JP5027189B2

JP5027189B2 - 電源レギュレータ

Info

Publication number: JP5027189B2
Application number: JP2009140435A
Authority: JP
Inventors: ラスズロ・リプセイ; セルバン・ミハイ・ポペスク
Original assignee: オーツーマイクロ，インコーポレーテッド
Priority date: 2008-06-12
Filing date: 2009-06-11
Publication date: 2012-09-19
Anticipated expiration: 2029-06-11
Also published as: US8143872B2; TW201001118A; CN101609347B; US20090309562A1; TWI380150B; US8570013B2; CN101609347A; US20120206120A1; JP2009301551A

Description

本出願は、電源レギュレータ(POWER REGULATOR)に関するものであって、２００８年６月１２日出願の米国仮出願第６１／１３１，７８８号に対する優先権を主張するものであり、その内容は、参照することにより本願にそのまま組み込まれる。

携帯電話、ラップトップ、カメラレコーダ、及び他の携帯型バッテリ駆動式の装置のような、電子装置またはシステムは、比較的高精度で安定的なＤＣ電圧を供給するために、低ドロップアウト(LDO; Low Drop-Out)電圧レギュレータを備える。ＬＤＯ電圧レギュレータは、電子装置／システムにおける電気回路に電力を供給するように構成される。

図１は、従来のＬＤＯ電圧レギュレータ１００を示す。このＬＤＯ電圧レギュレータ１００は、伝送デバイス(a pass device)１０２、誤差増幅器(an error amplifier)１０４、基準電圧回路(a reference voltage circuit)１０６、および帰還回路１０８を備える。ＬＤＯ電圧レギュレータ１００は、入力電圧Ｖ_INを所定レベルの出力電圧Ｖ_OUTに変換して、電源(a power supply)として機能する。また、ＬＤＯ電圧レギュレータ１００は、ＬＤＯ電圧レギュレータ１００の安定性を改善するために補償回路(a compensation circuit)１３０を備えることができる。

しかしながら、誤差増幅器１０４及び基準電圧回路１０６は、安定的ではない入力電圧Ｖ_INにより駆動／給電される。従って、ＬＤＯ電圧レギュレータ１００は、比較的低い電源除去比(PSRR; Power Supply Rejection Ratio)を有する。レギュレータの電源除去比は、レギュレータの供給電圧の変化と、対応する出力電圧の変化との比として定義される。加えて、誤差増幅器１０４の利得は、入力電圧Ｖ_INの変動によって生じる伝送デバイス１０２の特性変化を補償するのに十分に高い利得である必要がある。

一実施形態において、入力電圧を出力電圧に変換するための電源レギュレータは、伝送デバイス、基準信号回路、及び誤差増幅器を備える。上記伝送デバイスは、上記入力電圧を取り込んで、電源レギュレータの出力端子に出力電圧を供給する。上記出力端子に接続された基準信号回路は、上記出力電圧によって給電されて基準信号を供給する。上記伝送デバイスに接続された誤差増幅器は、上記出力電圧によって給電されて、該出力電圧を示す帰還信号と上記基準信号とを比較する。上記誤差増幅器は、上記伝送デバイスを駆動するために、上記比較の結果に従って制御信号を生成する。

請求項に係る本発明の実施形態の特徴と利点は、図面の参照と共に後述の詳細な説明により明らかになるであろう。ここで図面において同じ番号は同じ要素を表している。

従来のＬＤＯ電圧レギュレータを示すブロック図である。本発明の一実施形態による電源レギュレータを示すブロック図である。本発明の一実施形態による電源レギュレータの詳細なブロック図である。本発明の一実施形態による入力電圧を出力電圧に変換するための方法を示すフローチャートである。

本発明の幾つかの実施形態を詳細に説明する。本発明は、これらの実施形態に従って説明されるが、これらは、本発明をこれらの実施形態に限定することを意図するものではない。それどころか、本発明は、代替、変形および等価なものに及び、それらは、添付の特許請求の範囲に規定される本発明の範囲および精神に含まれる。

また、以下の本発明の詳細な説明において、多数の特定の詳細は、本発明の完全な理解を提供する目的で述べられる。しかしながら、当業者であれば、これらの特定の詳細を用いずに本発明を実施し得ることが分かる。他の例では、本発明の態様をいたずらに分かりにくくしないために、公知の方法、手順、構成要素、及び回路については詳細に説明していない。

本発明による実施形態は、比較的高い電源除去比（ＰＳＲＲ）を有することができる電源レギュレータを提供する。有利には、電源レギュレータにおける誤差増幅器と、この誤差増幅器に基準信号を供給するための基準信号回路は、電源レギュレータの出力電圧によって給電される。その結果、電源レギュレータの入力電圧の変動によって生じる幾つかの欠点を除去することができ、電源レギュレータが比較的高い電源除去比を維持することができる。

図２は、本発明の一実施形態による電源レギュレータ２００を示す。この電源レギュレータ２００は、例えば低ドロップアウト電圧レギュレータであり、入力電圧（すなわち電源電圧）Ｖ_INを出力電圧Ｖ_OUTに変換することができる。図２の実施形態では、電源レギュレータ２００は、起動回路(start-up circuit)２１０、伝送デバイス２０２、誤差増幅器２０４、基準信号回路２０６、及び帰還回路２０８を備える。また、電源レギュレータ２００は、補償回路２３０を更に備えることができる。

伝送デバイス２０２は、入力電圧Ｖ_INを取り込むためのレギュレータ２００の入力端子２６２に接続され、このレギュレータ２００の出力端子２６８に出力電圧Ｖ_OUTを供給する。出力電圧Ｖ_OUTは、電源レギュレータ２００の構成要素または外部負荷（図示なし）に給電するために使用される。伝送デバイス２０２は、出力電圧Ｖ_OUTを供給するのに制御可能な能動素子である。伝送デバイス２０２は、パワートランジスターを含むことができる。一実施形態において、伝送デバイス２０２は、起動回路２１０からの起動信号２２４、または誤差増幅器２０４からの制御信号２２２により選択的(selectively)に制御可能となっている。更に詳しくは、伝送デバイス２０２は、レギュレータ２００の起動期間では起動信号２２４によって制御され、レギュレータ２００の通常動作期間では制御信号２２２によって制御される。

帰還回路２０８は、出力端子２６８に接続され、出力電圧Ｖ_OUTを示す帰還信号２２６を生成するためのものである。出力端子２６８に接続された基準信号回路２０６は、出力電圧Ｖ_OUTによって給電されて基準信号２２８を供給する。或いは、基準信号２２８は、外部装置によって供給されてもよい。伝送デバイス２０２に接続された誤差増幅器２０４は、出力電圧Ｖ_OUTによって給電され、帰還信号２２６を基準信号２２８と比較し、そして、伝送デバイス２０２を駆動するために上記比較の結果に従って制御信号２２２を生成する。帰還回路２０８、誤差増幅器２０４、及び伝送デバイス２０２は、出力端子２６８での比較的高精度で安定的な出力電圧Ｖ_OUTを生成するための負帰還ループとして共に形成される。

補償回路２３０は、出力電圧Ｖ_OUTの変動(variation)を補償(compensate)するために使用されることができる。この出力電圧Ｖ_OUTの変動は、伝送デバイス２０２の特性変化によって引き起こされ、それは入力電圧Ｖ_INの変動に起因している。

有利には、誤差増幅器２０４および基準信号回路２０６は、出力電圧Ｖ_OUTによって給電される。出力電圧Ｖ_OUTは、伝送デバイス２０２が適切に動作していれば、適切に発生される。有利には、起動回路２１０は、レギュレータ２００の起動期間で伝送デバイス２０２を駆動するために使用されることができる。一実施形態において、起動回路２１０は、レギュレータ２００の起動期間で有効化(enable)される。伝送デバイス２０２に接続された起動回路２１０は、一実施形態において、起動信号２２４を発生させるために、入力電圧Ｖ_INによって給電される。起動信号２２４は、出力電圧Ｖ_OUTを発生させるために、伝送デバイス２０２を駆動することができる。出力電圧Ｖ_OUTが、誤差増幅器２０４および基準信号回路２０６を有効化することが可能な或るレベルに到達すると、レギュレータ２００は通常モードで動作することができる。

一旦、レギュレータ２００が通常モードで動作すると、起動回路２１０を無効化(disable)するために、起動無効化信号(start-up disable signal)２２０が起動回路２１０に出力される。一実施形態において、起動回路２１０を無効化するために、誤差増幅器２０４が起動無効化信号２２０を供給することができる。他の実施形態では、起動無効化信号２２０は、基準信号回路２０６によって供給されることができる。一実施形態において、レギュレータ２００の通常動作期間では、誤差増幅器２０４は、基準信号２２８と帰還信号２２６との差分を増幅し、伝送デバイス２０２を駆動するための制御信号２２２を発生させることができる。

このように、誤差増幅器２０４または基準信号回路２０６に給電する出力電圧Ｖ_OUTが所定の閾値を下回ったとき、例えば起動中または不足電圧(under-voltage)状態下で、起動回路２１０は有効化されることができる。誤差増幅器２０４および基準信号回路２０６が適切に動作すれば、例えば出力電圧Ｖ_OUTが所定の閾値を上回れば、起動回路２１０は無効化されることができる。

有利には、誤差増幅器２０４および基準信号回路２０６は、比較的安定的である出力電圧Ｖ_OUTによって給電される。その結果、一実施形態において、誤差増幅器２０４および基準信号回路２０６は、入力電圧Ｖ_INが変動しても、適切に動作することができる。従って、レギュレータ２００は、改善された電源除去比を有することができる。

図３は、本発明の一実施形態による電源ジェネレータ３００を示す。図３の実施形態では、電源レギュレータ３００は、伝送デバイス３０２、起動回路３１０、オペレーショナル・トランスコンダクタンス・アンプ(OTA; Operational Transconductance Amplifier)３０４、バンドギャップ(bandgap)基準回路３０６、帰還回路３０８、及びキャパシタ３３０を備える。

入力電圧Ｖ_INは、電源レギュレータ３００の入力端子３６２で、伝送デバイス３０２および起動回路３１０に印加される。出力電圧Ｖ_OUTおよび出力電流Ｉ_OUTは、電源レギュレータ３００の出力端子３６８に伝送デバイス３０２によって供給される。ＯＴＡ３０４およびバンドギャップ基準回路３０６は、出力電圧Ｖ_OUTによって給電される。出力端子３６８に接続されたキャパシタ３３０は、一実施形態において、補償回路として機能し、出力電圧Ｖ_OUTをフィルタリングすることができ、従って電源レギュレータ３００の安定性を改善する。

図３の実施形態では、起動回路３１０は、直列接続されたスイッチ３１２と定電流源(current generator)３１４を備えることができる。起動期間（例えば、Ｖ_OUTが所定の閾値を下回る期間）では、スイッチ３１２は、ターンオンされて、伝送デバイス３０２を駆動するために定電流源３１４によって起動電流Ｉ_STARTUP３２４が発生されることを可能にする。レギュレータ３００の通常動作の期間（例えば、Ｖ_OUTが所定の閾値を上回る期間）では、スイッチ３１２は、起動回路３１０を無効化(disable)するためにターンオフされる。

帰還回路３０８は、出力端子３６８とグランドとの間に直列接続された抵抗３４８および抵抗３５８を備えることができる。出力電圧Ｖ_OUTに比例する帰還電圧Ｖ_FBは、抵抗３４８と抵抗３５８との間のノードに発生される。帰還電圧Ｖ_FBは、一実施形態において、ＯＴＡ３０４に入力される。基準電圧Ｖ_REFは、一実施形態において、バンドギャップ基準回路３０６によって供給されて、ＯＴＡ３０４に入力されることができる。ＯＴＡ３０４は、制御電流Ｉ_CONTROLを発生させて、基準電圧Ｖ_REFと帰還電圧Ｖ_FBとの間の電圧差に基づいて伝送デバイス３０２を駆動することができる。

入力端子３６２に接続された伝送デバイス３０２は、ＰＭＯＳ３４２とＰＭＯＳ３５２から構成されたカレントミラーであることができる。一実施形態において、伝送デバイス３０２は、定電流源３１４からの起動電流Ｉ_STARTUPまたはＯＴＡ３０４からの制御電流Ｉ_CONTROLに基づいて出力端子３６８で出力電流Ｉ_OUT３２６を発生させることができる。カレントミラーのミラー比は予め定めることができる。

動作において、最初に電源レギュレータ３００が電源オンされると、起動回路３１０のスイッチ３１２がターンオンされる。従って、伝送デバイス３０２は、起動電流Ｉ_STARTUP３２４を受け取って、出力電流Ｉ_OUT３２６を発生させる。出力端子３６８での出力電流Ｉ_OUT３２６は、Ｋ＊Ｉ_STARTUPであり、ここで、Ｋはカレントミラーのミラー比である。出力電流Ｉ_OUT３２６でキャパシタ３３０を充電することにより、出力端子３６８での出力電圧Ｖ_OUTは、ＯＴＡ３０４及びバンドギャップ基準回路３０６を有効化させることが可能なレベルにまで上昇することができる。従って、ＯＴＡ３０４及びバンドギャップ基準回路３０６は適切に動作することができる。

一旦、ＯＴＡ３０４及びバンドギャップ基準回路３０６が適切に動作することができると、一実施形態において、起動無効化信号３２０が発生されてスイッチ３１２をターンオフさせ、従って起動回路３１０を無効化する。有利には、起動回路３１０は、一実施形態において、起動期間でＯＴＡ３０４及びバンドギャップ基準回路３０６を有効化することができ、そして、ＯＴＡ３０４及びバンドギャップ基準回路３０６が適切に動作すると、起動回路３１０は無効化されるであろう。

ＯＴＡ３０４は、一実施形態において、基準電圧Ｖ_REFと帰還電圧Ｖ_FBとの間の電圧差を増幅し、そして伝送デバイス３０２を駆動するために制御電流Ｉ_CONTROL３２２を発生させることができる。一実施形態において、カレントミラーによって発生される出力電流Ｉ_OUT３２６は、Ｋ＊Ｉ_CONTROLである。帰還回路３０８、ＯＴＡ３０４、及び伝送デバイス３０２は、所定のレベルに出力電圧Ｖ_OUTを制御するための負帰還ループとして構成される。

一実施形態において、制御電流Ｉ_CONTROL３２２及び起動電流Ｉ_STARTUP３２４は、最大値Ｉ_MAXに制限されることができる。従って、出力電流Ｉ_OUT３２６を、Ｋ＊Ｉ_MAXに制限することができる。

図４は、本発明の一実施形態による入力電圧を出力電圧に変換するための方法のフローチャートを示す。図４は、図２と組み合わせて説明される。

ブロック４０１では、基準信号回路２０６は、出力電圧Ｖ_OUTによって給電される。一実施形態において、起動期間では、入力電圧Ｖ_INによって給電される起動回路２１０は、有効化されて、出力電圧Ｖ_OUTを制御するために起動信号２２４を発生させることができる。

ブロック４０２では、基準信号２２８が基準信号回路２０６によって発生される。ブロック４０４では、誤差増幅器２０４が出力電圧Ｖ_OUTによって給電される。ブロック４０６では、誤差増幅器２０４によって、出力電圧Ｖ_OUTを示す帰還信号２２６と基準信号２２８との間の差分に基づいて制御信号２２２が発生される。

ブロック４０８では、出力電圧Ｖ_OUTは、制御信号２２２によって調整される。一実施形態において、制御信号２２２は、出力電圧Ｖ_OUTを調整するために伝送デバイス２０２を駆動することができる。一実施形態において、伝送デバイス２０２は、制御信号２２２及び起動信号２２４により選択的に制御されることができる。

上述の説明と図面は本発明の実施形態を表すが、添付の特許請求の範囲で規定された本発明の範囲および精神を逸脱することなく、種々の付加、変形、及び置き換えが可能であることが理解される。当業者であれば、本発明は、本発明の実施に使用される、形式、構成、配置、比率、材料、素子、および構成要素やその他の種々の変形と共に使用してもよく、とりわけ、それらは本発明の本質を逸脱することなく、特定の環境および動作条件に適合する。従って、上述の実施形態は、全ての点において例示的なものであって、添付の特許請求の範囲に示されている本発明の範囲と、その合法的均等物を制限するものではなく、また、上述の説明に限定されるものではない。

２００，３００；電源レギュレータ
２０２，３０２；伝送デバイス
２０４，３０４；誤差増幅器
２０６；基準信号回路
２０８，３０８；帰還回路
２１０，３１０；起動回路
２３０；補償回路
２６２，３６２；入力端子
２６８，３６８；出力端子
３０６；バンドギャップ基準回路
３４２，３５２；ＰＭＯＳ
３４８，３５８；抵抗
３３０；キャパシタ

Claims

入力電圧を出力電圧に変換するための電源レギュレータであって、
前記入力電圧を取り込んで、当該電源レギュレータの出力端子に前記出力電圧を供給する伝送デバイスと、
前記出力端子に接続されると共に前記出力電圧によって給電され、基準信号を供給するように作動する基準信号回路と、
前記伝送デバイスに接続されると共に前記出力電圧によって給電され、前記出力電圧を示す帰還信号と前記基準信号とを比較し、前記比較の結果に従って制御信号を発生させて前記伝送デバイスを駆動する誤差増幅器と
前記伝送デバイスに接続されると共に前記入力電圧によって給電され、起動信号を発生させるように作動する起動回路と、を備え、
前記伝送デバイスは、当該レギュレータの起動期間では前記起動信号によって駆動され、前記伝送デバイスは、当該レギュレータの通常動作期間では前記制御信号によって駆動され、
前記起動回路は、直列接続された電流源およびスイッチを備え、前記スイッチは、前記起動期間でターンオンされ、前記通常動作期間でターンオフされ、
前記誤差増幅回路は、前記比較の結果に基づいて起動無効化信号を出力し、
前記スイッチは、前記起動無効化信号を入力した場合にターンオフされる、電源レギュレータ。
前記電流源は前記起動信号として第１の電流を発生させ、
前記誤差増幅器は前記制御信号として第２の電流を発生させ、
前記第１の電流は前記起動期間において前記伝送デバイスへ伝導され、前記第２の電流は前記通常動作期間において前記伝送デバイスへ伝導される請求項１記載の電源レギュレータ。
前記伝送デバイスは、カレントミラーを備え、該カレントミラーは、前記電流源から入力電流を取り込んで、前記出力端子に出力電流を発生させるように作動する請求項１記載の電源レギュレータ。
前記カレントミラーは、前記起動期間において前記第１の電流に従って出力電流を前記出力端子に発生させ、前記通常動作期間において前記第２の電流に従って前記出力電流を発生させる請求項１記載の電源レギュレータ。
入力電圧を出力電圧に変換するための方法であって、
前記出力電圧により基準信号回路に給電するステップと、
前記基準信号回路により基準信号を発生させるステップと、
前記出力電圧により誤差増幅器に給電するステップと、
前記誤差増幅器により、前記出力電圧を示す帰還信号と前記基準信号との間の差分に基づき制御信号を発生させるステップと、
前記制御信号に従って前記出力電圧を調整するステップと、
前記入力電圧により給電される起動回路を有効化するステップと、
前記出力電圧を制御するために前記起動回路により起動信号を発生させるステップと、
前記起動信号と前記制御信号により伝送デバイスを選択的に制御するステップと、
前記誤差増幅器により、前記帰還信号と前記基準信号との間の差分に基づき起動無効化信号を発生させるステップと、
前記起動無効化信号が前記起動回路によって入力された場合に、前記起動回路を無効化するステップと、を含む方法。
前記起動信号として第１の電流を発せさせるステップと、
前記制御信号として第２の電流を発せさせるステップと、
前記第１の電流を起動期間において前記伝送デバイスへ伝導するステップと、
前記第２の電流を通常動作期間において前記伝送デバイスへ伝導するステップと、を更に含む請求項５記載の方法。
前記起動期間において出力端子の出力電流に前記第１の電流をミラーリングさせるステップと、
前記通常動作期間において前記出力端子の前記出力電流に前記第２の電流をミラーリングさせるステップと、
前記出力電流に従って前期出力電圧を発生させるステップと、を更に含む請求項６記載の方法。