JP4570507B2

JP4570507B2 - 定電圧回路、定電圧回路を備えた半導体装置及び定電圧回路の制御方法

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Publication number: JP4570507B2
Application number: JP2005123696A
Authority: JP
Inventors: 英樹上里; 陽一洒井
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2005-04-21
Filing date: 2005-04-21
Publication date: 2010-10-27
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Description

本発明は、スイッチングレギュレータとシリーズレギュレータの両方を備えた定電圧回路、定電圧回路を備えた半導体装置及び定電圧回路の制御方法に関し、特に、ソフトスタート機能を有する場合の起動時間を短縮することができる定電圧回路、定電圧回路を備えた半導体装置及び定電圧回路の制御方法に関する。

近年、環境問題への配慮から、電子機器の省電力化が求められおり、特に電池駆動の電子機器においてその傾向が顕著である。一般に省電力化を図る手段としては、電子機器で消費する電力を削減することと、電源回路自体の効率を向上させ無駄な電力消費を抑えることが重要である。電子機器で消費する電力を削減する方法の１つとして、電子機器が動作していない状態では、スタンバイ状態として、電子機器内の回路動作を停止し、消費電力を低減させることが一般的に行われている。しかし、電子機器がスタンバイ状態に移行しても、電源回路自体の効率が悪いのでは、十分な省電力効果を期待することができない。

電子機器に用いられる一般的な電源回路としては、スイッチングレギュレータと、シリーズレギュレータがある。
スイッチングレギュレータは、定格負荷における効率は高いが、出力電圧のリプルや作動時のノイズが大きく、内部で消費する電力が比較的大きいため、出力電流が小さい軽負荷の場合は効率を著しく低下させてしまう。更に、電源投入時の出力電圧の立ち上がりや、入力電圧変動及び負荷変動に対するそれぞれの応答時間がやや遅いため、出力電圧の安定度が低いという欠点があった。

一方、シリーズレギュレータは、負荷電流が大きい場合は出力トランジスタで消費する電力が大きいため効率は低いが、出力電圧のリプルが少なく、作動時のノイズも小さい上に、電源制御回路内部で消費する電力を小さくすることができる。このため、シリーズレギュレータは、負荷電流が小さい場合、スイッチングレギュレータよりも高効率が得られる場合があった。更に、出力電圧の立ち上がりや、入力電圧変動及び負荷変動におけるそれぞれの応答時間を短縮することも容易であり、しかも出力電圧安定度が高い。
そこで、前記各レギュレータをそれぞれ備え、消費電流に応じて、いずれか一方のレギュレータだけを使用することで、定電圧回路自体の効率を向上させたものがあった（例えば、特許文献１参照。）。

図１０は、このような定電圧回路の構成例を示した図である。
図１０の定電圧回路１０１は、同じ直流電源１１０から入力された電圧をそれぞれ異なる電圧に変換して出力するスイッチングレギュレータ１０２とシリーズレギュレータ１０３とを備え、制御回路部１０４は、外部から入力される切換制御信号Ｓｃに応じてスイッチングレギュレータ１０２又はシリーズレギュレータ１０３のいずれか一方を作動させるように、スイッチングレギュレータ１０２及びシリーズレギュレータ１０３の切換動作の制御を行い、該制御時には、一旦スイッチングレギュレータ１０２とシリーズレギュレータ１０３を共に作動させてから、所望のレギュレータのみを引き続き作動させるようにしていた。

一方、一般のスイッチングレギュレータは、起動時にスイッチングトランジスタに過大な電流が流れないようにするために、徐々に出力電圧を立ち上げるソフトスタート回路を備えていた。このようなソフトスタート回路としては、コンデンサを用いて、基準電圧を徐々に増加させるもの（例えば、特許文献２参照。）や、Ｄ−Ａ変換器を用いて、基準電圧を徐々に大きくするもの（例えば、特許文献３参照。）があった。
特開２００３−２１６２４７号公報特開２００３−７９１３３号公報特開２００３−３２４９３９号公報

近年、ＣＰＵ動作の高速化や、データ通信の高速化が急速に進行しており、電子機器、特に携帯電話やＰＤＡ（personal digital assistants）等の情報機器においては、電源がオンしてからなるべく早く動作を開始させたいとの要求が高まってきていた。しかし、定電圧回路の起動時には、スイッチングレギュレータのソフトスタート回路が作動するため、定電圧回路の出力電圧立ち上がり時間はソフトスタート回路によって制限され、定電圧回路を高速に立ち上げることができなかった。

本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、ソフトスタート機能を有する定電圧回路の出力電圧の立ち上げを早くすることができる定電圧回路、定電圧回路を備えた半導体装置及び定電圧回路の制御方法を得ることを目的とする。

この発明に係る定電圧回路は、入力端子に入力された入力電圧を所定の定格電圧に変換して出力端子から出力する定電圧回路において、
作動開始時に出力電圧を所定の速度で前記定格電圧まで上昇させるソフトスタート動作を行う機能を有し、前記入力電圧を前記定格電圧に変換して前記出力端子に出力するスイッチングレギュレータと、
出力する電流が所定値以下になるように電流制限を行う機能を有し、前記入力電圧を前記定格電圧に変換して前記出力端子に出力するシリーズレギュレータと、
を備え、
前記スイッチングレギュレータ及びシリーズレギュレータは、スイッチングレギュレータ及びシリーズレギュレータのいずれか一方を排他的に作動させるために外部から入力される選択信号に応じて作動開始し、前記シリーズレギュレータは、前記スイッチングレギュレータが作動開始すると同時に作動開始し、該スイッチングレギュレータのソフトスタート動作が完了すると自動的に前記出力端子への電流出力を停止するものである。

具体的には、前記スイッチングレギュレータは、ソフトスタート動作が終了すると所定の作動完了信号を出力し、前記シリーズレギュレータは、該所定の作動完了信号が出力されると前記出力端子への電流出力を停止するようにした。

また、前記シリーズレギュレータは、前記所定の作動完了信号が出力されると前記出力端子に出力する電圧を低下させるようにした。

前記シリーズレギュレータは、
入力された制御信号に応じた電流を前記入力端子から前記出力端子に出力する出力トランジスタと、
所定の基準電圧を生成して出力する基準電圧発生回路部と、
入力された制御信号に応じて、前記出力端子の電圧の検出を行い該検出した電圧に比例した比例電圧を生成して出力する出力電圧検出回路部と、
前記出力電圧検出回路部から出力された電圧が前記基準電圧になるように前記出力トランジスタの動作制御を行う、所定のバイアス電流が供給された誤差増幅回路部と、
前記所定の作動完了信号が出力されると、前記出力電圧検出回路部に対して、前記比例電圧の生成動作を停止させ該比例電圧の代わりに前記出力端子の電圧を出力させる制御回路部と、
を備えるようにした。

また、作動開始時に出力電圧を前記定格電圧まで上昇させる速度が、前記シリーズレギュレータのほうが前記スイッチングレギュレータよりも速くなるようにした。

また、前記シリーズレギュレータは、作動開始時に出力電圧を前記定格電圧まで上昇させる速度が前記電流制限値によって設定されるようにした。

また、前記スイッチングレギュレータは、
制御電極に入力された制御信号に応じてスイッチングし、前記入力電圧の出力制御を行うスイッチング素子と、
前記出力端子から出力される電圧が所定の電圧になるように、該スイッチング素子に対してスイッチング制御を行うスイッチング制御回路部と、
前記スイッチング素子から出力された電圧を平滑して前記出力端子に出力する平滑回路部と、
を備え、
前記平滑回路部は、前記スイッチング素子と直列に接続され、前記スイッチング制御回路部によってスイッチング制御される同期整流用スイッチング素子を備え、前記スイッチング素子、同期整流用スイッチング素子、スイッチング制御回路部及び前記シリーズレギュレータは、１つのＩＣに集積されるようにした。

また、前記スイッチングレギュレータは、
制御電極に入力された制御信号に応じてスイッチングし、前記入力電圧の出力制御を行うスイッチング素子と、
前記出力端子から出力される電圧が所定の電圧になるように、該スイッチング素子に対してスイッチング制御を行うスイッチング制御回路部と、
前記スイッチング素子から出力された電圧を平滑して前記出力端子に出力する平滑回路部と、
を備え、
前記スイッチング素子、スイッチング制御回路部及び前記シリーズレギュレータは、１つのＩＣに集積されるようにしてもよい。

また、前記スイッチングレギュレータは、
制御電極に入力された制御信号に応じてスイッチングし、前記入力電圧の出力制御を行うスイッチング素子と、
前記出力端子から出力される電圧が所定の電圧になるように、該スイッチング素子に対してスイッチング制御を行うスイッチング制御回路部と、
前記スイッチング素子から出力された電圧を平滑して前記出力端子に出力する平滑回路部と、
を備え、
前記平滑回路部は、前記スイッチング素子と直列に接続されたフライホイールダイオードを備え、前記スイッチング素子、フライホイールダイオード、スイッチング制御回路部及び前記シリーズレギュレータは、１つのＩＣに集積されるようにしてもよい。

また、この発明に係る半導体装置は、入力端子に入力された入力電圧を所定の定格電圧に変換して出力する定電圧回路を備えた、所定の機能を有する半導体装置において、
前記定電圧回路は、
作動開始時に出力電圧を所定の速度で前記定格電圧まで上昇させるソフトスタート動作を行う機能を有し、前記入力電圧を前記定格電圧に変換して出力するスイッチングレギュレータと、
出力する電流が所定値以下になるように電流制限を行う機能を有し、前記入力電圧を前記定格電圧に変換して出力するシリーズレギュレータと、
を備え、
前記スイッチングレギュレータ及びシリーズレギュレータは、スイッチングレギュレータ及びシリーズレギュレータのいずれか一方を排他的に作動させるために外部から入力される選択信号に応じて作動開始し、前記シリーズレギュレータは、前記スイッチングレギュレータが作動開始すると同時に作動開始し、該スイッチングレギュレータのソフトスタート動作が完了すると自動的に電流出力を停止するものである。

具体的には、前記スイッチングレギュレータは、ソフトスタート動作が終了すると所定の作動完了信号を出力し、前記シリーズレギュレータは、該所定の作動完了信号が出力されると電流出力を停止するようにした。

また、前記シリーズレギュレータは、前記所定の作動完了信号が出力されると出力する電圧を低下させるようにした。

また、この発明に係る定電圧回路の制御方法は、作動開始時に出力電圧を所定の速度で所定の定格電圧まで上昇させるソフトスタート動作を行う機能を有し、入力電圧を該定格電圧に変換して出力端子に出力するスイッチングレギュレータと、
出力する電流が所定値以下になるように電流制限を行う機能を有し、前記入力電圧を前記定格電圧に変換して前記出力端子に出力するシリーズレギュレータと、
を備えた、前記入力端子に入力された入力電圧を前記定格電圧に変換して前記出力端子から出力する定電圧回路の制御方法において、
前記シリーズレギュレータは、
前記スイッチングレギュレータが作動開始すると同時に作動開始し、
該スイッチングレギュレータのソフトスタート動作が完了すると自動的に前記出力端子への電流出力を停止するようにした。

具体的には、前記シリーズレギュレータは、作動開始時に出力電圧を前記定格電圧まで上昇させる速度が前記スイッチングレギュレータよりも速くなるようにした。

本発明の定電圧回路によれば、前記シリーズレギュレータは、前記スイッチングレギュレータが作動開始すると同時に作動開始し、該スイッチングレギュレータのソフトスタート動作が完了すると自動的に前記出力端子への電流出力を停止するようにしたことから、ソフトスタート動作の作動時間が長くても、短時間で出力電圧を定格電圧まで立ち上げることができる。
また、ソフトスタート動作が完了し、スイッチングレギュレータの出力電圧が定格電圧に達した後は、シリーズレギュレータの電流出力を自動的に停止するようにしたことから、シリーズレギュレータによる無駄な電力消費を低減させることができる。
更に、スイッチングレギュレータはソフトスタート動作を行って出力電圧を定格電圧まで立ち上げていることから、スイッチングトランジスタに過大な電流を通電することなく、安全にしかも短時間で出力電圧を定格電圧まで立ち上げることができる。

次に、図面に示す実施の形態に基づいて、本発明を詳細に説明する。
第１の実施の形態．
図１は、本発明の第１の実施の形態における定電圧回路の構成例を示した図である。
図１において、定電圧回路１は、電池等の直流電源５から入力端子ＩＮに入力された入力電圧Ｖｉｎを所定の定電圧に変換して出力端子ＯＵＴから出力電圧Ｖｏｕｔとして出力する。出力端子ＯＵＴと接地電圧との間には負荷６が接続され、負荷６に出力電圧Ｖｏｕｔが供給される。

定電圧回路１は、入力電圧Ｖｉｎを所定の電圧に変換し出力電圧Ｖｏ１として出力端子ＯＵＴに出力するスイッチングレギュレータ２と、入力電圧Ｖｉｎを所定の電圧に変換し出力電圧Ｖｏ２として出力端子ＯＵＴに出力するシリーズレギュレータ３とを備えている。
スイッチングレギュレータ２は、入力端子ＩＮに入力された入力電圧Ｖｉｎの出力制御を行うＰＭＯＳトランジスタからなるスイッチングトランジスタＭ１と、ＮＭＯＳトランジスタからなる同期整流用スイッチングトランジスタＭ２と、平滑用のインダクタＬ１及びコンデンサＣ１と、出力電圧Ｖｏｕｔを分圧して第１分圧電圧ＶＦＢ１を生成し出力する出力電圧検出用の抵抗Ｒ１，Ｒ２と、一端が出力端子ＯＵＴに接続された抵抗Ｒ１及びＲ２からなる直列回路の他端に対する接地電圧への接続制御を行うＮＭＯＳトランジスタＭ３とを備えている。

また、スイッチングレギュレータ２は、入力された信号に応じた電圧の第１基準電圧Ｖｒ１を生成して出力する第１基準電圧発生回路１１と、前記第１分圧電圧ＶＦＢ１と該第１基準電圧Ｖｒ１との電圧差を増幅して出力する第１誤差増幅回路１２と、所定の三角波信号ＴＷを生成して出力する三角波発生回路１３とを備えている。また、スイッチングレギュレータ１は、第１誤差増幅回路１２の出力電圧Ｖｅｒと三角波発生回路１３からの三角波信号ＴＷとの電圧比較を行い、出力電圧Ｖｅｒに応じたパルス幅を有するＰＷＭ制御を行うためのパルス信号Ｓｐｗを生成して出力するＰＷＭ比較回路１４と、該ＰＷＭ比較回路１４からのパルス信号Ｓｐｗに応じて、スイッチングトランジスタＭ１のスイッチング制御を行うための制御信号ＰＤを生成してスイッチングトランジスタＭ１を駆動すると共に同期整流用スイッチングトランジスタＭ２のスイッチング制御を行うための制御信号ＮＤを生成して同期整流用スイッチングトランジスタＭ２を駆動する出力制御回路１５とを備えている。

更に、スイッチングレギュレータ２は、スイッチングトランジスタＭ１のオン時の電圧降下を検出し、スイッチングトランジスタＭ１からの出力電流が規定の電流値を超えると出力制御回路１５に対してスイッチングトランジスタＭ１及び同期整流用スイッチングトランジスタＭ２をそれぞれオフさせる第１出力電流制限回路１６と、スイッチングレギュレータ２の起動時に第１基準電圧Ｖｒ１を徐々に大きくして、スイッチングトランジスタＭ１に過大な電流が流れないように制御するソフトスタート回路１７と、ＡＮＤ回路１８とを備えている。なお、第１基準電圧発生回路１１、第１誤差増幅回路１２、三角波発生回路１３、ＰＷＭ比較回路１４、出力制御回路１５、第１出力電流制限回路１６及びソフトスタート回路１７はスイッチング制御回路部をなし、同期整流用スイッチングトランジスタＭ２、インダクタＬ１及びコンデンサＣ１は平滑回路部をなす。

一方、シリーズレギュレータ３は、所定の第２基準電圧Ｖｒ２を生成して出力する第２基準電圧発生回路２１と、出力電圧Ｖｏｕｔを分圧して第２分圧電圧ＶＦＢ２を生成し出力する出力電圧検出用の抵抗Ｒ３，Ｒ４と、一端が出力端子ＯＵＴに接続された抵抗Ｒ３及びＲ４からなる直列回路の他端に対する接地電圧への接続制御を行うＮＭＯＳトランジスタＭ５とを備えている。また、シリーズレギュレータ３は、ゲートに入力された信号に応じて出力端子ＯＵＴに出力する電流の制御を行うＰＭＯＳトランジスタからなる出力トランジスタＭ４と、第２分圧電圧ＶＦＢ２が第２基準電圧Ｖｒ２になるように出力トランジスタＭ４の動作制御を行う第２誤差増幅回路２２とを備えている。更に、シリーズレギュレータ３は、出力トランジスタＭ４から出力される電流が所定値以上になると出力トランジスタＭ４の動作制御を行って該出力電流を制限する第２出力電流制限回路２３と、ＮＭＯＳトランジスタＭ５の動作制御を行うＴＲ制御回路２４とを備えている。なお、抵抗Ｒ３，Ｒ４及びＮＭＯＳトランジスタＭ５は出力電圧検出回路部をなし、ＴＲ制御回路２４は制御回路部をなす。

また、ＡＮＤ回路１８の各入力端には、外部からのモード信号ＭＯＤＥ及びチップイネーブル信号ＣＥが対応して入力されている。
定電圧回路１において、スイッチングレギュレータ２のインダクタＬ１及びコンデンサＣ１を除く各回路は１つのＩＣに集積されており、該ＩＣは、入力端子ＩＮ、出力端子ＯＵＴ、Ｌｘ端子、ＧＮＤ端子、ＭＯＤＥ端子及びＣＥ端子をそれぞれ備えている。ＧＮＤ端子は接地電圧に接続され、ＭＯＤＥ端子には、外部からのモード信号ＭＯＤＥが入力され、ＣＥ端子には外部からのチップイネーブル信号ＣＥが入力されている。なお、図１では、負荷６はＩＣに外付けされているが、負荷６が集積できる回路で構成されている場合は、該回路を図１のＩＣに集積するようにしてもよく、モード信号ＭＯＤＥは選択信号をなす。

スイッチングレギュレータ２において、入力端子ＩＮと接地電圧との間には、スイッチングトランジスタＭ１と同期整流用スイッチングトランジスタＭ２が直列に接続され、スイッチングトランジスタＭ１と同期整流用スイッチングトランジスタＭ２との接続部はＬｘ端子に接続されている。Ｌｘ端子と出力端子ＯＵＴとの間にはインダクタＬ１が接続され、出力端子ＯＵＴと接地電圧との間には、コンデンサＣ１が接続されている。また、出力端子ＯＵＴとＧＮＤ端子との間には、抵抗Ｒ１、抵抗Ｒ２及びＮＭＯＳトランジスタＭ３の直列回路が接続され、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２との接続部は、誤差増幅回路１２の反転入力端に接続され、誤差増幅回路１２の非反転入力端には第１基準電圧Ｖｒ１が入力されている。

誤差増幅回路１２の出力電圧Ｖｅｒは、ＰＷＭ比較回路１４をなすコンパレータの反転入力端に入力され、三角波発生回路１３からの三角波信号ＴＷは、該コンパレータの非反転入力端に入力されている。また、ＰＷＭ比較回路１４からのパルス信号Ｓｐｗは出力制御回路１５及び第１出力電流制限回路１６にそれぞれ出力される。出力制御回路１５は、スイッチングトランジスタＭ１のスイッチング制御を行うための制御信号ＰＤをスイッチングトランジスタＭ１のゲートに出力すると共に、同期整流用スイッチングトランジスタＭ２のスイッチング制御を行うための制御信号ＮＤを同期整流用スイッチングトランジスタＭ２のゲートに出力する。

また、第１基準電圧発生回路１１には、ソフトスタート回路１７からの信号ＳＳ１が入力されており、第１基準電圧発生回路１１は、信号ＳＳ１に応じた電圧の第１基準電圧Ｖｒ１を生成して出力する。ＡＮＤ回路１８からの出力信号は、第１基準電圧発生回路１１、第１誤差増幅回路１２、三角波発生回路１３、ＰＷＭ比較回路１４、第１出力電流制限回路１６、ソフトスタート回路１７及びＮＭＯＳトランジスタＭ３のゲートにそれぞれ出力される。

次に、シリーズレギュレータ３において、入力端子ＩＮと出力端子ＯＵＴとの間には、出力トランジスタＭ４が接続され、出力端子ＯＵＴとＧＮＤ端子との間には、抵抗Ｒ３、Ｒ４及びＮＭＯＳトランジスタＭ５が直列に接続されている。第２誤差増幅回路２２の反転入力端には第２基準電圧Ｖｒ２が入力され、第２誤差増幅回路２２の非反転入力端には第２分圧電圧ＶＦＢ２が入力されている。第２誤差増幅回路２２の出力端は、出力トランジスタＭ４のゲートに接続されている。また、ＣＥ端子に入力されたチップイネーブル信号ＣＥは、第２基準電圧発生回路２１、第２誤差増幅回路２２、第２出力電流制限回路２３及びＴＲ制御回路２４にそれぞれ入力されている。

ＴＲ制御回路２４には、モード信号ＭＯＤＥが入力され、更に、ソフトスタート回路１７からの作動完了信号ＳＳＥが入力されている。また、ＴＲ制御回路２４には、ＮＭＯＳトランジスタＭ５のゲートが接続され、ＴＲ制御回路２４は、モード信号ＭＯＤＥ、チップイネーブル信号ＣＥ及び作動完了信号ＳＳＥに応じてＮＭＯＳトランジスタＭ５の動作制御を行う。なお、出力電圧Ｖｏ１と出力電圧Ｖｏｕｔは同一電圧であるが、出力電圧Ｖｏ１と表記した場合は、スイッチングレギュレータ２が出力する目標電圧を表しており、必ずしも出力電圧Ｖｏｕｔとは一致しない。また、シリーズレギュレータ３の出力電圧Ｖｏ２についても同様である。

このような構成において、チップイネーブル信号ＣＥがローレベルのときは、モード信号ＭＯＤＥに関係なくＡＮＤ回路１８の出力端はローレベルになり、スイッチングレギュレータ２における第１基準電圧発生回路１１、第１誤差増幅回路１２、三角波発生回路１３、ＰＷＭ比較回路１４、第１出力電流制限回路１６及びソフトスタート回路１７がそれぞれ動作を停止すると共にＮＭＯＳトランジスタＭ３がオフして遮断状態になり、更に、第１出力電流制限回路１６が動作を停止することにより、出力制御回路１５も動作を停止し、制御信号ＰＤ及びＮＤの出力が停止する。

このため、スイッチングトランジスタＭ１及び同期整流用スイッチングトランジスタＭ２はそれぞれオフして遮断状態になり、スイッチングレギュレータ２の動作が停止する。また、チップイネーブル信号ＣＥがローレベルになることによって、シリーズレギュレータ３における第２基準電圧発生回路２１、第２誤差増幅回路２２、第２出力電流制限回路２３及びＴＲ制御回路２４がそれぞれ動作を停止すると共に、ＴＲ制御回路２４が動作を停止することによりＮＭＯＳトランジスタＭ５がオフして遮断状態になる。このため、出力トランジスタＭ４はオフして遮断状態になり、シリーズレギュレータ３の動作が停止する。

次に、チップイネーブル信号ＣＥがハイレベルになると、モード信号ＭＯＤＥに関係なくシリーズレギュレータ３の第２基準電圧発生回路２１、第２誤差増幅回路２２、第２出力電流制限回路２３及びＴＲ制御回路２４はそれぞれ作動する。ここで、モード信号ＭＯＤＥは、スイッチングレギュレータ２又はシリーズレギュレータ３のいずれか一方を選択して作動させるための信号であり、スイッチングレギュレータ２を作動させるときはモード信号ＭＯＤＥがハイレベルになり、シリーズレギュレータ３を作動させるときはモード信号ＭＯＤＥがローレベルになる。すなわち、チップイネーブル信号ＣＥ及びモード信号ＭＯＤＥが共にハイレベルのときは、ＡＮＤ回路１８の出力信号がハイレベルになり、スイッチングレギュレータ２における第１基準電圧発生回路１１、第１誤差増幅回路１２、三角波発生回路１３、ＰＷＭ比較回路１４、第１出力電流制限回路１６及びソフトスタート回路１７がそれぞれ作動し、スイッチングレギュレータ２が作動する。

スイッチングレギュレータ２では、スイッチングトランジスタＭ１がスイッチング動作を行い、スイッチングトランジスタＭ１がオンしたときに、インダクタＬ１に電流が供給される。このとき、同期整流用スイッチングトランジスタＭ２はオフしている。スイッチングトランジスタＭ１がオフすると、同期整流用スイッチングトランジスタＭ２がオンし、インダクタＬ１に蓄えられていたエネルギーが同期整流用スイッチングトランジスタＭ２を通して放出される。このとき発生した電流は、コンデンサＣ１で平滑されて出力端子ＯＵＴから負荷６に出力される。また、出力端子ＯＵＴから出力される出力電圧Ｖｏｕｔは、出力電圧検出用の抵抗Ｒ１とＲ２で分圧され、該第１分圧電圧ＶＦＢ１が第１誤差増幅回路１２の反転入力端に入力されている。

出力電圧Ｖｏｕｔが大きくなると、第１誤差増幅回路１２の出力電圧Ｖｅｒが低下し、ＰＷＭ比較回路１４からのパルス信号Ｓｐｗのデューティサイクルは小さくなる。その結果、スイッチングトランジスタＭ１がオンする時間が短くなり、スイッチングレギュレータ２の出力電圧Ｖｏ１が低下するように制御される。スイッチングレギュレータ２の出力電圧Ｖｏ１が小さくなると、前記と逆の動作を行い、結果としてスイッチングレギュレータ２の出力電圧Ｖｏ１は、第１基準電圧Ｖｒ１の値に応じた電圧になるように制御される。

ここで、図２は、図１の各信号の波形例を示したタイミングチャートであり、ソフトスタート回路１７の動作について、図２を参照しながらもう少し詳細に説明する。なお、図２で、１点鎖線で示した部分は、前述したように出力電圧Ｖｏｕｔと異なる部分を示している。
モード信号ＭＯＤＥがハイレベルのときに、チップイネーブル信号ＣＥがローレベルからハイレベルに変化すると、ＡＮＤ回路１８の出力信号はハイレベルになり、前述したようにスイッチングレギュレータ２は作動開始する。

スイッチングレギュレータ２が作動開始すると、まずソフトスタート回路１７が作動し、ソフトスタート回路１７は、第１基準電圧発生回路１１に対して、出力電圧Ｖｏ１が所定の定格電圧になるまで、制御信号ＳＳ１を用いて第１基準電圧Ｖｒ１の電圧を徐々に上昇させる。第１基準電圧Ｖｒ１の電圧を徐々に上昇させるため、スイッチングレギュレータ２の出力電圧Ｖｏ１は、図２の１点鎖線で示すように所定の定格電圧になるまで徐々に上昇する。このようにして、ソフトスタート回路１７は、スイッチングトランジスタＭ１に過大な電流が流れないように制御する。ソフトスタート回路１７は、ソフトスタート動作を行っているときは、作動完了信号ＳＳＥをハイレベルにし、その他のときは作動完了信号ＳＳＥをローレベルにしている。

一方、シリーズレギュレータ３は、チップイネーブル信号ＣＥがハイレベルになると作動することから、スイッチングレギュレータ２が作動しているときはシリーズレギュレータ３も作動している。このとき、ＴＲ制御回路２４は、ソフトスタート回路１７からの作動完了信号ＳＳＥがローレベルであるときはＮＭＯＳトランジスタＭ５をオフさせて遮断状態にする。また、ＡＮＤ回路１８の出力信号がローレベルになってスイッチングレギュレータ２が動作を停止する、すなわち、モード信号ＭＯＤＥがローレベルになると、ＴＲ制御回路２４は、ソフトスタート回路１７からの作動完了信号ＳＳＥに関係なく、ＮＭＯＳトランジスタ５をオンさせて導通状態にする。

ここで、ＴＲ制御回路２４の動作についてもう少し詳細に説明する。
ＴＲ制御回路２４は、チップイネーブル信号ＣＥがハイレベルでモード信号ＭＯＤＥがローレベルのときは、前述したように、ソフトスタート回路１７からの作動完了信号ＳＳＥに関係なくＮＭＯＳトランジスタＭ５をオンさせる。また、ＴＲ制御回路２４は、チップイネーブル信号ＣＥがハイレベルでモード信号ＭＯＤＥがハイレベルのときは、ソフトスタート回路１７からの作動完了信号ＳＳＥがハイレベルのときだけＮＭＯＳトランジスタＭ５をオンさせる。更に、ＴＲ制御回路２４は、チップイネーブル信号ＣＥがローレベルのときは、モード信号ＭＯＤＥ及びソフトスタート回路１７からの作動完了信号ＳＳＥに関係なくＮＭＯＳトランジスタＭ５をオフさせる。

シリーズレギュレータ３では、ＮＭＯＳトランジスタＭ５がオンして導通状態のときは、第２誤差増幅回路２２は、第２基準電圧Ｖｒ２と第２分圧電圧ＶＦＢ２との各電圧の差分を増幅して出力トランジスタＭ４のゲートに出力し、出力トランジスタＭ４の動作制御を行って出力電圧Ｖｏ２を所定の定格電圧になるように制御する。すなわち、シリーズレギュレータ３の出力電圧Ｖｏ２は、抵抗Ｒ３及びＲ４の抵抗値をそれぞれｒ３及びｒ４とすると、下記（１）式のようになる。
Ｖｏ２＝Ｖｒ２×（ｒ３＋ｒ４）／ｒ４………………（１）
また、シリーズレギュレータ３では、ＮＭＯＳトランジスタＭ５がオフして遮断状態のときは、出力電圧Ｖｏ２は、前記所定の定格電圧よりも小さい第２基準電圧Ｖｒ２になる。

シリーズレギュレータ３は、チップイネーブル信号ＣＥがハイレベルになると直ちに作動開始し、出力電圧Ｖｏ２は前記（１）式のようになる。このため、シリーズレギュレータ３は、第２出力電流制限回路２３で規定された電流値で、出力端子ＯＵＴに接続されたコンデンサＣ１を充電して出力電圧Ｖｏ２を上昇させ、第２出力電流制限回路２３で規定された電流値とコンデンサＣ１の容量で決まる時定数を、ソフトスタート作動時間よりも短くなるように設定することにより、出力電圧Ｖｏｕｔの立ち上がり特性を、図２で示すように、シリーズレギュレータ３の出力電圧Ｖｏ２の立ち上がりに合せることができるため、定電圧回路１の起動時間を短くすることができる。

ソフトスタート回路１７のソフトスタート動作が停止すると、作動完了信号ＳＳＥがハイレベルからローレベルに変化するため、ＴＲ制御回路２４は、ＮＭＯＳトランジスタＭ５をオフさせる。このことから、シリーズレギュレータ３の出力電圧Ｖｏ２は、図２の１点鎖線で示すように第２基準電圧Ｖｒ２になるが、出力電圧Ｖｏｕｔは、スイッチングレギュレータ２の出力電圧Ｖｏ１によって定格電圧まで上昇しているため、第２誤差増幅回路２２の出力信号はハイレベルとなり、出力トランジスタＭ４をオフさせる。すなわち、シリーズレギュレータ３からは電流が出力されず、スイッチングレギュレータ２からのみ負荷６に電力が供給される。

なお、図１の同期整流用スイッチングトランジスタＭ２の代わりにフライホイールダイオードＤ１を使用してもよく、この場合、図１は図３のようになる。図３では、図１と同じもの又は同様のものは図１と同じ符号で示しており、フライホイールダイオードＤ１をＩＣ外に設けた場合を例にして示しているが、フライホイールダイオードＤ１にＰＮ接合型等の集積化に適したダイオードを使用した場合、フライホイールダイオードＤ１はＩＣ内に形成される。なお、フライホイールダイオードＤ１、インダクタＬ１及びコンデンサＣ１は平滑回路部をなす。

このように、本第１の実施の形態における定電圧回路は、起動時に、スイッチングレギュレータ２とシリーズレギュレータ３が同時に作動するようにして、ソフトスタート回路１７の作動時間が長くても、シリーズレギュレータ３の第２出力電流制限回路２３で制限される電流とコンデンサＣ１の時定数で決まる時間で出力電圧Ｖｏｕｔを立ち上げるようにしたことから、出力電圧Ｖｏｕｔを短時間で定格電圧まで立ち上げることができる。更に、スイッチングレギュレータ２はソフトスタート回路１７によって出力電圧Ｖｏ１の立ち上げを行っているため、スイッチングトランジスタＭ１に過大な電流が流れないようにすることができ、安全でしかも短時間で出力電圧の立ち上げを行うことができる。

本発明の第１の実施の形態における定電圧回路の構成例を示した図である。図１の各信号の波形例を示したタイミングチャートである。本発明の第１の実施の形態における定電圧回路の他の構成例を示した図である。従来の定電圧回路の構成例を示した図である。

符号の説明

１定電圧回路
２スイッチングレギュレータ
３シリーズレギュレータ
５直流電源
６負荷
１１第１基準電圧発生回路
１２第１誤差増幅回路
１３三角波発生回路
１４ＰＷＭ比較回路
１５出力制御回路
１６第１出力電流制限回路
１７ソフトスタート回路
１８ＡＮＤ回路
２１第２基準電圧発生回路
２２第２誤差増幅回路
２３第２出力電流制限回路
２４ＴＲ制御回路
Ｍ１スイッチングトランジスタ
Ｍ２同期整流用スイッチングトランジスタ
Ｍ３，Ｍ５ＮＭＯＳトランジスタ
Ｍ４出力トランジスタ
Ｌ１インダクタ
Ｃ１コンデンサ
Ｒ１〜Ｒ４抵抗
Ｄ１フライホイールダイオード

Claims

入力端子に入力された入力電圧を所定の定格電圧に変換して出力端子から出力する定電圧回路において、
作動開始時に出力電圧を所定の速度で前記定格電圧まで上昇させるソフトスタート動作を行う機能を有し、前記入力電圧を前記定格電圧に変換して前記出力端子に出力するスイッチングレギュレータと、
出力する電流が所定値以下になるように電流制限を行う機能を有し、前記入力電圧を前記定格電圧に変換して前記出力端子に出力するシリーズレギュレータと、
を備え、
前記スイッチングレギュレータ及びシリーズレギュレータは、スイッチングレギュレータ及びシリーズレギュレータのいずれか一方を排他的に作動させるために外部から入力される選択信号に応じて作動開始し、前記シリーズレギュレータは、前記スイッチングレギュレータが作動開始すると同時に作動開始し、該スイッチングレギュレータのソフトスタート動作が完了すると自動的に前記出力端子への電流出力を停止することを特徴とする定電圧回路。
前記スイッチングレギュレータは、ソフトスタート動作が終了すると所定の作動完了信号を出力し、前記シリーズレギュレータは、該所定の作動完了信号が出力されると前記出力端子への電流出力を停止することを特徴とする請求項１記載の定電圧回路。
前記シリーズレギュレータは、前記所定の作動完了信号が出力されると前記出力端子に出力する電圧を低下させることを特徴とする請求項２記載の定電圧回路。
前記シリーズレギュレータは、
入力された制御信号に応じた電流を前記入力端子から前記出力端子に出力する出力トランジスタと、
所定の基準電圧を生成して出力する基準電圧発生回路部と、
入力された制御信号に応じて、前記出力端子の電圧の検出を行い該検出した電圧に比例した比例電圧を生成して出力する出力電圧検出回路部と、
前記出力電圧検出回路部から出力された電圧が前記基準電圧になるように前記出力トランジスタの動作制御を行う、所定のバイアス電流が供給された誤差増幅回路部と、
前記所定の作動完了信号が出力されると、前記出力電圧検出回路部に対して、前記比例電圧の生成動作を停止させ該比例電圧の代わりに前記出力端子の電圧を出力させる制御回路部と、
を備えることを特徴とする請求項２又は３記載の定電圧回路。
前記シリーズレギュレータは、作動開始時に出力電圧を前記定格電圧まで上昇させる速度が前記スイッチングレギュレータよりも速いことを特徴とする請求項１、２、３又は４記載の定電圧回路。
前記シリーズレギュレータは、作動開始時に出力電圧を前記定格電圧まで上昇させる速度が前記電流制限値によって設定されることを特徴とする請求項５記載の定電圧回路。
前記スイッチングレギュレータは、
制御電極に入力された制御信号に応じてスイッチングし、前記入力電圧の出力制御を行うスイッチング素子と、
前記出力端子から出力される電圧が所定の電圧になるように、該スイッチング素子に対してスイッチング制御を行うスイッチング制御回路部と、
前記スイッチング素子から出力された電圧を平滑して前記出力端子に出力する平滑回路部と、
を備え、
前記平滑回路部は、前記スイッチング素子と直列に接続され、前記スイッチング制御回路部によってスイッチング制御される同期整流用スイッチング素子を備え、前記スイッチング素子、同期整流用スイッチング素子、スイッチング制御回路部及び前記シリーズレギュレータは、１つのＩＣに集積されることを特徴とする請求項１、２、３、４、５又は６記載の定電圧回路。
前記スイッチングレギュレータは、
制御電極に入力された制御信号に応じてスイッチングし、前記入力電圧の出力制御を行うスイッチング素子と、
前記出力端子から出力される電圧が所定の電圧になるように、該スイッチング素子に対してスイッチング制御を行うスイッチング制御回路部と、
前記スイッチング素子から出力された電圧を平滑して前記出力端子に出力する平滑回路部と、
を備え、
前記スイッチング素子、スイッチング制御回路部及び前記シリーズレギュレータは、１つのＩＣに集積されることを特徴とする請求項１、２、３、４、５又は６記載の定電圧回路。
前記スイッチングレギュレータは、
制御電極に入力された制御信号に応じてスイッチングし、前記入力電圧の出力制御を行うスイッチング素子と、
前記出力端子から出力される電圧が所定の電圧になるように、該スイッチング素子に対してスイッチング制御を行うスイッチング制御回路部と、
前記スイッチング素子から出力された電圧を平滑して前記出力端子に出力する平滑回路部と、
を備え、
前記平滑回路部は、前記スイッチング素子と直列に接続されたフライホイールダイオードを備え、前記スイッチング素子、フライホイールダイオード、スイッチング制御回路部及び前記シリーズレギュレータは、１つのＩＣに集積されることを特徴とする請求項１、２、３、４、５又は６記載の定電圧回路。
入力端子に入力された入力電圧を所定の定格電圧に変換して出力する定電圧回路を備えた、所定の機能を有する半導体装置において、
前記定電圧回路は、
作動開始時に出力電圧を所定の速度で前記定格電圧まで上昇させるソフトスタート動作を行う機能を有し、前記入力電圧を前記定格電圧に変換して出力するスイッチングレギュレータと、
出力する電流が所定値以下になるように電流制限を行う機能を有し、前記入力電圧を前記定格電圧に変換して出力するシリーズレギュレータと、
を備え、
前記スイッチングレギュレータ及びシリーズレギュレータは、スイッチングレギュレータ及びシリーズレギュレータのいずれか一方を排他的に作動させるために外部から入力される選択信号に応じて作動開始し、前記シリーズレギュレータは、前記スイッチングレギュレータが作動開始すると同時に作動開始し、該スイッチングレギュレータのソフトスタート動作が完了すると自動的に電流出力を停止することを特徴とする半導体装置。
前記スイッチングレギュレータは、ソフトスタート動作が終了すると所定の作動完了信号を出力し、前記シリーズレギュレータは、該所定の作動完了信号が出力されると電流出力を停止することを特徴とする請求項１０記載の半導体装置。
前記シリーズレギュレータは、前記所定の作動完了信号が出力されると出力する電圧を低下させることを特徴とする請求項１１記載の半導体装置。
作動開始時に出力電圧を所定の速度で所定の定格電圧まで上昇させるソフトスタート動作を行う機能を有し、入力電圧を該定格電圧に変換して出力端子に出力するスイッチングレギュレータと、
出力する電流が所定値以下になるように電流制限を行う機能を有し、前記入力電圧を前記定格電圧に変換して前記出力端子に出力するシリーズレギュレータと、
を備えた、前記入力端子に入力された入力電圧を前記定格電圧に変換して前記出力端子から出力する定電圧回路の制御方法において、
前記シリーズレギュレータは、
前記スイッチングレギュレータが作動開始すると同時に作動開始し、
該スイッチングレギュレータのソフトスタート動作が完了すると自動的に前記出力端子への電流出力を停止することを特徴とする定電圧回路の制御方法。
前記シリーズレギュレータは、作動開始時に出力電圧を前記定格電圧まで上昇させる速度が前記スイッチングレギュレータよりも速いことを特徴とする請求項１３記載の定電圧回路の制御方法。
前記シリーズレギュレータは、作動開始時に出力電圧を前記定格電圧まで上昇させる速度が前記電流制限値によって設定されることを特徴とする請求項１４記載の定電圧回路の制御方法。