記トランスの二次側に接続されており、
   前記制御手段が、前記昇圧回路の起動時に前記第２の電圧を検知するように構成されたことを特徴とする突入電流制限回路。

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