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(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】
(24)【登録日】2023-12-18
(45)【発行日】2023-12-26
(54)【発明の名称】リニア電源回路及び車両
(51)【国際特許分類】
   H03F 3/45 20060101AFI20231219BHJP
   G05F 1/56 20060101ALI20231219BHJP
【FI】
H03F3/45 210
G05F1/56 310F
【請求項の数】 6
(21)【出願番号】P 2018205813
(22)【出願日】2018-10-31
(65)【公開番号】P2020072399
(43)【公開日】2020-05-07
【審査請求日】2021-10-15
(73)【特許権者】
【識別番号】000116024
【氏名又は名称】ローム株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001933
【氏名又は名称】弁理士法人 佐野特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】田古部 勲
(72)【発明者】
【氏名】山口 雄平
(72)【発明者】
【氏名】立石 哲夫
【審査官】工藤 一光
(56)【参考文献】
【文献】特開2003-84843(JP,A)
【文献】特開2011-90637(JP,A)
【文献】特開2014-26610(JP,A)
【文献】特開2006-79517(JP,A)
【文献】特開2007-4591(JP,A)
【文献】米国特許第8159301(US,B1)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
G05F1/00-3/30
H03F3/45
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
入力電圧が印加される入力端と出力電圧が印加される出力端との間に設けられた出力トランジスタと、
前記出力電圧に基づく電圧と基準電圧との差に基づいて前記出力トランジスタを駆動するドライバと、
を備えるリニア電源回路であって、
前記ドライバは、前記出力電圧に基づく電圧と前記基準電圧との差に応じた電圧を出力する差動増幅器と、前記差動増幅器の出力が一端に印加されグランド電位が他端に印加される第1容量と、前記差動増幅器の出力に基づく電圧を電流に変換して出力する変換器と、前記変換器の出力を電流増幅する電流増幅器と、を備え、
前記差動増幅器及び前記変換器の電源電圧が前記出力電圧に依存する電圧であり、
前記差動増幅器は、第1電圧が印加される反転入力端子と、前記第1電圧に略比例する第2電圧が印加される非反転入力端子と、前記反転入力端子と前記非反転入力端子間に所定の入力オフセット電圧を発生させるオフセット部と、を備え、
前記基準電圧は前記入力オフセット電圧に応じた電圧であり、
前記電流増幅器は、電流シンク型カレントミラー回路と電流ソース型カレントミラー回路とをそれぞれ複数備え、
前記電流シンク型カレントミラー回路それぞれのミラー比が5以下であり、
前記電流ソース型カレントミラー回路それぞれのミラー比が5以下である、リニア電源回路。
【請求項2】
入力電圧が印加される入力端と出力電圧が印加される出力端との間に設けられた出力トランジスタと、
前記出力電圧に基づく電圧と基準電圧との差に基づいて前記出力トランジスタを駆動するドライバと、
を備えるリニア電源回路であって、
前記ドライバは、前記出力電圧に基づく電圧と前記基準電圧との差に応じた電圧を出力する差動増幅器と、前記差動増幅器の出力が一端に印加され前記出力電圧に基づく電圧が他端に印加される第1容量と、前記差動増幅器の出力に基づく電圧を電流に変換して出力する変換器と、前記変換器の出力を電流増幅する電流増幅器と、を備え、
前記差動増幅器の電源電圧が第1定電圧であり、前記電流増幅器の電源電圧が第2定電圧である、又は、前記差動増幅器の電源電圧及び前記電流増幅器の電源電圧が前記入力電圧である、のいずれかであり、
前記差動増幅器は、第1電圧が印加される反転入力端子と、前記第1電圧に略比例する第2電圧が印加される非反転入力端子と、前記反転入力端子と前記非反転入力端子間に所定の入力オフセット電圧を発生させるオフセット部と、を備え、
前記基準電圧は前記入力オフセット電圧に応じた電圧であり、
前記電流増幅器は、電流シンク型カレントミラー回路と電流ソース型カレントミラー回路とをそれぞれ複数備え、
前記電流シンク型カレントミラー回路それぞれのミラー比が5以下であり、
前記電流ソース型カレントミラー回路それぞれのミラー比が5以下である、リニア電源回路。
【請求項3】
記電流増幅器の電源電圧が定電圧である、請求項1に記載のリニア電源回路。
【請求項4】
前記差動増幅器及び前記変換器の耐圧は、前記電流増幅器の耐圧より低い、請求項2又は請求項3に記載のリニア電源回路。
【請求項5】
前記差動増幅器のゲインは、前記電流増幅器のゲインより小さい、請求項1~のいずれか一項に記載のリニア電源回路。
【請求項6】
請求項1~のいずれか一項に記載のリニア電源回路を備える、車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、差動増幅器に関する。また、本発明は、当該差動増幅器を備える電源回路、リニア電源回路、及び車両に関する。
【背景技術】
【0002】
差動増幅器は、種々の回路において用いられる。例えば、LDO[low drop out]などのリニア電源回路は、リニア電源回路の出力電圧に基づく電圧と基準電圧との差に応じた誤差電圧を生成する差動増幅器を備える(例えば特許文献1参照)。また、例えばスイッチング電源回路は、スイッチング電源回路の出力電圧に基づく電圧と基準電圧との差に応じた誤差電圧を生成する差動増幅器を備える。また、例えば発光素子駆動回路は、発光素子駆動回路の出力電流に基づく電圧と基準電圧との差に応じた誤差電圧を生成する差動増幅器を備える。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開2003-84843号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
上述した誤差電圧を生成する差動増幅器は、基準電圧源から基準電圧を受け取る。基準電圧源の低消費電流化を図ろうとすると、基準電圧源の高抵抗化が必要となり、基準電圧源の回路面積が増大するという問題がある。したがって、差動増幅器を備える回路において低消費電流化と小型化とを両立させるために、基準電圧源は削減できることが望ましい。
【0005】
本発明は、上記の状況に鑑み、基準電圧源からの基準電圧の供給無しで、基準電圧と外部から供給される電圧との差に応じた電圧を出力できる差動増幅器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
上記目的を達成するために、本発明に係る差動増幅器は、第1電圧が印加される反転入力端子と、前記第1電圧に略比例する第2電圧が印加される非反転入力端子と、前記反転入力端子と前記非反転入力端子間に所定の入力オフセット電圧を発生させるオフセット部と、を備える構成(第1の構成)とする。
【0007】
また、本発明に係る電源回路は、負荷に出力を供給する電源回路であって、前記出力に応じた誤差電圧を生成する差動増幅器を備え、前記差動増幅器は上記第1の構成である差動増幅器である構成(第2の構成)とする。
【0008】
また、本発明の一局面に係るリニア電源回路は、入力電圧が印加される入力端と出力電圧が印加される出力端との間に設けられた出力トランジスタと、前記出力電圧に基づく電圧と基準電圧との差に基づいて前記出力トランジスタを駆動するドライバと、を備えるリニア電源回路であって、前記ドライバは、前記出力電圧に基づく電圧と前記基準電圧との差に応じた電圧を出力する差動増幅器と、前記差動増幅器の出力が一端に印加されグランド電位が他端に印加される第1容量と、前記差動増幅器の出力に基づく電圧を電流に変換して出力する変換器と、前記変換器の出力を電流増幅する電流増幅器と、を備え、前記差動増幅器及び前記変換器の電源電圧が前記出力電圧に依存する電圧であり、前記差動増幅器は上記第1の構成である差動増幅器であり、前記基準電圧は前記入力オフセット電圧に応じた電圧である構成(第3の構成)とする。
【0009】
また、本発明の他の局面に係るリニア電源回路は、入力電圧が印加される入力端と出力電圧が印加される出力端との間に設けられた出力トランジスタと、前記出力電圧に基づく電圧と基準電圧との差に基づいて前記出力トランジスタを駆動するドライバと、を備えるリニア電源回路であって、前記ドライバは、前記出力電圧に基づく電圧と前記基準電圧との差に応じた電圧を出力する差動増幅器と、前記差動増幅器の出力が一端に印加され前記出力電圧に基づく電圧が他端に印加される第1容量と、前記差動増幅器の出力に基づく電圧を電流に変換して出力する変換器と、前記変換器の出力を電流増幅する電流増幅器と、を備え、前記差動増幅器の電源電圧が第1定電圧であり、前記電流増幅器の電源電圧が第2定電圧ある、又は、前記差動増幅器の電源電圧及び前記電流増幅器の電源電圧が前記入力電圧である、のいずれかでであり、前記差動増幅器は上記第1の構成である差動増幅器であり、前記基準電圧は前記入力オフセット電圧に応じた電圧である構成(第4の構成)とする。
【0010】
また、上記第3の構成であるリニア電源回路において、前記電流増幅器の電源電圧が定電圧である構成(第5の構成)であってもよい。
【0011】
また、上記第4又は第5の構成であるリニア電源回路において、前記差動増幅器及前記変換器の耐圧は、前記電流増幅器の耐圧より低い構成(第6の構成)であってもよい。
【0012】
また、上記第3~第6いずれかの構成であるリニア電源回路において、前記差動増幅器のゲインは、前記電流増幅器のゲインより小さい構成(第7の構成)であってもよい。
【0013】
また、上記第3~第7いずれかの構成であるリニア電源回路において、前記電流増幅器は、電流シンク型カレントミラー回路と電流ソース型カレントミラー回路とをそれぞれ複数備え、前記電流シンク型カレントミラー回路それぞれのミラー比が5以下であり、前記電流ソース型カレントミラー回路それぞれのミラー比が5以下である構成(第8の構成)であってもよい。
【0014】
また、本発明に係る車両は、上記第2の構成である電源回路又は上記第3~第8いずれかの構成であるリニア電源回路を備える構成(第9の構成)とする。
【発明の効果】
【0015】
本発明によれば、基準電圧源からの基準電圧の供給無しで、基準電圧と外部から供給される電圧との差に応じた電圧を出力できる差動増幅器を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【0016】
図1】一実施形態に係る差動増幅器の概略構成を示す図
図2】リニア電源回路の一構成例を示す図
図3】スイッチング電源回路の一構成例を示す図
図4】スイッチング電源回路の他の構成例を示す図
図5】高速応答可能なリニア電源回路の一構成例を示す図
図6図5に示すリニア電源回路の出力特性を示すタイムチャート
図7】電流増幅器の一構成例を示す図
図8A】高速応答可能なリニア電源回路の他の構成例を示す図
図8B】電流増幅器の他の構成例を示す図
図9】車両の外観図
【発明を実施するための形態】
【0017】
<1.差動増幅器>
図1は、一実施形態に係る差動増幅器の概略構成を示す図である。差動増幅器100は、第1電圧V1が印加される反転入力端子101と、第1電圧V1に略比例する第2電圧V2が印加される非反転入力端子102と、反転入力端子101と非反転入力端子102間に所定の入力オフセット電圧を発生させるオフセット部103と、入力オフセット電圧が発生しない理想的な差動増幅器104と、出力端子105と、を備える。差動増幅器100は、誤差電圧V3を生成し、出力端子105から誤差電圧V3を出力する。
【0018】
第1電圧V1に対する第2電圧V2の比をkとし、オフセット部103により発生する所定の入力オフセット電圧をαとし、差動増幅器104のゲインをβとすると、下記の式が成り立つ。
【数1】
【0019】
差動増幅器100は、基準電圧源からの基準電圧の供給無しで、基準電圧と第1電圧V1との差に応じた誤差電圧V3を出力できる。当該基準電圧は、オフセット部103により発生する所定の入力オフセット電圧αと、第1電圧V1に対する第2電圧V2の比kとに依存する電圧である。
【0020】
オフセット部103の具体的な構成は特に限定されないが、例えば差動増幅器104の差動対トランジスタのサイズ(=ゲート幅/ゲート長)を互いに異なるようにして、差動増幅器104がオフセット部103を兼ねるようにすればよい。
【0021】
<2.電源回路>
差動増幅器100は例えば各種の電源回路に利用することができる。
【0022】
図2はリニア電源回路に差動増幅器100を利用した例を示す図である。図2に示すリニア電源回路は、出力トランジスタQ1と、出力電圧VOUTを分圧する抵抗R1~R3と、出力トランジスタQ1の導通度を制御する差動増幅器100と、を備える。
【0023】
図3は出力電圧VOUTを定電圧制御するスイッチング電源回路に差動増幅器100を利用した例を示す図である。図4は出力電流IOUTを定電流制御するスイッチング電源回路に差動増幅器100を利用した例を示す図である。図3に示すスイッチング電源回路及び図4に示すスイッチング電源回路はそれぞれ、スイッチング素子SW1及びSW2と、差動増幅器100と、差動増幅器100の出力に応じてスイッチング素子SW1及びSW2を相補的にオン/オフ制御するスイッチング制御部CNT1と、を備える。
【0024】
<3.高速応答が可能なリニア電源回路の一例>
図5は、高速応答が可能なリニア電源回路として本発明者が開発したリニア電源回路の一構成例を示す図である。なお、図5において図1と同一の部分には同一の符号を付し詳細な説明を省略する。図5に示すリニア電源回路は、入力端T1と、出力端T2と、出力トランジスタ1と、ドライバ2と、抵抗3~5と、を備える。
【0025】
図5に示すリニア電源回路には出力コンデンサ6及び負荷7が外付けされる。具体的には、出力コンデンサ6及び負荷7が外付けで出力端T2に並列接続される。図5に示すリニア電源回路は、入力電圧VINを降圧して出力電圧VOUTを生成し、出力電圧VOUTを負荷7に供給する。
【0026】
出力トランジスタ1は、入力電圧VINが印加される入力端T1と出力電圧VOUTが印加される出力端T2との間に設けられる。
【0027】
ドライバ2は、出力トランジスタ1を駆動する。具体的には、ドライバ2は、出力トランジスタ1のゲートにゲート信号G1を供給して出力トランジスタ1を駆動する。出力トランジスタ1の導通度(裏を返せばオン抵抗値)はゲート信号G1によって制御される。なお、図5に示す構成では、出力トランジスタ1として、PMOSFET[P-channel type MOSFET]が用いられている。従って、ゲート信号G1が低いほど、出力トランジスタ1の導通度が高くなり、出力電圧VOUTが上昇する。逆に、ゲート信号G1が高いほど、出力トランジスタ1の導通度が低くなり、出力電圧VOUTが低下する。ただし、出力トランジスタ1としては、PMOSFETに代えて、NMOSFETを用いてもよいし、バイポーラトランジスタを用いてもよい。
【0028】
ドライバ2は、出力電圧VOUTに基づく電圧と基準電圧との差分値に基づいて出力トランジスタ1を駆動する。
【0029】
ドライバ2は、差動増幅器100と、容量22と、PMOSFET23と、電流増幅器24と、PMOSFET25と、を備える。
【0030】
差動増幅器100の電源電圧は出力電圧VOUTである。すなわち、差動増幅器100は、出力電圧VOUTとグランド電位との間の電圧で駆動する。なお、差動増幅器100の電源電圧として、出力電圧VOUTの代わりに、出力電圧VOUTより低い電圧であって出力電圧VOUTに依存する電圧を用いてもよい。
【0031】
差動増幅器100及びPMOSFET23の耐圧は、電流増幅器24の耐圧より低い。また差動増幅器100のゲインは、電流増幅器24のゲインより小さい。これにより、差動増幅器100及びPMOSFET23の小型化を図ることができる。
【0032】
PMOSFET23の耐圧は、電流増幅器24の耐圧より低い。これにより、PMOSFET23の小型化を図ることができる。
【0033】
容量22の一端に差動増幅器100の出力が印加され、容量22の他端にグランド電位が印加される。
【0034】
PMOSFET23のソースに出力電圧VOUTが印加され、PMOSFET23のゲートに差動増幅器100の出力に基づく電圧(差動増幅器100と容量22との接続ノード電圧)が印加される。PMOSFET23は、差動増幅器100の出力に基づく電圧を電流に変換してドレインから出力する。差動増幅器100と容量22との接続ノードが高周波帯域でグランド接地になるため、ドライバ2の高速応答を実現することができる。そして、差動増幅器100は高速応答でなくてもよいため、差動増幅器100を高抵抗化して差動増幅器100の低消費電流化を図ることができる。
【0035】
電流増幅器24は、PMOSFET23のドレインから出力される電流Iaを電流増幅する。電流増幅器24の電源電圧は定電圧VREGである。すなわち、電流増幅器24は、定電圧VREGとグランド電位との間の電圧で駆動する。
【0036】
PMOSFET25は、出力トランジスタ1とともにカレントミラー回路を構成している。PMOSFET25は、電流増幅器24から出力される電流Ibを電圧に変換して出力トランジスタ1のゲートに供給する。
【0037】
図6は、図5に示すリニア電源回路の出力特性を示すタイムチャートである。図6は、出力電圧VOUTの設定値がVSであり、出力コンデンサ6の静電容量が所定値である状態において、負荷7を第1の状態から第2の状態に切り替えた後再び第1の状態に戻した場合のタイムチャートである。第1の状態は出力電流IOUTの理論値がI1となる軽負荷状態であり、第2の状態は出力電流IOUTの理論値がI2(>I1)となる重負荷状態である。
【0038】
図5に示すリニア電源回路は高速応答が可能であるため、行き過ぎ量OSを小さくすることができる。
【0039】
図7は、電流増幅器24一構成例を示す図である。電流増幅器24は、電流シンク型カレントミラー回路CM_1、CM_2、・・・、及びCM_nと、電流ソース型カレントミラー回路CM_3、・・・、及びCM_n-1(ただしCM_n-1は図7において不図示)と、を備える。電流シンク型カレントミラー回路CM_1及び定電流I1を流す定電流源CS1と電流シンク型カレントミラー回路CM_nとの間において電流増幅器24の入力から出力に向かって、電流シンク型カレントミラー回路と電流ソース型カレントミラー回路とが交互に配置される。各カレントミラー回路で発生するポールをできるだけ低帯域に寄らないようにするために、各カレントミラー回路のミラー比(入力側トランジスタのサイズに対する出力側トランジスタのサイズ)は5以下であることが好ましく、より好ましくは3以下である。但し、各カレントミラー回路のミラー比を小さくするほど、電流増幅器24の回路面積は大きくなってしまうので、周波数特性の改善と小型化とのトレードオフを考慮して各カレントミラー回路のミラー比を決定すればよい。
【0040】
<4.高速応答が可能なリニア電源回路の他の例>
図8Aは、高速応答が可能なリニア電源回路として本発明者が開発したリニア電源回路の他の構成例を示す図である。なお、図8Aにおいて図1及び図5と同一の部分には同一の符号を付し詳細な説明を省略する。
【0041】
本構成例では、ドライバ2は、差動増幅器100と、容量22’と、NMOSFET23’と、電流増幅器24と、PMOSFET25と、を備える。
【0042】
差動増幅器100の電源電圧は、図5に示す構成例とは異なり、第1定電圧VREG1である。すなわち、差動増幅器100は、第1定電圧VREG1とグランド電位との間の電圧で駆動する。
【0043】
差動増幅器100及びNMOSFET23’の耐圧は、電流増幅器24の耐圧より低い。また差動増幅器100のゲインは、電流増幅器24のゲインより小さい。これにより、差動増幅器100 及びNMOSFET23’の小型化を図ることができる。
【0044】
容量22’の一端に差動増幅器100の出力が印加され、容量22’の他端に出力電圧VOUTが印加される。なお、出力電圧VOUTの代わりに、出力電圧VOUTに依存する電圧を容量22の他端に印加してもよい。
【0045】
NMOSFET23’のソースにグランド電位が印加され、NMOSFET23’のゲートに差動増幅器100の出力に基づく電圧(差動増幅器100と容量22’との接続ノード電圧)が印加される。NMOSFET23’は、差動増幅器100の出力に基づく電圧を電流に変換してドレインから出力する。差動増幅器100と容量22’との接続ノードが高周波帯域で出力電圧VOUT接地になるため、ドライバ2の高速応答を実現することができる。
【0046】
電流増幅器24は、NMOSFET23’のドレインから出力される電流Iaを電流増幅する。電流増幅器24の電源電圧は第2定電圧VREG2である。すなわち、電流増幅器24は、第2定電圧VREG2とグランド電位との間の電圧で駆動する。第1定電圧VREG1と第2定電圧VREG2とは同一の値であってもよく、互いに異なる値であってもよい。本構成例では、電流増幅器24からNMOSFET23’に向かって電流Iaが流れるので、電流増幅器24を例えば図8Bに示す回路構成にすればよい。
【0047】
図8Aに示すリニア電源回路は、図5に示すリニア電源回路と同様の効果を奏する。また、図8Aに示すリニア電源回路は、出力電圧VOUTの設定値が低い場合でも差動増幅器100の動作を確保することができる。なお、低電圧を入力電圧VINとして用いる場合は、第1定電圧VREG1の代わりに入力電圧VINを差動増幅器100の電源電圧として用い、第2定電圧VREG2の代わりに入力電圧VINを電流増幅器24の電源電圧として用いてもよい。
【0048】
<5.用途>
図9は、車両Xの外観図である。本構成例の車両Xは、不図示のバッテリから出力される電圧の供給を受けて動作する種々の電子機器X11~X18を搭載している。なお、本図における電子機器X11~X18の搭載位置は、図示の便宜上、実際とは異なる場合がある。
【0049】
電子機器X11は、エンジンに関連する制御(インジェクション制御、電子スロットル制御、アイドリング制御、酸素センサヒータ制御、及び、オートクルーズ制御など)を行うエンジンコントロールユニットである。
【0050】
電子機器X12は、HID[high intensity discharged lamp]やDRL[daytime running lamp]などの点消灯制御を行うランプコントロールユニットである。
【0051】
電子機器X13は、トランスミッションに関連する制御を行うトランスミッションコントロールユニットである。
【0052】
電子機器X14は、車両Xの運動に関連する制御(ABS[anti-lock brake system]制御、EPS[electric power steering]制御、電子サスペンション制御など)を行う制動ユニットである。
【0053】
電子機器X15は、ドアロックや防犯アラームなどの駆動制御を行うセキュリティコントロールユニットである。
【0054】
電子機器X16は、ワイパー、電動ドアミラー、パワーウィンドウ、ダンパー(ショックアブソーバー)、電動サンルーフ、及び、電動シートなど、標準装備品やメーカーオプション品として、工場出荷段階で車両Xに組み込まれている電子機器である。
【0055】
電子機器X17は、車載A/V[audio/visual]機器、カーナビゲーションシステム、及び、ETC[electronic toll collection system]など、ユーザオプション品として任意で車両Xに装着される電子機器である。
【0056】
電子機器X18は、車載ブロア、オイルポンプ、ウォーターポンプ、バッテリ冷却ファンなど、高耐圧系モータを備えた電子機器である。
【0057】
なお、先に説明したリニア電源回路は、電子機器X11~X18のいずれにも組み込むことが可能である。
【0058】
<6.その他>
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、上記実施形態の説明ではなく、特許請求の範囲によって示されるものであり、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。
【符号の説明】
【0059】
1 出力トランジスタ
2 ドライバ
22、22’ 容量
23 PMOSFET(変換器の一例)
23’ NMOSFET(変換器の他の例)
24 電流増幅器
100、104 差動増幅器
101 反転入力端子
102 非反転入力端子
103 オフセット部
X 車両
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7
図8A
図8B
図9