(57)【要約】【課題】従来例に係るレギュレータ回路において、出力電圧を切り替える際に、出力が無負荷もしくは軽負荷である場合に、出力電圧が安定するまでに時間を大幅に短縮する。【解決手段】出力電圧設定信号に対応した基準電圧を発生して出力する基準電圧回路と、前記基準電圧回路からの基準電圧と、入力される帰還電圧との誤差電圧を増幅して、増幅後の出力電圧を出力端子を介して出力する誤差増幅回路と、前記誤差増幅回路からの出力電圧を所定の帰還率で帰還電圧として出力する帰還回路とを備えたレギュレータ回路において、前記出力端子に接続され、前記出力電圧の切り替え時に発生される強制負荷イネーブル制御信号に応答して、前記出力端子から強制負荷電流を流す強制負荷回路をさらに備えた。【選択図】図４
2013105304.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
出力電圧設定信号に対応した基準電圧を発生して出力する基準電圧回路と、
前記基準電圧回路からの基準電圧と、入力される帰還電圧との誤差電圧を増幅して、増幅後の出力電圧を出力端子を介して出力する誤差増幅回路と、
前記誤差増幅回路からの出力電圧を所定の帰還率で帰還電圧として出力する帰還回路とを備えたレギュレータ回路において、
前記出力端子に接続され、前記出力電圧の切り替え時に発生される強制負荷イネーブル制御信号に応答して、前記出力端子から強制負荷電流を流す強制負荷回路をさらに備えたことを特徴とするレギュレータ回路。
【請求項２】
前記出力電圧の切り替え時に、前記誤差増幅器の消費電流を一時的に増加させるように制御する制御手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１記載のレギュレータ回路。
【請求項３】
出力電圧設定信号に対応した基準電圧を発生して出力する基準電圧回路と、
前記基準電圧回路からの基準電圧と、入力される帰還電圧との誤差電圧を増幅して、増幅後の出力電圧を出力端子を介して出力する誤差増幅回路と、
前記誤差増幅回路からの出力電圧を所定の帰還率で帰還電圧として出力する帰還回路とを備えたレギュレータ回路において、
前記出力電圧の切り替え時に、前記誤差増幅器の消費電流を一時的に増加させるように制御する制御手段をさらに備えたことを特徴とするレギュレータ回路。
【請求項４】
請求項１〜３のうちのいずれか１つに記載のレギュレータ回路を備えたことを特徴とする電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レギュレータ回路及びそれを用いた電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、携帯電話やデジタルカメラ等、電池を電源とした携帯機器の電源回路としては、高効率でしかも小型化が可能な、インダクタを用いた非絶縁型スイッチングレギュレータ回路などのレギュレータ回路が広く用いられている。
【０００３】
例えば、特許文献１では、出力電圧を上昇させたときのオーバーシュート電圧と過大な出力電流の発生を防止することができるレギュレータ回路を備えた電源回路及びその電源回路の出力電圧変更方法を提供するために、Ｄ／Ａコンバータ（ＤＡＣ）と、ＤＡＣ制御回路とを備えている。ここで、ＤＡＣ制御回路は、出力電圧Ｖｏｕｔを上昇させる場合、Ｄ／Ａコンバータから出力される基準電圧Ｖｒｅｆが段階的に上昇するように、デジタルコードを段階的に変えてＤ／Ａコンバータに出力し、出力電圧Ｖｏｕｔを低下させる場合は、Ｄ／Ａコンバータから出力される基準電圧Ｖｒｅｆが所望の電圧に低下するように、デジタルコードを変えてＤ／Ａコンバータに出力するようにしたことを特徴としている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ここで、本発明の課題を説明するために、図１の負帰還レギュレータシステムについて以下に説明する。
【０００５】
図１は従来例に係る一般的な負帰還レギュレータシステムの構成を示すブロック図である。当該負帰還レギュレータシステムは、基準電圧Ｖｒｅｆを発生して出力する基準電圧回路１と、減算器２及び増幅率Ａの増幅回路３を備えた誤差増幅回路１０と、帰還率βの帰還回路４とを備えて構成される。図１において、基準電圧回路１からの基準電圧Ｖｒｅｆは減算器２に入力されるとともに、増幅回路３からの出力電圧Ｖｏｕｔは帰還回路４を介して減算器２に帰還され、減算器２は入力された基準電圧Ｖｒｅｆから帰還回路４からの帰還電圧Ｖｆｄを減算し、その減算結果である誤差電圧を増幅回路３に出力する。そして、増幅回路３は入力された誤差電圧を所定の利得Ａで増幅して出力電圧Ｖｏｕｔとして出力する。このとき、出力電圧Ｖｏｕｔは次式で表される。
【０００６】
Ｖｏｕｔ
＝Ｖｒｅｆ×Ａ／（１＋Ａβ）
＝Ｖｒｅｆ／（β＋１／Ａ）      （１）
【０００７】
ここで、一般的なレギュレータ回路であれば、Ａ≫１であり、その場合、式（１）の出力電圧Ｖｏｕｔは次式で表される。
【０００８】
Ｖｏｕｔ＝Ｖｒｅｆ／β      （２）
【０００９】
図２は従来例に係る２段シリーズレギュレータ回路の構成を示す回路図であり、図３は図２の２段シリーズレギュレータ回路の動作を示す各信号のタイミングチャートである。また、図７は図２（後述する図４にも適用）の２段シリーズレギュレータ回路における出力電圧設定信号Ｓ１に対する基準電圧Ｖｒｅｆ［Ｖ］と出力電圧Ｖｏｕｔ［Ｖ］との関係を示す表である。すなわち、当該レギュレータ回路において、基準電圧Ｖｒｅｆが、出力電圧設定信号Ｓ１により、図７に示すように、切り替え可能に構成される。なお、図７は、帰還率β＝０．２とした場合の出力電圧Ｖｏｕｔも当該表に記載している。
【００１０】
図２の従来例に係る２段シリーズレギュレータ回路において、誤差増幅回路１０は、３個のＰチャネルトランジスタＱ１，Ｑ２，Ｑ５と、ＮチャネルトランジスタＱ３，Ｑ４と、電流源１１とを備えて構成され、帰還回路４は２つの抵抗Ｒ１，Ｒ２の直列回路にてなる分圧回路で構成される。ここで、Ｑ１〜Ｑ４で差動増幅器を構成し、Ｑ５は出力用ドライバを構成する。また、出力端子７には負荷容量６（Ｃｏｕｔ）及び負荷抵抗５（Ｒｌｏａｄ）が接続されている。
【００１１】
図２のレギュレータ回路において、外部の負荷抵抗５（Ｒｌｏａｄ）が無負荷状態のとき、基準電圧Ｖｒｅｆを例えば０．６Ｖから０．４Ｖのように低い電圧方向に切り替えた場合について考える。この場合において、出力電圧Ｖｏｕｔは３Ｖから２Ｖに切り替わろうとするが、出力電圧Ｖｏｕｔの出力端子７には、接地に対して、帰還回路４、負荷抵抗５及び負荷容量６しか接続されておらず、いま、負荷抵抗５は無負荷であり、帰還回路４は高効率のため高い抵抗値とする必要があるため、出力端子Ｖｏｕｔの出力端子７の端子電圧が下がるには時間がかかる。このとき、Ｖｏｕｔ＞Ｖｒｅｆ／βの状態となり、レギュレータ回路としては、出力ドライバのＰチャネルトランジスタＱ５がオフの状態となる。出力電圧Ｖｏｕｔは、その出力端子７に接続されている負荷容量６と負荷抵抗５からなるＣＲフィルタの特性として、当該出力電圧Ｖｏｕｔがドロップしていく。
【００１２】
ここで、出力電圧設定信号Ｓ１を切り替えた時点をｔ＝０、そのときの出力電圧ＶｏｕｔをＶ０とし、出力端子７に接続された負荷の時定数をτとすると、出力電圧Ｖｏｕｔは次式で表される。
【００１３】
Ｖｏｕｔ（ｔ）＝Ｖ０ｅｘｐ（−ｔ／τ）      （３）
【００１４】
ここで、負荷容量６の容量Ｃｏｕｔ＝１０μＦ、負荷抵抗５の抵抗Ｒｌｏａｄが無負荷∞Ωであり、接地に対する出力端子７の抵抗をＲ１＋Ｒ２＝１０ＭΩとすると、時定数τは次式で計算される。
【００１５】
τ
＝Ｃｏｕｔ×（（Ｒ１＋Ｒ２）／／Ｒｌｏａｄ）
＝１００ｓｅｃ      （４）
【００１６】
ここで、（Ｒ１＋Ｒ２）／／Ｒｌｏａｄは抵抗（Ｒ１＋Ｒ２）と負荷抵抗Ｒｌｏａｄの並列抵抗値を示す。出力電圧Ｖｏｕｔが切り替え後の安定電圧である２Ｖに到達するまでの時間ｔを計算すると次式のようになる。前記式（１）に、Ｖｏｕｔ＝２Ｖ、Ｖ０＝３Ｖ、τ＝１００ｓｅｃを代入すれば、下記の結果を得る。
【００１７】
ｔ≒４０．５５ｓｅｃ      （５）
【００１８】
このときの出力電圧設定信号Ｓ１、基準電圧Ｖｒｅｆ、出力電圧Ｖｏｕｔの波形を図３に示す。図３から明らかなように、出力電圧Ｖｏｕｔが安定するまでに約４０ｓｅｃという長い時間を必要とすることが分かる。
【００１９】
本発明の目的は以上の問題点を解決し、従来例に係るレギュレータ回路において、出力電圧を切り替える際に、出力が無負荷もしくは軽負荷である場合に、出力電圧が安定するまでに時間を大幅に短縮することができるレギュレータ回路及びそれを用いた電源回路を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
第１の発明に係るレギュレータ回路は、
出力電圧設定信号に対応した基準電圧を発生して出力する基準電圧回路と、
前記基準電圧回路からの基準電圧と、入力される帰還電圧との誤差電圧を増幅して、増幅後の出力電圧を出力端子を介して出力する誤差増幅回路と、
前記誤差増幅回路からの出力電圧を所定の帰還率で帰還電圧として出力する帰還回路とを備えたレギュレータ回路において、
前記出力端子に接続され、前記出力電圧の切り替え時に発生される強制負荷イネーブル制御信号に応答して、前記出力端子から強制負荷電流を流す強制負荷回路をさらに備えたことを特徴とする。
【００２１】
また、第２の発明に係るレギュレータ回路は、
出力電圧設定信号に対応した基準電圧を発生して出力する基準電圧回路と、
前記基準電圧回路からの基準電圧と、入力される帰還電圧との誤差電圧を増幅して、増幅後の出力電圧を出力端子を介して出力する誤差増幅回路と、
前記誤差増幅回路からの出力電圧を所定の帰還率で帰還電圧として出力する帰還回路とを備えたレギュレータ回路において、
前記出力電圧の切り替え時に、前記誤差増幅器の消費電流を一時的に増加させるように制御する制御手段をさらに備えたことを特徴とする。
【００２２】
さらに、第３の発明に係る電源装置は、上記レギュレータ回路を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
従って、本発明によれば、出力電圧を切り替える際に、強制負荷回路を有効とすることで、出力端子に接続された負荷が例えば無負荷もしくは軽負荷である場合に、出力電圧が安定するまでの時間を従来技術に比較して短縮することができる。また、出力電圧の切り替え時に、前記誤差増幅器の消費電流を一時的に増加させるように制御することで、出力電圧が安定するまでの時間を従来技術に比較して短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】従来例に係る一般的な負帰還レギュレータシステムの構成を示すブロック図である。
【図２】従来例に係る２段シリーズレギュレータ回路の構成を示す回路図である。
【図３】図２の２段シリーズレギュレータ回路の動作を示す各信号のタイミングチャートである。
【図４】本発明の実施形態に係る２段シリーズレギュレータ回路の構成を示す回路図である。
【図５】図４の２段シリーズレギュレータ回路において出力電圧設定信号Ｓ１が示す出力電圧Ｖｏｕｔが３Ｖから２Ｖに変化した場合の動作を示す各信号のタイミングチャートである。
【図６】図４の２段シリーズレギュレータ回路において出力電圧設定信号Ｓ１が示す出力電圧Ｖｏｕｔが２Ｖから３Ｖに変化した場合の動作を示す各信号のタイミングチャートである。
【図７】図２及び図４の２段シリーズレギュレータ回路における出力電圧設定信号Ｓ１に対する基準電圧Ｖｒｅｆ［Ｖ］と出力電圧Ｖｏｕｔ［Ｖ］との関係を示す表である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明に係る実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の各実施形態において、同様の構成要素については同一の符号を付している。
【００２６】
図４は本発明の実施形態に係る２段シリーズレギュレータ回路の構成を示す回路図である。本実施形態に係るレギュレータ回路は、図４に示すように、図２のレギュレータ回路に比較して、出力電圧Ｖｏｕｔの設定の切り替え時において、当該レギュレータ回路を制御するコントローラ２０からのＨレベルの強制負荷イネーブル制御信号Ｓ２に応答してオンとなり、負荷電流Ｉｏｕｔに加えて、強制負荷電流を流す強制負荷回路８をさらに備え、これにより、内部消費電流を増加させることで、出力電圧Ｖｏｕｔの切り替え時間を従来技術に比較して短縮し、出力電圧歪を抑制することを特徴としている。
【００２７】
図４において、本実施形態に係るレギュレータ回路は、基準電圧回路１と、誤差増幅回路１０と、帰還回路４と、強制負荷回路８とを備えて構成される。ここで、誤差増幅回路１０は、３個のＰチャネルトランジスタＱ１，Ｑ２，Ｑ５と、ＮチャネルトランジスタＱ３，Ｑ４と、電流源１１とを備えて構成され、帰還回路４は２つの抵抗Ｒ１，Ｒ２の直列回路にてなる分圧回路で構成される。ここで、Ｑ１〜Ｑ４で差動増幅器を構成し、Ｑ５は出力用ドライバを構成する。強制負荷回路８は、抵抗Ｒ３と、スイッチ素子であるＮチャネルトランジスタＱ６との直列回路にて構成される。また、出力端子７には負荷容量６（Ｃｏｕｔ）及び負荷抵抗５（Ｒｌｏａｄ）が接続されている。コントローラ２０は、出力電圧設定信号Ｓ１を基準電圧回路１に出力するとともに、強制負荷イネーブル制御信号Ｓ２を強制負荷回路８のＮチャネルトランジスタＱ６のゲートに印加する。ここで、コントローラ２０は、強制負荷回路８をオンするときは、Ｈレベルの強制負荷イネーブル制御信号Ｓ２を印加する一方、強制負荷回路８をオフするときは、Ｌレベルの強制負荷イネーブル制御信号Ｓ２を印加する。
【００２８】
本実施形態では、コントローラ２０は、出力電圧設定信号Ｓ１を切り替えるときに、前記強制負荷回路８をオンとして有効とし、強制負荷電流を流す制御を行う。ここで、強制負荷回路８の抵抗Ｒ３＝１０Ωとすると、前記強制負荷回路８がオンしたときの時定数τは次式で計算される。
【００２９】
τ＝Ｃｏｕｔ×（Ｒ３／／（Ｒ１＋Ｒ２）／／Ｒｌｏａｄ）≒１００μｓｅｃ
（６）
【００３０】
ここで、（Ｒ３／／（Ｒ１＋Ｒ２）／／Ｒｌｏａｄ）は、抵抗Ｒ３と、抵抗（Ｒ１＋Ｒ２）と、抵抗Ｒｌｏａｄの並列抵抗値を示す。出力電圧Ｖｏｕｔが切り替え後の安定電圧である２Ｖに到達するまでの時間を計算すると次式のようになる。すなわち、式（１）に所定のパラメータ値（Ｖｏｕｔ＝２Ｖ、Ｖ０＝３Ｖ、τ＝１００μｓｅｃ）を代入すれば、下記の結果を得る。
【００３１】
ｔ≒４０．５５μｓｅｃ
【００３２】
図５は図４の２段シリーズレギュレータ回路において出力電圧設定信号Ｓ１が示す出力電圧Ｖｏｕｔが３Ｖから２Ｖに変化した場合の動作を示す各信号のタイミングチャートである。図５から明らかなように、出力電圧Ｖｏｕｔが安定するまでの時間は約４０μｓｅｃとなり、出力電圧切り替え時間を大幅に短縮することが可能となる。
【００３３】
前記の事例では無負荷である場合について考えたが、時定数τは式（６）で得られるため、無負荷時（Ｒｌｏａｄ＝∞Ω）だけでは無く、軽負荷時（Ｒｌｏａｄ＝∞よりも小さいが比較的大きな値（例えば、１００ｋΩ））においても出力電圧安定時間を従来技術に比較して短縮することができる。
【００３４】
出力電圧Ｖｏｕｔの変動が急峻になった結果、副作用として、出力電圧Ｖｏｕｔにおいてアンダーシュートが発生する可能性がある。その対策として、コントローラ２０の制御により、誤差増幅回路１０の消費電流を増やすことが有効である。誤差増幅回路１０の消費電流を増やすためには、具体的には、例えば以下の方法をとれる。
（１）入力される電源電圧Ｖｉｎを増大させる。
（２）複数段の差動増幅トランジスタ回路の段数が増大するように切り替える。
（３）電流源１１の電流を増大させる。ここで、電流源１１は通常、複数のＮチャネルトランジスタを用いてカレントミラー構成で実装するので、折り返し元の電流を増大させることで消費電流を増大させることができる。
このように、誤差増幅回路１０の消費電流を電圧切り替え時に一時的に増やすことで、図５の点線で示すように、誤差増幅回路１０の応答速度が上昇し、出力電圧Ｖｏｕｔのアンダーシュートを小さくすることができる。
【００３５】
また、誤差増幅回路１０の消費電流を増加させることで、誤差増幅回路１０の回路応答速度が上昇するため、出力電圧Ｖｏｕｔを下げる方向だけでは無く、上げる方向に切り替えるときの、出力電圧Ｖｏｕｔの安定時間を短くすることができる。
【００３６】
図６は図４の２段シリーズレギュレータ回路において出力電圧設定信号Ｓ１が示す出力電圧Ｖｏｕｔが２Ｖから３Ｖに変化した場合の動作を示す各信号のタイミングチャートである。図６から明らかなように、出力電圧Ｖｏｕｔの安定時間が短くなることにより、電圧切り替え時の無駄なロスが減るため、高効率に繋がる。
【００３７】
以上の実施形態においては、図４では、強制負荷回路８を、抵抗Ｒ３と、スイッチ素子であるＮチャネルトランジスタＱ６とで構成しているが、本発明はこれに限らず、電流源で出力電圧Ｖｏｕｔから電流を引き込む回路で構成してもよい。
【００３８】
また、以上の実施形態では、出力電圧を切り替える際に基準電圧Ｖｒｅｆを切り替えることで出力電圧Ｖｏｕｔを切り替えるように構成したが、本発明はこれに限らず、帰還回路４の帰還率βを切り替える構成としてもよい。
【００３９】
さらに、以上の実施形態では、強制負荷回路８を備えているが、本発明はこれに限らず、強制負荷回路８を備えず、誤差増幅回路１０の消費電流を増加させることで、誤差増幅回路１０の回路応答速度が上昇させて、出力電圧Ｖｏｕｔを下げる方向だけでは無く、上げる方向に切り替えるときの、出力電圧Ｖｏｕｔの安定時間を短縮するように構成してもよい。
【００４０】
さらに、以上の実施形態では、一例としてリニアシリーズレギュレータ回路を用いて説明を行ったが、本発明はこれに限らず、例えばスイッチングレギュレータでも同様の制御をすることで、切り替え時間を短くすることができる。
【００４１】
さらに、上記レギュレータ回路は、例えば携帯電話やデジタルカメラなどの電子機器の電源回路に適用することができ、上記レギュレータ回路を備えた電源回路を構成してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
以上詳述したように、本発明によれば、出力電圧を切り替える際に、強制負荷回路を有効とすることで、出力端子に接続された負荷が例えば無負荷もしくは軽負荷である場合に、出力電圧が安定するまでの時間を従来技術に比較して短縮することができる。また、出力電圧の切り替え時に、前記誤差増幅器の消費電流を一時的に増加させるように制御することで、出力電圧が安定するまでの時間を従来技術に比較して短縮することができる。
【符号の説明】
【００４３】
１…基準電圧回路、
２…減算器、
３…増幅回路、
４…帰還回路、
５…負荷抵抗、
６…負荷容量、
７…出力端子、
８…強制負荷回路、
１０…誤差増幅回路、
１１…電流源、
２０…コントローラ、
Ｑ１，Ｑ２，Ｑ５…Ｐチャネルトランジスタ、
Ｑ３，Ｑ４，Ｑ６…Ｎチャネルトランジスタ、
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３…抵抗。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００４４】
【特許文献１】特許第４３８７１７２号公報
【図１】
2013105304.tif 000003
【図２】
2013105304.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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