JPH06509196A - 改良された電力供給用レギュレータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 改良された電力供給用レギュレータ 本発明は、調整された直流電流を供給する装置及びスイ・ソチ型レギュレータか らの直流出力を調整する方法に関する。

本発明により解決されるへき問題点は、スイッチモードで調整される直流供給電 力を低雑音で供給しようとする際に、通常発生する損失に関わるものである。

調整出力を供給するためにスイッチ型電源を使用することはよく知られている。

しかしながら、スイッチモードの技術を使用すると、本質的に高い雑音を呈し、 より低い雑音特性が要求される場合には、従来は、出力をリニアレギュレータの 入力側に供給するようにしていた。

現行の設計によるリニアレギュレータは、本質的に非効率的であって、著しい電 力が従来の回路設計でのリニアレギュレータによって失われていた。

残念ながら、このような非効率性によって、更に大きい電力をスイッチ型レギュ レータによって供給しなければならず、結果としてより大きな熱損失や、構成要 素の寸法が大きな問題点となっていた。

本発明の目的は、従来の場合と比較して効率的に作動できるような方法で結合さ れたスイッチ型レギュレータとリニアレギュレータの両者を組み入れた装置を提 供することにある。

本発明によれば、可変電源からの電力を受けるように設計された入力側を備えた スイッチ型レギュレータを存する調整された直流を供給する装置であって、スイ ッチ型レギュレータの出力側がリニアレギュレータの入力側に接続し、リニアレ ギュレータの出力側が低雑音の直流出力電力源として利用できる装置において、 リニアレギュレータの入出力間の電圧がスイッチ型レギュレータに入力され、前 記電圧かスイッチ型レギュレータの出力電圧を調整するための基準電圧としての 役割をすることを特徴とする調整された直流電流を供給する装置を提供する。

好ましくは、リニアレギュレータは、電圧信号を含んで構成される入力により制 御される出力を備えた制御サーボループを存し、前記電圧信号が、リニアレギュ レータ出力電圧の選択された部分と選択された固定基準電圧との間の電圧差であ り、スイッチ型レギュレータは、電圧信号により制御される出力を存する制御サ ーボループを有し、前記電圧信号が、リニアレギュレータの入出力信号間の電圧 と選択された固定基準電圧との間の電圧差である構成とする。

また、リニアレギュレータのサーボループは、スイッチ型レギュレータのサーボ ループより実質的に高いゲインを有するのが好ましい。

本発明は、また、スイッチ型レギュレータからリニアレギュレータに送られる直 流出力の調整をする方法を提供し、本方法は、可変電源からの電力をスイッチ型 レギュレータの入力側に供給し、リニアレギュレータの入出方間電圧を取り出し 、スイッチ型レギュレータに入力してスイッチ型レギュレータの出力電圧を制御 するための基準電圧とすることを特徴とする。

本発明を更に理解するために、添付の図面により本発明の実施例を以下に説明す る。

図１は、本実施例による配列を示したブロック概要図であり、構成要素としてス イッチ型レギュレータ、リニアレギュレータ及びサーボループを示す。

図２は、本実施例を組み入れた定電圧供給用レギュレータの回路図である。

図１による第１の実施例では、入力導線１．　２により入力がスイッチ型レギュ レータ３に供給される。スイッチ型レギュレータ３からの出力は導線４，５を介 してリニアレギュレータ７に供給される。ここで、スイッチ型レギュレータ３か らの出力は、導線６て導かれる信号１５により制御される。

リニアレギュレータ７からの出力は、導線５を基準として導線８を介して与えら れる。

リニアレギュレータ７の入力側導線４と出力側導線８との間の電圧を入力とする 差動増幅器サーボループ９は、スイ・ソチ型レギュレータ３に接続し、前記電圧 はスイッチ型レギュレータ３の出力電圧Ｖｓの調整を行う基準電圧としての役割 をする。

従って、図に見られるように、導線４と５との間の瞬時電圧はＶｓてあり、導線 ５と８との間ではＶａｌｔである。導線４と８との間の電圧差は、従って、Ｖｌ ｉｎ　＝ｖ　５−Ｖｏｕｔとなる。

リニアレギュレータによる多大な非効率性を避けるには、Ｖｌｉｎをかなり低レ ベル（少なくともｌボルト以下）に保持する必要がある。

実際の状況下て発生する障害の１つとしては、回路構成要素の許容範囲か、Ｖｌ ｉｎか負になるか或いは高くなりすぎるかの許容レベル外になる事態を引き起こ す可能性が考えられる。

従って、スイッチ型レギュレータ３が、それ自体の出力の代わりにＶ　ｔｉｎに より制御される出力を存するような装置とする。図から明らかなように、Ｖｌｉ ｎは、差動増幅器のサーボループ９を介して供給されるので、リニアレギュレー タ７の出力は、サーボループを介してその調整を制御するのに使用され、また、 スイッチ型レギュレータ３の出力は、リニアレギュレータ７における電圧降下、 即ちＶ　ｌｉｎにより制御される（通常Ｖｓにより制御される場合はない）。こ れゆえ、レギュレータ３と７による調整を停止させるかもしれない構成要素の許 容範囲の問題がなければ、Ｖｌｉｎは例えば各ボルト或いはそれ以下に保持でき る。

電圧調整の例を示したが、同様の原理は電流調整或いは両者の組み合わせ、例え ば、殆どの電子試験室のベンチ型電源に使用されるような、調整電圧を有するだ けでなく電流供給を制限する場合、にも応用することができる。

上記装置は、低雑音や適度に高い電力効率のために従来から多くの文献において 紹介されてきたような、リニアレギュレータを有するスイッチ型レギュレータを 備える。しかしながら、従来の装置では、直列に接続される２個のレギュレータ 、即ち、スイッチ型レギュレータとリニアレギュレータは、互いに独立して夫々 効率的に作動するものである。従って、スイッチ型レギュレータは、その出力と 基準電圧とを比較することによって、出力を制御するサーボループを有し、また 、リニアレギュレータは、その出力と基準値とを比較することによって出力を制 御するサーボループを有する。

これにより、本実施例と従来技術との相違は、この特定概念から明らかとなる。

即ち、リニアレギュレータは、その出力と基準値を比較して出力を制御するサー ボループを有するが、リニアレギュレータに出力を供給するスイッチ型レギュレ ータはサーボループに制御され、このサーボループは、基準値とリニアレギュレ ータの入出力電圧差との間の差に依存するものであって、スイッチ型レギュレー タの出力に依存するものではない。

」１記の場合、サーボループの安定性を計算するのは、特にサーボループか実質 的に相互に作用するため、従来の装置と比較して非常に複雑である。

演算や試験を重ねた結果、本出願人は、本発明による安定した装置を実現するこ とかできると共に、この装置か、著しい利点を提供することを発見した。

この装置により達成できる方法の１つとして、どんな特定の作動周波数において も、リニアレギュレータを制御するサーボループは、スイッチ型レギュレータを 制御するサーボループよりも実。

質的に高いゲインを有することを確実にしたことかあげられる。

従来、サーボループ増幅器は無限の直流ゲインを有するが、周波数とどもに連続 してゲインか低下する。このようなサーボループ増幅器においては、通常、目標 を達成できないような損失を伴う。本実施例では、どんな特定の周波数において も、リニアレギュレータを制御するサーボループ増幅器よりも実質的に低いゲイ ンを有するスイッチ型レギュレータを制御するサーボループ増幅器は、結果的に 装置の安定性を保持することとなる。リニアレギュレータを制御するサーボルー プに対応する増幅器は、例えば、フィードバックコンデンサ或いは抵抗器を持た ない、単に従来からこれらの装置に使用されている演算増幅器による増幅器でよ い。

図２の回路図によれば、可変人力供給を受けるように配置されて、スイッチ型レ ギュレータとリニアレギュレータへの入力導線としての役割をする導線１０．１ １が設けられる。正側ｌｏと負側１１との間には、平滑化のためのコンデンサ１ ２（０，０１フアラツド）が設けられる。

インダクタ１３（２００ｕＨ）は、導線ＩＯと電界効果トランジスタ１４　（Ｉ ＲＦＤ２４０）のドレーンとの間に接続される。

インダクタ１５（２００ｕＨ）は、導線１０と電界効果トランジスタ１６　（Ｉ ＲＦＤ２４０）との間に接続される。電界効果トランジスタ１４と１６の各ソー スは、導線１１に接続される。

電界効果トランジスタ１４のドレーンは、並列接続されたダイオード１７　（Ｂ ＹＶ２８−２００）のアノードに接続される。電界効果トランジスタ１６のドレ ーンは、並列接続されたダイオードｌ　８　（ＢＹＶ２８−２００）のアノード に接続される。並列接続されたダイオード１７と１８のカソードは、平滑コンデ ンサ１９（０，０１フアラツド）を介して導線１１に接続される。

バッファエミッタホロワトランジスタ２０と２１（ＢＣ３６８とＢＣ３６９）は 、電界効果トランジスタ１６のゲートに給電する。これらには、導線Ｉｆに対し て１５ボルトか別の電源２２により供給される。バッファエミッタホロワトラン ジスタ２３と２４（ＢＣ３６８とＢＣ３６９）は、電界効果トランジスタ１４の ゲートに給電する。これらもまた、１５ボルトが別の電源により供給される。

バッファエミッタホロワトランジスタ２３と２４の入力は、比較器２６で与えら れる。比較器２６の非反転入力側は、１５ボルトの電源２９から給電される電流 供給源２８に接続される。

同じ電源が、導線１１に接続されたコンデンサ３０（２，２ナノフアラツド）に 給電する。

同様に、バッファエミッタホロワトランジスタ２０と２１は、比較器２７から給 電される。比較器２７の非反転入力側は、１５ボルトの電源３２から給電される 電流供給源３１に接続される。

また、この電源は、導線１１に接続されるコンデンサ３３（２゜２ナノフアラツ ド）に給電する。コンデンサ３０は、外部の２０ｋＨｚの制御信号により制御さ れる電子スイッチ素子３４（４０６６）によって導線１１に周期的に短絡される よう配置されている。コンデンサ３３は、導線３７からの２０ｋＨｚの入力信号 により制御される電子スイッチ素子３５（４０６６）によって導線１１に周期的 に短絡されるよう配置されている。導線３６と３７からの入力は、互いに位相を 異にするように配列される。比較器２６と２７の反転入力は、演算増幅器３８に より供給される。フィルタコンデンサ３９と４１（２，２ナノフアラツド、２２ ナノフアラツド）及び抵抗器４０（８２にオーム）は、フィードバックサーボル ープフィルタの一部を構成する。抵抗器４２（４，７ｋ）は、電圧基準用ツェナ ーダイオード４３で与えられる定電圧から演算増幅器３８の反転入力を供給する 。この定電圧は、導線１１を基準とし、１５ボルトの電源４５に接続される抵抗 器４４を介して供給される。導線１１は、全体回路の一部であるリニアレギュレ ータの電界効果トランジスタ４７を制御するように接続される。この電界効果ト ランジスタ４７のドレーンは、装置全体の出力でもある導線５７に接続される。

他方の出力側である導線５６は、平滑コンデンサ１９に接続される並列接続され たダイオード１７と１８のカソードに結合される。

電界効果トランジスタ４７のゲートは、バッファエミッタホロワトランジスタ４ ８から給電される。バッファエミッタホロワトランジスタ４８は、１５ボルトの 別の電源から給電され、抵抗器４９　（ｌｋオーム）を介して導線１１と接続す るエミッタを有する。エミッタホロワトランジスタ４８のベースには、演算増幅 器５０の出力か供給される。出力供給導線５６と５７との間に接続される抵抗器 ５１と５２とから成る分圧器が、演算増幅器５０の反転入力を供給するのに対し て、非反転入力は、導線５７を基準とし抵抗器５４（５，６にオーム）を介して 小信号源５５から給電される電圧基準用ツェナーダイオード５３（５ボルト）か ら供給される。この基準電圧は、導線１１に接続される抵抗器５９と６０（４７ ０オームと１０にオーム）とから成る分圧器に給電される。抵抗器５９と６０の 分圧出力は、演算増幅器３８の非反転入力側に給電される。また、コンデンサ６ １（１０ナノフアラツド）は、抵抗器５９と６９とから成る分圧器と接続されて 、基準の導線１１と接続し、スイッチ型レギュレータのサーボループフィルタの 一部を構成する。コンデンサ５８（０，０１フアラツド）が出力導線５６と５７ の間に接続している。

実際には、導線１１と５７との間の電圧差は、可変抵抗器６０の調整により制御 することかでき、その電圧差はｌボルト以下に保たれる。本実施例においては、 ０．４ボルトであるのが好ましい。

演算増幅器ＮＥ５５３４は、とんな周波数においても、スイッチ型レギュレータ を制御するサーボループよりも実質的に高いゲインを存するように選択される。

このような装置の結果、任意の電力出力において、従来の装置に比較して本発明 の装置を使用することにより、雑音レベル或いはリップルレベルが著しく減少で きる点において有効な結果か得られる。

更に、従来の許容範囲であるにもかかわらず、電力損失の著しい減少をもたらす ような方法で作動する構成要素を使用して、このような装置を提供できる。

未調整入力を充分に調整された直流電力とするのに、公知であり商品として広範 囲に使用されているスイッチ型電源技術が通常使用される。従来の全ての装置で は、エネルギーを蓄えるための少なくとも１つのインダクタと、少なくとも１つ のスイッチ要素を使用し、また殆どの装置てはダイオードを使用する。スイッチ 要素は、整流を目的として使用されることもある。スイッチ型電源は、全ての場 合、電源の脈動特性によりその出力にリップルがあり、また、殆との場合、調整 能力に欠けることがよく知られている。従って、多くの設計では、スイッチ型電 源の後段にリニアレギュレータを有している。リニアレギュレータは効率か悪い 。

制御回路により引き出される電力に比べて、熱エネルギー損失はＪＶｉｄｔて表 され、ここで、■は前記リニアレギュレータに供給する入力電圧と出力電圧との 間の瞬時電圧であり、ｉは前記リニアレギュレータを流れる瞬時電流である（こ れにより、電流ｉの通路にエネルギーを蓄える重要なりアクタンス素子がないこ とが推測される）。リニア及びスイッチ型レギュレータは両者とも、要求される 調整の種類に依って電流又は電圧に関しその出力に応じて調整される。極端な非 効率性を避けるために、レギュレータにかかる電圧は、調整が停止する程度に低 い電圧ではないが可能な限り低く保持すべきである。既に明らかなように、約０ ．４又は０．５ボルトの数字は、状況に応じて有用な妥協の値として見出された ものである。

平成６年１月１７日

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）可変電源からの電力を受けるように設計された入力側を備えたスイッチ型 レギュレータを有する調整された直流を供給する装置であって、スイッチ型レギ ュレータの出力側がリニアレギュレータの入力側に接続し、リニアレギュレータ の出力側が低雑音の直流出力電力源として利用できる装置において、リニアレギ ュレータの入出力間の電圧がスイッチ型レギュレータに入力され、前記電圧がス イッチ型レギュレータの出力電圧を調整するための基準電圧としての役割をする ことを特徴とする調整された直流電流を供給する装置。
2. （２）リニアレギュレータは、電圧信号を含んで構成される入力により制御され る出力を備えた制御サーボループを備え、前記電圧信号が、リニアレギュレータ 出力電圧の選択された部分と選択された固定基準電圧との間の電圧差であり、ス イッチ型レギュレータは、電圧信号により制御される出力を有する制御サーボル ープを有し、前記電圧信号が、リニアレギュレータの入出力信号間の電圧と選択 された固定基準電圧との間の電圧差であることを特徴とする請求項１に記載の調 整された直流電流を供給する装置。
3. （３）作動周波数範囲内の選択されたどのような周波数においても、リニアレギ ュレータのサーボループがスイッチ型レギュレータのサーボループよりも高いゲ インを有することを特徴とする請求項２に記載の調整された直流電流を供給する 装置。
4. （４）リニアレギュレータにかかる電圧が１ボルト以下に保持されるよう配列さ れることを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の調整された直流電 流を供給する装置。
5. （５）出力側がリニアレギュレータに接続されるスイッチ型レギュレータからの 直流出力を調整する方法であって、可変電源からの電力をスイッチ型レギュレー タの入力側に供給し、リニアレギュレータの入出力間電圧を取り出し、スイッチ 型レギュレータに入力してスイッチ型レギュレータの出力電圧を制御するための 基準電圧とすることを特徴とするスイッチ型レギュレータからの直流出力を調整 する方法。
6. （６）明細書及び図面に示されるような調整された直流電流を供給する装置。
7. （７）明細書及び図面に示されるような、出力がリニアレギュレータに接続され るスイッチ型レギュレータからの直流出力を調整する方法。