JP2004310541A - Dc regulated power supply circuit - Google Patents

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晋一 秋田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a DC regulated power supply circuit which responds quickly, consumes low power, does not use highly precise circuit element, and has a very high ripple removal rates. <P>SOLUTION: The circuit is equipped with; a means to generate a reference voltage and bias current; a voltage current output means to generate voltage output; an output detection means which detects error or fluctuation of output voltage; an error amplification means to amplify error voltage relative to the above reference voltage; and an activation control means to control output of the voltage current output means or output of the error amplification means, responding to the voltage of the voltage current output means and the reference voltage. The activation control means has; a prescribed inherent threshold which is set by the size of a component; a feature which converts the voltage in accordance with the output voltage of the voltage current output means and holds it; a terminal which drives the output of the reference voltage in a constant current manner, and a terminal which carries out drive control of the output of the error amplifier, and the drive control are carried out until the voltage output reaches the inherent threshold. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、直流安定化電源装置に関する。特に低動作電流でかつ高いリプル雑音除去率を達成する方法と回路に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
携帯電子機器に限らずその他の電子装置には通常、直流安定化電源回路が必ず複数個内蔵されている。デジタル回路用、高周波回路用、アナログ回路用などにそれぞれ適した特性の電源回路が配置されている。ちなみに携帯電話器の場合、送信部の電源のリプル除去率が悪いと通話明瞭度が劣化するので出来るだけ高いリプル除去率が求められる。デジタルコード化された無線通信手段であっても、送受信はキャリア信号をアナログ的に変調復調するので電源リプル雑音はエラー率に悪い影響をもたらす。従来の技術によればたとえば−80dBのリプル除去率を達成するためには十分な動作電流数100μAも流せば可能であった。いくつかの発明が提案されているが、低動作電流を大幅に減らしてかつ高リプル除去率を実現する提案は未だなされていない。
【0003】
世界中で動作している電子装置の数は数十億の単位と推定される。ちなみに1つの電源回路が200μAで動作しているとすると、50億個で1,000,000Aの電流を流していることになり、3Vで動作しているとすると3000KWの電力が消費されている計算になる。
【0004】
本発明はあらゆる電子装置に使われる直流電圧安定化回路の消費電流を劇的に下げてかつ特性も向上して、地球のエネルギー節減に貢献しようとするものである。以下、図面を参照しつつ、従来技術および従来技術下での回路理論について考察する。
【0005】
[従来例1]
図1は、従来のCMOS型安定化電源回路の構成例である(特許文献1参照。)。
【0006】
図1では、1,2が電源供給端子を示し、3は出力端子を示す。50が基準電圧Vrefを発生する基準電圧回路、60は動作電流を定めるバイアス電流発生回路、100は基準電圧に対する誤差電圧を増幅する誤差増幅回路、30は電源回路の出力を生成する電圧出力回路、40は出力電圧の変動を検出し分圧する出力分圧回路である。
【0007】
この従来の安定化電源回路の具体例が図2に示されている(特許文献2参照。)。誤差増幅器100は2段構成で、差動増幅回路10が1段目、位相反転増幅器20が2段目である。30は出力回路例、40は出力分圧回路例を示す。
【0008】
図3は、図1の従来例回路における直流特性を示すグラフで、横軸に電源電圧Vddをとり、縦軸に回路全体の動作電流31と出力トランジスタP4のゲート電圧32、出力電圧Vout33、基準電圧Vref34をとって、特性が示されている。
【0009】
図4は、図3の出力電圧Voutと基準電圧Vrefの特性を10000倍に拡大して示したグラフである。図4(a)の曲線41は出力電圧Voutの特性曲線、図4(b),(c),(d)の曲線42,43,44は基準電圧Vrefの特性曲線をそれぞれ示す。
【0010】
図4の基準電圧曲線42に見られるように、一般的には基準電圧源は正の電源電圧係数を持ち、電源電圧が上がるとその出力も増加する性質を持っている。これはリプル除去には非常に具合が悪く、低周波域のリプル除去率は基準電圧の電源依存係数が大きく影響する。電源電圧係数をゼロにすることは不可能ではないが、トリミングや特殊な電圧係数素子を用いる必要があるので、広く普及している半導体製造方法では非常に高価なものになってしまう。
【0011】
【特許文献1】
特開平11−338559号公報(第6図)
【特許文献2】
特開2000−284843号公報(第8図)。
【0012】
[従来回路の理論的考察]
出力電圧を理論的に考察すると、出力電圧Voutは次の式で表される。
【0013】
Vout=Vref*(Av/1+K*Av)+So……………(1)
Vrefは基準電圧、Avは誤差増幅器の電圧利得、Kは分圧回路の分圧比、Soは誤差増幅器のシステムオフセット電圧を示す。
【0014】
基準電圧Vrefは電源電圧Vddの変動の影響を受けるので、その変化率はVrefの電源電圧係数ΔVref=(δVref/δv)/Kで表される。
【0015】
Kは出力分圧抵抗の分圧比なのでK<1であり、Vrefに乗ってきたリプルΔVrefはフィルタで除去しないと高いPSRR(Power SupplyRejection Ratio,電源がたとえば1V変化した時の出力変化の割合を示す。ちなみに1mV変化すればPSRRは1mV/1V=−60dBとなる。)が実現できないが、Vrefのリプルは非常に低い周波数から高い周波数まで含まれるので、フィルタには大きな時定数が要求されていて、全部の周波数帯域を除去するフィルタは同一の半導体チップ上に集積することは実現できていない。
【0016】
図4(b)において、基準電圧Vrefの特性曲線42では、電源電圧Vddが4V〜5V(0dB)の間で約10μV(−100dB)増加している。Vout41は約100μV(−80dB)増加している。
【0017】
基準電圧Vrefの電源電圧依存性(δVref/δv)は、基準電圧回路の種類によって大きな差がある。図4(b)の基準電圧曲線42は、図7(a)に示される回路の場合を示している。図7(b)、(c)の回路の場合をそれぞれ図4(c),(d)の基準電圧曲線43,44に示す。ちなみに基準電圧曲線43では、δVref/δvは約(−80dB)、44はδVref/δvは約(−64dB)である。
【0018】
基準電圧源の重要な要素として、電源立ち上がり時の過渡応答特性がある。図7において(b)と(c)の回路は動作安定点が2箇所あるので、電源電圧の立ち上がり時間と負荷容量によっては電圧を発生しない場合がある。
【0019】
Kは出力分圧回路の分圧比で次式に示される。
【0020】
K=R1/R1+R2
R1,R2は出力分圧回路の抵抗であり、ポリシリコンで製造すれば電源電圧Vddの影響を無視できるので、Vddの変化率は考えないことにする。Kの値は出力電圧を決める分圧値であり、基準電圧Vrefは0.2Vから0.8Vが一般的であり極端に小さな値や大きな値は設定できないので、リプル低減には限定的にしか寄与しないといえる。図4(c)の基準電圧曲線43の例でみると、K=0.2の場合、δVref/δvは約100μVだから
ΔVref=100μV/0.2=500μVと大きく劣化している。この解決策として本発明における構成があげられる。基準電圧源の電源として安定化出力を入力すれば大幅にΔVrefが改善することが期待できる。
【0021】
Soはシステムオフセット電圧を表していて、回路構成上不可避的に発生するもので、従来採用されなかった考え方で、実験値からその存在を仮定して導入した。経験的に電源電圧Vddの影響を受けると知られており、たいていはプラスの係数を有するが、マイナス傾斜に出来ると重要な働きをすることを式(1)は示している。
【0022】
Soの電源電圧係数ΔSo=δSo/δv
Avは回路全体の増幅率でオープンループ利得あり、当然電源電圧Vdd依存性があるので、変化率は次の微分式で表される。
【0023】
ΔAv=(δAv/δv)/(1+KAv)
ちなみにAv=10000倍(80dB)、K=0.5、電源電圧が1V上昇すると10000倍から12000倍に変化すると、δAv=2000倍、δV=1vとなり
ΔAv=80x10
Vref=1.2Vのとき、リプル成分は96μV(−80.5dB)に相当して無視できるレベルでないことがわかる。
【0024】
以上の理論的考察から、合計の出力電圧Voutのリプル成分は次式で表される。
【0025】
ΔVout=ΔVref+Vref*ΔAv+ΔSo……………(2)。
【0026】
[動作安定度の考察]
次に安定度に関し、各増幅段の利得と極点、ゼロ点、の周波数理論式を検討する。
【0027】
ここでは次のテキストを参考にした:
ANALOG INTEGRATED CIRCUIT DESIGN, BY JOHNS and MARTIN, JOHN WILEY & SONS, INC. 223−224頁。
【0028】
図2において、誤差増幅器100の1段目の作動増幅回路10、2段目の位相反転回路20、出力トランジスタも増幅作用を有するので、3段目として電圧利得をそれぞれAv1,Av2,Av3すると
Av=Av1*Av2*Av3であり、
i番目の増幅段の利得をAviは次式で表される。
【0029】
Avi=Gmi*Zoi……………(3)
ただし、Gmi、Zoiはi段目の増幅器のコンダクタンスと出力インピーダンスである。
【0030】
Zoi=Rpi//Rni//Coi
ただし、Rpi//Rni//Coiはi段目の出力P形トランジスタの出力抵抗Rpiと、N形トランジスタの出力抵抗Rniと、i段目出力の容量分Coiとの並列インピーダンスをあらわす。例としてi段目のP−FETの出力抵抗は、ドレインゲート電圧をVdgi、閾値をVtpiとすると、その出力抵抗Rpiは次式となる。
【0031】
Rpi=α(Li/Idi)√(Vdgi+Vtpi)……………(4)
ただし、α,Li,Idiはそれぞれ補正係数で、大体5x10√V/m、i番目のトランジスタのチャネル長、ドレイン電流である。
【0032】
また、i段目の増幅器のコンダクタンスは次式で表される。
【0033】
Gmi=√{2μp Cox(Wi/Li)Idi}………(5)
ただし、μp,Cox,WiはそれぞれP形FETのキャリア移動度、ゲート酸化膜の単位容量、i番目のトランジスタiのチャネル幅である。
【0034】
次に周波数特性を考察する。
【0035】
1段目、2段目、3段目の増幅回路はそれぞれFpiの周波数で極点を持つ。
【0036】
Fpi=1/2π*Zoi……………(6)
各段の出力は周波数Fpiで増幅度が−6dB/オクターブで減衰し始める。
【0037】
リプル雑音除去率に関して、前述の式(2)から、出力電圧Voutのリプル成分を小さくするためには、増幅率Avが大きければ大きいほどよいことがわかる。(5)式からわかるように、回路利得を高くするためにはドレイン電流Idiをある程度大きくすれば効果があることが推定できる。一方、式(4)はドレイン電流Idiを小さくすると出力インピーダンスがあがって利得が上昇することを示している。また式(4)と(6)はドレイン電流Idiを下げると極周波数が下がって、高い周波数まで利得が伸びないことを示している。
【0038】
この段階では安定度やリプル除去率を考察するにはまだ不十分であり、周波数特性にはさらにゼロ点の存在が関係する。極点周波数では利得が−6dB/オクターブで減衰してゼロ点周波数では+6dB/オクターブで上昇するが、通常は極点周波数が低いので利得は平坦な特性を示す。
【0039】
図2の従来の回路では、もっとも大きく位相や利得の周波数特性に2つのゼロ点がある。第1のゼロ点周波数Fz1は次式で示すように、出力平滑コンデンサC3と負荷抵抗R3で定まる。
【0040】
Fz1=1/2π*R3*C3……………(7)
第2のゼロ点周波数は非常に重要である。出力トランジスタP4の出力回路は、集積化電源回路においては太さ25μから30μの太さの金線で接続されていて、長さが1mmから3mmなら数十ミリオームから百数十ミリオームの抵抗を有する。金線の両端はアルミパッドとリード線に圧着されている部分で数十ミリオームの接触抵抗と寄生抵抗を有する。合計抵抗Rog=100mΩから200mΩの抵抗を有している。また平滑用出力コンデンサC3の等価直列抵抗ESRも大きく関係する。第2のゼロ点周波数Fz2は次式で決まる。
【0041】
Fz2=1/2π*(Rog+ESR)*C3……………(8)
ただし、ESRは出力平滑コンデンサC3の等価抵抗である。
【0042】
[ゼロ点周波数考察]
C3は一般的には1000pFから10μFが広く利用される。R3は負荷電流によって大きく変動する。例えば10Ωから100KΩ程度とし、Rogは200mΩ、ESR=20mΩとすると、
Fz1=0.15Hz...1.5MHz
Fz2=72KHz....7.2MHz
Fz1は動作中の出力電流に依存して大きく移動する。負荷電流が大きいときは非常に高い周波数に、無負荷状態では低い周波数に移動して、位相回転が低い周波数から生じて不安定状態が出来やすい。
【0043】
Fz2は一度各部の値を設定すれば負荷電流には依存しないが、出力平滑コンデンサの等価抵抗ESRはコンデンサの種類によって大きく変化する。ケミカルコンデンサや電解コンデンサでは数オームから数十オーム、タンタルコンデンサで1Ωから数オーム、セラミック系コンデンサで数ミリオームから数百ミリオームと言われている。従って使用するコンデンサの種類によって動作が不安定になる事がある。Fz2は、後で詳しく述べるが、ちょうど位相遅れが180度のあたりの位相特性に影響するので安定度にとって重要な要素である。
【0044】
[安定度と極点周波数の具体例考察]
安定化電源回路の安定度は、極点周波数が互いに離れていれば安定であるとされている。例えば10倍程度離れていると問題が起きないとされている。格段の極点周波数の具体例を検討してみる。
【0045】
1段目の極点周波数Fp1は、Ro1=300KΩ...150KΩ,Co1=0.1−0.2pF,Fp1=数百キロヘルツから数メガヘルツ程度になる。周波数が高いので安定度に関して比較的問題になりにくく、Co1が小さいので位相補償を行うための追加する容量が少なくてすみ、位相補償をかける場所として最適である。図2のP3のゲートドレイン間に容量と抵抗の直列回路を付加することで、安定な誤差増幅器が構成できる。しかし、従来の回路ではこの位相補償が大きい場合、高周波域においてPSRR特性を大きく犠牲にしてしまうことが一般的に知られている。
【0046】
2段目の極点周波数Fp2は、Ro2=50KΩ...100KΩ,Co2=150pF....250pF,Fp2=数キロヘルツから10数キロヘルツである。Co2は出力トランジスタのゲート容量と追加容量C2の和である。出力電流規格つまり出力トランジスタサイズで変化するが、大きな出力トランジスタの回路では最初から大きな容量がCo2に入ってしまう。動作中はほぼ固定しているが、次に述べるFp3との位置関係で問題になる。
【0047】
3段目の極点Fp3は最終段の極点周波数で、Ro3が負荷電流によって大きく変化するので、動作中に大きく変動する。無負荷のときはRo3が出力分圧抵抗と等しくなって、出力分圧抵抗が大きいと数百ヘルツまで下がり、低い周波数から位相が回転するので、位相余裕が少なくなって不安定になるおそれが出てくる。そのために出力分圧抵抗を低くしてアイドリング電流を流しておいてこれを回避する。しかしこのことが、回路電流を極端に低減できない理由の一つでもある。
【0048】
極点周波数Fp3は、大きな負荷電流が流れるときは150KHz程度まで上昇する。このとき2段目の極点周波数FP2に接近してかつ利得が大きいと動作が不安定なるので、Fp2をずらす必要が生じる。Fp2を高くすることは、このままの回路構成では不可能なので、従来はC2を増加してFp2を下げる対策が一般的である。しかしこの方法は、出力FET P4のゲートに数ピコファラッドから数百ピコファラッドのコンデンサを付加するので、電源リプル雑音がPDノードから出力電圧端子Voutに抜けてしまい、リプル雑音除去が犠牲になることが避けがたい。さらにパルス的な変化への応答に際して、付加されたコンデンサの充放電をすばやく行うために、出力トランジスタP4を駆動するトランジスタP3には、十分な動作電流を流しておく必要がある。
【0049】
このように従来の回路構成では、良好なリプル雑音除去率例えば10KHzで−80dB以上の特性および良好な安定度を得るためには、十分な動作電流とアイドリング電流を流す必要があることが上述の理論的考察からも推定される。
【0050】
[従来回路のシミュレーション特性]
図5と図6は従来の回路で、動作電流を大きくした場合と減らした場合の利得−周波数特性、位相−周波数およびPSRR特性をシミュレーションにより求めたグラフを示している。特性曲線51,52,53は出力電圧Voutの利得−周波数特性を示し、曲線54,55,56は位相−周波数特性を示し、特性曲線61,62,63はPSRR特性を示す。特性曲線51,54、61は動作電流が100μA以上の時、特性曲線52,55、62は動作電流が2μA以下の時をそれぞれ示す。位相余裕度は回路の安定度を測る指数であるが、利得が1もしくは0dBの時の180度からの位相差で定義される。利得1の周波数で180度の遅れ位相から位相が40度以上離れていれば、安定であり、発振しないとされている。利得余裕度も回路の安定度を測る指数であるが、出力信号の位相が180度遅れた時の利得の減衰割合で定義される。180度位相が遅れた時の周波数で利得が12dB以上減衰していれば、安定であり、発振しないとされている。以下、位相余裕度について検討を行う。
【0051】
図5では、特性曲線54は、0dBを横切る周波数15KHz付近で、位相余裕が約60度で十分な余裕がある。特性曲線51は、動作電流が十分大きいときのPSRR特性で、良好なPSRR−90dBが得られていることを示している。
【0052】
ところが、特性曲線52が0dBの時に特性曲線55はすでに200度を過ぎていて、特性曲線55が180度を横切る周波数20KHz付近で、特性曲線52はまだ十分な利得40dBを有していて、この付近の周波数で発振することを示している。つまり従来の回路では、動作電流を減らしていくと、位相の回転が低い周波数からおきて利得も下がらず、安定動作できなくなることを示してしている。
【0053】
特性曲線53,56,62は動作電流を2μA以下に減らした時、C3を100μFと大きくして、位相特性を改善して安定度を高めた回路の特性である。C3を大きくしたので、第3極点周波数Fp3が大幅に下がって、利得が40dB程度低下している。第2ゼロ点周波数Fz2は、大きなC3のために1KHzと10KHzの間に設定されて、位相遅れを抑えて安定度を大きく改善している。特性曲線53の利得0dBのとき、特性曲線56は位相余裕約50度があることを示している。このように極点とゼロ点を調整すれば従来の回路方式でも、動作電流を大幅に下げて安定度を確保して安定化電源回路を作ることは可能であるが、C3に大きな容量値が必要なので小型機器には採用できないことと、結果としてPSRRは大幅に低下してしまう問題がある。図6の特性曲線62は、特性曲線53,56に対応するPSRR特性で、61に比べて10KHz付近で約30dB以上も特性が劣化していることを示している。
【0054】
特性曲線63は、図2における従来例の回路で動作電流を2μA以下にした場合のPSRR特性を比較のために示す。2段増幅構成なので利得が不足して、良好な特性が得られていないことを示している。
【0055】
以上の考察から、従来の回路方式では非常に安定度の良い基準電圧源を利用して、かつ誤差増幅器の動作電流を十分大きくしないと、良好なリプル除去率は達成できなかった。
【0056】
リプル除去については携帯電話や無線LANの市場拡大に応じて数多くの提案がされている。大まかに以下に大別される。
【0057】
(1)極点ゼロ点周波数の最適化と利得増大による方法
USP5631593,USP6304131、特開2001−195138、特開2000−284843、特開平4−263303、特開平5−35344(2)基準電圧源と誤差増幅器を自分の安定化電圧で動作させる方法
USP5889393
(3)極点ゼロ点周波数を負荷状態で適応制御する方法
USP6246221、特開2000−47738
(4)リプルフィルタで除去する方法。
【0058】
特開平8−272461、USP5130579、USP4327319
(5)リアクトルトランスでキャンセルする方法
USP5668464,特開2001−339937
(6)基準電圧源を自分の安定化電圧で動作させる方法
特開平5−35344、特開2002−182758、特開2002−182758
分類(1)は、近年最も多く提案されているもので、リプル除去特性が非常に優れているが電流増幅器を追加するので素子数が増加することと基本的には理論的に動作電流を激減させることは出来ない問題は残っている。
【0059】
分類(2)は、起動時にもとの電源から自分で安定化した安定化出力に切り替える瞬間に不安定状態が必ず出現して、動作開始から出力が安定するまでの時間が長くなる点が問題である。近年の携帯電話などの応用では、電力を節約するために電源が間欠的に動作しているので、起動に時間がかるのは致命的である。また誤差増幅器と出力トランジスタの間に正確なレベルシフト回路が必要になるので、動作電流がそこでも増加することになり、低消費電流は実現出来ない。
【0060】
分類(3)は分類(1)と同様、誤差増幅器の設計理論は従来のまま適用されるので、動作電流が減らせないことと、負荷電流が変化の激しい非常に雑音を多く含む性質があり、それをフィードバックするとリプル除去特性を阻害することになる問題を含んでいる。
【0061】
分類(4)は、リプル成分が数Hzから高周波領域までの周波数帯域を含み、特に低い周波数のリプルをフイルタで取り除くためには大きな時定数が不可欠であり、半導体基板上に集積するのには、大きなコスト上昇なしには実現不可能である。
【0062】
分類(5)は、大きなリアクトルトランスは集積化不可能なので問題にならない。
【0063】
分類(6)は分類上(2)と相似であるが、基準電圧源のみに自らの安定化出力電圧を供給するので、回路構成が簡単になる可能性がある。基準電圧源に高精度な回路が不要であり、大きなPSRR改善効果が得られるが、デメリットも多い。一番の欠点は、電源立ち上がりの時、起動しない問題を持っていることである。第二は、正帰還による動作不安定問題である。これらの問題を解決するために、多くの追加回路素子が必要になる。以下にこの分類(6)について詳しく述べる。
【0064】
[従来の起動制御回路の問題点]
図9は、従来の基準電源切り替え式安定化電源回路図を示す。図9において、100は誤差増幅器を示し、その回路例を図17に示し、図中10は1段目の差動増幅回路、20は2段目の位相反転回路を示す。P1、P2はP−FET、N1からN4はN−FETをそれぞれ示す。C1とR4は容量と抵抗で位相補償を実現している。図9において、30は出力回路で、図18にその回路例、40が誤差検出分圧回路で、図19がその回路例、50が基準電圧回路で、図7にその回路例、80が起動制御回路、81が切り替えP−FETスイッチである。
【0065】
起動制御回路80はいろいろな実現方法があるが、典型的な回路例が図20に示され、図中N201からN206はN−FET、P201からP209はP−FETを示す。図20の51は基準電圧源兼用バイアス電流源、11はヒステリシスつきコンパレータ回路、21はバッファ回路を示す。基本的な動作は入力端子INに安定化電源の出力電圧Voutを与え、基準電圧源51の電圧よりも低いときには出力Qはローレベルで図9の切り替えスイッチ81のトランジスタP2をONし、電源電圧Vddを図9の基準電圧発生回路50に供給して基準電圧を起動させる。図9の出力電圧Voutが立ち上がって図20の基準電圧源51の電圧よりも高くなると、図9の切り替えスイッチ81のトランジスタP1オフ、トランジスタP2オンにして、安定化出力電圧Voutを供給する。たとえば図9の基準電圧発生回路50の電源電圧特性が多少悪くても、安定化された電圧入力によって基準電圧は簡単に−10μV(−100dB)程度の安定度が得られる。
【0066】
つまり図7の(b)(c)の基準電圧回路の電源電圧特性は(a)に比べてよくないが、標準的なデジタル回路の製造工程と同じ工程で製造することができるので望ましいが、加工寸法がサブミクロンよりもさらに小さくなると、図7(a)の回路のように、デプレションFETは閾値Vthの制御が困難となってくるので、使用が困難になると予測されている。したがって(b)(c)の基準電圧回路を使って、低消費電流、高精度のPSRRの優れた安定化電源を実現することが大いに望まれる。
【0067】
図8(a),(b),(c)は、図7(a),(b),(c)における基準電圧回路の20mSのゆっくりした電源立ち上がり時の過渡応答特性曲線を示す。特性曲線81,82,83が図7(a),(b),(c)の基準電圧回路にそれぞれ対応して示されている。特性曲線81は遅れなく応答しているが、特性曲線82,83は大きく遅れて応答していることを示している。これは後述する起動時の問題に関係してくるもので、最悪時には基準電圧回路から出力が出ない状態が出現する。
【0068】
図10(a),(b),(c)に、図9の従来の基準電源切り替え式安定化電源回路の過渡応答動作波形を示す。図中横軸は時間軸、電源電圧Vddは立ち上がり時間5μSのステップ波形を示し、101,102,103は出力電圧Voutの波形、104は基準電圧VRの波形をそれぞれ示す。
【0069】
図中10(a)の波形101は電源電圧Vddが6Vと高い時の応答波形であり、出力電圧Voutが振動して起動していることを示している。これは切り替えスイッチの切り替わるときのリンギング振動がすぐ収束しないためと推測される。図10(b)の波形102は図2の誤差増幅回路において安定度を確保するために、位相補償容量C1を9pFと3倍大きくした時の波形を示していて、リンギング時間は波形101より短くなっている。つまり図9、従来の構成例においては、振動を抑えるためには大きな位相補償容量が不可欠であることを示していて、これは前述の安定度の考察で述べたように、PSRR特性が高周波領域で大きく劣化することを意味している。
【0070】
図10(c)の波形103は電源電圧Vddが2.2Vと低いときの応答特性であり、出力電圧Vout103が大きく遅れて起動していて、基準電圧VR104も大きく遅れて立ち上がっていることを示している。これは図8の基準電圧発生回路の過渡応答波形に見られるように、基準電圧回路の大きな起動時間によるものと推定されるが、この現象が顕著になると、基準電圧VRが起動せず、出力電圧Voutも起動しない電源として致命的な問題が起きる。
【0071】
このように従来の切り替え式起動制御回路では、基準電圧回路のタイプにかかわらず起動が不安定になる状態が存在していて、所望の電源電圧範囲で安定に動作させることは非常に困難であった。つまり電源電圧Vddのごく狭い範囲の動作ならば安定動作が可能であるが、動力源が電池などの広い電圧範囲には安定動作が困難であった。それを解決するためには数多くの付加的回路素子が必要と思われ、経済的とはいえなかった。このような理由から、従来の基準電圧の電源切り替え式は効果が期待できる割には実用化されている製品が非常に少ないのが現実である。
【0072】
本発明は上記分類(6)の方法を前述の問題を解決して実用化する方法を提案するものである。
【0073】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、標準的な製造工程で、低消費電流で、高精度の回路素子を用いることなく出力電圧のリプル除去率が非常に高く、安定度が優れたPSRR特性の良好な電圧安定化電源回路を提供することである。
【0074】
【課題を解決するための手段】
請求項1記載の発明の直流安定化電源回路は、
基準電圧とバイアス電流を発生する手段と、
電圧出力を生成する電圧電流出力手段と、
出力電圧の誤差ないし変動を検出する出力検出手段と、
前記基準電圧に対する誤差電圧を増幅する誤差増幅手段と、
前記電圧電流出力手段の電圧および前記基準電圧に応答して、前記電圧電流出力手段の出力または前記誤差増幅手段の出力を制御する起動制御手段とを有しており、
該起動制御手段は、構成素子のサイズで定まる所定の内在閾値を有し、かつ、前記電圧電流出力手段の出力電圧に応じて電圧変換して保持する機能を有し、かつ、前記基準電圧の出力を定電流的に駆動する端子と前記誤差増幅器の出力を駆動制御する端子とを有し、前記電圧出力が前記の内在閾値に到達するまで駆動制御する特徴を有している。
【0075】
さらに、請求項2に記載の発明の直流安定化電源回路は、
基準電圧とバイアス電流を発生する手段と、
電圧出力を生成する電圧電流出力手段と、
出力電圧の誤差ないし変動を検出する出力検出手段と、
前記基準電圧に対する誤差電圧を増幅する誤差増幅手段と、
前記電圧電流出力手段の電圧および前記基準電圧に応答して、前記電圧電流出力手段の出力または前記誤差増幅手段の出力を制御する起動制御手段とを有しており、
該起動制御手段は、構成素子のサイズで定まる所定の内在閾値を有し、かつ、前記電圧電流出力手段の出力電圧に応じて電圧変換して保持する機能を有し、かつ、前記基準電圧の出力を定電流的に駆動する端子と前記誤差増幅器の出力を駆動制御する端子とを有し、前記電圧出力が前記の内在閾値に到達するまで駆動制御し、
出力過電流時に過電流検出信号を出力する過電流保護手段を有し、
該過電流検出信号によって、前記起動制御手段の前記基準電圧の出力を定電流的に駆動する端子は活性化され、前記誤差増幅器の出力を駆動する端子は非活性化されることを特徴としている。
【0076】
また、請求項3に記載の発明は、請求項1又は2に記載の直流安定化電源回路において、
基準電圧の発生とバイアス電流の発生とをそれぞれ別個の独立した手段として構成したことを特徴としている。
【0077】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【0078】
[第1の実施例]
図11は、本発明の起動制御安定化電源回路の構成図を示す。図11において100は誤差増幅器を示し、図17がその回路例、30は出力回路で、図18にその回路例、40が誤差検出分圧回路で、図19がその回路例、50が基準電圧発生回路で、図7にその回路例を示す。これらの構成要素は従来例図9に用いられているものと同じである。図中90が本発明の起動制御回路で、図9の従来例にある切り替えスイッチ81は存在しない。出力電圧Voutは起動制御回路90のIN端子に接続されている。起動制御回路90の回路例を図12に示す。図12において、P121,P122,P123はP−FET,N121,N122,N123はN−FETを示す。120は電圧変換保持回路を構成しており、入力端子INに安定化出力電圧Voutが印加され、トランジスタのサイズ比で設定された反転閾値を越えると電源電圧Vddのレベルまで出力を変換して保持する。本発明の起動制御回路90の反転閾値は入力の立ち上がり時にはP121とN121、立下り時にはP122とN122のサイズ比とコンダクタンスで決まるので、従来例のように別途に閾値を用意する必要がない。従来の起動制御回路80における、図20の51の基準電圧回路とバイアス回路は不要である。また、P121とP122はラッチ回路を形成しているので、IN端子の電圧と電源電圧との差がP−FETとN−FETの閾値の合計よりも小さい領域では、ラッチ後は定常的に電流が流れないので消費電流を増やすこともない。従来の図20の起動制御回路では必ず動作電流が必要であり、全体の動作電流に追加される。
【0079】
図12において121は、定電流駆動の基準電圧発生回路50の出力基準電圧VRを定電流的に駆動するVR駆動回路である。定電流源I121により定電流的動作を付加して電圧依存性を緩和している。図中122は誤差増幅器100の出力を起動時に制御して、出力電圧が早く立ち上がるように駆動するPD駆動スイッチである。つまり起動時に誤差増幅器100の出力インピーダンスを低くして、電圧電流出力がすばやく応答するよう補助している。
【0080】
図12の定電流源I121を実現する手段は一般的な高抵抗であってもよいし、定電流制御されるカレントミラートランジスタでもよいし、ゲートソース電位差がほぼ一定に制御されたチャンネル長の大きなトランジスタにより定電流的動作をするようにしたものでもよい。
【0081】
図13(a),(b),(c),(d)は、Vdd=4V時の図12の起動制御回路の動作をシミュレーションにより求めた動作特性である。波形134、133、132、131はそれぞれIN端子の入力電圧、回路の動作電流IDD、ノードQの出力電圧、ノードQXの出力電圧、を示す。入力端子INの電圧134の立ち上がりが約1.5VでQ出力電圧132が急に立ち上がり、QX出力電圧131が反転し、IN入力電圧がハイレベルの時は波形133で示されるように、IDD動作電流はほとんどゼロである。さらに起動制御回路として望ましい性質は、Q出力電圧132がQX出力電圧131のように矩形波状に反転しないで、IN入力電圧のレベルに応じた中間レベルを経由して変化していることである。なぜなら図12において、Q出力電圧132が基準電圧回路を駆動するVR駆動回路121に接続されているので、IN入力電圧のレベルつまり安定化電源の出力電圧Voutが低い時は強く駆動して、出力電圧Voutが起動してある程度以上高くなると、弱く駆動する動作が安定起動に望ましい性質である。Q出力電圧132が出力電圧Voutに比例した中間レベルの電圧を出力することにより、それを実現している。
【0082】
図13においてQ出力電圧132、QX出力電圧131は、入力電圧134の1.4Vの立下りで再び反転していている。立下りの反転閾値は前述のようにサイズ比で決まるので、ヒステリシスを持たせることができる。IN入力端子電圧134がハイレベルになると、VR駆動回路121とPD駆動スイッチ122は駆動動作を停止して、高インピーダンス状態になる。つまりIN入力端子電圧134がハイレベルになってしまえば、動作電流も消費せず、VR駆動回路121、PD駆動スイッチ122の出力端子も高インピーダンスとなって、何の作用もしなくなり、理想的な起動制御回路が実現される。
【0083】
本発明の起動制御回路90は、図12に示すように、回路素子数が、図20の従来の起動制御回路が切り替えスイッチを含めて17素子であるのに比べてわずか7素子と半分以下に節減できている。したがって、回路面積の低減に大きな効果がある。
【0084】
図14(a),(b)に、本発明の安定化電源回路例図11の動作波形を示す。横軸は時間軸、電源電圧Vddは図示されていないが、立ち上がりが5μSのステップ波形で印加されている。波形141,142は出力電圧Vout、143,144は基準電圧発生回路50の出力基準電圧を示す。波形141と143、142と144はそれぞれ、電源電圧Vddが出力基準電圧よりも大きい6Vの場合と電源電圧が出力基準電圧とほぼ同じ2.2Vの時の波形を示す。誤差増幅器100の位相補償容量は3pFであり、従来例のように3倍に大きくする必要はない。電源電圧6Vの時、出力基準電圧141はオーバーシュートもアンダーシュートも無く、立ち上がり時間も最大5μS程度と実用上すばらしい立ち上がり波形を示す。電源電圧Vdd=2.2Vの時も、出力電流による電圧降下が曲線142に見られるように、リンギングや起動遅れも無く起動時の問題は解決されていることがわかる。
【0085】
本発明の実施例によれば、起動時に図11の基準電圧発生回路50の基準電圧出力端子VRを直接的に定電流的に駆動制御するので、電源電圧依存性を緩和して基準電圧VRを立ち上げることが可能である。図12のVR駆動回路121で、基準電圧VRの強制駆動制御が停止する入力電圧すなわち起動制御回路の反転閾値を図11の基準電圧回路50の出力電圧が安定する電圧よりも高く設定すれば、起動に失敗することがないので、起動を100%保証することができる。基準電圧回路50の出力が安定する電圧は、前述の図7の回路例において、(a)はN−FETの閾値電圧、(b)(c)はN−FETとP−FETの閾値電圧の合計とおおむね等しいことがわかっているので、あらかじめ起動制御回路90の反転閾値を設定することが可能である。また、本発明の起動制御回路90は従来例の切り替えスイッチ81がないので、電源電圧が高いときでも基準電圧回路50の電源入力が大きく変化することがなく、基準電圧発生回路の出力にリンギングを発生させることがない。
【0086】
ここでいう定電流的とは、前述のように理想的な定電流である必要はなく、電源電圧Vddの依存性が緩和された駆動回路であればよい。電源電圧Vddの大小にかかわらず起動開始時には強い駆動力を有し、目標の電圧に近づいたら駆動力が弱まるのが望ましい。これはゲートがハイとローで制御される単体のトランジスタでは実現できない。なぜなら、単体トランジスタは、電源電圧が大きいときは大きな電流を流して急激に基準電圧を立ち上げてオーバーシュートを生じ、電源電圧が小さいときは小さな電流しか流さず、基準電圧の起動が遅れるかまたは起動しないことになるからである。
【0087】
図15は、本発明におけるPSRR特性と従来例のPSRR特性を示すシミュレーションにより求め、縦軸に減衰量、横軸に周波数をとって示す。図中151は本発明の実施例図11のPSRR特性、152は図11において基準電圧発生回路50のVDD入力を安定化電圧Voutではなく電源ライン電圧Vddに接続した場合、つまり基準電圧回路が電源ラインに接続される従来例のPSRR特性を示す。曲線152は−53dB程度のPSRRを示しているが、曲線151は最高−112dBにも到達している。本発明の実施例では、なんと59dBも改善されている。
【0088】
前述の式(2)において、基準電圧回路に起因するリプル成分ΔVrefは3つの要素のうちの1つの要素でしかないが、図15の特性例で見る限り、大きなウエイトを占めていることがわかる。
【0089】
[第2の実施例]
図16は本発明の第2実施例の回路略図を示す。図16において100は誤差増幅器で、その回路例を図17に示す。30は出力回路で、その回路例を図18に示す。40は誤差検出分圧回路で、その回路例を図19に示す。90は本発明の起動制御回路で、図9の従来例にある切り替えP−FETスイッチ81は存在しない。50は基準電圧発生回路で、起動制御回路90と接続されている、60はバイアス電流発生回路で、基準電圧発生回路とは別に設けられていて、起動制御回路90と接続されていない。第2の実施例はバイアス電流発生回路60が分離されていることを除けば、起動制御回路90の動作は実施例1と同様である。
【0090】
[第3の実施例]
本発明の起動制御動作はひとつ矛盾点がある。それは過電流保護機能を付加すると、本発明の起動制御の動作が過電流保護の動作と矛盾することである。本発明の起動制御は、出力電圧が起動していないときはそれを速く起動させるよう動作する。一方過電流保護は、出力電流が一定以上になると出力電圧を低下させて出力電流を制限するよう動作する。そのためその矛盾を解消する回路機能が必要になる。
【0091】
図21は本発明の第3実施例の構成図を示す。図21において、過電流検出保護回70が付加された安定化電源回路を示し、誤差増幅器100、出力回路30、出力分圧回路40、基準電圧発生回路50を示し、それぞれの回路例は実施例1と同じである。図23は過電流検出保護回路70の回路例である。図において231は電流検出回路、232は電流検出保持回路を示す。端子PDには図21の出力回路30のP−FETゲートと同じ信号が供給され、P233,P236は出力回路30のP−FET P3とカレントミラーを形成しているので、おおむねFETサイズに比例した電流が流れる。その電流はR231、R234に流れて、N−FETのゲート電圧が上昇して、それぞれN−FETであるN232、N233が一定以上の電流を検出してオン状態になり、次にP234、P235がオン状態に転移してPD端子を電源電圧Vdd側に引っ張って、出力電流Ioutを制限すると同時に、電流検出保持回路232が小さな電流に固定して保持する。出力電流Ioutが保持電流以下になって過電流状態が解除されるか、電源電圧Vddがリセットされるまでその状態を保持して、出力回路30が熱破壊されるのを防止する。その際に過電流検出出力端子DOはプラス側電位の所定の電圧を出力する。
【0092】
図21の91は本発明の起動制御回路で、図22にその回路例を示す。図22においては第1の実施例の図12の回路例に比べて、N−FETであるN124と過電流検出信号端子KIが追加されている。過電流検出信号は過電流時に特別な制御を行う信号で、過電流検出信号端子KIには過電流検出回路70から出力されるDO端子が接続されている。N124はN−FETで、過電流検出信号を受けて出力過電流状態時にラッチ120の状態が戻るのを阻止して起動動作を禁止して、PD駆動回路122が働くのを禁止している。ラッチ回路構成なので、その状態を保持するのは簡単で、N124がN122よりも低インピーダンスであれば、N122がオン状態と等価な状態を保持できるため、N122の制御信号は電源電圧目いっぱいに変化する信号である必要がない。
【0093】
図24は、過電流動作中の起動制御回路の動作をシミュレーションにより求めた波形図である。横軸は時間軸で、図21の回路例において出力端子Voutに接続される抵抗R3を徐々に減少させていって、過電流状態を発生させて後、抵抗R3を再び増加させて出力電流を減少させる動作をシミュレーションにより求めている。図24(b)において出力電流Ioutの特性曲線243が徐々に増加していき、過電流状態を検出して後、保持電流を保持して一定時間経てから徐々に負荷電流を減少させて過電流状態から復帰している。波形241は出力電圧、波形242は基準電圧、波形244は誤差増幅器の出力電圧、波形245は過電流保護回路70の検出信号出力、波形246は起動制御回路のQノードの出力電圧波形、波形247は起動制御回路の電圧変換回路のQXノードの出力電圧をそれぞれ示す。
【0094】
出力電流波形243が徐々に増加して、急激に低い保持電流に変化したところで過電流が検出され、図24fの出力電圧の波形241の電圧値も低くなって、ジュール熱の発生を防止して出力回路30が破壊するのを防いでいる。このとき、図22のQXノードの電圧波形247の電圧もローレベルに変化して、起動制御回路のVR駆動回路121を少し低いレベルで活性化しておき、低い基準電圧を発生して過電流が解除されたときにすばやく起動できるように活性化されている。正常動作よりも低い基準電圧を発生させておくことは、過電流状態が解除されたときに出力がオーバーシュートしないために非常に重要な動作機能であり、起動制御回路図22のVR駆動回路121の出力インピーダンスを一定値以上にすれば、簡単に実現可能である。
【0095】
図24(e)のQXノードの波形246は、図24(d)の過電流検出信号波形245のプラス電圧によってローレベルのままであり、図22起動制御回路のPD駆動回路122は非活性状態のままであるので、244−PD信号は過電流保護回路70から制御を受けて出力回路30をオフ状態近くに保持している。つまり、図22起動制御回路は最小の追加素子N124で複雑な機能を実現していて、大変大きな効果が得られている。同等の機能は論理回路で実現可能であるが、信号レベルがそろっていないことや、論理状態の数から推定して図22の回路に比べて多くの素子が必要になると推定される。
【0096】
したがって、本発明に用いられる起動制御回路は動作の深刻な矛盾をわずかひとつの素子追加で完璧に解決していて、非常に効果が著しい。
【0097】
【発明の効果】
このように本発明は、少ない素子数で従来の切り替え方式の起動回路の問題を解決してPSRR特性を顕著に改善している。起動時の安定度はもとより、回路素子数も大幅に減少し、簡易的な定電流源の場合たとえば高抵抗素子、何よりも電源電圧Vddが低いときには起動制御回路の消費電流がほぼゼロにできることが特に効果的である。さらに基準電圧回路に特殊な製造法の素子を使用しないので、標準的なデジタル集積回路の製造工程で実現できる。本発明は、基準電圧回路のタイプを特定するものではなく、いかなる基準電圧回路にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来の安定化電源回路の一例を示すブロック図である。
【図2】従来の安定化電源回路の一例を示す回路図である。
【図3】従来の安定化電源回路の出力電圧対電源電圧特性の一例を示す図。
【図4】図3のスケールを10000倍に拡大した図である。
【図5】従来の安定化電源回路の出力の利得−周波数特性および位相−周波数特性を示す図である。
【図6】従来の安定化電源回路のPSRR特性を示す。
【図7】(a)〜(c)は基準電圧源の回路図である。
【図8】基準電圧回路の過渡応答特性を示す図である。
【図9】従来の切り替え式安定化電源の回路略図である。
【図10】従来の切り替え式安定化電源の過渡応答特性を示す図である。
【図11】本発明の実施例1の全体ブロック図である。
【図12】本発明の起動制御回路の回路例を示す図である。
【図13】本発明の起動制御回路の動作特性曲線を示す図である。
【図14】本発明の安定化電源回路の動作特性曲線を示す図である。
【図15】本発明と従来例のPSRR特性曲線を示す図である。
【図16】本発明の実施例2の全体ブロック図である。
【図17】誤差増幅回路例を示す図である。
【図18】電圧電流出力回路の回路例を示す図である。
【図19】誤差検出分圧回路の回路例を示す図である。
【図20】従来の起動制御回路例を示す図である。
【図21】本発明の実施例3の全体ブロック図である。
【図22】本発明の過電流保護対応起動制御回路の回路例を示す図である。
【図23】過電流検出保護回路の回路例を示す図である。
【図24】本発明の過電流保護対応起動制御回路の動作特性曲線を示す図である。
【符号の説明】
1,2 電圧供給端子
3 出力端子
10 差動増幅回路
20 位相反転増幅器
30 出力回路
40 出力分圧回路
50 基準電圧発生回路
60 バイアス電流発生回路
70 過電流保護回路
80 従来の起動制御回路
81 切り替えスイッチ回路
90,91 本発明の起動制御回路
100 誤差増幅器
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a stabilized DC power supply. In particular, the present invention relates to a method and circuit for achieving a low operating current and a high ripple noise elimination rate.
[0002]
[Prior art]
Generally, not only portable electronic devices but also other electronic devices always include a plurality of DC stabilized power supply circuits. Power supply circuits having characteristics suitable for digital circuits, high-frequency circuits, analog circuits, and the like are arranged. By the way, in the case of a mobile phone, if the ripple removal rate of the power supply of the transmitting unit is poor, the intelligibility of the call is degraded, so the highest possible ripple removal rate is required. Even in the case of digitally coded wireless communication means, power supply ripple noise has a bad influence on the error rate because transmission and reception modulate and demodulate a carrier signal in an analog manner. According to the prior art, for example, it is possible to supply a sufficient operating current of 100 μA to achieve a ripple removal rate of −80 dB. Although several inventions have been proposed, no proposal has been made yet to significantly reduce the low operating current and achieve a high ripple rejection ratio.
[0003]
The number of electronic devices operating worldwide is estimated to be in the billions. By the way, if one power supply circuit is operating at 200 μA, it means that 5 billion units are carrying 1,000,000 A, and if it is operating at 3 V, 3000 KW of power is consumed. It becomes a calculation.
[0004]
The present invention seeks to dramatically reduce the current consumption of DC voltage stabilizing circuits used in various electronic devices and improve characteristics thereof, thereby contributing to energy saving on the earth. Hereinafter, the prior art and the circuit theory under the prior art will be considered with reference to the drawings.
[0005]
[Conventional example 1]
FIG. 1 shows a configuration example of a conventional CMOS-type stabilized power supply circuit (see Patent Document 1).
[0006]
In FIG. 1, 1 and 2 indicate power supply terminals, and 3 indicates an output terminal. 50 is a reference voltage circuit that generates a reference voltage Vref, 60 is a bias current generation circuit that determines an operating current, 100 is an error amplifier circuit that amplifies an error voltage with respect to the reference voltage, 30 is a voltage output circuit that generates an output of a power supply circuit, Reference numeral 40 denotes an output voltage dividing circuit that detects a change in the output voltage and divides the voltage.
[0007]
A specific example of this conventional stabilized power supply circuit is shown in FIG. 2 (see Patent Document 2). The error amplifier 100 has a two-stage configuration. The differential amplifier circuit 10 is a first stage, and the phase inversion amplifier 20 is a second stage. Reference numeral 30 denotes an output circuit example, and reference numeral 40 denotes an output voltage dividing circuit example.
[0008]
FIG. 3 is a graph showing the DC characteristics of the conventional circuit of FIG. 1. The horizontal axis represents the power supply voltage Vdd, and the vertical axis represents the operating current 31 of the entire circuit, the gate voltage 32 of the output transistor P4, the output voltage Vout33, and the reference voltage. The characteristics are shown by taking the voltage Vref34.
[0009]
FIG. 4 is a graph showing the characteristics of the output voltage Vout and the reference voltage Vref of FIG. A curve 41 in FIG. 4A shows a characteristic curve of the output voltage Vout, and curves 42, 43, and 44 in FIGS. 4B, 4C, and 4D show characteristic curves of the reference voltage Vref, respectively.
[0010]
As can be seen from the reference voltage curve 42 of FIG. 4, the reference voltage source generally has a positive power supply voltage coefficient, and its output increases as the power supply voltage increases. This is very bad for ripple removal, and the power supply dependence coefficient of the reference voltage greatly affects the ripple removal ratio in the low frequency range. Although it is not impossible to make the power supply voltage coefficient zero, it is necessary to use trimming and a special voltage coefficient element, so that it is very expensive in a widely used semiconductor manufacturing method.
[0011]
[Patent Document 1]
JP-A-11-338559 (FIG. 6)
[Patent Document 2]
JP-A-2000-284843 (FIG. 8).
[0012]
[Theoretical consideration of conventional circuit]
Considering the output voltage theoretically, the output voltage Vout is expressed by the following equation.
[0013]
Vout = Vref * (Av / 1 + K * Av) + So (1)
Vref is a reference voltage, Av is a voltage gain of the error amplifier, K is a voltage dividing ratio of the voltage dividing circuit, and So is a system offset voltage of the error amplifier.
[0014]
Since the reference voltage Vref is affected by the fluctuation of the power supply voltage Vdd, the rate of change is represented by a power supply voltage coefficient ΔVref of Vref = (δVref / δv) / K.
[0015]
Since K is the voltage dividing ratio of the output voltage dividing resistor, K <1 and the ripple ΔVref on Vref must be removed by a filter to obtain a high PSRR (Power Supply Rejection Ratio), which indicates the rate of output change when the power supply changes by, for example, 1V. By the way, if the voltage changes by 1 mV, the PSRR becomes 1 mV / 1 V = −60 dB.) However, since the ripple of Vref is included from a very low frequency to a high frequency, a large time constant is required for the filter. However, it has not been possible to integrate filters for removing all frequency bands on the same semiconductor chip.
[0016]
In FIG. 4B, in the characteristic curve 42 of the reference voltage Vref, the power supply voltage Vdd increases by about 10 μV (−100 dB) between 4 V and 5 V (0 dB). Vout41 is increased by about 100 μV (−80 dB).
[0017]
The power supply voltage dependency (δVref / δv) of the reference voltage Vref has a large difference depending on the type of the reference voltage circuit. The reference voltage curve 42 in FIG. 4B shows the case of the circuit shown in FIG. The cases of the circuits of FIGS. 7B and 7C are shown in reference voltage curves 43 and 44 of FIGS. 4C and 4D, respectively. Incidentally, in the reference voltage curve 43, δVref / δv is about (−80 dB), and in the case of 44, δVref / δv is about (−64 dB).
[0018]
An important element of the reference voltage source is a transient response characteristic at power-on. In FIG. 7, since the circuits (b) and (c) have two operation stable points, no voltage may be generated depending on the rise time of the power supply voltage and the load capacity.
[0019]
K is a voltage dividing ratio of the output voltage dividing circuit and is represented by the following equation.
[0020]
K = R1 / R1 + R2
R1 and R2 are resistors of the output voltage dividing circuit, and if they are made of polysilicon, the influence of the power supply voltage Vdd can be neglected, so that the rate of change of Vdd is not considered. The value of K is a divided voltage value that determines the output voltage, and the reference voltage Vref is generally 0.2 V to 0.8 V and cannot be set to an extremely small or large value. No contribution. In the example of the reference voltage curve 43 in FIG. 4C, when K = 0.2, δVref / δv is about 100 μV.
ΔVref = 100 μV / 0.2 = 500 μV. As a solution to this, there is a configuration according to the present invention. If a stabilized output is input as the power supply for the reference voltage source, it can be expected that ΔVref will be greatly improved.
[0021]
So represents a system offset voltage, which is inevitably generated in the circuit configuration, and was introduced by assuming its existence from an experimental value by a concept not conventionally adopted. Equation (1) shows that it is known empirically that it is affected by the power supply voltage Vdd, and usually has a positive coefficient.
[0022]
Power supply voltage coefficient of So ΔSo = δSo / δv
Since Av is an amplification factor of the entire circuit and has an open-loop gain, and naturally has a dependency on the power supply voltage Vdd, the rate of change is expressed by the following differential equation.
[0023]
ΔAv = (δAv / δv) / (1 + KAv)2
By the way, Av = 10000 times (80 dB), K = 0.5, and when the power supply voltage rises by 1V, it changes from 10,000 times to 12000 times, so that δAv = 2000 times, δV = 1v
ΔAv = 80 × 10 6
It can be seen that when Vref = 1.2 V, the ripple component is not negligible, corresponding to 96 μV (−80.5 dB).
[0024]
From the above theoretical considerations, the ripple component of the total output voltage Vout is expressed by the following equation.
[0025]
ΔVout = ΔVref + Vref * ΔAv + ΔSo (2).
[0026]
[Consideration of operation stability]
Next, regarding the stability, the frequency theoretical formula of the gain of each amplification stage and the pole and zero points will be examined.
[0027]
Here we refer to the following text:
ANALOG INTEGRATED CIRCUIT DESIGN, BY JOHNS and MARTIN, JOHN WILEY & SONS, INC. 223-224.
[0028]
In FIG. 2, the operational amplifier circuit 10 in the first stage of the error amplifier 100, the phase inverting circuit 20 in the second stage, and the output transistor also have an amplifying function. Therefore, when the voltage gains are Av1, Av2, and Av3 as the third stage, respectively.
Av = Av1 * Av2 * Av3,
Avi represents the gain of the i-th amplification stage by the following equation.
[0029]
Avi = Gmi * Zoi (3)
Here, Gmi and Zoi are the conductance and output impedance of the i-th stage amplifier.
[0030]
Zoi = Rpi // Rni // Coi
Here, Rpi // Rni // Coi represents the parallel impedance of the output resistance Rpi of the i-th output P-type transistor, the output resistance Rni of the N-type transistor, and the capacitance Coi of the i-th output. For example, assuming that the drain gate voltage is Vdgi and the threshold value is Vtpi, the output resistance of the i-th P-FET is represented by the following equation.
[0031]
Rpi = α (Li / Idi) √ (Vdgi + Vtpi) (4)
Here, α, Li, and Idi are correction coefficients, each of which is approximately 5 × 106√V / m, the channel length and drain current of the i-th transistor.
[0032]
The conductance of the i-th amplifier is expressed by the following equation.
[0033]
Gmi = {2 μp Cox (Wi / Li) Idi} (5)
Here, μp, Cox, and Wi are the carrier mobility of the P-type FET, the unit capacity of the gate oxide film, and the channel width of the i-th transistor i, respectively.
[0034]
Next, the frequency characteristics will be considered.
[0035]
The first-stage, second-stage, and third-stage amplifier circuits each have a pole at the frequency of Fpi.
[0036]
Fpi = 1 / 2π * Zoi (6)
The output of each stage begins to attenuate at -6 dB / octave at frequency Fpi.
[0037]
With respect to the ripple noise elimination rate, from the above equation (2), it can be seen that the smaller the ripple component of the output voltage Vout, the better the gain Av is. As can be seen from equation (5), it can be estimated that increasing the drain current Idi to some extent is effective in increasing the circuit gain. On the other hand, equation (4) indicates that when the drain current Idi is reduced, the output impedance increases and the gain increases. Equations (4) and (6) show that when the drain current Idi is reduced, the pole frequency decreases and the gain does not increase to higher frequencies.
[0038]
At this stage, it is still insufficient to consider the stability and the ripple elimination rate, and the frequency characteristic further depends on the existence of a zero point. At the pole frequency, the gain attenuates at -6 dB / octave and at the zero point frequency rises at +6 dB / octave, but normally the gain shows a flat characteristic because the pole frequency is low.
[0039]
In the conventional circuit shown in FIG. 2, there are two zero points in the phase and gain frequency characteristics which are the largest. The first zero point frequency Fz1 is determined by the output smoothing capacitor C3 and the load resistance R3 as shown by the following equation.
[0040]
Fz1 = 1 / 2π * R3 * C3 (7)
The second zero frequency is very important. The output circuit of the output transistor P4 is connected by a gold wire having a thickness of 25 μm to 30 μm in the integrated power supply circuit, and has a resistance of several tens of milliohms to one hundred and several tens of milliohms when the length is 1 mm to 3 mm. . Both ends of the gold wire are in contact with the aluminum pad and the lead wire and have contact resistance and parasitic resistance of several tens of milliohms. It has a total resistance Rog = 100 mΩ to 200 mΩ. Further, the equivalent series resistance ESR of the smoothing output capacitor C3 is also significantly related. The second zero point frequency Fz2 is determined by the following equation.
[0041]
Fz2 = 1 / 2π * (Rog + ESR) * C3 (8)
Here, ESR is an equivalent resistance of the output smoothing capacitor C3.
[0042]
[Zero frequency considerations]
C3 is generally widely used from 1000 pF to 10 μF. R3 greatly varies depending on the load current. For example, assuming that the resistance is about 10Ω to 100KΩ, Rog is 200mΩ, and ESR = 20mΩ,
Fz1 = 0.15 Hz. . . 1.5MHz
Fz2 = 72 KHz. . . . 7.2MHz
Fz1 moves greatly depending on the output current during operation. When the load current is large, the frequency shifts to a very high frequency, and when no load is applied, the frequency shifts to a low frequency.
[0043]
Fz2 does not depend on the load current once the value of each part is set, but the equivalent resistance ESR of the output smoothing capacitor greatly changes depending on the type of the capacitor. It is said that a chemical capacitor or an electrolytic capacitor has a resistance of several ohms to several tens of ohms, a tantalum capacitor has a resistance of 1 to several ohms, and a ceramic capacitor has a resistance of several milliohms to several hundred ohms. Therefore, the operation may be unstable depending on the type of the capacitor used. As will be described in detail later, Fz2 is an important factor for stability because the phase delay affects the phase characteristics around 180 degrees.
[0044]
[Consideration of specific examples of stability and pole frequency]
It is considered that the stability of the stabilized power supply circuit is stable if the pole frequencies are separated from each other. For example, it is said that no problem occurs if the distance is about 10 times. Let us consider a specific example of the extreme pole frequency.
[0045]
The pole frequency Fp1 of the first stage is Ro1 = 300 KΩ. . . 150 KΩ, Co1 = 0.1-0.2 pF, Fp1 = from several hundred kilohertz to several megahertz. Since the frequency is high, the stability is relatively unlikely to be a problem, and since Co1 is small, the amount of additional capacity for performing phase compensation can be reduced, which is the best place to apply phase compensation. A stable error amplifier can be configured by adding a series circuit of a capacitor and a resistor between the gate and the drain of P3 in FIG. However, it is generally known that in a conventional circuit, when this phase compensation is large, the PSRR characteristic is greatly sacrificed in a high frequency range.
[0046]
The pole frequency Fp2 of the second stage is Ro2 = 50 KΩ. . . 100KΩ, Co2 = 150pF. . . . 250 pF, Fp2 = several kilohertz to several tens of kilohertz. Co2 is the sum of the gate capacitance of the output transistor and the additional capacitance C2. The output current varies depending on the output current standard, that is, the output transistor size. However, in a circuit with a large output transistor, a large capacitance enters Co2 from the beginning. During operation, it is almost fixed, but there is a problem in the positional relationship with Fp3 described below.
[0047]
The pole Fp3 of the third stage is the pole frequency of the final stage, and Ro3 greatly varies depending on the load current. When no load is applied, Ro3 becomes equal to the output voltage dividing resistor, and when the output voltage dividing resistance is large, the voltage drops to several hundred hertz, and the phase rotates from a low frequency. Come out. For this purpose, the output voltage dividing resistance is lowered to allow idling current to flow, thereby avoiding this. However, this is one of the reasons why the circuit current cannot be extremely reduced.
[0048]
The pole frequency Fp3 rises to about 150 KHz when a large load current flows. At this time, if the gain is close to the pole frequency FP2 of the second stage and the gain is large, the operation becomes unstable, so that it is necessary to shift Fp2. Since it is impossible to increase Fp2 with the circuit configuration as it is, conventionally, measures to decrease Fp2 by increasing C2 are generally used. However, in this method, since a capacitor of several picofarads to several hundred picofarads is added to the gate of the output FET P4, the power supply ripple noise is released from the PD node to the output voltage terminal Vout, and the ripple noise removal is sacrificed. Is inevitable. Further, in response to a pulse-like change, in order to quickly charge and discharge the added capacitor, it is necessary to supply a sufficient operating current to the transistor P3 for driving the output transistor P4.
[0049]
As described above, in the conventional circuit configuration, it is necessary to supply a sufficient operating current and an idling current in order to obtain a good ripple noise elimination rate, for example, a characteristic of -80 dB or more at 10 KHz and a good stability. Inferred from theoretical considerations.
[0050]
[Simulation characteristics of conventional circuit]
FIGS. 5 and 6 are graphs showing gain-frequency characteristics, phase-frequency, and PSRR characteristics obtained by simulation in the conventional circuit when the operating current is increased and when the operating current is reduced. Characteristic curves 51, 52 and 53 show gain-frequency characteristics of output voltage Vout, curves 54, 55 and 56 show phase-frequency characteristics, and characteristic curves 61, 62 and 63 show PSRR characteristics. The characteristic curves 51, 54 and 61 show the case where the operating current is 100 μA or more, and the characteristic curves 52, 55 and 62 show the case where the operating current is 2 μA or less. The phase margin is an index for measuring the stability of the circuit, and is defined as a phase difference from 180 degrees when the gain is 1 or 0 dB. It is considered that if the phase is separated from the lag phase of 180 degrees by 40 degrees or more at the frequency of the gain 1, the oscillation is stable and no oscillation occurs. The gain margin is also an index for measuring the stability of the circuit, and is defined by the gain attenuation ratio when the phase of the output signal is delayed by 180 degrees. It is said that if the gain is attenuated by 12 dB or more at the frequency when the phase is delayed by 180 degrees, it is stable and does not oscillate. Hereinafter, the phase margin will be studied.
[0051]
In FIG. 5, the characteristic curve 54 has a sufficient margin with a phase margin of about 60 degrees near a frequency of 15 kHz crossing 0 dB. A characteristic curve 51 indicates that a good PSRR-90 dB is obtained in the PSRR characteristic when the operating current is sufficiently large.
[0052]
However, when the characteristic curve 52 is 0 dB, the characteristic curve 55 has already passed 200 degrees, and at a frequency around 20 KHz where the characteristic curve 55 crosses 180 degrees, the characteristic curve 52 still has a sufficient gain of 40 dB. This indicates that the oscillation occurs at a frequency in the vicinity. That is, in the conventional circuit, when the operating current is reduced, the phase rotation starts from a low frequency, the gain does not decrease, and stable operation cannot be performed.
[0053]
The characteristic curves 53, 56, and 62 are characteristics of a circuit in which when the operating current is reduced to 2 μA or less, C3 is increased to 100 μF to improve the phase characteristics and increase the stability. Since C3 is increased, the third pole frequency Fp3 is significantly reduced, and the gain is reduced by about 40 dB. The second zero point frequency Fz2 is set between 1 KHz and 10 KHz for a large C3, and the phase lag is suppressed to greatly improve the stability. When the gain of the characteristic curve 53 is 0 dB, the characteristic curve 56 has a phase margin of about 50 degrees. By adjusting the poles and the zero point in this way, even with the conventional circuit method, it is possible to greatly reduce the operating current and secure stability to create a stabilized power supply circuit, but a large capacitance value is required for C3. Therefore, there is a problem that it cannot be adopted for a small device, and as a result, the PSRR is greatly reduced. The characteristic curve 62 in FIG. 6 indicates that the PSRR characteristic corresponding to the characteristic curves 53 and 56 is deteriorated by about 30 dB or more at around 10 KHz as compared with 61.
[0054]
A characteristic curve 63 shows the PSRR characteristic when the operating current is set to 2 μA or less in the circuit of the conventional example in FIG. 2 for comparison. This indicates that the gain is insufficient due to the two-stage amplification configuration, and good characteristics are not obtained.
[0055]
From the above considerations, in the conventional circuit system, a good ripple rejection rate could not be achieved unless a very stable reference voltage source was used and the operating current of the error amplifier was not sufficiently increased.
[0056]
Numerous proposals have been made for ripple removal in response to the expansion of the market for mobile phones and wireless LANs. It is roughly divided into the following.
[0057]
(1) Method by optimizing pole zero frequency and increasing gain
US Pat. No. 5,631,593, US Pat.
USP 5,889,393
(3) Method of adaptively controlling pole zero frequency under load condition
USP 6,246,221;
(4) A method of removing with a ripple filter.
[0058]
JP-A-8-272461, US Pat. No. 5,130,579, US Pat. No. 4,327,319.
(5) How to cancel with reactor transformer
USP 5,686,464, JP 2001-339937
(6) Method of operating reference voltage source with own stabilized voltage
JP-A-5-35344, JP-A-2002-182758, JP-A-2002-182758
Classification (1), which has been proposed most frequently in recent years, has excellent ripple elimination characteristics, but the number of elements increases due to the addition of a current amplifier. The problem remains that cannot be done.
[0059]
Classification (2) has a problem in that an unstable state always appears at the moment of switching from the original power supply to the stabilized output stabilized by itself at the time of startup, and the time from the start of operation until the output is stabilized becomes longer. It is. In applications such as mobile phones in recent years, since the power supply operates intermittently in order to save power, it takes time to start up. Further, since an accurate level shift circuit is required between the error amplifier and the output transistor, the operating current also increases there, and low current consumption cannot be realized.
[0060]
In the classification (3), as in the classification (1), the design theory of the error amplifier is applied as it is, so that the operating current cannot be reduced, and the load current has a characteristic that includes a very large amount of noise with a drastic change. When the feedback is performed, the problem that the ripple removing characteristic is hindered is included.
[0061]
Classification (4) is that the ripple component includes a frequency band from a few Hz to a high frequency region. In particular, a large time constant is indispensable for removing a low frequency ripple by a filter, and it is necessary to integrate the ripple component on a semiconductor substrate. Is not feasible without significant cost increases.
[0062]
Classification (5) does not pose a problem because large reactor transformers cannot be integrated.
[0063]
Although the classification (6) is similar to the classification (2), the circuit configuration may be simplified because its own stabilized output voltage is supplied only to the reference voltage source. Although a high-precision circuit is not required for the reference voltage source, a large PSRR improvement effect can be obtained, but there are many disadvantages. The biggest disadvantage is that it does not start when the power is turned on. The second problem is an unstable operation due to positive feedback. Many additional circuit elements are required to solve these problems. Hereinafter, this classification (6) will be described in detail.
[0064]
[Problems of conventional startup control circuit]
FIG. 9 shows a conventional reference power source switching type stabilized power source circuit diagram. In FIG. 9, reference numeral 100 denotes an error amplifier, an example of the circuit is shown in FIG. 17, in which 10 is a first-stage differential amplifier circuit, and 20 is a second-stage phase inversion circuit. P1 and P2 indicate P-FETs, and N1 to N4 indicate N-FETs, respectively. C1 and R4 realize the phase compensation by the capacitance and the resistance. 9, 30 is an output circuit, FIG. 18 is an example of the circuit, 40 is an error detection voltage dividing circuit, FIG. 19 is an example of the circuit, 50 is a reference voltage circuit, FIG. A control circuit 81 is a switching P-FET switch.
[0065]
Although there are various methods of realizing the start-up control circuit 80, a typical circuit example is shown in FIG. 20, where N201 to N206 indicate N-FETs and P201 to P209 indicate P-FETs. In FIG. 20, reference numeral 51 denotes a reference voltage source / bias current source, 11 denotes a comparator circuit with hysteresis, and 21 denotes a buffer circuit. The basic operation is to apply the output voltage Vout of the stabilized power supply to the input terminal IN. When the output voltage Vout is lower than the voltage of the reference voltage source 51, the output Q is at a low level and the transistor P2 of the changeover switch 81 in FIG. Vdd is supplied to the reference voltage generation circuit 50 of FIG. 9 to activate the reference voltage. When the output voltage Vout in FIG. 9 rises and becomes higher than the voltage of the reference voltage source 51 in FIG. 20, the transistor P1 and the transistor P2 of the changeover switch 81 in FIG. 9 are turned off to supply the stabilized output voltage Vout. For example, even if the power supply voltage characteristic of the reference voltage generating circuit 50 in FIG. 9 is somewhat poor, the stability of the reference voltage can be easily obtained at about −10 μV (−100 dB) by the stabilized voltage input.
[0066]
That is, although the power supply voltage characteristics of the reference voltage circuits shown in FIGS. 7B and 7C are not as good as those shown in FIG. 7A, it is desirable because they can be manufactured in the same process as a standard digital circuit. If the processing dimension is smaller than the submicron, it is predicted that the control of the threshold value Vth of the depletion FET becomes difficult as in the circuit of FIG. Therefore, it is highly desirable to realize a stabilized power supply with low current consumption and high precision PSRR using the reference voltage circuits of (b) and (c).
[0067]
FIGS. 8A, 8B, and 8C show the transient response characteristic curves of the reference voltage circuit in FIGS. 7A, 7B, and 7C when the power supply slowly rises at 20 mS. Characteristic curves 81, 82, and 83 are shown corresponding to the reference voltage circuits of FIGS. 7A, 7B, and 7C, respectively. The characteristic curve 81 responds without delay, while the characteristic curves 82 and 83 indicate that the response responds with a great delay. This is related to a problem at the time of startup described later, and in the worst case, a state in which no output is output from the reference voltage circuit appears.
[0068]
FIGS. 10A, 10B and 10C show transient response operation waveforms of the conventional reference power source switching type stabilized power source circuit of FIG. In the figure, the horizontal axis represents the time axis, the power supply voltage Vdd represents a step waveform with a rise time of 5 μS, 101, 102, and 103 represent the waveform of the output voltage Vout, and 104 represents the waveform of the reference voltage VR.
[0069]
A waveform 101 in FIG. 10A is a response waveform when the power supply voltage Vdd is as high as 6 V, and indicates that the output voltage Vout oscillates and starts. This is presumably because the ringing vibration when the changeover switch is switched does not immediately converge. A waveform 102 in FIG. 10B shows a waveform when the phase compensation capacitance C1 is increased three times to 9 pF in order to secure stability in the error amplifier circuit in FIG. 2, and the ringing time is shorter than the waveform 101. Has become. In other words, FIG. 9 shows that in the conventional configuration example, a large phase compensation capacitance is indispensable to suppress the vibration. This is because the PSRR characteristic has a high frequency range as described in the consideration of the stability described above. Means large deterioration.
[0070]
A waveform 103 in FIG. 10C is a response characteristic when the power supply voltage Vdd is as low as 2.2 V, and shows that the output voltage Vout 103 starts with a large delay and the reference voltage VR104 also rises with a large delay. ing. This is presumed to be due to the long start-up time of the reference voltage circuit as seen in the transient response waveform of the reference voltage generation circuit in FIG. 8, but when this phenomenon becomes significant, the reference voltage VR does not start and the output A fatal problem occurs as a power supply that does not start the voltage Vout.
[0071]
As described above, in the conventional switching start-up control circuit, the start-up becomes unstable regardless of the type of the reference voltage circuit, and it is very difficult to operate stably in a desired power supply voltage range. Was. That is, stable operation is possible if the operation is performed in a very narrow range of the power supply voltage Vdd, but stable operation is difficult in a wide voltage range of a power source such as a battery. A number of additional circuit elements would be required to solve this and were not economical. For these reasons, it is a reality that very few products have been put into practical use while the conventional power supply switching method of the reference voltage can be expected to have an effect.
[0072]
The present invention proposes a method for realizing the method of the above classification (6) by solving the above-mentioned problem.
[0073]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to provide a standard manufacturing process, a low current consumption, a very high output voltage ripple rejection ratio without using high-precision circuit elements, and excellent PSRR characteristics with excellent stability. Power supply circuit.
[0074]
[Means for Solving the Problems]
The stabilized DC power supply circuit according to the first aspect of the present invention is
Means for generating a reference voltage and a bias current;
Voltage current output means for generating a voltage output,
Output detection means for detecting an error or variation of the output voltage;
Error amplification means for amplifying an error voltage with respect to the reference voltage,
In response to the voltage of the voltage / current output unit and the reference voltage, the control unit has an activation control unit that controls an output of the voltage / current output unit or an output of the error amplification unit,
The activation control unit has a predetermined intrinsic threshold determined by the size of a component element, and has a function of performing voltage conversion and holding in accordance with the output voltage of the voltage / current output unit, and It has a terminal for driving the output in a constant current manner and a terminal for driving and controlling the output of the error amplifier, and has a feature of controlling the drive until the voltage output reaches the intrinsic threshold.
[0075]
Further, the stabilized DC power supply circuit according to the second aspect of the present invention,
Means for generating a reference voltage and a bias current;
Voltage current output means for generating a voltage output,
Output detection means for detecting an error or variation of the output voltage;
Error amplification means for amplifying an error voltage with respect to the reference voltage,
In response to the voltage of the voltage / current output unit and the reference voltage, the control unit has an activation control unit that controls an output of the voltage / current output unit or an output of the error amplification unit,
The activation control unit has a predetermined intrinsic threshold determined by the size of a component element, and has a function of performing voltage conversion and holding in accordance with the output voltage of the voltage / current output unit, and A terminal for driving the output in a constant current manner and a terminal for driving and controlling the output of the error amplifier, and controlling the drive until the voltage output reaches the intrinsic threshold;
Having overcurrent protection means for outputting an overcurrent detection signal at the time of output overcurrent,
The terminal for driving the output of the reference voltage of the activation control means in a constant current manner is activated by the overcurrent detection signal, and the terminal for driving the output of the error amplifier is deactivated. .
[0076]
According to a third aspect of the present invention, in the DC stabilized power supply circuit according to the first or second aspect,
It is characterized in that the generation of the reference voltage and the generation of the bias current are configured as separate and independent means.
[0077]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0078]
[First Embodiment]
FIG. 11 shows a configuration diagram of a startup control stabilized power supply circuit of the present invention. 11 shows an error amplifier 100, FIG. 17 shows an example of the circuit, 30 shows an output circuit, FIG. 18 shows an example of the circuit, 40 shows an example of an error detecting voltage dividing circuit, FIG. 19 shows an example of the circuit, and 50 shows a reference voltage. FIG. 7 shows an example of a generator circuit. These components are the same as those used in the conventional example shown in FIG. In the figure, reference numeral 90 denotes a start control circuit of the present invention, and there is no switch 81 in the conventional example of FIG. The output voltage Vout is connected to the IN terminal of the startup control circuit 90. FIG. 12 shows a circuit example of the activation control circuit 90. In FIG. 12, P121, P122, and P123 represent P-FETs, and N121, N122, and N123 represent N-FETs. Reference numeral 120 denotes a voltage conversion holding circuit, in which a stabilized output voltage Vout is applied to an input terminal IN, and when the output exceeds an inversion threshold set by a transistor size ratio, the output is converted to a power supply voltage Vdd and held. I do. Since the inversion threshold value of the startup control circuit 90 of the present invention is determined by the size ratio and conductance of P122 and N122 when the input rises and at the falling edge, it is not necessary to prepare a separate threshold unlike the conventional example. The reference voltage circuit 51 and the bias circuit 51 in FIG. 20 in the conventional startup control circuit 80 are unnecessary. In addition, since P121 and P122 form a latch circuit, in a region where the difference between the voltage at the IN terminal and the power supply voltage is smaller than the sum of the threshold values of the P-FET and the N-FET, the current becomes constant after latching. Does not flow, so that current consumption does not increase. The conventional startup control circuit of FIG. 20 always requires an operating current, and is added to the entire operating current.
[0079]
In FIG. 12, reference numeral 121 denotes a VR drive circuit that drives the output reference voltage VR of the constant current drive reference voltage generation circuit 50 in a constant current manner. A constant current operation is added by the constant current source I121 to reduce the voltage dependency. In the figure, reference numeral 122 denotes a PD drive switch which controls the output of the error amplifier 100 at the time of startup and drives the output voltage to rise quickly. In other words, the output impedance of the error amplifier 100 is reduced at the time of startup, which assists the voltage / current output to respond quickly.
[0080]
The means for realizing the constant current source I121 in FIG. 12 may be a general high resistance, a current mirror transistor controlled by a constant current, or a large channel length in which the gate-source potential difference is controlled to be substantially constant. A transistor that performs a constant current operation using a transistor may be used.
[0081]
FIGS. 13A, 13B, 13C, and 13D show operation characteristics obtained by simulation of the operation of the startup control circuit of FIG. 12 when Vdd = 4V. Waveforms 134, 133, 132, and 131 indicate the input voltage of the IN terminal, the operating current IDD of the circuit, the output voltage of the node Q, and the output voltage of the node QX, respectively. When the rise of the voltage 134 at the input terminal IN is about 1.5 V, the Q output voltage 132 rises rapidly, the QX output voltage 131 is inverted, and when the IN input voltage is at a high level, the IDD operation is performed as shown by a waveform 133. The current is almost zero. Further, a desirable property of the start-up control circuit is that the Q output voltage 132 does not invert in a rectangular waveform like the QX output voltage 131 but changes via an intermediate level corresponding to the level of the IN input voltage. Because, in FIG. 12, the Q output voltage 132 is connected to the VR drive circuit 121 that drives the reference voltage circuit, so that when the level of the IN input voltage, that is, the output voltage Vout of the stabilized power supply is low, the drive is performed strongly, and When the voltage Vout starts and becomes higher than a certain level, the operation of weak driving is a desirable property for stable startup. This is realized by the Q output voltage 132 outputting an intermediate level voltage proportional to the output voltage Vout.
[0082]
In FIG. 13, the Q output voltage 132 and the QX output voltage 131 are inverted again at the fall of 1.4 V of the input voltage 134. Since the falling reversal threshold is determined by the size ratio as described above, it is possible to provide hysteresis. When the IN input terminal voltage 134 becomes a high level, the VR drive circuit 121 and the PD drive switch 122 stop the drive operation and enter a high impedance state. In other words, when the IN input terminal voltage 134 becomes high level, the operating current is not consumed, the output terminals of the VR drive circuit 121 and the PD drive switch 122 become high impedance, and no action is performed. An activation control circuit is realized.
[0083]
As shown in FIG. 12, the startup control circuit 90 of the present invention has a circuit element number that is only seven elements, which is less than half that of the conventional startup control circuit of FIG. We are saving. Therefore, there is a great effect in reducing the circuit area.
[0084]
FIGS. 14A and 14B show operation waveforms of the stabilized power supply circuit example FIG. 11 of the present invention. The horizontal axis is the time axis, and the power supply voltage Vdd is not shown, but is applied in a step waveform with a rise of 5 μS. Waveforms 141 and 142 indicate the output voltage Vout, and 143 and 144 indicate the output reference voltage of the reference voltage generation circuit 50. Waveforms 141 and 143 and 142 and 144 show waveforms when the power supply voltage Vdd is 6 V, which is larger than the output reference voltage, and when the power supply voltage is 2.2 V, which is almost the same as the output reference voltage. The phase compensation capacitance of the error amplifier 100 is 3 pF, and does not need to be tripled as in the conventional example. When the power supply voltage is 6 V, the output reference voltage 141 has neither overshoot nor undershoot, and has a rising time of about 5 μS at the maximum, showing a practically excellent rising waveform. Even when the power supply voltage Vdd is 2.2 V, as can be seen from the curve 142 of the voltage drop due to the output current, the problem at the time of startup has been solved without ringing or startup delay.
[0085]
According to the embodiment of the present invention, the drive of the reference voltage output terminal VR of the reference voltage generation circuit 50 of FIG. It is possible to launch. In the VR drive circuit 121 of FIG. 12, if the input voltage at which the forcible drive control of the reference voltage VR is stopped, that is, the inversion threshold of the start control circuit is set higher than the voltage at which the output voltage of the reference voltage circuit 50 in FIG. Since the startup does not fail, the startup can be guaranteed 100%. The voltage at which the output of the reference voltage circuit 50 stabilizes is, in the circuit example of FIG. 7 described above, (a) is the threshold voltage of the N-FET, and (b) and (c) are the threshold voltages of the N-FET and the P-FET. Since it is known that the sum is substantially equal to the sum, the inversion threshold value of the activation control circuit 90 can be set in advance. Further, since the start-up control circuit 90 of the present invention does not include the conventional changeover switch 81, even when the power supply voltage is high, the power supply input of the reference voltage circuit 50 does not greatly change, and ringing occurs in the output of the reference voltage generation circuit. It does not occur.
[0086]
The constant current here does not need to be an ideal constant current as described above, but may be any drive circuit in which the dependency of the power supply voltage Vdd is reduced. Regardless of the magnitude of the power supply voltage Vdd, it is desirable that the motor has a strong driving force at the start of startup and that the driving force decreases as the voltage approaches the target voltage. This cannot be achieved with a single transistor whose gate is controlled by high and low. Because, when the power supply voltage is large, the single transistor suddenly raises the reference voltage and rapidly raises the reference voltage, causing overshoot.When the power supply voltage is low, only a small current flows, and the activation of the reference voltage is delayed or It will not start.
[0087]
FIG. 15 is obtained by a simulation showing the PSRR characteristic of the present invention and the PSRR characteristic of the conventional example, and shows the attenuation on the vertical axis and the frequency on the horizontal axis. 11, reference numeral 151 denotes the PSRR characteristic of the embodiment of the present invention. In FIG. 11, reference numeral 152 denotes a case where the VDD input of the reference voltage generation circuit 50 is connected to the power supply line voltage Vdd instead of the stabilization voltage Vout in FIG. 7 shows PSRR characteristics of a conventional example connected to a line. The curve 152 shows a PSRR of about -53 dB, but the curve 151 reaches a maximum of -112 dB. In the embodiment of the present invention, the improvement is 59 dB.
[0088]
In the above equation (2), the ripple component ΔVref caused by the reference voltage circuit is only one of the three elements, but it can be seen from the characteristic example of FIG. 15 that it occupies a large weight. .
[0089]
[Second embodiment]
FIG. 16 shows a circuit diagram of a second embodiment of the present invention. In FIG. 16, reference numeral 100 denotes an error amplifier, an example of which is shown in FIG. An output circuit 30 is shown in FIG. Reference numeral 40 denotes an error detection voltage dividing circuit, an example of which is shown in FIG. A start control circuit 90 according to the present invention does not include the switching P-FET switch 81 in the conventional example shown in FIG. Reference numeral 50 denotes a reference voltage generation circuit, which is connected to the start control circuit 90. Reference numeral 60 denotes a bias current generation circuit, which is provided separately from the reference voltage generation circuit and is not connected to the start control circuit 90. In the second embodiment, the operation of the activation control circuit 90 is the same as that of the first embodiment except that the bias current generation circuit 60 is separated.
[0090]
[Third embodiment]
The start control operation of the present invention has one contradiction. That is, when the overcurrent protection function is added, the operation of the startup control of the present invention contradicts the operation of the overcurrent protection. The startup control of the present invention operates to quickly start the output voltage when it has not been started. On the other hand, the overcurrent protection operates so as to reduce the output voltage when the output current exceeds a certain level, thereby limiting the output current. Therefore, a circuit function for eliminating the inconsistency is required.
[0091]
FIG. 21 shows a configuration diagram of the third embodiment of the present invention. FIG. 21 shows a stabilized power supply circuit to which an overcurrent detection protection circuit 70 is added, and shows an error amplifier 100, an output circuit 30, an output voltage dividing circuit 40, and a reference voltage generation circuit 50. Same as 1. FIG. 23 is a circuit example of the overcurrent detection protection circuit 70. In the figure, reference numeral 231 denotes a current detection circuit, and 232 denotes a current detection holding circuit. The same signal as that of the P-FET gate of the output circuit 30 of FIG. 21 is supplied to the terminal PD, and P233 and P236 form a current mirror with the P-FET P3 of the output circuit 30, and are therefore substantially proportional to the FET size. Electric current flows. The current flows to R231 and R234, and the gate voltage of the N-FET rises, and N232 and N233, which are N-FETs, respectively, detect a certain amount of current or more and turn on, and then P234 and P235 turn on. The state shifts to the ON state, and the PD terminal is pulled toward the power supply voltage Vdd to limit the output current Iout. At the same time, the current detection and holding circuit 232 fixes and holds the current to a small value. This state is maintained until the output current Iout becomes equal to or less than the holding current to release the overcurrent state or the power supply voltage Vdd is reset, thereby preventing the output circuit 30 from being thermally damaged. At that time, the overcurrent detection output terminal DO outputs a predetermined positive potential.
[0092]
21 is a start control circuit of the present invention, and FIG. 22 shows an example of the circuit. In FIG. 22, an N-FET N124 and an overcurrent detection signal terminal KI are added as compared with the circuit example of FIG. 12 of the first embodiment. The overcurrent detection signal is a signal for performing special control at the time of overcurrent, and a DO terminal output from the overcurrent detection circuit 70 is connected to the overcurrent detection signal terminal KI. N124 is an N-FET, which receives the overcurrent detection signal, prevents the latch 120 from returning to the state during the output overcurrent state, inhibits the starting operation, and inhibits the PD drive circuit 122 from operating. Since the latch circuit configuration is used, it is easy to hold that state. If N124 has a lower impedance than N122, the state equivalent to the on state of N122 can be held, and the control signal of N122 changes to the full power supply voltage. It does not need to be a signal.
[0093]
FIG. 24 is a waveform diagram showing the operation of the start-up control circuit during the overcurrent operation obtained by simulation. The horizontal axis is the time axis. In the circuit example of FIG. 21, the resistance R3 connected to the output terminal Vout is gradually decreased, and after an overcurrent state occurs, the resistance R3 is increased again to increase the output current. The operation to decrease the value is obtained by simulation. In FIG. 24 (b), the characteristic curve 243 of the output current Iout gradually increases, and after detecting the overcurrent state, the holding current is held, and after a certain period of time, the load current is gradually reduced to reduce the overcurrent. It has returned from the state. A waveform 241 is an output voltage, a waveform 242 is a reference voltage, a waveform 244 is an output voltage of the error amplifier, a waveform 245 is a detection signal output of the overcurrent protection circuit 70, a waveform 246 is an output voltage waveform of the Q node of the startup control circuit, and a waveform 247. Indicates the output voltage of the QX node of the voltage conversion circuit of the activation control circuit.
[0094]
When the output current waveform 243 gradually increases and suddenly changes to a low holding current, an overcurrent is detected, and the voltage value of the output voltage waveform 241 in FIG. 24F also decreases to prevent the generation of Joule heat. The output circuit 30 is prevented from being destroyed. At this time, the voltage of the voltage waveform 247 of the QX node in FIG. 22 also changes to a low level, the VR drive circuit 121 of the activation control circuit is activated at a slightly lower level, a low reference voltage is generated, and an overcurrent occurs. It is activated so that it can be started quickly when released. Generating a reference voltage lower than the normal operation is a very important operation function so that the output does not overshoot when the overcurrent state is released, and the VR drive circuit 121 in the start control circuit FIG. Can be easily realized by setting the output impedance of the signal to a certain value or more.
[0095]
The waveform 246 of the QX node in FIG. 24E remains at a low level due to the plus voltage of the overcurrent detection signal waveform 245 in FIG. 24D, and the PD drive circuit 122 of the start control circuit in FIG. Therefore, the 244-PD signal is controlled by the overcurrent protection circuit 70 and holds the output circuit 30 near the off state. That is, the startup control circuit in FIG. 22 realizes a complicated function with the minimum additional element N124, and a very great effect is obtained. An equivalent function can be realized by a logic circuit. However, it is presumed that more elements are required as compared with the circuit in FIG. 22 when the signal levels are not uniform and the number of logic states is estimated.
[0096]
Therefore, the startup control circuit used in the present invention completely resolves serious inconsistencies in operation with only one additional element, and is very effective.
[0097]
【The invention's effect】
As described above, the present invention solves the problem of the conventional switching type starting circuit with a small number of elements, and remarkably improves the PSRR characteristic. Not only the stability at startup, but also the number of circuit elements is greatly reduced. In the case of a simple constant current source, for example, a high resistance element, and above all, when the power supply voltage Vdd is low, the current consumption of the startup control circuit can be reduced to almost zero. Especially effective. Further, since a device manufactured by a special manufacturing method is not used for the reference voltage circuit, it can be realized in a standard digital integrated circuit manufacturing process. The present invention does not specify the type of the reference voltage circuit, but can be applied to any reference voltage circuit.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing an example of a conventional stabilized power supply circuit.
FIG. 2 is a circuit diagram showing an example of a conventional stabilized power supply circuit.
FIG. 3 is a diagram showing an example of an output voltage-power supply voltage characteristic of a conventional stabilized power supply circuit.
FIG. 4 is an enlarged view of the scale of FIG.
FIG. 5 is a diagram showing gain-frequency characteristics and phase-frequency characteristics of an output of a conventional stabilized power supply circuit.
FIG. 6 shows PSRR characteristics of a conventional stabilized power supply circuit.
FIGS. 7A to 7C are circuit diagrams of a reference voltage source.
FIG. 8 is a diagram showing a transient response characteristic of a reference voltage circuit.
FIG. 9 is a circuit schematic diagram of a conventional switchable stabilized power supply.
FIG. 10 is a diagram showing a transient response characteristic of a conventional switched-type stabilized power supply.
FIG. 11 is an overall block diagram of Embodiment 1 of the present invention.
FIG. 12 is a diagram showing a circuit example of a start-up control circuit of the present invention.
FIG. 13 is a diagram showing an operation characteristic curve of the startup control circuit of the present invention.
FIG. 14 is a diagram showing an operation characteristic curve of the stabilized power supply circuit of the present invention.
FIG. 15 is a diagram showing PSRR characteristic curves of the present invention and a conventional example.
FIG. 16 is an overall block diagram of Embodiment 2 of the present invention.
FIG. 17 is a diagram illustrating an example of an error amplifier circuit.
FIG. 18 is a diagram illustrating a circuit example of a voltage / current output circuit.
FIG. 19 is a diagram illustrating a circuit example of an error detection voltage dividing circuit.
FIG. 20 is a diagram illustrating an example of a conventional startup control circuit.
FIG. 21 is an overall block diagram of a third embodiment of the present invention.
FIG. 22 is a diagram showing a circuit example of an overcurrent protection start control circuit according to the present invention.
FIG. 23 is a diagram illustrating a circuit example of an overcurrent detection protection circuit.
FIG. 24 is a diagram showing an operation characteristic curve of the overcurrent protection start control circuit of the present invention.
[Explanation of symbols]
1, 2 Voltage supply terminals
3 Output terminal
10 Differential amplifier circuit
20 phase inversion amplifier
30 output circuit
40 output voltage divider
50 Reference voltage generation circuit
60 Bias current generation circuit
70 Overcurrent protection circuit
80 Conventional startup control circuit
81 Changeover switch circuit
90, 91 Start-up control circuit of the present invention
100 error amplifier

Claims (3)

基準電圧とバイアス電流を発生する手段と、
電圧出力を生成する電圧電流出力手段と、
出力電圧の誤差ないし変動を検出する出力検出手段と、
前記基準電圧に対する誤差電圧を増幅する誤差増幅手段と、
前記電圧電流出力手段の電圧および前記基準電圧に応答して、前記電圧電流出力手段の出力または前記誤差増幅手段の出力を制御する起動制御手段とを有しており、
該起動制御手段は、構成素子のサイズで定まる所定の内在閾値を有し、かつ、前記電圧電流出力手段の出力電圧に応じて電圧変換して保持する機能を有し、かつ、前記基準電圧の出力を定電流的に駆動する端子と前記誤差増幅器の出力を駆動制御する端子とを有し、前記電圧出力が前記の内在閾値に到達するまで駆動制御することを特徴とする、直流安定化電源回路。
Means for generating a reference voltage and a bias current;
Voltage current output means for generating a voltage output,
Output detection means for detecting an error or variation of the output voltage;
Error amplification means for amplifying an error voltage with respect to the reference voltage,
In response to the voltage of the voltage / current output unit and the reference voltage, the control unit has an activation control unit that controls an output of the voltage / current output unit or an output of the error amplification unit,
The activation control unit has a predetermined intrinsic threshold determined by the size of a component element, and has a function of performing voltage conversion and holding in accordance with the output voltage of the voltage / current output unit, and A DC stabilized power supply having a terminal for driving an output in a constant current manner and a terminal for driving and controlling the output of the error amplifier, and performing drive control until the voltage output reaches the intrinsic threshold. circuit.
基準電圧とバイアス電流を発生する手段と、
電圧出力を生成する電圧電流出力手段と、
出力電圧の誤差ないし変動を検出する出力検出手段と、
前記基準電圧に対する誤差電圧を増幅する誤差増幅手段と、
前記電圧電流出力手段の電圧および前記基準電圧に応答して、前記電圧電流出力手段の出力または前記誤差増幅手段の出力を制御する起動制御手段とを有しており、
該起動制御手段は、構成素子のサイズで定まる所定の内在閾値を有し、かつ、前記電圧電流出力手段の出力電圧に応じて電圧変換して保持する機能を有し、かつ、前記基準電圧の出力を定電流的に駆動する端子と前記誤差増幅器の出力を駆動制御する端子とを有し、前記電圧出力が前記の内在閾値に到達するまで駆動制御し、
出力過電流時に過電流検出信号を出力する過電流保護手段を有し、
該過電流検出信号によって、前記起動制御手段の前記基準電圧の出力を定電流的に駆動する端子は活性化され、前記誤差増幅器の出力を駆動する端子は非活性化されることを特徴とする、直流安定化電源回路。
Means for generating a reference voltage and a bias current;
Voltage current output means for generating a voltage output,
Output detection means for detecting an error or variation of the output voltage;
Error amplification means for amplifying an error voltage with respect to the reference voltage,
In response to the voltage of the voltage / current output unit and the reference voltage, the control unit has an activation control unit that controls an output of the voltage / current output unit or an output of the error amplification unit,
The activation control unit has a predetermined intrinsic threshold determined by the size of a component element, and has a function of performing voltage conversion and holding in accordance with the output voltage of the voltage / current output unit, and A terminal for driving the output in a constant current manner and a terminal for driving and controlling the output of the error amplifier, and controlling the drive until the voltage output reaches the intrinsic threshold;
Having overcurrent protection means for outputting an overcurrent detection signal at the time of output overcurrent,
According to the overcurrent detection signal, a terminal for driving the output of the reference voltage of the activation control means in a constant current manner is activated, and a terminal for driving the output of the error amplifier is deactivated. , DC stabilized power supply circuit.
基準電圧の発生とバイアス電流の発生とをそれぞれ別個の独立した手段として構成したことを特徴とする、請求項1又は2に記載の直流安定化電源回路。3. The stabilized DC power supply circuit according to claim 1, wherein the generation of the reference voltage and the generation of the bias current are configured as separate and independent means.
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