JPWO2006043370A1 - スイッチング電源制御回路およびスイッチング電源装置ならびにそれを用いた電子機器 - Google Patents

Abstract

軽負荷時のスイッチング電源装置の消費電流を低減する。制御端子１０８には、制御信号Ｖｃｏｎｔが入力され、通常動作モードと軽負荷モードが切り替えられる。通常モード時には、制御部１０は第１スイッチＳＷ１〜第４スイッチＳＷ４をオンオフして第１出力端子１０４および第２出力端子１０６から昇圧した電圧を出力する。軽負荷モードが選択されると、制御部１０は、第２スイッチＳＷ２および第４スイッチＳＷ４のスイッチングを停止する。このとき、第１ダイオードＤ１および第２ダイオードＤ２を介して第１出力コンデンサＣｏ１、第２出力コンデンサＣｏ２にそれぞれ電流が流れ込み、昇圧動作が行われる。

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、スイッチングレギュレータなど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。

特許文献１には、複数の出力電圧を生成可能なスイッチング電源装置を、低コスト、省スペースで提供するための技術が記載されている。この技術では、複数の直流電圧を出力するためのスイッチングレギュレータを、インダクタおよびメインスイッチを複数の出力電圧で共有することにより部品点数の削減を図っている。
特開２００３−２８９６６６号公報

上記文献に記載の技術によれば、複数の昇圧された直流電圧を簡易な回路構成で得ることができるが、消費電力すなわち電源装置の効率の面に目を向けると、さらなる改善の余地がある。
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、上記文献に記載の技術と同様に、複数の出力電圧を同時に出力する昇圧回路を提供するものであり、さらに消費電力を低減したスイッチング電源装置およびその制御回路の提供にある。

本発明のある態様はスイッチング電源制御回路に関する。このスイッチング電源制御回路は、入力電圧を昇圧して複数の出力電圧を出力するスイッチング電源制御回路であって、入力電圧が外付けインダクタを介して印加される入力端子と、昇圧された第１出力電圧を出力する端子であって、当該端子と接地電位端子間に外付けの第１出力コンデンサが接続されるべき第１出力端子と、昇圧された第２出力電圧を出力する端子であって、当該端子と接地電位端子間に外付けの第２出力コンデンサが接続されるべき第２出力端子と、入力端子と接地電位端子間に設けられた第１スイッチと、入力端子と第１出力端子間に設けられた第２スイッチと、入力端子と第２出力端子間に直列に設けられた第３、第４スイッチと、第１から第４スイッチのオンオフを制御する制御部と、を備える。

このスイッチング電源制御回路は、外付けされるインダクタおよび第１、第２出力コンデンサとともに、２つの電圧を出力する昇圧型のＤＣ／ＤＣコンバータを構成し、第１、第２出力端子から第１、第２出力電圧をそれぞれ出力する。この態様によれば、第１出力端子から第２出力端子よりも高い電圧を出力する際に、第３スイッチをオフすることによって第２ダイオードを介して第２出力コンデンサに電流が流れ込むのを防止することができるため、スイッチング電源装置を安定に動作させることができる。

制御部は、通常動作時においては、第１スイッチ、第２スイッチを順にオンする第１期間と、第１スイッチ、第３スイッチを順にオンし、かつ第３スイッチがオンの期間に第４スイッチをオンする第２期間と、を交互に繰り返してもよい。また、軽負荷時においては、第１スイッチをオンする第３期間と、第１スイッチ、第３スイッチを順にオンする第４期間と、を交互に繰り返してもよい。

スイッチをＭＯＳ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）トランジスタにより構成する場合、ゲート電圧を変化させるためには、ゲート容量を充放電するための電流が必要となる。またバイポーラトランジスタにより構成する場合にはベース電流を流す必要がある。したがって、軽負荷時において、第２、第４スイッチのオンオフを停止し、第１、第２ダイオードを介して第１、第２出力コンデンサに電流を供給することにより、第２、第４スイッチをオンオフするための電流が不要となるため、スイッチング電源制御回路の消費電力を低減することができる。

第１スイッチはＮ型ＭＯＳトランジスタであり、第２、第３、第４スイッチはＰ型ＭＯＳトランジスタであってもよい。第１スイッチから第４スイッチそれぞれのゲート端子に、制御部から出力されるスイッチング信号を入力するとともに、第１スイッチのバックゲート端子を接地電位端子に接続し、第２、第３スイッチのバックゲート端子を第１出力端子に接続し、第４スイッチのバックゲート端子を第２出力端子に接続してもよい。

第１スイッチから第４スイッチを構成するＭＯＳトランジスタのバックゲートをこのように接続することにより、回路を安定に動作させることができる。
また、第１出力端子には、スイッチング電源装置の起動時など昇圧動作が開始する以前においても、入力電圧から第１ダイオードの順方向電圧だけ低下した電圧が現れる。そこで、第３スイッチを構成するＭＯＳトランジスタのバックゲートを第１出力端子に接続することにより、スイッチング電源装置の起動時などにおいても第３スイッチを安定させることができる。

上記スイッチング電源制御回路は、ひとつの半導体基板上に一体集積化されてもよい。「一体集積化」とは、回路の構成要素のすべてが半導体基板上に形成される場合や、回路の主要構成要素が一体集積化される場合が含まれ、回路定数の調節用に一部の抵抗やキャパシタなどが半導体基板の外部に設けられていてもよい。スイッチング電源制御回路を１つのＬＳＩとして集積化することにより、回路面積を削減することができる。

本発明の別の態様は、スイッチング電源装置である。このスイッチング電源装置は、入力電圧を昇圧して複数の出力電圧を出力するスイッチング電源装置であって、入力電圧が印加される入力端子と、入力電圧を昇圧して得られる第１出力電圧を出力する第１出力端子と、入力電圧を昇圧して得られる第２出力電圧を出力する第２出力端子と、第１出力端子と接地電位端子間に設けられた第１出力コンデンサと、第２出力端子と接地電位端子間に設けられた第２出力コンデンサと、入力端子に接続されたインダクタと、インダクタと接地電位端子間に設けられた第１スイッチと、インダクタと第１スイッチの接続点と第１出力端子間に設けられた第２スイッチと、インダクタと第１スイッチの接続点と第２出力端子間に直列に設けられた第３、第４スイッチと、第１から第４スイッチのオンオフを制御する制御部と、第２スイッチに対して並列にカソード端子が第２出力端子側となるように設けられた第１ダイオードと、第４スイッチに対して並列にカソード端子が第２出力端子側となるように設けられた第２ダイオードと、を備える。

この態様によれば、第２、第４スイッチと並列に第１、第２ダイオードを設けることにより、軽負荷時に第２、第４スイッチのスイッチング動作を停止した場合においても昇圧した出力電圧を得ることができる。さらに、第１出力端子から第２出力端子よりも高い電圧を出力する際に、第３スイッチをオフすることによって第２ダイオードを介して第２出力コンデンサに電流が流れ込むのを防止することができるため、スイッチング電源装置を安定に動作させることができる。

制御部は、通常動作時においては、第１スイッチ、第２スイッチを順にオンする第１期間と、第１スイッチ、第３スイッチを順にオンし、かつ第３スイッチがオンの期間に第４スイッチをオンする第２期間と、を交互に繰り返す一方、軽負荷時においては、第１スイッチをオンする第３期間と、第１スイッチ、第３スイッチを順にオンする第４期間と、を交互に繰り返してもよい。

制御部は、制御端子を備え、制御端子に入力される制御信号の指示によって通常動作時と軽負荷時を切り替えてもよい。

第１スイッチはＮ型ＭＯＳトランジスタであり、第２、第３、第４スイッチはＰ型ＭＯＳトランジスタであって、第１スイッチから第４スイッチそれぞれのゲート端子には制御部から出力されるスイッチング信号が入力されており、第１スイッチのバックゲート端子は接地電位端子に接続され、第２、第３スイッチのバックゲート端子は第１出力端子に接続され、第４スイッチのバックゲート端子は第２出力端子に接続されてもよい。

第１、第２ダイオードの少なくとも一方は、それぞれ第２、第４スイッチであるＭＯＳトランジスタの寄生ダイオードによって形成されてもよい。ＭＯＳトランジスタの寄生ダイオードが大きい場合には、この寄生ダイオードを第１または第２ダイオードとして利用してもよい。

本発明のさらに別の態様もまた、スイッチング電源装置である。この装置は、入力電圧を昇圧して複数の出力電圧を出力するスイッチング電源装置であって、入力電圧が印加される入力端子と、入力電圧を昇圧して得られる複数の出力電圧を出力する複数の出力端子と、入力端子と接地電位端子間に直列に接続されたインダクタとメインスイッチと、インダクタとメインスイッチの接続点と複数の出力端子間にそれぞれ設けられた複数の同期整流スイッチと、複数の同期整流スイッチに並列に設けられた複数のダイオードと、複数の出力端子と接地電位端子間に設けられた複数の出力コンデンサと、メインスイッチと複数の同期整流スイッチのオンオフを制御する制御部と、を備える。制御部は、通常動作時においては、メインスイッチと複数のスイッチとを交互にオンオフさせる一方、軽負荷時においては、メインスイッチのみをオンオフする。

この態様によれば、軽負荷時において、メインスイッチのみオンオフし、複数の同期整流スイッチをオンオフを停止することによって、複数の同期整流スイッチをオンオフするための電流が不要となるため、消費電力を低減することができる。

本発明のさらに別の態様は、電子機器である。この電子機器は、電池と、電池の電圧を昇圧する上述のスイッチング電源装置と、スイッチング電源装置から出力される第１、第２出力電圧により駆動される複数の負荷と、を備える。この態様によれば、軽負荷時のスイッチング電源装置の消費電力が低減されるため、電池の寿命を延ばすことができる。

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、軽負荷時の消費電力を低減することができる。

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が搭載される電子機器の構成を示すブロック図である。 図１のスイッチング電源装置を詳細に示す回路図である。 図４（ａ）、（ｂ）は、スイッチング電源装置における各スイッチのオンオフ状態を示すタイムチャートである。

符号の説明

Ｃｏ１ 第１出力コンデンサ、 Ｄ１ 第１ダイオード、 ＳＷ１ 第１スイッチ、 Ｔ１ 第１期間、 Ｖｏｕｔ１ 第１出力電圧、 Ｃｏ２ 第２出力コンデンサ、 Ｄ２ 第２ダイオード、 ＳＷ２ 第２スイッチ、 Ｔ２ 第２期間、 Ｌ インダクタ、 Ｖｏｕｔ２ 第２出力電圧、 ＳＷ３ 第３スイッチ、 Ｔ３ 第３期間、 ＳＷ４ 第４スイッチ、 Ｔ４ 第４期間、 １０ 制御部、 １００ スイッチング電源装置、 １０２ 入力端子、 １０４ 第１出力端子、 １０６ 第２出力端子、 １０８ 制御端子、 ２００ スイッチング電源制御回路。

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。図２は、図１のスイッチング電源装置１００が搭載される電子機器３００の構成を示すブロック図である。

図２の電子機器３００は、たとえば、電池駆動型の携帯電話端末やＰＤＡなどであり、電池３１０、電源装置３２０、アナログ回路３３０、デジタル回路３４０、液晶パネル（以下、ＬＣＤパネルという）３５０、ＬＥＤ３６０を含む。
電池３１０は、たとえばリチウムイオン電池であり、電池電圧Ｖｂａｔとして３〜４Ｖ程度を出力する。アナログ回路３３０は、パワーアンプや、アンテナスイッチ、ＬＮＡ（Ｌｏｗ Ｎｏｉｓｅ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）、ミキサやＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ Ｌｏｃｋｅｄ Ｌｏｏｐ）などの高周波回路を含み、電源電圧Ｖｃｃ＝３．４Ｖ程度で安定動作する回路ブロックを含む。また、デジタル回路３４０は、各種ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）などを含み、電源電圧Ｖｄｄ＝３．４Ｖ程度で安定動作する回路ブロックを含む。

ＬＣＤパネル３５０は、ユーザに対して文字情報や画像情報を表示する表示装置であって、その駆動には、電池電圧Ｖｂａｔより高い電圧が要求される。ＬＥＤ３６０は、ＲＧＢ３色のＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）を含み、ＬＣＤパネル３５０のバックライトや、照明として用いられ、その駆動にも、ＬＣＤパネル３５０同様、４Ｖ以上の駆動電圧が要求される。

電源装置３２０は、多チャンネルのスイッチング電源であり、各チャンネルごとに、電池電圧Ｖｂａｔを必要に応じて降圧、または昇圧するスイッチングレギュレータを備え、アナログ回路３３０、デジタル回路３４０、ＬＣＤパネル３５０、ＬＥＤ３６０に対して適切な電源電圧を供給する。
本実施形態に係るスイッチング電源装置１００は、たとえばＬＣＤパネル３５０や、ＬＥＤ３６０などのように、電池電圧Ｖｂａｔよりも高い電圧で動作する複数の負荷に対して電源電圧を供給する用途に用いることができる。以下、本実施の形態に係るスイッチング電源装置１００の構成について詳細に説明する。

図１に戻る。スイッチング電源装置１００は、入出力端子として入力端子１０２、第１出力端子１０４、第２出力端子１０６を備え、入力端子１０２に印加された入力電圧Ｖｉｎを昇圧して、第１出力電圧Ｖｏｕｔ１、第２出力電圧Ｖｏｕｔ２をそれぞれ第１出力端子１０４、第２出力端子１０６から出力する。

このスイッチング電源装置１００は、インダクタＬ、第１出力コンデンサＣｏ１、第２出力コンデンサＣｏ２、第１スイッチＳＷ１〜第４スイッチＳＷ４、第１ダイオードＤ１、第２ダイオードＤ２、制御部１０を含む。

インダクタＬおよび第１スイッチＳＷ１に加えて、第２スイッチＳＷ２、第１ダイオードＤ１および第１出力コンデンサＣｏ１は、入力電圧Ｖｉｎを昇圧する第１の昇圧回路を構成する。

インダクタＬは、入力端子１０２に接続されている。第１スイッチＳＷ１は、インダクタＬと固定電位である接地端子間に接続されており、スイッチングレギュレータ方式の昇圧回路のメインスイッチとして機能する。
第２スイッチＳＷ２は、インダクタＬと第１スイッチＳＷ１の接続点と、第１出力端子１０４間に接続されている。第１ダイオードＤ１は、この第２スイッチＳＷ２と並列に接続されている。第１ダイオードＤ１は、インダクタＬから第１出力端子１０４に向かって電流が流れるように、カソード端子が第１出力端子１０４側に、アノード端子がインダクタＬ側に接続されている。

第１スイッチＳＷ１、第２スイッチＳＷ２のオンオフは制御部１０によって制御される。第１スイッチＳＷ１がオンし、第２スイッチＳＷ２がオフのとき、入力端子１０２から接地端子に向かって、インダクタＬおよび第１スイッチＳＷ１を介してインダクタ電流が流れ、このときインダクタＬには、電流の２乗に比例するエネルギが蓄えられる。

次に第１スイッチＳＷ１がオフし、第２スイッチＳＷ２がオンすると、第１スイッチＳＷ１を介して接地端子に流れていたインダクタ電流は第２スイッチＳＷ２側へと流れることになる。このとき、インダクタＬに蓄えられていたエネルギは、第１出力コンデンサＣｏ１へと転送される。インダクタＬには電流を妨げる方向に逆起電力が発生するため、入力電圧Ｖｉｎが昇圧された電圧によって第１出力コンデンサＣｏ１が充電される。昇圧された電圧は第１出力コンデンサＣｏ１によって平滑化され、第１出力電圧Ｖｏｕｔ１として出力される。

第１出力電圧Ｖｏｕｔ１と入力電圧Ｖｉｎの比、すなわち昇圧率は、第１スイッチＳＷ１、第２スイッチＳＷ２のオン時間の比に従って決められる。制御部１０は、第１出力電圧Ｖｏｕｔ１を検出しながら、所望の昇圧率が得られるように第１スイッチＳＷ１、第２スイッチＳＷ２のオン期間をパルス幅変調（ＰＷＭ）方式によって制御する。

同様に、第２の昇圧回路は、インダクタＬおよび第１スイッチＳＷ１に加えて、第３スイッチＳＷ３、第４スイッチＳＷ４、第２ダイオードＤ２および第２出力コンデンサＣｏ２によって構成される。

第２の昇圧回路を第１の昇圧回路と比べると、第３スイッチＳＷ３が追加されている点を除き、その構成は同様である。この第２の昇圧回路においては、第１スイッチＳＷ１をオンしてインダクタＬに電流を流してエネルギを蓄え、そのエネルギを第３スイッチＳＷ３、第４スイッチＳＷ４をオンすることにより第２出力コンデンサＣｏ２に転送して昇圧する。第２出力コンデンサＣｏ２の電圧は平滑化され、第２出力端子１０６から第２出力電圧Ｖｏｕｔ２として出力される。

本実施の形態においては、第１の昇圧回路の昇圧率は、第２の昇圧回路の昇圧率よりも高く設定されるものとし、第１出力電圧Ｖｏｕｔ１と第２出力電圧Ｖｏｕｔ２には、Ｖｏｕｔ１＞Ｖｏｕｔ２が成り立つものとする。

スイッチング電源装置１００は、通常動作時と軽負荷時で動作モードが切り替えられる。以下、本明細書においてそれぞれの動作モードを、通常動作モードと軽負荷モードとよぶ。スイッチング電源装置１００は、制御端子１０８を備えており、通常動作時と軽負荷時を指示するための制御信号Ｖｃｏｎｔが入力されている。制御信号Ｖｃｏｎｔは制御部１０に入力されており、通常動作モードと軽負荷モードで第１スイッチＳＷ１〜第４スイッチＳＷ４のスイッチングシーケンスを切り替える。本実施の形態においては、制御信号Ｖｃｏｎｔがハイレベルのとき通常モード、ローレベルのとき軽負荷モードで動作するものとする。

図３は、本実施の形態に係るスイッチング電源装置を、より詳細に示す回路図である。図中、破線で囲まれた領域は、スイッチング電源制御回路２００を表しており、一体集積化されている。このスイッチング電源制御回路２００に、インダクタＬ、第１出力コンデンサＣｏ１、第２出力コンデンサＣｏ２、第１ダイオードＤ１、第２ダイオードＤ２が外付けされてスイッチング電源装置１００が構成される。

スイッチング電源制御回路２００において、第１スイッチＳＷ１から第４スイッチＳＷ４は、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）により構成される。
入力端子２０２には、入力電圧Ｖｉｎが外付けのインダクタＬを介して印加される。第１出力端子２０４は、昇圧された第１出力電圧Ｖｏｕｔ１を出力する端子であって、当該端子と接地電位端子間に外付けの第１出力コンデンサＣｏ１が接続される。第２出力端子２０６は、昇圧された第２出力電圧Ｖｏｕｔ２を出力する端子であり、当該端子と接地電位端子間に外付けの第２出力コンデンサＣｏ２が接続される。

第１スイッチＳＷ１は、Ｎ型ＭＯＳトランジスタであり、入力端子２０２と接地電位端子間に設けられる。第１スイッチＳＷ１のバックゲート端子は接地されている。第２スイッチＳＷ２は、Ｐ型ＭＯＳトランジスタであり、入力端子２０２と第１出力端子２０４間に設けられる。第２スイッチＳＷ２のバックゲート端子は第１出力端子２０４に接続されている。第３スイッチＳＷ３、第４スイッチＳＷ４は、入力端子２０２と第２出力端子２０６（１０６）間に直列に設けられる。第３スイッチＳＷ３は、Ｐ型ＭＯＳトランジスタであり、バックゲート端子は、第１出力端子２０４（１０４）に接続される。第４スイッチＳＷ４もＰ型ＭＯＳトランジスタであり、そのバックゲート端子は、第２出力端子２０６（１０６）に接続される。

第１スイッチＳＷ１から第４スイッチＳＷ４のゲート端子は制御部１０に接続されており、スイッチング信号によってゲートソース間電圧が制御され、オンオフ状態が切り替えられる。

以上のように構成されたスイッチング電源装置１００の動作について、図４（ａ）、（ｂ）をもとに説明する。図４（ａ）、（ｂ）は、スイッチング電源装置１００における各スイッチのオンオフ状態を示すタイムチャートである。図４（ａ）、図４（ｂ）はそれぞれ、通常動作モードおよび軽負荷モードのタイムチャートを示す。図４（ａ）、（ｂ）のタイムチャートにおいて、ハイレベルおよびローレベルはそれぞれ、スイッチがオン、オフの状態に対応する。

はじめに、スイッチング電源装置１００の通常動作モードにおける動作について説明する。スイッチング電源装置１００は、制御端子１０８に制御信号Ｖｃｏｎｔとしてハイレベルが入力されると、通常モードで動作する。

通常モード時には、図４（ａ）に示すように第１期間Ｔ１と、第２期間Ｔ２とを交互に繰り返すことにより入力電圧Ｖｉｎを昇圧し、第１出力端子１０４および第２出力端子１０６からそれぞれ第１出力電圧Ｖｏｕｔ１、第２出力電圧Ｖｏｕｔ２を出力する。

第１期間Ｔ１においては、第１スイッチＳＷ１、第２スイッチＳＷ２を順にオンする。第１スイッチＳＷ１をオンすることによってインダクタＬには、入力端子１０２間から接地端子に向かって電流が流れる。インダクタＬには電流の２乗に比例したエネルギが蓄えられる。

次に第１スイッチＳＷ１をオフし、第２スイッチＳＷ２をオンすることにより、インダクタＬに流れていた電流は第１出力端子１０４に接続された第１出力コンデンサＣｏ１に流れ、蓄えられていたエネルギが第１出力コンデンサＣｏ１に転送される。この結果、インダクタＬには逆起電力が発生し、第１出力端子１０４には入力電圧Ｖｉｎを昇圧した電圧が出力される。

次に、第２期間Ｔ２においては、第１スイッチＳＷ１、第３スイッチＳＷ３を順にオンする。第１スイッチＳＷ１がオンすると再びインダクタＬには、入力端子１０２間から接地端子に向かって電流が流れ、エネルギが蓄えられる。
次に第１スイッチをオフし、第３スイッチＳＷ３、第４スイッチＳＷ４をオンする。インダクタＬに流れていた電流は第２出力端子１０６に接続された第２出力コンデンサＣｏ２に流れ、蓄えられていたエネルギが転送される。この結果、インダクタＬには逆起電力が発生し、第２出力端子１０６には入力電圧Ｖｉｎを昇圧した電圧が出力される。
第３スイッチＳＷ３のオン期間Ｔｏｎ３は、第４スイッチＳＷ４のオン期間Ｔｏｎ４の最大値よりも長く固定されており、第１スイッチＳＷ１のオン期間Ｔｏｎ１と第４スイッチＳＷ４のオン期間Ｔｏｎ４の比によって昇圧率が調節される。

このように、インダクタＬに蓄えられたエネルギを第１出力コンデンサＣｏ１に転送する第１期間Ｔ１と、インダクタＬに蓄えたエネルギを第２出力コンデンサＣｏ２に転送する第２期間Ｔ２を交互に繰り返すことによって第１出力電圧Ｖｏｕｔ１、第２出力電圧Ｖｏｕｔ２が出力される。

次にスイッチング電源装置１００の軽負荷モードにおける動作について説明する。スイッチング電源装置１００は、制御端子１０８に制御信号Ｖｃｏｎｔとしてローレベルが入力されると、軽負荷モードに切り替えられる。

軽負荷モード時には、図４（ｂ）に示すように第３期間Ｔ３と、第４期間Ｔ４とを交互に繰り返すことにより入力電圧Ｖｉｎを昇圧し、第１出力端子１０４および第２出力端子１０６からそれぞれ第１出力電圧Ｖｏｕｔ１、第２出力電圧Ｖｏｕｔ２を出力する。

第３期間Ｔ３においては、第１スイッチＳＷ１のみがオンする。第１スイッチＳＷ１をオンすることによってインダクタＬには、入力端子１０２間から接地端子に向かって電流が流れる。インダクタＬには電流の２乗に比例したエネルギが蓄えられる。

次に第１スイッチＳＷ１をオフするが、軽負荷モードでは、第２スイッチＳＷ２をオンしない。その結果、インダクタＬに流れていた電流は、第１ダイオードＤ１を介して第１出力端子１０４に接続された第１出力コンデンサＣｏ１に流れ、インダクタＬに蓄えられていたエネルギが第１出力コンデンサＣｏ１に転送される。インダクタＬには逆起電力が発生するため、第１出力端子１０４には入力電圧Ｖｉｎを昇圧した電圧が出力される。

第４期間Ｔ４においては、第１スイッチＳＷ１、第３スイッチＳＷ３を順にオンする。第１スイッチＳＷ１がオンすると再びインダクタＬには、入力端子１０２間から接地端子に向かって電流が流れ、エネルギが蓄えられる。
次に第３スイッチＳＷ３のみをオンし、第４スイッチＳＷ４はオフのままとする。その結果、インダクタＬに流れていた電流は、第３スイッチおよび第２ダイオードＤ２を介して第２出力コンデンサＣｏ２に流れ込み、蓄えられていたエネルギが第２出力コンデンサＣｏ２に転送される。

スイッチを構成するＭＯＳトランジスタのゲート電圧を変化させるためには、ゲート容量を充放電する必要があるため、スイッチのオンオフに際しては制御部１０には電流消費が発生する。したがって、軽負荷時に第２スイッチＳＷ２、第４スイッチＳＷ４のオンオフのスイッチングを停止することにより、消費電流が減少し、軽負荷時の効率が改善されることになる。

また、第４スイッチＳＷ４に対して第３スイッチＳＷ３を直列に設けることにより次の効果がある。本実施の形態においては、第１出力電圧Ｖｏｕｔ１と第２出力電圧Ｖｏｕｔ２は、Ｖｏｕｔ１＞Ｖｏｕｔ２が成り立つように第１スイッチＳＷ１〜第４スイッチＳＷ４が制御される。もし第３スイッチＳＷ３を設けない場合、第２ダイオードＤ２には、順方向電圧Ｖｆより大きな電圧が印加され、オンする可能性がある。第２ダイオードＤ２がオンすると、通常動作モード時の第１期間Ｔ１、あるいは軽負荷モード時の第３期間Ｔ３においては、インダクタＬに蓄えられたエネルギは、第１出力コンデンサＣｏ１に転送されるべきであるにもかかわらず、第２ダイオードＤ２を介して第２出力コンデンサＣｏ２に電流が流れ込んでしまうという問題が生じる。
そこで、第３スイッチＳＷ３を設け、第１期間Ｔ１および第３期間Ｔ３においてオフすることにより、Ｖｏｕｔ１＞Ｖｏｕｔ２の場合においても、正常な昇圧動作を行うことができる。

また、第３スイッチＳＷ３のバックゲートを第１出力端子１０４に接続することによって次の効果がある。第３スイッチＳＷ３のオンオフを正常にスイッチさせるためには、バックゲート端子は高い電位に固定されている必要がある。ところが、スイッチング電源装置１００の起動時においては、第３スイッチＳＷ３と第４スイッチＳＷ４の接続点の電圧は不安定であるため、もしバックゲート端子をこの接続点に接続した場合、第２出力電圧Ｖｏｕｔ２が正常に立ち上がらないおそれがある。一方、第１出力端子１０４は、起動直後においても入力電圧Ｖｉｎから第１ダイオードＤ１の順方向電圧Ｖｆ分だけ降下した電圧が出力されており、安定している。したがって、第３スイッチＳＷ３のバックゲート端子を第１出力端子１０４に接続することによって、スイッチング電源装置１００の安定性を高めることができる。

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。

第１ダイオードＤ１は、第２スイッチＳＷ２を構成するＭＯＳトランジスタの寄生ダイオードが十分なサイズで形成される場合には、その寄生ダイオードをもって代用してもよい。同様に、第２ダイオードＤ２も、第４スイッチＳＷ４の寄生ダイオードで代用してもよい。

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は、スイッチング電源制御回路２００が一体集積化される場合について説明したが、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。

本発明に係るスイッチング電源装置によれば、軽負荷時の消費電力を低減することができる。

Claims (11)

1. 入力電圧を昇圧して複数の出力電圧を出力するスイッチング電源制御回路であって、
   前記入力電圧が外付けインダクタを介して印加される入力端子と、
   昇圧された第１出力電圧を出力する端子であって、当該端子と接地電位端子間に外付けの第１出力コンデンサが接続されるべき第１出力端子と、
   昇圧された第２出力電圧を出力する端子であって、当該端子と接地電位端子間に外付けの第２出力コンデンサが接続されるべき第２出力端子と、
   前記入力端子と接地電位端子間に設けられた第１スイッチと、
   前記入力端子と前記第１出力端子間に設けられた第２スイッチと、
   前記入力端子と前記第２出力端子間に直列に設けられた第３、第４スイッチと、
   前記第１から第４スイッチのオンオフを制御する制御部と、
   を備えることを特徴とするスイッチング電源制御回路。
2. 前記制御部は、通常動作時においては、
   前記第１スイッチ、第２スイッチを順にオンする第１期間と、
   前記第１スイッチ、第３スイッチを順にオンし、かつ前記第３スイッチがオンの期間に前記第４スイッチをオンする第２期間と、
   を交互に繰り返す一方、軽負荷時においては、
   前記第１スイッチをオンする第３期間と、
   前記第１スイッチ、第３スイッチを順にオンする第４期間と、
   を交互に繰り返すことを特徴とする請求項１に記載のスイッチング電源制御回路。
3. 前記第１スイッチはＮ型ＭＯＳトランジスタであり、前記第２、第３、第４スイッチはＰ型ＭＯＳトランジスタであって、
   前記第１スイッチから第４スイッチそれぞれのゲート端子には前記制御部から出力されるスイッチング信号が入力されており、
   前記第１スイッチのバックゲート端子は前記接地電位端子に接続され、
   前記第２、第３スイッチのバックゲート端子は前記第１出力端子に接続され、
   前記第４スイッチのバックゲート端子は前記第２出力端子に接続され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制御回路。
4. ひとつの半導体基板上に一体集積化されたことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のスイッチング電源制御回路。
5. 入力電圧を昇圧して複数の出力電圧を出力するスイッチング電源装置であって、
   前記入力電圧が印加される入力端子と、
   前記入力電圧を昇圧して得られる第１出力電圧を出力する第１出力端子と、
   前記入力電圧を昇圧して得られる第２出力電圧を出力する第２出力端子と、
   前記第１出力端子と接地電位端子間に設けられた第１出力コンデンサと、
   前記第２出力端子と接地電位端子間に設けられた第２出力コンデンサと、
   前記入力端子に接続されたインダクタと、
   前記インダクタと接地電位端子間に設けられた第１スイッチと、
   前記インダクタと前記第１スイッチの接続点と前記第１出力端子間に設けられた第２スイッチと、
   前記インダクタと前記第１スイッチの接続点と前記第２出力端子間に直列に設けられた第３、第４スイッチと、
   前記第１から第４スイッチのオンオフを制御する制御部と、
   前記第２スイッチに対して並列にカソード端子が前記第２出力端子側となるように設けられた第１ダイオードと、
   前記第４スイッチに対して並列にカソード端子が前記第２出力端子側となるように設けられた第２ダイオードと、
   を備えることを特徴とするスイッチング電源装置。
6. 前記制御部は、通常動作時においては、
   前記第１スイッチ、第２スイッチを順にオンする第１期間と、
   前記第１スイッチ、第３スイッチを順にオンし、かつ前記第３スイッチがオンの期間に前記第４スイッチをオンする第２期間と、
   を交互に繰り返す一方、軽負荷時においては、
   前記第１スイッチをオンする第３期間と、
   前記第１スイッチ、第３スイッチを順にオンする第４期間と、
   を交互に繰り返すことを特徴とする請求項５に記載のスイッチング電源装置。
7. 前記制御部は、制御端子を備え、前記制御端子に入力される制御信号の指示によって前記通常動作時と前記軽負荷時を切り替えることを特徴とする請求項６に記載のスイッチング電源装置。
8. 前記第１スイッチはＮ型ＭＯＳトランジスタであり、前記第２、第３、第４スイッチはＰ型ＭＯＳトランジスタであって、
   前記第１スイッチから第４スイッチそれぞれのゲート端子には前記制御部から出力されるスイッチング信号が入力されており、
   前記第１スイッチのバックゲート端子は前記接地電位端子に接続され、
   前記第２、第３スイッチのバックゲート端子は前記第１出力端子に接続され、
   前記第４スイッチのバックゲート端子は前記第２出力端子に接続されたことを特徴とする請求項５または６に記載のスイッチング電源装置。
9. 前記第１、第２ダイオードの少なくとも一方は、それぞれ第２、第４スイッチであるＭＯＳトランジスタの寄生ダイオードによって形成されることを特徴とする請求項８に記載のスイッチング電源装置。
10. 入力電圧を昇圧して複数の出力電圧を出力するスイッチング電源装置であって、
    前記入力電圧が印加される入力端子と、
    前記入力電圧を昇圧して得られる複数の出力電圧を出力する複数の出力端子と、
    前記入力端子と接地電位端子間に直列に接続されたインダクタとメインスイッチと、
    前記インダクタと前記メインスイッチの接続点と前記複数の出力端子間にそれぞれ設けられた複数の同期整流スイッチと、
    前記複数の同期整流スイッチに並列に設けられた複数のダイオードと、
    前記複数の出力端子と接地電位端子間に設けられた複数の出力コンデンサと、
    前記メインスイッチと前記複数の同期整流スイッチのオンオフを制御する制御部と、
    を備え、前記制御部は、通常動作時においては、前記メインスイッチと前記複数のスイッチとを交互にオンオフさせる一方、軽負荷時においては、前記メインスイッチのみをオンオフすることを特徴とするスイッチング電源装置。
11. 電池と、
    前記電池の電圧を昇圧する請求項５から８のいずれかに記載のスイッチング電源装置と、
    前記スイッチング電源装置から出力される前記第１、第２出力電圧により駆動される複数の負荷と、
    を備えることを特徴とする電子機器。

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