KR100873253B1 - 전압 레귤레이터 - Google Patents

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Abstract

허용 손실을 초과하여 잘못 사용되는 등의 큰 손실로 사용되어도 그 특성이 저하하지 않고 레귤레이터가 파괴되지 않는 안정성이 높은 전압 레귤레이터를 제공하는 것이다. 본 발명의 전압 레귤레이터에는 손실이 증가할 때 출력 전압을 저하시키도록 기능하는 손실 검출 회로가 제공된다. 손실 검출 회로가 작동되면, 출력 전압은 강하하고 출력 전류는 감소하며, 이것에 의해 손실이 감소될 수 있다.

Description

전압 레귤레이터{VOLTAGE REGULATOR}
도 1은 본 발명의 전압 레귤레이터의 구성예를 나타내는 회로 블록도,
도 2는 종래의 전압 레귤레이터의 구성예를 나타내는 회로 블록도,
도 3는 본 발명의 전압 레귤레이터의 구성의 다른 예를 나타내는 회로 블록도,
도 4는 본 발명의 전압 레귤레이터의 구성의 또 다른 예를 나타내는 회로 블로도이다.
〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉
101, 201, 301, 401 : 전압 레귤레이터
102 : 입력 전압 단자 103 : GND 단자
104 : 출력 전압 단자 105, 305 : 기준 전압 회로
106 : 분압 회로 107 : 오차 증폭기 회로
108 : 출력 회로 109, 110 : 손실 검출 회로
309, 310, 409, 410 : 온도 검출 회로
401 : ON/OFF 단자
402 : 논리 회로
본 발명은 전압 레귤레이터에 관한 것이다.
종래의 전압 레귤레이터가 도 2를 참조하여 설명된다.
도 2는 종래의 전압 레귤레이터의 구성예를 나타내는 회로 블로도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 외부 단자, 즉, 입력 전압 단자(102), GND 단자(103) 및 출력 전압 단자(104)가 제공되는 전압 레귤레이터(201)는, 일정 전압을 출력할 수 있는 기준 전압 회로(105), 출력 전압 단자(104)의 전압을 적절한 비율로 분압할 수 있는 분압 회로(106), 2개의 입력 전압을 비교하여 출력 전압을 조절할 수 있는 오차 증폭기 회로(107), 및 임피던스를 조절할 수 있는 출력 회로(108)로 구성된다.
오차 증폭기 회로(107)는 출력 회로(108)가 임피던스를 조절하게 하여 분압 회로(106)로부터의 입력 전압이 기준 전압 회로(105)의 출력 전압과 동일하게 유지된다. 따라서, 입력 전압이 변동하더라도 전압 레귤레이터(201)는 출력 전압 단자(104)의 전압을 일정하게 유지할 수 있다.
도 2에서, 분압 회로(106)는 저항기들로 구성되고, 출력 회로(108)는 증가형(enhancement) PMOS 트랜지스터로 구성되어 있다. CPU와 마이크로컴퓨터 등의 각종 외부 부하는 전압 레귤레이터(201)의 용도에 따라 출력 전압 단자(104)에 접속된다. 전압 레귤레이터(201)는 출력 회로(108)에서 다음식(1)로 나타내어진 손실을 발생한다.
Pt = (Vin - Vout) ×Iout (1)
여기서, Pt는 손실(W), Vin은 입력 전압(V), Vout은 출력 전압(V)이며 Iout은 출력 전류(A)이다.
입력 전압이 높고 출력 전류가 큰(외부 부하의 임피던스가 낮은) 경우, 손실은 증가한다. 통상적으로, 전압 레귤레이터가 실장되어 있는 플라스틱 패키지 등에는 허용 손실이 한정되고 유저는 허용 손실을 초과하지 않도록 사용 조건을 설정하고 있다. 손실의 대부분은 열의 형태로 발생된다.
그러나, 종래의 전압 레귤레이터에서는, 허용 손실을 초과하여 잘못 사용되면, 전압 레귤레이터의 특성이 저하되고 레귤레이터가 발생된 열에 의해 파괴되는 문제가 있다. 따라서, 전압 레귤레이터가 허용 손실을 초과하여 잘못 사용되는 경우에 대처하기 위해, 방열 및 안전 대책이 유저에 요구된다.
전술한 문제를 해결하기 위해서, 본 발명의 전압 레귤레이터에는 손실을 검출하기 위한 수단이 제공되고, 이것에 의해 전압 레귤레이터는 손실의 증가를 검출하여 자동적으로 보호 동작에 들어가 손실을 감소시킬 수 있다.
본 발명의 전압 레귤레이터에는 손실이 증가하는 경우 출력 전압을 저하시키도록 기능하는 손실 검출 회로가 제공된다. 손실 검출 회로가 작동되면, 출력 전압은 저하하여 출력 전류를 감소시켜, 손실을 감소시킨다. 그 결과, 초과 손실에 대한 자동 보호 기능이 전압 레귤레이터에 부가되고, 이것에 의해 사용 조건이 잘못 설정되더라도 그 특성이 저하되지 않고 레귤레이터가 파괴되지 않는 안정성이 높은 전압 레귤레이터가 실현될 수 있다.
본 발명에 의하면,
기준 전압 발생 회로로부터의 출력을 한쪽의 입력으로서 수신하는 오차 증폭기 회로;
상기 오차 증폭기 회로의 출력에 의해 제어되는 출력 회로;
상기 출력 회로에 직렬로 접속되는 분압 회로, 상기 분압 회로로부터의 분압 전압은 상기 오차 증폭기 회로의 다른쪽의 입력으로서 수신되며;
상기 오차 증폭기 회로의 상기 한쪽의 입력과 GND 단자 사이에 접속되는 제1 손실 검출 회로;
상기 출력 회로의 입력 전압 단자와 상기 오차 증폭기 회로의 출력 단자 사이에 접속되는 제2 손실 검출 회로를 포함하는 전압 레귤레이터가 제공된다.
여기서, 손실 검출 회로로서, 증가형 PMOS 트랜지스터의 게이트와 소스가 전기적으로 접속된 온도 검출 회로 또는 증가형 NMOS 트랜지스터의 게이트와 소스가 전기적으로 접속된 온도 검출 회로가 사용될 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예들이 도면을 참조하여 설명된다.
도 1은 본 발명의 전압 레귤레이터의 구성예를 나타내는 회로 블록도이다.
전압 레귤레이터(101)에는 기준 전압 회로(105)에 의해 발생된 기준 전압이 입력되는 오차 증폭기 회로(107)의 입력 단자와 GND 단자(103) 사이에 손실 검출 회로가 제공되어 있다. 또한, 손실 검출 회로(110)는 오차 증폭기 회로(107)의 출 력 단자와 입력 전압 단자(102) 사이에 제공되어 있다. 전압 레귤레이터(101)의 그 밖의 부분은 도 2에 도시된 것과 동일하다.
일정 전압을 출력하고 있는 전압 레귤레이터(101)에서는, 손실 검출 회로(109) 및 손실 검출 회로(110)가 출력 회로(108)의 손실을 감시하고 각기 손실이 일정값을 초과할 때만 임피던스가 감소되도록 설정되어 있다. 손실 검출 회로(109)의 임피던스가 감소하면, 기준 전압이 풀 다운되어 GND 단자(103)의 전위에 가깝게 된다. 따라서, 오차 증폭기 회로(107)의 출력 전압이 증가하여, 전압 레귤레이터(101)는 출력 전압 단자(104)의 출력 전압이 감소되는 방향으로 피드백을 적용한다. 또한, 손실 검출 회로(110)의 임피던스가 감소하면, 오차 증폭기 회로(107)의 출력이 풀 업 되어 입력 전압 단자(102)의 전위에 가깝게 되므로, 출력 전압 단자(104)의 출력 전압도 저하한다. 여기서, 출력 전류가 다음식으로 나타내어지므로, 출력 전압이 저하하면 출력 전류는 감소한다. 상기 (1)식으로부터, 출력 전류가 감소하면 손실이 작아지는 것을 알 수 있다.
Iout = Vout/Rout (2)
여기서, Vout은 출력 전압(V), Iout은 출력 전류(A)이며 Rout은 외부 부하(Ω)이다.
또한, 손실 검출 회로(109) 및 손실 검출 회로(110)는 출력 회로(108)의 손실을 감시하고 각기 손실이 일정값보다 작아지면 임피던스가 충분히 증가되도록 설정되어 있다. 따라서, 손실이 작아지면, 본 발명의 전압 레귤레이터(101)는 다시 일정 전압을 출력할 수 있는 상태로 복귀한다. 이와 같이, 전압 레귤레이터(101) 에는 초과 손실에 대한 자동 보호 기능이 부가되므로, 사용 조건이 잘못 설정되더라도 그 특성이 저하하지 않고 레귤레이터가 파괴되지 않는 안정성이 높은 전압 레귤레이터가 실현될 수 있다.
여기서, 손실 검출 회로(109) 및 손실 검출 회로(110)는 검출되는 손실의 양을 사용 용도에 따라 자유롭게 설정할 수 있다. 또한, 손실 검출 회로(109) 및 손실 검출 회로(110) 중 어느 하나만이 제공되어도 전술한 효과가 얻어질 수 있다. 또한, 손실 검출 회로는 손실을 검출하여 출력 전압을 저하시킬 수 있으면 어떠한 장소에 제공되어도 되며 어떠한 회로 구성을 가져도 된다.
도 3은 본 발명의 전압 레귤레이터의 구성의 다른 예를 나타내는 블록도이다.
전압 레귤레이터(301)에는 기준 전압 회로(105) 대신에 JP 04-065546 B 에 도시된 바와 같은 기준 전압 회로(305)가 제공되어 있다. 기준 전압 회로(305)는 디프레션(depression) NMOS 트랜지스터 및 증가형 NMOS 트랜지스터를 직렬로 배치시켜 일정 전압을 출력한다. 기준 전압 회로(305)에서는, 디프레션 NMOS 트랜지스터 및 증가형 NMOS 트랜지스터의 베이스 단자가 각기 이들의 소스 단자와 전기적으로 접속된다. 그러나, 베이스 단자의 전위는 다른 전위로 설정될 수 있다. 예를 들면, 디프레션 NMOS 트랜지스터의 베이스 단자는 GND 단자(103)의 전위를 갖도록 전기적으로 접속될 수 있다. 또한, 손실 검출 회로(109)의 일례로서 온도 검출 회로(309)가 제공되어 있다. 온도 검출 회로(309)는 증가형 NMOS 트랜지스터를 사용하고 게이트와 소스를 전기적으로 접속하여 오프 되도록 설정되어 있다. 또한, 손 실 검출 회로(110)의 일례로서 온도 검출 회로(310)가 제공되어 있다. 온도 검출 회로(310)는 증가형 PMOS 트랜지스터를 사용하고 게이트와 소스를 전기적으로 접속하여 오프 되도록 설정되어 있다. 전압 레귤레이터(301)의 그 밖의 부분은 도 1에 도시된 것과 동일하다.
온도 검출 회로(309) 및 온도 검출 회로(310)는 통상적으로 오프 상태로 되어 충분히 큰 임피던스를 갖도록 설정된다. 그러나, 이들 회로는 출력 회로(108)의 손실에 기인하는 발열을 감시하고, 온도가 일정값을 초과할 때만 열 누설(leakage)을 이용하여 작은 임피던스를 갖도록 설정되어 있다. 따라서, 온도 검출 회로(309) 및 온도 검출 회로(310)는 손실 검출 회로(109) 및 손실 검출 회로(110)와 동일한 기능을 가지므로, 전압 레귤레이터(301)는 전압 레귤레이터(101)와 동일한 효과를 얻을 수 있다.
온도 검출 회로(309) 및 온도 검출 회로(310)는 그 사이즈와 불순물의 투입량 등의 트랜지스터의 특성을 조절함으로써 임피던스가 감소하는 온도를 용이하게 조절할 수 있다. 따라서, 온도가 소망의 온도에 도달하면 출력 전압이 저하하고 과열에 대한 자동 보호 기능이 전압 레귤레이터(301)에 부가되므로, 사용 조건이 잘못 선택되더라도 그 특성이 저하되지 않고 레귤레이터가 파괴되지 않는 안정성이 높은 전압 레귤레이터가 실현될 수 있다.
또한, 기준 전압 회로(305)와 같은 회로를 사용할 때, 기준 전압 회로(305)내의 증가형 NMOS 트랜지스터와 온도 검출 회로(309)의 증가형 NMOS 트랜지스터가 동일 종류의 트랜지스터로 구성될 수 있다. 그러나, 양 트랜지스터의 사이즈가 조 절되어 온도 검출 회로(309)의 증가형 NMOS 트랜지스터가 빠른 열 누설을 야기하도록 설정되면, 과열 보호 동작이 용이하게 실현될 수 있다. 또한, 기준 전압 회로(305)의 임피던스가 디프레션 NMOS 트랜지스터의 사이즈에 의해 결정되더라도, 실제로는 임피던스가 높고 많아야 수 ㎂의 차수의 전류만이 흐른다. 따라서, 온도 검출에 있어서, 온도 검출 회로(309)는 기준 전압 회로(305)보다 충분히 낮은 임피던스를 가져, 증가형 NMOS 트랜지스터의 열 누설 특성이 조절되면 용이하게 실현될 수 있다.
온도 검출 회로(309) 및 온도 검출 회로(310)가 검출되는 온도를 사용 용도에 따라 자유롭게 설정할 수 있다는 것을 말할 필요도 없다. 또한, 전술한 효과는 온도 검출 회로(309) 및 온도 검출 회로(310) 중 어느 하나만이 제공되어도 달성될 수 있다. 또한, 온도 검출 회로는 손실을 검출하여 출력 전압을 저하시킬 수 있으면 어느 장소에 제공되어도 되고 어떠한 회로 구성을 가져도 된다. 예를 들면, 온도 검출 회로(309) 및 온도 검출 회로(310) 대신에, 전류가 흐르지 않는 역바이어스 방향의 다이오드가 각기 배치되어 다이오드의 열 누설 특성 또는 온도 센서를 이용한다.
도 4는 본 발명의 전압 레귤레이터의 구성의 또 다른 예를 나타내는 회로 블록도이다.
전압 레귤레이터(401)에는 외부 단자인 ON/OFF 단자(401)와 논리 회로(402)가 더 제공되어 있다. 논리 회로(402)는 히스테리시스를 갖는 인버터와 인버터로 구성된다. 또한, 온도 검출 회로(309) 대신에 온도 검출 회로(409)가 제공되어 다. 온도 검출 회로(409)는 그 게이트가 논리 회로(402)의 히스테리시스를 갖는 인버터의 출력에 접속되어 있는 것 이외에는 온도 검출 회로(309)와 동일하다. 또한, 온도 검출 회로(310) 대신에 온도 검출 회로(410)가 제공되어 있다. 온도 검출 회로(410)는 그 게이트가 논리 회로(402)의 인버터의 출력에 접속되어 있는 것 이외에는 온도 검출 회로(310)와 동일하다. 전압 레귤레이터(101)의 그 밖의 부분은 도 2에 도시된 것과 동일하다.
즉, 전압 레귤레이터(401)는 전압 레귤레이터(301)의 기능 이외에 ON/OFF 기능을 가지고 있다. ON/OFF 단자(401)는 입력 전압 단자(102)의 전위(이하 Hi라고 함)로 설정되면, 온도 검출 회로(409)의 게이트는 GND 단자(103)의 전위(이하 Lo라고 함)를 가지고 온도 검출 회로(409)의 증가형 NMOS 트랜지스터는 오프되어 임피던스를 증가시킨다. 또한, 온도 검출 회로(410)의 게이트는 전위 Hi를 가지고 증가형 PMOS 트랜지스터가 오프되어 임피던스를 증가시킨다. 따라서, 레귤레이터는 온 되어 일정 전압을 출력한다. 한편, ON/OFF 단자가 전위 Lo로 설정되면, 온도 검출 회로(409)의 게이트는 전위 Hi를 가지고 온도 검출 회로(409)의 증가형 NMOS 트랜지스터가 온 되어 임피던스를 감소시킨다. 또한, 온도 검출 회로(410)의 게이트는 전위 Lo를 가지고 온도 검출 회로(410)의 증가형 PMOS 트랜지스터는 온 되어 임피던스를 감소시킨다. 따라서, 레귤레이터는 오프 된다.
여기서, 레귤레이터가 온 상태인 동안에, 온도 검출 회로(409) 및 온도 검출 회로(410)는 충분히 높은 임피던스를 가지고 온도 검출 회로(309) 및 온도 검출 회로(310)의 상태와 완전히 동일하다. 물론 열 누설 특성이 동일하므로, 전압 레귤 레이터(410)는 전압 레귤레이터(301)와 동일한 효과를 얻을 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명은 ON/OFF 기능의 회로 구성을 이용하여 회로 수 를 증가시키지 않고 과열에 대한 자동 보호 기능이 부가된다. 따라서, 비용을 증가시키지 않고 사용 조건이 잘못 설정되더라도 그 특성이 저하되지 않고 레귤레이터가 파괴되지 않는 안정성이 높은 전압 레귤레이터가 실현될 수 있다.
또한, 본 발명은 손실을 검출하는 보호 방식을 채용하기 때문에, 전압 레귤레이터로의 입력 전압에 따라 출력될 수 있는 전류량이 변화한다. 즉, 식(1)로부터, 입/출력 전압차가 작은 영역에 전압 레귤레이터가 사용되면, 손실이 일정 레벨에 도달할 때까지 많은 전류가 출력되는 것을 알 수 있다. 이 점에서 본 발명은, 예를 들면, 일정 과전류만을 검출하는 보호 방식과 명백히 다르고, 보다 실용적이다.
또한, 예로써 실시예들은 CMOS 트랜지스터로 설명하였지만, 본 발명은 또한 바이폴라 트랜지스터 회로와 그 밖의 회로 형식으로 적용될 수 있다는 것은 명백하며, 결코 실시예에 한정되지 않는다.
이와 같이, 전압 레귤레이터가 제공되는 것을 알 수 있다. 예시의 목적으로 제공되나 한정의 목적으로 제공되지 않는 바람직한 실시예 이외에 의해 본 발명이 실시될 수 있다는 것을 당해 기술분야의 숙련된 자는 이해할 수 있으며, 본 발명은 첨부된 특허청구범위에 의해서만 한정된다.
본 발명의 전압 레귤레이터에서는, 손실이 증가하면 출력 전압을 저하시키도 록 기능하는 손실 검출 회로가 제공되어, 허용 손실을 초과하여 잘못 사용되더라도 그 특성이 저하되지 않고 레귤레이터가 파괴되지 않는 안정성이 높은 전압 레귤레이터가 실현될 수 있는 효과를 얻는다. 또한, 사용자에게 요구되는 방열 대책 및 안정 대책이 경감될 수 있는 효과도 있다.

Claims (7)

  1. 전압 레귤레이터에 있어서,
    기준 전압 발생 회로로부터의 출력을 한쪽의 입력으로서 수신하는 오차 증폭기 회로;
    상기 오차 증폭기 회로의 출력에 의해 제어되는 출력 회로;
    상기 출력 회로에 직렬로 접속되는 분압 회로 - 상기 오차 증폭기 회로는 상기 분압 회로로부터의 분압 전압을 다른쪽의 입력으로서 수신함 - ;
    상기 오차 증폭기 회로의 상기 한쪽의 입력과 GND 단자 사이에 접속된 제1 손실 검출 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 전압 레귤레이터.
  2. 제1항에 있어서, 상기 출력 회로의 입력 전압 단자와 상기 오차 증폭기 회로의 출력 단자 사이에 접속되는 제2 손실 검출 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전압 레귤레이터.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제1 손실 검출 회로와 상기 제2 손실 검출 회로는 입력 단자와 출력 단자 사이의 전압차와 출력 전류의 곱인 손실에 의해 발생되는 열을 감시하고,
    출력 전압은 온도가 일정 값을 초과할 때 저하되는 것을 특징으로 하는 전압 레귤레이터.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제1 손실 검출 회로와 상기 제2 손실 검출 회로에는 상기 온도가 일정 값을 초과할 때 임피던스를 감소시키는 기능이 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 전압 레귤레이터.
  5. 제4항에 있어서, 상기 열을 감시하기 위한 상기 제1 손실 검출 회로와 상기 제2 손실 검출 회로는 온도 센서인 것을 특징으로 하는 전압 레귤레이터.
  6. 제4항에 있어서, 상기 온도가 일정 값을 초과할 때 임피던스를 감소시키는 기능은 반도체 소자의 열 누설 특징을 이용하는 것을 특징으로 하는 전압 레귤레이터.
  7. 입력 단자와 출력 단자 사이의 전압차와 출력 전류의 곱인 손실을 감시하기 위한 검출 회로를 포함하는 전압 레귤레이터에 있어서,
    출력 전압은 손실의 양이 일정 값을 초과할 때 저하되는 것을 특징으로 하는 전압 레귤레이터.
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