JP3733121B2

JP3733121B2 - 安定化電源回路

Info

Publication number: JP3733121B2
Application number: JP2003088958A
Authority: JP
Inventors: 剛志仲; 貴前川
Original assignee: 株式会社ディーブイイー; トレックスデバイス株式会社
Priority date: 2003-03-27
Filing date: 2003-03-27
Publication date: 2006-01-11
Anticipated expiration: 2023-03-27
Also published as: JP2004297952A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は安定化電源回路に関し、特にチャージポンプ電源回路に適用して有用なものである。
【０００２】
【従来の技術】
電源回路の一種としてチャージポンプ電源回路がある。図４はダブラーと呼称されるチャージポンプの代表的な一例を示す回路図である。同図に示すように、このチャージポンプは、４個のスイッチング素子１，２，３，４と一個のコンデンサ５とを組み合わせてなり、電源６の出力電圧を入力電圧Ｖ_inとし、これを２倍に昇圧して出力電圧Ｖ_out とするものである。
【０００３】
さらに詳言すると、一定期間スイッチング素子１，２をＯＮ状態とすることにより入力電圧Ｖ_inの印加による電荷をコンデンサ５にチャージする。このとき、スイッチング素子３，４はＯＦＦ状態としておく。この結果、コンデンサ５の両端の電圧が入力電圧Ｖ_inとなる。次の一定期間は、逆にスイッチング素子３，４をＯＮ状態、スイッチング素子１，２をＯＦＦ状態とする。このことによりスイッチング素子４を介して入力電圧Ｖ_inがコンデンサ５の両端の電圧（Ｖ_in）に重畳されて入力電圧Ｖ_inの倍の電圧となり、スイッチング素子３を介して出力端子７の電圧、すなわち出力電圧Ｖ_out となる。
【０００４】
ここで、スイッチング素子１〜４は、通常ＭＯＳＦＥＴで構成し、そのスイッチング動作はクロックパルス発生回路（図示せず。）が出力するクロックパルスで行う。また、このときの出力電圧Ｖ_out は平滑コンデンサ８で脈動分を除去することによりその安定化が図られている。
【０００５】
かかるチャージポンプ電源回路は、平滑コンデンサ８で一応はその出力電圧Ｖ_out の安定化を図っているが、負荷電流が大きい場合には出力電圧Ｖ_out が低下する等、その安定性に欠けるという問題があった。すなわち、上記チャージポンプ電源回路は、本質的にスイッチングレギュレータ乃至安定化電源回路としては機能し得ないものとなっている。
【０００６】
そこで、チャージポンプ電源回路においてその出力電圧Ｖ_out の安定化を図った安定化電源回路が提案されている。これを図５に示す。同図に示すように、この安定化電源回路は、出力電圧Ｖ_out を表す電圧（本例の場合は出力電圧Ｖ_out を抵抗９，１０の抵抗値Ｒ_1,Ｒ₂ で分割した電圧）と、所定の基準電圧Ｖ_ref とを比較し、両者の偏差に基づく電圧として誤差信号を得、この誤差信号によりＭＯＳトランジスタで形成したスイッチング素子４のＯＮ抵抗を制御するものである。すなわち、このＯＮ抵抗の制御により、スイッチング素子４を介してコンデンサ５に重畳する電圧を制御し、出力電圧Ｖ_out が一定になるように調整している。
【０００７】
さらに詳言すると、当該チャージポンプのクロックパルスによりスイッチング素子３とともにスイッチング素子４をＯＦＦ状態（スイッチング素子１，２はＯＮ状態）とするときには、スイッチング素子１１をＯＮ状態、スイッチング素子１２をＯＦＦ状態とする。
【０００８】
逆に、スイッチング素子４をＯＮ状態とするときには、上記クロックパルスにより、スイッチング素子１１をＯＦＦ状態、スイッチング素子１２をＯＮ状態とする。この結果、スイッチング素子１２を介して誤差増幅器１３の出力電圧である誤差信号がスイッチング素子４のゲートに印加されるが、その電圧値に応じてスイッチング素子４のＯＮ抵抗が変化する。すなわち、偏差の値に対応して、スイッチング素子４のＯＮ抵抗の値が決まり、このＯＮ抵抗に応じた電圧（ＯＮ抵抗が小さい程、大きな電圧）をコンデンサ５に重畳して出力電圧Ｖ_out を昇圧する。
【０００９】
かくして、出力電圧Ｖ_out が一定値に保持され、スイッチングレギュレータ乃至安定化電源回路として機能する。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
図５に示す安定化電源回路は、チャージポンプ電源回路としてその出力電圧Ｖ_out の一応の安定化は図り得るものの、なお次の様な問題を有している。第１に、スイッチング素子１１、１２の切り換えにより誤差信号に基づく電圧でスイッチング素子４を駆動しており、この結果スイッチング素子４の出力電流は、やはり急激に変化するので、コンデンサ５にも急激に電荷がチャージされ、これに基づく電流がスイッチング素子３を介して出力電流にリップルとなって重畳される。この結果、当該安定化電源回路の出力電圧の質が劣化する。第２に、誤差増幅器１３は、その負荷であるスイッチング素子４を定電圧駆動する必要があるため、負荷容量が大きくなり、その分誤差増幅器１３の容量も大きなものとする必要がある。
【００１１】
本発明は、上記従来技術に鑑み、出力電流のリップル変動を除去し得るとともに、これを小容量の素子で安定化し得るチャージポンプ電源回路を利用した安定化電源回路を提供することを課題とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明の第１の態様は、複数のスイッチとコンデンサとを有し、各スイッチの選択的なＯＮ動作及びＯＦＦ動作の組み合わせによりコンデンサに電荷を蓄積してこの電荷に基づく電圧を出力電圧とするチャージポンプ電源回路と、上記出力電圧と所定の基準電圧とを比較して両者の偏差に基づく誤差信号を出力する誤差増幅器とを有するとともに、上記チャージポンプ電源回路の上記スイッチの一つ又は複数を電界効果トランジスタで構成するとともに、そのゲートをチャージ又はディスチャージする時間を、上記誤差信号に応じて制御して上記出力電圧を一定に保持するようにしたことを特徴とする。
【００１３】
本発明の第２の態様は、第１の態様に記載する安定化電源回路において、電界効果トランジスタのゲートに直列に電流源を接続し、この電流源を誤差増幅器の誤差信号に応じて制御することにより上記ゲートをチャージ又はディスチャージする時間を制御するようにしたことを特徴とする。
【００１４】
本発明の第３の態様は、第２の態様に記載する安定化電源回路において、電流源はトランジスタで形成したことを特徴とする。
【００１５】
本発明の第４の態様は、第３の態様に記載する安定化電源回路において、電流源はＭＯＳ型の電界効果トランジスタで形成したことを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。
【００１７】
図１は本発明の実施の形態に係る安定化電源回路を示す回路図である。同図に示す安定化電源回路は、図５に示す安定化電源回路の誤差増幅器１３の負荷を変更したものである。そこで、図５と同一部分には同一番号を付し、重複する説明は省略する。
【００１８】
図１に示すように、本形態における誤差増幅器１３の負荷は、スイッチング素子４を構成するＭＯＳＦＥＴ（本例の場合はＰ型）のゲートに直列に接続した電流源１４である。すなわち、この電流源１４を、誤差信号の電圧値に応じて制御することにより、スイッチング素子４を構成するＭＯＳＦＥＴのゲートをディスチャージする時間を制御するようになっている。
【００１９】
ここで、クロックパルスで行うスイッチング素子１〜４のＯＮ／ＯＦＦ動作に伴い、スイッチング素子１１は、スイッチング素子３のＯＮ状態への切り換えと同時にスイッチング素子１，２とともにＯＦＦ状態となる（このモードをスイッチング素子３，４の「ＯＮモード」という。）。この「ＯＮモード」の間にスイッチング素子４（ＭＯＳＦＥＴ）のゲートにチャージされた電荷を、電流源１４の動作によりディスチャージするが、このディスチャージに要する時間は、誤差信号の電圧値に応じて決定される。すなわち、誤差信号の電圧値が大きければ大きい程（偏差が大きければ、大きい程）短時間でディスチャージされる。この結果、誤差信号の電圧値が大きい程、速やかに出力電圧Ｖ_out の電圧値が昇圧されてその安定化が図られる。
【００２０】
図２は、本形態のスイッチング素子４を構成するＭＯＳＦＥＴ（Ｐ型）の上記「ＯＮモード」におけるゲート電圧特性を示すグラフである。同図に示すゲート電圧特性は、ゲート電流をパラメータとするもので、▲１▼，▲２▼，▲３▼，▲４▼，▲５▼の順にゲート電流を小さくした場合、換言するとディスチャージ時間を長くした場合を示している。なお、同図中、Ｖ_thはスレッショルド電圧である。
【００２１】
同図を参照すれば、「ＯＮモード」に切り換わることによりスイッチング素子４はＯＮ状態となり得るが、その変化は緩やかなものとなる。ちなみに、図５に示す安定化電源回路においては、スイッチング素子４のゲート電圧が、誤差信号の電圧値に応じた一定電圧まで急激に変化する結果、その出力電流にリップルを生起する。これに対し、本形態においては、「ＯＮモード」に切り換わった瞬間からスイッチング素子４のゲートの電荷のディスチャージが開始され、このディスチャージの開始時点では無限大であるＯＮ抵抗を漸減することによりスイッチング素子４の出力電流を漸増させている。そして、この出力電流の変化率が、誤差信号の電圧値に応じてその電圧値が大きい程、大きくなる。
【００２２】
したがって、「ＯＮモード」における当該安定化電源回路の出力電流の変化もスイッチング素子４の出力電流の変化を反映したものとなり、急激に変化することなくリップルを生起することもない。
【００２３】
図３は、図１に示す電流源１４のさらに具体的な実施例である。なお、同図中、図１と同一部分には同一番号を付し、重複する説明は省略する。
【００２４】
図３に示すように、本実施例における電流源１４は、Ｎ型のＭＯＳＦＥＴ１４ａを素子とするもので、そのＯＮ／ＯＦＦ動作をスイッチング素子１４ｂで制御するように構成したものである。ここで、スイッチング素子１４ｂは、スイッチング素子１１と同期して同様のＯＮ／ＯＦＦ動作を行い、「ＯＮモード」においては、ＯＦＦ状態となってＭＯＳＦＥＴ１４ａを動作させる。かくして、誤差信号の電圧値に応じてスイッチング素子４のゲート電流値を制御する。
【００２５】
なお、図３に示す実施例では、電流源１４を構成する素子としてＭＯＳＦＥＴ１４ａを用いたが、これは、勿論バイポーラトランジスタで構成することもできる。ただ、この場合にはバイポーラトランジスタのエミッタに直列に抵抗を接続する必要があり、またバイポーラトランジスタは常にベース電流が流れるので、その分損失が大きいという問題はある。
【００２６】
さらに、上記実施の形態では、スイッチング素子４のゲートを誤差信号で制御するようにしたが、制御対象はこれに限るものではない。スイッチング素子１〜３のゲートであれば、何れでも良く、また２個以上を対象とすることもできる。したがって、チャージポンプ電源回路をダブラーに限定する必要もない。複数のスイッチとコンデンサとを有し、各スイッチの選択的なＯＮ動作及びＯＦＦ動作の組み合わせに伴い、コンデンサに電荷を蓄積してこの電荷に基づく電圧を出力電圧とするチャージポンプ電源回路であれば特別な制限はない。また、図１に示すスイッチング素子４はＰ型のＭＯＳＦＥＴで構成したが、これをＮ型で構成することも勿論可能である。ただ、Ｎ型のＭＯＳＦＥＴを用いた場合には、これと組み合わせる電流源１４のトランジスタはＰ型とする必要があり、この電流源１４でＮ型のＭＯＳＦＥＴのゲートを誤差信号に応じてチャージすることによりそのＯＮ抵抗が漸減するように構成する必要がある。
【００２７】
【発明の効果】
以上実施の形態とともに具体的に説明した通り、チャージポンプ電源回路のスイッチの一つ又は複数を電界効果トランジスタで構成するとともに、そのゲートをチャージ又はディスチャージする時間を、上記誤差信号に応じて制御するようにしたので、ゲートを制御するスイッチの切り換え時に、ＯＮ抵抗を無限大から漸減させて所定の値にすることができる。この結果、当該安定化電源回路の出力電流にリップルを生起することなく、その出力電圧を一定値に安定化し得る。このとき、上記ゲート電流の制御手段として電流源を用いた場合には、容易に所望の制御を行うことができる。
【００２８】
さらに、電流源をトランジスタで形成した場合には、誤差増幅器の負荷となる電流源の容量が小さくて済み、この誤差増幅器の小型化、低廉化を図ることもできる。また、電流源のトランジスタをＭＯＳＦＥＴで形成した場合には、これがＯＦＦ状態のときには電流が流れることはなく消費電力の低減に寄与し得る、ＩＣ化が容易である等の固有の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る安定化電源回路を示す回路図である。
【図２】図１に示す電流源の作用によるスイッチング素子のゲート電圧特性を示すグラフである。
【図３】図１に示す安定化電源回路の電流源及びその近傍部分を抽出して具体的に示す実施例に係る回路図である。
【図４】チャージポンプ電源回路を示す回路図である。
【図５】従来技術に係るチャージポンプ電源回路を利用した安定化電源回路を示す回路図である。
【符号の説明】
１，２，３，４スイッチング素子
５コンデンサ
６電源
７出力端子
９，１０抵抗
１１，１２スイッチング素子
１３誤差増幅器
１４電流源
１４ａＭＯＳＦＥＴ
１４ｂスイッチング素子

Claims

複数のスイッチとコンデンサとを有し、各スイッチの選択的なＯＮ動作及びＯＦＦ動作の組み合わせによりコンデンサに電荷を蓄積してこの電荷に基づく電圧を出力電圧とするチャージポンプ電源回路と、上記出力電圧と所定の基準電圧とを比較して両者の偏差に基づく誤差信号を出力する誤差増幅器とを有するとともに、
上記チャージポンプ電源回路の上記スイッチの一つ又は複数を電界効果トランジスタで構成するとともに、そのゲートをチャージ又はディスチャージする時間を、上記誤差信号に応じて制御して上記出力電圧を一定に保持するようにしたことを特徴とする安定化電源回路。
請求項１に記載する安定化電源回路において、
電界効果トランジスタのゲートに直列に電流源を接続し、この電流源を誤差増幅器の誤差信号に応じて制御することにより上記ゲートをチャージ又はディスチャージする時間を制御するようにしたことを特徴とする安定化電源回路。
請求項２に記載する安定化電源回路において、
電流源はトランジスタで形成したことを特徴とする安定化電源回路。
請求項３に記載する安定化電源回路において、
電流源はＭＯＳ型の電界効果トランジスタで形成したことを特徴とする安定化電源回路。