JP3102635B2

JP3102635B2 - 電圧安定化回路

Info

Publication number: JP3102635B2
Application number: JP09332308A
Authority: JP
Inventors: 一男塚本
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1997-11-18
Filing date: 1997-11-18
Publication date: 2000-10-23
Anticipated expiration: 2017-11-18
Also published as: JPH11149322A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電池を用いた携帯
機器等に用いられる直列制御式の電圧安定化回路に係
り、特に回路動作の安定化と低消費電力化を図った電圧
安定化回路に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】電圧安定化回路は、供給電圧や負荷電流
の変動に拘わらず電子回路に安定な電圧を供給すること
を目的とした回路であり、例えば、６Ｖ〜３５Ｖの範囲
で変化する供給電圧から、概ね５Ｖの一定電圧を供給す
るよう構成される。したがって、このような電圧安定化
回路を供給電圧５Ｖで動作する電子回路と組み合わせる
と、この電子回路は外部供給電圧が６Ｖ〜３５Ｖで動作
するようになり、供給電圧範囲を拡大できる。このよう
な組み合わせは、例えば、電源制御回路TL494（テキサス・イン
スツルメント社製）やMB3769A（富士通社製）等にみることが
できる。

【０００３】図４は出力素子としてPNPトランジスタを
用いた従来の直列制御式の電圧安定化回路の構成を示す
回路図である。図４において、１は基準電圧発生回路で
あり、電力供給源６の電圧を電源供給端子１１と共通端
子１２の間に入力して、出力端子１３と共通端子１２の
間に、供給電圧の変動の影響を受けない基準電圧VRを出
力する。

【０００４】２は差動増幅部であり、差動増幅器２０か
ら構成されている。この差動増幅器２０は、負極入力端
子２１に前記基準電圧VRを入力し、正極入力端子２２に
後記する出力電圧VOを分圧した電圧を入力して、その差
分に相当する電圧を出力端子２３から出力する。

【０００５】３は出力増幅部であり、前記差動増幅器２
０の出力電圧をベースに入力するPNPトランジスタＱ７
と、そのトランジスタＱ７に接続され出力電圧VOを分圧
して前記差動増幅器２０の正極入力端子２２に入力させ
る抵抗Ｒ３，Ｒ４を有している。

【０００６】５は出力電圧VOが供給される電子回路であ
り、電源供給端子５１、共通端子５２を有する。６１は
電力供給源６の電圧が供給される電源供給端子、６２は
同共通端子、６３は出力電圧VOの出力端子である。

【０００７】以上において、基準電圧発生回路１、差動
増幅部２、出力増幅部３が電圧安定化回路を構成し、こ
れと電子回路５との組み合わせによりモジュールが構成
される。

【０００８】いま、差動増幅器２０の正極入力端子２２
の電圧が負極入力端子２１の電圧（VR）より高いと、そ
の出力端子２３の電圧が上昇し、トランジスタＱ７のコ
レクタ電流が減少して、出力電圧VOが低下する。逆に、
差動増幅器２０の正極入力端子２２の電圧が負極入力端
子２１の電圧（VR）より低いと、その出力端子２３の電
圧が低下し、トランジスタＱ７のコレクタ電流が増加し
て、出力電圧VOが上昇する。

【０００９】このように、電圧安定化回路は、差動増幅
器２０の正極入力端子２１と負極入力端子２２の間の電
位差が減少するように動作するから、その出力電圧VO
は、概ね次ぎの式で表されるようになる。 VO＝VR(1+R3/R4) ・・・（１）この出力電圧VOは、電力供給源６の電圧VIが出力電圧VO
よりも高ければ、概ね一定であり、電子回路５に対して
安定な電圧を供給することができる。

【００１０】図５は図４に示した電圧安定化回路の具体
的な回路構成を示す図である。差動増幅部２の差動増幅
器２０は、差動入力部を構成するNPNトランジスタＱ
１，Ｑ２、能動負荷としてのカレントミラー回路を構成
するPNPトランジスタＱ３，Ｑ４、動作電流を供給する
ためのカレントミラー回路を構成するｎＭＯＳトランジ
スタＭ１，Ｍ２、およびそのトランジスタＭ１，Ｍ２に
供給する電流を設定する定電流源２４から構成されてい
る。

【００１１】また、出力増幅部３は、出力用のPNPトラ
ンジスタＱ７を駆動するためのPNPトランジスタＱ５，
Ｑ６を具備している。Ｒ１，Ｒ２はエミッタ抵抗であ
る。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】ここで、この従来の電
圧安定化回路の消費電流を考えてみる。よく知られてい
るように、接合トランジスタの電流増幅率（コレクタ電
流Icとベース電流Ibの比β＝Ic／Ib）は、コレクタ端子
とエミッタ端子との間の差電圧Vceが十分大きいと、概
ね３００〜５００程度の値である。

【００１３】しかし、この電圧Vceが0.2Ｖ以下程度にな
ると、電流増幅率βが急激に低下する性質がある。接合
トランジスタのベース電流は、例えばNPNのときは、電
圧Vceが大きい場合はベース端子からエミッタ端子に電
流が流れるが、その電圧Vceが低下すると、ベース電流
の一部がベース端子からコレクタ端子に流れるようにな
り、ベース端子からエミッタ端子に流れる有効な電流が
減少するため、コレクタ電流も減少して、実効的な電流
増幅率βが低下するのである。

【００１４】したがって、従来の電圧安定化回路では、
電力供給源６からの供給電圧VIが出力電圧VO付近にまで
低下すると、出力用のトランジスタＱ７の電流増幅率β
が低下するため、出力電圧VOが低下する傾向を示す。そ
してこのとき、差動増幅器２０の正極入力端子２２の電
圧は負極入力端子２１の電圧VRよりも低下するから、出
力端子２３の電圧は低下し、出力トランジスタＱ７のベ
ース電流を増加させるように働く。

【００１５】このため、供給電圧VIが低下して出力電圧
VOとの差が小さくなると、電圧安定化回路の消費電流が
急激に増加するようになる。この現象は、モジュールの
消費電流を低減する目的で、電源供給端子６１と出力端
子６３を接続し、共通端子６２との間に式（１）で定ま
る電圧VOよりも低い電圧を印加する場合にも発生し、モ
ジュールにおける消費電流を増加してしまう。

【００１６】以上説明したように、出力素子にPNPトラ
ンジスタを用いた電圧安定化回路と電子回路とを組み合
わせたモジュールを、供給電圧範囲以下で動作させる場
合には、電圧安定化回路部分の消費電流が増大する現象
を生じる。これは、供給電圧を低下させる意図に反する
現象であり、低消費電力化を図る場合の大きな問題とな
る。

【００１７】本発明は以上のような点に鑑みてなされた
ものであり、その目的は、供給電圧が低下しても電圧安
定化回路の消費電力が増加しないようにすることであ
る。

【００１８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の第１の発明は、基準電圧を発生する基準電圧発生回路
と、該基準電圧と出力電圧に対応する電圧を比較する差
動増幅部と、該差動増幅部の出力により駆動されて前記
出力電圧を出力する出力素子とを含み、前記差動増幅部
の比較動作により前記出力電圧を前記基準電圧に対応し
た電圧に制御する電圧安定化回路において、前記出力電
圧またはそれに対応する電圧と外部供給電圧とを比較し
て、前記出力電圧と前記外部供給電圧との差電圧が所定
の電圧値より小さいときに監視信号を発生する監視手段
と、該監視信号を受けて前記出力素子の動作を停止させ
る第１のスイッチ手段と、前記監視信号を受けて前記差
動増幅部の動作電流を停止させる第２のスイッチ手段
と、前記監視信号を受けて前記外部供給電圧の供給端子
と前記出力電圧の出力端子とを接続する第３のスイッチ
手段と、を有するよう構成した。第２の発明は、第１の
発明において、前記出力素子として、ＰＮＰトランジス
タを使用して構成した。第３の発明は、第１の発明にお
いて、前記監視手段は、前記外部供給電圧と前記出力電
圧との差電圧が第１の所定の電圧値より小さいとき前記
監視信号を発生し、該第１の所定の電圧より大きな第２
の所定の電圧より大きいとき前記監視信号を解除するよ
う構成した。

【００１９】

【発明の実施の形態】［第１の実施の形態］図１は本発
明の第１の実施の形態の電圧安定化回路の回路図であ
る。図４に示したものと同じものには同じ符号を付し、
その詳しい説明は省略する。本実施の形態では、図４で
説明した電圧安定化回路に対して、監視回路４を新たに
設け、この監視回路４により出力電圧VOと供給電圧VIの
差分を検出して、その差分が所定値以下に低下したと
き、電圧安定化回路の動作を停止させるようにした。

【００２０】監視回路４は、電圧比較器４０、この電圧
比較器４０の負極入力端子の電圧を設定する抵抗Ｒ５、
Ｒ６からなり、正極入力端子には出力電圧VOが入力して
いる。一方、差動増幅部２の差動増幅器２０の出力端子
２３と電源入力端子６１との間にはスイッチ素子Ｓ１が
接続されている。また、その差動増幅器２０の電源供給
端子と共通端子６２との間にも、スイッチ素子Ｓ２が接
続されている。

【００２１】監視回路４の電圧比較４０出力信号EN（監
視信号）は、つぎのようになる。なお、「１」はハイレ
ベル電圧を、「０」はロウレベル電圧を示す。 EN＝「０」： VI＞VO(1+R5/R6)→ ΔVI＞VS ・・・（２） EN＝「１」： VI＜VO(1+R5/R6)→ ΔVI＜VS ・・・（３）ただし、ΔVI＝VI−VO ・・・（４） VS＝VO・R5/R6 ・・・（５）

【００２２】したがって、監視回路４は、供給電圧VIと
出力電圧VOとの差電圧ΔVIと、設定された電圧VSとを比
較する動作を行う。そして、ΔVI＞VSのときは、監視信
号ENが「０」となって、電源供給端子６１から電力が供
給されていることを示す。このとき、スイッチ素子Ｓ
１，Ｓ２はオフ状態となり通常の電圧安定化の動作を行
う。

【００２３】一方、ΔVI＜VSのときは、監視信号ENが
「１」となり、この場合は、電源供給端子６１から供給
された電圧が所定電圧よりも低いか、あるいは出力端子
６３から電力が供給されていることを示す。したがっ
て、このEN＝「１」のときは、出力端子６３から電力が
供給されていると認識すれば、電圧安定化回路の機能を
停止しても、電子回路６は正常に動作できることにな
る。

【００２４】電圧安定化回路の動作を停止するために
は、出力増幅部３のトランジスタＱ７のコレクタ電流を
遮断すれがよいから、この構成例では、トランジスタＱ
７のベース端子の電位を電源供給端子６１に近づけるこ
とで、達成している。すなわちここでは、トランジスタ
Ｑ７のベース端子と電源供給端子６１との間に接続した
スイッチ素子Ｓ１を、監視信号EN＝「１」のときオン状
態にさせることで、トランジスタＱ７をオフにさせ、そ
のコレクタ電流を遮断する。

【００２５】また、スイッチ素子Ｓ１は差動増幅器２０
の出力端子を短絡させているから、その差動増幅器２０
に過大な電流が流れる可能性がある。そこで、本発明で
は、差動増幅器２０の電源系にスイッチ素子Ｓ２を設け
て、監視信号EN＝「１」のときにオフするように動作さ
せることで、差動増幅器２０の消費電流を抑制してい
る。

【００２６】図２は図１に示した電圧安定化回路を具体
化した回路図である。図１および図５に示したものと同
じものには同じ符号を付している。ここでは、スイッチ
素子Ｓ１として、ｐＭＯＳトランジスタＭ３とインバー
タＩＮＶを使用し、スイッチ素子Ｓ２としてｎＭＯＳト
ランジスタＭ４を使用している。トランジスタＭ３は電
源供給端子６１にソース端子を接続し、トランジスタＱ
２，Ｑ４のコレクタ端子にドレイン端子を接続してい
る。また、トランジスタＭ４はソース端子を共通端子６
２に接続し、ドレイン端子をトランジスタＭ１のドレイ
ン端子に接続している。

【００２７】電圧安定化回路の動作を停止するために
は、出力増幅部３の出力素子であるトランジスタＱ７の
コレクタ電流を遮断させればよく、これにはその出力増
幅部３の最前段のPNPトランジスタＱ５のベース・エミ
ッタ間電圧Vbeを０Ｖにするか又は逆バイアスにすれば
実現できる。本発明では、監視信号EN＝「１」のとき、
その信号ENをインバータＩＮＶで反転して「０」にし、
トランジスタＭ３のゲート端子に入力させることで、こ
のトランジスタＭ３をオンさせて、トランジスタＱ５を
逆バイアスしている。なお、PNPトランジスタＱ５のベ
ース・エミッタ間電圧Vbeを０Ｖにするには、そのトラ
ンジスタＱ５のベース端子とエミッタ端子の間にスイッ
チ素子（図示せず）を接続して、監視信号EN＝「１」の
ときにこれをオンさせればよい。

【００２８】また、監視信号ENは、スイッチ素子Ｓ２と
してのトランジスタＭ４のゲート端子にも入力するの
で、その監視信号EN＝「１」のときに、そのトランジス
タＭ４がオン状態となり、定電流源２４の出力電流をト
ランジスタＭ１，Ｍ２に対してバイパスし、差動増幅器
２０の差動増幅動作を停止させる。すなわち、差動増幅
器に流れる動作電流を遮断するから、消費電流を低減で
きる。

【００２９】なお、この実施の形態では、監視回路４の
電圧比較器４０の正極入力端子は出力増幅部３のトラン
ジスタＱ７のコレクタに接続されているが、差動増幅部
２の差動増幅器２０の正極入力端子２２に接続しても、
同様に動作する。

【００３０】［第２の実施の形態］図３は本発明の第２
の実施の形態の構成を示す具体的な回路図である。ここ
では、監視回路４を、電圧比較器４１，４２、立ち下が
りエッジで動作するＳＲＦＦ回路を構成するＮＡＮＤ回
路４３，４４、電圧比較器４１の正極入力端子と電圧比
較器４２の負極入力端子に比較電圧を与えるための抵抗
Ｒ７，Ｒ８，Ｒ９から構成し、監視信号ENがヒステリシ
ス特性を持つようにしている。電圧比較器４１の負極入
力端子と電圧比較器４２の正極入力端子には差動増幅部
２の出力端子２２の電圧を入力している。なお、電子回
路５は省略している。

【００３１】ここで、電圧比較器４１の出力電圧EC1、
電圧比較器４２の出力電圧EC2は、次のように変化す
る。 EC1＝「１」： VI＞(VO＋VS1）→ ΔVI＞VS1 ・・・（６） EC1＝「０」： VI＜(VO＋VS1）→ ΔVI＜VS1 ・・・（７） EC2＝「１」： VI＜(VO＋VS2）→ ΔVI＜VS2 ・・・（８） EC2＝「０」： VI＞(VO＋VS2）→ ΔVI＞VS2 ・・・（９）ただし、VS1＝VO｛R3/(R3+R4)}{R4(R8+R9)/(R3・R7)-1} ＝VR(R3/R4){R4(R8+R9)/(R3・R7)-1} ・・・（１０） VS2＝VO｛R3/(R3+R4)}{R4・R9/(R3(R7+R8))-1} ＝VR(R3/R4){R4・R9/(R3(R7+R8))-1} ・・・（１１） VS2＞VS1 ・・・（１２）

【００３２】ここで、電源供給電圧VIと出力電圧VOとの
差電圧ΔVIがVS2よりも大きいと、２個の電圧比較器４
１，４２の出力信号は、EC1＝「１」、EC2＝「０」とな
るので、監視信号EN＝「０」となり、トランジスタＭ
３，Ｍ４はオフ状態となって、電圧安定化回路は正常に
動作する。

【００３３】次に、差電圧ΔVIがVS2よりも低くなる
と、電圧比較器４２の出力信号が、EC2＝「１」に変化
するが、監視信号はEN＝「０」から変化しない。

【００３４】次に、差電圧ΔVIがVS1よりも低くなる
と、電圧比較器４１の出力信号が、EC1＝「０」に変化
し、監視信号はEN＝「１」に変化する。この結果、トラ
ンジスタＭ３，Ｍ４がオン状態となって、電圧安定化回
路が動作を停止する。

【００３５】この状態で、差電圧ΔVIがVS1よりも高く
なると、電圧比較器４１の出力信号が、EC1＝「１」に
変化するが、監視信号はEN＝「１」を保持しており、電
圧安定化回路は動作を停止したままである。

【００３６】さらに、差電圧ΔVIがVS2よりも高くなる
と、電圧比較器４２の出力信号が、EC2＝「０」に変化
し、監視信号はEN＝「０」に変化する。この結果、トラ
ンジスタＭ３，Ｍ４はオフ状態となって、電圧安定化回
路が動作を再開し、出力端子６３に出力電圧VOが出力す
るようになる。

【００３７】このように、第２の実施の形態では、差電
圧ΔVIが、VS1よりも低くなると電圧安定化回路が動作
を停止し、VS2よりも高くなると動作を開始するという
ヒステリシスをもった動作を行う。このため、第１の実
施の形態に比べて、ΔVIがVS1付近でふらつくときで
も、動作停止を安定して制御できる。

【００３８】したがって、VS1として接合トランジスタ
のコレクタ飽和電圧（例えば、0.2Ｖ）、VS2としてその
コレクタ飽和電圧よりも大きな0.8Ｖを設定しておく
と、出力トランジスタＱ７は、そのVceがコレクタ飽和
電圧になると遮断し、そのコレクタ飽和状態で動作する
ことがなくなるから、過剰な電力を消費することがなく
なる。

【００３９】また、電力供給端子６１と出力端子６３と
を接続して電力を供給すれば、設定出力電圧VO以下の電
圧を電子回路５に与えることが可能となり、しかもこの
ときはΔVI＜VS1となるので、EC1＝「０」となり、トラ
ンジスタＭ３、Ｍ４がオン状態となって電圧安定化回路
はその動作を停止するので消費電力が増大することはな
い。このとき、トランジスタＭ３，Ｍ４がない場合は、
トランジスタＱ７のコレクタ端子からベース端子に電流
が流れ、トランジスタＱ５，Ｑ６が動作して大きな電流
が消費される。なお、電力供給端子６１と出力端子６３
との間にスイッチ素子（図示せず）を接続して、このス
イッチ素子を監視信号がEN＝「１」になったときにオン
状態に制御することもできる。このときは、VI＜VOとな
っても、電子回路５にその電圧VIを供給できる。

【００４０】

【発明の効果】以上から本発明によれば、供給電圧と出
力電圧の関係が電圧安定化回路の消費電力を増大する条
件を満たすと、電圧安定化回路の動作を停止するように
なる。このため、この電圧安定化回路と電子回路でモジ
ュールを構成し、そのモジュールに電圧安定化回路の設
定出力電圧以下の電圧を供給して動作させるときでも、
モジュールの消費電力を低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施の形態のモジュールの回路図であ
る。

【図２】図１の回路の具体的な回路図である。

【図３】第２の実施の形態のモジュール（電子回路は
省略）の具体的な回路図である。

【図４】従来のモジュールの回路図である。

【図５】図４の回路の具体的な回路図である。

【符号の説明】

１：基準電圧発生回路、２：差動増幅部、２０：差動増
幅器、２４：定電流源、３：出力増幅部、４：監視回
路、４０〜４２：電圧比較器、４３，４４：ＮＡＮＤ回
路、５：電子回路、６：電力供給源。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G05F 1/445,1/56 G05F 1/613,1/618

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】基準電圧を発生する基準電圧発生回路と、
該基準電圧と出力電圧に対応する電圧を比較する差動増
幅部と、該差動増幅部の出力により駆動されて前記出力
電圧を出力する出力素子とを含み、前記差動増幅部の比
較動作により前記出力電圧を前記基準電圧に対応した電
圧に制御する電圧安定化回路において、前記出力電圧またはそれに対応する電圧と外部供給電圧
とを比較して、前記出力電圧と前記外部供給電圧との差
電圧が所定の電圧値より小さいときに監視信号を発生す
る監視手段と、該監視信号を受けて前記出力素子の動作を停止させる第
１のスイッチ手段と、前記監視信号を受けて前記差動増幅部の動作電流を停止
させる第２のスイッチ手段と、前記監視信号を受けて前記外部供給電圧の供給端子と前
記出力電圧の出力端子とを接続する第３のスイッチ手段
と、を有することを特徴とする電圧安定化回路。
【請求項２】前記出力素子として、ＰＮＰトランジスタ
を使用したことを特徴とする請求項１に記載の電圧安定
化回路。
【請求項３】前記監視手段は、前記外部供給電圧と前記
出力電圧との差電圧が第１の所定の電圧値より小さいと
き前記監視信号を発生し、該第１の所定の電圧より大き
な第２の所定の電圧より大きいとき前記監視信号を解除
することを特徴とする請求項１に記載の電圧安定化回
路。