JP2010115072A - レギュレータ回路 - Google Patents

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Abstract

【課題】従来のレギュレータ回路は、低い出力電圧を出力する場合に出力トランジスタの内部損失が大きくなる問題があった。
【解決手段】本発明にかかるレギュレータ回路は、第1の電源電圧Vcc1を降圧して第2の電源電圧Vcc2を生成する直流電圧変換回路11と、第1の電源電圧Vcc1に基づき動作し、出力端子OTから出力される出力電圧Voutに応じて変動する帰還電圧と第1の基準電圧Vref1とを比較して出力制御信号Verrを出力するエラーアンプ12と、ドレインに第2の電源電圧Vcc2が供給され、ソースが出力端子OTに接続され、ゲートに出力制御信号Verrを受けるN型MOSトランジスタと、を有する。
【選択図】図1

Description

本発明はレギュレータ回路に関し、特に初段のレギュレータ回路が出力する降圧電圧を受けて動作するシリーズレギュレータを有するレギュレータ回路に関する。
近年、半導体装置の製造プロセスの微細化が進み、半導体装置の集積度が向上している。また、半導体装置では製造プロセスの微細化されることで半導体素子の破壊耐圧は低下している。しかしながら、外部から供給される電源の電源電圧の低電圧化は進んでいない。そのため、微細化された製造プロセスにより製造された半導体装置に今までと同じ電源電圧を供給すると半導体装置内の半導体素子に過大な電源電圧が印加され半導体素子が破壊する問題が顕著になってきている。
そこで、近年では、半導体装置に印加する電源電圧を直流電圧変換して降圧電圧を生成し、この降圧電圧を半導体装置に供給することが行われている。このように、電源電圧の電圧値を異なる電圧に変換して他の回路に供給する場合に電圧変換を行う回路としてレギュレータ回路が用いられる。このレギュレータ回路の一例が特許文献1に開示されている。
特許文献1に記載のレギュレータ回路は、出力トランジスタと制御回路を有する。この例では、出力トランジスタとしてNPNバイポーラトランジスタを用いる。また、制御回路は、出力トランジスタのベース電流を制御することで、出力トランジスタの導通状態を制御する。そして、特許文献1に記載のレギュレータ回路は、コレクタ端子から入力される外部電源電圧を降圧した降圧電圧をエミッタ端子に出力する。しかし、特許文献1に記載のレギュレータ回路では、出力トランジスタとしてNPNトランジスタを用いているため、大きな出力電流を得るためには大きなベース電流が必要であり、レギュレータ回路の電力効率が悪化する問題がある。そのため、近年では、ベース電流を必要としないPMOSトランジスタを出力トランジスタとして用いたレギュレータ回路が特許文献2、3等で提案されている。
ここでは、特許文献2、3のうち特許文献2について説明する。特許文献2に記載のレギュレータ回路101のブロック図を図3に示す。図3に示すように、レギュレータ回路101は、スイッチングレギュレータ102、シリーズレギュレータ103、電圧切換制御回路104を有する。スイッチングレギュレータ102は、外部に接続される電源107から出力される電源電圧VAを出力電圧VBに変換する。シリーズレギュレータ103は、出力電圧VBを出力電圧VCに変換して出力する。
電圧切換制御回路104は、第1遅延回路111、第2遅延回路112、制御回路113を有する。電圧切換制御回路104は、電圧切換信号Sa1、Sa2をスイッチングレギュレータ102及びシリーズレギュレータ103に出力するタイミングをそれぞれ制御する。このとき、制御回路113は、電圧切換信号Saに応じて第1遅延回路111に制御信号S1を、第2遅延回路112に制御信号S2をそれぞれ出力する。第1遅延回路111は、入力された制御信号S1に応じて、電圧切換信号Saを基にした電圧切換信号Sa1をスイッチングレギュレータ102に出力する。第2遅延回路112は、入力された制御信号S2に応じて、電圧切換信号Saを基にした電圧切換信号Sa2をシリーズレギュレータ103に出力する。
ここで、シリーズレギュレータ103のブロック図を図4に示す。図4に示すように、シリーズレギュレータ103は、基準電圧発生回路125、誤差増幅器A11、抵抗R11〜R14、スイッチSW2、出力トランジスタQ11を有する。そして、誤差増幅器A11は、基準電圧発生回路125が出力する基準電圧Vr2と抵抗R11、R12又は抵抗R13、R14を介して反転入力端子に入力される帰還電圧との誤差を増幅して出力トランジスタQ11を駆動する。スイッチSW2は、電圧切換信号Sa2に基づき、抵抗R11、R12と抵抗R13、R14のいずれか一方を選択することで帰還電圧Vd11と帰還電圧Vd12のいずれか一方を、誤差増幅器A11の反転入力端子に与える。この誤差増幅器A11は、基準電圧Vr2と帰還電圧との差に基づき出力トランジスタQ11の導通状態を制御する。
特許文献2に記載のレギュレータ回路101では、出力電圧VCを低下させる場合にはシリーズレギュレータ103に対して出力電圧VCを低下させた後、スイッチングレギュレータ102に対して出力電圧VBを低下させる。一方、出力電圧VCを上昇させる場合にはスイッチングレギュレータ102に対して出力電圧VBを上昇させた後、シリーズレギュレータ103に対して出力電圧VCを上昇させる。レギュレータ回路101では、このような制御を行うことで、ノイズやリップルの少ない出力電圧VCを得る。
特開平7−95765号公報 特開2003−235250号公報 特開2008−86165号公報
しかしながら、シリーズレギュレータ103では、出力トランジスタQ11としてPMOSトランジスタを利用しているため、出力トランジスタQ11において生じる損失が大きくなる問題がある。この問題について具体的に説明する。
まず、シリーズレギュレータ103の入力電力をPin、出力電力をPout、出力トランジスタQ11の内部損失をPdとすると、入力電力Pinは(1)式により表すことができる。
Pin=Pout+Pd・・・(1)
また、シリーズレギュレータ103の外部に接続される負荷に流れる負荷電流をIo、出力トランジスタQ11に流れるドレイン電流をIdとすると、内部損失Pdは(2)式により表される。
Pd=Pin−Pout
=VB×Id−VC×Io・・・(2)
このときドレイン電流Idと負荷電流Ioは、抵抗R11〜R14に流れる電流をIxとすると(3)式により表される。
Id=Io+Ix
従って、(2)、(3)式より内部損失Pdは(4)式により表される。
Pd=(VB−VC)Io+VB×Ix・・・(4)
ここで、電流Ixは、負荷電流Ioに比べて極めて小さいため、電流Ixを含む項を省略すると内部損失Pdは(5)式により表される。
Pd=(VB−VC)Io・・・(5)
(5)式より、シリーズレギュレータ103では、出力電圧VBと出力電圧VCとの電圧差に比例して出力トランジスタQ11の内部損失が大きくなる。そのため、シリーズレギュレータ103において出力トランジスタQ11の内部損失Pdを小さくするためには、出力電圧VBと出力電圧VCとの差を小さくする必要がある。しかしながら、シリーズレギュレータ103において出力電圧VBの電圧を小さくした場合別の問題が生じる。シリーズレギュレータ103では出力トランジスタQ11としてPMOSトランジスタを用いている。PMOSトランジスタのドレイン電流Idは、ソース・ゲート間の電圧差Vgsに比例して大きくなる。このドレイン電流Idは(6)式により表すことができる。
Id=β/2×(Vgs−Vt)・・・(6)
ここで、VtはPMOSトランジスタの閾値電圧であり、βはβ=W/L×μCoxであり、WはPMOSトランジスタのゲート幅、LはPMOSトランジスタのゲート長、μはPMOSトランジスタのキャリアの移動度であり、CoxはPMOSトランジスタのゲートの単位面積当たりのゲート酸化膜容量である。
つまり、(6)式より、出力トランジスタQ11では、出力電圧VBの電圧を低下させると、ソース・ゲート間電圧Vgsが小さくなるため、大きなドレイン電流Idを確保することができなくなる。
上記説明より、レギュレータ回路101では、出力電圧を低く抑えながら大きな負荷電流Ioを得ようとすると、出力トランジスタQ11で生じる内部損失が大きくなる問題があることがわかる。
本発明にかかるレギュレータ回路の一態様は、第1の電源電圧を降圧して第2の電源電圧を生成する直流電圧変換回路と、前記第1の電源電圧に基づき動作し、出力端子から出力される出力電圧に応じて変動する帰還電圧と第1の基準電圧とを比較して出力制御信号を出力するエラーアンプと、ドレインに前記第2の電源電圧が供給され、ソースが前記出力端子に接続され、ゲートに前記出力制御信号を受けるN型MOSトランジスタと、を有する。
本発明にかかるレギュレータ回路によれば、エラーアンプに第1の電源電圧を供給し、かつ、出力トランジスタにN型MOSトランジスタを用いる。これにより、出力電圧が低い場合においてもN型MOSトランジスタのソース・ゲート間電圧Vgsを第1の電源電圧まで拡大することができる。
本発明にかかるレギュレータ回路によれば、出力トランジスタにおける内部損失を小さくしながら、低出力電圧かつ高出力電流を実現できる。
実施の形態1
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図1に本実施の形態にかかるレギュレータ回路1のブロック図を示す。図1に示すように、レギュレータ回路1は、基準電圧源10、直流電圧変換回路11、エラーアンプ12、出力トランジスタ13、分圧回路14、インダクタンスL、コンデンサCを有する。なお、インダクタンスL及びコンデンサCは、外付け部品として実装されるものとする。また、レギュレータ回路101は、電源端子VT、外部端子MTa〜MTc、出力端子OT、接地端子GTを有する。図1では3つの接地端子GTを示したが、接地端子GTは、1つの端子であっても構わない。
基準電圧源10は、電源端子VTと接地端子GTとの間に接続される。基準電圧源10は、第1の電源電圧Vcc1を受けて、第1の基準電圧Vref1を生成する。直流電圧変換回路11は、電源端子VTと接地端子GTとの間に接続される。直流電圧変換回路11は、外部端子MTa、MTbを介して接続されるインダクタンスLを駆動し、コンデンサCに電荷を蓄積することで第2の電源電圧Vcc2を生成する。直流電圧変換回路11は、第2の電源電圧Vcc2の電圧を第1の基準電圧Vref1に基づき制御する。また、直流電圧変換回路11は、第2の電源電圧Vcc2の電圧値に応じてインダクタンスLを駆動する駆動間隔を制御ことで、第2の電源電圧Vcc2の電圧値を維持する。つまり、直流電圧変換回路11は、インダクタンスLとコンデンサCと共にスイッチングレギュレータとして機能する。
本実施の形態では、エラーアンプ12、分圧回路14、出力トランジスタ13によりシリーズレギュレータが構成される。エラーアンプ12は、電源端子VTから入力される第1の電源電圧Vcc1を受けて動作する。また、エラーアンプ12は、正転入力端子に第1の基準電圧Vref1を受け、反転入力端子に帰還電圧を受ける。そして、エラーアンプ12は、第1の基準電圧Vref1と帰還電圧との電圧差を増幅して出力制御信号Verrを出力する。
分圧回路14は、出力端子OTと接地端子GTとの間に直列に接続される抵抗Rf、Rsを有する。そして、分圧回路14は、抵抗Rfと抵抗Rsとの抵抗比に基づき出力電圧Voutを分圧した帰還電圧を抵抗Rfと抵抗Rsとの間のノードから出力する。
本実施の形態における出力トランジスタ13は、N型MOSトランジスタ(以下、単にNMOSトランジスタと称す。)である。出力トランジスタ13は、ソースが出力端子OTに接続され、ドレインが外部端子MTcに接続され、ゲートがエラーアンプ12の出力端子に接続される。つまり、出力トランジスタ13は、エラーアンプ12が出力する出力制御信号Verrに基づき導通状態が制御される。また、出力トランジスタ13は、外部端子MTcを介して第2の電源電圧Vcc2を受ける。そして、出力トランジスタ13は、出力制御信号Verrに基づき出力端子OTに出力電圧Voutを出力する。
出力端子OTには負荷20が接続されている。この負荷20には、レギュレータ回路1により生成された出力電圧Voutが印加される。また、負荷20には、負荷電流Ioがレギュレータ回路1を介して供給される。この負荷電流Ioの最大値は、出力トランジスタ13の電流能力により決定される。
続いて、本実施の形態にかかるレギュレータ回路1の動作について説明する。まず、本実施の形態では、第1の基準電圧Vref1は、第1の電源電圧Vcc1の電圧変動及び温度変動に対して安定した電圧であるとする。また、第2の電源電圧Vcc2は、第1の電源電圧Vcc1よりも低い電圧とする。つまり、直流電圧変換回路11を含むスイッチングレギュレータは、降圧型のスイッチングレギュレータとして機能するものとする。
このとき、エラーアンプ12が出力する出力制御信号は、エラーアンプ12に供給される電源電圧が第1の電源電圧Vcc1であるため、接地電圧(例えば、0V)から第1の電源電圧Vcc1に至る電圧変動範囲を有する。そのため、本実施の形態では、出力トランジスタ(NMOSトランジスタ)13のソース・ゲート間電圧Vgsは、Vout−Vcc1となる。また、NMOSトランジスタ13のドレイン電流Idは、(7)式により表される。
Id=β/2×(Vgs−Vt)・・・(7)
ここで、VtはPMOSトランジスタの閾値電圧であり、βはβ=W/L×μCoxであり、WはPMOSトランジスタのゲート幅、LはPMOSトランジスタのゲート長、μはPMOSトランジスタのキャリアの移動度であり、CoxはPMOSトランジスタのゲートの単位面積当たりのゲート酸化膜容量である。
出力トランジスタ13としてNMOSトランジスタを用いた場合、ソース・ゲート間電圧Vgsは、出力電圧Voutに依存し、NMOSトランジスタのドレインに供給される第2の電源電圧Vcc2には依存しない。そのため、(7)式より、レギュレータ回路1の出力トランジスタ13に流れるドレイン電流Idは、第2の電源電圧Vcc2の電圧値によらず大きくすることができる。
また、出力トランジスタ13の入力電力をPin、出力電力をPout、出力トランジスタ13の内部損失をPdとすると、入力電力Pinは(1)式により表すことができる。
Pin=Pout+Pd・・・(8)
このとき、レギュレータ回路1の外部に接続される負荷20に流れる負荷電流をIo、出力トランジスタ13に流れるドレイン電流をIdとすると、内部損失Pdは(9)式により表される。
Pd=Pin−Pout
=Vcc2×Id−Vout×Io・・・(9)
このときIdとIoは、抵抗Rf、Rsに流れる電流をIxとすると(10)式により表される。
Id=Io+Ix
従って、(9)、(10)式より内部損失Pdは(11)式により表される。
Pd=(Vcc2−Vout)Io+Vcc2×Ix・・・(11)
ここで、電流Ixは、負荷電流Ioに比べて極めて小さいため、電流Ixを含む項を省略すると内部損失Pdは(12)式により表される。
Pd=(Vcc2−Vout)Io・・・(12)
(12)式より、レギュレータ回路1では、出力電圧Voutと第2の電源電圧Vcc2との電圧差に比例して出力トランジスタ13の内部損失が大きくなる。そのため、この内部損失を小さくするためには第2の電源電圧Vcc2の値を小さくする必要がある。このとき、レギュレータ回路1では、出力トランジスタ13の電流能力(ドレイン電流Idの値)が第2の電源電圧Vcc2の影響を受けないため、第2の電源電圧Vcc2を出力電圧Voutに近づけても出力トランジスタ13の電流能力は低下しない。
上記説明より、本実施の形態にかかるレギュレータ回路1は、出力トランジスタ13としてNMOSトランジスタを用いることで、第2の電源電圧Vcc2の電圧値によらず出力トランジスタ13の出力電流能力を決定することができる。これにより、本実施の形態にかかるレギュレータ回路1は、出力トランジスタ13の出力電流能力を維持しながら、第2の電源電圧Vcc2の電圧値を低くして出力トランジスタ13の内部損失を低減することができる。
また、本実施の形態にかかるレギュレータ回路1は、エラーアンプ12に第1の電源電圧Vcc1を供給することで、NMOSトランジスタのソース・ゲート間電圧Vgsを大きく設定することができる。つまり、出力電圧Voutが第2の電源電圧Vcc2の電圧値に近い値であっても、出力制御信号Verrを第1の電源電圧Vcc1に近い値とすることができる。これにより、本実施の形態にかかるレギュレータ回路1は、出力電圧Voutの電圧値によらず出力トランジスタ13の電流能力を高めることができる。
また、レギュレータ回路1では、直流電圧変換回路11を含むスイッチングレギュレータに続けてエラーアンプ12及び出力トランジスタ13を含むシリーズレギュレータを配置する。これにより、レギュレータ回路1では、第2の電源電圧Vcc2に重畳されるスイッチングノイズやリップノイズなどのノイズ成分の影響が出力電圧Voutに影響することを抑制することができる。負荷20として接続される回路は、小さな電源電圧範囲に基づき動作するため、このノイズの影響を低減することは、負荷回路の動作を安定させるために非常に重要になる。
実施の形態2
実施の形態2にかかるレギュレータ回路2のブロック図を図2に示す。図2に示すように、レギュレータ回路2は、レギュレータ回路1に対して基準電圧変換回路15を追加したものである。基準電圧変換回路15は、基準電圧源10の出力端子と接地端子GTとの間に接続される。そして、基準電圧変換回路15は、基準電圧源10の出力端子と接地端子GTとの間に直列に接続される抵抗R1、R2を有する。基準電圧変換回路15は、第1の基準電圧Vref1を抵抗R1の一端に受けて、抵抗R1、R2の抵抗比に基づき第1の基準電圧Vref1を分圧する。そして、基準電圧変換回路15は、抵抗R1、R2により生成された第2の基準電圧Vref2を出力する。つまり、第2の基準電圧Vref2は、第1の基準電圧Vref1よりも低い電圧値を有する。この第2の基準電圧Vref2は、エラーアンプ12の正転入力端子に入力される。エラーアンプ12を含むシリーズレギュレータは、第2の基準電圧Vref2に基づき出力電圧Voutの電圧値を制御する。
実施の形態1にかかるレギュレータ回路1では、エラーアンプ12が正転増幅器を構成するため、第1の基準電圧Vref1よりも低い出力電圧Voutを出力することができなかった。そこで、実施の形態2では、基準電圧変換回路15により、エラーアンプ12に与える基準電圧を第1の基準電圧Vref1よりも小さな電圧値を有する第2の基準電圧Vref2とした。これにより、実施の形態2にかかるレギュレータ回路2では、第1の基準電圧Vref1よりも低い出力電圧Voutを出力することができる。
実施の形態1、2にかかるレギュレータ回路1では、出力電圧Voutを低く設定したとしても、出力トランジスタ(NMOSトランジスタ)13の電流能力は損なわれず、むしろ、向上する。そのため、実施の形態2において示したような方法によって出力電圧Voutを低くすることで、レギュレータ回路2は、レギュレータ回路1よりも大きな負荷電流Ioに対応することができる。なお、出力電圧Voutを低くした場合、出力電圧Voutの低下に応じて第2の電源電圧Vcc2の電圧を低下させることが好ましい。これは、出力トランジスタ13の内部損失を低減するためである。
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、初段に配置するレギュレータはスイッチングレギュレータに限らず、種々の直流電圧変換回路を配置することが可能である。
実施の形態1にかかるレギュレータ回路のブロック図である。 実施の形態2にかかるレギュレータ回路のブロック図である。 特許文献2に記載のレギュレータ回路のブロック図である。 特許文献2に記載のシリーズレギュレータのブロック図である。
符号の説明
1、2 レギュレータ回路
10 基準電圧源
11 直流電圧変換回路
12 エラーアンプ
13 出力トランジスタ(NMOSトランジスタ)
14 分圧回路
15 基準電圧変換回路
20 負荷
C コンデンサ
L インダクタンス
Rf、Rs 抵抗
R1、R2 抵抗
GT 接地端子
VT 電源端子
MTa〜MTc 外部端子
OT 出力端子
Id ドレイン電流
Io 負荷電流
Ix 電流
Vcc1 第1の電源電圧
Vcc2 第2の電源電圧
Verr 出力制御信号
Vout 出力電圧
Vref1 第1の基準電圧
Vref2 第2の基準電圧

Claims (5)

  1. 第1の電源電圧を降圧して第2の電源電圧を生成する直流電圧変換回路と、
    前記第1の電源電圧に基づき動作し、出力端子から出力される出力電圧に応じて変動する帰還電圧と第1の基準電圧とを比較して出力制御信号を出力するエラーアンプと、
    ドレインに前記第2の電源電圧が供給され、ソースが前記出力端子に接続され、ゲートに前記出力制御信号を受けるN型MOSトランジスタと、
    を有するレギュレータ回路。
  2. 前記直流電圧変換回路は、スイッチングレギュレータである請求項1に記載のレギュレータ回路。
  3. 前記出力制御信号は、前記第1の電源電圧を上限電圧とし、前記出力電圧を下限電圧とする電圧範囲で変動する請求項1又は2に記載のレギュレータ回路。
  4. 前記出力端子と接地端子との間に直列に接続される第1、第2の抵抗を備える分圧回路を有し、前記分圧回路は、前記第1、第2の抵抗の抵抗比に基づき前記出力電圧を分圧して前記帰還電圧を生成する請求項1乃至3のいずれか1項に記載のレギュレータ回路。
  5. 前記第1の基準電圧は、前記第1の基準電圧よりも高い電圧値を有する第2の基準電圧を所定の比率で分圧した電圧値を有する請求項1乃至4のいずれか1項に記載のレギュレータ回路。
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