JP7193777B2 - 電流制限機能付き安定化電源装置 - Google Patents

Description

この発明は、出力電圧を一定電圧に維持する機能および出力電流を一定電流以内に制限する機能を有する電流制限機能付き安定化電源装置に関する。

この種の電流制限機能付き安定化電源装置に関する文献として、例えば特許文献１～３がある。特許文献１および２に開示の電流制限機能付き安定化電源装置は、出力トランジスタと同様な電圧状態を再現するセンス用トランジスタを有する。また、この電流制限機能付き安定化電源装置は、このセンス用トランジスタを用いて、出力トランジスタに流れる電流に比例する比例電流を取得し、この比例電流が一定電流値を越えると、出力トランジスタに流れる電流を制限する電流制限回路を有する。特許文献２に開示の電流制限機能付き安定化電源装置は、利得の異なるフィードバックループを持つ２個の電流制限回路を有する。

特開２００５－２３５９３２号公報

特開２００４－０３８８３２号公報

特開２００４－０３８８３１号公報

特許文献１および２に開示の電流制限機能付き安定化電源装置は、フィードバック制御により出力トランジスタに流れる電流を制限するため、電流制限に起因する発振が発生するおそれがあり、安定性に欠ける問題がある。特許文献３に開示の電流制限機能付き安定化電源装置は、利得の異なる２個の電流制限回路を有するため、安定性が向上しているが、電流制限に起因する発振の可能性が依然として残っている。

この発明は、以上説明した事情に鑑みてなされたものであり、電流制限に起因した発振が防止され、安定性に優れた電流制限機能付き安定化電源装置を提供することを目的とする。

この発明は、出力電圧を発生する出力トランジスタと、前記出力電圧または当該出力電圧に比例した電圧と基準電圧とを比較する比較回路とを含み、前記比較回路の比較結果に応じて、前記出力トランジスタの出力電流を制御する電流制御信号を発生し、前記出力電圧を一定電圧に維持する定電圧制御部を有し、前記定電圧制御部が、前記電流制御信号を所定の上限値以内に制限するリミタを含むことを特徴とする電流制限機能付き安定化電源装置を提供する。

この発明によれば、リミタにより電流制御信号が上限値以内に制限されるので、定電圧制御を行いつつ、出力トランジスタに流れる電流を上限値以内に制限することができる。また、この発明によれば、フィードバック制御による電流制限を行わないので、電流制限に起因した発振を防止することができる。

好ましい態様において、前記リミタは、前記電流制御信号を発生する電流制御抵抗と、前記比較回路の比較結果に応じて電流が制御される制御トランジスタと、電流源とを直列接続してなり、前記電流源の電流値を所定の上限電流値以内に制限する定電流制御部を有する。

この態様によれば、電流源の電流値を上限電流値以内に制限することにより電流制御信号を上限値以内に制限することができる。

好ましい態様において、前記制御トランジスタは、ソースが前記電流制御抵抗に接続され、ドレインが前記電流源に接続され、前記比較回路の比較結果を示す信号がゲートに与えられる電界効果トランジスタである。

具体的には、前記制御トランジスタは、前記比較回路の比較結果を示す信号と連動する前記電流制御信号をソースから出力するソースフォロアとして機能する。

好ましい態様において、前記リミタの電流源は、ソースが基準電源に接続され、ドレインが前記制御トランジスタのドレインに接続された電界効果トランジスタであり、前記定電流制御部は、定電流源と、前記定電流源に直列接続され、ゲート－ソース間に基準抵抗が接続された基準電圧発生用電界効果トランジスタと、前記基準抵抗に直列接続され、前記リミタの電流源とともにカレントミラーを構成する基準電流発生用電界効果トランジスタとを有する。

この態様によれば、基準電圧発生用電界効果トランジスタと基準抵抗と定電流源の電流の関係が、出力トランジスタと電流制御抵抗と出力トランジスタに流れる電流の関係に対応しているので、出力トランジスタに上限電流値を流すゲート－ソース間電圧を基準抵抗に発生させるための条件を定めるのが容易であり、回路設計が容易であるという利点がある。

好ましい態様において、前記定電流制御部は、前記基準抵抗および前記基準電流発生用電界効果トランジスタ間に介挿され、前記定電流源および前記基準電圧発生用電界効果トランジスタ間の中間ノードにゲートが接続されたバイアス用電界効果トランジスタを有する。

この態様によれば、基準電圧発生用電界効果トランジスタを飽和領域において動作させ、基準電圧発生用電界効果トランジスタに流れる電流を安定化させることができる。

この発明の第１実施形態である電流制限機能付き安定化電源装置の構成を示す回路図である。 この発明の第２実施形態である電流制限機能付き安定化電源装置の構成を示す回路図である。

以下、図面を参照し、この発明の実施形態について説明する。

＜第１実施形態＞
図１はこの発明の第１実施形態である電流制限機能付き安定化電源装置１の構成を示す回路図である。図１に示すように、安定化電源装置１は、定電圧制御部１０と、定電流制御部２０とを有する。

定電圧制御部１０において、出力トランジスタＭ１は、ソースが正電圧源ＶＣＣに接続され、ドレインが出力端子１１に接続されたＰチャネルＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor；金属－酸化膜－半導体構造の電界効果トランジスタであり、以下、単にトランジスタという）である。出力端子１１には、電流制限機能付き安定化電源装置１から出力電圧ＶＯＵＴの供給を受ける負荷（図示略）が接続される。定電圧制御部１０は、出力トランジスタＭ１が出力する出力電圧ＶＯＵＴを一定電圧に維持する回路である。

出力トランジスタＭ１のドレインと接地線との間には抵抗Ｒ３およびＲ４が直列接続されている。抵抗Ｒ３およびＲ４は、出力電圧ＶＯＵＴを分圧する分圧回路として機能する。

比較回路１２は、反転入力端子に基準電圧ＲＥＦが与えられ、非反転入力端子に抵抗Ｒ３およびＲ４間の中間ノードの電圧（すなわち、出力電圧ＶＯＵＴに比例した電圧）が与えられるオペアンプである。比較回路１２は、抵抗Ｒ３およびＲ４間の中間ノードの電圧と基準電圧ＲＥＦとを比較し、比較結果を示す信号を出力する。

定電圧制御部１０は、比較回路１２の比較結果に応じて、出力トランジスタＭ１の出力電流を制御する電流制御信号を発生し、出力トランジスタＭ１のゲートおよびソース間に与え、出力電圧ＶＯＵＴを一定電圧に維持する。そして、定電圧制御部１０は、出力トランジスタＭ１のゲートおよびソース間に与える電流制御信号を所定の上限値以内に制限するリミタ１３を含む。

リミタ１３は、電流制御信号を発生する電流制御抵抗Ｒ１と、比較回路１２の比較結果を示す信号に応じて電流が制御される制御トランジスタＭ４と、電流源Ｍ５とを正電圧源ＶＣＣおよび接地線間に直列接続してなるものである。

制御トランジスタＭ４は、ソースが電流制御抵抗Ｒ１を介して正電圧源ＶＣＣに接続され、ドレインが電流源Ｍ５に接続され、比較回路１２の比較結果を示す信号がゲートに与えられるＰチャネルトランジスタである。この制御トランジスタＭ４は、比較回路１２の比較結果を示す信号に連動した電流制御信号をソースから出力するソースフォロアとして機能する。

電流源Ｍ５は、ソースが基準電源である接地線に接続され、ドレインが制御トランジスタＭ４のドレインに接続されたＮチャネルトランジスタである。この電流源Ｍ５に流れる電流は、定電流制御部２０により、所定の上限電流値以内に制限される。

以上説明したリミタ１３において、電流制御抵抗Ｒ１に発生する電流制御信号は、比較回路１２の比較結果を示す信号に連動する。しかし、電流制御抵抗Ｒ１、制御トランジスタＭ４および電流源Ｍ５を流れる電流は、定電流制御部２０により所定の上限電流値以内に制限される。このため、電流制御抵抗Ｒ１に発生する電流制御信号もこの上限電流値に対応した上限電圧値以内に制限される。

定電流制御部２０において、基準電圧発生用トランジスタＭ２は、ソースが正電圧源ＶＣＣに接続され、ゲートおよびソース間に基準抵抗Ｒ２が接続され、ドレインが定電流源２１を介して接地されたＰチャネルトランジスタである。

バイアス用トランジスタＭ３は、ソースが基準電圧発生用トランジスタＭ２のゲートと基準抵抗Ｒ２との接続点に接続され、ゲートが基準電圧発生用トランジスタＭ２のドレインと定電流源２１との接続点に接続されている。

バイアス用トランジスタＭ３のゲートおよびソース間には、バイアス用トランジスタＭ３をＯＮさせるに足るゲート－ソース間電圧が発生する。基準電圧発生用トランジスタＭ２のドレイン－ソース間電圧は、基準電圧発生用トランジスタＭ２のゲート－ソース間電圧に対して、バイアス用トランジスタＭ３のゲート－ソース間電圧を加えた電圧となる。このため、基準電圧発生用トランジスタＭ２は飽和領域において動作する。このようにバイアス用トランジスタＭ３は、基準電圧発生用トランジスタＭ２を飽和領域において動作させ、基準電圧発生用トランジスタＭ２に流れる電流を安定化させる役割を果たす。

基準電流発生用トランジスタＭ６は、ソースが接地され、ドレインがバイアス用トランジスタＭ３を介して基準抵抗Ｒ２に接続されたＮチャネルトランジスタである。この基準電流発生用トランジスタＭ６は、ドレインおよびゲートが、リミタ１３の電流源Ｍ５を構成するＮチャネルトランジスタのゲートに接続されており、同Ｎチャネルトランジスタとともに、カレントミラーを構成している。

定電流制御部２０では、基準電圧発生用トランジスタＭ２のゲート－ソース間電圧Ｖｇｓ２が、同トランジスタＭ２に電流Ｉ１を流すのに必要なゲート－ソース間電圧Ｖｇｓ２ａとなり、この電圧Ｖｇｓ２ａを基準抵抗Ｒ２により除算した電流Ｖｇｓ２ａ／Ｒ２が基準抵抗Ｒ２、バイアス用トランジスタＭ３および基準電流発生用トランジスタＭ６に流れる。

そして、基準電流発生用トランジスタＭ６および電流源Ｍ５からなるカレントミラーの作用により、電流制御抵抗Ｒ１に流れる電流は、電流Ｖｇｓ２ａ／Ｒ２に比例した上限電流値以内に制限され、出力トランジスタＭ１のゲートおよびソース間に与えられる電流制御信号が、基準電圧発生用トランジスタＭ２のゲート－ソース間電圧Ｖｇｓ２に対応した上限電圧値以内に制限される。このため、出力トランジスタＭ１の出力電流は、この上限電圧値に対応した上限電流値Ｉｌｉｍｉｔ１以内に制限される。
以上が本実施形態による電流制限機能付き安定化電源装置１の構成である。

次に本実施形態の動作を説明する。本実施形態において、出力電圧ＶＯＵＴが上昇することにより抵抗Ｒ３およびＲ４間の中間ノードの電圧が上昇して基準電圧ＲＥＦを越えると、比較回路１２の出力信号が正方向に変化する。この結果、電流制御抵抗Ｒ１に発生する電流制御信号が減少して、出力トランジスタＭ１の飽和電流値が減少し、出力電圧ＶＯＵＴが低下する。これにより抵抗Ｒ３およびＲ４間の中間ノードの電圧が低下する。

逆に出力電圧ＶＯＵＴが低下することにより抵抗Ｒ３およびＲ４間の中間ノードの電圧が低下して基準電圧ＲＥＦを下回ると、比較回路１２の出力信号が負方向に変化する。この結果、電流制御抵抗Ｒ１に発生する電流制御信号が増加して、出力トランジスタＭ１の飽和電流値が増加し、出力電圧ＶＯＵＴが上昇する。これにより抵抗Ｒ３およびＲ４間の中間ノードの電圧が上昇する。

このように定電圧制御部１０では、比較回路１２の比較結果に応じて、電流制御抵抗Ｒ１に発生する電流制御信号を増減させることにより出力トランジスタＭ１の飽和電流値を増減させる負帰還制御が行われる。このような負帰還制御が行われることにより出力電圧ＶＯＵＴが一定値に維持される。具体的には、出力電圧ＶＯＵＴは、ＶＯＵＴ・Ｒ４／（Ｒ３＋Ｒ４）＝ＲＥＦの関係を満たす電圧に維持される。

ここで、出力端子１１に接続された負荷の変動等により出力トランジスタＭ１に流れる電流が過大に増加し、出力電圧ＶＯＵＴが低下したとする。出力電圧ＶＯＵＴを抵抗Ｒ３およびＲ４により分圧した電圧が基準電圧ＲＥＦを下回ると、上述したように、電流制御信号を増加させる制御が行われる。

しかしながら、本実施形態では、電流制御抵抗Ｒ１に流れる電流が電流源Ｍ５の上限電流値以内に制限されるため、電流制御抵抗Ｒ１に発生する電流制御信号も、この上限電流値に対応した上限電圧値以内に制限される。従って、出力トランジスタＭ１に流れる電流も、この電流制御信号の上限電圧値に対応した上限電流値以内に制限される。

次に本実施形態の設計例を説明する。まず、電流制御抵抗Ｒ１と基準抵抗Ｒ２の抵抗比は１：１、電流源Ｍ５と基準電流発生用トランジスタＭ６は、電流比が１：１となるトランジスタサイズ比となっている。出力トランジスタＭ１と基準電圧発生用トランジスタＭ２のトランジスタサイズ比は、出力トランジスタＭ１の上限電流値Ｉｌｉｍｉｔ１と、定電流源２１の電流値Ｉ１との電流比を得るトランジスタサイズ比となっている。

出力トランジスタＭ１に流す上限電流値がＩｌｉｍｉｔ１である場合、出力トランジスタＭ１の飽和電流値がＩｌｉｍｉｔ１となる出力トランジスタＭ１のゲート－ソース間電圧Ｖｇｓｌｉｍｉｔを求め、これと同じ基準電圧Ｖｇｓｌｉｍｉｔが基準抵抗Ｒ２に発生するように出力トランジスタＭ１と基準電圧発生用トランジスタＭ２のトランジスタサイズ比を定める。

具体的には、出力トランジスタＭ１の上限電流値Ｉｌｉｍｉｔ１に対する定電流源２１の電流値Ｉ１の比がａ＝Ｉ１／Ｉｌｉｍｉｔ１である場合、出力トランジスタＭ１に対する基準電圧発生用トランジスタＭ２のトランジスタサイズ比をａとする。このようにすると、定電流源２１の電流Ｉ１を基準電圧発生用トランジスタＭ２に流すことにより、基準電圧Ｖｇｓｌｉｍｉｔが基準抵抗Ｒ２に発生する。

この場合、基準抵抗Ｒ２に流れる電流ＩＲ２は、ＩＲ２＝Ｖｇｓｌｉｍｉｔ／Ｒ２となる。従って、電流源Ｍ５の上限電流値は電流値ＩＲ２となり、電流制御抵抗Ｒ１に発生する電流制御信号ＶＲ１はＶＲ１＜ＩＲ２・Ｒ１＝（Ｖｇｓｌｉｍｉｔ／Ｒ２）・Ｒ１となり、Ｒ１＝Ｒ２のため、ＶＲ１＜Ｖｇｓｌｉｍｉｔとなる。ゆえに、出力トランジスタＭ１のゲート－ソース間電圧Ｖｇｓ１はＶｇｓ１＜Ｖｇｓｌｉｍｉｔに制限され、出力トランジスタＭ１に流れる上限電流値をＩｌｉｍｉｔ１とすることができる。

以上のように、本実施形態によれば、フィードバック制御による電流制限を行わず、出力トランジスタである出力トランジスタＭ１に与える電流制御信号を所定の上限値以内に制限することにより電流制限を行うので、電流制限に起因した発振を防止し、安定性に優れた電流制限機能付き安定化電源装置を実現することができる。また、本実施形態によれば、特許文献３のように、電流制限回路を２個設ける必要がないので、安定性向上のための回路面積の増加を回避することができる。

＜第２実施形態＞
図２はこの発明の第２実施形態である電流制限機能付き安定化電源装置１’の構成を示す回路図である。

本実施形態による電流制限機能付き安定化電源装置１’は、上記第１実施形態の定電圧制御部１０および定電流制御部２０と同様な定電圧制御部１０’および定電流制御部２０’を含む。また、定電圧制御部１０’は、上記第１実施形態のリミタ１３と同様なリミタ１３’を含む。

本実施形態において、定電圧制御部１０’および定電流制御部２０’の正電圧源ＶＣＣおよび接地に対する関係は、上記第１実施形態における定電圧制御部１０および定電流制御部２０の正電圧源ＶＣＣおよび接地に対する関係と逆になっている。

また、定電圧制御部１０’では、上記第１実施形態におけるＰチャネルの出力トランジスタＭ１、制御トランジスタＭ４、Ｎチャネルトランジスタからなる電流源Ｍ５が、Ｎチャネルの出力トランジスタＭ１’、制御トランジスタＭ４’、Ｐチャネルトランジスタからなる電流源Ｍ５’に置き換えられている。

また、定電流制御部２０’では、Ｐチャネルの基準電圧発生用トランジスタＭ２、バイアス用トランジスタＭ３およびＮチャネルの基準電流発生用トランジスタＭ６が、Ｎチャネルの基準電圧発生用トランジスタＭ２’、バイアス用トランジスタＭ３’およびＰチャネルの基準電流発生用トランジスタＭ６’に置き換えられている。他の点は上記第１実施形態と同様である。本実施形態においても上記第１実施形態と同様な効果が得られる。

＜他の実施形態＞
以上、この発明の第１および第２実施形態を説明したが、この発明には他にも実施形態が考えられる。例えば次の通りである。

（１）上記各実施形態では、電圧駆動素子である電界効果トランジスタにより電流制限機能付き安定化電源装置を構成したが、電流制限機能付き安定化電源装置の一部または全部を電流駆動素子であるバイポーラトランジスタにより構成してもよい。

（２）電流制限機能付き安定化電源装置は、モノリシック集積回路により構成してもよく、ディスクリート部品を回路基板上に配置することにより構成してもよい。

（３）上記各実施形態では、出力電圧ＶＯＵＴを抵抗Ｒ３およびＲ４により分圧した電圧と基準電圧ＲＥＦとを比較したが、出力電圧ＶＯＵＴを基準電圧ＲＥＦと比較するようにしてもよい。

（４）上記第１実施形態では、制御トランジスタＭ４をソースフォロアとして機能させたが、制御トランジスタＭ４をＮチャネルトランジスタに置き換えるとともに、比較回路１２の反転入力端子に抵抗Ｒ３およびＲ４間の中間ノードの電圧を与え、非反転入力端子に基準電圧ＲＥＦを与えてもよい。上記第２実施形態についても同様な変形が可能である。

（５）上記第１実施形態において示した各トランジスタのトランジスタサイズ比、各部の電流比は、あくまでも一例である。これらのトランジスタサイズ比、電流比は、電流制限機能付き安定化電源装置に要求される特性に応じて、適宜決定すればよい。

１，１’……電流制限機能付き安定化電源装置、１０，１０’……定電圧制御部、２０，２０’……定電流制御部、１３，１３’……リミタ、１１……出力端子、１２……比較回路、２１……定電流源、Ｍ１，Ｍ１’……出力トランジスタ、Ｒ３，Ｒ４……抵抗、Ｒ１……電流制御抵抗、Ｍ４，Ｍ４’……制御トランジスタ、Ｍ５，Ｍ５’……電流源、Ｍ２，Ｍ２’……基準電圧発生用トランジスタ、Ｒ２，Ｒ２’……基準抵抗、Ｍ３，Ｍ３’……バイアス用抵抗、Ｍ６，Ｍ６’……基準電流発生用トランジスタ。

Claims (5)

1. 出力電圧を発生する出力トランジスタと、前記出力電圧または当該出力電圧に比例した電圧と基準電圧とを比較する比較回路とを含み、前記比較回路の比較結果に応じて、前記出力トランジスタの出力電流を制御する電流制御信号を発生し、前記出力電圧を一定電圧に維持する定電圧制御部を有し、
   前記定電圧制御部が、前記電流制御信号を所定の上限値以内に制限するリミタを含み、
   前記リミタは、前記電流制御信号を発生する電流制御抵抗と、前記比較回路の比較結果に応じて電流が制御される制御トランジスタと、電流源とを直列接続してなり、
   前記電流源の電流値を所定の上限電流値以内に制限する定電流制御部を有することを特徴とする電流制限機能付き安定化電源装置。
2. 前記制御トランジスタは、ソースが前記電流制御抵抗に接続され、ドレインが前記電流源に接続され、前記比較回路の比較結果を示す信号がゲートに与えられる電界効果トランジスタであることを特徴とする請求項１に記載の電流制限機能付き安定化電源装置。
3. 前記制御トランジスタは、前記比較回路の比較結果を示す信号と連動する前記電流制御信号をソースから出力するソースフォロアとして機能することを特徴とする請求項２に記載の電流制限機能付き安定化電源装置。
4. 前記リミタの電流源は、ソースが基準電源に接続され、ドレインが前記制御トランジスタのドレインに接続された電界効果トランジスタであり、
   前記定電流制御部は、
   定電流源と、
   前記定電流源に直列接続され、ゲート－ソース間に基準抵抗が接続された基準電圧発生用電界効果トランジスタと、
   前記基準抵抗に直列接続され、前記リミタの電流源とともにカレントミラーを構成する基準電流発生用電界効果トランジスタと
   を有することを特徴とする請求項２または３に記載の電流制限機能付き安定化電源装置。
5. 前記定電流制御部は、前記基準抵抗および前記基準電流発生用電界効果トランジスタ間に介挿され、前記定電流源および前記基準電圧発生用電界効果トランジスタ間の中間ノードにゲートが接続されたバイアス用電界効果トランジスタを有することを特徴とする請求項４に記載の電流制限機能付き安定化電源装置。

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