具有升壓率控制功能的升壓控制裝置的製作方法
2023-06-24 12:46:46
專利名稱：具有升壓率控制功能的升壓控制裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及控制用於將電池電源升壓並供給負載的升壓電路的升壓控制裝置，以及包含它的電子裝置。
背景技術：
在便攜電話機和PDA(Personal Data Assistant)等的電池驅動型的便攜設備中，使用各種LED(Light-Emitting Diode)元件。將該LED元件例如用作LCD(Liquid Crystal Display)的背光等。上述便攜設備中裝載的電池一般使用鋰離子電池。該鋰離子電池生成3.1～4.2V左右的電池電壓。白色LED需要3.3～4.0V左右的驅動電壓。因此，需要將電池電壓升壓的電荷泵電路。專利文獻1中公開了關於電荷泵型DC-DC變換器的控制方式。
(日本)特開平10-215564號公報上述專利文獻1的0029段公開了通過檢測輸出電流的大小來自動地控制。但是，在僅監視輸出電流而改變升壓率的情況下，由於與例如LED這樣的負載的電壓下降量無關地變更升壓率，所以電池的損失大。
發明內容
本發明是鑑於上述狀況的發明，其目的在於，在將電池電壓升壓並供給負載的裝置中，延長電池的壽命。
本發明的一種方式涉及一種升壓控制裝置。該升壓控制裝置包括升壓電路，將規定的電壓升壓，生成驅動目標負載的電壓；恆流電路，生成用於流過負載的恆流；監視電路，監視恆流電路的兩端電壓；以及控制電路，控制升壓電路的升壓率。在監視電路的監視結果，恆流電路的兩端電壓未達到保證恆流的最低電壓時，控制電路提高升壓電路的升壓率。
根據該升壓控制裝置，不是通過監視電池電壓或升壓電路的輸出電壓，而是通過監視恆流電路的兩端電壓，與LED等負載的電壓下降量無關，在不進行負載的恆流驅動的情況下提高升壓率。由此，可高效率地使用電池電源，可延長電池壽命。例如，即使在升壓電路的輸出電壓下降的情況下，也可以在負載的電壓下降量低時不變更升壓率。另外，規定的電壓不限於電池電壓，包括恆壓電路的輸出電壓。升壓電路也包括負的升壓電路。
控制電路從外部指示恆流電路生成的恆流值，將恆流值設定給恆流電路，在指定的恆流值從大的值變更為小的值時，降低所述升壓電路的升壓率也可以。由外部指定的恆流從大的值變更為小的值時，即負載的驅動電流造成的電壓下降量下降的情況下，通過提高升壓率，本裝置可以比較穩定地動作。
監視電路在監視所述恆流電路之前，判定所述負載是否被連接，在所述負載未被連接的情況下，不進行與該負載對應的恆流電路的監視也可以。在負載未被連接的情況下，監視電路始終檢測出異常，可以事先防止升壓率上升的事態。通過由監視電路兼用進行該判定，可簡化電路。
在升壓電路起動時的規定期間，在恆流電路的兩端電壓未達到最低電壓時，監視電路停止監視該恆流電路的電壓也可以。
本發明的另一方式也涉及升壓控制裝置。該升壓控制裝置包括升壓電路，將規定的電壓升壓，生成驅動目標負載的電壓；恆流電路，生成用於流過負載的恆流；監視電路，監視恆流電路的兩端電壓；控制電路，控制升壓電路的升壓率；以及保護電路，監視升壓電路的輸出電壓，在監視電路的監視結果，恆流電路的兩端電壓未達到最低動作電壓時，控制電路提高升壓電路的升壓率，在由監視電路以及控制電路進行升壓率控制期間，保護電路根據升壓電路的輸出電壓的監視結果，檢測包含本裝置和負載的系統的異常。
由此，在檢測出升壓電路的輸出電壓低於規定的電壓時，判斷為例如負載損壞、升壓電路的輸出接地等的異常，可將升壓率返回至1倍，或使本裝置待機。由此，可保護本裝置。
升壓控制裝置還可以包括電壓調節部，該電壓調節部調節升壓電路的輸入電壓，以便該升壓電路的輸出電壓接近規定的基準電壓。
電壓調節部也可以包括誤差放大器，將所述升壓電路的輸出電壓和所述基準電壓的誤差放大；以及電晶體，根據所述誤差放大器的輸出電壓控制導通電阻。
即，升壓電路對輸出進行反饋從而固定輸出電壓就可以。固定輸出電壓則決定最大電壓，可不用超過該電壓的高耐壓的設計過程，可簡化電路。另外，施加在負載上的電壓一定，可提高負載的耐久性。
本發明的另一方式涉及電子裝置。包括上述方式的升壓控制裝置；以及由升壓控制裝置驅動的發光元件。由此，可高效率地使用電池，點亮發光元件。
再有，以上構成部件的任意組合，本發明表現的方法、裝置、系統等之間的變換等，作為本發明的方式也依然有效。
應注意的是，上述構成部件的任意組合或再排列等依然有效並被本實施方式所包含。
另外，本發明概要並不一定描述所有必要技術特徵以便本發明還具有這些所述特徵的部分組合。
圖1是表示實施方式的升壓控制裝置的基本結構的方框圖。
圖2是表示集成化的升壓控制裝置的結構的方框圖。
圖3是用於說明電流控制部的處理的表。
圖4是用於說明升壓控制裝置的動作的流程圖。
圖5是表示第一變形例的升壓控制裝置的結構的方框圖。
圖6是表示第二變形例的升壓控制裝置的結構的方框圖。
具體實施例方式
以下根據優選實施例來說明本發明，優選實施例只是例示本發明而不是限定本發明的範圍。實施方式中所描述的特徵及其組合對於本發明不一定是必須的。
圖1是表示實施方式的升壓控制裝置的基本結構的方框圖。本升壓控制裝置1000裝載在便攜電話終端和PDA等的電池驅動型電子設備上。升壓控制裝置是將鋰離子電池等的電池電壓Vbat升壓後，在提供給LED13等的負載時控制其升壓率的裝置。
升壓控制裝置1000包括電荷泵電路12；控制電路100；監視電路110；恆流電路14；以及保護電路15。
在使用鋰離子電池的情況下，電池11生成3.4V～4.2V的電池電壓Vbat。電荷泵電路12包括多個開關元件；升壓用電容器以及輸出用電容器，將電池電壓Vbat以規定的升壓率升壓。在本實施方式中，電荷泵電路12具有兩個外接的電容器，根據來自控制電路100的指示信號SIG10以1.0倍、1.5倍、2.0倍三個模式的其中一個來動作。然後將升壓了的電壓供給LED13。
LED13通過由電荷泵電路12供給的電壓而發光。該LED13被作為未圖示的液晶板的背光使用。在白色LED的情況下，產生3.3～4.0V的電壓下降。根據驅動電流和周圍溫度電壓下降量不同。為了防止閃爍，亮度保持恆定，LED被恆流驅動。因此，通過恆流電路14進行恆流控制。這樣，恆流控制時，LED13可長時間發光，壽命也延長。圖1中只描述了一個LED，但設置多個LED也可以。另外，不限於白色，也可使用各種有色發光LED。此情況下，電荷泵電路12的設定升壓率也有所不同。
恆流電路14進行控制，以便流過LED13的電流成為恆流。恆流電路14根據來自控制電路100的指示信號來切換恆流值。例如，指示1mA、10mA、15mA、20mA這樣的恆流值。從外部將指示要求的亮度的電流設定信號SIG14輸入到控制電路100，請求變更亮度時，恆流電路14變更恆流值。在本實施方式中，恆流電路14在被供給0.3V以上的電壓的情況下正常動作，即，0.3V是保證恆流的最低電壓。在只供給低於0.3V的電壓的情況下，不能進行恆流控制。該最低電壓相當於恆流電路14的內部使用的電晶體的不飽和電壓。
監視電路110監視LED13的陰極-GND間的電壓，即恆流電路14的兩端電壓，通過監視信號SIG16將監視結果通知控制電路100。LED13的陰極側電壓是從電荷泵電路12的輸出電壓減去LED13的電壓下降部分後的剩餘電壓。在本實施方式中，監視電路110監視該剩餘電壓是否下降到低於0.3V。在下降到低於0.3V的情況下，向控制電路100通知電壓不足。在下降到低於0.3V時，恆流電路14不能正常動作，不能恆流驅動LED13。即，發生閃爍或亮度不足。
保護電路15監視電荷泵電路12的輸出電壓。在由監視電路110以及控制電路100進行的升壓率控制期間，保護電路15根據輸出電壓的監視結果來檢測包含升壓控制裝置1000以及作為負載的LED13的系統的異常。
在電荷泵電路12的輸出電壓持續10ms低於1.0V的情況下，保護電路15通過異常通知信號SIG18向控制電路100通知。
在接到來自監視電路110的通知時，控制電路100基於外部輸入的用於亮度調整的電流設定信號來控制電荷泵電路12的升壓率。首先，將電荷泵電路12的升壓率設定為1.0倍。然後，根據來自監視電路110的通知識別出LED13的陰極側電位下降到低於0.3V時，將電荷泵電路12的升壓率變更為1.5倍。在電荷泵電路12的升壓率為1.5倍模式的狀態，根據來自監視電路110的通知，識別出LED13的陰極側的電壓仍低於0.3V時，將該升壓率變更為2.0。另外在1.5倍模式的狀態，陰極側的電位一度返回到0.3V以上而再次下降到低於0.3V的情況也同樣。
另外，控制電路100對恆流電路14指示變更後的恆流值，變更流過LED13的電流。控制電路100通過電流設定信號SIG14來接受從大電流向小電流的恆流變更指示，並且，在電荷泵電路12的升壓率為1.5倍模式或2.0倍模式的情況下，將電荷泵電路12的升壓率變更為1.0倍。這樣，通過僅將LED13的驅動電流從大電流變為小電流時作為電荷泵電路12的升壓率返回1.0倍的條件，可進行穩定動作。即，假設電荷泵電路12的升壓率為1.5倍或2.0倍模式，即使LED13的陰極側的電位在0.3V以上並經過一定時間，電荷泵電路12的升壓率也不立即返回1.0倍。這是因為LED13的陰極側電位有不久變成低於0.3V的可能性。該可能性低的情況是在LED13的驅動電流從大電流變為小電流時。
進而，控制電路100在通過異常通知信號SIG18從保護電路15接受異常狀態的通知時，移至後述的短路保護差錯模式。
接著，說明由IC晶片構成上述的升壓控制裝置1000的例子。圖2是由IC晶片構成升壓控制裝置1000的情況下的方框圖。該IC晶片是除了圖1示出的外接電容器以外將電荷泵電路12、恆流電路14、控制電路100以及監視電路110集成化的集成電路。在圖2中，為了簡化，將控制電路100、監視電路110、以及保護電路15省略。
電壓調整電路12b包括由差動放大器構成的反轉放大器，與未圖示的內置的電晶體一同構成調整電路。該電壓調整電路12b經由IC晶片的VBAT端子，接受來自電池11的電源供給而動作，通過未圖示的內置的電晶體，將電池電壓Vbat降壓後輸出到電荷泵電路12a。
電壓調整電路12b將電荷泵電路12a的輸出電壓進行分壓的電壓與基準電壓VREF比較，控制電荷泵電路12a的輸入電壓以便消除兩者之差。在本實施方式中，將基準電壓設定為1.2V。在電壓調整電路12b和電荷泵電路12a之間連接經由CPIN端子的相位補償用電容器C3。AGND端子是本IC晶片的接地用端子。
兩個升壓用電容器C1、C2經由C1P端子、C1M端子、C2P端子、以及C2M端子的四個端子連接到電荷泵電路12a。在升壓用電容器C1、C2以及相位補償用電容器C3、輸出用電容器C4之間設置開關元件。電荷泵電路12a使用振蕩電路12C所供給的脈衝來控制各開關元件的導通、截止狀態，以規定的形式控制升壓用電容器C1、C2的充放電狀態，將升壓率設定成1.5倍或2.0倍。振蕩電路12c生成設定的頻率的脈衝供給電荷泵電路12a。在本實施方式中，電荷泵電路12a的輸出電壓固定為4.5V。該輸出電壓由於反饋至電壓調整電路12b，所以進行控制以便在超過4.5V時降低電壓調整電路12b的輸出電壓、低於4.5V時升高該輸出電壓，從而保持恆定。電荷泵電路12a的輸出經由CPOUT端子對輸出用電容器C4充電，供給LED13組。CGND端子是電荷泵電路12A的接地用端子。再有，本發明不限於反饋型的電荷泵，也可用於不反饋的電荷泵。
電荷泵電路12a的升壓率如以下那樣切換。在升壓率1.0倍時，設置在電荷泵電路12A的輸入端子和輸出端子間的開關元件導通。
在升壓率2倍時，在第一狀態中，將升壓用電容器C1、C2並聯連接，通過電荷泵電路12a的輸入電壓來充電。在第二狀態中，在電荷泵電路12a的輸入輸出端子間連接由輸入電壓充電了的升壓用電容器C1、C2。通過交替重複第一狀態、第二狀態，對電荷泵電路12a的輸出端子輸出輸入電壓的2倍電壓。
在升壓率1.5倍時，在第一狀態，將升壓用電容器C1、C2串聯連接，通過電荷泵電路12a的輸入電壓充電。此時，各電容器C1、C2分別被以電荷泵電路12a的輸入電壓的1/2倍的電壓充電。接著在第二狀態，在電荷泵電路12a的輸入輸出端子間並聯連接充電了的升壓用電容器C1、C2。通過交互反覆第一狀態、第二狀態，對電荷泵電路12a的輸出端子輸出輸入電壓的1.5倍電壓。
LED13被設置多個。在本實施方式中，設置四個LED13a～d作為主LED、2個LED13e～f作為子LED。對這些LED13a～f的陽極側供給4.5V。另外，恆流電路14經由各個開關121而連接到LED13a～f。LED13a～f被恆流驅動，以一定亮度發光。各LED13a～f下降的電壓量因驅動電流和周圍溫度等的影響而不是恆定的。
各LED13a～f的端子是用於監視各LED13a～f中下降之後的陰極側的電位的端子。在圖2中未圖示的監視電路110監視LED13a～F的哪一個端子是否下降到低於0.3V。恆流電路14被設定在每個LED13a～f中。通過電流控制部120的控制，流過各LED13a～f的電流成為規定的恆流。使哪個LED發光由開關121的導通、截止來控制。主LED、子LED中流過的電流可通過恆流電路14設定成1mA、10mA、15mA、20mA的其中一個。再有，也可進行比其更細的電流設定，也可進行各通路(channel)的每個LED的獨立的電流設定。
LED_SEL端子、CC1端子、以及CC2端子是接受來自外部的電流控制命令的電流控制端子。從這些端子輸入數字值，輸入到電流控制部120。根據從這些端子輸入的數字值的組合，電流控制部120對恆流電路14進行控制。生成恆流。
圖3是表示電流控制部120的電流控制的例子的表。在LED_SEL端子、CC1端子、以及CC2端子都為低電平的情況下，所有的LED13a～f都為截止而為待機的狀態。例如，CC2端子成為高電平時，作為子LED的LED13e～f開始流過1mA的恆流。這樣，通過輸入到三個端子的來自外部的數位訊號的組合可進行電流控制。
下面說明圖2示出的升壓控制裝置1000的動作。圖4是用於說明升壓控制裝置1000的動作的流程圖。在LED_SEL端子、CC1端子、以及CC2端子三個電流控制端子都為低電平的狀態時，為待機模式(S1)。在三個電流控制端子的一個以上的端子成為高電平時(S2為「是」)，移至軟啟動模式(S3)。
軟啟動模式，為了防止向CPIN端子的相位補償用電容器C3的突入電流而等待2ms。2ms是預先設定的時間。該模式中的電荷泵電路12a的升壓率設定為1.0倍。在該期間，監視LEDa～f端子的電壓(S4)。各LEDa～f端子中，在檢測出有一個以上低於0.3V的端子的情況下(S4為「是」)，該端子判斷為不使用通道。在以後的模式切換處理中，不使用通道不作為監視對象(S5)。該端子被鎖定在該狀態。如果不進行該處理，則在以後的處理中總是自動地將升壓率提高。將用戶不使用通道的端子處理成接地電位，則在S5中該端子被從監視對象中排除。
在經過2ms後，自動地從軟啟動模式移至標準1.0倍模式(S6)。該模式中的電荷泵電路12a的升壓率設定成1.0倍。集成化的升壓控制裝置1000的保護電路15監視表示電荷泵電路12a的輸出電壓的CPOUT端子的電壓(S7)。持續10msCPOUT端子的電壓低於1.0V的情況下(S7為「是」)，移至短路保護差錯模式SCPERR(S16)。
與此同時，升壓控制裝置1000的監視電路110監視所有LEDa～f端子的電壓(S8)。在LEDa～f端子之中存在持續2ms低於0.3V的端子的情況下(S8為「是」)，自動地從標準1.0倍模式移至標準1.5倍模式(S9)。2ms期間是施加數字濾波的期間，是用於排除電流在瞬間發生下衝，端子電壓低於0.3V的情形的期間。由於人眼不能識別下衝造成的LED13a～f的瞬時停止，所以沒有必要特意拾取該期間。在CPOUT端子的電壓不低於1.0V(S7為「否」)並且所有的LEDa～f端子的電壓為0.3V以上的(S8為「是」)的情況下，維持標準1.0倍模式(S6)。
標準1.5倍模式中的電荷泵電路12a的升壓率被設定為1.5倍。升壓控制裝置1000的保護電路15監視表示電荷泵電路12a的輸出電壓的CPOUT端子的電壓(S10)。持續10msCPOUT端子的電壓低於1.0V的情況下(S10為「是」)，移至短路保護差錯模式(S16)。同時升壓控制裝置1000的控制電路100監視電流控制端子(S11)。在從大電流變成小電流的情況下(S11為「是」)，移至標準1.0倍模式(S6)。這裡，控制電路100在LED_SEL端子或CC1端子從高電平變成低電平時判斷為從大電流變成小電流就可以。
與此同時，升壓控制裝置1000的監視電路110監視所有LEDa～f端子的電壓(S12)。在LEDa～f端子之中存在持續2ms、低於0.3V的端子的情況下(S12為「是」)，自動地從標準1.5倍模式移至標準2.0倍模式(S13)。在CPOUT端子的電壓不低於1.0V(S10為「否」)、未從大電流變成小電流(S11為「否」)、並且所有的LEDa～f端子的電壓為0.3V以上的(S12為「是」)的情況下，維持標準1.5倍模式(S9)。
標準2.0倍模式中的電荷泵電路12a的升壓率被設定為2.0倍。升壓控制裝置1000的保護電路15監視表示電荷泵電路12a的輸出電壓的CPOUT端子的電壓(S14)。在持續10ms、CPOUT端子的電壓低於1.0V的情況下(S14為「是」)，移至短路保護差錯模式(S16)。與此同時，升壓控制裝置1000的控制電路100監視電流控制端子(S15)。在從大電流變成小電流的情況下(S15為「是」)，移至標準1.0倍模式(S6)。在CPOUT端子的電壓不低於1.0V(S14為「否」)並且未從大電流變成小電流(S15為「否」)的情況下，維持標準2.0倍模式(S13)。
短路保護差錯模式是判斷發生了例如LED的端子間短路狀態等的機械性異常、CPOUT端子接地等的差錯時的模式(S16)。在該模式中，停止電荷泵電路12a的動作。由於電荷泵電路12a的電流能力大，所以如果短路，則流過大電流。在軟啟動模式中，即使CPOUT端子的電壓下降也不是異常，所以不監視CPOUT端子的電壓，在移至標準1.0倍模式之後，開始監視。從短路保護差錯模式經過100ms後，移至待機模式。
以上，基於實施方式說明了本發明。本領域技術人員應理解，實施方式僅是例示，其各構成部件和各處理過程的組合可有各種各樣的變形例，而且這些變形例也屬於本發明的範圍。
圖5是表示第一變形例的升壓控制裝置的結構的圖。第一變形例是替換恆流電路14和LED13的順序的例子。監視電路110監視恆流電路14的兩端電壓，檢測該兩端電壓是否下降到低於保證恆流的最低電壓。在其他方面與上述實施方式相同。
圖6是表示第二變形例的升壓控制裝置的結構的圖。第二變形例不是在電池11和LED13之間設置電荷泵電路12，而是在恆流電路14的後級設置了負升壓的電荷泵電路12d。監視電路110監視恆流電路14的兩端電壓，檢測該兩端電壓是否下降到低於保證恆流的最低電壓，在低於最低電壓的情況下通知控制電路100。控制電路100對負升壓的電荷泵電路12d進行控制，使恆流電路14的輸出電壓下降。通過這樣，將恆流電路14的兩端電壓控制在保證恆流的電壓範圍。在其他方面，只是升壓率的控制反轉，與上述實施方式相同。
另外，在對LED13進行PWM(Pulse Width Modulation)控制的情況下，監視電路110僅監視導通期間。
權利要求
1.一種升壓控制裝置，其特徵在於，包括升壓電路，將規定的電壓升壓，生成驅動目標負載的電壓；恆流電路，生成用於流過所述負載的恆流；監視電路，監視所述恆流電路的兩端電壓；以及控制電路，控制所述升壓電路的升壓率，在所述監視電路的監視結果，所述恆流電路的兩端電壓未達到保證恆流的最低電壓時，所述控制電路提高所述升壓電路的升壓率。
2.如權利要求1所述的升壓控制裝置，其特徵在於，所述控制電路從外部指示所述恆流電路生成的恆流值，將該恆流值設定給所述恆流電路，在指定的恆流值從大的值變更為小的值時，降低所述升壓電路的升壓率。
3.如權利要求1或2所述的升壓控制裝置，其特徵在於，所述監視電路在監視所述恆流電路之前，判定所述負載是否被連接，在所述負載未被連接的情況下，不進行與該負載對應的恆流電路的監視。
4.如權利要求1或2所述的升壓控制裝置，其特徵在於，在所述升壓電路起動時的規定期間，在所述恆流電路的兩端電壓未達到所述最低電壓時，所述監視電路停止監視該恆流電路的電壓。
5.如權利要求1或2所述的升壓控制裝置，其特徵在於，該升壓控制裝置還包括監視所述升壓電路的輸出電壓的保護電路，在由所述監視電路以及所述控制電路進行升壓率控制期間，所述保護電路根據所述輸出電壓的監視結果，檢測包含本裝置和所述負載的系統的異常。
6.如權利要求1所述的升壓控制裝置，其特徵在於還包括電壓調節部，該電壓調節部調節所述升壓電路的輸入電壓，以便所述升壓電路的輸出電壓接近規定的基準電壓。
7.如權利要求6所述的升壓控制裝置，其特徵在於，所述電壓調節部包括誤差放大器，將所述升壓電路的輸出電壓和所述基準電壓的誤差放大；以及電晶體，其導通電阻根據所述誤差放大器的輸出電壓而受到控制。
8.一種電子裝置，其特徵在於，包括如權利要求1或2所述的升壓控制裝置；以及由所述升壓控制裝置驅動的發光元件。
9.如權利要求8所述的電子裝置，其特徵在於，該電子裝置還包括將所述發光元件作為背光來動作的液晶板。
全文摘要
本發明提供一種具有升壓率控制功能的升壓控制裝置。電荷泵電路(12)將電池(11)的電壓升壓，生成LED(13)的驅動電壓。恆流電路(14)生成用於流過LED(13)的恆流。監視電路(110)監視LED(13)的陰極側的電位，即恆流電路(14)的兩端電壓。控制電路(100)接受來自監視電路(110)的監視結果，在恆流電路(14)的兩端電壓低於保證恆流的最低電壓的情況下，提高電荷泵電路(12)的升壓率。另外，控制電路(100)將由外部指定的恆流值設定給恆流電路(14)。在指定的恆流值從大的值變更為小的值時，電荷泵電路(12)的升壓率返回至1.0倍。
文檔編號H02M3/00GK1677816SQ200510054888
公開日2005年10月5日 申請日期2005年3月22日 優先權日2004年3月30日
發明者山本勳, 荒木享一郎, 影本升 申請人:羅姆股份有限公司