JP2014067394A - ボルテージレギュレータ - Google Patents

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Abstract

【課題】非レギュレート状態において電源変動時に出力電圧に過大なオーバーシュートが発生することを抑制することができるボルテージレギュレータを提供する。
【解決手段】基準電圧と分圧電圧との差を増幅して出力トランジスタのゲートを制御する誤差増幅回路と、基準電圧と分圧電圧を比較して出力電圧のオーバーシュートを検出するアンプと、出力トランジスタに流れる電流に比例する電流を流す第一のトランジスタと、出力トランジスタに流れる電流に比例する電流をミラーするカレントミラー回路と、カレントミラー回路を介してアンプに接続され、アンプのバイアス電流を増加させ応答速度を増加させる第一のバイアス回路を備えた。
【選択図】図1

Description

本発明は、ボルテージレギュレータのオーバーシュート抑制回路に関する。
従来のボルテージレギュレータについて説明する。図5は、従来のボルテージレギュレータを示す回路図である。
従来のボルテージレギュレータは、誤差増幅回路104と、アンプ110と、バイアス回路108及び111と、基準電圧回路109と、PMOSトランジスタ114及び105と、抵抗106及び107と、を備えている。
PMOSトランジスタ105は、電源端子101と出力端子103の間に接続される。フィードバック電圧を出力する抵抗106及び107は、出力端子103とグラウンド端子100の間に接続される。誤差増幅回路104は、反転入力端子に基準電圧回路109が接続され、非反転入力端子にフィードバック電圧が入力され、出力端子はPMOSトランジスタ105のゲートに接続される。バイアス回路108は、誤差増幅回路104に動作電流を供給する。PMOSトランジスタ114は、電源端子101とPMOSトランジスタ105のゲートの間に接続される。アンプ110は、非反転入力端子に基準電圧回路109が接続され、反転入力端子にフィードバック電圧が入力され、出力端子はPMOSトランジスタ114のゲートに接続される。バイアス回路111は、アンプ110に動作電流を供給する。
アンプ110は、入力されたフィードバック電圧と基準電圧回路109で発生する基準電圧とを比較する。フィードバック電圧が基準電圧より低い場合、アンプ110はHi信号を出力してPMOSトランジスタ114をオフさせる。出力端子103の電圧にオーバーシュートが発生し、フィードバック電圧が基準電圧よりも高くなると、アンプ110はLo信号を出力してPMOSトランジスタ114をオンさせる。
従来のボルテージレギュレータは、このように動作して、出力端子103の電圧のオーバーシュートが大きくなることを防ぐことができる(例えば、特許文献1参照)。
特開2005−301439号公報
しかしながら、従来のボルテージレギュレータは、電源電圧が低く、且つ出力端子103が設定された出力電圧より低い電圧を出力している状態(以下、非レギュレート状態)において、電源電圧変動時に出力端子103に過大なオーバーシュートが生じるという課題があった。
本発明は、上記課題に鑑みてなされ、非レギュレート状態において電源変動時に出力端子103に過大なオーバーシュートが発生することを抑制することができるボルテージレギュレータを提供する。
従来の課題を解決するため、本発明のボルテージレギュレータは以下のような構成とした。
基準電圧と分圧電圧との差を増幅して出力トランジスタのゲートを制御する誤差増幅回路と、分圧電圧と基準電圧を比較して出力電圧のオーバーシュートを検出するアンプと、出力トランジスタに流れる電流に比例する電流を流す第一のトランジスタと、出力トランジスタに流れる電流に比例する電流をミラーするカレントミラー回路と、カレントミラー回路を介してアンプに接続され、アンプのバイアス電流を増加させ応答速度を増加させる第一のバイアス回路を備えたボルテージレギュレータ。
本発明のオーバーシュート抑制回路を備えたボルテージレギュレータは、非レギュレート状態から電源変動が発生した時、出力端子の電圧にオーバーシュートが発生することを抑制することができる。
第一の実施形態のボルテージレギュレータを示す回路図である。 第二の実施形態のボルテージレギュレータを示す回路図である。 第三の実施形態のボルテージレギュレータを示す回路図である。 第四の実施形態のボルテージレギュレータを示す回路図である。 従来のボルテージレギュレータを示す回路図である。 第五の実施形態のボルテージレギュレータを示す回路図である。 第六の実施形態のボルテージレギュレータを示す回路図である。
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
<第一の実施形態>
図1は、第一の実施形態のボルテージレギュレータの回路図である。
第一の実施形態のボルテージレギュレータは、出力トランジスタであるPMOSトランジスタ105と、誤差増幅回路104と、抵抗106及び107と、バイアス回路108と、基準電圧回路109と、アンプ110と、バイアス回路111及び112と、PMOSトランジスタ114及び115と、NMOSトランジスタ113及び116と、グラウンド端子100と、出力端子103と、電源端子101を備えている。
次に、第一の実施形態のボルテージレギュレータの接続について説明する。
誤差増幅回路104は、反転入力端子が基準電圧回路109の一方の端子に接続され、非反転入力端子が抵抗106と107の接続点に接続される。バイアス回路108は、一方の端子が誤差増幅回路104に接続され、もう一方の端子がグラウンド端子100に接続される。アンプ110は、非反転入力端子が基準電圧回路109の一方の端子に接続され、反転入力端子が抵抗106と107の接続点に接続される。バイアス回路111は、一方の端子がアンプ110に接続され、もう一方の端子がグラウンド端子100に接続される。PMOSトランジスタ105は、ゲートが誤差増幅回路104の出力端子に接続され、ソースが電源端子101に接続され、ドレインが出力端子103に接続される。抵抗106及び107は、出力端子103とグラウンド端子100の間に接続される。PMOSトランジスタ114は、ゲートがアンプ110の出力端子に接続され、ソースが電源端子101に接続され、ドレインがPMOSトランジスタ105のゲートに接続される。PMOSトランジスタ115は、ゲートが誤差増幅回路104の出力端子に接続され、ソースが電源端子101に接続される。NMOSトランジスタ116は、ゲートとドレインがPMOSトランジスタ115のドレインに接続され、ソースがグラウンド端子100に接続される。NMOSトランジスタ113は、ゲートがNMOSトランジスタ116のゲート及びドレインに接続され、ドレインはアンプ110とバイアス回路111の接続点に接続され、ソースはバイアス回路112の一方の端子に接続される。バイアス回路112のもう一方の端子はグラウンド端子100に接続される。
次に、第一の実施形態のボルテージレギュレータの動作について説明する。
電源端子101に電源電圧VDDが入力されると、ボルテージレギュレータは、出力端子103から出力電圧Voutを出力する。抵抗106と107は、出力電圧Voutを分圧し、分圧電圧Vfbを出力する。誤差増幅回路104は、基準電圧回路109の基準電圧Vrefと分圧電圧Vfbとを比較し、出力電圧Voutが一定になるようPMOSトランジスタ105のゲート電圧を制御する。
出力電圧Voutが所定電圧よりも高いと、分圧電圧Vfbが基準電圧Vrefよりも高くなる。従って、誤差増幅回路104の出力信号(PMOSトランジスタ105のゲート電圧)が高くなり、PMOSトランジスタ105は、オフしていくので出力電圧Voutは低くなる。また、出力電圧Voutが所定電圧よりも低いと、上記と逆の動作をして、出力電圧Voutは高くなる。この様にして、ボルテージレギュレータは、出力電圧Voutが一定になるように動作する。
ここで、電源端子101に電源電圧VDDが入力されまだ電源電圧VDDが低い時、出力端子103の電圧は所定電圧より低い状態、すなわちボルテージレギュレータは非レギュレート状態にある。非レギュレート状態の時、出力端子103の出力電圧Voutが所定電圧より低いので、誤差増幅回路104は出力端子103の電圧が高くなるように、PMOSトランジスタ105のゲートに信号Loを出力する。PMOSトランジスタ115はPMOSトランジスタ105とカレントミラーの関係にあるため、同様に信号Loが入力され、オンして電流を流す。NMOSトランジスタ116とNMOSトランジスタ113はカレントミラー回路を構成しており、PMOSトランジスタ115からの電流をNMOSトランジスタ116が流すことによってNMOSトランジスタ113に電流が流れる。バイアス回路112はNMOSトランジスタ113に流れる電流を制限しており、PMOSトランジスタ115に流れる電流が増加してもNMOSトランジスタ113に流れる電流はバイアス回路112が流す電流と同じに保たれる。こうして、バイアス回路112の電流がアンプ110のバイアス電流として流れ、アンプ110の高速応答を可能にさせる。
電源電圧VDDが出力電圧の所定電圧を越えて急激に変化すると、PMOSトランジスタ105はオンしているのでPMOSトランジスタ105に大きな電流を流し、ボルテージレギュレータの出力端子103に大きなオーバーシュートを発生させる。オーバーシュートが発生すると、アンプ110は、反転入力端子の分圧電圧Vfbが基準電圧Vrefより高くなるので、PMOSトランジスタ114のゲートに信号Loを出力する。さらに、アンプ110は高速応答が可能な状態にあるため、素早くオーバーシュートを検出して、PMOSトランジスタ114のゲートに素早く信号Loを出力する事ができる。こうして、PMOSトランジスタ114がオンしてPMOSトランジスタ105のゲートの電圧が上昇する。この様にして、ボルテージレギュレータの出力端子103のオーバーシュートが防止される。
以上説明したように、第一の実施形態のボルテージレギュレータは、非レギュレート状態の時アンプ110のバイアス電流を増加させておく事で、出力端子103にオーバーシュートが発生した時、素早くオーバーシュートを検出し非レギュレート状態でのオーバーシュートを防止することができる。
<第二の実施形態>
図2は、第二の実施形態のボルテージレギュレータの回路図である。図1との違いは、PMOSトランジスタ114の代わりにNMOSトランジスタ201とバイアス回路202とインバータ203を設けた点である。NMOSトランジスタ201とバイアス回路202は、バイアス回路108と並列に接続し、NMOSトランジスタ201のゲートにインバータ203の出力を接続し、インバータ203の入力にアンプ110の出力を接続した。
次に、第二の実施形態のボルテージレギュレータの動作について説明する。通常状態の動作は、第一の実施形態のボルテージレギュレータと同様なので省略する。また、非レギュレート状態でのオーバーシュートの検出動作も同様なので省略する。
第二の実施形態のボルテージレギュレータは、アンプ110が分圧電圧Vfbの変動によってオーバーシュートを検出すると、インバータ203を介してNMOSトランジスタ201をオンさせる信号を出力する。そして、バイアス回路202が誤差増幅回路104に接続され、誤差増幅回路104のバイアス電流を増加させることができる。
誤差増幅回路104は、このオーバーシュートを減少させるため電源電圧に近いレベルの電圧を出力しPMOSトランジスタ105をオフさせようと動作する。誤差増幅回路104のバイアス電流が増加されたため、出力の駆動電流が増加しPMOSトランジスタ105のゲート容量を充電する時間が短縮され、PMOSトランジスタ105をすぐにオフできるようになる。この様にして、第二の実施形態のボルテージレギュレータはオーバーシュートを防止することができる。
以上説明したように、第二の実施形態のボルテージレギュレータは、非レギュレート状態の時アンプ110のバイアス電流を増加させておく事で、出力端子103にオーバーシュートが発生した時、素早くオーバーシュートを検出し誤差増幅回路104の駆動電流を増加させることができる。そして、PMOSトランジスタ105を素早く制御し、非レギュレート状態でのオーバーシュートを防止することができる。
<第三の実施形態>
図3は、第三の実施形態のボルテージレギュレータの回路図である。図2との違いは、インバータ301とPMOSトランジスタ302を設けた点である。PMOSトランジスタ302は、ゲートにインバータ301、203を介してアンプ110の出力を接続し、ドレインをPMOSトランジスタ105のゲートに接続し、ソースを電源端子101に接続した。
次に、第三の実施形態のボルテージレギュレータの動作について説明する。通常状態の動作は、第一の実施形態のボルテージレギュレータと同様なので省略する。また、非レギュレート状態でのオーバーシュートの検出動作も同様なので省略する。
第三の実施形態のボルテージレギュレータは、アンプ110が分圧電圧Vfbの変動によってオーバーシュートを検出すると、インバータ203を介してNMOSトランジスタ201をオンさせる信号を出力する。そして、バイアス回路202が誤差増幅回路104に接続され、誤差増幅回路104のバイアス電流を増加させることができる。
誤差増幅回路104は、このオーバーシュートを減少させるため電源電圧に近いレベルの電圧を出力しPMOSトランジスタ105をオフさせようと動作する。誤差増幅回路104のバイアス電流が増加されたため、駆動電流が増加しPMOSトランジスタ105のゲート容量を充電する時間が短縮されPMOSトランジスタ105をすぐにオフできるようになる。さらに、PMOSトランジスタ302は、インバータ301を介してアンプ110の信号を受けて、PMOSトランジスタ105のゲートを電源電圧に近いレベルの電圧に制御する。この様にして、第三の実施形態のボルテージレギュレータはオーバーシュートを防止することができる。
以上説明したように、第三の実施形態のボルテージレギュレータは、非レギュレート状態の時アンプ110のバイアス電流を増加させておく事で、出力端子103にオーバーシュートが発生した時、素早くオーバーシュートを検出し誤差増幅回路104の駆動電流を増加させ、且つPMOSトランジスタ302をオンさせることができる。そして、PMOSトランジスタ105を素早く制御し、非レギュレート状態でのオーバーシュートを防止することができる。
なお、NMOSトランジスタ201とPMOSトランジスタ302は、アンプ110の検出信号を受けてオンすればよく、これらの制御方法はこの回路に限定されるものではない。
<第四の実施形態>
図4は、第四の実施形態のボルテージレギュレータの回路図である。図3との違いは、インバータ203の出力とNMOSトランジスタ201のゲートの間に遅延回路401を設けた点である。遅延回路401は、解除を遅延する回路であることが望ましい。
第四の実施形態のボルテージレギュレータは、オーバーシュートが収束して、アンプ110が解除信号を出力すると、PMOSトランジスタ302がオフした後、遅延回路401によって一定時間後にNMOSトランジスタ201がオフする。従って、オーバーシュート収束後しばらくの間誤差増幅回路104の出力の駆動電流が高いため、PMOSトランジスタ105のゲートを適切な電圧に制御する時間が短縮される。従って、オーバーシュートが収束した後に、アンダーシュートが発生することを防ぐことができる。
以上説明したように、第四の実施形態のボルテージレギュレータは、非レギュレート状態の時アンプ110のバイアス電流を増加させておく事で、出力端子103にオーバーシュートが発生した時、素早くオーバーシュートを検出し非レギュレート状態でのオーバーシュートを防止するとともに、オーバーシュートが収束した後のアンダーシュートの発生も防止することができる。
<第五の実施形態>
図6は、第五の実施形態のボルテージレギュレータの回路図である。図1との違いは、NMOSトランジスタ602、抵抗603、OR回路604を設けた点である。NMOSトランジスタ602は、ゲートはNMOSトランジスタ116のゲート及びドレインに接続され、ドレインは抵抗603とOR回路604の第一の入力端子に接続され、ソースはグラウンド端子100に接続される。抵抗603のもう一方の端子は電源端子101に接続される。OR回路604は、第二の入力端子はアンプ110の出力端子に接続され、出力端子はPMOSトランジスタ114のゲートに接続される。
次に、第五の実施形態のボルテージレギュレータの動作について説明する。通常状態の動作は、第一の実施形態のボルテージレギュレータと同様なので省略する。非レギュレート状態ではPMOSトランジスタ115のゲートにLoの信号が入力されるため、PMOSトランジスタ115はオンして電流を流す。NMOSトランジスタ116とNMOSトランジスタ113、602はカレントミラー回路を構成しており、PMOSトランジスタ115からの電流をNMOSトランジスタ116が流すことによってNMOSトランジスタ113、602に電流が流れる。バイアス回路112はNMOSトランジスタ113に流れる電流を制限しており、PMOSトランジスタ115に流れる電流が増加してもNMOSトランジスタ113に流れる電流はバイアス回路112が流す電流と同じに保たれる。このようにして、アンプ110は、バイアス回路111と112の電流がバイアス電流として流れるので、高速応答が可能になる。また、OR回路604の第一の入力端子にはLoの信号が入力される。
この時、ボルテージレギュレータの出力端子103にオーバーシュートが発生すると、アンプ110は、反転入力端子の分圧電圧Vfbが基準電圧Vrefより高くなるので、OR回路604の第二の入力端子にLoの信号を出力する。こうして、OR回路604の出力端子からLoの信号が出力され、PMOSトランジスタ114をオンさせPMOSトランジスタ105のゲートを電源電圧に近いレベルの電圧に制御する。この様にして、ボルテージレギュレータの出力端子103のオーバーシュートが防止される。
非レギュレート状態が解除されると、PMOSトランジスタ115には出力端子103に接続される負荷に応じた電流が流れるようになり、NMOSトランジスタ602も負荷に応じた電流が流れるようになる。出力端子103に接続される負荷に応じた電流を流しているとき、NMOSトランジスタ116、602のカレントミラー回路は抵抗603が流す電流より小さくなるようにミラー比を設定しているため、OR回路604の第一の入力端子にHighの信号が入力されてOR回路604の出力にHighの信号が出力される。こうして、PMOSトランジスタ114をオフさせ、通常状態の動作へ素早く移行し、非レギュレート状態からの変動時のみオーバーシュートを防止するように動作させることができる。また、通常動作へ素早く移行するため、オーバーシュート防止後アンダーシュートが発生する事を防止する事ができる。
なお、図示はしないが図2のようにOR回路604の出力を、インバータを介してNMOSトランジスタ201のゲートに接続し、オーバーシュートを検出したときにバイアス回路202が誤差増幅回路104に接続され、誤差増幅回路104のバイアス電流を増加させることがオーバーシュートを防ぐ構成にしてもよい。また、第五の実施形態のボルテージレギュレータは、非レギュレート状態の時のみオーバーシュートを防止できればよく、これらの制御方法はこの回路に限定されるものではない。
以上説明したように、第五の実施形態のボルテージレギュレータは、非レギュレート状態でのみオーバーシュートを防止することができる。そして、オーバーシュート防止後に発生するアンダーシュートを防ぐことができる。
<第六の実施形態>
図7は、第六の実施形態のボルテージレギュレータの回路図である。図6との違いは、NMOSトランジスタ116を削除し抵抗701を設けた点である。NMOSトランジスタ602は、ゲートは抵抗701とPMOSトランジスタ115のドレインとNMOSトランジスタ113のゲートに接続され、ドレインは抵抗603とOR回路604の第一の入力端子に接続され、ソースはグラウンド端子100に接続される。抵抗701のもう一方の端子はグラウンド端子100に接続される。
次に、第六の実施形態のボルテージレギュレータの動作について説明する。通常状態の動作は、第一の実施形態のボルテージレギュレータと同様なので省略する。非レギュレート状態でPMOSトランジスタ115のゲートにLoの信号が入力されるため、PMOSトランジスタ115はオンして電流を流す。PMOSトランジスタ115の電流によって抵抗701に電圧が発生し、NMOSトランジスタ602とNMOSトランジスタ113のゲートがHighとなり、NMOSトランジスタ602とNMOSトランジスタ113をオンさせる。こうして、バイアス回路112がアンプ110に接続され、アンプ110のバイアス電流が増加するのでアンプ110は高速応答が可能になり、OR回路604の第一の入力端子にはLoの信号が入力される。
この時、ボルテージレギュレータの出力端子103にオーバーシュートが発生すると、アンプ110は、反転入力端子の分圧電圧Vfbが基準電圧Vrefより高くなるので、OR回路604の第二の入力端子にLoの信号を出力する。こうして、OR回路604の出力端子からLoの信号が出力され、PMOSトランジスタ114をオンさせPMOSトランジスタ105のゲートを電源電圧に近いレベルの電圧に制御する。この様にして、ボルテージレギュレータの出力端子103のオーバーシュートが防止される。
非レギュレート状態が解除されると、PMOSトランジスタ115がオフしNMOSトランジスタ602をオフさせ、OR回路604の第一の入力端子にHighの信号が入力されてOR回路604の出力にHighの信号が出力される。こうして、PMOSトランジスタ114をオフさせ、通常状態の動作へ素早く移行し、非レギュレート状態の時のみオーバーシュートを防止するように動作させることができる。また、通常動作へ素早く移行するため、オーバーシュート防止後アンダーシュートが発生する事を防止する事ができる。
なお、図示はしないが図2のようにOR回路604の出力を、インバータを介してNMOSトランジスタ201のゲートに接続し、オーバーシュートを検出したときにバイアス回路202が誤差増幅回路104に接続され、誤差増幅回路104のバイアス電流を増加させることがオーバーシュートを防ぐ構成にしてもよい。第六の実施形態のボルテージレギュレータは、非レギュレート状態の時のみオーバーシュートを防止できればよく、これらの制御方法はこの回路に限定されるものではない。
以上説明したように、第六の実施形態のボルテージレギュレータは、非レギュレート状態でのみオーバーシュートを防止することができる。そして、オーバーシュート防止後に発生するアンダーシュートを防ぐことができる。
100 グラウンド端子
101 電源端子
103 出力端子
104 誤差増幅回路
108、111、112、202 バイアス回路
110 アンプ
203、301 インバータ
401 遅延回路
604 OR回路

Claims (8)

  1. 基準電圧と出力トランジスタが出力する出力電圧を分圧した分圧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誤差増幅回路と、
    前記基準電圧と前記分圧電圧を比較して、前記出力電圧のオーバーシュートを検出するアンプと、を備えたボルテージレギュレータであって、
    前記出力トランジスタに流れる電流に比例する電流を流す第一のトランジスタと、
    前記出力トランジスタに流れる電流に比例する電流をミラーする第一のカレントミラー回路と、
    前記第一のカレントミラー回路を介して前記アンプに接続され、前記アンプのバイアス電流を増加させ応答速度を増加させる第一のバイアス回路と、を備えた
    ことを特徴とするボルテージレギュレータ。
  2. 前記アンプの出力に接続される第二のトランジスタと、
    前記第二のトランジスタを介して前記誤差増幅回路に接続され、前記誤差増幅回路の出力の駆動電流を増加させる第二のバイアス回路と、を備えた
    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. 前記アンプの出力と前記第二のトランジスタの間に遅延回路を備えた
    ことを特徴とする請求項2に記載のボルテージレギュレータ。
  4. 前記アンプの出力によって、前記出力トランジスタのゲート電圧を制御する第三のトランジスタを備えた、
    ことを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載のボルテージレギュレータ。
  5. 前記出力トランジスタに流れる電流に比例する電流をミラーし、非レギュレート状態を検出する第二のカレントミラー回路と、
    前記第二のカレントミラー回路の出力信号と、前記アンプの出力信号が入力される論理回路と、を備え、
    前記論理回路は、前記非レギュレート状態のときに前記アンプの出力信号を出力する、
    ことを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載のボルテージレギュレータ。
  6. 基準電圧と出力トランジスタが出力する出力電圧を分圧した分圧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誤差増幅回路と、
    前記基準電圧と前記分圧電圧を比較して、前記出力電圧のオーバーシュートを検出するアンプと、を備えたボルテージレギュレータであって、
    前記出力トランジスタに流れる電流に比例する電流を流す第一のトランジスタと、
    前記第一のトランジスタからの電流によって電圧を発生させる抵抗と、
    前記抵抗に発生する電圧によってオンする第二のトランジスタを介して前記アンプに接続され、前記アンプのバイアス電流を増加させ応答速度を増加させる第一のバイアス回路と、
    前記抵抗に発生する電圧によってオンして、非レギュレート状態を検出する第三のトランジスタと、
    前記第三のトランジスタの出力信号と前記アンプの出力信号が入力される論理回路と、を備え
    前記論理回路は、前記非レギュレート状態のときに前記アンプの出力信号を出力する、
    ことを特徴とするボルテージレギュレータ。
  7. 前記論理回路の出力信号が入力され、前記論理回路の出力信号によって、前記出力トランジスタのゲート電圧を制御する第四のトランジスタを備えた、
    ことを特徴とする請求項6に記載のボルテージレギュレータ。
  8. 前記論理回路の出力に接続される第五のトランジスタと、
    前記第五のトランジスタを介して前記誤差増幅回路に接続され、前記誤差増幅回路の出力の駆動電流を増加させる第二のバイアス回路と、を備えた、
    ことを特徴とする請求項6または7に記載のボルテージレギュレータ。
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