JP4546320B2 - 定電圧電源回路及び定電圧電源回路の制御方法 - Google Patents

定電圧電源回路及び定電圧電源回路の制御方法 Download PDF

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    • G05F1/56Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in series with the load as final control devices

Description

本発明は、フの字特性の過電流保護回路を備えた定電圧電源回路及び定電圧電源回路の制御方法に関し、特に定電圧電源回路を構成する各種回路に対するバイアス電流を、出力電流の増加に応じて増加させるようにした構成をなし、過電流保護回路が確実に作動するようにした定電圧電源回路及び定電圧電源回路の制御方法に関する。
定電圧電源回路の出力電圧の変動に対する応答速度を改善するためには、定電圧電源回路を構成している誤差増幅回路等の回路に供給するバイアス電流を増やす方法や、メインの帰還ループとは別に、高速応答可能な第2の帰還ループを備え、両方の帰還ループによって出力電圧の制御を行う方法が知られている。
誤差増幅回路のバイアス電流を増やす方法は、定電圧電源回路の消費電流が増加するためバイアス電流の増加量にはおのずと限界があった。そこで、定電圧電源回路の出力電流に比例したバイアス電流を誤差増幅回路に供給することで、高速応答と低消費電流の両方を実現した回路があった(例えば、特許文献1参照。)。
図7は、このような高速応答と低消費電流の両方を実現した定電圧電源回路に、フの字特性の過電流保護回路を加えた定電圧電源回路の例を示した図である。
図7において、定電圧電源回路100は、所定の基準電圧Vrefを生成して出力する基準電圧発生回路102と、出力端子OUTの電圧である出力電圧Voutを分圧して分圧電圧VFBを生成し出力する出力電圧検出用の抵抗R101,R102と、ゲートに入力された信号に応じて出力端子OUTに出力する電流ioの制御を行うPMOSトランジスタからなる出力トランジスタM101と、分圧電圧VFBが基準電圧Vrefになるように出力トランジスタM101の動作制御を行う誤差増幅回路103と、出力電流ioに応じて誤差増幅回路103のバイアス電流を調整するバイアス電流調整回路104と、出力電流ioが所定値を超えると出力電圧Voutを低下させながら出力電流を減少させる、いわゆるフの字の出力電圧−出力電流特性になるようにする過電流保護回路105とを備えている。
誤差増幅回路103は、基準電圧Vrefと分圧電圧VFBとの各電圧の差分を増幅して出力トランジスタM101のゲートに出力し、出力トランジスタM101の動作制御を行って出力電圧Voutを一定電圧に制御する。
バイアス電流調整回路104は、出力電流ioが増加すると、出力トランジスタM101の出力電流ioに比例した電流を出力する、出力電流ioを検出するためのPMOSトランジスタM105のドレイン電流も増加する。PMOSトランジスタM105のドレイン電流は、NMOSトランジスタM106のドレイン電流になっていることから、NMOSトランジスタM106とカレントミラー回路を形成しているNMOSトランジスタM107及びM108のドレイン電流も増加する。
NMOSトランジスタM107のドレイン電流は、誤差増幅回路103の演算増幅器A101のバイアス電流になっていることから演算増幅器A101のバイアス電流は出力電流ioの増加に比例して増加する。また、NMOSトランジスタM108のドレイン電流は、PMOSトランジスタM102のバイアス電流になっていることからPMOSトランジスタM102のバイアス電流は出力電流ioの増加に比例して増加する。この結果、出力電圧Voutの電圧変動に対する誤差増幅回路103の応答速度は、出力電流ioが大きくなるほど速くなる。
一方、過電流保護回路105では、出力電流ioが所定の保護電流値になると、PMOSトランジスタM103のドレインと接地電圧との間に接続されている抵抗R104の電圧降下が前記分圧電圧VFBを超える。すると演算増幅回路A102の出力電圧が低下してPMOSトランジスタM104をオンさせて導通させ、出力トランジスタM101のゲート電圧の低下を抑え、図8で示すように、出力電圧Voutを低下させると共に出力電流ioを減少させ、出力電圧Vout短絡時にはA点に示す短絡電流まで出力電流を減少させて、定電圧電源回路100及び負荷110を過電流から保護する。このような過電流保護回路105は、いわゆる「フの字」特性を有する過電流保護回路である。
特開平3−158912号公報
しかしながら、過電流保護回路105が作動するときの出力電流ioは非常に大きい電流であることから、このときの誤差増幅回路103における演算増幅器A101のバイアス電流も大きくなっている。このため、演算増幅器A101の出力端のドライブ能力は非常に大きくなっており、過電流保護回路105で使用していたPMOSトランジスタM104のドライブ能力では、出力電圧Voutが短絡した時点の短絡電流を、図8のA点まで減少させることができず、実線で示すような特性になり、短絡電流をB点の電流までしか減少させることができなかった。このため、出力トランジスタM101の電力損失が膨大になり過大な発熱を生じ、本定電圧電源回路をIC化した場合、該IC自体に不具合が発生する場合があった。
過電流保護回路105を確実に作動させ、前記短絡電流を図8のA点まで減少させるようにするためには、PMOSトランジスタM104のドライブ能力を、誤差増幅回路103のドライブ能力よりも遥かに大きくしなければならない。
PMOSトランジスタM104のドライブ能力を大きくするには、PMOSトランジスタM104の素子サイズを大きくしなければならず、そうすると定電圧電源回路100をIC化した場合のチップサイズが大きくなりコスト増となる。更に、過電流保護回路105の動作電流も大きくする必要があり消費電力の増大を招くという問題があった。
本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、PMOSトランジシタM104の素子サイズを大きくすることなく、過電流保護回路105の動作電流も増やさずに、短絡電流を所定の電流値まで低下させることができるフの字特性の過電流保護回路を備えた定電圧電源回路及び定電圧電源回路の制御方法を得ることを目的とする。
この発明に係る定電圧電源回路は、入力端子に入力された入力電圧を所定の定電圧に変換して出力端子から出力する定電圧電源回路において、
入力された制御信号に応じた電流を前記入力端子から前記出力端子に出力する出力トランジスタと、
所定の基準電圧を生成して出力する基準電圧発生回路部と、
前記出力端子の電圧の検出を行い、該検出した電圧に比例した電圧を生成して出力する出力電圧検出回路部と、
前記比例電圧が前記基準電圧になるように前記出力トランジスタの動作制御を行う、所定のバイアス電流が供給された誤差増幅回路部と、
前記出力トランジスタから出力される電流に応じたバイアス電流を該誤差増幅回路部に供給するバイアス電流調整回路部と、
前記出力端子からの出力電圧が定格電圧であるときの該出力端子から出力される出力電流が所定の過電流保護電流値以上になると、前記出力トランジスタに対して、該出力電圧を低下させると共に該出力電流を低下させ該出力電圧が接地電圧まで低下すると前記出力端子から所定の短絡電流を出力させるように動作制御を行う過電流保護回路部と、
を備え、
前記誤差増幅回路部は、供給されたバイアス電流に応じて前記出力端子の電圧変動に対する応答速度が変わり、前記バイアス電流調整回路部は、前記出力電圧が所定値まで低下すると、前記誤差増幅回路部に対するバイアス電流の供給を停止するものである。
具体的には、前記バイアス電流調整回路部は、前記出力トランジスタからの出力電流に比例したバイアス電流を前記誤差増幅回路部に供給するようにした。
また、前記誤差増幅回路部は、
前記比例電圧と前記基準電圧との差電圧を増幅する演算増幅器と、
該演算増幅器の出力信号を増幅して前記出力トランジスタの制御電極に制御信号を出力する第1トランジスタと、
前記演算増幅器及び該第1トランジスタにそれぞれ所定のバイアス電流を供給する定電流回路と、
を備え、
前記バイアス電流調整回路部は、前記演算増幅器及び/又は前記第1トランジスタにバイアス電流を供給し、前記出力電圧が所定値まで低下すると、該演算増幅器及び/又は該第1トランジスタに対するバイアス電流の供給を停止するようにした。
また、前記誤差増幅回路部は、
前記比例電圧と前記基準電圧との差電圧を増幅して前記出力トランジスタの制御電極に制御信号を出力する演算増幅器と、
該演算増幅器に所定のバイアス電流を供給する定電流回路と、
を備え、
前記バイアス電流調整回路部は、前記演算増幅器にバイアス電流を供給し、前記出力電圧が所定値まで低下すると、該演算増幅器に対するバイアス電流の供給を停止するようにした。
また、前記誤差増幅回路部は、前記比例電圧が前記基準電圧になるように前記出力トランジスタの動作制御を同時に行う、特性の異なった第1誤差増幅回路及び第2誤差増幅回路で構成され、前記バイアス電流調整回路部は、前記出力電圧が所定値まで低下すると、第1誤差増幅回路及び第2誤差増幅回路の少なくとも一方へのバイアス電流の供給を停止するようにした。
この場合、前記第2誤差増幅回路よりも前記第1誤差増幅回路の方が、直流利得が大きくなるようにした。
また、前記第2誤差増幅回路は、前記出力端子の電圧変動に対する応答速度が前記第1誤差増幅回路よりも速くなるようにした。
また、前記バイアス電流調整回路部は、前記出力トランジスタ、出力電圧検出回路部及び誤差増幅回路部で形成された負帰還ループに発生する信号の周波数帯に対する該バイアス電流調整回路部の利得を低下させて位相補償を行う位相補償回路を有するようにした。
また、前記位相補償回路は、前記出力トランジスタから出力される電流に応じて該位相補償回路の周波数特性を変えるようにした。
一方、前記バイアス電流調整回路部は、
制御電極が前記出力トランジスタの制御電極に接続され、電流入力端が前記出力トランジスタと共に前記入力端子に接続された、出力トランジスタから出力される電流に比例した電流を出力する、該出力トランジスタからの出力電流を検出するための電流検出トランジスタと、
該電流検出トランジスタの出力電流に比例したバイアス電流を前記演算増幅器及び/又は第1トランジスタにそれぞれ供給するカレントミラー回路と、
前記出力端子の電圧が前記所定値まで低下すると、該カレントミラー回路に対して、前記演算増幅器及び/又は前記第1トランジスタへのバイアス電流の供給を停止させる制御回路と、
を備えるようにした。
この場合、前記カレントミラー回路は、
前記電流検出トランジスタの出力電流が入力される入力側トランジスタと、
該入力側トランジスタに入力された電流に比例した電流を前記演算増幅器及び第1トランジスタに対応して供給する各出力側トランジスタと、
前記入力側トランジスタの制御電極と該各出力側トランジスタのそれぞれの制御電極との間にそれぞれ接続された各ローパスフィルタからなる前記位相補償回路と、
を備えるようにした。
また、前記バイアス電流調整回路部は、
制御電極が前記出力トランジスタの制御電極に接続され、電流入力端が前記出力トランジスタと共に前記入力端子に接続された、出力トランジスタから出力される電流に比例した電流を出力する、該出力トランジスタからの出力電流を検出するための電流検出トランジスタと、
該電流検出トランジスタの出力電流に比例したバイアス電流を前記演算増幅器に供給するカレントミラー回路と、
前記出力端子の電圧が前記所定値まで低下すると、該カレントミラー回路に対して、前記演算増幅器へのバイアス電流の供給を停止させる制御回路と、
を備えるようにした。
この場合、前記カレントミラー回路は、
前記電流検出トランジスタの出力電流が入力される入力側トランジスタと、
該入力側トランジスタに入力された電流に比例した電流を前記演算増幅器に供給する出力側トランジスタと、
前記入力側トランジスタの制御電極と該出力側トランジスタの制御電極との間に接続されたローパスフィルタからなる前記位相補償回路と、
を備えるようにした。
また、前記バイアス電流調整回路部は、
制御電極が前記出力トランジスタの制御電極に接続され、電流入力端が前記出力トランジスタと共に前記入力端子に接続された、出力トランジスタから出力される電流に比例した電流を出力する、該出力トランジスタからの出力電流を検出するための電流検出トランジスタと、
該電流検出トランジスタの出力電流に比例したバイアス電流を前記第1誤差増幅回路及び第2誤差増幅回路にそれぞれ供給するカレントミラー回路と、
前記出力端子の電圧が前記所定値まで低下すると、該カレントミラー回路に対して、前記第2誤差増幅回路へのバイアス電流の供給を停止させる制御回路と、
を備えるようにした。
この場合、前記カレントミラー回路は、
前記電流検出トランジスタの出力電流が入力される入力側トランジスタと、
該入力側トランジスタに入力された電流に比例した電流を前記第1誤差増幅回路及び第2誤差増幅回路に対応して供給する各出力側トランジスタと、
前記入力側トランジスタの制御電極と該各出力側トランジスタのそれぞれの制御電極との間にそれぞれ接続された各ローパスフィルタからなる前記位相補償回路と、
を備えるようにした。
また、前記位相補償回路をなすローパスフィルタを構成する抵抗は、前記電流検出トランジスタから出力された電流に応じてインピーダンスが変化するようにしてもよい。
この場合、前記各トランジスタはMOSトランジスタをなすと共に前記抵抗はMOSトランジスタからなり、前記位相補償回路は、前記電流検出トランジスタから出力された電流に応じて該抵抗をなすMOSトランジスタのゲート・ソース間電圧を変えるようにした。
一方、前記出力トランジスタ、基準電圧発生回路部、出力電圧検出回路部、誤差増幅回路部、バイアス電流調整回路部及び過電流保護回路部を、1つのICに集積するようにしてもよい。
また、この発明に係る定電圧電源回路の制御方法は、入力された制御信号に応じた電流を入力端子から出力端子に出力する出力トランジスタと、
所定の基準電圧を生成すると共に前記出力電圧に比例した電圧を生成し、1つ以上の誤差増幅回路によって該基準電圧と該比例電圧との差分を増幅して前記出力トランジスタの制御電極に出力する出力電圧制御部と、
を備えた、
前記入力端子に入力された入力電圧を所定の定電圧に変換して前記出力端子から出力する定電圧電源回路の制御方法において、
前記出力トランジスタから出力される電流に応じたバイアス電流を前記誤差増幅回路に供給し、前記出力電圧が所定値まで低下すると、前記誤差増幅回路に対する該バイアス電流の供給を停止するようにした。
具体的には、前記出力トランジスタからの出力電流に比例したバイアス電流が前記誤差増幅回路に供給されるようにした。
本発明の定電圧電源回路によれば、フの字特性の過電流保護回路部が動作を開始すると、定電圧電源回路を構成している誤差増幅回路部のように出力トランジスタをドライブする回路に対するバイアス電流調整回路部からのバイアス電流の供給を停止して、固定バイアス電流のみに減少させるようにした。このことから、従来の過電流保護回路と同等かそれ以下のドライブ能力のトランジスタを用いて、前記過電流保護回路部が作動した際に出力トランジスタの動作制御を行うようにした場合においても、フの字特性の過電流保護回路が作動したときの短絡電流を確実に所定の電流値まで減少せることができる。
また、本発明の定電圧電源回路の制御方法によれば、フの字特性の過電流保護回路が作動して出力電圧が所定値まで低下すると、定電圧電源回路を構成している誤差増幅回路部のように出力トランジスタをドライブする回路に対するバイアス電流の供給を停止して、固定バイアス電流のみに減少させるようにした。このことから、従来の過電流保護回路と同等かそれ以下のドライブ能力のトランジスタを用いて、前記過電流保護回路部が作動した際に出力トランジスタの動作制御を行うようにした場合においても、フの字特性の過電流保護回路部が作動したときの短絡電流を確実に所定の電流値まで減少せることができる。
次に、図面に示す実施の形態に基づいて、本発明を詳細に説明する。
第1の実施の形態.
図1は、本発明の第1の実施の形態における定電圧電源回路の回路例を示した図である。
図1において、定電圧電源回路1は、入力端子INに入力された入力電圧Vinから所定の定電圧を生成し出力電圧Voutとして出力端子OUTから出力する。出力端子OUTから出力された出力電圧Voutは、出力端子OUTに接続された負荷10に供給される。なお、定電圧電源回路1は、1つのICに集積されるようにしてもよい。
定電圧電源回路1は、所定の基準電圧Vrefを生成して出力する基準電圧発生回路2と、出力電圧Voutを分圧して分圧電圧VFBを生成し出力する出力電圧検出用の抵抗R1,R2と、ゲートに入力された信号に応じて出力端子OUTに出力する電流ioの制御を行うPMOSトランジスタからなる出力トランジスタM1と、分圧電圧VFBが基準電圧Vrefになるように出力トランジスタM1の動作制御を行う第1誤差増幅回路3と、出力電流ioに応じて第1誤差増幅回路3のバイアス電流を調整するバイアス電流調整回路4と、出力電流ioが所定の過電流保護電流値以上になると出力電圧Voutを低下させながら出力電流ioを減少させる、いわゆるフの字の出力電圧−出力電流特性になるようにする過電流保護回路5とを備えている。なお、基準電圧発生回路2は基準電圧発生回路部を、抵抗R1,R2は出力電圧検出回路部を、第1誤差増幅回路3は誤差増幅回路部を、バイアス電流調整回路4はバイアス電流調整回路部を、過電流保護回路5は過電流保護回路部をそれぞれなす。また、基準電圧発生回路2、抵抗R1,R2及び第1誤差増幅回路3は出力電圧制御部をなす。
第1誤差増幅回路3は、演算増幅器A1、PMOSトランジスタM2及び定電流源11,12で構成され、バイアス電流調整回路4は、PMOSトランジスタM5及びNMOSトランジスタM6〜M9で構成され、過電流保護回路5は、演算増幅器A2、PMOSトランジスタM3,M4及び抵抗R3,R4で構成されている。なお、PMOSトランジスタM2は第1トランジスタを、NMOSトランジスタM9は制御回路を、定電流源11,12は定電流回路をそれぞれなす。
入力端子INと出力端子OUTとの間には出力トランジスタM1が接続され、出力端子OUTと接地電圧との間には抵抗R1及びR2が直列に接続されている。
第1誤差増幅回路3において、入力端子INと接地電圧との間にはPMOSトランジスタM2と定電流源12が直列に接続されており、PMOSトランジスタM2は定電流源12から所定のバイアス電流が供給されている。
PMOSトランジスタM2と定電流源12との接続部は出力トランジスタM1のゲートに接続されている。演算増幅器A1において、出力端はPMOSトランジスタM2のゲートに接続され、反転入力端には分圧電圧VFBが入力され、非反転入力端には基準電圧Vrefが入力されている。また、演算増幅器A1は、定電流源11から所定のバイアス電流が供給されている。
バイアス電流調整回路4において、PMOSトランジスタM5のソースは入力端子INに接続され、PMOSトランジスタM5のゲートは出力トランジスタM1のゲートに接続されている。NMOSトランジスタM6〜M8はカレントミラー回路を形成しており、PMOSトランジスタM5のドレインと接地電圧との間にNMOSトランジスタM6が接続されている。NMOSトランジスタM6〜M8の各ゲートは接続され、該接続部はNMOSトランジスタM6のドレインに接続されている。NMOSトランジスタM7は、定電流源11に並列に接続され、NMOSトランジスタM8及びM9の直列回路は、定電流源12に並列に接続されている。NMOSトランジスタM9のゲートには分圧電圧VFBが入力されている。
次に、過電流保護回路5において、PMOSトランジスタM3のソースは入力端子INに接続され、PMOSトランジスタM3のゲートは出力トランジスタM1のゲートに接続されている。PMOSトランジスタM3のドレインと接地電圧との間には抵抗R4が接続され、PMOSトランジスタM3と抵抗R4との接続部は演算増幅器A2の反転入力端に接続されている。演算増幅器A2の非反転入力端には分圧電圧VFBが入力され、演算増幅器A2の出力端はPMOSトランジスタM4のゲートに接続されている。PMOSトランジスタM4は、入力端子INと出力トランジスタM1のゲートとの間に接続され、入力端子INとPMOSトランジスタM4のゲートとの間には抵抗R3が接続されている。
このような構成において、第1誤差増幅回路3は、演算増幅器A1に入力された分圧電圧VFBが基準電圧Vrefになるように、出力トランジスタM1の動作を制御する。出力電流ioが増加すると、出力トランジスタM1の出力電流に比例した電流を出力するPMOSトランジスタM5のドレイン電流id5も増加する。該ドレイン電流id5はNMOSトランジスタM6のドレイン電流になっていることから、NMOSトランジスタM6とカレントミラー回路を構成しているNMOSトランジスタM7及びM8の各ドレイン電流id7,id8もそれぞれ増加する。
出力電流ioが所定の過電流保護電流値未満の場合は、NMOSトランジスタM9のソース電圧は、NMOSトランジスタM8のドレイン電圧であり、該電圧はNMOSトランジスタM8のゲート電圧とほぼ等しい電圧になっており、この状態ではNMOSトランジスタM9はオンした状態になっている。このため、NMOSトランジスタM8のドレイン電流id8はPMOSトランジスタM2のバイアス電流になっていることから、演算増幅器A1及びPMOSトランジスタM2の各バイアス電流は出力電流ioの増加に比例して増加する。この結果、出力電圧Voutの変動に対する第1誤差増幅回路3の応答速度は、出力電流ioが大きくなるほど速くなる。
次に、PMOSトランジスタM3は、出力トランジスタM1の出力電流に比例した電流を出力し、出力電流ioが前記所定の過電流保護電流値以上になると、抵抗R4による電圧降下が分圧電圧VFBを超える。すると、演算増幅器A2の出力電圧が低下し、PMOSトランジスタM4はオンして導通し、出力トランジスタM1のゲート電圧の低下を抑え、図2の実線で示すように、出力電圧Voutを低下させると共に出力電流ioを減少させ、出力端子OUTが短絡すると、図2のA点で示した短絡電流値まで出力電流ioを減少させ、定電圧電源回路1及び負荷10を過電流から保護する。
一方、出力電圧Voutが低下すると、NMOSトランジスタM9のゲート電圧も低下する。出力電圧Voutが所定の電圧まで低下するとNMOSトランジスタM9はオフし、PMOSトランジスタM2のバイアス電流の内、出力電流ioに比例した分のバイアス電流がカットされ、定電流源12からのバイアス電流のみになる。このため、第1誤差増幅回路3の出力トランジスタM1に対するドライブ能力が小さくなり、PMOSトランジスタM4のドライブ能力が小さくても出力電流ioを、図2のA点で示した所定の短絡電流値まで確実に減少させることができる。
ここで、図1において、第1誤差増幅回路3のPMOSトランジスタM2をなくすようにしてもよく、この場合、図1の定電圧電源回路1は図3のようになる。なお、図3では、図1と同じもの又は同様のものは同じ符号で示し、ここではその説明を省略すると共に図1との相違点のみ説明する。
図3における図1との相違点は、PMOSトランジスタM2、定電流源12及びNMOSトランジスタM8をなくすと共に、NMOSトランジスタM9をNMOSトランジスタM7に直列に接続したことにある。
図3において、第1誤差増幅回路3は、演算増幅器A1及び定電流源11で構成され、演算増幅器A1の出力端は出力トランジスタM1のゲートに接続されている。更に、演算増幅器A1において、反転入力端には基準電圧Vrefが、非反転入力端には分圧電圧VFBがそれぞれ入力されている。
また、バイアス電流調整回路4は、PMOSトランジスタM5及びNMOSトランジスタM6,M7,M9で構成され、NMOSトランジスタM6及びM7はカレントミラー回路を形成している。NMOSトランジスタM9とM7との直列回路は、定電流源11に並列に接続されている。
このような構成において、出力電流ioが所定の過電流保護電流値未満の場合は、NMOSトランジスタM9のソース電圧は、NMOSトランジスタM7のドレイン電圧であり、該電圧はNMOSトランジスタM7のゲート電圧とほぼ等しい電圧になっており、この状態ではNMOSトランジスタM9はオンした状態になっている。このため、NMOSトランジスタM7のドレイン電流は演算増幅器A1のバイアス電流になっていることから、演算増幅器A1のバイアス電流は出力電流ioの増加に比例して増加する。この結果、出力電圧Voutの変動に対する第1誤差増幅回路3の応答速度は、出力電流ioが大きくなるほど速くなる。
出力電流ioが前記所定の過電流保護電流値以上になり過電流保護回路5が作動して出力電圧Voutが低下すると、NMOSトランジスタM9のゲート電圧も低下する。出力電圧Voutが所定の電圧まで低下するとNMOSトランジスタM9はオフし、演算増幅器A1のバイアス電流の内、出力電流ioに比例した分のバイアス電流がカットされ、定電流源11からのバイアス電流のみになる。このため、第1誤差増幅回路3の出力トランジスタM1に対するドライブ能力が小さくなり、PMOSトランジスタM4のドライブ能力が小さくても出力電流ioを、図2のA点で示した所定の短絡電流値まで確実に減少させることができる。
このように、本第1の実施の形態における定電圧電源回路は、出力電流ioが前記所定の過電流保護電流値以上になり過電流保護回路5が作動して出力電圧Voutが低下すると、第1誤差増幅回路3に対するバイアス電流調整回路4からのバイアス電流の供給を停止させて、第1誤差増幅回路3の出力トランジスタM1に対するドライブ能力が小さくなるようにした。このことから、過電流保護回路の出力トランジスタM1に対するドライブ能力を大きくすることなく、フの字特性の過電流保護回路が作動したときの短絡電流を所定の電流値まで低下させることができる。また、過電流保護回路で使用する、出力トランジスタの動作制御を行うトランジスタに電流駆動能力の小さいトランジスタを使用することができ、チップサイズの増加に伴うコストアップや消費電流の増加を抑えることができる。
第2の実施の形態.
前記第1の実施の形態では、1つの誤差増幅回路で出力トランジスタの動作制御を行う場合を示したが、直流利得ができるだけ大きくなるようにして直流特性が優れたものになるようにした第1誤差増幅回路と、出力電圧Voutの変動に対して高速に応答する第2誤差増幅回路とで出力トランジスタの動作制御を同時に行う構成の定電圧電源回路に本発明を適用してもよく、このようにしたものを本発明の第2の実施の形態とする。
図4は、本発明の第2の実施の形態における定電圧電源回路の回路例を示した図である。なお、図4では、図1と同じもの又は同様のものは同じ符号で示し、ここではその説明を省略すると共に図1との相違点のみ説明する。
図4における図1との相違点は、出力電圧Voutの変動に対して高速に応答する第2誤差増幅回路6を追加したことにあり、これに伴って、図1の定電圧電源回路1を定電圧電源回路1aにした。定電圧電源回路1aは、1つのICに集積されるようにしてもよい。
図4において、定電圧電源回路1aは、基準電圧発生回路2と、出力電圧検出用の抵抗R1,R2と、出力トランジスタM1と、分圧電圧VFBが基準電圧Vrefになるように出力トランジスタM1の動作制御を行う第1誤差増幅回路3と、分圧電圧VFBが基準電圧Vrefになるように出力トランジスタM1の動作制御を行う、出力電圧Voutの変動に対して高速に応答する第2誤差増幅回路6と、出力電流ioに応じて第1誤差増幅回路3及び第2誤差増幅回路6の各バイアス電流を調整するバイアス電流調整回路4と、過電流保護回路5とを備えている。なお、第1誤差増幅回路3及び第2誤差増幅回路6は誤差増幅回路部をなす。
第2誤差増幅回路6は、演算増幅器A3及び定電流源13で構成され、演算増幅器A3において、出力端は出力トランジスタM1のゲートに接続され、反転入力端には基準電圧Vrefが、非反転入力端には分圧電圧VFBがそれぞれ入力されている。また、演算増幅器A3は、定電流源13から所定のバイアス電流が供給されている。また、バイアス電流調整回路4において、NMOSトランジスタM9とM8との直列回路が定電流源13に並列に接続されている。
このような構成において、第1誤差増幅回路3は、直流利得ができるだけ大きくなるようにして直流特性が優れたものになるように、定電流源11及び12から供給されるバイアス電流ができるだけ小さくなるように設計されている。また、第2誤差増幅回路6は、高速動作を行うことができるように、定電流源13から供給されるバイアス電流ができるだけ大きくなるように設計されている。
出力電流ioが所定の過電流保護電流値未満の場合は、NMOSトランジスタM9のソース電圧は、NMOSトランジスタM8のドレイン電圧であり、該電圧はNMOSトランジスタM8のゲート電圧とほぼ等しい電圧になっており、この状態ではNMOSトランジスタM9はオンした状態になっている。このため、NMOSトランジスタM8のドレイン電流id8は演算増幅器A3のバイアス電流になっていることから、演算増幅器A1と共に演算増幅器A3のバイアス電流は出力電流ioの増加に比例して増加する。この結果、出力電圧Voutの変動に対する第1誤差増幅回路3及び第2誤差増幅回路6の応答速度は、それぞれ出力電流ioが大きくなるほど速くなる。
次に、出力電流ioが前記所定の過電流保護電流値以上になり、過電流保護回路5が作動して出力電圧Voutが低下すると、NMOSトランジスタM9のゲート電圧も低下する。出力電圧Voutが所定の電圧まで低下するとNMOSトランジスタM9はオフし、演算増幅器A3のバイアス電流の内、出力電流ioに比例した分のバイアス電流がカットされ、定電流源13からのバイアス電流のみになる。このため、第2誤差増幅回路6の出力トランジスタM1に対するドライブ能力が小さくなり、PMOSトランジスタM4のドライブ能力が小さくても出力電流ioを、図2のA点で示した所定の短絡電流値まで確実に減少させることができる。
なお、図4において、第1誤差増幅回路3のPMOSトランジスタM2をなくすようにしてもよく、この場合、PMOSトランジスタM2及び定電流源12をなくし、演算増幅器A1の出力端を出力トランジスタM1のゲートに接続し、演算増幅器A1の反転入力端に基準電圧Vrefを、演算増幅器A1の非反転入力端に分圧電圧VFBをそれぞれ入力するようにすればよい。
このように、本第2の実施の形態における定電圧電源回路は、出力電流ioが前記所定の過電流保護電流値以上になり過電流保護回路5が作動して出力電圧Voutが低下すると、第2誤差増幅回路6に対するバイアス電流調整回路4からのバイアス電流の供給を停止して、第2誤差増幅回路6の出力トランジスタM1に対するドライブ能力が小さくなるようにした。このことから、過電流保護回路の出力トランジスタに対するドライブ能力を大きくすることなく、フの字特性の過電流保護回路が作動したときの短絡電流を所定の電流値まで低下させることができる。
第3実施の形態.
前記第1及び第2の各実施の形態において、負帰還ループに発生する信号の周波数帯に対するバイアス電流調整回路の利得を低下させて位相補償を行う位相補償回路を設けるようにしてもよく、このようにしたものを本発明の第3の実施の形態とする。
図5は、本発明の第3の実施の形態における定電圧電源回路の回路例を示した図である。なお、図5では、図4の構成の場合の定電圧電源回路を例にして示しており、図4と同じもの又は同様のものは同じ符号で示しており、ここではその説明を省略し図4との相違点のみ説明する。
図5における図4との相違点は、演算増幅器A1及びA3に形成された負帰還ループに発生する信号の周波数帯に対するバイアス電流調整回路4の利得を低下させて位相補償を行う位相補償回路を、図4のバイアス電流調整回路4に設けたことにあり、これに伴って、図4のバイアス電流調整回路4をバイアス電流調整回路4bに、図4の定電圧電源回路1を定電圧電源回路1bにそれぞれした。定電圧電源回路1bは1つのICに集積されるようにしてもよい。
図5において、定電圧電源回路1bは、基準電圧発生回路2と、出力電圧検出用の抵抗R1,R2と、出力トランジスタM1と、第1誤差増幅回路3と、第2誤差増幅回路6と、出力電流ioに応じて第1誤差増幅回路3及び第2誤差増幅回路6の各バイアス電流を調整するバイアス電流調整回路4bと、過電流保護回路5とを備えている。なお、バイアス電流調整回路4bはバイアス電流調整回路部をなす。
バイアス電流調整回路4bは、PMOSトランジスタM5と、NMOSトランジスタM6〜M9と、コンデンサC1,C2と、抵抗R5,R6とで構成されている。
NMOSトランジスタM6〜M8、コンデンサC1,C2及び抵抗R5,R6はカレントミラー回路を形成しており、NMOSトランジスタM7は定電流源11に並列に接続されている。NMOSトランジスタM6のゲートとNMOSトランジスタM7のゲートとの間には抵抗R5が接続され、NMOSトランジスタM7のゲートと接地電圧との間にはコンデンサC1が接続されている。また、NMOSトランジスタM8に直列にNMOSトランジスタM9が接続され、該直列回路は定電流源13に並列に接続されている。NMOSトランジスタM6のゲートとNMOSトランジスタM8のゲートとの間には抵抗R6が接続され、NMOSトランジスタM8のゲートと接地電圧との間にはコンデンサC2が接続されている。また、NMOSトランジスタM6において、ゲートとドレインが接続されている。
このような構成において、コンデンサC1及び抵抗R5、並びにコンデンサC2及び抵抗R6は、それぞれローパスフィルタを形成して位相補償回路をなす。抵抗R5のインピーダンスとコンデンサC1の容量、及び抵抗R6のインピーダンスとコンデンサC2の容量で決定される各周波数帯域を、バイアス電流調整回路4bの利得がピークとなる周波数に設定することで、負帰還ループに発生する信号の周波数帯に対して利得を低下させ、バイアス電流調整回路4bのピーク時の利得を低下させることができ、バイアス電流調整回路4bの動作が不安定になることを防止することができる。
ここで、図5では、バイアス電流調整回路4bの利得がピークとなる周波数帯は、抵抗のインピーダンスとコンデンサの容量で設定されるようにしたが、バイアス電流調整回路4bの利得がピークとなる周波数帯を出力電流ioに応じて変わるようにしてもよく、このようにした場合、図5は図6のようになる。なお、図6では、図5と同じもの又は同様のものは同じ符号で示しており、ここではその説明を省略すると共に図5との相違点のみ説明する。
図6における図5との相違点は、抵抗R5及びR6の代わりにNMOSトランジスタM10〜M12を追加したことにある。
図6において、バイアス電流調整回路4bは、出力電流ioに応じて第1誤差増幅回路3及び第2誤差増幅回路6の各バイアス電流を調整するものであり、PMOSトランジスタM5、NMOSトランジスタM6〜M12及びコンデンサC1,C2で構成されている。NMOSトランジスタM6〜M12及びコンデンサC1,C2はカレントミラー回路を形成し、更に、NMOSトランジスタM10〜M12はカレントミラー回路を形成している。
このような構成において、NMOSトランジスタM11,M12の各ドレイン電流は、それぞれNMOSトランジスタM10のドレイン電流に比例する。NMOSトランジスタM10のドレイン電流はPMOSトランジスタM5と同じであることから、結局、NMOSトランジスタM11,M12の各ドレイン電流は出力電流ioに比例することになる。言い換えれば、NMOSトランジスタM11,M12の各インピーダンスはそれぞれ出力電流ioに反比例することになる。NMOSトランジスタM11,M12の各インピーダンスが小さくなると、位相補償の対象となる周波数帯域が上昇するので、図5の場合と同様の効果を得ることができると共に、図5の場合と比較してより広い条件において位相補償が有効となり、バイアス電流調整回路4bのより安定した動作が可能となる。
このように、本第3の実施の形態における定電圧電源回路は、前記第2の実施の形態と同様の効果を得ることができると共に、バイアス電流調整回路4bの動作を安定させることができ、これに伴って第1誤差増幅回路3及び第2誤差増幅回路6の動作も安定することから、すべての周波数条件に対して安定した出力電圧を供給することができる。
なお、前記第1から第3の各実施の形態では、NMOSトランジスタM9のゲートに分圧電圧VFBが入力されるようにしたが、出力電圧Voutを分圧する分圧回路を別途設けて、該分圧回路で生成した分圧電圧をNMOSトランジスタM9のゲートに入力するようにしてもよい。また、前記第1から第3の各実施の形態において、NMOSトランジスタM7及びM8を備えている場合はNMOSトランジスタM8にNMOSトランジスタM9を接続するようにしたが、これは一例であり、NMOSトランジスタM7にNMOSトランジスタM9を接続するようにしてもよく、NMOSトランジスタM7及びM8の両方にNMOSトランジスタM9に相当するNMOSトランジスタをそれぞれ接続するようにしてもよい。
本発明の第1の実施の形態における定電圧電源回路の回路例を示した図である。 図1の定電圧電源回路1における出力電圧と出力電流の特性例を示した図である。 本発明の第1の実施の形態における定電圧電源回路の他の回路例を示した図である。 本発明の第2の実施の形態における定電圧電源回路の回路例を示した図である。 本発明の第3の実施の形態における定電圧電源回路の回路例を示した図である。 本発明の第3の実施の形態における定電圧電源回路の他の回路例を示した図である。 従来の定電圧電源回路の回路例を示した図である。 図7の定電圧電源回路100における出力電圧と出力電流の特性例を示した図である。
符号の説明
1,1a,1b 定電圧電源回路
2 基準電圧発生回路
3 第1誤差増幅回路
4,4b バイアス電流調整回路
5 過電流保護回路
6 第2誤差増幅回路
10 負荷
M1 出力トランジスタ
R1,R2 出力電圧検出用の抵抗
IN 入力端子
OUT 出力端子

Claims (20)

  1. 入力端子に入力された入力電圧を所定の定電圧に変換して出力端子から出力する定電圧電源回路において、
    入力された制御信号に応じた電流を前記入力端子から前記出力端子に出力する出力トランジスタと、
    所定の基準電圧を生成して出力する基準電圧発生回路部と、
    前記出力端子の電圧の検出を行い、該検出した電圧に比例した電圧を生成して出力する出力電圧検出回路部と、
    前記比例電圧が前記基準電圧になるように前記出力トランジスタの動作制御を行う、所定のバイアス電流が供給された誤差増幅回路部と、
    前記出力トランジスタから出力される電流に応じたバイアス電流を該誤差増幅回路部に供給するバイアス電流調整回路部と、
    前記出力端子からの出力電圧が定格電圧であるときの該出力端子から出力される出力電流が所定の過電流保護電流値以上になると、前記出力トランジスタに対して、該出力電圧を低下させると共に該出力電流を低下させ該出力電圧が接地電圧まで低下すると前記出力端子から所定の短絡電流を出力させるように動作制御を行う過電流保護回路部と、
    を備え、
    前記誤差増幅回路部は、供給されたバイアス電流に応じて前記出力端子の電圧変動に対する応答速度が変わり、前記バイアス電流調整回路部は、前記出力電圧が所定値まで低下すると、前記誤差増幅回路部に対するバイアス電流の供給を停止することを特徴とする定電圧電源回路。
  2. 前記バイアス電流調整回路部は、前記出力トランジスタからの出力電流に比例したバイアス電流を前記誤差増幅回路部に供給することを特徴とする請求項1記載の定電圧電源回路。
  3. 前記誤差増幅回路部は、
    前記比例電圧と前記基準電圧との差電圧を増幅する演算増幅器と、
    該演算増幅器の出力信号を増幅して前記出力トランジスタの制御電極に制御信号を出力する第1トランジスタと、
    前記演算増幅器及び該第1トランジスタにそれぞれ所定のバイアス電流を供給する定電流回路と、
    を備え、
    前記バイアス電流調整回路部は、前記演算増幅器及び/又は前記第1トランジスタにバイアス電流を供給し、前記出力電圧が所定値まで低下すると、該演算増幅器及び/又は該第1トランジスタに対するバイアス電流の供給を停止することを特徴とする請求項1又は2記載の定電圧電源回路。
  4. 前記誤差増幅回路部は、
    前記比例電圧と前記基準電圧との差電圧を増幅して前記出力トランジスタの制御電極に制御信号を出力する演算増幅器と、
    該演算増幅器に所定のバイアス電流を供給する定電流回路と、
    を備え、
    前記バイアス電流調整回路部は、前記演算増幅器にバイアス電流を供給し、前記出力電圧が所定値まで低下すると、該演算増幅器に対するバイアス電流の供給を停止することを特徴とする請求項1又は2記載の定電圧電源回路。
  5. 前記誤差増幅回路部は、前記比例電圧が前記基準電圧になるように前記出力トランジスタの動作制御を同時に行う、特性の異なった第1誤差増幅回路及び第2誤差増幅回路で構成され、前記バイアス電流調整回路部は、前記出力電圧が所定値まで低下すると、第1誤差増幅回路及び第2誤差増幅回路の少なくとも一方へのバイアス電流の供給を停止することを特徴とする請求項1又は2記載の定電圧電源回路。
  6. 前記第1誤差増幅回路は、直流利得が前記第2誤差増幅回路よりも大きいことを特徴とする請求項5記載の定電圧電源回路。
  7. 前記第2誤差増幅回路は、前記出力端子の電圧変動に対する応答速度が前記第1誤差増幅回路よりも速いことを特徴とする請求項5又は6記載の定電圧電源回路。
  8. 前記バイアス電流調整回路部は、前記出力トランジスタ、出力電圧検出回路部及び誤差増幅回路部で形成された負帰還ループに発生する信号の周波数帯に対する該バイアス電流調整回路部の利得を低下させて位相補償を行う位相補償回路を有することを特徴とする請求項1、2、3、4、5、6又は7記載の定電圧電源回路。
  9. 前記位相補償回路は、前記出力トランジスタから出力される電流に応じて該位相補償回路の周波数特性を変えることを特徴とする請求項8記載の定電圧電源回路。
  10. 前記バイアス電流調整回路部は、
    制御電極が前記出力トランジスタの制御電極に接続され、電流入力端が前記出力トランジスタと共に前記入力端子に接続された、出力トランジスタから出力される電流に比例した電流を出力する、該出力トランジスタからの出力電流を検出するための電流検出トランジスタと、
    該電流検出トランジスタの出力電流に比例したバイアス電流を前記演算増幅器及び/又は第1トランジスタにそれぞれ供給するカレントミラー回路と、
    前記出力端子の電圧が前記所定値まで低下すると、該カレントミラー回路に対して、前記演算増幅器及び/又は前記第1トランジスタへのバイアス電流の供給を停止させる制御回路と、
    を備えることを特徴とする請求項3記載の定電圧電源回路。
  11. 前記カレントミラー回路は、
    前記電流検出トランジスタの出力電流が入力される入力側トランジスタと、
    該入力側トランジスタに入力された電流に比例した電流を前記演算増幅器及び第1トランジスタに対応して供給する各出力側トランジスタと、
    前記入力側トランジスタの制御電極と該各出力側トランジスタのそれぞれの制御電極との間にそれぞれ接続された各ローパスフィルタからなる前記位相補償回路と、
    を備えることを特徴とする請求項10記載の定電圧電源回路。
  12. 前記バイアス電流調整回路部は、
    制御電極が前記出力トランジスタの制御電極に接続され、電流入力端が前記出力トランジスタと共に前記入力端子に接続された、出力トランジスタから出力される電流に比例した電流を出力する、該出力トランジスタからの出力電流を検出するための電流検出トランジスタと、
    該電流検出トランジスタの出力電流に比例したバイアス電流を前記演算増幅器に供給するカレントミラー回路と、
    前記出力端子の電圧が前記所定値まで低下すると、該カレントミラー回路に対して、前記演算増幅器へのバイアス電流の供給を停止させる制御回路と、
    を備えることを特徴とする請求項4記載の定電圧電源回路。
  13. 前記カレントミラー回路は、
    前記電流検出トランジスタの出力電流が入力される入力側トランジスタと、
    該入力側トランジスタに入力された電流に比例した電流を前記演算増幅器に供給する出力側トランジスタと、
    前記入力側トランジスタの制御電極と該出力側トランジスタの制御電極との間に接続されたローパスフィルタからなる前記位相補償回路と、
    を備えることを特徴とする請求項12記載の定電圧電源回路。
  14. 前記バイアス電流調整回路部は、
    制御電極が前記出力トランジスタの制御電極に接続され、電流入力端が前記出力トランジスタと共に前記入力端子に接続された、出力トランジスタから出力される電流に比例した電流を出力する、該出力トランジスタからの出力電流を検出するための電流検出トランジスタと、
    該電流検出トランジスタの出力電流に比例したバイアス電流を前記第1誤差増幅回路及び第2誤差増幅回路にそれぞれ供給するカレントミラー回路と、
    前記出力端子の電圧が前記所定値まで低下すると、該カレントミラー回路に対して、前記第2誤差増幅回路へのバイアス電流の供給を停止させる制御回路と、
    を備えることを特徴とする請求項5、6又は7記載の定電圧電源回路。
  15. 前記カレントミラー回路は、
    前記電流検出トランジスタの出力電流が入力される入力側トランジスタと、
    該入力側トランジスタに入力された電流に比例した電流を前記第1誤差増幅回路及び第2誤差増幅回路に対応して供給する各出力側トランジスタと、
    前記入力側トランジスタの制御電極と該各出力側トランジスタのそれぞれの制御電極との間にそれぞれ接続された各ローパスフィルタからなる前記位相補償回路と、
    を備えることを特徴とする請求項14記載の定電圧電源回路。
  16. 前記位相補償回路をなすローパスフィルタを構成する抵抗は、前記電流検出トランジスタから出力された電流に応じてインピーダンスが変化することを特徴とする請求項11、13又は15記載の定電圧電源回路。
  17. 前記各トランジスタはMOSトランジスタをなすと共に前記抵抗はMOSトランジスタからなり、前記位相補償回路は、前記電流検出トランジスタから出力された電流に応じて該抵抗をなすMOSトランジスタのゲート・ソース間電圧を変えることを特徴とする請求項16記載の定電圧電源回路。
  18. 前記出力トランジスタ、基準電圧発生回路部、出力電圧検出回路部、誤差増幅回路部、バイアス電流調整回路部及び過電流保護回路部は、1つのICに集積されることを特徴とする請求項1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16又は17記載の定電圧電源回路。
  19. 入力された制御信号に応じた電流を入力端子から出力端子に出力する出力トランジスタと、
    所定の基準電圧を生成すると共に前記出力電圧に比例した電圧を生成し、1つ以上の誤差増幅回路によって該基準電圧と該比例電圧との差分を増幅して前記出力トランジスタの制御電極に出力する出力電圧制御部と、
    を備えた、
    前記入力端子に入力された入力電圧を所定の定電圧に変換して前記出力端子から出力する定電圧電源回路の制御方法において、
    前記出力トランジスタから出力される電流に応じたバイアス電流を前記誤差増幅回路に供給し、前記出力電圧が所定値まで低下すると、前記誤差増幅回路に対する該バイアス電流の供給を停止することを特徴とする定電圧電源回路の制御方法。
  20. 前記出力トランジスタからの出力電流に比例したバイアス電流が前記誤差増幅回路に供給されることを特徴とする請求項19記載の定電圧電源回路の制御方法。
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