JP2009193414A - ボルテージレギュレータ - Google Patents

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Abstract

【課題】制限電流値と短絡電流値の精度を高め、出力トランジスタに過電流が流れたときに電力損失を小さく抑えることが出来る、過電流保護回路を備えたボルテージレギュレータを提供すること。
【解決手段】過電流保護回路を、誤差増幅回路の出力電圧で制御され検出電流を流す出力電流検出トランジスタと、検出電流によって検出電圧を発生する検出抵抗と、第2の基準電圧と分圧電圧によって設定される電圧と、検出抵抗の電圧との差を増幅して出力する第2の誤差増幅回路と、第2の誤差増幅回路の出力でゲートが制御され、出力トランジスタのゲート電圧を制御する出力電流制限回路と、で構成した。また、第2の基準電圧を温度検出回路から供給する構成とした。
【選択図】図1

Description

本発明は、定電圧を出力するボルテージレギュレータに関し、より詳しくは、出力端子に過電流が流れたときに、出力電流を小さく絞って回路を保護する過電流保護回路に関する。
ボルテージレギュレータは、様々な電子機器の回路の電圧供給源として用いられている。ボルテージレギュレータの機能は、入力端子の電圧変動によらず出力端子に一定の電圧を出力することである。そして、出力端子から負荷に供給する電流が増加して定格電流を所定値以上を超えた時に、出力電流を小さく絞って回路を保護する過電流保護も重要である(例えば、特許文献1参照)。
図5に、過電流保護回路を備えたボルテージレギュレータの回路図を示す。従来の過電流保護回路を備えたボルテージレギュレータは、出力端子Voutの電圧を分圧する出力電圧分圧回路2と、基準電圧を出力する基準電圧回路3と、分圧電圧と基準電圧を比較する誤差増幅器4と、誤差増幅器4の出力電圧によって制御される出力トランジスタ1と、過電流保護回路50とからなる。過電流保護回路50は、出力トランジスタ1と並列に接続された出力電流検出回路である出力電流検出トランジスタ5および検出抵抗6と、検出抵抗6の電圧によって制御される出力電流制限回路を構成するトランジスタ7、抵抗8、および出力電流制御トランジスタ9とから構成されている。
上述したような過電流保護回路50は、以下のように動作して過電流から回路を保護する機能を有する。
出力端子Voutの出力電流が増加した場合、出力電流に応じた検出電流が出力電流検出トランジスタ5に流れる。この検出電流が検出抵抗6に流れることにより、トランジスタ7のゲート−ソース間電圧が上昇する。ここで、出力端子Voutに過電流が流れて、トランジスタ7のゲート−ソース間電圧がしきい値電圧を超えると、トランジスタ7にドレイン電流が流れる。トランジスタ7のドレイン電流が抵抗8に流れることによって、出力電流制御トランジスタ9のゲート−ソース間電圧が低下する。従って、出力電流制御トランジスタ9にドレイン電流が流れ、出力トランジスタ1のゲート−ソース間電圧を上昇させる。このように過電流保護回路50が働くことによって、出力端子Voutの出力電流はフの字型の電流電圧特性に抑制される。
図6に、フの字型の電流電圧特性の図を示す。電流電圧特性において、過電流保護回路が働く出力電流の値を制限電流という。また、出力端子Voutが短絡して、出力電圧が接地電位と等しくなったときの出力電流の値を短絡電流という。
特開平2-189608号公報
しかしながら、従来の過電流保護回路50は、トランジスタ7の製造時のプロセスばらつきによって、制限電流の電流値の精度が低くなる。また、抵抗6のばらつきによって、短絡電流の精度も低くなる。しかしながら、製造時におけるトランジスタ7と抵抗6の正確な調整は困難であった。
そのため、制限電流を小さく設定した場合に、短絡電流がばらつくことによって、出力電流と出力電圧の関係から、ボルテージレギュレータの起動特性が悪くなる、という問題点を有していた。すなわち、ボルテージレギュレータの起動特性を確保するためには、制限電流をあまり絞ることが出来なかった。
更に、ボルテージレギュレータの内部温度は、過電流による発熱や、周囲温度等の影響を受けて上昇する。しかしながら、従来の過電流保護回路50では、ボルテージレギュレータの内部温度による制限電流値と短絡電流値の制御は出来なかった。
本発明は、以上のような課題を解決するために考案されたものであり、その目的は、制限電流値と短絡電流値の精度を高めた過電流保護回路を備えたボルテージレギュレータを提供することである。
従来の課題を解決するために、本発明の過電流保護回路を備えたボルテージレギュレータは以下のような構成とした。
(1)前記目的を達成するために、請求項1に記載の発明では、第1の基準電圧と出力トランジスタの出力電圧に基づく電圧との差を増幅して出力し、前記出力トランジスタのゲートを制御する第1の誤差増幅回路と、前記出力トランジスタに過電流が流れたことを検出し、前記出力トランジスタの電流を制限する過電流保護回路と、を備えたボルテージレギュレータであって、前記過電流保護回路は、前記第1の誤差増幅回路の出力電圧でゲートが制御され、前記出力トランジスタの出力電流に応じた検出電流を流す出力電流検出トランジスタと、前記検出電流によって電圧を発生する電圧発生回路と、第2の基準電圧と前記出力電圧に基づく電圧とによって設定される電圧と、前記電圧発生回路の電圧との差を増幅して出力する第2の誤差増幅回路と、前記第2の誤差増幅回路の出力でゲートが制御され、前記出力トランジスタのゲート電圧を制御する出力電流制限トランジスタと、を備えたことを特徴とするボルテージレギュレータを提供する。
(2)請求項2に記載の発明では、前記第2の基準電圧は、前記第1の基準電圧と同じ回路から供給されることを特徴とする請求項1に記載のボルテージレギュレータを提供する。
(3)請求項3に記載の発明では、前記第2の基準電圧は、温度によって出力電圧が変化する温度検出回路から供給されることを特徴とする請求項1に記載のボルテージレギュレータを提供する。
(4)請求項4に記載の発明では、前記温度検出回路は、直列に接続された定電流回路とダイオードを備え、前記第2の基準電圧はと前記ダイオードの順方向電圧により出力されることを特徴とする請求項3に記載のボルテージレギュレータを提供する。
本発明の過電流保護回路を備えたボルテージレギュレータによれば、過電流保護回路を第2の基準電圧と出力電圧に基づく電圧とによって設定される電圧と、電圧発生回路の電圧との差を増幅して出力する第2の誤差増幅回路によって出力電流を制限する回路構成としたので、製造時のプロセスばらつきに寄らず、制限電流値と短絡電流値の精度を高め、出力トランジスタに過電流が流れたときに電力損失を小さく抑えることが出来る、過電流保護回路を備えたボルテージレギュレータを提供することが出来る。
さらに、第2の基準電圧を、温度によって出力電圧が変化する温度検出回路から供給することにより、温度によって制限電流値と短絡電流値を制御することができ、より効果的に発熱を抑えることが出来る。
図1は、本発明の第1の実施形態のボルテージレギュレータの回路図である。
第1の実施形態のボルテージレギュレータは、P型MOSトランジスタの出力トランジスタ1と、出力電圧分圧回路2と、基準電圧回路3と、誤差増幅器4と、過電流保護回路100とを備えている。過電流保護回路100は、P型MOSトランジスタの出力電流検出トランジスタ5と、検出抵抗6と、P型MOSトランジスタの出力電流制御トランジスタ9と、第2の誤差増幅器10と、第2の基準電圧回路11とを備えている。
出力電圧分圧回路2は、入力端子を出力端子Voutに接続し、出力端子を誤差増幅器4の非反転入力端子に接続している。基準電圧回路3は、出力端子を誤差増幅器4の反転入力端子に接続している。誤差増幅器4は、出力端子を出力トランジスタ1のゲートに接続している。出力トランジスタ1は、ソースを入力電源に接続し、ドレインを出力端子Voutに接続している。出力電流検出トランジスタ5は、ゲートを誤差増幅器4の出力端子に接続し、ソースを入力電源に接続し、ドレインを検出抵抗6の一方の端子に接続している。検出抵抗6は、他方の端子を接地している。第2の誤差増幅器10は、反転入力端子を検出抵抗6の一方の端子に接続し、非反転入力端子の一方を第2の基準電圧回路11の出力端子に接続し、もう一方を出力電圧分圧回路2の出力端子に接続している。第2の誤差増幅器10の出力端子は、出力電流制御トランジスタ9のゲートに接続している。出力電流制御トランジスタ9は、ソースを入力電源に接続し、出力トランジスタ1のゲートに接続している。
出力電圧分圧回路2は、出力端子Voutの電圧を分圧し分圧電圧Vdivを出力する。基準電圧回路3は、基準電圧Vrefを出力する。誤差増幅器4は、分圧電圧Vdivと基準電圧Vrefを比較し、その差を増幅して出力する。出力トランジスタ1は、誤差増幅器4の出力電圧によって制御され、分圧電圧Vdivと基準電圧Vrefが等しくなるように動作する。その結果として、出力端子Voutの電圧は一定に保たれる。
過電流保護回路100は、出力トランジスタ1に流れる電流を監視する。そして、出力トランジスタ1に過電流が流れるのを検出すると、出力トランジスタ1のゲートを制御して、電流を減少させる機能を有する。
出力電流検出トランジスタ5と出力トランジスタ1はゲートが接続されているので、夫々のドレイン電流は比例している。検出抵抗6は、出力電流検出トランジスタ5のドレイン電流によって電圧を発生する。第2の誤差増幅器10は、反転入力端子に検出抵抗6に発生する電圧を入力している。従って、検出抵抗6に発生する電圧が非反転入力端子の電圧より高くなると、出力端子の電圧は低くなる。出力電流制御トランジスタ9のゲートの電圧が低くなり、出力電流制御トランジスタ9にドレイン電流が流れる。結果として、出力トランジスタ1のゲートの電圧が高くなり、出力トランジスタ1のドレイン電流は少なくなるように制御される。
第2の誤差増幅器10の具体的な回路例を図2に示す。
ゲートが反転入力端子V1となるN型MOSトランジスタ21と、ゲートが第1の非反転入力端子V2となるN型MOSトランジスタ22と、ゲートが第2の非反転入力端子V3となるN型MOSトランジスタ23と、第1の非反転入力と反転入力の間に設けられたカレントミラー回路を構成するP型MOSトランジスタ24およびP型MOSトランジスタ25と、第2の非反転入力と反転入力の間に設けられたカレントミラー回路を構成するP型MOSトランジスタ26およびP型MOSトランジスタ27と、第2の誤差増幅器10の消費電流を決定する定電流源28と、を備える。これらのトランジスタは同じサイズに設計されているので、2つのカレントミラー回路は、入力電圧が等しければ等しい電流が流れる。第2の誤差増幅器10の2つの非反転入力端子は、第一の非反転入力端子V2には第2の基準電圧回路11の第2の基準電圧Vref2を入力し、第二の非反転入力端子V3には分圧電圧Vdivを入力している。
ここで、図2の第2の誤差増幅器10は、N型MOSトランジスタ21、22、23のサイズ、例えば、面積サイズW×L(幅×長さ)比を2:1:1と設定すると、各入力端子の電圧をV1、V2、及びV3、出力電圧をVO、増幅率をAとすると、それらの関係は式1で現される。
VO=A(((V2+V3)/2)−V1) ・・・ (1)
すなわち第2の誤差増幅器10は、第1の非反転入力端子V2と第2の非反転入力端子V3の電圧の平均値と反転入力端子V1の電圧との差を増幅する。
以上説明した図2の第2の誤差増幅器10は、図3および図4の第2の実施形態のボルテージレギュレータにも適用される。
上述したような過電流保護回路100は、以下のように動作して過電流から回路を保護する機能を有する。
出力端子Voutの出力電流が増加した場合、出力電流に応じた検出電流が出力電流検出トランジスタ5に流れる。この検出電流が検出抵抗6に流れることにより、第2の誤差増幅器10の反転入力端子V1の電圧が上昇する。第2の誤差増幅器10の第1の非反転入力端子V2には第2の基準電圧Vref2が、第2の非反転入力端子V3には分圧電圧Vdivが入力されている。通常の動作状態では、分圧電圧Vdivは第2の基準電圧Vref2と等しく、反転入力端子V1の電圧はそれより低い。従って、第2の誤差増幅器10の出力端子はハイレベルの電圧に保たれ、出力電流制御トランジスタ9はオフしている。
ここで、負荷が短絡するなどによって出力端子Voutに過電流が流れると、それに応じて出力電流検出トランジスタ5の検出電流も大きくなり、その検出電流が検出抵抗6に流れることによって、第2の誤差増幅器10の反転入力端子V1の電圧が徐々に上昇する。また、出力端子Voutの電圧は負荷が短絡することによって低下し、第2の誤差増幅器10の非反転入力端子V3の電圧が低下する。そして、第1の非反転入力端子V2の第2の基準電圧Vref2と第2の非反転入力端子V3の分圧電圧Vdivの平均値より、反転入力端子V1の電圧が高くなると、第2の誤差増幅器10の出力端子の電圧は徐々に低くなる。従って、出力電流制御トランジスタ9のゲート−ソース間電圧が低下し、出力電流制御トランジスタ9にドレイン電流が流れ、出力トランジスタ1のゲート−ソース間電圧を上昇させる。
さらに、出力端子Voutの電圧が低下し、接地電位まで低下すると、第2の誤差増幅器10の第2の非反転入力端子V3の分圧電圧Vdivは、接地電位まで低下する。しかしながら、第2の誤差増幅器10は第1の非反転入力端子V2に第2の基準電圧Vref2を入力しているので、反転入力端子V1の電圧と比較する電圧は、Vref2/2より低下することはない。従って、本実施形態に係るボルテージレギュレータでは、短絡電流値が0まで下がることはないため、起動特性の改善を図ることができる。
第1の実施形態のボルテージレギュレータの制限電流値の精度は、抵抗6の抵抗値と第2の基準電圧値の精度で決定される。これらの特性は、製造時に容易に測定することができるので、トリミングにより精度よく合わせこむことが可能である。
また、短絡電流値の精度は、抵抗6の抵抗値と第2の基準電圧値Vref2と分割電圧値と第2の誤差増幅器10の差動トランジスタ対の面積比で決定される。トランジスタの面積比のばらつきは、トランジスタの閾値電圧値の絶対値によるばらつきよりも小さい。
すなわち、精度よく設定することが可能な第2の基準電圧Vref2などによって短絡電流を決定することが出来るので、出力電流−出力電圧特性を所望の特性に合わせこむことが容易であり、ボルテージレギュレータの起動特性を損ねることなく、短絡電流を小さく絞ることが可能となる。
図3に、第1の実施形態の変形例のボルテージレギュレータの回路図を示す。図3のボルテージレギュレータは、第2の誤差増幅器10の第1の非反転入力端子V2に、第2の基準電圧Vref2の代わりに、基準電圧回路3の基準電圧Vrefを入力している。このように、第2の誤差増幅器10の第1の非反転入力端子V2の電圧を、基準電圧回路3から供給しても、同様により精度よく短絡電流を絞ることが可能な過電流保護回路を実現することが出来る。また、基準電圧Vrefを分割抵抗によって分割した電圧を、第2の誤差増幅器10の第1の非反転入力端子V2に入力してもよい。
図4に、第2の実施形態のボルテージレギュレータの回路図を示す。図4のボルテージレギュレータは、第1の実施形態の過電流保護回路から、過電流保護回路102に変更したものである。過電流保護回路102は、P型MOSトランジスタの出力電流検出トランジスタ5と、検出抵抗6と、P型MOSトランジスタの出力電流制御トランジスタ9と、第2の誤差増幅器10と、定電流回路12と、ダイオード13とを備えている。
出力電流検出トランジスタ5は、ゲートを誤差増幅器4の出力端子に接続し、ソースを入力電源に接続し、ドレインを検出抵抗6の一方の端子に接続している。検出抵抗6は、他方の端子を接地している。定電流回路12とダイオード13は、入力電源と接地間に順方向に直列に接続されていている。第2の誤差増幅器10は、反転入力端子を検出抵抗6の一方の端子に接続し、非反転入力端子の一方を定電流回路12とダイオード13の接続点に接続し、もう一方を出力電圧分圧回路2の出力端子に接続している。第2の誤差増幅器10の出力端子は、出力電流制御トランジスタ9のゲートに接続している。出力電流制御トランジスタ9は、ソースを入力電源に接続し、出力トランジスタ1のゲートに接続している。
定電流回路12とダイオード13は、その接続点から温度に比例して低下する電圧Vtempを出力する温度検出回路を構成している。一般に、PN接合シリコンダイオードに一定の順方向電流を流した場合、その電圧降下は常温(25℃)で約0.6Vとなり、おおよそ−2.0mV/℃(電流や個々の素子によって異なる)の温度特性を示す。従って、定電流回路12とダイオード13を直列に接続して、温度検出回路を構成することが出来る。
そして常温の通常動作状態では、電圧Vtempは分圧電圧Vdivと等しい、もしくは大きくなるように設定する。
このような温度検出回路を利用した過電流保護回路102では、ボルテージレギュレータの内部温度が上昇すると、温度検出回路の出力電圧Vtemp、即ち、第2の誤差増幅器10の第1の非反転入力端子V2の入力電圧が低下する。これにより、制限電流の設定値が低下する。このように、高温時における制限電流の値を常温時より小さくすることにより、高温時における過電流による発熱量を低減させることができる。
上述したような過電流保護回路102は、以下のように動作して過電流から回路を保護する機能を有する。
出力端子Voutの出力電流が増加した場合、出力電流に応じた検出電流が出力電流検出トランジスタ5に流れる。この検出電流が検出抵抗6に流れることにより、第2の誤差増幅器10の反転入力端子V1の電圧が上昇する。第2の誤差増幅器10の第1の非反転入力端子V2には定電流回路12とダイオード13の接続点の電圧Vtempが、第2の非反転入力端子V3には分圧電圧Vdivが入力されている。常温の通常動作状態では、電圧Vtempは分圧電圧Vdivと等しく、反転入力端子V1の電圧はそれより低い。従って、第2の誤差増幅器10の出力端子はハイレベルの電圧に保たれ、出力電流制御トランジスタ9はオフしている。
ここで、出力端子Voutに過電流が流れて、検出抵抗6に出力電流検出トランジスタ5が検出電流を流すことによって、第2の誤差増幅器10の反転入力端子V1の電圧が徐々に上昇する。また、出力端子Voutの電圧は負荷が短絡することによって低下し、第2の誤差増幅器10の非反転入力端子V3の電圧が低下する。そして、第1の非反転入力端子V2の電圧Vtempと第2の非反転入力端子V3の分圧電圧Vdivの平均値より、反転入力端子V1の電圧が高くなると、第2の誤差増幅器10の出力端子の電圧は徐々に低くなる。従って、出力電流制御トランジスタ9のゲート−ソース間電圧が低下し、出力電流制御トランジスタ9にドレイン電流が流れ、出力トランジスタ1のゲート−ソース間電圧を上昇させる。
さらに、過電流が流れることによって出力端子Voutの電圧は低下し、接地電位まで低下する。すなわち、第2の誤差増幅器10の第2の非反転入力端子V3の分圧電圧Vdivは、接地電位まで低下する。しかしながら、第2の誤差増幅器10は第1の非反転入力端子V2に電圧Vtempを入力しているので、反転入力端子V1の電圧と比較する電圧は、Vtemp/2より低下することはない。従って、本実施形態に係るボルテージレギュレータでは、短絡電流値が0まで下がることはないため、起動特性の改善を図ることができる。
温度検出回路の電圧Vtempは、PN接合のバンドギャップ電圧とその温度特性で決まる電圧値であり、トランジスタの閾値電圧のばらつきよりもはるかに小さい。
すなわち、従来のトランジスタの閾値電圧で制御する過電流保護回路よりも、制限電流と短絡電流を精度よく設定することが出来る。従って、出力電流−出力電圧特性を所望の特性に合わせこむことが容易であり、ボルテージレギュレータの起動特性を損ねることなく、短絡電流を小さく絞ることが可能となる。
さらに、本実施形態のボルテージレギュレータは、第1の非反転入力端子V2に温度検出回路の電圧Vtempを入力することで、ボルテージレギュレータの内部温度によって制限電流値と短絡電流値を制御することができ、これにより効果的に発熱を抑えることが出来る。
なお、本発明の実施形態の過電流保護回路では、第2の誤差増幅器10の非反転入力端子の一方に出力電圧分圧回路2の出力電圧を入力しているが、それに限らず出力電圧に応じた電圧であれば良い。
また、第2の誤差増幅器10は、第1の非反転入力端子V2と第2の非反転入力端子V3の電圧の平均値と反転入力端子V1の電圧との差を増幅するような設定としたが、短絡電流値を設定するための適切な比率であれば、それに限ることはない。
本発明の第1の実施形態の過電流保護回路を備えたボルテージレギュレータの回路図である。 実施形態の過電流保護回路における第2の誤差増幅回路の回路図である。 本発明の第1の実施形態の変形例の過電流保護回路を備えたボルテージレギュレータの回路図である。 本発明の第2の実施形態の過電流保護回路を備えたボルテージレギュレータの回路図である。 従来の過電流保護回路を備えたボルテージレギュレータの回路図である。 過電流保護回路を備えたボルテージレギュレータのフの字型の電流電圧特性の図である。
符号の説明
2 電圧分圧回路
3 基準電圧回路
4 誤差増幅器
10 第2の誤差増幅器
11 第2の基準電圧回路
12 定電流源
13 ダイオード
50、100、101、102 過電流保護回路

Claims (4)

  1. 第1の基準電圧と出力トランジスタの出力電圧に基づく電圧との差を増幅して出力し、前記出力トランジスタのゲートを制御する第1の誤差増幅回路と、
    前記出力トランジスタに過電流が流れたことを検出し、前記出力トランジスタの電流を制限する過電流保護回路と、を備えたボルテージレギュレータであって、
    前記過電流保護回路は、
    前記第1の誤差増幅回路の出力電圧でゲートが制御され、前記出力トランジスタの出力電流に応じた検出電流を流す出力電流検出トランジスタと、
    前記検出電流によって電圧を発生する電圧発生回路と、
    第2の基準電圧と前記出力電圧に基づく電圧とによって設定される電圧と、前記電圧発生回路の電圧との差を増幅して出力する第2の誤差増幅回路と、
    前記第2の誤差増幅回路の出力でゲートが制御され、前記出力トランジスタのゲート電圧を制御する出力電流制限トランジスタと、を備えたことを特徴とするボルテージレギュレータ。
  2. 前記第2の基準電圧は、前記第1の基準電圧と同じ回路から供給されることを特徴とする請求項1に記載のボルテージレギュレータ。
  3. 前記第2の基準電圧は、温度によって出力電圧が変化する温度検出回路から供給されることを特徴とする請求項1に記載のボルテージレギュレータ。
  4. 前記温度検出回路は、直列に接続された定電流回路とダイオードを備え、前記第2の基準電圧は前記ダイオードの順方向電圧により出力されることを特徴とする請求項3に記載のボルテージレギュレータ。
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