JP2009201199A - 降圧型レギュレータおよび半導体集積回路 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】スイッチS1,S3が双方とも導通するとき、第3キャパシタC3が第1キャパシタC1と並列接続する。このとき、スイッチS2,S4が非導通となるため、第3キャパシタC3が第2キャパシタC2と並列状態から切り離され、第3キャパシタC3が第2キャパシタC2と直列接続することとなる(第1状態)。反対に、スイッチS2,S4が双方とも導通するとき、第3キャパシタC3が第2キャパシタC2と並列接続する。このとき、スイッチS1,S3が非導通となるため、第3キャパシタC3が第1キャパシタC1と並列状態から切り離され、第3キャパシタC3が第1キャパシタC1と直列接続することとなる(第2状態)。第1状態と第2状態を周期的に切り替える。
【選択図】図1
Description
TPS60500 High Efficiency, 250-mA Step-Down Charge Pump (http://focus.tij.co.jp/jp/lit/ds/symlink/tps60500.pdf) LTC3251 製品速報 (http://www.linear-tech.co.jp/pc/downloadDocument.do?navId=H0,C1,C1003,C1039,C1122,P1617,D23802)
本発明は、前記課題にかんがみてなされたもので、小型で効率のよい降圧型レギュレータおよび半導体集積回路を提供することを目的とする。
1.第1の実施形態:
2.第2の実施形態:
3.第3の実施形態:
4.第4の実施形態:
5.第5の実施形態:
6.まとめ
図1は、第1の実施形態にかかる降圧型レギュレータの回路構成を示している。同図において、降圧型レギュレータ10は、入力端子11と基準電圧12とアンプ13とMOSFET14とスイッチS1〜S4とキャパシタC1〜C4と出力端子15と負荷16とグランド端子17と抵抗R1,R2と切替回路20から構成されている。なお、本明細書(第5の実施形態は除く。)において入力端子11と出力端子15とグランド端子17における“端子”とは、それぞれ入力側回路と出力側回路とグランドに接続される回路点を意味し、必ずしも物理的な端子を意味するものではない。降圧型レギュレータ10は、入力端子11から入力される直流の入力電圧Vinを降圧して、負荷16に対して入力電圧Vinの約半分の出力電圧Voutを供給するための回路である。出力電圧Voutは、負荷16に供給されるとともに、抵抗R1,R2によって分圧されている。当該分圧された電圧は、アンプ13に入力されている。
すなわち、第2状態において第1キャパシタC1に充電された電荷が第1状態において放出され、第2状態と反対向きの電流が第1キャパシタC1に生じることとなる。第1状態においては、第3キャパシタC3がMOSFET14に対して直列的に接続され、かつ、第1キャパシタC1と並列接続されるため、第1キャパシタC1からの電流IC1BとMOSFET14の電流Iregが第3キャパシタC3の電流IC2Aを構成することとなる。そのため、第1状態における第3キャパシタC3の電流IC2Aは下記の(3)式によって表すことができる。
すなわち、MOSFET14の電流Iregの2倍の大きさの電流が第3キャパシタC3に流れることとなり、第1状態の間に第3キャパシタC3にて増加する電荷ΔQ3は、下記の(4)式によって表すことができる。
第1状態における点Pの電流の関係から下記の(5)式を得ることができる。
前記の(10)式に、前記の(6)式,(9)式を代入してMOSFET14の電流Iregに関して解くと、下記の(11)式を得ることができる。
図4は、第2の実施形態にかかる降圧型レギュレータ110の回路構成を示している。同図において、降圧型レギュレータ110には、前実施形態の構成に対して1個の第3キャパシタC3が追加されており、第3キャパシタC3の追加にともない3個のスイッチS5〜S7が追加されている。スイッチS1〜S7は、単一のクロック信号に基づいて周期的に導通/非導通を切り替えており、スイッチS1,S2,S4,S5とスイッチS3,S6,S7が互いに反転した動作を行う。まず、スイッチS1,S2,S4,S5が導通し、スイッチS3,S6,S7が非導通となる状態(第1状態)においては、2個の第3キャパシタC3,C3が並列接続されることとなる。同時に、第3キャパシタC3,C3は、第1キャパシタC1に対しても並列接続されることとなる。反対に、スイッチS3,S6,S7が導通し、スイッチS1,S2,S4,S5が非導通となる状態(第2状態)においては、2個の第3キャパシタC3,C3がスイッチS7を介して互いに直列接続されることとなる。同時に、この直列回路は、第1キャパシタC1に対して並列接続されることとなる。
前記の(12)式が示すように、本実施形態においてもMOSFET114を流れる電流Iregを出力電流Ioutの2/3の大きさに抑えることができる。また、第2状態における第3キャパシタC3,C3の直列回路の電圧は、第1状態における第3キャパシタC3,C3の並列回路の電圧の2倍の大きさとなる。従って、MOSFET14の直後の電圧(Vin−Vreg)が1:2に分割され、出力電圧Voutとして出力されることとなる。従って、MOSFET14の直後の電圧(Vin−Vreg)は出力電圧Voutの1.5倍となる。すなわち、本実施形態では、入力電圧Vinを約2/3に降圧しつつ、MOSFET114によって出力電圧Voutを調整することができる。
図5は、第3の実施形態にかかる降圧型レギュレータ210の回路構成を示している。同図において、降圧型レギュレータ210には、第1の実施形態の構成に対して1個の第3キャパシタC3が追加されており、第3キャパシタC3の追加にともない3個のスイッチS5〜S7が追加されている。第2の実施形態とほぼ同様の構成となっているが、各キャパシタC1,C2,C3,C3と、各スイッチS1〜S7の配線が変更されている。本実施形態では、スイッチS1,S4,S7とスイッチS2,S3,S5,S6が互いに反転した動作を行う。スイッチS1,S4,S7が導通し、スイッチS2,S3,S5,S6が非導通となる状態(第1状態)においては、2個の第3キャパシタC3,C3が直列接続されることとなる。同時に、この直列回路が第1キャパシタに対して並列接続されることとなる。反対に、スイッチS2,S3,S5,S6が導通し、スイッチS1,S4,S7が非導通となる状態(第2状態)においては、2個の第3キャパシタC3,C3が並列接続されることとなる。同時に、第3キャパシタC3,C3は、第2キャパシタに対しても並列接続されることとなる。
前記の(13)式が示すように、本実施形態においてもMOSFET214を流れる電流Iregを出力電流Ioutの1/3の大きさに抑えることができる。第2状態における第3キャパシタC3,C3の並列回路の電圧は、第1状態における第3キャパシタC3,C3の直列回路の電圧の1/2倍の大きさとなる。従って、MOSFET14の直後の電圧(Vin−Vreg)が2:1に分割され、出力電圧Voutとして出力されることとなる。従って、MOSFET14の直後の電圧(Vin−Vreg)は出力電圧Voutの3倍となる。すなわち、本実施形態では、入力電圧Vinを約1/3に降圧しつつ、MOSFET214によって出力電圧Voutを調整することができる。なお、第2の実施形態と第3の実施形態では、2個の第3キャパシタC3,C3を備えるようにしたが、3個以上の第3キャパシタC3を備えるようにしてもよい。第3キャパシタC3の個数をn(nは整数)とすると、電荷を転送する際の複数の第3キャパシタC3の電圧をn倍もしくは1/n倍に制御することができ、出力電圧Voutを任意に調整することができる。
図6は、第4の実施形態にかかる降圧型レギュレータ310の回路構成を例示している。同図において、第1の実施形態の構成に対して、MOSFET314と出力端子315とを短絡させるスイッチS5が追加されている。図6に示すようにスイッチS5が導通するとき、スイッチS1〜S4に対して周期的なクロック信号ではなく、スイッチS2,S4を常時導通させスイッチS1,S3を常時非導通とする直流信号が入力されている。第3キャパシタC3が常時第1キャパシタから常時切り離される(第3状態)こととなり、いわゆるリニアレギュレータを構成することができる。従って、入力電圧Vinとの差が少ない出力電圧Voutを出力したい場合にも、対応可能な降圧型レギュレータ310を提供することができる。なお、スイッチS5を導通させつつ、スイッチS1〜S4をすべて非導通とするようにしてもよい。
図7は、第1の実施形態にかかる降圧型レギュレータ10を具体的に半導体集積回路を用いて実現する場合の構成を例示している。同図において、破線で囲んだ領域の内側が半導体集積回路ICによって提供されている。スイッチS1〜S4を制御するための切替回路20やMOSFET14が、半導体集積回路ICの内部に備えられている。また、入力端子15の他に、○で図示する端子t1〜t5が設けられている。端子t1〜t5は、各キャパシタC1〜C3の両端に設けられており、端子t3は本発明のグランド端子を兼ねている。従って、各キャパシタC1〜C3は半導体集積回路ICの外部に実装されることとなる。これにより、各キャパシタC1〜C3として任意のものを使用することができる。なお、実施形態における“端子”は、物理的な端子を意味する。実体的には半導体集積回路ICは所定のパッケージに実装されるため、当該パッケージの各リードが前記の端子t1〜t5に相当することとなる。図7において、基準電圧12やアンプ13の図示を省略したが、本実施形態において、これらは半導体集積回路ICの内部に備えられている。なお、これらを半導体集積回路ICの外部に備えるようにしてもよい。
本発明の一つの態様として、降圧型レギュレータにおいて、制御手段が前記入力端子と前記出力端子との間に接続され、第1キャパシタが前記制御手段と前記出力端子の間に接続される。一方、第2キャパシタは前記出力端子とグランド端子との間に接続される。さらに、第3キャパシタが備えられ、第1状態と第2状態とを切り替える切替回路が備えられる。なお、前記第1状態では前記第3キャパシタが前記第1キャパシタと並列接続しつつ前記第2キャパシタと切り離され、一方の前記2状態では第前記第3のキャパシタが前記第2キャパシタと並列接続しつつ前記第1キャパシタと切り離される。前記切替回路が前記第1状態と前記第2状態とを切り替えることにより、各キャパシタに充電された電荷を前記出力端子側に転送することができ、良好な効率を実現することができる。また、前記制御手段と2個の第1キャパシタと前記第2キャパシタが直列に接続されるため、前記制御手段に加わる電圧を抑えることができる。
Claims (7)
- 入力端子から入力した入力電源電圧をそれより低い電圧に降圧して出力端子から出力する降圧型レギュレータであって、
前記入力端子と前記出力端子の間に直列接続される制御手段と第1キャパシタと、
前記出力端子とグランド端子との間に接続される第2キャパシタと、
第3キャパシタと、
前記第3キャパシタが前記第1キャパシタと並列接続しつつ前記第2キャパシタと切り離される第1状態と、前記第3のキャパシタが前記第2キャパシタと並列接続しつつ前記第1キャパシタと切り離される第2状態とを周期的に切り替える切替回路と、を具備することを特徴とする降圧型レギュレータ。 - 前記第3キャパシタが複数備えられることを特徴とする請求項1に記載の降圧型レギュレータ。
- 複数備えられた前記第3キャパシタは、前記第1状態において互いに並列接続し、前記第2状態において互いに直列接続することを特徴とする請求項2に記載の降圧型レギュレータ。
- 複数備えられた前記第3キャパシタは、前記第1状態において互いに直列接続し、前記第2状態において互いに並列接続することを特徴とする請求項2に記載の降圧型レギュレータ。
- 前記切替回路がMOS型電界効果トランジスタによって構成されることを特徴とする請求項1から請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の降圧型レギュレータ。
- 前記切替回路は、前記制御手段と前記出力端子とを前記第1キャパシタを介することなく短絡させ、かつ、前記第2キャパシタを前記第1キャパシタと常時切り離す第3状態に切り替えることを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の降圧型レギュレータ。
- 入力端子から入力した入力電源電圧をそれより低い電圧に降圧して出力端子から出力する降圧型レギュレータのための半導体集積回路であって、
前記入力端子と前記出力端子との間に外部の第1キャパシタを接続させる第1端子と、
前記入力端子と前記出力端子との間において前記第1キャパシタと直列接続される制御手段と、
前記出力端子とグランド端子との間に外部の第2キャパシタを接続させる第2端子と、
外部の第3キャパシタを接続させる第3端子と、
前記第3キャパシタが前記第1キャパシタと並列接続しつつ前記第2キャパシタと切り離される第1状態と、前記第3のキャパシタが前記第2キャパシタと並列接続しつつ前記第1キャパシタと切り離される第2状態とを周期的に切り替える切替回路と、を具備することを特徴とする半導体集積回路。
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JPH08205524A (ja) * | 1995-01-27 | 1996-08-09 | Nec Corp | 電圧変換装置 |
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2008
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