JP7420738B2 - リニア電源 - Google Patents
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Description
まず、リニア電源に関する新規な実施形態(第1~第8実施形態)の説明に先立ち、それらと対比される比較例について簡単に説明しておく。図1は、リニア電源の比較例を示す図である。本比較例のリニア電源1は、出力トランジスタ10と、分圧部20と、ドライバ30と、基準電圧調整部40と、を有し、入力電圧VINを降圧して所望の出力電圧VOUTを生成する。入力電圧VINは、不図示のバッテリなどから供給されており、その安定度は必ずしも高くない。出力電圧VOUTは、後段の負荷2(=二次電源やマイコンなど)に供給されている。リニア電源1は、例えば、IC内蔵の基準電圧源として用いることができる。
上記した基準電圧調整機能の導入意義を説明するに先立ち、基準電圧VREFが固定値である場合の入力過渡応答特性について簡単に説明する。
次に、基準電圧VREFが可変値である場合の入力過渡応答特性について説明する。
ところで、図2及び図3では言及しなかったが、出力トランジスタ10は、そのフルオン時でもオン抵抗値RONを持つので、そのドレイン・ソース間には、出力電流IOUTに応じたドレイン・ソース間電圧Vds(=IOUT×RON)が不可避的に生じる。
図5は、リニア電源の第1実施形態を示す図である。本実施形態のリニア電源1は、先出の比較例(図1)をベースとしつつ、電流検出部50をさらに有する。なお、本図では可変電圧源43を単一の回路記号で略記しているが、その内部構成は図1の通りである。
図10は、リニア電源の第2実施形態を示す図である。本実施形態のリニア電源1は、先出の第1実施形態(図5)をベースとしつつ、基準電圧調整部40に代えて、定電圧源60と帰還電圧調整部70が設けられている。
図11は、リニア電源の第3実施形態を示す図である。本実施形態のリニア電源1は、先出の第1実施形態(図5)をベースとしつつ、入力電圧VINから分圧入力電圧VIN2を生成する分圧部20aをさらに有する。そして、基準電圧調整部40への差動入力信号としては、入力電圧VINに代えて分圧入力電圧VIN2が入力されており、出力電圧VOUTに代えて基準電圧VREFが入力されている。また、本図では、可変電圧源43として、比較例(図1)と同様の回路要素(NMOSFET43a及び抵抗43b)が描写されている。
図12は、リニア電源の第4実施形態を示す図である。本実施形態のリニア電源1は、先出の第3実施形態(図11)をベースとしつつ、幾つかの変更が加えられている。
図13は、リニア電源の第5実施形態を示す図である。本実施形態のリニア電源1は、先出の第2実施形態(図10)をベースとしつつ、幾つかの変更が加えられている。
図14は、リニア電源の第6実施形態を示す図である。本実施形態のリニア電源1は、先出の第4実施形態(図12)をベースとしつつ、オフセット付与部41aに代えて抵抗25(抵抗値:R5)を有する。なお、抵抗25は、分圧部20aの構成要素として、入力電圧VINの印加端と抵抗23との間に接続されている。また、電流検出部50では、分圧入力電圧VINの出力端(=抵抗23及び24相互間の接続ノード)から接地端に向けてミラー電流I55が引き込まれている。
図15は、リニア電源の第7実施形態を示す図である。本実施形態のリニア電源1は、先出の第4実施形態(図12)をベースとしつつ、幾つかの変更が加えられている。
図16はリニア電源の第8実施形態を示す図である。本実施形態のリニア電源1では、先出の第3実施形態(図11)をベースとしつつ、基準電圧調整部40のNMOSFET43aがPMOSFET43dに置換されている。なお、PMOSFET43dに流れるソース電流I43dは、制御信号S43が高いほど小さくなり、制御信号S43が低いほど大きくなる。
なお、これまでに説明してきた第1~第8実施形態は、矛盾のない限り、適宜組み合わせて実施しても構わない。例えば、第4実施形態(図12)、第6実施形態(図14)、若しくは、第7実施形態(図15)において、NMOSFET43aをPMOSFET43dに置換すると共に、差動アンプ42の入力極性を反転させても構わない。
図17は、リニア電源の第1比較例を示す図である。第1比較例のリニア電源101は、出力トランジスタ110と、分圧部120と、アンプ130と、基準電圧生成部140と、を有し、入力電圧VINを降圧して所望の出力電圧VOUTを生成する。入力電圧VINは、不図示のバッテリなどから供給されており、その安定度は必ずしも高くない。出力電圧VOUTは、後段の負荷102(=二次電源やマイコンなど)に供給されている。リニア電源101は、例えば、IC内蔵の基準電圧源として用いることができる。
図18は、第1比較例の入力過渡応答特性を示す図である。なお、本図上段には、入力電圧VINと出力電圧VOUTとの関係が示されており、本図下段には、入力電圧VINとゲート信号G10との関係が示されている。
図19は、リニア電源の第2比較例を示す図である。第2比較例のリニア電源101は、出力トランジスタ110と、分圧部120と、アンプ131及び132と、基準電圧生成部140と、オフセット付与部150と、ゲート駆動部160と、を有し、入力電圧VINを降圧して所望の出力電圧VOUTを生成する。なお、既出の構成要素については、図17と同一の符号を付すことにより重複した説明を割愛する。
図20は、第2比較例(軽負荷領域)の入力過渡応答特性を示す図である。なお、先出の図18と同じく、本図上段には、入力電圧VINと出力電圧VOUTとの関係が示されており、本図下段には、入力電圧VINとゲート信号G10との関係が示されている。
ところで、図18及び図20では言及しなかったが、出力トランジスタ110は、そのフルオン時でもオン抵抗値RONを持つので、そのドレイン・ソース間には、出力電流IOUTに応じたドレイン・ソース間電圧Vds(=IOUT×RON)が不可避的に生じる。
図22は、リニア電源の第9実施形態を示す図である。本実施形態のリニア電源101は、先出の第2比較例(図19)を基本としつつ、電流検出部170をさらに有する。
図23は、リニア電源の第10実施形態を示す図である。本実施形態のリニア電源101は、先出の第9実施形態(図22)を基本としつつ、出力電圧VOUTにオフセットを与えるオフセット付与部150に代えて、入力電圧VINにオフセットを与えるオフセット付与部150aが設けられている。
図24は、リニア電源の第11実施形態を示す図である。本実施形態のリニア電源101は、先出の第9実施形態(図22)を基本としつつ、入力電圧VINから分圧入力電圧VIN2を生成する分圧部120aをさらに有する。そして、アンプ132には、入力電圧VINに代えて分圧入力電圧VIN2が入力されており、出力電圧VOUTに代えて帰還電圧VFBが入力されている。従って、オフセット付与部150では、出力電圧VOUTではなく、帰還電圧VFBがオフセット電圧Voffsetだけ高電位側にシフトされている。すなわち、アンプ132の反転入力端(-)には、オフセット済みの帰還電圧(=VFB+Voffset)が入力されている。
図25は、リニア電源の第12実施形態を示す図である。本実施形態のリニア電源101は、先出の第9実施形態(図22)を基本としつつ、ゲート駆動部160の構成に変更が加えられている。より具体的に述べると、ゲート駆動部160は、PMOSFET161及び162に代えて、pnp型バイポーラトランジスタ165及び166を含む。
図26は、リニア電源の第13実施形態を示す図である。本実施形態のリニア電源101は、先出の第9実施形態(図22)を基本としつつ、ゲート駆動部160の構成に変更が加えられている。より具体的に述べると、ゲート駆動部160は、PMOSFET161及び162と電流源163に代えて、NMOSFET167及び168と電流源169を含む。
図27は、リニア電源の第14実施形態を示す図である。本実施形態のリニア電源101は、先出の第9実施形態(図22)を基本としつつ、電流検出部170の具体的な構成要素の一つとして、PMOSFET171(=センストランジスタ)が描写されている。PMOSFET171のソース及びゲートは、それぞれ、出力トランジスタ110のソース及びゲートに接続されている。そのため、PMOSFET171のドレインには、出力電流IOUTに応じたセンス電流I71が流れる。なお、出力トランジスタ110とPMOSFET171のサイズ比がm:1(ただしm>1)である場合、上記のセンス電流I71は、出力電流IOUTの1/mとなる。
図28は、リニア電源の第15実施形態を示す図である。本実施形態のリニア電源101は、先の第14実施形態(図27)を基本としつつ、電流検出部170の構成に変更が加えられている。具体的に述べると、電流検出部170は、NMOSFET175及び176に代えて、NMOSFET177と、アンプ178と、抵抗179及び17A(抵抗値Rx及びRy)を含む。
なお、これまでに説明してきた91~第15実施形態は、矛盾のない限り、適宜組み合わせて実施しても構わない。例えば、第12実施形態(図25)、第13実施形態(図26)、第14実施形態(図27)、若しくは、第15実施形態(図28)において、オフセット付与部150ではなくオフセット付与部150a(第10実施形態)を設けてもよいし、或いは、分圧部120a(第11実施形態)を追加してもよい。
以下では、本明細書中に開示されている種々の実施形態について、総括的に述べる。
図29は、車両Xの外観図である。本構成例の車両Xは、不図示のバッテリから電源電圧の供給を受けて動作する種々の電子機器X11~X18を搭載している。本図における電子機器X11~X18の搭載位置は、図示の便宜上、実際とは異なる場合がある。
なお、本明細書中に開示されている種々の技術的特徴は、上記実施形態のほか、その技術的創作の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることが可能である。すなわち、上記実施形態は、全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきであり、本発明の技術的範囲は、上記実施形態の説明ではなく、特許請求の範囲によって示されるものであり、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内に属する全ての変更が含まれると理解されるべきである。
2 負荷
10 出力トランジスタ(PMOSFET)
20、20a 分圧部
21、22、23、24、25 抵抗
30 ドライバ
40 基準電圧調整部
41、41a オフセット付与部
42 差動アンプ
43 可変電圧源
43a NMOSFET
43b、43c 抵抗
43d PMOSFET
50 電流検出部
51 PMOSFET
52、53 PMOSFET
54 電流源
55、56 NMOSFET
60 定電圧源
70 帰還電圧調整部
71、71a オフセット付与部
72 差動アンプ
73 可変電圧源
73a PMOSFET
101 リニア電源
102 負荷
110 出力トランジスタ(PMOSFET)
120、120a 分圧部
121、122、123、124 抵抗
130、131、132 アンプ
140 基準電圧生成部
150、150a オフセット付与部
160 ゲート駆動部
161、162 PMOSFET
163 電流源
164 抵抗
165、166 pnp型バイポーラトランジスタ
167、168 NMOSFET
169 電流源
170 電流検出部
171、172、173 PMOSFET
174 電流源
175、176、177 NMOSFET
178 アンプ
179、17A 抵抗
X 車両
X11~X18 電子機器
Claims (20)
- 入力電圧の入力端と出力電圧の出力端との間に接続された出力トランジスタと、
前記出力電圧に応じた帰還電圧が基準電圧と一致するように前記出力トランジスタを駆動するドライバと、
前記出力トランジスタに流れる出力電流を検出する電流検出部と、
前記入力電圧に応じた第1電圧と前記出力電圧または前記基準電圧に応じた第2電圧との差分電圧が前記出力電流に応じたオフセット電圧を下回らないように前記基準電圧または前記帰還電圧を調整する電圧調整部と、
を有する、リニア電源。 - 前記出力電流をIOUTとし、前記出力トランジスタのフルオン状態におけるオン抵抗値をRONとし、前記オフセット電圧をVoffsetとして、前記オフセット電圧は、全ての負荷領域でIOUT×RON<Voffsetを満たすように可変制御される、請求項1に記載のリニア電源。
- 前記オフセット電圧は、前記リニア電源で規定されている最低入出力間電圧差よりも低い電圧値に設定されている、請求項1または2に記載のリニア電源。
- 前記電圧調整部は、前記差分電圧が前記オフセット電圧よりも高いときには前記基準電圧を定常値に保持する一方、前記差分電圧が前記オフセット電圧まで低下したときには前記差分電圧がさらに低下しないように前記基準電圧を前記定常値から引き下げる、請求項1~3のいずれか一項に記載のリニア電源。
- 前記電圧調整部は、前記差分電圧が前記オフセット電圧よりも高いときには前記帰還電圧をそのまま前記ドライバに伝える一方、前記差分電圧が前記オフセット電圧まで低下したときには前記差分電圧がさらに低下しないように前記帰還電圧を引き上げて前記ドライバに伝える、請求項1~3のいずれか一項に記載のリニア電源。
- 前記電圧調整部は、
前記第2電圧を前記オフセット電圧分だけ高電位側にシフトするオフセット付与部と、
前記第1電圧とオフセット済みの前記第2電圧が差動入力される差動アンプと、
前記差動アンプの出力信号に基づいて前記基準電圧または前記帰還電圧を調整する可変電圧源と、
を含む、請求項1~5のいずれか一項に記載のリニア電源。 - 前記電圧調整部は、
前記第1電圧を前記オフセット電圧分だけ低電位側にシフトするオフセット付与部と、
前記第2電圧とオフセット済みの前記第1電圧が差動入力される差動アンプと、
前記差動アンプの出力信号に基づいて前記基準電圧または前記帰還電圧を調整する可変電圧源と、
を含む、請求項1~5のいずれか一項に記載のリニア電源。 - 前記可変電圧源は、前記差動アンプの出力信号に基づいて導通度が制御されるトランジスタを含み、前記トランジスタに流れる電流に応じて前記基準電圧または前記帰還電圧を調整する、請求項6または7に記載のリニア電源。
- 前記出力電圧の印加端と接地端との間に直列接続されて相互間の接続ノードから前記帰還電圧を出力する第1抵抗及び第2抵抗と、
前記入力電圧の印加端と接地端との間に直列接続されて相互間の接続ノードから前記第1電圧を出力する第3抵抗及び第4抵抗と、
をさらに有し、
前記第1抵抗の抵抗値をR1とし、前記第2抵抗の抵抗値をR2とし、前記第3抵抗の抵抗値をR3とし、前記第4抵抗の抵抗値をR4として、R1:R2=R3:R4を満たす、請求項1~8のいずれか一項に記載のリニア電源。 - 前記出力電圧の印加端と接地端との間に直列接続されて相互間の接続ノードから前記帰還電圧を出力する第1抵抗及び第2抵抗と、
前記入力電圧の印加端と接地端との間に直列接続されて相互間の接続ノードから前記第1電圧を出力する第3抵抗及び第4抵抗と、
前記入力電圧の印加端と前記第1抵抗との間に接続された第5抵抗と、
をさらに有し、
前記第1抵抗の抵抗値をR1とし、前記第2抵抗の抵抗値をR2とし、前記第3抵抗の抵抗値をR3とし、前記第4抵抗の抵抗値をR4として、R1:R2=R3:R4を満たしており、
前記電流検出部は、前記出力電流に応じた電流を前記第1電圧の出力端から接地端に向けて引き込む、請求項7に記載のリニア電源。 - 入力電圧の入力端と出力電圧の出力端との間に接続された出力トランジスタと、
前記出力電圧またはこれに応じた電圧と所定の基準電圧との差分を増幅して第1駆動信号を生成する第1アンプと、
前記入力電圧またはこれに応じた電圧と前記出力電圧またはこれに応じた電圧との差分を増幅して第2駆動信号を生成する第2アンプと、
前記第1及び第2駆動信号に応じて前記出力トランジスタを駆動する駆動部と、
前記出力トランジスタに流れる出力電流を検出して制御信号を生成する電流検出部と、
前記制御信号に応じたオフセット電圧を前記第2アンプに与えるオフセット付与部と、
を有することを特徴とするリニア電源。 - 前記出力電流をIOUTとし、前記出力トランジスタのフルオン状態におけるオン抵抗値をRONとし、前記オフセット電圧をVoffsetとして、前記オフセット電圧は、全ての負荷領域でIOUT×RON<Voffsetを満たすように可変制御される、請求項11に記載のリニア電源。
- 前記オフセット電圧は、前記リニア電源で規定されている最低入出力間電圧差よりも低い電圧値に設定されている、請求項11または12に記載のリニア電源。
- 前記オフセット付与部は、前記出力電圧またはこれに応じた電圧を前記オフセット電圧分だけ高電位側にシフトしてから前記第2アンプに出力する、請求項11~13のいずれか一項に記載のリニア電源。
- 前記オフセット付与部は、前記入力電圧またはこれに応じた電圧を前記オフセット電圧分だけ低電位側にシフトしてから前記第2アンプに出力する、請求項11~13のいずれか一項に記載のリニア電源。
- 前記出力電圧の出力端と接地端との間に直列接続されて相互間の接続ノードから前記第2アンプに向けて分圧出力電圧を出力する第1及び第2抵抗と、
前記入力電圧の入力端と接地端との間に直列接続されて相互間の接続ノードから前記第2アンプに向けて分圧入力電圧を出力する第3及び第4抵抗と、
をさらに有し、
前記第1~第4抵抗の各抵抗値をR1、R2、R3、及び、R4として、R1:R2=R3:R4を満たす、請求項11~15のいずれか一項に記載のリニア電源。 - 前記駆動部は、前記入力電圧の入力端と前記出力トランジスタの制御端との間に並列接続されてそれぞれ前記第1及び第2駆動信号により駆動される第1及び第2トランジスタを含む、請求項11~16のいずれか一項に記載のリニア電源。
- 前記駆動部は、前記出力トランジスタの制御端と接地端との間に直列接続されてそれぞれ前記第1及び第2駆動信号により駆動される第1及び第2トランジスタを含む、請求項11~16のいずれか一項に記載のリニア電源。
- 前記電流検出部は、前記出力電流に応じたセンス電流を生成するセンストランジスタを含み、前記センス電流またはこれに応じた電流信号を前記制御信号として前記オフセット付与部に出力する、請求項11~18のいずれか一項に記載のリニア電源。
- 前記電流検出部は、前記センストランジスタ及び前記出力トランジスタの出力ノード電圧を一致させるバイアス手段をさらに含む、請求項19に記載のリニア電源。
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