JP2004297953A - 安定化電源回路 - Google Patents

Abstract

【課題】軽負荷時にはチャージポンプ動作を停止して消費電力を低減する一方、小容量の素子で出力電圧の安定化を図り得る安定化電源回路を提供する。
【解決手段】チャージポンプ電源回路の出力電圧Ｖ_ｏｕｔ と第１の基準電圧Ｖ_ｒｅｆ１とを比較して両者の偏差に基づく誤差信号を誤差増幅器１３で出力するとともに、この誤差信号と第２の基準電圧Ｖ_ｒｅｆ２とを比較してその偏差が所定値以下の場合にはクロックパルス発生回路１５によるチャージポンプ動作を停止する一方、スイッチング素子４のゲートに直列に電流源１４を接続し、このゲートをディスチャージする時間を、上記偏差信号に応じて制御して上記出力電圧を一定に保持するようにした。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は安定化電源回路に関し、特にチャージポンプ電源回路に適用して有用なものである。
【０００２】
【従来の技術】
電源回路の一種としてチャージポンプ電源回路がある。図４はダブラーと呼称されるチャージポンプの代表的な一例を示す回路図である。同図に示すように、このチャージポンプは、４個のスイッチング素子１，２，３，４と一個のコンデンサ５とを組み合わせてなり、電源６の出力電圧を入力電圧Ｖ_ｉｎとし、これを２倍に昇圧して出力電圧Ｖ_ｏｕｔ とするものである。
【０００３】
さらに詳言すると、一定期間スイッチング素子１，２をＯＮ状態とすることにより入力電圧Ｖ_ｉｎの印加による電荷をコンデンサ５にチャージする。このとき、スイッチング素子３，４はＯＦＦ状態としておく。この結果、コンデンサ５の両端の電圧が入力電圧Ｖ_ｉｎとなる。次の一定期間は、逆にスイッチング素子３，４をＯＮ状態、スイッチング素子１，２をＯＦＦ状態とする。このことによりスイッチング素子４を介して入力電圧Ｖ_ｉｎがコンデンサ５の両端の電圧（Ｖ_ｉｎ）に重畳されて入力電圧Ｖ_ｉｎの倍の電圧となり、スイッチング素子３を介して出力端子７の電圧、すなわち出力電圧Ｖ_ｏｕｔ となる。
【０００４】
ここで、スイッチング素子１〜４は、通常ＭＯＳ ＦＥＴで構成し、そのスイッチング動作はクロックパルス発生回路（図示せず。）が出力するクロックパルスで行う。また、このときの出力電圧Ｖ_ｏｕｔ は平滑コンデンサ８で脈動分を除去することによりその安定化が図られている。
【０００５】
かかるチャージポンプ電源回路は、平滑コンデンサ８で一応はその出力電圧Ｖ_ｏｕｔ の安定化を図っているが、負荷電流が大きい場合には出力電圧Ｖ_ｏｕｔ が低下する等、その安定性に欠けるという問題があった。すなわち、上記チャージポンプ電源回路は、本質的にスイッチングレギュレータ乃至安定化電源回路としては機能し得ないものとなっている。
【０００６】
そこで、チャージポンプ電源回路においてその出力電圧Ｖ_ｏｕｔ の安定化を図った安定化電源回路が提案されている。これを図５に示す。同図に示すように、この安定化電源回路は、出力電圧Ｖ_ｏｕｔ を表す電圧（本例の場合は出力電圧Ｖ_ｏｕｔ を抵抗９，１０の抵抗値Ｒ_１，Ｒ_２ で分割した電圧）と、所定の基準電圧Ｖ_ｒｅｆ とを比較し、両者の偏差に基づく電圧として誤差信号を得、この誤差信号によりＭＯＳトランジスタで形成したスイッチング素子４のＯＮ抵抗を制御するものである。すなわち、このＯＮ抵抗の制御により、スイッチング素子４を介してコンデンサ５に重畳する電圧を制御し、出力電圧Ｖ_ｏｕｔ が一定になるように調整している。
【０００７】
さらに詳言すると、当該チャージポンプのクロックパルスによりスイッチング素子３とともにスイッチング素子４をＯＦＦ状態（スイッチング素子１，２はＯＮ状態）とするときには、スイッチング素子１１をＯＮ状態、スイッチング素子１２をＯＦＦ状態とする。
【０００８】
逆に、スイッチング素子４をＯＮ状態とするときには、上記クロックパルスにより、スイッチング素子１１をＯＦＦ状態、スイッチング素子１２をＯＮ状態とする。この結果、スイッチング素子１２を介して誤差増幅器１３の出力電圧である誤差信号がスイッチング素子４のゲートに印加されるが、その電圧値に応じてスイッチング素子４のＯＮ抵抗が変化する。すなわち、偏差の値に対応して、スイッチング素子４のＯＮ抵抗の値が決まり、このＯＮ抵抗に応じた電圧（ＯＮ抵抗が小さい程、大きな電圧）をコンデンサ５に重畳して出力電圧Ｖ_ｏｕｔ を昇圧する。
【０００９】
かくして、出力電圧Ｖ_ｏｕｔ が一定値に保持され、スイッチングレギュレータ乃至安定化電源回路として機能する。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
図５に示す安定化電源回路は、チャージポンプ電源回路としてその出力電圧Ｖ_ｏｕｔ の一応の安定化は図り得るものの、なお次の様な問題を有している。
【００１１】
先ず、スイッチング素子１１、１２の切り換えにより誤差信号に基づく電圧でスイッチング素子４を駆動しており、この結果スイッチング素子４の出力電流は、やはり急激に変化するので、コンデンサ５にも急激に電荷がチャージされ、これに基づく電流がスイッチング素子３を介して出力電流にリップルとなって重畳される。この結果、当該安定化電源回路の出力電圧の質が劣化する。次に、誤差増幅器１３は、その負荷であるスイッチング素子４を定電圧駆動する必要があるため、負荷容量が大きくなり、その分誤差増幅器１３の容量も大きなものとする必要がある。
【００１２】
さらに、図５に示す安定化電源回路において、その負荷状態（負荷の大小）にかかわらず、常にクロックパルスでスイッチング素子１，２，３，４を所定の間隔でＯＮ／ＯＦＦしてチャージポンプ動作をさせた場合、電力が無駄に消費されるという問題がある。すなわち、当該安定化電源回路において、チャージポンプ動作を行わせると、当然電力を消費するが、この種のチャージポンプでは、比較的大容量のスイッチング素子１，２，３，４をＯＮ／ＯＦＦしなければならないので、消費電力もその分大きなものとなる。例えば、一瞬のパルス状の電力を供給すれば良いカメラのスタンバイモードにおいてもチャージポンプ動作を行わせることは、当該パルス状の電力を必要としない大部分の期間のチャージポンプ動作で消費する電力は多大なものとなり、これが無駄に消費される。
【００１３】
本発明は、上記従来技術に鑑み、所定の軽負荷時にはチャージポンプ動作を停止して消費電力を低減する一方、出力電流のリップル変動を除去し得るとともに、これを小容量の素子で安定化し得るチャージポンプ電源回路を利用した安定化電源回路を提供することを課題とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明の第１の態様は、複数のスイッチとコンデンサとを有し、クロックパルスによる各スイッチの選択的なＯＮ動作及びＯＦＦ動作の組み合わせによりコンデンサに電荷を蓄積してこの電荷に基づく電圧を出力電圧とするチャージポンプ電源回路と、上記出力電圧と第１の基準電圧とを比較して両者の偏差に基づく誤差信号を出力する誤差増幅器とを有する安定化電源回路において、上記チャージポンプ電源回路の上記スイッチの一つ又は複数を上記誤差信号に応じて制御して上記出力電圧を一定に保持するように構成するとともに、上記誤差信号と第２の基準電圧とを比較して両者の偏差が所定値以下の場合には、上記クロックパルスによる各スイッチの選択的なＯＮ動作及びＯＦＦ動作によるチャージポンプ動作を停止するように構成したことを特徴とする。
【００１５】
本発明の第２の態様は、複数のスイッチとコンデンサとを有し、クロックパルスによる各スイッチの選択的なＯＮ動作及びＯＦＦ動作の組み合わせによりコンデンサに電荷を蓄積してこの電荷に基づく電圧を出力電圧とするチャージポンプ電源回路と、上記出力電圧と第１の基準電圧とを比較して両者の偏差に基づく誤差信号を出力する誤差増幅器とを有する安定化電源回路において、上記チャージポンプ電源回路の上記スイッチの一つ又は複数を電界効果トランジスタで構成するとともに、そのゲートをチャージ又はディスチャージする時間を、上記誤差信号に応じて制御して上記出力電圧を一定に保持するように構成するとともに、上記誤差信号と第２の基準電圧とを比較して両者の偏差が所定値以下の場合には、上記クロックパルスによる各スイッチの選択的なＯＮ動作及びＯＦＦ動作によるチャージポンプ動作を停止するように構成したことを特徴とする。
【００１６】
本発明の第３の態様は、第２の態様に記載する安定化電源回路において、電界効果トランジスタのゲートに直列に電流源を接続し、この電流源を誤差増幅器の誤差信号に応じて制御することにより上記ゲートをチャージ又はディスチャージする時間を制御するようにしたことを特徴とする。
【００１７】
本発明の第４の態様は、第３の態様に記載する安定化電源回路において、電流源はトランジスタで形成したことを特徴とする。
【００１８】
本発明の第５の態様は、第４の態様に記載する安定化電源回路において、電流源はＭＯＳ型の電界効果トランジスタで形成したことを特徴とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。
【００２０】
図１は本発明の実施の形態に係る安定化電源回路を示す回路図である。同図に示す安定化電源回路は、図５に示す安定化電源回路の誤差増幅器１３の負荷を変更するとともに、この誤差増幅器１３の出力信号を利用してクロックパルス発生回路１５の動作を制御するようにしたものである。そこで、図５と同一部分には同一番号を付し、重複する説明は省略する。
【００２１】
図１に示すように、本形態における誤差増幅器１３の負荷は、スイッチング素子４を構成するＭＯＳ ＦＥＴ（本例の場合はＰ型）のゲートに直列に接続した電流源１４である。すなわち、この電流源１４を、誤差信号の電圧値に応じて制御することにより、スイッチング素子４を構成するＭＯＳ ＦＥＴのゲートをディスチャージする時間を制御するようになっている。
【００２２】
ここで、クロックパルス発生回路１５の出力信号であるクロックパルスで行うスイッチング素子１〜４のＯＮ／ＯＦＦ動作に伴い、スイッチング素子１１は、スイッチング素子３のＯＮ状態への切り換えと同時にスイッチング素子１，２とともにＯＦＦ状態となる（このモードをスイッチング素子３，４の「ＯＮモード」という。）。この「ＯＮモード」の間にスイッチング素子４（ＭＯＳ ＦＥＴ）のゲートにチャージされた電荷を、電流源１４の動作によりディスチャージするが、このディスチャージに要する時間は、誤差信号の電圧値に応じて決定される。すなわち、出力電圧Ｖ_ｏｕｔ と第１の基準電圧Ｖ_ｒｅｆ１との偏差が大きければ、大きい程、短時間でディスチャージされる。この結果、誤差信号の電圧値が大きい程、速やかに出力電圧Ｖ_ｏｕｔ の電圧値が昇圧されてその安定化が図られる。
【００２３】
比較器１６は、誤差増幅器１３の出力信号である誤差信号と第２の基準電圧Ｖ_ｒｅｆ２とを比較し、両者の偏差が所定値以下の場合に、クロックパルス１５の動作を停止してその出力信号であるクロックパルスによるスイッチング素子１〜４のＯＮ／ＯＦＦによるチャージポンプ動作を停止する。すなわち、出力信号Ｖ_ｏｕｔ の変動が小さい軽負荷時にはチャージポンプ動作を停止する。このことにより必要な場合に限りチャージポンプ回路を動作させることができ、比較的大電力を消費するチャージポンプにおける無駄な電力の消費を回避することができる。
【００２４】
図２は、本形態のスイッチング素子４を構成するＭＯＳ ＦＥＴ（Ｐ型）の上記「ＯＮモード」におけるゲート電圧特性を示すグラフである。同図に示すゲート電圧特性は、ゲート電流をパラメータとするもので、▲１▼，▲２▼，▲３▼，▲４▼，▲５▼の順にゲート電流を小さくした場合、換言するとディスチャージ時間を長くした場合を示している。なお、同図中、Ｖ_ｔｈはスレッショルド電圧である。
【００２５】
同図を参照すれば、「ＯＮモード」に切り換わることによりスイッチング素子４はＯＮ状態となり得るが、その変化は緩やかなものとなる。ちなみに、図５に示す安定化電源回路においては、スイッチング素子４のゲート電圧が、誤差信号の電圧値に応じた一定電圧まで急激に変化する結果、その出力電流にリップルを生起する。これに対し、本形態においては、「ＯＮモード」に切り換わった瞬間からスイッチング素子４のゲートの電荷のディスチャージが開始され、このディスチャージの開始時点では無限大であるＯＮ抵抗を漸減することによりスイッチング素子４の出力電流を漸増させている。そして、この出力電流の変化率が、誤差信号の電圧値に応じてその電圧値が大きい程、大きくなる。
【００２６】
したがって、「ＯＮモード」における当該安定化電源回路の出力電流の変化もスイッチング素子４の出力電流の変化を反映したものとなり、急激に変化することなくリップルを生起することもない。
【００２７】
図３は、図１に示す電流源１４のさらに具体的な実施例である。なお、同図中、図１と同一部分には同一番号を付し、重複する説明は省略する。
【００２８】
図３に示すように、本実施例における電流源１４は、Ｎ型のＭＯＳ ＦＥＴ１４ａを素子とするもので、そのＯＮ／ＯＦＦ動作をスイッチング素子１４ｂで制御するように構成したものである。ここで、スイッチング素子１４ｂは、スイッチング素子１１と同期して同様のＯＮ／ＯＦＦ動作を行い、「ＯＮモード」においては、ＯＦＦ状態となってＭＯＳ ＦＥＴ１４ａを動作させる。かくして、誤差信号の電圧値に応じてスイッチング素子４のゲート電流値を制御する。
【００２９】
なお、図３に示す実施例では、電流源１４を構成する素子としてＭＯＳ ＦＥＴ１４ａを用いたが、これは、勿論バイポーラトランジスタで構成することもできる。ただ、この場合にはバイポーラトランジスタのエミッタに直列に抵抗を接続する必要があり、またバイポーラトランジスタは常にベース電流が流れるので、その分損失が大きいという問題はある。
【００３０】
さらに、上記実施の形態では、スイッチング素子４のゲートを誤差信号で制御するようにしたが、制御対象はこれに限るものではない。スイッチング素子１〜３のゲートであれば、何れでも良く、また２個以上を対象とすることもできる。したがって、チャージポンプ電源回路をダブラーに限定する必要もない。複数のスイッチとコンデンサとを有し、各スイッチの選択的なＯＮ動作及びＯＦＦ動作の組み合わせに伴い、コンデンサに電荷を蓄積してこの電荷に基づく電圧を出力電圧とするチャージポンプ電源回路であれば特別な制限はない。また、図１に示すスイッチング素子４はＰ型のＭＯＳ ＦＥＴで構成したが、これをＮ型で構成することも勿論可能である。ただ、Ｎ型のＭＯＳ ＦＥＴを用いた場合には、これと組み合わせる電流源１４のトランジスタはＰ型とする必要があり、この電流源１４でＮ型のＭＯＳ ＦＥＴのゲートを誤差信号に応じてチャージすることによりそのＯＮ抵抗が漸減するように構成する必要がある。
【００３１】
上記実施の形態では、比較器１６の出力信号である偏差電圧が所定値以下の場合には、クロックパルス発生回路１５を直接制御して、このクロックパルス発生回路１５によるクロックパルスの発生を停止するようにしたが、必ずしもこのように構成する必要はない。当該所定の条件の成立によりチャージポンプ動作が停止されるように構成すれば良い。したがって、例えばクロックパルス発生回路１５で発生したクロックパルスのスイッチング素子１〜４への供給を比較器１６の出力信号により制御するように構成することもできる。さらに、誤差増幅器１３の出力側に接続する比較器１６等による上述の如きチャージポンプ動作の制御手段は、図５に示す誤差増幅器１３の出力側に設けることも勿論可能であり、これを設けた場合には同様の作用・効果を得る。
【００３２】
【発明の効果】
以上実施の形態とともに具体的に説明した通り、チャージポンプ電源回路の出力電圧と第１の基準電圧とを比較して両者の偏差に基づく誤差信号を出力する誤差増幅器を有する安定化電源回路において、上記誤差信号と第２の基準電圧とを比較して両者の偏差が所定値以下の場合には、チャージポンプ動作を停止するように構成したので、必要な場合に限りチャージポンプ回路を動作させることができ、比較的大容量を消費するチャージポンプにおける無駄な電力の消費を回避することができる。
【００３３】
また、チャージポンプ電源回路のスイッチの一つ又は複数を電界効果トランジスタで構成するとともに、そのゲートをチャージ又はディスチャージする時間を、上記誤差信号に応じて制御するようにしたので、ゲートを制御するスイッチの切り換え時に、ＯＮ抵抗を無限大から漸減させて所定の値にすることができる。この結果、当該安定化電源回路の出力電流にリップルを生起することなく、その出力電圧を一定値に安定化し得る。このとき、上記ゲート電流の制御手段として電流源を用いた場合には、容易に所望の制御を行うことができる。
【００３４】
さらに、電流源をトランジスタで形成した場合には、誤差増幅器の負荷となる電流源の容量が小さくて済み、この誤差増幅器の小型化、低廉化を図ることもできる。また、電流源のトランジスタをＭＯＳ ＦＥＴで形成した場合には、これがＯＦＦ状態のときには電流が流れることはなく消費電力の低減に寄与し得る、ＩＣ化が容易である等の固有の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る安定化電源回路を示す回路図である。
【図２】図１に示す電流源の作用によるスイッチング素子のゲート電圧特性を示すグラフである。
【図３】図１に示す安定化電源回路の電流源及びその近傍部分を抽出して具体的に示す実施例に係る回路図である。
【図４】チャージポンプ電源回路を示す回路図である。
【図５】従来技術に係るチャージポンプ電源回路を利用した安定化電源回路を示す回路図である。
【符号の説明】
１，２，３，４ スイッチング素子
５ コンデンサ
６ 電源
７ 出力端子
９，１０ 抵抗
１１，１２ スイッチング素子
１３ 誤差増幅器
１４ 電流源
１４ａ ＭＯＳ ＦＥＴ
１４ｂ スイッチング素子
１５ クロックパルス発生回路
１６ 比較器
Ｖ_ｒｅｆ１ 第１の基準電圧
Ｖ_ｒｅｆ２ 第２の基準電圧

Claims (5)

1. 複数のスイッチとコンデンサとを有し、クロックパルスによる各スイッチの選択的なＯＮ動作及びＯＦＦ動作の組み合わせによりコンデンサに電荷を蓄積してこの電荷に基づく電圧を出力電圧とするチャージポンプ電源回路と、上記出力電圧と第１の基準電圧とを比較して両者の偏差に基づく誤差信号を出力する誤差増幅器とを有する安定化電源回路において、
   上記チャージポンプ電源回路の上記スイッチの一つ又は複数を上記誤差信号に応じて制御して上記出力電圧を一定に保持するように構成するとともに、
   上記誤差信号と第２の基準電圧とを比較して両者の偏差が所定値以下の場合には、上記クロックパルスによる各スイッチの選択的なＯＮ動作及びＯＦＦ動作によるチャージポンプ動作を停止するように構成したことを特徴とする安定化電源回路。
2. 複数のスイッチとコンデンサとを有し、クロックパルスによる各スイッチの選択的なＯＮ動作及びＯＦＦ動作の組み合わせによりコンデンサに電荷を蓄積してこの電荷に基づく電圧を出力電圧とするチャージポンプ電源回路と、上記出力電圧と第１の基準電圧とを比較して両者の偏差に基づく誤差信号を出力する誤差増幅器とを有する安定化電源回路において、
   上記チャージポンプ電源回路の上記スイッチの一つ又は複数を電界効果トランジスタで構成するとともに、そのゲートをチャージ又はディスチャージする時間を、上記誤差信号に応じて制御して上記出力電圧を一定に保持するように構成するとともに、
   上記誤差信号と第２の基準電圧とを比較して両者の偏差が所定値以下の場合には、上記クロックパルスによる各スイッチの選択的なＯＮ動作及びＯＦＦ動作によるチャージポンプ動作を停止するように構成したことを特徴とする安定化電源回路。
3. 請求項２に記載する安定化電源回路において、
   電界効果トランジスタのゲートに直列に電流源を接続し、この電流源を誤差増幅器の誤差信号に応じて制御することにより上記ゲートをチャージ又はディスチャージする時間を制御するようにしたことを特徴とする安定化電源回路。
4. 請求項３に記載する安定化電源回路において、
   電流源はトランジスタで形成したことを特徴とする安定化電源回路。
5. 請求項４に記載する安定化電源回路において、
   電流源はＭＯＳ型の電界効果トランジスタで形成したことを特徴とする安定化電源回路。

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