WO2023084948A1 - 過電流保護回路、電源装置 - Google Patents

過電流保護回路、電源装置 Download PDF

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mirror
transistor
current
drive signal
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達也 岡田
充弘 渡邉
豊和 勝見
伸次 滝澤
大策 守護
Original Assignee
ローム株式会社
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    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05FSYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F1/00Automatic systems in which deviations of an electric quantity from one or more predetermined values are detected at the output of the system and fed back to a device within the system to restore the detected quantity to its predetermined value or values, i.e. retroactive systems
    • G05F1/10Regulating voltage or current
    • G05F1/46Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc
    • 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

Definitions

  • the invention disclosed in this specification relates to an overcurrent protection circuit and a power supply device.
  • overcurrent protection circuits have been widely put into practical use as one of the means for protecting against abnormalities.
  • Patent Document 1 can be cited as an example of conventional technology related to the above.
  • the invention disclosed in the present specification provides an overcurrent protection circuit and a power supply capable of both suppressing peak current and improving load response characteristics.
  • the purpose is to provide an apparatus.
  • the overcurrent protection circuit disclosed herein includes a first mirror transistor driven by a first drive signal common to the first output transistor and configured to conduct a first mirror current; a second mirror transistor driven by two drive signals to flow a second mirror current; control terminals of the first output transistor and the first mirror transistor; and control terminals of the second mirror transistor. and a resistor configured to be connected between the first drive signal and the first drive signal so as to limit the sum of the first mirror current and the second mirror current to a predetermined upper limit value or less. and a current limiter.
  • FIG. 1 is a diagram showing a comparative example of a power supply device.
  • FIG. 2 is a diagram showing a first embodiment of the power supply.
  • FIG. 3 is a diagram showing the behavior of peak current at startup.
  • FIG. 4 is a diagram showing the behavior of peak current during load fluctuation.
  • FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the mirror current ratio and load response characteristics.
  • FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the mirror current ratio and the peak current.
  • FIG. 7 is a diagram showing a second embodiment of the power supply device.
  • the output transistor M1 PMOSFET [P-channel type metal oxide semiconductor field effect transistor] in this figure
  • REF reference voltage generation circuit
  • REF error amplifier
  • resistors R1 and R2 a capacitor C1
  • OCP overcurrent protection circuit
  • the output transistor M1 corresponds to a first output transistor connected between the input end of the input voltage Vin and the output end of the output voltage Vout and driven by the gate drive signal G1.
  • the source of the output transistor M1 is connected to the input terminal of the input voltage Vin.
  • the drain of the output transistor M1 is connected to the output terminal of the output voltage Vout.
  • the on-resistance Ron1 of the output transistor M1 is variably controlled according to the gate drive signal G1.
  • the lower the gate drive signal G1 the higher the gate-source voltage Vgs1 of the output transistor M1. Therefore, the on-resistance Ron1 of the output transistor M1 becomes low, so that the output current Io1 flowing through the output transistor M1 becomes large.
  • the resistors R1 and R2 are connected in series between the output terminal of the output voltage Vout and the ground terminal.
  • the capacitor C1 is connected in series between the output terminal of the output voltage Vout and the ground terminal.
  • the capacitor C1 functions as smoothing means for the output voltage Vout.
  • the reference voltage generation circuit REF generates a predetermined reference voltage Vref from the input voltage Vin.
  • a flat bandgap reference voltage source with input voltage dependence and temperature dependence can be suitably used.
  • the error amplifier A1 generates an error signal between the feedback voltage Vfb input to the non-inverting input terminal (+) and the reference voltage Vref input to the inverting input terminal (-), and converts the error signal into the gate driving signal G1. output as Therefore, the gate drive signal G1 decreases when the feedback voltage Vfb is lower than the reference voltage Vref, and increases when the feedback voltage Vfb is higher than the reference voltage Vref.
  • the error amplifier A1 can be understood as an example of an output feedback circuit configured to receive the input of the output voltage Vout or the feedback voltage VFb corresponding thereto and generate the gate drive signal G1 of the output transistor M1. .
  • the overcurrent protection circuit OCP limits the output current Io1 flowing through the output transistor M1 (and the output current Iout flowing through the load 2) to a predetermined upper limit value or less.
  • the output transistor M1, the reference voltage generation circuit REF, the error amplifier A1, the resistors R1 and R2, and the overcurrent protection circuit OCP are integrated in a semiconductor integrated circuit device (so-called power supply control IC). good too.
  • the output transistor M1 and the resistors R1 and R2 may be externally attached to the semiconductor integrated circuit device.
  • the overcurrent protection circuit OCP includes a mirror transistor M11 (PMOSFET in this figure), a sense resistor Rs, and an operational amplifier A10.
  • the mirror transistor M11 is driven by the gate drive signal G1 common to the output transistor M1, and corresponds to a first mirror transistor that flows a mirror current Im1 that increases and decreases in the same manner as the output current Io1.
  • the source of the mirror transistor M11 is connected to the input terminal of the input voltage Vin through the sense resistor Rs.
  • the drain of the mirror transistor M11 is connected to the output terminal of the output voltage Vout.
  • the gate of the mirror transistor M11 is connected to the application terminal of the gate drive signal G1.
  • the on-resistance Ron11 of the mirror transistor M11 is variably controlled according to the gate drive signal G1.
  • the higher the gate drive signal G1, the lower the gate-source voltage Vgs11 of the mirror transistor M11. Accordingly, the on-resistance Ron11 of the mirror transistor M11 increases, so the mirror current Im1 ( corresponding to the first mirror current) flowing through the mirror transistor M11 decreases.
  • the lower the gate drive signal G1 the higher the gate-source voltage Vgs11 of the mirror transistor M11. Accordingly, the on-resistance Ron11 of the mirror transistor M11 becomes low, so the mirror current Im1 flowing through the mirror transistor M11 becomes large.
  • the size of the mirror transistor M11 is smaller than the size of the output transistor M1. Therefore, the mirror current Im1 becomes smaller than the output current Io1.
  • the operational amplifier A10 when the sense voltage Vs is lower than the internal offset voltage Vofs, the operational amplifier A10 becomes an output high impedance state. In this state, the gate drive signal G1 is not restricted. Therefore, the on-resistance Ron1 of the output transistor M1 is not lowered, and the output current Io1 is not restricted.
  • the gate drive signal G1 is pulled up, the on-resistance Ron1 of the output transistor M1 decreases, so the output current Io1 decreases.
  • the on-resistance Ron11 of the mirror transistor M11 decreases, so the mirror current Im1 (and thus the sense current Is) also decreases. Therefore, the difference between the sense voltage Vs and the internal offset voltage Vofs becomes smaller, and the amount of pulling up the gate drive signal G1 by the operational amplifier A10 decreases.
  • the sense resistor Rs and the operational amplifier A10 function as a current limiter that controls the gate drive signal G1 so as to limit the sense current Is to a predetermined upper limit or less.
  • FIG. 2 is a diagram showing a first embodiment of the power supply device 1.
  • FIG. The power supply device 1 of the present embodiment is based on the above comparative example (FIG. 1) and further includes an output transistor M2 (for example PMOSFET), a mirror transistor M12 (for example PMOSFET), and a resistor R10.
  • the mirror transistor M12 and the resistor R10 can be understood as components forming the overcurrent protection circuit OCP.
  • the current flowing through the output transistor M1 is denoted as output current Io1
  • the current flowing through the output transistor M2 is denoted as output current Io2
  • the current flowing through load 2 is denoted as output current Iout ( ⁇ Io1+Io2).
  • the current flowing through the mirror transistor M11 is denoted as mirror current Im1
  • the current flowing through the mirror transistor M12 is denoted as mirror current Im2.
  • the output transistor M2 corresponds to a second output transistor connected between the input end of the input voltage Vin and the output end of the output voltage Vout and driven by the gate drive signal G2.
  • the source of the output transistor M2 is connected to the input terminal of the input voltage Vin.
  • the drain of the output transistor M2 is connected to the output terminal of the output voltage Vout.
  • the on-resistance Ron2 of the output transistor M2 is variably controlled according to the gate drive signal G2.
  • the output transistors are divided into a plurality (two output transistors M1 and M2 in this figure). Furthermore, the operation timings of the output transistors M1 and M2 are shifted by a resistor R10.
  • the gate drive signal G2 rises and falls later than the gate drive signal G1. Therefore, the output transistor M2 operates later than the output transistor M1. As a result, the output current Io2 increases and decreases more slowly than the output current Io1.
  • the size of the output transistor M2 may be designed to be larger than the size of the output transistor M1.
  • the size ratio of the output transistors M1 and M2 may be 1:2.
  • the mirror transistor M12 is driven by the gate drive signal G2 common to the output transistor M2, and corresponds to a first mirror transistor that flows a mirror current Im2 that increases and decreases in the same manner as the output current Io2.
  • the source of the mirror transistor M12 is connected to the source of the mirror transistor M11.
  • the drain of the mirror transistor M12 is connected to the output terminal of the output voltage Vout.
  • the gate of the mirror transistor M12 is connected to the application terminal of the gate drive signal G2.
  • the on-resistance Ron12 of the mirror transistor M12 is variably controlled according to the gate drive signal G2.
  • the higher the gate drive signal G2, the lower the gate-source voltage Vgs12 of the mirror transistor M12. Accordingly, the on-resistance Ron12 of the mirror transistor M12 increases, so the mirror current Im2 ( corresponding to the second mirror current) flowing through the mirror transistor M12 decreases.
  • the lower the gate drive signal G2 the higher the gate-source voltage Vgs12 of the mirror transistor M12. Accordingly, the on-resistance Ron12 of the mirror transistor M12 is lowered, so the mirror current Im2 flowing through the mirror transistor M12 is increased.
  • the size of the mirror transistor M12 is smaller than the sizes of the output transistors M1 and M2. Therefore, the mirror current Im2 is smaller than the output currents Io1 and Io2.
  • the resistance value of the resistor R10 may be set to several tens to several hundred k ⁇ (eg, 250 k ⁇ ).
  • the mirror transistors of the overcurrent protection circuit OCP are divided into a plurality (two mirror transistors M11 and M12 in this figure). Furthermore, the operation timings of the mirror transistors M11 and M12 are shifted by the resistor R10.
  • the gate drive signal G2 rises and falls later than the gate drive signal G1. Therefore, the mirror transistor M12 operates later than the mirror transistor M11. As a result, the mirror current Im2 increases and decreases more slowly than the mirror current Im1.
  • the above mirror current ratio Im1/Im2 is the ratio of the mirror currents Im1 and Im2 flowing through the mirror transistors M11 and M12, respectively, when the power supply 1 is stationary. That is, the mirror current ratio Im1/Im2 may be understood as the size ratio of the mirror transistors M11 and M12.
  • the transient peak current at the start of the power supply device 1 can be reduced. can be suppressed.
  • FIG. 4 is a diagram showing the behavior of the peak current when the load of the power supply device 1 fluctuates, and depicts the output voltage Vout and the output current Iout in order from the top.
  • FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the mirror current ratio Im1/Im2 and the load response characteristics of the output voltage Vout. Comparing the solid line (mirror current ratio: small), the small dashed line (mirror current ratio: medium), and the large dashed line (mirror current ratio: large) in the figure, it is clear that as the mirror current ratio Im1/Im2 increases, , the load response characteristic of the output voltage Vout deteriorates, that is, the output fluctuation increases when the load fluctuates.
  • FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the mirror current ratio Im1/Im2 and the peak current of the output current Iout. Comparing the solid line (mirror current ratio: small), the small dashed line (mirror current ratio: medium), and the large dashed line (mirror current ratio: large) in the figure, it is clear that the smaller the mirror current ratio Im1/Im2, , the peak current of the output current Iout increases, that is, the peak current cannot be suppressed.
  • the mirror current It is considered appropriate to set the ratio Im1/Im2.
  • the design concept of the power supply device 1 is to first determine the size ratio of the output transistors M1 and M2 and the resistance value of the resistor R10 so as to optimize the phase characteristics, and then suppress the peak current and improve the load response characteristics. It is desirable to set the mirror current ratio Im1/Im2 so as to satisfy both
  • FIG. 7 is a diagram showing a second embodiment of the power supply device 1. As shown in FIG. The power supply device 1 of this embodiment is based on the above-described first embodiment (FIG. 2), but omits the output transistor M2.
  • the overcurrent protection circuit disclosed herein includes a first mirror transistor driven by a first drive signal common to the first output transistor and configured to conduct a first mirror current; a second mirror transistor driven by two drive signals to flow a second mirror current; control terminals of the first output transistor and the first mirror transistor; and control terminals of the second mirror transistor. and a resistor configured to be connected between the first drive signal and the first drive signal so as to limit a sense current, which is the sum of the first mirror current and the second mirror current, to a predetermined upper limit value or less. and a configured current limiting section (first configuration).
  • the current limiter includes a sense resistor configured to convert the sense current into a sense voltage, and the first drive signal according to the sense voltage. and an operational amplifier configured to adjust (second configuration).
  • the sizes of the first mirror transistor and the second mirror transistor are configured to be smaller than the size of the first output transistor (third configuration).
  • the resistance value of the resistor may be several tens to several hundred k ⁇ (fourth configuration).
  • the power supply device disclosed in this specification is configured to be connected between an input terminal for an input voltage and an output terminal for an output voltage and to be driven by the first drive signal.
  • a first output transistor configured to generate the first drive signal according to a difference between the output voltage or a feedback voltage corresponding thereto and a predetermined reference voltage; 4 and an overcurrent protection circuit according to any one of the configurations (fifth configuration).
  • the power supply device includes a second output transistor connected between the input terminal for the input voltage and the output terminal for the output voltage and configured to be driven by the second drive signal. may be further provided (sixth configuration).
  • the size of the second output transistor may be larger than the size of the first output transistor (seventh configuration).
  • the size ratio between the first output transistor and the second output transistor may be 1:2 (eighth configuration).
  • the power supply device has a configuration in which 2/8 ⁇ Im1/Im2 ⁇ 4/6 is established, where Im1 and Im2 are the first mirror current and the second mirror current in a steady state (the ninth configuration).
  • the output feedback circuit generates the first drive signal according to the difference between the output voltage or the feedback voltage and the reference voltage.
  • a configuration (tenth configuration) including the configured error amplifier may be employed.

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Abstract

過電流保護回路OCPは、第1出力トランジスタM1と共通の第1駆動信号G1により駆動されて第1ミラー電流Im1を流すように構成された第1ミラートランジスタM11と、第2駆動信号G2により駆動されて第2ミラー電流Im2を流すように構成された第2ミラートランジスタM12と、第1出力トランジスタM1及び第1ミラートランジスタM11それぞれの制御端と第2ミラートランジスタM12の制御端との間に接続されるように構成された抵抗R10と、第1ミラー電流Im1及び第2ミラー電流Im2を合算したセンス電流Isを所定の上限値以下に制限するように第1駆動信号G1を制御するように構成された電流制限部(Rs、A10)と、を備える。

Description

過電流保護回路、電源装置
 本明細書中に開示されている発明は、過電流保護回路及び電源装置に関する。
 従来、異常保護手段の一つとして過電流保護回路が広く一般に実用化されている。
 なお、上記に関連する従来技術の一例としては、特許文献1を挙げることができる。
特開2006-115646号公報
 しかしながら、従来の過電流保護回路は、ピーク電流の抑制と負荷応答特性の向上を両立することが難しかった。
 本明細書中に開示されている発明は、本願の発明者らにより見出された上記の課題に鑑み、ピーク電流の抑制と負荷応答特性の向上を両立することのできる過電流保護回路及び電源装置を提供することを目的とする。
 例えば、本明細書中に開示されている過電流保護回路は、第1出力トランジスタと共通の第1駆動信号により駆動されて第1ミラー電流を流すように構成された第1ミラートランジスタと、第2駆動信号により駆動されて第2ミラー電流を流すように構成された第2ミラートランジスタと、前記第1出力トランジスタ及び前記第1ミラートランジスタそれぞれの制御端と前記第2ミラートランジスタの制御端との間に接続されるように構成された抵抗と、前記第1ミラー電流及び前記第2ミラー電流の合算電流を所定の上限値以下に制限するように前記第1駆動信号を制御するように構成された電流制限部と、を備える。
 なお、その他の特徴、要素、ステップ、利点、及び、特性については、以下に続く発明を実施するための形態及びこれに関する添付の図面によって、さらに明らかとなる。
 本明細書中に開示されている発明によれば、ピーク電流の抑制と負荷応答特性の向上を両立することのできる過電流保護回路及び電源装置を提供することが可能となる。
図1は、電源装置の比較例を示す図である。 図2は、電源装置の第1実施形態を示す図である。 図3は、起動時におけるピーク電流の挙動を示す図である。 図4は、負荷変動時におけるピーク電流の挙動を示す図である。 図5は、ミラー電流比と負荷応答特性との関係を示す図である。 図6は、ミラー電流比とピーク電流との関係を示す図である。 図7は、電源装置の第2実施形態を示す図である。
<電源装置(比較例)>
 図1は、電源装置の比較例(=後出の実施形態と対比される一般的な構成)を示す図である。本比較例の電源装置1は、入力電圧Vinから出力電圧Vout(≦Vin)を生成して負荷2に供給するLDO[low drop-out]レギュレータ(=リニアレギュレータの一種)であり、出力トランジスタM1(本図ではPMOSFET[P-channel type metal oxide semiconductor field effect transistor])と、基準電圧生成回路REFと、エラーアンプA1と、抵抗R1及びR2と、キャパシタC1と、過電流保護回路OCPと、を備える。
 出力トランジスタM1は、入力電圧Vinの入力端と出力電圧Voutの出力端との間に接続されてゲート駆動信号G1により駆動される第1出力トランジスタに相当する。
 出力トランジスタM1のソースは、入力電圧Vinの入力端に接続されている。出力トランジスタM1のドレインは、出力電圧Voutの出力端に接続されている。出力トランジスタM1のゲートは、ゲート駆動信号G1(=第1駆動信号に相当)の印加端に接続されている。出力トランジスタM1のオン抵抗Ron1は、ゲート駆動信号G1に応じて可変制御される。
 ゲート駆動信号G1が高いほど出力トランジスタM1のゲート・ソース間電圧Vgs1が低くなる。従って、出力トランジスタM1のオン抵抗Ron1が高くなるので、出力トランジスタM1に流れる出力電流Io1(延いては負荷2に流れる出力電流Iout)が小さくなる。一方、ゲート駆動信号G1が低いほど出力トランジスタM1のゲート・ソース間電圧Vgs1が高くなる。従って、出力トランジスタM1のオン抵抗Ron1が低くなるので、出力トランジスタM1に流れる出力電流Io1が大きくなる。
 抵抗R1及びR2は、出力電圧Voutの出力端と接地端との間に直列に接続されておいる。抵抗R1及びR2は、相互間の接続ノードから出力電圧Voutに応じた帰還電圧Vfb(={R2/(R1+R2)}×Vout)を出力する分圧回路として機能する。なお、出力電圧VoutがエラーアンプA1の入力ダイナミックレンジに収まっている場合には、抵抗R1及びR2を省略して、出力電圧VoutをエラーアンプA1に直接入力しても構わない。
 キャパシタC1は、出力電圧Voutの出力端と接地端との間に直列接続されている。キャパシタC1は、出力電圧Voutの平滑手段として機能する。
 基準電圧生成回路REFは、入力電圧Vinから所定の基準電圧Vrefを生成する。基準電圧生成回路REFとしては、入力電圧依存性及び温度依存性のフラットなバンドギャップ基準電圧源などを好適に用いることができる。
 エラーアンプA1は、非反転入力端(+)に入力される帰還電圧Vfbと、反転入力端(-)に入力される基準電圧Vrefとの誤差信号を生成し、その誤差信号をゲート駆動信号G1として出力する。従って、ゲート駆動信号G1は、帰還電圧Vfbが基準電圧Vrefよりも低いときに低下し、帰還電圧Vfbが基準電圧Vrefよりも高いときに上昇する。なお、エラーアンプA1は、出力電圧Vout又はこれに応じた帰還電圧VFbの入力を受け付けて出力トランジスタM1のゲート駆動信号G1を生成するように構成された出力帰還回路の一例として理解することができる。
 過電流保護回路OCPは、出力トランジスタM1に流れる出力電流Io1(延いては、負荷2に流れる出力電流Iout)を所定の上限値以下に制限する。
 なお、上記構成要素のうち、出力トランジスタM1、基準電圧生成回路REF、エラーアンプA1、抵抗R1並びにR2、及び、過電流保護回路OCPは、半導体集積回路装置(いわゆる電源制御IC)に集積化してもよい。ただし、出力トランジスタM1、及び、抵抗R1並びにR2は、半導体集積回路装置に外付けされる場合もあり得る。
<過電流保護回路>
 引き続き、図1を参照しながら、過電流保護回路OCPの構成及び動作を説明する。過電流保護回路OCPは、ミラートランジスタM11(本図ではPMOSFET)と、センス抵抗Rsと、オペアンプA10と、を含む。
 ミラートランジスタM11は、出力トランジスタM1と共通のゲート駆動信号G1により駆動されて、出力電流Io1と同様の挙動で増減するミラー電流Im1を流す第1ミラートランジスタに相当する。
 ミラートランジスタM11のソースは、センス抵抗Rsを介して入力電圧Vinの入力端に接続されている。ミラートランジスタM11のドレインは、出力電圧Voutの出力端に接続されている。ミラートランジスタM11のゲートは、ゲート駆動信号G1の印加端に接続されている。ミラートランジスタM11のオン抵抗Ron11は、ゲート駆動信号G1に応じて可変制御される。
 例えば、ゲート駆動信号G1が高いほどミラートランジスタM11のゲート・ソース間電圧Vgs11が低くなる。従って、ミラートランジスタM11のオン抵抗Ron11が高くなるので、ミラートランジスタM11に流れるミラー電流Im1(=第1ミラー電流に相当)が小さくなる。一方、ゲート駆動信号G1が低いほどミラートランジスタM11のゲート・ソース間電圧Vgs11が高くなる。従って、ミラートランジスタM11のオン抵抗Ron11が低くなるので、ミラートランジスタM11に流れるミラー電流Im1が大きくなる。
 ミラートランジスタM11のサイズは、出力トランジスタM1のサイズよりも小さい。従って、ミラー電流Im1は、出力電流Io1よりも小さくなる。
 センス抵抗Rsは、自身に流れるセンス電流Is(=ミラー電流Im1)をセンス電圧Vs(=Is×Rs)に変換する電流/電圧変換素子として機能する。センス抵抗Rsの第1端(=高電位端)は、オペアンプA10の非反転入力端(+)に接続されている。センス抵抗Rsの第2端(=低電位端)は、オペアンプA10の反転入力端(-)に接続されている。
 オペアンプA10は、センス抵抗Rsの両端間に現れるセンス電圧Vsと自身の内部オフセット電圧Vofs(=過電流検出閾値に相当)との差分に応じてゲート駆動信号G1を調整する。
 例えば、センス電圧Vsが内部オフセット電圧Vofsよりも低いときには、オペアンプA10が出力ハイインピーダンス状態となる。この状態ではゲート駆動信号G1に制限が掛からない。従って、出力トランジスタM1のオン抵抗Ron1が引き下げられることはなく、出力電流Io1が制限されることもない。
 一方、センス電圧Vsが内部オフセット電圧Vofsよりも高いときには、両者の差分(=Vs-Vofs)に応じてオペアンプA10がゲート制御信号G10を引き上げる状態となる。ゲート駆動信号G1が引き上げられると、出力トランジスタM1のオン抵抗Ron1が低下するので、出力電流Io1が減少する。
 また、ゲート駆動信号G1が引き上げられると、ミラートランジスタM11のオン抵抗Ron11が低下するので、ミラー電流Im1(延いてはセンス電流Is)も減少する。従って、センス電圧Vsと内部オフセット電圧Vofsとの差分が小さくなり、オペアンプA10によるゲート駆動信号G1の引き上げ量が減少する。
 上記一連のゲート駆動制御により、最終的には、センス電圧Vsと内部オフセット電圧Vofsとが互いに一致する平衡状態に至る。この状態は、センス電流Is(延いては出力電流Io1)が所定の上限値以下に制限されている状態に他ならない。
 このように、センス抵抗Rs及びオペアンプA10は、センス電流Isを所定の上限値以下に制限するようにゲート駆動信号G1を制御する電流制限部として機能する。
<ピーク電流と負荷応答特性に関する考察>
 ただし、上記比較例の電源装置1では、過電流保護回路OCPの動作タイミング(=過電流保護動作の発動タイミング)が一義的に決まってしまう。そのため、ピーク電流の抑制と負荷変動特性の向上を両立することが難しい。
 以下では、上記の考察に鑑み、ピーク電流の抑制と負荷応答特性の向上を両立することのできる新規な実施形態を提案する。
<電源装置(第1実施形態)>
 図2は、電源装置1の第1実施形態を示す図である。本実施形態の電源装置1は、先出の比較例(図1)を基本としつつ、さらに、出力トランジスタM2(例えばPMOSFET)と、ミラートランジスタM12(例えばPMOSFET)と、抵抗R10と備える。なお、上記した構成要素のうち、ミラートランジスタM12及び抵抗R10は、過電流保護回路OCPを形成する構成要素として理解することができる。
 また、以下の説明では、出力トランジスタM1に流れる電流を出力電流Io1とし、出力トランジスタM2に流れる電流を出力電流Io2とし、負荷2に流れる電流を出力電流Iout(≒Io1+Io2)として表記する。また、ミラートランジスタM11に流れる電流をミラー電流Im1とし、ミラートランジスタM12に流れる電流をミラー電流Im2として表記する。
 出力トランジスタM2は、入力電圧Vinの入力端と出力電圧Voutの出力端との間に接続されてゲート駆動信号G2により駆動される第2出力トランジスタに相当する。
 出力トランジスタM2のソースは、入力電圧Vinの入力端に接続されている。出力トランジスタM2のドレインは、出力電圧Voutの出力端に接続されている。出力トランジスタM2のゲートは、ゲート駆動信号G2(=第2駆動信号に相当)の印加端に接続されている。出力トランジスタM2のオン抵抗Ron2は、ゲート駆動信号G2に応じて可変制御される。
 ゲート駆動信号G2が高いほど出力トランジスタM2のゲート・ソース間電圧Vgs2が低くなる。従って、出力トランジスタM2のオン抵抗Ron2が高くなるので、出力トランジスタM2に流れる出力電流Io2が小さくなる。一方、ゲート駆動信号G2が低いほど出力トランジスタM2のゲート・ソース間電圧Vgs2が高くなる。従って、出力トランジスタM2のオン抵抗Ron2が低くなるので、出力トランジスタM2に流れる出力電流Io2が大きくなる。
 このように、本実施形態の電源装置1では、出力トランジスタが複数(本図では出力トランジスタM1及びM2の2つ)に分割されている。さらに、出力トランジスタM1及びM2それぞれの動作タイミングは、抵抗R10によりずらされている。
 本図に即して述べると、ゲート駆動信号G2は、ゲート駆動信号G1と比べて立ち上がり及び立ち下がりが遅くなる。従って、出力トランジスタM2は、出力トランジスタM1よりも遅れて動作する。その結果、出力電流Io2は、出力電流Io1と比べて増大及び減少が遅れる。
 このように、出力トランジスタM1及びM2それぞれの過渡応答特性に差を設けておけば、出力トランジスタM1及びM2のサイズ比に応じて電源装置1の位相特性を任意に調整することが可能となる。
 例えば、出力トランジスタM2のサイズは、出力トランジスタM1のサイズよりも大きく設計してもよい。具体的には、出力トランジスタM1及びM2のサイズ比が1:2であってもよい。
 ミラートランジスタM12は、出力トランジスタM2と共通のゲート駆動信号G2により駆動されて、出力電流Io2と同様の挙動で増減するミラー電流Im2を流す第1ミラートランジスタに相当する。
 ミラートランジスタM12のソースは、ミラートランジスタM11のソースに接続されている。ミラートランジスタM12のドレインは、出力電圧Voutの出力端に接続されている。ミラートランジスタM12のゲートは、ゲート駆動信号G2の印加端に接続されている。ミラートランジスタM12のオン抵抗Ron12は、ゲート駆動信号G2に応じて可変制御される。
 例えば、ゲート駆動信号G2が高いほどミラートランジスタM12のゲート・ソース間電圧Vgs12が低くなる。従って、ミラートランジスタM12のオン抵抗Ron12が高くなるので、ミラートランジスタM12に流れるミラー電流Im2(=第2ミラー電流に相当)が小さくなる。一方、ゲート駆動信号G2が低いほどミラートランジスタM12のゲート・ソース間電圧Vgs12が高くなる。従って、ミラートランジスタM12のオン抵抗Ron12が低くなるので、ミラートランジスタM12に流れるミラー電流Im2が大きくなる。
 ミラートランジスタM12のサイズは、出力トランジスタM1及びM2のサイズよりも小さい。従って、ミラー電流Im2は、出力電流Io1及びIo2よりも小さくなる。
 抵抗R10は、出力トランジスタM1及びミラートランジスタM11それぞれのゲート(=ゲート駆動信号G1の印加端)と、出力トランジスタM2及びミラートランジスタM12それぞれのゲート(=ゲート駆動信号G2)の印加端との間に接続されている。抵抗R10の抵抗値は、数十~数百kΩ(例えば250kΩ)に設定してもよい。
 過電流保護回路OCP(特にセンス抵抗RsとオペアンプA10により形成される過電流制限部)は、ミラー電流Im1及びIm2を合算したセンス電流Is(=Im1+Im2)を所定の上限値以下に制限するようにゲート駆動信号G1を制御する。
 このように、本実施形態の電源装置1では、過電流保護回路OCPのミラートランジスタが複数(本図ではミラートランジスタM11及びM12の2つ)に分割されている。さらに、ミラートランジスタM11及びM12それぞれの動作タイミングは、抵抗R10によりずらされている。
 本図に即して述べると、ゲート駆動信号G2は、ゲート駆動信号G1と比べて立ち上がり及び立ち下がりが遅くなる。従って、ミラートランジスタM12は、ミラートランジスタM11よりも遅れて動作する。その結果、ミラー電流Im2は、ミラー電流Im1と比べて増大及び減少が遅れる。
 このように、ミラートランジスタM11及びM12それぞれの過渡応答特性に差を設けておけば、ミラートランジスタM11及びM12のサイズ比に応じて過電流保護回路OCPの動作タイミング(=過電流保護動作の発動タイミング)を任意に調整することが可能となる。従って、ピーク電流の抑制と負荷変動特性の向上を両立することが可能となる。
 図3は、電源装置1の起動時におけるピーク電流(=キャパシタC1に流れ込む突入電流)の挙動を示す図であり、上から順に、入力電圧Vin、出力電圧Vout、及び、出力電流Ioutが描写されている。
 なお、出力電流Ioutの実線は、ミラー電流比Im1/Im2=2/1であるときの挙動を示している。一方、出力電流Ioutの破線は、ミラー電流比Im1/Im2=1/2であるときの挙動を示している。
 上記のミラー電流比Im1/Im2は、電源装置1の定常時において、ミラートランジスタM11及びM12それぞれに流れるミラー電流Im1及びIm2の比率である。すなわち、ミラー電流比Im1/Im2は、ミラートランジスタM11及びM12のサイズ比として理解してもよい。
 出力電流Ioutの実線と破線を対比すれば明らかなように、本実施形態の電源装置1では、ミラー電流比Im1/Im2を調整することにより、電源装置1の起動時における過渡的なピーク電流を抑制することができる。
 図4は、電源装置1の負荷変動時におけるピーク電流の挙動を示す図であり、上から順に、出力電圧Vout及び出力電流Ioutが描写されている。
 なお、出力電流Ioutの実線は、ミラー電流比Im1/Im2=2/1であるときの挙動を示している。一方、出力電流Ioutの破線は、ミラー電流比Im1/Im2=1/2であるときの挙動を示している。
 出力電流Ioutの実線と破線を対比すれば明らかなように、本実施形態の電源装置1では、ミラー電流比Im1/Im2を調整することにより、電源装置1の負荷変動に伴う過電流保護動作時における過渡的なピーク電流を抑制することができる。一方、出力電流IoutのDC的な上限値(=過電流検出閾値)は、ミラー電流比Im1/Im2に依らず一定となる。
 図5は、ミラー電流比Im1/Im2と出力電圧Voutの負荷応答特性との関係を示す図である。本図中の実線(ミラー電流比:小)、小破線(ミラー電流比:中)及び大破線(ミラー電流比:大)を対比すれば明らかなように、ミラー電流比Im1/Im2が大きくなるほど、出力電圧Voutの負荷応答特性が悪化する、すなわち、負荷変動時の出力変動が大きくなることが分かる。
 例えば、出力トランジスタM1及びM2のサイズ比が1:2である場合には、Im1/Im2>5/10で誤動作を生じ得る。
 図6は、ミラー電流比Im1/Im2と出力電流Ioutのピーク電流との関係を示す図である。本図中の実線(ミラー電流比:小)、小破線(ミラー電流比:中)及び大破線(ミラー電流比:大)を対比すれば明らかなように、ミラー電流比Im1/Im2が小さくなるほど、出力電流Ioutのピーク電流が大きくなる、すなわち、ピーク電流を抑制することができなくなることが分かる。
 例えば、出力トランジスタM1及びM2のサイズ比が1:2である場合には、Im1/Im2<2/10で誤動作を生じ得る。
 図5及び図6の挙動を鑑みると、例えば、出力トランジスタM1及びM2のサイズ比が1:2である場合には、2/8<Im1/Im2<4/6が成立するように、ミラー電流比Im1/Im2を設定することが適切であると考えられる。
 なお、電源装置1の設計思想としては、まず位相特性を最適化するように出力トランジスタM1及びM2のサイズ比及び抵抗R10の抵抗値を決定した上で、ピーク電流の抑制と負荷応答特性の向上を両立するようにミラー電流比Im1/Im2を設定することが望ましい。
<電源装置(第2実施形態)>
 図7は、電源装置1の第2実施形態を示す図である。本実施形態の電源装置1は、先出の第1実施形態(図2)を基本としつつ、出力トランジスタM2が省略されている。
 このように、ピーク電流の抑制と負荷応答特性の向上を両立するためには、過電流保護回路OCPのミラートランジスタを複数に分割することが重要であって、出力トランジスタを分割することは必須でない。
<総括>
 以下では、上記で説明した種々の実施形態について総括的に述べる。
 例えば、本明細書中に開示されている過電流保護回路は、第1出力トランジスタと共通の第1駆動信号により駆動されて第1ミラー電流を流すように構成された第1ミラートランジスタと、第2駆動信号により駆動されて第2ミラー電流を流すように構成された第2ミラートランジスタと、前記第1出力トランジスタ及び前記第1ミラートランジスタそれぞれの制御端と前記第2ミラートランジスタの制御端との間に接続されるように構成された抵抗と、前記第1ミラー電流及び前記第2ミラー電流を合算したセンス電流を所定の上限値以下に制限するように前記第1駆動信号を制御するように構成された電流制限部と、を備える構成(第1の構成)とされている。
 なお、上記第1の構成による過電流保護回路において、前記電流制限部は、前記センス電流をセンス電圧に変換するように構成されたセンス抵抗と、前記センス電圧に応じて前記第1駆動信号を調整するように構成されたオペアンプと、を含む構成(第2の構成)にしてもよい。
 また、上記第1又は第2の構成による過電流保護回路において、前記第1ミラートランジスタ及び前記第2ミラートランジスタのサイズは、前記第1出力トランジスタのサイズよりも小さい構成(第3の構成)にしてもよい。
 また、上記第1~第3いずれかの構成による過電流保護回路において、前記抵抗の抵抗値は、数十~数百kΩである構成(第4の構成)にしてもよい。
 また、例えば、本明細書中に開示されている電源装置は、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て前記第1駆動信号により駆動されるように構成された前記第1出力トランジスタと、前記出力電圧又はこれに応じた帰還電圧と所定の基準電圧との差分に応じて前記第1駆動信号を生成するように構成された出力帰還回路と、上記第1~第4いずれかの構成による過電流保護回路と、を備える構成(第5の構成)とされている。
 なお、上記第5の構成による電源装置は、前記入力電圧の入力端と前記出力電圧の出力端との間に接続されて前記第2駆動信号により駆動されるように構成された第2出力トランジスタをさらに備える構成(第6の構成)にしてもよい。
 上記第6の構成による電源装置において、前記第2出力トランジスタのサイズは、前記第1出力トランジスタのサイズよりも大きい構成(第7の構成)にしてもよい。
 また、上記第7の構成による電源装置において、前記第1出力トランジスタ及び前記第2出力トランジスタのサイズ比は1:2である構成(第8の構成)にしてもよい。
 また、上記第8の構成による電源装置は、定常時における前記第1ミラー電流及び前記第2ミラー電流をIm1及びIm2として2/8<Im1/Im2<4/6が成立する構成(第9の構成)にしてもよい。
 また、上記第5~第9いずれかの構成による電源装置において、前記出力帰還回路は、前記出力電圧又は前記帰還電圧と前記基準電圧との差分に応じて前記第1駆動信号を生成するように構成されたエラーアンプを含む構成(第10の構成)にしてもよい。
<その他の変形例>
 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。例えば、バイポーラトランジスタとMOS電界効果トランジスタとの相互置換及び各種信号の論理レベル反転は任意である。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、特許請求の範囲により規定されるものであって、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。
   1  電源装置(LDOレギュレータ)
   2  負荷
   A1  エラーアンプ
   A10  オペアンプ
   C1  キャパシタ
   M1、M2  出力トランジスタ(PMOSFET)
   M11、M12  ミラートランジスタ(PMOSFET)
   OCP  過電流保護回路
   R1、R2、R10  抵抗
   Rs  センス抵抗
   REF  基準電圧生成回路

Claims (10)

  1.  第1出力トランジスタと共通の第1駆動信号により駆動されて第1ミラー電流を流すように構成された第1ミラートランジスタと、
     第2駆動信号により駆動されて第2ミラー電流を流すように構成された第2ミラートランジスタと、
     前記第1出力トランジスタ及び前記第1ミラートランジスタそれぞれの制御端と前記第2ミラートランジスタの制御端との間に接続されるように構成された抵抗と、
     前記第1ミラー電流及び前記第2ミラー電流を合算したセンス電流を所定の上限値以下に制限するように前記第1駆動信号を制御するように構成された電流制限部と、
     を備える、過電流保護回路。
  2.  前記電流制限部は、
     前記センス電流をセンス電圧に変換するように構成されたセンス抵抗と、
     前記センス電圧に応じて前記第1駆動信号を調整するように構成されたオペアンプと、
     を含む、請求項1に記載の過電流保護回路。
  3.  前記第1ミラートランジスタ及び前記第2ミラートランジスタのサイズは、前記第1出力トランジスタのサイズよりも小さい、請求項1又は2に記載の過電流保護回路。
  4.  前記抵抗の抵抗値は、数十~数百kΩである、請求項1~3のいずれか一項に記載の過電流保護回路。
  5.  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て前記第1駆動信号により駆動されるように構成された前記第1出力トランジスタと、
     前記出力電圧又はこれに応じた帰還電圧と所定の基準電圧との差分に応じて前記第1駆動信号を生成するように構成された出力帰還回路と、
     請求項1~4のいずれか一項に記載の過電流保護回路と、
     を備える、電源装置。
  6.  前記入力電圧の入力端と前記出力電圧の出力端との間に接続されて前記第2駆動信号により駆動されるように構成された第2出力トランジスタをさらに備える、請求項5に記載の電源装置。
  7.  前記第2出力トランジスタのサイズは、前記第1出力トランジスタのサイズよりも大きい、請求項6に記載の電源装置。
  8.  前記第1出力トランジスタ及び前記第2出力トランジスタのサイズ比は1:2である、請求項7に記載の電源装置。
  9.  定常時における前記第1ミラー電流及び前記第2ミラー電流をIm1及びIm2として2/8<Im1/Im2<4/6が成立する、請求項8に記載の電源装置。
  10.  前記出力帰還回路は、前記出力電圧又は前記帰還電圧と前記基準電圧との差分に応じて前記第1駆動信号を生成するように構成されたエラーアンプを含む、請求項5~9のいずれか一項に記載の電源装置。
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