JP3711893B2 - 電源回路装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電源電圧に基づいて安定化電圧を生成し、前記電源電圧よりも低い耐圧の設計基準によって形成される電源回路装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、車両のバッテリ電源からＥＣＵ(Electronic Control Unit) 等の電装品に供給する電源Ｖccを生成する電源回路をＩＣとして構成する場合、従来はバッテリの電源電圧Ｖbattに対する耐圧を考慮してバイポーラプロセスで形成することが一般的であった。ところが、ＥＣＵの中心をなすマイクロコンピュータはＣＭＯＳプロセスで形成されることが多いため、電源回路についても同様のプロセスで形成することができれば製造工程上メリットがある。
【０００３】
そこで、図４に示すように電源回路装置１をＣＭＯＳプロセスのＩＣとして形成することが試みられている。電源回路装置１の電源入力端子１ａにはバッテリ２の電源Ｖbattが電流制限抵抗（抵抗値ｒ１）３を介して印加されて、動作用電圧Ｖclp が供給されるようになっている。電源回路装置１は、基準電圧発生回路部４，クランプ回路部５及びレギュレータ回路部６を備えて構成されている。基準電圧発生回路部４は例えばバンドギャップリファレンスであり、動作用電圧Ｖclp を受けて基準電圧Ｖref （約１．２４Ｖ）を生成し、クランプ回路部５及びレギュレータ回路部６に供給するようになっている。
【０００４】
クランプ回路部５において、電源Ｖclp とグランドとの間にはオペアンプ７，ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ８が接続されていると共に、分圧抵抗９及び１０の直列回路が接続されている。オペアンプ７の反転入力端子には、基準電圧Ｖref が与えられており、非反転入力端子は分圧抵抗９及び１０（抵抗値ｒ２及びｒ３）の共通接続点に接続されている。そして、オペアンプ７の出力端子は、ＦＥＴ８のゲートに接続されている。
【０００５】
レギュレータ回路部６において、オペアンプ１１はオペアンプ７と共に電源Ｖclp によって動作し、その非反転入力端子には基準電圧Ｖref が与えられている。安定化電圧Ｖcc参照用の端子１ｂとグランドとの間には分圧抵抗１２及び１３（抵抗値ｒ４及びｒ５）の直列回路が接続されており、両者の共通接続点はオペアンプ１１の反転入力端子に接続されている。そして、オペアンプ１１の出力端子は、電源回路装置１の端子１ｃを介して外部に配置されているＮＰＮトランジスタ１４のベースに接続されている。
【０００６】
トランジスタ１４のエミッタはグランドに接続されており、コレクタは、ＰＮＰトランジスタ１５のベースに接続されている。トランジスタ１５のエミッタはバッテリ２に接続されている、コレクタは、安定化電圧Ｖcc（例えば５Ｖ）を出力するようになっている。
【０００７】
尚、基準電圧発生回路部４は、電圧Ｖbattの上昇過程で動作用電圧Ｖclp が２Ｖ程度に達すると１．２４Ｖの基準電圧Ｖref を発生させるが、この基準電圧Ｖref の定格値は、クランプ回路部５またはレギュレータ回路部６が定常的に動作するまでに確定されていれば良い。
【０００８】
以上のように構成された電源回路装置１では、レギュレータ回路部６のオペアンプ１１は、電源Ｖccの分圧電位と基準電圧Ｖref との差に基づいて外部のトランジスタ１４のベースに供給する電流を出力する。トランジスタ１４がオンした場合はトランジスタ１５もオンするのでバッテリ２より電流が供給され、電源Ｖccの電位が一定となるように（Ｖcc＝（ｒ４＋ｒ５）×Ｖref ／ｒ５）調整される。即ち、バッテリ２の電源電圧Ｖbattは例えば６Ｖ〜１８Ｖの間で変動するため安定化させて一定電圧Ｖccを生成し、その安定化電圧Ｖccを図示しない各部に電源として供給するようになっている。
【０００９】
また、クランプ回路部５のオペアンプ７は、電源Ｖclp の分圧電位と基準電圧Ｖref との差に基づいてＦＥＴ８のゲートに印加する電圧を制御する。即ち、電源回路装置１は、バッテリ２の電圧Ｖbattよりも耐圧が低く設定された（例えば５．５Ｖ）ＣＭＯＳプロセスで形成されている。そのため、クランプ回路部５は、電圧Ｖclp がその耐圧を上回ることがないように（Ｖclp ＝（ｒ２＋ｒ３）×Ｖref ／ｒ３，例えば５．２Ｖ）、電圧Ｖbattが電圧Ｖrs以上であればＦＥＴ８を介して電流をバイパスさせることで調整を行う。斯様なクランプ回路部５を配置することで、電源回路装置１をＣＭＯＳプロセスで形成することを可能としている。
【００１０】
図５には、バッテリ２の電源電圧Ｖbattと電圧Ｖclp ，Ｖccとの関係を示す。電圧Ｖbattのレベルが高いほど電流制限抵抗３を介してクランプ回路部５に流れ込む電流ｉ１は増加するため電圧Ｖclp も上昇する。そして、電圧Ｖclp が、オペアンプ１１が動作可能なレベル以上であれば、トランジスタ１４のベースに電流が供給されて電圧Ｖccが出力される。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、Ｖccが（ｒ４＋ｒ５）×Ｖref ／ｒ５に達する場合の電圧Ｖbattを最低起動電圧Ｖｌと定義し、バッテリ２の電圧Ｖbattが定常状態（例えば１２Ｖ）にある場合の、電流制限抵抗３の抵抗値ｒ１とバッテリ２の消費電流及び電圧Ｖｌとの関係を図６に示す。即ち、抵抗値ｒ１を小さくすると電流ｉ１が増加するため、バッテリ２を接続した場合の電圧Ｖclp は十分なレベルに達する。その結果、バッテリ２の電圧Ｖbattが低いレベルにある場合でも所定レベルの安定化電圧Ｖccを供給することが可能となり、最低起動電圧Ｖｌは低くなる。しかし、その一方で、電圧Ｖbattが低い場合でも、電圧Ｖclp の上昇を抑制するために電流をバイパスさせるＦＥＴ８が動作することになり電流消費が増加してしまう。逆に、抵抗値ｒ１を大きく設定した場合は、電流ｉ１が減少することから最低起動電圧Ｖｌは高くなるが電流消費を抑制できる。
【００１２】
車載用の電源回路装置１では、バッテリ２の消耗を抑制するため抵抗値ｒ１を大きな値に設定することが一般的である。そのため、装置１における最低起動電圧Ｖｌは高めに設定され、バッテリ２の電圧Ｖbattが低い領域では安定化電圧Ｖccが所定のレベルを維持できなくなるという問題があった。
【００１３】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、電流消費を増加させることなく、電源電圧が低い場合でも必要なレベルの安定化電圧を生成できる電源回路装置を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の電源回路装置によれば、クランプ回路部は、電源の出力電圧を抵抗を介して降圧することで耐圧未満となるようにクランプした動作用電圧を生成し、レギュレータ回路部は、電源の出力電圧を安定化するために外部に配置された電圧降下用素子を制御して安定化電圧を生成する。そして、コンパレータは、安定化電圧と動作用電圧とを比較して、前者が後者を所定レベル以上上回ると２つの出力側端子に安定化電圧と動作用電圧とが夫々印加されているスイッチング素子をオンさせる。
【００１５】
即ち、電源が電源回路装置に接続された場合に上記の条件が成立してコンパレータがスイッチング素子をオンさせると、安定化電圧側からも動作用電圧側に電流が供給されるため動作用電圧は瞬間的に上昇する。従って、消費電力を抑制するため前記抵抗の抵抗値を大きく設定した場合でも、コンパレータ及びスイッチング素子の作用によって動作用電圧の上昇を促進してレギュレータ回路部の動作を開始させることが可能となる。その結果、従来構成よりも最低起動電圧を低くすることができるため、電源電圧が低いレベルにある場合でも所定レベルの安定化電圧を生成することができる。
【００１６】
請求項２記載の電源回路装置によれば、ＣＭＯＳプロセスによって形成される半導体集積回路装置として構成するので、例えば、上述したマイクロコンピュータのような素子に安定化電圧を供給する電源回路に適用した場合は、両者を同一の半導体基板上に形成して一体に構成することが可能であり、全体を小形化することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を車両に搭載される電源回路装置に適用した場合の一実施例について図１乃至図３を参照して説明する。尚、図４と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、以下異なる部分についてのみ説明する。
【００１８】
電気的構成を示す図１において、本実施例の電源回路装置２１は、電源回路装置１にコンパレータ２２とＰチャネルＭＯＳＦＥＴ（スイッチング素子）２３とを加えて構成されている。コンパレータ２２の非反転入力端子はオペアンプ７の非反転入力端子に接続されており、反転入力端子はオペアンプ１１の反転入力端子に接続されている。そして、コンパレータ２２の出力端子は、ＦＥＴ２３のゲートに接続されている。ＦＥＴ２３のソース（出力側端子）は電源入力端子２１ａに接続されており、ドレイン（出力側端子）は安定化電圧Ｖcc参照用の端子２１ｂに接続されている。
【００１９】
コンパレータ２２は、反転入力端子の電位が非反転入力端子の電位よりも０．１Ｖ上回った場合に出力信号レベルがハイからロウに切り替わるように内部のしきい値が設定されている。その他の構成は図４と同様である。
【００２０】
次に、本実施例の作用について図２及び図３をも参照して説明する。図２は、図５相当図である。図５と同様に、電圧Ｖbattのレベルに応じて電圧Ｖclp は上昇し、オペアンプ１１が動作可能なレベルに達している場合は電圧Ｖccも出力される。電圧Ｖbattのレベルが上昇するのに伴って傾きが異なる電圧Ｖclp と電圧Ｖccとの上昇直線は交差するが、電圧Ｖccのレベルが電圧Ｖclp のレベルを０．１Ｖ上回る状態になると（Ｖcc≧Ｖclp ＋０．１）コンパレータ２２の出力レベルはハイからロウに切り替わり、ＦＥＴ２３はオンする。すると、ＦＥＴ２３のドレイン側（電圧Ｖcc側）からソース側（電圧Ｖclp 側）に電流ｉ２（図１参照）が供給されるので、電圧Ｖclp のレベルは瞬間的に上昇する。尚、図２では、電圧Ｖclp のレベル上昇を誇張して図示しているが、実際には電圧Ｖccと同程度に上昇する。
【００２１】
即ち、電圧Ｖbattのレベルに応じた電圧Ｖclp の変化軌跡はコンパレータ２２及びＦＥＴ２３の作用により非線形となる。従って、電源回路装置２１に対してバッテリ２が最初に接続された場合に、電圧Ｖbattが極めて短い時間内で過渡的に上昇する場合を想定すると、電圧Ｖclp は非線形に変化して上昇することになり、最低起動電圧Ｖｌは上昇する。
【００２２】
そして、電圧Ｖccが（ｒ４＋ｒ５）×Ｖref ／ｒ５に達していれば、従来と同様にレギュレータ回路部６の動作によって電圧Ｖccは安定化され、そのレベルを維持するように制御される。また、電圧Ｖclp が（ｒ２＋ｒ３）×Ｖref ／ｒ３に達している場合はクランプ回路部５が動作してそのレベルを維持するように制御される。そして、電圧Ｖccが所定レベルに安定化される定常状態にあっては、ＦＥＴ２３はオンすることはない。
【００２３】
従って、図３に示すように、電流制限抵抗３の抵抗値ｒ１を従来と同様に大きく設定しレギュレータ回路部６の動作開始電圧Ｖrsを同様に設定した場合でも、最低起動電圧Ｖｌが従来構成よりも低くなるため、バッテリ２が比較的消耗した状態にある電圧Ｖbattのレベルがより低い場合であっても、安定化電圧Ｖccが生成可能となっている。そして、ＦＥＴ２３は、バッテリ２が電源回路装置２１に最初に接続され定常状態に至る間にだけオンするので、定常状態においては、コンパレータ２２に流れる数１０μＡ程度の消費電流が増加するのみである。
【００２４】
以上のように本実施例によれば、電源回路装置２１のクランプ回路部５は、バッテリ２の出力電圧Ｖbattを電流制限抵抗３を介して降圧することでクランプした動作用電圧Ｖclp を生成し、レギュレータ回路部６は、電圧Ｖbattを安定化するために外部に配置されたトランジスタ（電圧降下用素子）１４，１５を制御して安定化電圧Ｖccを生成する。そして、コンパレータ２２は、安定化電圧Ｖccと動作用電圧Ｖclp とを比較して、前者が後者を０．１Ｖ以上上回るとＦＥＴ２３をオンさせて動作用電圧Ｖclp を上昇させるようにした。
【００２５】
従って、消費電力を抑制するため電流制限用抵抗３の抵抗値を大きく設定した場合でも、コンパレータ２２及びＦＥＴ２３の作用により動作用電圧Ｖclp の上昇を促進してレギュレータ回路部６の動作を開始させることが可能となる。その結果、従来構成よりも最低起動電圧Ｖｌを低くすることができるため、バッテリ２の電圧Ｖbattが低いレベルにある場合でも所定レベルの安定化電圧Ｖccを生成することが可能となる。
【００２６】
また、電源回路装置２１を半導体集積回路装置として構成したので、マイクロコンピュータのようにＣＭＯＳプロセスで構成される素子に電圧Ｖccを供給する電源回路に適用すれば、両者を同一の半導体基板上に形成して一体に構成することができ、全体を小形化することが可能となる。
【００２７】
本発明は上記し且つ図面に記載した実施例にのみ限定されるものではなく、次のような変形または拡張が可能である。
所定レベルは０．１Ｖに限ることなく、個別の設定に応じて適宜設定すれば良い。
電圧降下用素子はトランジスタに限らず、ＩＧＢＴやパワーＭＯＳＦＥＴなどを用いても良い。
基準電圧発生回路部４は、バンドギャップリファレンスを用いて構成するものに限らず、ツェナーダイオードなどを用いても良い。
スイッチング素子はＰチャネルＭＯＳＦＥＴ２３に限ることなく、コンパレータ２２の入力端子の接続を逆にしてＮチャネルＭＯＳＦＥＴを使用しても良い。電源回路装置は、独立したＩＣとして構成しても良い。また、同じＣＭＯＳプロセスで形成されて安定化電源Ｖccが動作用電源として供給されるマイクロコンピュータと同一の半導体基板上に一体で形成しても良い。
更に、電源回路装置はＣＭＯＳプロセスでＩＣとして構成するものに限らずディスクリート素子で構成しても良いし、バイポーラプロセスで形成されるものあってもバッテリ２の電圧よりも低い耐圧基準で形成される電源回路装置であれば適用が可能である。
また、車両の電装品などに適用するものに限ることはない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を車両に搭載される電源回路装置に適用した場合の一実施例であり、電気的構成を示す図
【図２】電源電圧Ｖbattと動作用電圧Ｖclp ，安定化電圧Ｖccとの関係を示す図
【図３】電圧Ｖbattが定常状態にある場合の、電流制限抵抗の抵抗値ｒ１とバッテリの消費電流及び最低起動電圧Ｖｌとの関係を示す図
【図４】従来技術を示す図１相当図
【図５】図２相当図
【図６】図３相当図
【符号の説明】
２はバッテリ（電源）、３は電流制限抵抗（抵抗）、５はクランプ回路部、６はレギュレータ回路部、１４及び１５はトランジスタ（電圧降下用素子）、２１は電源回路装置、２２はコンパレータ、２３はＰチャネルＭＯＳＦＥＴ（スイッチング素子）を示す。

Claims (2)

1. 電源電圧を安定化させて安定化電圧を生成するものであり、前記電源電圧よりも低い耐圧の設計基準によって形成される電源回路装置において、
   前記電源電圧を抵抗を介して降圧することで前記耐圧未満となるようにクランプした動作用電圧を生成するクランプ回路部と、
   前記電源電圧を安定化するために外部に配置された電圧降下用素子の駆動を制御することで、前記安定化電圧を生成するように構成されるレギュレータ回路部と、
   ２つの出力側端子に、前記安定化電圧と前記動作用電圧とが夫々印加されるスイッチング素子と、
   前記安定化電圧と前記動作用電圧とを比較して、前者が後者を所定レベル以上上回った場合に前記スイッチング素子をオンさせるように制御するコンパレータとを備えたことを特徴とする電源回路装置。
2. ＣＭＯＳプロセスによって形成される半導体集積回路装置として構成されていることを特徴とする請求項１記載の電源回路装置。

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