电源控制用半导体装置和输出电压可变电源装置的制作方法

[0001]
本发明涉及一种直流电源装置，尤其涉及一种用于能够使输出电压多阶段地变化的串联调节器式的电源控制用半导体装置和输出电压可变电源装置的有效技术。


背景技术：

[0002]
作为控制设置在直流电压输入端子和输出端子之间的晶体管来输出具有期望电位的直流电压的电源装置，存在一种串联调节器(以下简称调节器)。作为该调节器的用途，例如存在用于向安装在电子设备中的冷却用送风装置(风扇)、照明装置等供给直流电源的恒压电源装置。近年来，随着个人电脑等电子设备的高速化、高功能化，对冷却用风扇的需求也在增加。
[0003]
在具备送风装置(风扇)的电子设备中，存在增设如下功能的需求：能够通过阶段性地改变用于驱动使风扇旋转的电动机的电压，来改变送风量即冷却性能。因此，要求调节器具有使输出电压阶段性地变化的功能。
[0004]
以往，作为涉及到能够改变输出电压的调节器的发明，例如存在专利文献1所述的发明。
[0005]
现有技术文献
[0006]
专利文献
[0007]
专利文献1:日本特开2006-320110号公报
[0008]
专利文献2:日本特开2017-134557号公报


技术实现要素：

[0009]
发明要解决的课题
[0010]
专利文献1所述的调节器能够根据控制电压的输入电平来选择并输出三种不同电平的输出电压。
[0011]
该发明中的调节器虽然能够阶段性地切换输出电压，但由于是从外部输入任意的控制电压来进行输出切换的结构，因此，当使用通用的微型计算机(以下简称微机)作为生成输入控制电压的装置时，需要内置有d/a转换电路的高功能微机，因此存在导致成本上升的问题。
[0012]
这里，作为通过内部未设置d/a转换电路的微机来阶段性地切换输出电压的方法，可以将多位控制信号输入到构成调节器的电源控制用半导体装置来进行切换。但是，这种情况下，电源控制用半导体装置需要多个控制输入端子，因此存在导致芯片尺寸增大的问题。
[0013]
另一方面，在电源装置中，为了降低待机时的电流消耗或使其几乎为0，要求构成调节器的电源控制用半导体装置具有通过来自外部的控制信号而导通和断开的功能。这时，需要在电源控制用半导体装置中另外设置用于从外部输入导通/断开控制信号的端子。
[0014]
另外，作为设置有用于输入导通/断开控制信号的端子的调节器用半导体集成电
路，例如存在专利文献2所述的电路。在专利文献2的调节器中，通过来自外部的导通/断开控制信号使将工作电压供给到误差放大器、基准电压电路等内部电路的偏置(bias)电路断开，由此使调节器的动作停止。
[0015]
然而，如果如上所述，为了能够通过多位控制信号来切换输出电压，并通过来自外部的导通/断开控制信号，使得电源控制用半导体装置能够从外部进行导通/断开，而分别设置用于输入每个信号的端子，则存在外部端子数量增加，芯片尺寸增大，进而导致封装大型化的问题。
[0016]
本发明是着眼于上述课题而提出的，其目的在于，提供一种能够通过少量的外部端子使输出电压根据来自外部的控制信号而阶段性地变化且能够进行导通/断开的电源控制用半导体装置和输出电压可变电源装置。
[0017]
本发明的另一个目的在于，提供一种能够使用内部未设置d/a转换电路的微型计算机来简单地控制输出电压的电源控制用半导体装置和输出电压可变电源装置。
[0018]
用于解决课题的手段
[0019]
为了达到上述目的，本发明提供一种电源控制用半导体装置，其具备：电压控制用晶体管，其连接在用于输入直流电压的电压输入端子与输出端子之间；控制电路，其根据输出的反馈电压来控制上述电压控制用晶体管；偏置电路，其根据输入到上述电压输入端子的直流电压来生成上述控制电路的工作电压；以及用于输入为了控制输出电压而从外部供给的输出控制信号的两个以上外部端子，
[0020]
其中，上述控制电路具备：
[0021]
误差放大器，其输出与由对上述输出端子的输出电压进行分压的分压电路分压后的电压和预定的基准电压之间的电位差相对应的电压；以及
[0022]
逻辑电路，其生成用于根据输入到上述两个以上外部端子的两个以上输出控制信号来使输入到上述误差放大器的上述分压电路的分压电压位移的信号或电压，以及根据上述两个以上输出控制信号的任意一个组合来使上述偏置电路成为非工作状态的信号或电压。
[0023]
根据具有上述结构的电源控制用半导体装置，能够使输出电压通过来自外部的输出控制信号阶段性地变化。此外，由于逻辑电路根据两个以上输出控制信号的任意一个组合，使生成控制电路的工作电压的偏置电路成为非工作状态，因此，无需设置专用于导通和断开的外部端子(包括ic的焊盘)，便能够使内部电路导通/断开。因此，能够通过少量的外部端子使输出电压阶段性地变化，实现封装的小型化，并且能够在待机时使内部电路断开从而降低功耗。进一步地，还能够使用内部未设置d/a转换电路的低价微机作为电源控制装置，通过该微机的i/o功能(通用端口)来进行输出电压的切换以及电源的导通和断开控制。
[0024]
这里，上述分压电路由串联连接在上述输出端子与接地点之间的第一电阻元件和电阻电路构成，
[0025]
上述电阻电路具有串联式的开关元件和电阻元件，
[0026]
上述开关元件通过来自上述逻辑电路的信号或电压成为导通或断开状态。
[0027]
另外，上述电阻电路也可以具有串联式的开关元件和电阻元件的多个列，多个上述开关元件通过来自上述逻辑电路的信号或电压成为导通或断开状态。
[0028]
根据这种结构，例如，当从外部输入的输出控制信号为2位时，则能够自由地设定3
个阶段的输出电压的电压值来进行输出，当输出控制信号为3位时，则能够自由地设定7个阶段的输出电压的电压值来进行输出。
[0029]
或者，上述分压电路由串联连接在上述输出端子与接地点之间的第一电阻元件和电阻电路构成，
[0030]
上述电阻电路具备串联式的多个电阻元件以及连接在上述多个电阻元件的连接节点与接地点之间的开关元件，
[0031]
上述多个电阻元件由分别具有预定电阻值的单位电阻串联连接而成的串联电阻电路构成，
[0032]
上述开关元件通过来自上述逻辑电路的信号或电压成为导通或断开状态。
[0033]
另外，上述电阻电路也可以具备连接在上述多个电阻元件的连接节点与接地点之间的多个开关元件，上述多个开关元件通过来自上述逻辑电路的信号或电压成为导通或断开状态。
[0034]
根据这种结构，当使用由具有预定电阻值的单位电阻串联连接而成的串联电阻电路作为分压用的电阻元件时，能够减少所使用的单位电阻数量，降低电阻电路的占用面积。
[0035]
进一步地，优选上述分压电路由串联连接在上述输出端子与接地点之间的第一电阻元件和电阻电路构成，
[0036]
上述电阻电路具备串联式的多个电阻元件以及连接在上述多个电阻元件的连接节点与接地点之间的多个开关元件，
[0037]
上述多个电阻元件由分别具有预定电阻值的单位电阻串联连接而成的串联电阻电路构成，
[0038]
上述多个开关元件通过来自上述逻辑电路的信号或电压成为导通或断开状态。
[0039]
根据这种结构，能够通过基于具有简单逻辑功能的逻辑电路的输出进行的控制，来使偏置电路断开，从而转移到使电源控制用半导体装置的动作停止的低功耗模式。
[0040]
此外，优选配置一种输出电压可变电源装置，其具备：具有如上所述的结构的电源控制用半导体装置；以及控制装置，其输出向上述两个以上外部端子输入的输出控制信号，
[0041]
其中，输出电压根据从上述控制装置向上述两个以上外部端子输入的输出控制信号而变化。
[0042]
根据具有这种结构的输出电压可变电源装置，能够通过来自外部的多个控制信号的输入使输出电压阶段性地变化，并使电源控制用半导体装置的动作停止，并且能够通过微机的i/o功能来进行输出电压的可变控制以及电源装置的停止控制。
[0043]
发明的效果
[0044]
根据本发明涉及的电源控制用半导体装置和输出电压可变电源装置，能够通过少量的外部端子，使输出电压通过来自外部的控制信号而阶段性地变化，并能够使输出电压通过来自外部的控制信号而导通和断开。此外，根据本发明，具有如下效果：能够实现使用内部未设置d/a转换电路的低价微型计算机来简单地控制输出电压以及导通和断开的电源控制用半导体装置和输出电压可变电源装置。
[0045]
附图标记说明
[0046]
10调节器ic、11误差放大器、12分压电路、13基准电压电路、14逻辑电路、15偏置电路、g1逻辑门、q1电压控制用晶体管、pa，pb控制输入端子。
附图说明
[0047]
图1是表示适用本发明的串联调节器式的输出电压可变电源装置的一个实施方式的电路结构图。
[0048]
图2是表示实施方式的调节器中的控制信号va、vb与输出电压vout之间的关系的波形图。
[0049]
图3的(a)是表示构成实施方式的调节器ic的逻辑电路的一例的逻辑结构图，图3的(b)是表示逻辑电路(g1除外)的具体例的电路图。
[0050]
图4是表示构成逻辑电路的逻辑门(或非门(nor门)g1)以及偏置电路的具体例的电路图。
[0051]
图5是表示由实施方式的调节器和用于控制该调解器的微机构成的电源系统的结构例的框图。
[0052]
图6是表示实施方式的调节器ic的变形例的电路结构图。
具体实施方式
[0053]
以下，根据附图对本发明的优选实施方式进行说明。
[0054]
图1示出了作为适用本发明的输出电压可变电源装置的串联调节器的一个实施方式。另外，在图1中，用点划线圈出的部分作为半导体集成电路(调节器ic)10形成在例如单晶硅这样的半导体芯片上，并作为输出电压可变电源装置发挥功能，该输出电压可变电源装置通过将电容器co连接到该调节器ic10的输出端子out，向未图示的风扇电动机等负载输出稳定的直流电压。
[0055]
此外，在以下说明中，将示出使用双极晶体管作为构成调节器ic10的晶体管的例子，但也可以使用mos晶体管来构成。
[0056]
如图1所示，在本实施方式的输出电压可变电源装置中，在施加了调节器ic10的直流输入电压vin的电压输入端子in和输出端子out之间，连接有电压控制用pnp双极晶体管q1，在输出端子out和施加了接地电位gnd的接地线(接地点)之间，串联连接有构成对输出电压vout进行分压的分压电路12的电阻r1、r2。
[0057]
构成该分压电路12的电阻r1、r2之间的连接节点n1的电压，作为反馈电压vfb，被输入到作为误差放大电路的误差放大器11的非反相输入端子，其中，误差放大电路用于控制上述电压控制用晶体管q1的栅极端子。此外，误差放大器11的反相输入端子上，施加有来自根据输入电压vin生成预定基准电压vref的基准电压电路13的基准电压vref，误差放大器11生成与输出的反馈电压vfb和基准电压vref之间的电位差相对应的电压并将其供给到电压控制用晶体管q1的栅极端子来控制q1，并控制输出电压vout成为期望的电位。
[0058]
此外，在本实施方式的调节器ic10中，在上述电阻r1和r2的连接节点n1与接地点之间，并联连接有由电阻r3和开关元件sw1连接而成的串联电路即电阻r3-开关元件sw1、由电阻r4和开关元件sw2连接而成的串联电路即电阻r4-开关元件sw2、以及由电阻r5和开关元件sw3连接而成的串联电路即电阻r5-开关元件sw3。这里，电阻r3、r4、r5的电阻值被设定为彼此不同的值。进一步地，在调节器ic10上，设置有作为外部端子的控制输入端子pa、pb，其中，外部端子用于输入由未图示的微机等供给的控制信号va、vb，并且还设置有用于生成根据该控制输入端子pa、pb的输入控制信号va、vb来控制上述开关元件sw1～sw3的信号
ocs1～ocs3的逻辑电路14。另外，电阻r2可以省略。
[0059]
进一步地，在本实施方式的调节器ic10上，设置有用于生成误差放大器11和基准电压电路13的工作电流的偏置电路15。逻辑电路14具备通过取控制输入端子pa、pb的输入控制信号va、vb的逻辑和的信号，来生成用于对上述偏置电路15进行导通和断开控制的信号on/off的功能，当输入控制信号va、vb均为低电平时，输出信号on/off成为高电平，并进行动作使偏置电路15断开。另外，此处配置成当va和vb中的任意一个为高电平时，逻辑电路14的输出信号on/off成为低电平，且偏置电路15导通。
[0060]
然后，当偏置电路15通过逻辑电路14的输出信号on/off而断开时，停止向误差放大器11、基准电压电路13、逻辑电路14供给工作电流，使这些内部电路的动作停止。
[0061]
此外，在本实施方式的调节器ic10中，当通过从逻辑电路14输出的控制信号ocs1～ocs3选择性地使开关元件sw1～sw3中的任意一个导通时，电阻r3或r4、r5中的任意一个与构成分压电路12的电阻r2并联连接，流过电阻r2的一部分电流在电阻r3或r4、r5中流过。因此，分压电路12的输出电压vout的分压比发生变化。由此来控制电压控制用晶体管q1的基极电压，使输出电流改变。
[0062]
其结果是，从调节器ic10的输出端子out输出的输出电压vout根据控制输入端子pa、pb的输入控制信号va、vb以3个阶段进行变化。另外，上述分压电路12的分压比通过开关元件sw1～sw3的导通和断开而改变，控制电压控制用晶体管q1使得通过误差放大器11的虚短路的作用使节点n1的电位迅速变为与基准电压vref相同的电位。
[0063]
在接下来的表1中，示出了表示输入控制信号va、vb与输出电压vout的电平以及偏置电路15的断开模式之间的关系的真值表，并在图2中示出了该真值表的波形图例。
[0064]
表1
[0065]
vavbbiasocs1ocs2ocs3voutlloff
---
offlhonhllv1hlonlhlv2hhonllhv3
[0066]
如图2所示，在本实施方式的调节器中，输出电压vout根据输入控制信号va、vb的电平的组合，变化为v1、v2、v3(v1<v2<v3)3个阶段的电平。
[0067]
另外，在图1的电路中，设置有与电阻r2并联连接的3组电阻-开关元件列，即，电阻r3-开关元件sw1列、电阻r4-开关元件sw2列以及电阻r5-开关元件sw3列，但通过设置两组电阻-开关元件列，并通过从逻辑电路14输出的控制信号ocs1～ocs3，进行仅使sw1导通、仅使sw2导通、以及使sw1和sw2导通这3个状态的控制，也能够使输出电压vout以3个阶段进行变化。但是，在这种情况下，sw1和sw2导通时的输出电压vout依赖于两个电阻r2和r3的电阻值，不能够自由地设定，而如上述实施例所示，通过设置3组电阻-开关元件列，具有3个阶段的电压均可自由设定的优点。
[0068]
在图3的(a)中，示出了按照表1生成开关元件sw1～sw3的控制信号ocs1～ocs3的逻辑电路14的逻辑结构图，在图3的(b)中，示出了逻辑电路14中除了或非门g1以外的部分的具体电路例。
[0069]
如图3的(a)所示，逻辑电路14由通过取输入控制信号va、vb的逻辑和来生成使偏
置电路15导通和断开的信号on/off的或非门g1、通过使输入控制信号va、vb反相来生成信号控制信号ocs1和ocs2的两个逆变器电路inv1、inv2、使逆变器电路inv1、inv2的输出反相的逆变器电路inv3、inv4、以及将inv3、inv4的输出作为输入的与门(and门)g2构成。
[0070]
如图3的(b)所示，逆变器电路inv1、inv2由对输入控制信号va、vb进行分压的两个串联电阻、在基极端子接收分压后的电压的双极晶体管q11、q12、以及与该晶体管q11、q12串联连接的恒流源cc1、cc2构成。此外，逆变器电路inv3、inv4由在基极端子接收上述晶体管q11、q12的集电极电压的双极晶体管q13、q14以及与该晶体管q13、q14串联连接的恒流源cc3、cc4构成。
[0071]
此外，与门g2由在基极端子接收上述晶体管q13、q14的集电极电压的串联式的双极晶体管q15、q16、在基极端子接收该晶体管q16的集电极电压的双极晶体管q17、以及与晶体管q16、q17串联连接的恒流源cc5、cc6构成。恒流源cc1～cc6可以由电流镜电路的次级侧晶体管构成，在该电流镜电路中，电流通过偏置电路15流过初级侧。
[0072]
图4中示出了本实施方式的调节器ic10中的偏置电路15和逻辑门(或非门)g1的具体电路例。
[0073]
如图4所示，逻辑门g1由串联连接在控制输入端子pa和接地端子gnd之间的电阻r11、r12、基极端子与电阻r11、r12的连接节点相连的npn双极晶体管q2、串联连接在控制输入端子pb和接地端子gnd之间的电阻r13、r14、以及基极端子与电阻r13、r14的连接节点相连的npn双极晶体管q3构成，晶体管q2和q3的集电极端子彼此耦合，其耦合点为输出节点n2。
[0074]
另一方面，偏置电路15由串联连接在电压输入端子in和逻辑门g1的输出节点n2之间的电阻r15和npn双极晶体管q4、连接在晶体管q4的基极端子和发射极端子间的电阻r16、以及基极端子与晶体管q4的集电极端子连接且发射极端子与q4的基极端子连接的npn双极晶体管q5构成。
[0075]
晶体管q5的集电极端子上，连接有例如未图示的电流镜电路这样的电流源，如果设q4的基极-发射极间电压为vf、设电阻r15的电阻值为r，则当逻辑门g1的晶体管q2和q3中的任意一个导通时，逻辑门g1的输出即节点n2的电位成为低电平，集电极电流流过q4，能够通过从连接在q5的集电极端子上的电流源(电流镜电路的初级侧晶体管)中引出大小由i＝vf/r表示的电流i，使内部电路成为工作状态。然后，当逻辑门g1的晶体管q2和q3均截止时，逻辑门g1的输出即节点n2的电位成为高电平，电流不再流过晶体管q4，从连接在q5的集电极端子上的电流源引出的电流i变为0，从而使内部电路的动作停止。
[0076]
接下来，通过图5对使用了具备控制输入端子pa、pb的上述调节器ic10以及通用微机的输出电压可变电源装置的结构例进行说明。
[0077]
当使用上述实施方式的调节器ic10和通用微机来构成输出电压可变电源装置时，如图5所示，以从微机20具备的i/o端口输出控制信号va、vb，并将其输入到调节器ic10的端子pa、pb的方式进行连接。通过配置具有这种连接的电源装置，如图2所示，能够实现输出电压可变电源装置，该输出电压可变电源装置能够使输出电压vout根据输入到控制输入端子pa、pb的控制信号va、vb以3个阶段进行变化，并且能够使调节器ic10的动作停止。
[0078]
如上所述，根据本实施方式的调节器ic10，能够如专利文献2所述的调节器ic那样，无需设置用于使ic停止其动作的外部端子，便能够使ic的动作停止。此外，能够使输出
电压vout线性变化的调节器ic，需要从外部向输出控制端子输入控制电压，要生成这种控制电压，需要使用内置有d/a转换电路的微机作为通用微机，而当如上述实施方式的调节器ic100所示，使输出电压vout以3个阶段进行变化时，能够使用通用端口输出控制信号，因此，能够使用内部未设置d/a转换电路的低价微机作为通用微机。
[0079]
另外，虽然在上述实施例的调节器ic10中，能够通过设置两个控制输入端子pa、pb来使输出电压vout以3个阶段进行变化，但控制输入端子的数量并不仅限于两个，也可以设置3个或4个以上。并且，在例如设置有3个控制输入端子的情况下，当输入到这些输入端子的3位控制信号均为低电平时，转移到调节器ic的动作停止的模式，通过以根据除此之外的组合使输出电压vout以7个阶段进行变化的方式来配置逻辑电路14和输出电压vout的分压电路12，能够使用内部未设置d/a转换电路的微机实现可控制的输出电压可变电源装置。
[0080]
(变形例)
[0081]
接下来，使用图6对上述实施方式的调节器ic10的变形例进行说明。
[0082]
图6所示的变形例中，与构成连接到上述实施方式的调节器ic10的输出端子out和接地点之间的分压电路12的电阻r1串联的方式设置有电阻r6、r7、r8，并且，在电阻r6和r7的连接节点n3与接地点之间设置有开关元件sw1，在电阻r7和r8的连接节点n4与接地点之间设置有开关元件sw2。此外，通过使输入到控制输入端子pa和pb的控制信号va和vb反相的反相器inv1、inv2的输出信号ocs1、ocs2，来对开关元件sw1和sw2进行导通和断开控制。
[0083]
因此，通过根据控制信号va、vb，仅将sw1控制为导通状态、仅将sw2控制为导通状态、或者将sw1和sw2控制为断开状态，能够使输出电压vout进行3个阶段(v1、v2、v3)变化。具体来讲，由v1＝(r1+r6)
×
vref/r6来表示仅使sw1导通时的输出电压v1，由v2＝(r1+(r6+r7))
×
vref/(r6+r7)来表示仅使sw2导通时的输出电压v2，由v3＝(r1+(r6+r7+r8))
×
vref/(r6+r7+r8)来表示使sw1和sw2断开时的输出电压v3。
[0084]
进一步地，在图6变形例的调节器ic中，电阻r6、r7、r8分别由串联连接有多个例如电阻值为10kω的单位电阻的串联电阻电路构成。具体来讲，例如，当希望将电阻r6和r37的电阻值设定为50kω时，分别串联连接5个单位电阻，当希望将电阻r8的电阻值设定为100kω时，串联连接10个单位电阻。也就是说，必须共计有20个单位电阻。
[0085]
与此相对，当在省略了图1实施方式的分压电路12中的电阻r2的调节器中，选择50kω、100kω、200kω作为电阻r3、r4、r5的电阻值，从而使输出电压vout与上述变形例同样地以3个阶段(v1、v2、v3)变化，并且使用例如电阻值为10kω的单位电阻来配置电阻r3、r4、r5时，必须共计有35个单位电阻，其中，r3为5个，r4为10个，r5为20个。
[0086]
因此，本变形例中，当使用串联连接有多个单位电阻的串联电阻电路作为构成分压电路12的电阻时，具有能够大幅(约一半)减少构成串联电阻电路的单位电阻的数量即电阻的占有面积的优点。
[0087]
以上，基于实施方式对本发明人提出的发明进行了具体说明，但本发明并不仅限于上述实施方式。例如，虽然在上述实施方式中，使用了图4所示的电路作为偏置电路15，但也可以使用例如专利文献2中公开的其他结构的电路。
[0088]
此外，虽然在上述实施方式中，对本发明适用于串联调节器式的输出电压可变电源装置的情况进行了说明，但本发明也可以用于分流调节器(
シャントレギュレータ
)式的电源装置。