特許 6884472 ボルテージレギュレータ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6884472

(24)【登録日】2021年5月14日

(45)【発行日】2021年6月9日

(54)【発明の名称】ボルテージレギュレータ

(51)【国際特許分類】

   G05F 1/56 20060101AFI20210531BHJP

【ＦＩ】

   G05F1/56 310C

【請求項の数】5

【全頁数】7

(21)【出願番号】特願2017-155502(P2017-155502)

(22)【出願日】2017年8月10日

(65)【公開番号】特開2019-36021(P2019-36021A)

(43)【公開日】2019年3月7日

【審査請求日】2020年7月7日

(73)【特許権者】

【識別番号】715010864

【氏名又は名称】エイブリック株式会社

(72)【発明者】

【氏名】中島 伸吾

【審査官】 土井 悠生

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１３−０７７２８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−２４３０３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−３１６４５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−２１５８９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００８／０１５７７３５（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０５Ｆ １／４４５

Ｇ０５Ｆ １／５６

Ｇ０５Ｆ １／６１３

Ｇ０５Ｆ １／６１８

Ｈ０２Ｍ ３／００−３／４４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基準電圧と帰還電圧を入力し、その差を増幅し出力する差動増幅回路と、
前記差動増幅回路の出力端子に接続された第１のソース接地増幅回路と、
前記差動増幅回路の出力端子に接続された第２のソース接地増幅回路と、
前記第１のソース接地増幅回路の出力端子と前記第２のソース接地増幅回路の出力端子の間に接続された、抵抗部とコンデンサ部を有する位相補償回路と、
前記第２のソース接地増幅回路の出力端子に接続された出力トランジスタと、を備え、
前記位相補償回路の前記抵抗部と前記コンデンサ部の少なくとも一方は、フィルタを有することを特徴とするボルテージレギュレータ。

【請求項2】

前記位相補償回路の前記抵抗部は、
直列に接続された第一の抵抗及び第二の抵抗と、前記第二の抵抗と並列に接続されハイパスフィルタを備えた、
ことを特徴とする請求項１に記載のボルテージレギュレータ。

【請求項3】

前記位相補償回路の前記抵抗部は、
並列に接続された第一の抵抗及び第二の抵抗と、前記第二の抵抗と直列に接続されハイパスフィルタを備えた、
ことを特徴とする請求項１に記載のボルテージレギュレータ。

【請求項4】

前記位相補償回路の前記コンデンサ部は、
並列に接続された第一のコンデンサ及び第二のコンデンサと、前記第二のコンデンサと直列に接続されローパスフィルタを備えた、
ことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のボルテージレギュレータ。

【請求項5】

前記位相補償回路の前記抵抗部は、
並列に接続された第一の抵抗及び第二の抵抗と、前記第二の抵抗と直列に接続されローパスフィルタを備えた、
ことを特徴とする請求項１に記載のボルテージレギュレータ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ボルテージレギュレータに関する。

【背景技術】

【0002】

一般的に、ボルテージレギュレータは、入力電圧Ｖｉｎを受けて一定の出力電圧Ｖｏｕｔを発生し、負荷が変動しても出力電圧Ｖｏｕｔを常に一定に保つ。そして、ボルテージレギュレータは、過渡応答特性を向上させる為に、周波数帯域を広くする必要がある。

【0003】

図４は、従来のボルテージレギュレータ４００の回路である。従来のボルテージレギュレータ４００は、出力端子の電圧に応じた帰還電圧Ｖｆｂと基準電圧Ｖｒｅｆとの差を増幅した信号を出力する誤差増幅器４１と、抵抗とコンデンサで構成された位相補償回路４２を備え、３段増幅回路を構成している。このような回路構成にすることによって、安定動作と過渡応答性の改善を両立させている。

【0004】

また、従来のボルテージレギュレータ４００は、出力負荷電流をセンスする出力電流検出回路４３と、位相補償回路４２の抵抗と並列に接続されたスイッチ回路を備え、出力電流に応じて位相補償回路４２の抵抗値を切り替えることが出来るので、さらに動作を安定させることが出来る（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１３−７７２８８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

従来のボルテージレギュレータ４００は、負荷電流が変化した時に、位相補償回路４２の抵抗値を切り替える時にスイッチングノイズが発生する。従って、ボルテージレギュレータ４００は、スイッチングノイズによって動作が不安定になる可能性がある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

従来の課題を解決するために、本発明のボルテージレギュレータは、差動増幅回路の出力端子に接続された第１及び第２のソース接地増幅回路と、第１のソース接地増幅回路の出力端子と第２のソース接地増幅回路の出力端子の間に接続された抵抗部とコンデンサ部を有する位相補償回路と、記第２のソース接地増幅回路の出力端子に接続された出力トランジスタとを備え、位相補償回路の抵抗部とコンデンサ部の少なくとも一方はフィルタを有することを特徴とする。

【発明の効果】

【0008】

本発明ボルテージレギュレータは、位相補償回路を上記のように構成したので、広範囲な負荷電流条件に対して安定した動作が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本発明の実施形態のボルテージレギュレータの回路図である。

【図2】本発明の実施形態のボルテージレギュレータの他の例を示す回路図である。

【図3】本発明の実施形態のボルテージレギュレータの他の例を示す回路図である。

【図4】従来のボルテージレギュレータの回路図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。

【0011】

図１は、本実施形態のボルテージレギュレータ１００の回路図である。
ボルテージレギュレータ１００は、差動増幅器１１と、基準電圧回路１２と、ＭＯＳトランジスタ１３と、定電流源１４と、ＭＯＳトランジスタ１５と、定電流源１６と、ＭＯＳトランジスタ１７と、フィードバック回路１８と、出力端子１９と、位相補償回路２０と、を備えている。

【0012】

位相補償回路２０は、抵抗２１及び２２とコンデンサ２３を有する抵抗部と、コンデンサ２４及び２５とローパスフィルタ２６を有するコンデンサ部と、を備えている。ローパスフィルタ２６は、例えば、抵抗とコンデンサで構成される。

【0013】

出力トランジスタ１７とフィードバック回路１８は、電源端子Ｖｉｎ（「第１の電源端子」ともいう）と接地端子ＶＳＳ（「第２の電源端子」ともいう）との間に直列に接続されている。

【0014】

差動増幅器１１は、非反転入力端子が基準電圧Ｖｒｅｆを生成する基準電圧回路１２に接続され、反転入力端子がフィードバック回路１８の出力端子に接続され、出力端子がＭＯＳトランジスタ１３のゲート端子とＭＯＳトランジスタ１５のゲート端子に接続されている。

【0015】

ＭＯＳトランジスタ１３と定電流源１４は、電源端子Ｖｉｎと接地端子ＶＳＳとの間に直列に接続され、第１のソース接地増幅回路を構成する。第１のソース接地増幅回路は、入力端子がＭＯＳトランジスタ１３のゲート端子で、出力端子がＭＯＳトランジスタ１３のドレイン端子である。

【0016】

ＭＯＳトランジスタ１５と定電流源１６は、電源端子Ｖｉｎと接地端子ＶＳＳとの間に直列に接続され、第２のソース接地増幅回路を構成する。第２のソース接地増幅回路は、入力端子がＭＯＳトランジスタ１５のゲート端子で、出力端子がＭＯＳトランジスタ１５のドレイン端子である。第２のソース接地増幅回路は、出力端子がＭＯＳトランジスタ１７のゲート端子に接続されている。

【0017】

位相補償回路２０は、第１のソース接地増幅回路の出力端子と第２のソース接地増幅回路の出力端子の間に接続されている。
位相補償回路２０の抵抗部は、並列に接続された抵抗２２とコンデンサ２３が抵抗２１と直列に接続されている。位相補償回路２０のコンデンサ部は、直列に接続されたローパスフィルタ２６とコンデンサ２５がコンデンサ２４と並列に接続されている。

【0018】

フィードバック回路１８は、出力端子１９の出力電圧Ｖｏｕｔを分圧して帰還電圧Ｖｆｂを生成する。または、フィードバック回路１８は、出力電圧Ｖｏｕｔを分圧せずに、そのまま帰還電圧Ｖｆｂとして出力しても良い。

【0019】

差動増幅器１１は、基準電圧回路１２の出力する基準電圧Ｖｒｅｆと帰還電圧Ｖｆｂとを比較した結果を増幅して、第１のソース接地増幅回路と第２のソース接地増幅回路に出力する。

【0020】

ここで、第１のソース接地増幅回路と第２のソース接地増幅回路は、位相補償回路２０の両端の電圧が等しくなるように各素子を設定する。例えば、ＭＯＳトランジスタ１３とＭＯＳトランジスタ１５は、アスペクト比（Ｗ／Ｌ）が等しく、定電流源１４と定電流源１６は、電流値が等しくする。また例えば、ＭＯＳトランジスタ１３とＭＯＳトランジスタ１５のアスペクト比を変えた場合は、定電流源１４と定電流源１６の電流比もアスペクト比に対応するよう設定する。

【0021】

次に、ボルテージレギュレータ１００の動作について説明する。
出力端子１９の出力電圧Ｖｏｕｔが低下すると帰還電圧Ｖｆｂも低下するので、差動増幅器１１の出力電圧は上昇する。第１のソース接地増幅回路及び第２のソース接地増幅回路は、入力電圧が上昇するので、出力電圧は低下する。

【0022】

第１のソース接地増幅回路は、位相補償回路２０を介してＭＯＳトランジスタ１７のゲート端子を制御する。第２のソース接地増幅回路は、ＭＯＳトランジスタ１７のゲート端子を制御する。第２のソース接地増幅回路の出力は、位相補償回路２０を介さないことで、ＭＯＳトランジスタ１７のゲート端子の電圧を遅延無く所望の電圧に設定することが出来る。

【0023】

第１のソース接地増幅回路及び第２のソース接地増幅回路の出力電圧が低下すると、ＭＯＳトランジスタ１７は、ゲート端子の電圧が低下する。従って、ＭＯＳトランジスタ１７はオンするように動作するので、出力端子１９の出力電圧Ｖｏｕｔは上昇し、一定に保たれる。

【0024】

また、出力端子１９の出力電圧Ｖｏｕｔが上昇すると、ボルテージレギュレータ１００は、出力端子１９の出力電圧Ｖｏｕｔを低下させ、一定に保つように動作する。

【0025】

次に、ボルテージレギュレータ１００の位相補償の動作について説明する。

【0026】

ＭＯＳトランジスタ１７は、他のトランジスタと比べてサイズが遥かに大きい。従って、ＭＯＳトランジスタ１７のゲートとドレイン間の寄生容量は、ミラー効果により他のトランジスタと比べて大きな値となっている。また、コンデンサ２４とコンデンサ２５は、ＭＯＳトランジスタ１７のゲートとドレイン間の寄生容量に対して無視できるほど十分小さい容量値に設定されている。

【0027】

ＭＯＳトランジスタ１３とＭＯＳトランジスタ１５の出力抵抗の合成抵抗値と、ＭＯＳトランジスタ１７のゲートとドレイン間の寄生容量の容量値によって、ポールＰ２が発生する。また、夫々図示しない、ＭＯＳトランジスタ１７の出力抵抗と負荷抵抗の合成抵抗値と負荷容量の容量値よって、ポールＰ３が発生する。更に、位相補償回路２０の抵抗部の抵抗値とコンデンサ部の容量値によって決まる周波数に、ゼロ点Ｚ１が発生する。

【0028】

ボルテージレギュレータ１００は、ポールＰ２で９０度の位相の遅れが発生し、更にポールＰ３で９０度の位相遅れが発生する。特に、ポールＰ２とポールＰ３の周波数が接近した場合、位相余裕を確保することができなくなり、即ち安定動作を保つことができなくなる。従って、ゼロ点Ｚ１で位相を９０度進めることによって、安定動作を保つようにする。

【0029】

ポールＰ３の周波数は、負荷抵抗の抵抗値と負荷容量の容量値に依存するので、出力端子１９に流れる負荷電流に応じて変化する。例えば、ポールＰ３の周波数は、負荷抵抗が小さく負荷電流が大きい場合は高くなり、負荷抵抗が大きく負荷電流が少ない場合は低くなる。

【0030】

ここで、位相補償回路２０の抵抗部は、抵抗２２と並列に接続されたコンデンサ２３はハイパスフィルタとして機能する。ハイパスフィルタのカットオフ周波数よりも低い帯域では、位相補償回路２０の抵抗部の抵抗値は、抵抗２１と抵抗２２の抵抗値の合計になる。また、ハイパスフィルタのカットオフ周波数以上の帯域では、位相補償回路２０の抵抗部の抵抗値は、抵抗２１の抵抗値になる。

【0031】

よって、ゼロ点Ｚ１の周波数は、負荷電流が大きくなったとき、即ち、ハイパスフィルタのカットオフ周波数以上の帯域になると高くなる。従って、ボルテージレギュレータ１００は、負荷電流が増加してポールＰ３の周波数が高くなった場合、ゼロ点Ｚ１の周波数を高くできる。

【0032】

また、位相補償回路２０のコンデンサ部は、コンデンサ２５にローパスフィルタ２６が直列に接続されている。ローパスフィルタのカットオフ周波数よりも低い帯域では、位相補償回路２０のコンデンサ部の容量値は、コンデンサ２４とコンデンサ２５の容量値の合計になる。また、ローパスフィルタのカットオフ周波数以上の帯域では、位相補償回路２０のコンデンサ部の容量値は、コンデンサ２４の容量値になる。

【0033】

よって、ゼロ点Ｚ１の周波数は、負荷電流が大きくなったとき、即ち、ローパスフィルタのカットオフ周波数以上の帯域になると高くなる。従って、ボルテージレギュレータ１００は、負荷電流が増加してポールＰ３の周波数が高くなった場合、ゼロ点Ｚ１の周波数を高くできる。

【0034】

以上説明したように、ボルテージレギュレータ１００は、負荷電流の変動によってポールＰ３の周波数が移動したとしても、ゼロ点Ｚ１を適切な帯域で発生させることが出来るので、安定動作を保つことができる。従って、ボルテージレギュレータ１００は、広範囲な負荷電流条件に対して安定した動作が可能になる。

【0035】

なお、位相補償回路２０の抵抗部は、並列に接続された抵抗２２とコンデンサ２３が抵抗２１と直列に接続されている、としたがこれに限定されない。図２に示すボルテージレギュレータ２００の位相補償回路３０のように、ハイパスフィルタであるコンデンサ３３と直列に接続された抵抗３２が抵抗３１と並列に接続されても良い。

【0036】

また、位相補償回路２０は、抵抗部とコンデンサ部が並列に接続された構成として説明したが、この構成に限定されない。例えば、図３のボルテージレギュレータ３００の位相補償回路４０のように、抵抗部とコンデンサ部が直列に接続された構成であっても、同様の効果を得ることが出来る。

【0037】

また、各実施形態のゼロ点Ｚ１の周波数は、負荷電流が大きくなったとき低くなるように、位相補償回路を構成してもよい。この場合は、位相補償回路２０の抵抗部は、例えば、並列に接続された第一の抵抗及び第二の抵抗と、第二の抵抗と直列に接続されローパスフィルタを備えて構成すればよい。

【0038】

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることは言うまでもない。
例えば、上記各実施形態の位相補償回路は、必要に応じて、単独または組み合わせて構成してもよい。

【符号の説明】

【0039】

１１ 差動増幅回路
１２ 基準電圧回路
１４、１６ 定電流源
１８ フィードバック回路
２０、３０、４０ 位相補償回路
２６ ローパスフィルタ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】