LCD用の補助バイアスを生成するシングルセル昇圧コンバータ

要約

このアプリケーションノートでは、小型の低入力電圧またはバッテリ駆動システム用のCMOS、ステップアップDC-DCスイッチングレギュレータが、どのように液晶ディスプレイ(LCD)用の補助バイアスを生成することができるのかについて説明します。

図1の回路は、小型のグラフィック液晶ディスプレイを備えたポケットベルやその他の携帯用機器で一般的に要求される2つの電源電圧(安定化3.3V (100mA)およびLCDのバイアス電圧用の安定化負出力)を生成します。全体的な効率は約80%となっています。

図1. この回路では安定化V_CC (3.3Vまたは5V)および安定化負LCDバイアス電圧(この場合-8V)を提供します。

3.3Vの主電源は、標準的な構成で動作する昇圧コンバータ(IC1)で供給されます。補助バイアス電圧は追加フライバック巻線(T1二次巻線)で供給され、Q1およびIC1内部のローバッテリディテクタを通じて安定化されます。

電池が放電していくにつれて端子電圧が低下し、それがフライバック巻線の誘導電圧の低下をもたらします。最低バッテリ電圧(0.8V)では、T1の一次巻線の電圧は3.3V - 0.8V = 2.5Vになります。従って、巻数比が6:1の場合は二次電圧が6 × 2.5 = 15Vになります。最大バッテリ電圧(1.65V)においては、一次電圧は僅か1.65Vですが、二次は9.9Vになります。MOSFET Q1は、二次電流を中断することにより一定の(即ち有用な)負の出力を生成するために必要なレギュレーションを提供して出力を安定化させます。

このレギュレータでは、IC1のローバッテリディテクタ(コンパレータとリファレンスの組合わせ)をQ1のオン/オフコントローラとして使用しています。通常、入力(LBI)が正のバッテリ電圧を監視し、LBIが1.25V以下に下がると出力(LBO)をローにします。この回路のR1/R2分圧器は、LBIをV_CTRL (通常3.3V)とLCDバイアス出力(通常-8V)の間に保ちます。R1とR2の値は、LCDバイアスが負になりすぎてLBI電圧を1.25V以下に引き下げたときにLBOがQ1をターンオフするように指定します。このようにすると、負荷電流によりLCDバイアスが上方向(0Vの方)にドリフトしてLBIが1.25Vを超えるようになります。

するとQ1が再びターンオンします。バイアス出力は公称値の上下に変動するため、リップル電圧が生じます。リップルの周波数は、出力フィルタコンデンサのサイズ、出力負荷およびIC1のローバッテリコンパレータのヒステリシスに依存します。図の回路におけるこの周波数は約150Hzで、リップル振幅はヒステリシス(約25mV)で決まります。ヒステリシスにR1/R2比を掛けたものがリップル振幅ですが、出力-8V/1mAとして約100mVとなります。リップルはこのヒステリシスコンバータの動作に必須であるため、直接これを低減することはできません。殆どのLCDはバイアスリップルに対して高い許容度を持っていますが、そうでない場合は負出力のところにRCネットワークまたはリニアレギュレータを付加することにより、リップルを最小限に抑えることができます。

LCD ON端子へのロジック信号によって、負出力をイネーブルまたはディセーブルできます。この信号電圧がフィードバックレベルも設定するため、完全なCMOSスイングが必要です。さらに、LCD ONに可変電圧を印加して出力を可変にすることもできます。電圧が1.25V以下の場合は出力がオフになり、電圧が1.25V以上になると出力はオフセット1.25V、傾きが-R1/R2 (V_CTRL - 1.25V)で変化します。この可変入力は、低電力のディジタルアナログコンバータまたはマイクロコントローラからのフィルタリングされたパルス幅変調器出力によって生成することが可能で、これにより温度またはLCDの表示条件の変化に対応してLCDコントラストを変えることができます。(図1の出力電圧の式を参照)。

IC1の3/アクティブロー5端子を接地することにより、主電圧を3.3Vから5Vに変えることができます。その場合、最大バッテリ電圧におけるT1の一次電圧が3.35Vまで上がるため、巻数比を3:1に減らしてください。そして、希望の負出力レベルが得られるようにR1およびR2を調節してください。

同様のアイデアが｢Electronic Design｣の1996年11月4日号に掲載されました。