JP2009110217A - 半導体集積回路装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】シリーズレギュレータ回路の保護動作をメインループ外で行うことにより、信頼性を向上させながら、安定した電源電圧を生成する。
【解決手段】シリーズレギュレータ回路の出力素子であるレギュレーション用トランジスタ4の前段に各種の保護動作による電流制限などの制御を行う入力電流調整部2が設けられている。これにより、メインのシリーズレギュレータ回路の回路構成を単純にすることができ、位相特性調整の自由度が大幅に向上し、電源IC1を安定動作させることができるとともに、緻密な保護動作制御を行うことができる。
【選択図】図1
【解決手段】シリーズレギュレータ回路の出力素子であるレギュレーション用トランジスタ4の前段に各種の保護動作による電流制限などの制御を行う入力電流調整部2が設けられている。これにより、メインのシリーズレギュレータ回路の回路構成を単純にすることができ、位相特性調整の自由度が大幅に向上し、電源IC1を安定動作させることができるとともに、緻密な保護動作制御を行うことができる。
【選択図】図1
Description
本発明は、安定した任意の電源電圧の生成技術に関し、特に、シリーズレギュレータ回路を用いた電源電圧の安定化に有効な技術に関する。
半導体集積回路装置やそれを用いた電子システムなどの電源部には、安定した電圧を生成して出力するレギュレータが広く用いられている。このレギュレータとしては、たとえば、シリーズレギュレータが知られている。
シリーズレギュレータは、たとえば、レギュレーション用のトランジスタ、誤差増幅器、および電流制限/過熱保護回路などから構成されている。トランジスタは、負荷に対して直列に接続されており、誤差増幅器は、トランジスタから出力される出力電圧と基準電圧とを比較し、その比較結果を電流制限/過熱保護回路に出力する。
電流制限/過熱保護回路は、誤差増幅器の比較結果において、出力電圧が基準電圧よりも大きいと、トランジスタの出力電流が小さくなるように制御信号を出力し、出力電圧が基準電圧よりも小さいと、トランジスタの出力電流が大きくなるように制御信号を出力する。
また、電流制限/過熱保護回路は、過電圧の発生や負荷電流の増加した場合などに、トランジスタを停止させる保護動作を行う。
なお、この種のレギュレータには、たとえば、チャージポンプの電源ラインにMOS(Metal Oxide Semiconductor)トランジスタを配置し、該トランジスタのゲートを制御することにより、電源ラインのノイズの抑制するものがある(たとえば、特許文献1参照)。
米国特許出願公開第2002/6411531号明細書
ところが、上記のようなシリーズレギュレータによる電源安定化技術では、次のような問題点があることが本発明者により見い出された。
すなわち、上述したシリーズレギュレータの構成では、電流制限/過熱保護回路が、メインのフィードバックループ内にあるために、保護機能の動作開始を遅延させる制御、保護動作の復帰の緻密な制御、および負荷電流が急激に減少した際の過電圧制御などを行うことが非常に困難となっている。
保護機能の動作開始を遅延させる制御では、たとえば、ロジック回路が動作することによって負荷電流が急激に増加した場合、電流制限/過熱保護回路が負荷電流の増加を検知してトランジスタを停止させてしまい、必要な電源を供給することができなくなってしまう恐れがある。
また、保護動作の復帰の緻密な制御では、負荷電流が減少した場合などに、電流制限/過熱保護回路は自動復帰制御を行うために、負荷側の回路に何らかの故障などが発生している場合には、電源の供給停止と自動復帰とを繰り返して行ってしまうことになり、安全性に対して問題が発生する恐れがある。
さらに、負荷電流が急激に減少した場合には、過電圧が発生してしまい、電源が供給されているロジック回路などに悪影響を及ぼしてしまう恐れがある。
本発明の目的は、シリーズレギュレータ回路の保護動作をメインループ外で行うことにより、信頼性を向上させながら、安定した電源電圧を生成することのできる技術を提供することにある。
本発明の前記ならびにそのほかの目的と新規な特徴については、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。
本発明による半導体集積回路装置は、入力電圧をレギュレートし、任意の電源電圧を生成するシリーズレギュレータ回路と、該シリーズレギュレータ回路の前段に設けられ、検出信号に基づいて、該シリーズレギュレータ回路に出力する入力電圧の電流調整を行う入力電流調整制御部とを備えたものである。
また、本願のその他の発明の概要を簡単に示す。
本発明の半導体集積回路装置は、前記入力電流調整制御部が、シリーズレギュレータ回路の保護動作が必要な際に検出信号を出力する検出部と、該検出部から出力された検出信号に基づいて、制御信号を出力する制御部と、該制御部の制御信号に基づいて、シリーズレギュレータ回路に出力する入力電圧の電流制限、または電流停止を行う電流調整部とよりなるものである。
また、本発明の半導体集積回路装置は、前記検出部が、シリーズレギュレータ回路の過電流を検出する過電流検出部と、シリーズレギュレータ回路が短絡状態になったことを検出する短絡検出部と、シリーズレギュレータ回路の過電圧を検出する過電圧検出部と、半導体集積回路装置内の過熱を検出する過熱検出部とを備えたものである。
さらに、本発明の半導体集積回路装置は、前記短絡検出部が、シリーズレギュレータ回路から出力される電圧と基準電圧とを比較し、シリーズレギュレータ回路から出力される電圧が、基準電圧以下となった際に短絡状態と判断して検出信号を出力する比較部と、該比較部の出力部に接続され、低域周波数の検出信号のみを通過させるローパスフィルタとを備え、該ローパスフィルタは、比較部が検出した検出信号が、任意の時間以下であれば、制御部に検出信号を出力しないものである。
また、本発明の半導体集積回路装置は、前記短絡検出部が、ローパスフィルタを介して検出信号が出力された際に、外部から起動信号が入力されるまで、検出信号の信号状態を維持する状態維持部を備えたものである。
さらに、本発明の半導体装置は、前記検出部が、シリーズレギュレータ回路が起動したことを検出する起動検出部を備え、制御部は、起動検出部が、シリーズレギュレータ回路が起動した際に出力する検出信号を出力した際に、任意の期間、シリーズレギュレータ回路に出力する入力電圧の電流制限を行うように電流調整部に対して制御信号を出力するものである。
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。
(1)シリーズレギュレータ回路を単純化することができるので、安定した電源電圧を生成することができる。
(2)また、シリーズレギュレータ回路の保護動作を高精度に、且つ緻密に行うことができるのでの信頼性を向上させることができる。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
図1は、本発明の一実施の形態による電源ICの構成例を示すブロック図、図2は、図1の電源ICに設けられた入力電流調整部の回路構成例を示す説明図、図3は、図2の入力電流調整部に設けられたロジック部の出力状態、および各トランジスタの動作状態を示したテーブルである。
本実施の形態において、電源IC(Integrated Circuit)1は、安定した電圧を生成して出力し、電源電圧として供給する電源生成用の半導体集積回路装置である。
電源IC1は、図1に示すように、入力電流調整部2、出力調整部3、レギュレーション用トランジスタ4、過電流検出部5、短絡検出部6、出力過電圧検出部7、温度検出部8、スタートアップタイマ9、UVLO(UnderVoltage LockOut)10、基準電圧生成部11、否定論理積回路12、インバータ12a、およびロジック部13からなる。
また、入力電流調整部2、過電流検出部5、短絡検出部6、出力過電圧検出部7、温度検出部8、スタートアップタイマ9、およびロジック部13によって電流調整制御部が構成されている。さらに、出力調整部3とレギュレーション用トランジスタ4によってシリーズレギュレータ回路が構成されている。
電流調整部となる入力電流調整部2は、制御部となるロジック部13の制御に基づいて、レギュレーション用トランジスタ4の入力される電流の調整を行う。出力調整部3は、レギュレーション用トランジスタ4の出力が一定となるように制御する。
出力調整部3は、抵抗3a,3b、静電容量素子3c、およびオペアンプ3dから構成されている。抵抗3aと抵抗3bとは、出力端子VOUTと基準電位VSSとの間に直列接続されている。
オペアンプ3dの正(+)側入力端子には、抵抗3aと抵抗3bとによって分圧された電圧が入力されるように接続されている。静電容量素子3cの一方の接続部には、出力端子VOUTが接続されており、該静電容量素子3cの他方の接続部には、オペアンプ3dの正(+)側入力端子が接続されている。
また、オペアンプ3dの負(−)側入力端子には、基準電圧VREFが入力されるように接続されており、該オペアンプ3dの出力部からは、レギュレーション用トランジスタ4の出力制御を行う制御信号が出力される。
レギュレーション用トランジスタ4は、出力調整部3から出力される制御信号に基づいて、任意の出力電圧を出力する。レギュレーション用トランジスタ4の一方の接続部には、入力電流調整部2の出力部が接続されており、該レギュレーション用トランジスタ4のゲートには、出力調整部3から出力される制御信号が入力されるように接続されている。
レギュレーション用トランジスタ4の他方の接続部には、出力端子VOUTが接続されており、この出力端子VOUTが、電源IC1の出力部となる。
過電流検出部5は、電源IC1の電流値が任意の設定値以上になったことを検出し、過電流検出信号としてロジック部13に出力する。過電流検出部5は、レギュレーション用トランジスタ4とミラー回路構成をとるトランジスタ5a、トランジスタ5aのドレイン電流(レギュレーション用トランジスタ4のドレイン電流と相似)をドレイン電圧に変換するオペアンプ5bと抵抗5cトランジスタ5e、およびオペアンプ5dから構成されている。
トランジスタ5aの一方の接続部には、入力電流調整部2の出力部が接続されており、該トランジスタ5aの他方の接続部には、トランジスタ5eの一方の接続部が接続されている。
また、トランジスタ5aのゲートには、レギュレーション用トランジスタ4のゲートが接続されている。トランジスタ5eの他方の接続部には、抵抗5cの一方の接続部、およびオペアンプ5dの正(+)側入力端子がそれぞれ接続されている。抵抗5cの他方の接続部には、基準電位VSSが接続されている。
トランジスタ5eのゲートには、オペアンプ5bの出力部が接続されており、該オペアンプ5bの負(−)側入力端子には、トランジスタ5aとトランジスタ5eとの接続部が接続されている。オペアンプ5bの正(+)側入力端子には、レギュレーション用トランジスタ4の他方の接続部が接続されている。
これにより、オペアンプ5dの正(+)側入力端子には、変換されたドレイン電圧が入力され、該オペアンプ5dの負(−)側入力端子には、基準電圧VREFが入力されるように接続されている。オペアンプ5dは、ドレイン電圧が基準電圧VREFよりも高くなると、過電流検出信号をロジック部13に出力する。
短絡検出部6は、電源IC1の出力端子VOUTなどの短絡を検出し、短絡検出信号としてロジック部13に出力する。短絡検出部6は、比較部となるオペアンプ6a、ローパスフィルタ6b、否定論理和回路6c、フリップフロップ6d、ならびにインバータ6eから構成されている。
比較部となるオペアンプ6aの正(+)側入力端子には、出力端子VOUTが接続されており、該オペアンプ6aの負(−)側入力端子には、基準電圧VREFが入力されるように接続されている。
オペアンプ6aの出力部には、ローパスフィルタ6bの入力部が接続されており、該ローパスフィルタ6bの出力部には、状態維持部を構成する否定論理和回路6cの一方の入力部が接続されている。
否定論理和回路6cの他方の入力部には、否定論理積回路12の出力部が接続されており、該否定論理和回路6cの出力部には、状態維持部を構成するフリップフロップ6dのセット端子Sが接続されている。
否定論理積回路12の一方の入力部には、外部接続されたマイクロコンピュータなどから起動信号CEが入力されるように接続されており、該否定論理積回路12の他方の入力部には、インバータ12aの出力部が接続されている。このインバータ12aの入力部には、UVLO10の出力部が接続されている。
また、フリップフロップ6dのリセット端子Rには、インバータ6eを介してセット端子入力の否定が入力される。ローパスフィルタ6bは、短時間で遷移する信号をカットする。よって、オペアンプ6aが瞬間的な短絡状態を検出しても、後段の否定論理和回路6cに出力されず、電源IC1に接続された半導体集積回路装置などのロジック回路が動作することによって、一時的に大電流などが流れても、短絡状態と判定する誤判定を防止することができる。
出力過電圧検出部7は、電源IC1の出力端子VOUTから出力される電圧が任意の電圧値以上になったことを検出し、過電圧検出信号としてロジック部13に出力する。出力過電圧検出部7は、オペアンプなどからなり、正(+)側入力端子に、基準電圧VREFが入力されるように接続されており、負(−)側入力端子には、出力端子VOUTの電圧を抵抗R1、R2によって分圧された分圧電圧が入力されるように接続されている。
温度検出部8は、電源IC1内部の温度を検出し、任意の温度以上になった際に過熱検出信号をロジック部13に出力する。起動検出部となるスタートアップタイマ9は、電源IC1の起動後、カウントアップを行い、任意時間が経過したことをロジック部13に知らせるタイマである。
UVLO10は、入力電圧VINが任意の電圧以下となると、動作を停止させる停止信号を出力する。ロジック部13は、電源IC1におけるすべての制御を司るとともに、入力電流調整部2に制御信号を出力し、レギュレーション用トランジスタ4に供給される電流が最適となるよう制御を行う。
次に、入力電流調整部2の回路構成について、図2を用いて説明する。
入力電流調整部2は、トランジスタ14〜20、および定電流源21,22から構成されている。トランジスタ14,15,16,17は、PチャネルMOS(Metal Oxide Semiconductor)からなり、トランジスタ18〜20は、NチャネルMOSからなる。
トランジスタ14,15,17の一方の接続部には、電源が接続される入力端子VINがそれぞれ接続されている。入力電流調整用のトランジスタ14の他方の接続部には、レギュレーション用トランジスタ4の一方の入力部が接続されている。このトランジスタ14の他方の接続部が、入力電流調整部2の出力部となる。
トランジスタ14のゲートには、トランジスタ15のゲート、トランジスタ17の他方の接続部、およびトランジスタ18の一方の接続部がそれぞれ接続されている。トランジスタ16,17の他方の接続部には、トランジスタ19,20の一方の接続部がそれぞれ接続されている。
また、トランジスタ19の他方の接続部は、定電流源21を介して基準電位VSSが接続されている。トランジスタ20の他方の接続部は、定電流源22を介して基準電位VSSが接続されており、トランジスタ18の他方の接続部には、基準電位VSSが接続されている。
トランジスタ16のゲートには、ロジック部13の出力端子G1が接続されており、トランジスタ17のゲートには、ロジック部13の出力端子G2が接続されている。トランジスタ18のゲートには、ロジック部13の出力端子G3が接続されており、トランジスタ19のゲートには、ロジック部13の出力端子G4が接続されている。トランジスタ20のゲートには、ロジック部13の出力端子G5が接続されている。
次に、本実施の形態における入力電流調整部2の動作について、図1、図2、および図3を用いて説明する。
図3は、各モード時におけるロジック部13の出力端子G1〜G5の出力状態、ならびにトランジスタ14〜20の動作状態を示したテーブルである。
始めに、電源IC1の起動時について説明する。
まず、外部接続されたマイクロコンピュータなどから起動信号CEが入力されると、スタートアップタイマ9が動作し、任意の期間(たとえば、3ms程度以下)、スタート信号をロジック部13に出力する。ロジック部13は、スタート信号が入力されている間、図3の’起動時/CE投入時’に示すように、出力端子G1、G3,G5からLo信号をそれぞれ出力し、出力端子G2,G4からHi信号をそれぞれ出力する。
それにより、トランジスタ16,19がONとなり、ミラー回路を構成したトランジスタ14,15に電流制限がかかるため、電源IC1の起動時に重い容量負荷があっても、突入電流を小さくすることができる。
その後、スタートアップタイマ9のスタート信号をロジック部13が反転すると、通常動作となる。この通常動作時においては、図3の’通常動作時’に示すように、ロジック部13は、出力端子G1〜G3からHi信号をそれぞれ出力し、出力端子G4,G5からLo信号をそれぞれ出力する。
よって、トランジスタ14,15,18がそれぞれONとなり、トランジスタ16,17,19,20がそれぞれOFFとなり、トランジスタ14は完全導通となって低抵抗状態となり、ほぼ電流制限されずにレギュレーション用トランジスタ4に供給される。
また、短絡検出部6が電源IC1の短絡を検出した場合、図3の’短絡保護時’に示すように、ロジック部13は、出力端子G1からHi信号を出力し、その他の出力端子G2〜G5からはLo信号をそれぞれ出力する。
それによって、トランジスタ17以外のトランジスタ14〜16,18〜20がOFFとなり、入力電流調整部2のレギュレーションが停止状態となる。
前述したように、短絡検出部6には、ローパスフィルタ6bが設けられおり、過渡的に大電流がながれて出力電圧が低下した場合の短絡保護動作が抑制される構成となっている。
一般に、電源ICなどのレギュレータ回路では、電流制限と短絡保護が同一のフォールドバック型になっているため、過渡的な電圧低下であっても出力回路の能力が著しく制限されることになるが、本実施の形態の構成では、電流制限と短絡保護を別々に動作させているために過渡特性が良好になる。
また、短絡保護が動作した場合には、外部接続されたマイクロコンピュータなどから起動信号CEなどを入力しない限り、短絡検出部6のフリップフロップ6dからは、短絡検出信号が出力され続けることになる。これにより、短絡保護時の自動復帰を防止することができる。
次に、出力過電圧検出部7が過電圧を検出し、該出力過電圧検出7から出力された過電圧検出信号がロジック部13に入力されると、ロジック部13は、図3の’出力過電圧保護時’に示すように、短絡保護時と同様に、出力端子G1からHi信号を出力し、その他の出力端子G2〜G5からはLo信号をそれぞれ出力する。それによって、この場合も、入力電流調整部2のレギュレーションが停止状態となる。
トランジスタ4、および出力調整部3で構成されるシリーズレギュレータ回路の出力メインループは、負荷変動に対して、著しく低速であるため、出力電流が急激に減少すると、出力電圧が跳ね上がる現象が発生する。
このため負荷として出力につながっている半導体集積回路装置などのデバイスが破壊する可能性がある。しかし、本実施の形態のように、出力過電圧検出部7をメインループから切り離すことによって、高速な出力電圧の上昇の検出が可能となる。
さらに、過電流検出部5が過電流を検出した場合、過電流検出信号がロジック部13に入力される。この過電流検出信号を受けて、ロジック部13は、図3の’出力過電流保護時’に示すように、出力端子G2,G5からHi信号をそれぞれ出力し、出力端子G1,G3,G4からはLo信号をそれぞれ出力する。それによって、トランジスタ16,19がONとなり、トランジスタ14(,15)が電流制限状態となる。
続いて、温度検出部8が、電源IC1の異常過熱を検出し、過熱検出信号をロジック部13に出力した場合、ロジック部13は、図3の’過熱保護時’に示すように、短絡保護時と同様に、出力端子G1からHi信号を出力し、その他の出力端子G2〜G5からはLo信号をそれぞれ出力する。それによって、この場合も、入力電流調整部2のレギュレーションが停止状態となる。
それにより、本実施の形態によれば、レギュレーション用トランジスタ4の前段に設けた入力電流調整部2によって電流制限などの保護動作を行うので、出力メインループでの電流制限などを不要とすることができる。
また、出力メインループでの電流制限が不要となることにより、出力メインループを構成するシリーズレギュレータ回路を単純化することができ、位相特性調整の自由度が増し、安定した動作を行うことができる。
さらに、出力メインループでの電流制限が不要となることにより、過電流、過電圧、短絡、ならびに過熱などの各種の検出や保護動作を高精度に、且つ緻密に行うことができるので、電源IC1の信頼性を向上させることができる。
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
本発明は、シリーズレギュレータ回路を用いた電源用ICなどの半導体集積回路装置に適している。
1 電源IC
2 入力電流調整部
3 出力調整部
3a,3b 抵抗
3c 静電容量素子
3d オペアンプ
4 レギュレーション用トランジスタ
5 過電流検出部
5a トランジスタ
5b オペアンプ
5c 抵抗
5d オペアンプ
5e トランジスタ
6 短絡検出部
6a オペアンプ
6b ローパスフィルタ
6c 否定論理和回路
6d フリップフロップ
6e インバータ
7 出力過電圧検出部
8 温度検出部
9 スタートアップタイマ
10 UVLO
11 基準電圧生成部
12 否定論理積回路
12a インバータ
13 ロジック部
14〜20 トランジスタ
21,22 定電流源
2 入力電流調整部
3 出力調整部
3a,3b 抵抗
3c 静電容量素子
3d オペアンプ
4 レギュレーション用トランジスタ
5 過電流検出部
5a トランジスタ
5b オペアンプ
5c 抵抗
5d オペアンプ
5e トランジスタ
6 短絡検出部
6a オペアンプ
6b ローパスフィルタ
6c 否定論理和回路
6d フリップフロップ
6e インバータ
7 出力過電圧検出部
8 温度検出部
9 スタートアップタイマ
10 UVLO
11 基準電圧生成部
12 否定論理積回路
12a インバータ
13 ロジック部
14〜20 トランジスタ
21,22 定電流源
Claims (6)
- 入力電圧をレギュレートし、任意の電源電圧を生成するシリーズレギュレータ回路と、
前記シリーズレギュレータ回路の前段に設けられ、検出信号に基づいて、前記シリーズレギュレータ回路に出力する入力電圧の電流調整を行う入力電流調整制御部とを備えたことを特徴とする半導体集積回路装置。 - 請求項1記載の半導体集積回路装置において、
前記入力電流調整制御部は、
前記シリーズレギュレータ回路の保護動作が必要な際に検出信号を出力する検出部と、
前記検出部から出力された検出信号に基づいて、制御信号を出力する制御部と、
前記制御部の制御信号に基づいて、前記シリーズレギュレータ回路に出力する入力電圧の電流制限、または電流停止を行う電流調整部とよりなることを特徴とする半導体集積回路装置。 - 請求項2記載の半導体集積回路装置において、
前記検出部は、
前記シリーズレギュレータ回路の過電流を検出する過電流検出部と、
前記シリーズレギュレータ回路が短絡状態になったことを検出する短絡検出部と、
前記シリーズレギュレータ回路の過電圧を検出する過電圧検出部と、
前記半導体集積回路装置内の過熱を検出する過熱検出部とを備えたことを特徴とする半導体集積回路装置。 - 請求項3記載の半導体集積回路装置において、
前記短絡検出部は、
前記シリーズレギュレータ回路から出力される電圧と基準電圧とを比較し、前記シリーズレギュレータ回路から出力される電圧が、基準電圧以下となった際に短絡状態と判断して検出信号を出力する比較部と、
前記比較部の出力部に接続され、低域周波数の検出信号のみを通過させるローパスフィルタとを備え、
前記ローパスフィルタは、
前記比較部が検出した検出信号が、任意の時間以下であれば、前記制御部に前記検出信号を出力しないことを特徴とする半導体集積回路装置。 - 請求項4記載の半導体集積回路装置において、
前記短絡検出部は、
前記ローパスフィルタを介して前記検出信号が出力された際に、外部から起動信号が入力されるまで、前記検出信号の信号状態を維持する状態維持部を備えたこと特徴とする半導体集積回路装置。 - 請求項2または3記載の半導体集積回路装置において、
前記検出部は、
前記シリーズレギュレータ回路が起動したことを検出する起動検出部を備え、
前記制御部は、
前記起動検出部が、前記シリーズレギュレータ回路が起動した際に出力する検出信号を出力した際に、任意の期間、前記シリーズレギュレータ回路に出力する入力電圧の電流制限を行うように前記電流調整部に対して制御信号を出力することを特徴とする半導体集積回路装置。
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