JP2527888B2 - 線形レギュレ―タ - Google Patents

線形レギュレ―タ

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JP2527888B2 JP4238620A JP23862092A JP2527888B2 JP 2527888 B2 JP2527888 B2 JP 2527888B2 JP 4238620 A JP4238620 A JP 4238620A JP 23862092 A JP23862092 A JP 23862092A JP 2527888 B2 JP2527888 B2 JP 2527888B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明はDC電源における電圧調整
に関する。特に、高度になダイナミックな負荷環境にお
いて使用される帯域幅が高くドロップアウトが低い線形
レギュレータに関する。
【０００２】
【従来の技術】CMOS VLSI技術等の最新の回路は著しく
ダイナミックな負荷であることが知られている。こうし
た回路はスイッチング動作の間、定常動作電流を100％
以上超えることは珍しくない。これら集積回路の電圧が
電力分配回路の誘導損失のゆえに指定された動作範囲を
超えて降下するため、これらの回路を中央電力システム
に配置することはできない。
【０００３】従来の解法では回路カードに線形レギュレ
ータを配置している。しかしながら、この解法はレギュ
レータで2.5 ボルトの電圧降下を必要とし、2.5 ボルト
の電圧降下につき12.5ワットを越える電力消費となる。
ドロップアウトの低いレギュレータは電圧損を約1ボル
トに、また電力消費を5ワットに下げる。
【０００４】しかしながら、この解法は商業的に入手可
能な線形レギュレータが低い帯域幅を有するために満足
すべきものではない。結果として、電源のダイナミック
レスポンスには不適切である。Model 7805 (5ボルト、1
アンペア)等の代表的なレギュレータは500mA のステッ
プ状負荷に対して600mV の降下となり、その出力インピ
ーダンスは50KHz を越えると1オームより大きくなる。
【０００５】以下の特徴をもった線形レギュレータが望
ましい。1)ダイナミックに変化する負荷に対応するため
に必要な外部フィルタリングの量を減らし、負荷リジェ
クションを改善するための広い帯域幅をもつ。2)電流に
対して測定可能であり、大きな負荷に対して並列可能で
ある。3)電力用のアプリケーション固有の集積回路(ASI
C)に集積されることが出来る。
【０００６】一般に、従来技術の半導体集積回路構造は
FET又はMOSFETである。このような従来技術の回路とし
て、例えば1990年6月12日に発行された米国特許第49336
25号明細書(特開平1−196612号公報)において、本願発
明の機能とは異なる機能を有するレギュレータ回路が示
されている。このレギュレータ回路は負荷抵抗の関数と
しての電流源あるいは電圧源のいずれかである。R2が閾
値抵抗RTH2より大きい場合はRTH2に従って同明細書添付
の図面の第2A図に示される閉ループの定電圧駆動及び第
2B図に示される閉ループの定電流駆動の間で切り換わ
る。R2がRTH2より小さくなった場合、駆動電圧V0が低下
する。換言すれば、駆動回路では、負荷抵抗が小さい場
合は増幅器A2による定電流駆動が選択され、負荷抵抗が
大きい場合は増幅器A1による定電圧駆動が選択されるよ
うに切り換えられる。定電流モードから定電圧モードへ
の切り換えのために2つの電圧源V1及びVBが要求され
る。これらの基準電圧は定電流モードから定電圧モード
への切り換え閾値を設定する。これに対して、本発明は
周波数の関数として定電流モードから定電圧モードへ切
り換えるものである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の目的
はダイナミックな負荷変動に対応できる線形レギュレー
タ回路を提供することである。
【０００８】本発明の他の目的は広い帯域幅をもつ線形
レギュレータを提供することである。
【０００９】本発明の更に他の目的はシステム効率を高
め熱応力を下げるためドロップアウトの低い電圧をもつ
線形レギュレータを提供することである。
【００１０】本発明の他の目的は電源回路素子の大きさ
を適切に決定することにより種々の異なる負荷電流を処
理すると共に、大きな負荷に対してレギュレータを並列
構成にすることによって電力制限を受けない線形レギュ
レータを提供することである。
【００１１】本発明の他の目的は電力アプリケーション
固有の集積回路(ASIC)に集積されることが可能な線形レ
ギュレータを提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段と作用】これらの目的及び
その他の利点はここで記述される帯域幅が高くドロップ
アウトが低い線形レギュレータによって達成される。本
発明は半導体及びスイッチングレギュレータ制御におけ
る多くの最近の進歩を線形レギュレータの設計に組み込
んでいる。負荷電流及び負荷電圧は連続して監視され
る。制御は2個の別々のフィードバックループを介して
加算器で行われる。加算器からの出力は制御信号として
パスデバイスのゲートへ提供され、電源からの電流の流
れを調整する。
【００１３】
【実施例】図1を参照すると、本発明の主な目的は負荷1
10の大きさに拘らず一定のVOUTをポイント100に保持す
ることである。入力電圧VINを提供する電源120は現在知
られている任意のタイプの電源でよい。
【００１４】先行技術に対する利点は2つのフィードバ
ック電圧を加算器130に提供することによって得られ
る。ブロック140で表される電流感知及びフィードバッ
クループはその出力として負荷110によって引き出され
る電流に正比例する電圧VIを提供する。加算器130への
第2入力はブロック150で表される電圧感知及びフィード
バックループから入力される。ブロック150は、VOUT及び
固定基準電圧の間の差に正比例する電圧VEを提供する。
加算器130からの出力はパスデバイス160をゲートし、こ
のパスデバイス160はゲートに印加される電圧に反比例
する抵抗を提供する。最終的な結果として、加算器130
への電流フィードバック入力及び電圧フィードバック入
力のいずれか又は両方が増えると、加算器130からの出
力電圧が高くなり、パスデバイス160を介する抵抗が下
がることによって、パスデバイスを介する電流の流れを
増加させVOUTを所望のレベルに保持する。
【００１５】図1に示される機能を実施する回路は図2に
概略的に説明されている。VINはポイント200に供給され
る。抵抗器210によって表される負荷への電圧出力はポ
イント220のVOUTである。電流感知機能は演算増幅器230
によって実行される。演算増幅器230は抵抗器240両端の
電圧差を測定し、その電圧差は抵抗器240を介して流れ
る電流に比例する。演算増幅器230はポイント250で電圧
差動出力に10倍の利得を与える。
【００１６】電圧感知は演算増幅器260によって行われ
る。この演算増幅器はポイント220におけるVOUT及びVRE
F (基準電圧) 265の間の電位差を測定する。ポイント27
0における演算増幅器260からの出力はVOUT及びVREFの間
の差に比例する電圧である。VOUTがVREFより下に降下す
ると、270における出力電圧が増加する。
【００１７】演算増幅器230からの出力250及び演算増幅
器260からの出力270は加算増幅器として動作する演算増
幅器280への負の入力及び正の入力である。ポイント250
及び270における電圧のどちらか或いは両方が増加すれ
ば、ポイント290における演算増幅器280からの出力は増
加する。
【００１８】出力電圧が基準値265より下がった場合、
電圧感知増幅器は通常に作動し、電圧増幅器はより高い
電圧を出力して補償する。この電圧によりMOSFETパスト
ランジスタ300は一層深くターンオンし、より大きな電
流を供給して出力電圧を基準レベルへ戻す。電流ループ
はこのようにしてダイナミック性能を補助する。ダイナ
ミック負荷が生じた時、電圧は低下し始め、MOSFETパス
トランジスタ300における電流は上昇し始める。電圧ル
ープがリアクティブ素子を有しているので、電圧ループ
は固有の遅延時間を有する。しかしながら、電流ループ
はリアクティブ素子をもたず、従ってステップ状負荷に
対して一層速く応答し、これによってダイナミック負荷
への電流を増し、かつ電圧ループが再び制御を取り戻す
までステップ状負荷に起因する電圧の変移を制限するこ
とができる。電流モード及び電圧モードの切り換えを電
圧の周波数により行うようにした本発明の特徴は従来の
技術による切り換えよりも速いことにある。
【００１９】差動増幅器280の出力290はMOSFETパストラ
ンジスタ300のゲート入力である。MOSFETトランジスタ3
00はインターナショナルレクティファイアー社( Intern
ational Rectifier)及び他の供給者から入手可能な中域
周波デバイス(IRFD)でもよい。MOSFET 300のドレインは
VIN 200に接続され、電源はポイント220においてVOUTに
接続される。
【００２０】本発明は電圧感知用及び電流感知用の演算
増幅器回路に加えられる電圧の周波数の関数として定電
流モード及び定電圧モードの間で切り換える。増幅器23
0及び260の周りの補償素子はクロスオーバ周波数をセッ
トする。基準値がDC(直流)及び低周波数応答をセットす
るので、基準値は電圧ループに対してのみ要求される。
高周波数AC負荷の場合、定電流増幅器は過渡期間だけ出
力を変える。具体的には、DCを含む低周波数では、電圧
ループの高利得が非常に顕著になる。高周波数において
は、リアクティブ素子をもたず従って位相シフトをもた
ない電流ループが主力になる。出力キャパシタは高周波
数において低インピーダンスを呈するので、たとえ制御
が本質的に電流源であっても負荷は電圧源の低インピー
ダンス特性に接する。電流ループの目的は電流ループが
ユニティ利得において全体的ループ利得を支配するの
で、高周波数安定性を提供することにある。電圧ループ
の帯域幅はこの帯域幅が辛うじて安定しているか又は電
流ループの適度な効果なしで不安定となるポイントまで
増加され得る。
【００２１】図3は電流感知抵抗器(図2の240)がパスト
ランジスタ400に集積された本発明の他の実施例を示
す。パストランジスタ400はインターナショナルレクテ
ィファイアー社(International Rectifier) から入手可
能なHEXSense-Current Sense IRCZ44 Power MOSFETであ
る。残りの回路は同じままである。
【００２２】実際の実施では、本発明の回路はASICに集
積されるか、所望ならば別々のチップに集積されてもよ
い。また、好ましい実施例において全てナショナルセミ
コンダクター社(National Semiconductor)から入手可能
なLM6361演算増幅器である演算増幅器は概して周知の他
の演算増幅器と置換されてもよい。図示されている抵抗
値及び容量値は必要に応じた性能を得るように修正され
る。
【００２３】
【発明の効果】本発明に提供される利点を総括すると、
先行技術の電圧レギュレータのループ帯域幅は負荷キャ
パシタンス、電圧ループ補償キャパシタンス及び増幅器
によって制約されていた。実質的に位相シフトの和が36
0度であったため、位相シフト(各キャパシタにつき90度
で反転増幅器につき180度)は帯域幅がより高く押し上げ
られるにつれ単一ループシステムを振動させた。その時
点で更に利得があればレギュレータが振動した。
【００２４】本発明では、電圧ループ帯域幅より常に大
きい電流ループ帯域幅が提供されている。2つのループ
システムの安定性は電圧ループ及び電流ループの和に依
存する。電流ループ帯域幅がより大きいため、安定性の
特徴は電流ループによって決定される。図2及び図3に見
られるように、電流ループはいかなる外部補償ももたな
い。リアクティブ素子は出力キャパシタだけである。従
って、電流ループの位相シフトは90度だけであり、常に
安定的である。結果として、設計者は安定性の問題がな
く、高周波数で理想的な「ゼロインピーダンス」電圧ル
ープレスポンスを得るため、電圧ループ帯域幅を極めて
高く(2MHzより上)押し上げる。高い帯域幅は極めて高速
で且つ正確なダイナミック負荷レスポンスを提供する。
【図面の簡単な説明】
【図１】レギュレータ回路のブロック図を示す。
【図２】本発明の第1の実施例の概略を示す。
【図３】本発明の他の実施例の概略図を示す。
【符号の説明】
210、240 抵抗器 230、260、280 演算増幅器 300 MOSFETトランジスタ

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】電源から負荷へ供給される電圧を制御する
    ための線形レギュレータであって、 前記負荷に流れる電流を感知するために前記電源に接続
    された抵抗素子を含み、該電流に比例する前記回路素子
    の両端の電圧に対応する第1出力電圧を発生する電流感
    知手段と、 単一の基準電圧源と、 前記負荷に接続された第1入力端子及び前記単一の基準
    電圧源に接続された第2入力端子を有し前記負荷の両端
    の電圧に対応する第2出力電圧を発生する電圧感知手段
    と、 前記電流感知手段及び前記電圧感知手段からの第1及び
    第2出力電圧を、前記電流感知手段及び前記電圧感知手
    段に加えられる電圧の周波数の関数で決まる比率で加算
    して第3出力電圧を発生する加算手段と、 前記加算手段の第3出力電圧に応答して前記負荷に流れ
    る電流又は前記負荷の両端の電圧の変化に伴い抵抗値を
    変化させるレギュレート手段と、 を具備する線形レギュレータ。
  2. 【請求項２】前記レギュレート手段がFETパスデバイス
    である、請求項1に記載の線形レギュレータ。
  3. 【請求項３】前記電流感知手段及び前記電圧がそれぞれ
    演算増幅器を備える、請求項1に記載の線形レギュレー
    タ。
  4. 【請求項４】前記加算手段が演算増幅器を備える、請求
    項1に記載の線形レギュレータ。
  5. 【請求項５】前記レギュレート手段及び前記電流感知手
    段が単一集積回路に集積されている、請求項1に記載の
    線形レギュレータ。
  6. 【請求項６】前記電圧感知手段は前記負荷の両端の感知
    電圧を前記基準電圧源の電圧と比較する、請求項1に記
    載の線形レギュレータ。
JP4238620A 1991-10-23 1992-09-07 線形レギュレ―タ Expired - Lifetime JP2527888B2 (ja)

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