JP4626539B2 - シリーズレギュレータ - Google Patents

Description

本発明は、トランジスタのベース電流を制御することにより入力電圧をある電圧に変換して出力するシリーズレギュレータに関する。

図４は、既存のシリーズレギュレータを示す図である。
図４に示すシリーズレギュレータ４０は、コレクタがプラス側の入力端子４１に接続されエミッタがプラス側の出力端子４２に接続されるトランジスタ４３と、トランジスタ４３のコレクタ−ベースに並列接続される抵抗４４と、互いに直列接続されトランジスタ４３のエミッタとマイナス側の入力端子４１との間に設けられる抵抗４５、４６と、カソードがトランジスタ４３のベースと接続されアノードがマイナス側の入力端子４１に接続され制御端子が抵抗４５、４６の接続点に接続されるシャントレギュレータ４７と、入力端子４１とトランジスタ４３との間に設けられるコンデンサ４８と、出力端子４２とトランジスタ４３との間に設けられるコンデンサ４９とを備えて構成されている。

また、上記シリーズレギュレータ４０は、負荷５０と共にシステム５１を構成し、このシステム５１の入力端子すなわちシリーズレギュレータ４０の入力端子４１は、別のシステム５２の入力端子と並列接続され、システム５１、５２はそれぞれ電源５３から供給される電力により駆動するものとする。

上記シリーズレギュレータ４０は、抵抗４５、４６の接続点の電圧に基づいてシャントレギュレータ４７がトランジスタ４３のベース電流を制御することにより、入力端子４１から入力される電圧Ｖｉｎを電圧Ｖｏに変換して出力端子４２から出力するものである。

このように構成されるシリーズレギュレータ４０は、部品点数が少なく高精度な降圧電源方式としてよく知られている。
しかしながら、図４に示すシリーズレギュレータ４０では、電圧Ｖｉｎがゼロボルトに急減して、シリーズレギュレータ４０の出力側のコンデンサ４９に蓄積されたエネルギーがトランジスタ４３などを介してシリーズレギュレータ４０の入力側のコンデンサ４８へ回生するとき、トランジスタ４３のエミッタ−ベース間に電圧がかかるが、その電圧がトランジスタ４３のエミッタ−ベース間の耐圧よりも高いとトランジスタ４３が破損するおそれがある。

そこで、図５（ａ）に示すように、カソードがコンデンサ４８に接続されアノードがコンデンサ４９に接続されるダイオード５４をシリーズレギュレータ４０に付加することにより、回生エネルギーの一部をダイオード５４によりバイパスさせてトランジスタ４３のエミッタ−ベース間にかかる電圧Ｖｅｂを抑える構成が考えられる。

しかしながら、図５（ａ）に示す構成では、電圧Ｖｉｎがゼロボルトに急減すると、ダイオード５４によりバイパスされるエネルギー分、コンデンサ４８にかかる電圧の低下が妨げられ、システム５１からシステム５２へ電力供給がしばらく継続する。そのため、図５（ａ）に示す構成では、システム５２への電力供給を電圧Ｖｉｎの立ち下げと共に停止させたい場合、その動作を妨害してしまう。

そこで、例えば、図５（ｂ）に示すように、システム５２の前段にスイッチ５５を設け、電圧Ｖｉｎの立ち下げをトリガとしてスイッチ５５を開けるＳＷドライバ５６を備えるように構成することが考えられる。

しかしながら、図５（ｂ）に示す構成では、スイッチ５５やＳＷドライバ５６を備える分、全体の構成が煩雑になるという問題がある。
そこで、図６に示すように、カソードがコンデンサ４９に接続されアノードがトランジスタ４３のエミッタに接続されるダイオード５７をシリーズレギュレータ４０に付加する構成が考えられる（例えば、特許文献１または特許文献２参照）。このように構成することにより、電圧Ｖｉｎがゼロボルトに急減しても、電圧Ｖｏがダイオード５７の逆電圧Ｖｄｒ（ダイオードのカソードからアノードへ逆電流Ｉｄｒが流れているときにそのダイオードにかかる電圧）分降下するため、トランジスタ４３のエミッタ−ベース間にかかる電圧Ｖｅｂを抑えることができる。
特開昭６１−７０６２１号公報 実開平４−１１４６１５号公報

しかしながら、図６に示す構成では、電圧Ｖｉｎがゼロボルトに急減したときにコンデンサ４９にかかる電圧Ｖｏ自体が大きくその電圧Ｖｏがダイオード５７により電圧Ｖｄｒ分降下してもその降下後の電圧がトランジスタ４３のエミッタ−ベース間の耐圧よりも高いと、トランジスタ４３が破損するおそれがある。例えば、電圧Ｖｉｎがゼロボルトに急減したときのトランジスタ４３のエミッタ−ベース間にかかる電圧Ｖｅｂとダイオード５７の逆電圧Ｖｄｒとが同じとき、トランジスタ４３のエミッタ−ベース間には電圧Ｖｏの２分の１の電圧がかかるが、この電圧Ｖｏの２分の１の電圧がトランジスタ４３のエミッタ−ベース間の耐圧よりも高いと、トランジスタ４３が破損するおそれがある。

また、一般に、ダイオードは温度が高くなると逆電流Ｉｄｒが大きくなるという特性をもっているが、図６に示す構成では、ダイオード５７がトランジスタ４３のエミッタに直列接続されているため、電圧Ｖｉｎがゼロボルトに急減したときにダイオード５７に流れる電流Ｉｄｒはトランジスタ４３のエミッタ−ベース間に流れる電流に制限され、ダイオード５７の逆電圧Ｖｄｒは小さくなる。そのため、電圧Ｖｉｎがゼロボルトに急減するときに、ダイオード５７の温度がトランジスタ４３の温度に比べて高いと、トランジスタ４３のエミッタ−ベース間にかかる電圧Ｖｅｂがダイオード５７の逆電圧Ｖｄｒよりも大きくなり、トランジスタ４３のエミッタ−ベース間にかかる電圧Ｖｅｂが耐圧よりも大きくなる可能性が高くなってしまう。そこで、このトランジスタ４３とダイオード５７の温度差を回避するために、例えば、トランジスタ４３とダイオード５７との熱的均衡を図る回路を付加することも考えられるが、部品搭載上困難な場合がある。

そこで、本発明では、エネルギーが回生するときに発生の可能性があるトランジスタの破損を簡単な構成で回避することが可能なシリーズレギュレータを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために本発明では、以下のような構成を採用した。
すなわち、本発明のシリーズレギュレータは、トランジスタのベース電流を制御することにより入力端子から入力される電圧をある電圧に変換して出力端子から出力するシリーズレギュレータであって、上記出力端子とトランジスタのエミッタとの間に設けられ、エネルギーが回生するときに上記出力端子とトランジスタのエミッタとの間に流れる電流を制限するダイオードと、トランジスタのエミッタ−ベースに並列接続され、エネルギーが回生するときにトランジスタのエミッタ−ベース間にかかる電圧がトランジスタのエミッタ−ベース間の耐圧以下になるようにトランジスタのエミッタ−ベース間に流れる電流の一部をバイパスさせるバイパス手段とを備える。

本発明のシリーズレギュレータは、上記ダイオードによりエネルギーが回生するときに出力端子とトランジスタのエミッタとの間に流れる電流を制限しているため、トランジスタのエミッタ−ベース間に流れる電流が制限されトランジスタのエミッタ−ベース間にかかる電圧を抑えることができる。また、上記ダイオードにより抑えられたトランジスタのエミッタ−ベース間の電圧を上記バイパス手段によりトランジスタのエミッタ−ベース間の耐圧以下にさせてトランジスタの破損を回避している。従って、本発明のシリーズレギュレータは、ダイオードやバイパス手段という簡単な構成で、エネルギーが回生するときのトランジスタの破損を回避することができる。

また、上記シリーズレギュレータの入力端子は、上記シリーズレギュレータを備えるシステムとは別のシステムの入力端子と並列接続されていてもよい。
本発明のシリーズレギュレータは、上述したように、ダイオードにより出力端子とトランジスタのエミッタとの間に流れる電流を制限する構成であるため、入力端子に入力される電圧の急減により出力端子から入力端子へ回生されるエネルギーを抑えることができる。従って、シリーズレギュレータの入力端子が別のシステムの入力端子と並列接続されていても、このシリーズレギュレータから別のシステムに推移するエネルギーが抑えられているので、別のシステムへの電力供給の停止要求時における別のシステムの動作継続を抑えることができる。

また、上記ダイオードは、ＰＮ接合形ダイオードまたはショットキーバリアダイオードとしてもよい。
一般に、ショットキーバリアダイオードは、ＰＮ接合形ダイオードに比べて順電圧Ｖｄｆが低いため、上記ダイオードをショットキーバリアダイオードとする場合は、上記ダイオードをＰＮ接合形ダイオードとする場合に比べて、通常時（シリーズレギュレータが入力電圧をある電圧に変換して出力しているとき）のシリーズレギュレータの損失や入力電圧の上昇を抑えることができる。

また、上記バイパス手段は、ダイオードまたは抵抗としてもよい。

本発明によれば、エネルギーが回生するときに、そのシリーズレギュレータに備えられるトランジスタが破損することを簡単な構成で回避することができる。

以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。
図１は、本発明の実施形態のシリーズレギュレータを示す図である。なお、図４〜図６に示すシリーズレギュレータ４０と同じ構成には同じ符号を付している。

図１に示すシリーズレギュレータ１の特徴とする点は、カソードが出力端子４２に接続されアノードがトランジスタ４３のエミッタに接続されるダイオード２と、カソードがトランジスタ４３のベースに接続されアノードがトランジスタ４３のエミッタと接続されるダイオード３（バイパス手段）とを備えている点である。なお、コンデンサ４８、４９は、シリーズレギュレータ１の外に設けられていてもよい。

上記ダイオード２は、図６に示すダイオード５７と同様に、電圧Ｖｉｎがゼロボルトに急減するなどしてエネルギーが回生するときに、ダイオード２のカソードとトランジスタ４３のベースとの間にかかる電圧Ｖｏをダイオード２の逆電圧Ｖｄｒ分降下させ、トランジスタ４３のエミッタ−ベース間にかかる電圧Ｖｅｂを抑えるものである。すなわち、上記ダイオード２は、エネルギーが回生するときに、シリーズレギュレータ１の出力端子４２からトランジスタ４３のエミッタへ流れる電流を制限することにより、トランジスタ４３のエミッタ−ベース間に流れる電流を低減しトランジスタ４３のエミッタ−ベース間にかかる電圧Ｖｅｂを抑えるものである。

上記ダイオード３は、エネルギーが回生するときに、ダイオード２により抑えられたトランジスタ４３のエミッタ−ベース間の電圧Ｖｅｂがトランジスタ４３のエミッタ−ベース間の耐圧（一般には５〜６Ｖ）より大きくならないように、トランジスタ４３のエミッタ−ベース間の電圧Ｖｅｂをダイオード３の順電圧Ｖｄｆ（約０．７Ｖ）にクランプさせるものである。すなわち、上記ダイオード３は、エネルギーが回生するときに、トランジスタ４３のエミッタ−ベース間にかかる電圧Ｖｅｂがトランジスタ４３のエミッタ−ベース間の耐圧以下になるように、トランジスタ４３のエミッタ−ベース間に流れる電流の一部をバイパスさせるものである。

このように、本実施形態のシリーズレギュレータ１は、上記ダイオード２によりエネルギーが回生するときに出力端子４２からトランジスタ４３のエミッタへ流れる電流を制限しているため、トランジスタ４３のエミッタ−ベース間に流れる電流を制限してトランジスタ４３のエミッタ−ベース間にかかる電圧Ｖｅｂを抑えることができる。また、上記ダイオード２により抑えられたトランジスタ４３のエミッタ−ベース間の電圧Ｖｅｂを上記ダイオード３によりトランジスタ４３のエミッタ−ベース間の耐圧以下にさせてトランジスタ４３の破損を回避している。従って、本実施形態のシリーズレギュレータ１は、ダイオード２やダイオード３という簡単な構成で、エネルギーが回生するときのトランジスタ４３の破損を回避することができる。

なお、上記ダイオード２として、例えば、ＰＮ接合形ダイオードまたはショットキーバリアダイオードを使用することが考えられる。
上記ＰＮ接合形ダイオードとは、例えば、図２（ａ）に示すＰＮ接合形ダイオード４のように、Ｎ型シリコン基板５の表面にＰ層６が形成されることにより構成されるダイオードであり、Ｎ型シリコン基板５側がカソード端子となり、Ｐ層６側がアノード端子となる。

また、上記ショットキーバリアダイオードとは、例えば、図２（ｂ）に示すショットキーバリアダイオード７のように、シリコン基板８の表面に金属１０を接触させ、シリコンと金属との電位障壁を利用したダイオードである。シリコン基板８側がカソード端子となり、金属１０側がアノード端子となる。

一般に、ショットキーバリアダイオード７はＰＮ接合形ダイオード４に比べてカソード−アノード間にかかる順電圧Ｖｄｆ（ダイオードのアノードからカソードへ順電流Ｉｄｆが流れているときにそのダイオードにかかる電圧）が小さい。そのため、図１に示すシリーズレギュレータ１のダイオード２として、ショットキーバリアダイオード７を使用する場合は、通常時（シリーズレギュレータ１が電圧Ｖｉｎを電圧Ｖｏに変換して出力しているとき）のシリーズレギュレータ１の損失を抑えることができたり、電圧Ｖｏの低下に伴う電圧Ｖｉｎの上昇を抑えることができる。

また、一般に、ショットキーバリアダイオード７はＰＮ接合形ダイオード４に比べて逆電流Ｉｄｒが大きい。そのため、ダイオード２としてショットキーバリアダイオード７を使用する場合、ダイオード２としてＰＮ接合形ダイオード４を使用する場合に比べて、エネルギーが回生するときにトランジスタ４３のエミッタ−ベース間にかかる電圧Ｖｅｂが大きくなってしまうが、本実施形態のシリーズレギュレータ１では、ダイオード３によりトランジスタ４３のエミッタ−ベース間の電圧を約０．７Ｖにクランプする構成であるため、ダイオード２としてショットキーバリアダイオード７を使用してもエネルギーが回生するときにトランジスタ４３のエミッタ−ベース間に耐圧を超える電圧がかからないようにすることができる。

従って、図１に示すシリーズレギュレータ１において、ダイオード２をショットキーバリアダイオード７とする構成は、エネルギーが回生するときにトランジスタ４３のエミッタ−ベース間に耐圧を超える電圧がかからないようにすることができると共に、通常時のシリーズレギュレータ１の損失や電圧Ｖｉｎの上昇を抑えることができる。

なお、上記実施形態では、トランジスタ４３のエミッタ−ベースにダイオード３を並列接続する構成であるが、トランジスタ４３のエミッタ−ベースに抵抗を並列接続してもよい。

図３は、トランジスタ４３のエミッタ−ベースに抵抗１２（バイパス手段）を並列接続したときのシリーズレギュレータ１を示す図である。なお、図１に示す構成と同じ構成には同じ符号を付している。

図３に示すシリーズレギュレータ１は、電圧Ｖｉｎがゼロボルトに急減するなどしてエネルギーが回生するときに、トランジスタ４３のエミッタ−ベース間に流れる電流の一部を抵抗１２によりバイパスさせることにより、ダイオード２に逆電流Ｉｄｒを流しダイオード２に逆電圧Ｖｄｒがかかるようにしたものである。なお、抵抗１２の抵抗値は、エネルギーが回生するときに、トランジスタ４３のエミッタ−ベース間にかかる電圧Ｖｅｂがトランジスタ４３のエミッタ−ベース間の耐圧以下になるように設定されるものとする。

これにより、トランジスタ４３のエミッタ−ベースにダイオード３を並列接続する構成と同様に、エネルギーが回生するときに、トランジスタ４３が破損することを回避することができる。

また、図１に示すシリーズレギュレータ１の入力端子４１や図３に示すシリーズレギュレータ１の入力端子４１は、図４に示す構成と同様に、システム５２（別のシステム）の入力端子と並列接続されていてもよい。例えば、負荷５０をＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）とし、システム５２をコンバータ回路とし、上記ＩＣの制御により上記コンバータ回路が駆動するように構成してもよい。

本実施形態のシリーズレギュレータ１では、例えば、電圧Ｖｉｎがゼロボルトに急減すると、コンデンサ４９に蓄積されるエネルギーがダイオード２、３（または抵抗１２）やトランジスタ４３などを介してコンデンサ４８に回生されるため、コンデンサ４８に回生されるエネルギーを抑えることができる。これにより、シリーズレギュレータ１の入力端子４１がシステム５２の入力端子と並列接続されていても、このシリーズレギュレータ１からシステム５２へ推移する回生エネルギーが抑えられているので、システム５２への電力供給の停止要求時におけるシステム５２の動作継続を抑えることができる。

また、上記実施形態では、電源５３が正の電力を供給する正電源である場合のシリーズレギュレータ１を示しているが、電源５３が負の電力を供給する負電源である場合はシリーズレギュレータ１のトランジスタ４３をＮＰＮトランジスタからＰＮＰトランジスタに変更し、シャントレギュレータ４７やダイオード２、３のそれぞれの接続方向（カソード、アノード）を反対にする。

また、上記実施形態では、トランジスタ４３のベース電流をシャントレギュレータ４７などにより制御する構成であるが、カソードがトランジスタ４３のベースに接続されアノードがマイナス側の入力端子４１に接続されるツェナーダイオードなどによりトランジスタ４３のベース電流を制御するように構成してもよい。

本発明の実施形態のシリーズレギュレータを示す図である。 （ａ）は、ＰＮ接合形ダイオードの一例を示す図である。（ｂ）は、ショットキーバリアダイオードの一例を示す図である。 本発明の他の実施形態のシリーズレギュレータを示す図である。 既存のシリーズレギュレータを示す図である。 既存のシリーズレギュレータを示す図である。 既存のシリーズレギュレータを示す図である。

符号の説明

１ シリーズレギュレータ
２ ダイオード
３ ダイオード
４ ＰＮ接合形ダイオード
５ Ｎ型シリコン基板
６ Ｐ層
７ ショットキーバリアダイオード
８ シリコン基板
１０ 金属
１２ 抵抗
４０ シリーズレギュレータ
４１ 入力端子
４２ 出力端子
４３ トランジスタ
４４ 抵抗
４５ 抵抗
４６ 抵抗
４７ シャントレギュレータ
４８ コンデンサ
４９ コンデンサ
５０ 負荷
５１ システム
５２ システム
５３ 電源
５４ ダイオード
５５ スイッチ
５６ ＳＷドライバ
５７ ダイオード

Claims (3)

1. トランジスタのベース電流を制御することにより入力端子から入力される電圧をある電圧に変換して出力端子から出力するシリーズレギュレータであって、
   前記出力端子と前記トランジスタのエミッタとの間に設けられ、エネルギーが回生するときに前記出力端子とトランジスタのエミッタとの間に流れる電流を制限する第１のダイオードと、
   前記出力端子と前記第１のダイオードとの間に設けられるコンデンサと、
   前記トランジスタのエミッタ−ベースに並列接続され、エネルギーが回生するときに前記トランジスタのエミッタ−ベース間にかかる電圧が前記トランジスタのエミッタ−ベース間の耐圧以下になるように前記トランジスタのエミッタ−ベース間に流れる電流の一部をバイパスさせる第２のダイオードと、
   を備えることを特徴とするシリーズレギュレータ。
2. 請求項１に記載のシリーズレギュレータであって、
   前記入力端子は、当該シリーズレギュレータを備えるシステムとは別のシステムの入力端子に並列接続される、
   ことを特徴とするシリーズレギュレータ。
3. 請求項１に記載のシリーズレギュレータであって、
   前記第１のダイオードは、ＰＮ接合形ダイオードまたはショットキーバリアダイオードである、
   ことを特徴とするシリーズレギュレータ。
   

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