JP3851303B2

JP3851303B2 - 多出力型電源装置及びこれを用いた携帯機器

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Publication number: JP3851303B2
Application number: JP2003314985A
Authority: JP
Inventors: 昌志堀本
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 2003-09-08
Filing date: 2003-09-08
Publication date: 2006-11-29
Anticipated expiration: 2023-09-08
Also published as: JP2005084849A; CN100423425C; TW200515685A; US20050052171A1; US7208923B2; US20070152505A1; KR100668907B1; TWI271919B; CN1595779A; KR20050025906A

Description

本発明は、複数の調整された電圧を出力する多出力型電源装置及びその電源装置を用いた携帯機器に関する。

携帯機器などでは、複数の構成要素に対してそれぞれ個別に制御された電圧を供給することが行われている。従来、これら複数の電圧を出力するための複数のレギュレータを半導体集積回路本体（以下、ＩＣチップ本体）に作り込み、これをパッケージングして半導体装置とし、これを多出力型電源装置として使用している。

図４は、そのような従来の多出力型電源装置４００の構成を示す図である。この図４において、ＩＣチップ本体３００に、例えば第１出力電圧Ｖｏ１を出力するための第１レギュレータ３０１、第２出力電圧Ｖｏ２を出力するための第２レギュレータ３０２、乃至第ｎ出力電圧Ｖｏｎを出力するための第ｎレギュレータ３０ｎとが設けられている。

これらレギュレータ３０１〜３０ｎへは、電源ピン３１２に供給された電源電圧Ｖｃｃが、ボンディングワイヤ３１３、電源パッド３１４、内部配線３１１を介して共通に入力される。即ち、これらレギュレータ３０１〜３０ｎの入力側は、ボンディングワイヤ３１３や内部配線３１１にて共通に接続されている。

レギュレータ３０１〜３０ｎは、例えばシリーズレギュレータで構成されており、基準電圧に基づいてそれぞれ所定の出力電圧Ｖｏ１〜Ｖｏｎを発生するように制御される。それらの出力電圧Ｖｏ１〜Ｖｏｎは、出力パッド３２１〜３２ｎ、ボンディングワイヤ３３１〜３３ｎ、出力ピン３４１〜３４ｎから、それぞれの負荷装置へ供給される。

なお、図４では、電源電圧Ｖｃｃをレギュレータ３０１〜３０ｎへの入力電圧としているが、レギュレータ３０１〜３０ｎへの入力電圧として電源電圧Ｖｃｃを昇圧回路で昇圧した電圧を供給する場合もある（特許文献１参照）。
特開平８−２３４８５１号公報

従来の多出力型電源装置４００では、電源ピン３１２、ボンディングワイヤ３１３、電源パッド３１４、内部配線３１１が複数のレギュレータ３０１〜３０ｎで共有されている。各レギュレータ３０１〜３０ｎがオン／オフしたり、それらの負荷装置の状態が変化すると、ボンディングワイヤ３１３や内部配線３１１などの抵抗による降下電圧が変動し、各レギュレータ３０１〜３０ｎへの入力電圧が変動してしまう。特に、電池電源で動作する携帯機器では、電池の動作可能時間を極力長くするために、各レギュレータ３０１〜３０ｎは電力供給の必要に応じてきめ細かくオン／オフされる。したがって、各レギュレータ３０１〜３０ｎが、互いに他のレギュレータに影響されて、電圧制御特性が劣化してしまうことがあった。

また、内部配線３１１を共通に接続しているから、レギュレータによってはＩＣチップ本体３００内部での電源ラインが長くなり配線抵抗が増大してしまうことがあり、このレギュレータでは入出力電圧差等の特性が劣化するという問題もあった。

また、各レギュレータ３０１〜３０ｎの出力電圧Ｖｏ１〜Ｖｏｎは、それぞれの負荷装置の仕様に応じて所定電圧に制御される。一方、各レギュレータ３０１〜３０ｎの入力電圧は電源電圧Ｖｃｃで共通である。したがって、入力される電源電圧Ｖｃｃと出力電圧Ｖｏ１〜Ｖｏｎとの差電圧分は、各レギュレータ３０１〜３０ｎでの損失になる。出力電圧Ｖｏ１〜Ｖｏｎが異なる場合に、出力電圧の低いレギュレータでの損失が大きくなってしまうという問題もあった。

そこで、本発明は、複数のレギュレータを１つの半導体集積回路に集積し、複数の調整された電圧を出力する多出力型電源装置において、他のレギュレータの動作による各レギュレータの電圧制御特性の劣化を少なくすることを目的とする。また、レギュレータへの配線抵抗の増大による入出力電圧差の特性劣化を少なくすることを目的とする。また、各レギュレータの出力電圧に応じた入力電圧を供給可能とし、レギュレータでの損失を小さくすることを目的とする。また、多出力型電源装置を用いた携帯機器の動作可能時間を長くすることを目的とする。

請求項１の多出力型電源装置は、複数のレギュレータを１つの半導体集積回路に集積し、複数の調整された出力電圧を出力するための多出力型電源装置において、
出力電圧に応じた検出電圧と基準電圧とを比較し、その比較結果に基づいて入力された入力電圧を制御して調整された出力電圧を出力するための前記複数のレギュレータと、
前記複数のレギュレータを１以上のレギュレータを含むレギュレータ群にグループ化し、そのグループ毎に対応して設けられ、グループ内のレギュレータ群に共通の入力電圧をそれぞれ供給するための複数の電源端子と、
前記複数のレギュレータからの調整された出力電圧を外部へ出力するための複数の出力端子とを有し、
前記グループ化されたレギュレータ群の少なくとも１つは、同時に動作状態に制御されることのない２以上のレギュレータを含んでいることを特徴とする。

請求項２の多出力型電源装置は、請求項１に記載の多出力型電源装置において、前記複数のレギュレータを個別に動作状態あるいは休止状態に制御するためのコントローラを有することを特徴とする。

請求項３の多出力型電源装置は、請求項１または２に記載の多出力型電源装置において、前記複数のレギュレータへ前記基準電圧を供給するための基準電圧発生回路を有することを特徴とする。

請求項４の多出力型電源装置は、請求項１乃至３のいずれかに記載の多出力型電源装置において、前記複数のレギュレータへは、レギュレータに応じて異なった値の入力電圧が供給されることを特徴とする。

請求項５の携帯機器は、請求項１乃至４のいずれかに記載の多出力型電源装置を備えていることを特徴とする。

本発明によれば、電源端子がレギュレータあるいはレギュレータ群に対応して設けられているから、他のレギュレータあるいはレギュレータ群の動作状態・休止状態やそれらの負荷装置の状態の影響を受けにくい。したがって、各レギュレータの電圧制御特性の劣化を少なくすることができる。

また、レギュレータあるいはレギュレータ群の出力電圧に応じて入出力電圧差が所定値になるような最適な入力電圧を供給することが可能になる。したがって、レギュレータにおける損失を低減することができる。

また、電源端子当たりに流れる電流を少なくできるから、電源端子や配線を小さくできる。

また、レギュレータをグループ化することにより、各レギュレータの電圧制御特性を劣化させることなく、電源端子数をレギュレータ数よりも少なくすることができる。

また、各レギュレータの間近に電源端子を配置することで半導体チップ上の配線抵抗を小さくできるから、損失の低減や、入出力電圧差等の改善ができる。

また、本発明の半導体装置をプリント配線基板などに実装する際に、プリント配線基板に電源ラインを分離して引くことができる。したがって、用途に応じて電源ラインを分離することができる。

また、本発明の携帯機器は、多出力型電源装置の損失が低減されているので、電池電源による動作可能時間を長くすることができる。

以下、本発明の多出力型電源装置の実施の形態について、図を参照して説明する。
図１は、本発明の第１実施例に係る多出力型電源装置２００の構成を示す図である。

図１において、ＩＣチップ本体１００に、第１出力電圧Ｖｏ１を出力するための第１レギュレータ１１、第２出力電圧Ｖｏ２を出力するための第２レギュレータ１２、第３出力電圧Ｖｏ３を出力するための第３レギュレータ１３、乃至第ｎ出力電圧Ｖｏｎを出力するための第ｎレギュレータ１ｎが設けられている。

第１レギュレータ１１の入力側は、内部配線１２１で第１電源パッド４１に接続されている。この電源パッド４１は、対応して設けられた第１電源端子（電源ピン）６１に例えばボンディングワイヤ１１１により接続されている。また、第１レギュレータ１１の出力側は、内部配線１３１で第１出力パッド５１に接続されている。この出力パッド４１は、対応して設けられた第１出力端子（出力ピン）７１に例えばボンディングワイヤ１４１により接続されている。この第１電源ピン６１は、第１出力ピン７１とともに、第１レギュレータ１１に対応して設けられている。

他の第２〜第ｎレギュレータ１２〜１ｎの入出力側も同様である。即ち、それらの入力側は、内部配線１２２〜１２ｎで第２〜第ｎ電源パッド４２〜４ｎに接続されている。これら電源パッド４２〜４ｎは、対応して設けられた第２〜第ｎ電源ピン６２〜６ｎに例えばボンディングワイヤ１１２〜１１ｎにより接続されている。また、それらの出力側は、内部配線１３２〜１３ｎで第２〜第ｎ出力パッド５２〜５ｎに接続されている。この出力パッド５２〜５ｎは、対応して設けられた第２〜第ｎ出力ピン７２〜７ｎに例えばボンディングワイヤ１４２〜１４ｎにより接続されている。これらの第２〜第ｎ電源ピン６２〜６ｎは、第２〜第ｎ出力ピン７２〜７ｎとともに、第２〜第ｎレギュレータ１２〜１ｎに対応して設けられている。

このように、この第１実施例では、複数のレギュレータ１１〜１ｎに対応して複数の電源ピン６１〜６ｎが独立して設けられている。それら電源ピン６１〜６ｎには、レギュレータ１１〜１ｎに供給するための入力電圧Ｖｉ１〜Ｖｉｎがそれぞれ印加される。

複数の出力ピン７１〜７ｎから、レギュレータ１１〜１ｎでそれぞれ調整された出力電圧Ｖｏ１〜Ｖｏｎが出力され、図示省略している負荷装置に供給される。

レギュレータ１１〜１ｎは、シリーズ型レギュレータで構成される。シリーズ型レギュレータは、例えば図２に示されるように、入力端と出力端の間に接続された制御トランジスタ３１と、その出力端の出力電圧Ｖｏを抵抗３２と抵抗３３によって抵抗分圧して検出電圧Ｖｄｅｔを得る出力電圧検出回路３４と、この検出電圧Ｖｄｅｔと基準電圧Ｖｒｅｆとを入力して比較しその比較結果に応じて制御トランジスタ３１を制御する差動増幅回路３５を有している。検出電圧Ｖｄｅｔが基準電圧Ｖｒｅｆに等しくなるように制御トランジスタ３１を制御することによって、入力電圧Ｖｉを調整して所定の出力電圧Ｖｏを得る。制御トランジスタとしては、Ｐ型もしくはＮ型ＭＯＳトランジスタやＰＮＰ型もしくはＮＰＮ型バイポーラトランジスタが好適に使用される。図２では、Ｐ型ＭＯＳトランジスタを使用している。このレギュレータは、コントローラ３０からのオン・オフ制御信号ＯＮ／ＯＦＦによって、動作状態あるいは休止状態におかれる。休止状態では、制御トランジスタ３１をオフにするとともに、差動増幅回路３５の動作電源もオフにする。即ち消費電力を最小限の状態にする。また、レギュレータ１１〜１ｎとしては、シリーズ型レギュレータの他に、スイッチング型レギュレータも使用することができる。

レギュレータ１１〜１ｎの出力電圧Ｖｏ１〜Ｖｏｎは、出力ピン７１〜７ｎに接続される各負荷装置の要求する電圧に合わせて調整される。レギュレータ１１〜１ｎへの入力電圧は、従来では単一の電源電圧Ｖｃｃになっていたが、本発明では電源ピン６１〜６ｎが個々に独立して設けられているからそれぞれ所定の入力電圧を供給することが可能である。例えば、第１〜第３出力電圧Ｖｏ１，Ｖｏ２，Ｖｏ３が２．５ｖ，２．０ｖ，１．８ｖである場合に、従来のように電源電圧Ｖｃｃが３ｖであるとすると、第１〜第３レギュレータ１１，１２，１３では入出力電圧差０．５ｖ，１．０ｖ，１．２ｖと各負荷電流に応じた損失が発生する。しかし、本発明では、この場合に、入力電圧Ｖｉ１，Ｖｉ２，Ｖｉ３を出力電圧より制御動作に必要な電圧、例えば０．３ｖだけ高い最適な電圧にする。このように、所定の入力電圧をそのレギュレータの出力電圧に合わせて最適値にすることにより、そのレギュレータで発生する損失を少なくすることができる。

基準電圧発生回路２０は、基準電圧Ｖｒｅｆを発生し、各レギュレータ１１〜１ｎに供給する。この基準電圧発生回路２０は望ましくはバンドギャップ型定電圧回路を用いて温度依存性の少ない安定した定電圧を発生する。この定電圧に基づいて１つあるいは複数の基準電圧を発生する。したがって、１つの定電圧を複数のレギュレータの基準電圧用に共用できる。なお、基準電圧発生回路２０を設けずに、各レギュレータ内部で基準電圧を作成しても良いし、また、外部から基準電圧を取り込むようにしても良い。

コントローラ３０は、各レギュレータ１１〜１ｎを個別に動作状態あるいは休止状態にオン・オフ制御信号ＯＮ／ＯＦＦによって制御する。この制御は、多出力型電源装置２００の外部からのシリアルデータ等による指令Ｄｉｎに基づいて行われる。例えば、携帯電話に用いられる場合には、発信、通話、着信、カメラ撮影などの要求に応じて必要とされるレギュレータ１１〜１ｎが動作状態にあるいは休止状態に設定される。なお、指令Ｄｉｎは、ｎビットデータ（１ビット以上）でよく、データピン６０，ボンディングワイヤ１１０、データパッド４０、内部配線１２０を介して、コントローラ３０に供給される。

この第１実施例によれば、電源ピン６１〜６ｎがレギュレータ１１〜１ｎに対応して設けられている。これらの電源ピン６１〜６ｎには、外部からそれぞれ入力電圧Ｖｉ１〜Ｖｉｎが供給される。電池電源で動作する携帯機器では、電池の動作可能時間を極力長くするために、各レギュレータ１１〜１ｎは電力供給の必要に応じてきめ細かく動作状態／休止状態に切り替えられる。このような場合でも、本発明では、レギュレータは、他のレギュレータの動作状態・休止状態やそれらの負荷装置の状態の影響を受けにくくなる。したがって、各レギュレータ１１〜１ｎの電圧制御特性の劣化が少なくなる。

また、電源ピン６１〜６ｎに外部から供給される入力電圧Ｖｉ１〜Ｖｉｎを、それぞれの出力電圧Ｖｏ１〜Ｖｏｎに対応して、入出力電圧差が所定値になるような最適な入力電圧を供給する。レギュレータにおける損失は入出力電圧差と出力電流とにより決まるから、レギュレータにおける損失が低減される。

また、電源ピン６１〜６ｎがレギュレータ１１〜１ｎ毎に設けられる。これにより、電源ピン当たりに流れる電流を少なくできるから、電源ピンを小さくしたり配線を細くできる。また、逆に、レギュレータ１１〜１ｎ毎に電源ピン６１〜６ｎがあるから、各レギュレータの電流容量を大きくすることができる。つまり、大電流出力化を図ることができる。

また、各レギュレータ１１〜１ｎの間近に電源ピン６１〜６ｎを配置することで半導体チップ上の配線抵抗を小さくできる。また、出力ピンＶｏ１〜Ｖｏｎも電源ピン６１〜６ｎとともに各レギュレータ１１〜１ｎの間近に配置することができる。この場合には、図１と異なって、電源ピン６１〜６ｎと出力ピンＶｏ１〜Ｖｏｎは、半導体装置２００の同じ側に配置される。したがって、損失の低減や、入出力電圧差等の改善ができる。

また、本発明の半導体装置２００をプリント配線基板（ＰＣＢ）などに実装する際に、ＰＣＢに電源ラインを分離して引くことができる。したがって、ＰＣＢ上において用途に応じて電源ラインを分離することができる。

また、この多出力型電源装置２００を携帯電話などの携帯機器に用いることにより、多出力型電源装置の損失が低減されているので、電池電源による動作可能時間を長くすることができる。

図３は、本発明の第２実施例に係る多出力型電源装置２００の構成を示す図である。この第２実施例においては、複数のレギュレータ１１〜１ｎを、それぞれが１以上のレギュレータを含むレギュレータ群を有して、共通の入力電圧に対して複数の出力電圧を出力するように、グループ化している。そのグループ化されたレギュレータ群毎に対応して共通の電源ピンを設け、それらレギュレータ群毎にそれぞれの入力電圧を供給する。この場合でも、各レギュレータからの調整された出力電圧は、それぞれ個別に出力ピンからそれぞれの負荷に供給される。

図３において、図１と異なる点を中心に説明する。図１におけるものと同じものには、同じ符号を付している。それらについては、再度の説明を省略する。

図３では、レギュレータ１１が単独でグループＧ１を形成し、レギュレータ１２，１３がグループＧ２を形成し、レギュレータ１４〜１６がグループＧ３を形成し、・・・そして、レギュレータ１ｎが単独でグループＧｋを形成している。

このようにレギュレータ１１〜１ｎをグループ化した場合でも、各レギュレータ１１〜１ｎからの調整された出力電圧は、内部配線１３１〜１３ｎ、出力パッド５１〜５ｎ、ボンディングワイヤ１４１〜１４ｎを介して、それぞれ個別に出力ピン７１〜７ｎから出力電圧Ｖｏ１〜Ｖｏｎとして、それぞれの負荷に供給される。

一方、各レギュレータ１１〜１ｎへの入力電圧の供給は、各グループＧ１〜Ｇｋ毎に行われる。

図３で、グループＧ１及びグループＧｋは、そのグループに含まれるレギュレータ１１及びレギュレータ１ｎが１つであるので、図１の構成と同様になる。

グループＧ２に属するレギュレータ１２，１３は、その入力側が共通に接続され、内部配線１２２で電源パッド４２に接続される。この電源パッド４２は、ボンディングワイヤ１１２によって電源ピン６２に接続される。即ち、電源ピン６２には、レギュレータ１２，１３への電源が供給される。

グループＧ３に属するレギュレータ１４，１５，１６は、その入力側が共通に接続され、内部配線１２３で電源パッド４３に接続される。この電源パッド４３は、ボンディングワイヤ１１３によって電源ピン６３に接続される。即ち、電源ピン６３には、レギュレータ１４，１５，１６への電源が供給される。

このグループ化は、電源ピンを共通にしても従来のような問題が生じないようにレギュレータを組み合わせることにより実現する。

グループＧ２に属するレギュレータ１２，１３は、同時に動作状態に制御されることのないレギュレータである。図３の例では２つのレギュレータであるが、条件が整えば、３つ以上の場合でも良い。具体的な例を挙げると、携帯機器における、ヘッドホンアンプ用のレギュレータとスピーカアンプ用のレギュレータが挙げられる。また、ＣＤ等における、回転させるためのスピンドルモータ用レギュレータとトレイを挿入・引出させるためのローディングモータ用レギュレータが挙げられる。これらの例は、いずれか一方のみのレギュレータが動作状態となる。即ち、排他的に使用される。

グループＧ３に属するレギュレータ１４，１５，１６は、それぞれのレギュレータに流れる電流が小さい場合に、適用できる。これらレギュレータ１４，１５，１６の電流が小さい場合には、そのいずれかのレギュレータが動作状態・復帰状態になったとしても、そのグループの他のレギュレータに悪影響を与えることが少ない。したがって、これら電流の小さいレギュレータ１４，１５，１６を１つのグループにまとめても、各レギュレータ１４，１５，１６の電圧制御特性は問題になるほどは劣化しない。

この第２実施例によれば、第１実施例と同様の効果を得ることができるとともに、レギュレータをグループ化しているから、電源ピン数をレギュレータ数よりも少なくすることができる。したがって、全体のピン数を少なくできるから、半導体装置２００の小型化に寄与できる。

本発明の第１実施例に係る多出力型電源装置の構成を示す図本発明に用いられるレギュレータの構成例を示す図本発明の第２実施例に係る多出力型電源装置の構成を示す図従来の多出力型電源装置の構成を示す図

符号の説明

１００半導体チップ
２００多出力型電源装置（半導体装置）
１１〜１ｎレギュレータ
２０基準電圧発生回路
３０コントローラ
４１〜４ｎ電源パッド
５１〜５ｎ出力パッド
６１〜６ｎ電源ピン
７１〜７ｎ出力ピン
１１１〜１１ｎボンディングワイヤ
１２１〜１２ｎ内部配線
１３１〜１３ｎ内部配線
１４１〜１４ｎボンディングワイヤ
Ｖｉ１〜Ｖｉｎ入力電圧
Ｖｏ１〜Ｖｏｎ出力電圧
Ｇ１〜Ｇｋレギュレータグループ

Claims

複数のレギュレータを１つの半導体集積回路に集積し、複数の調整された出力電圧を出力するための多出力型電源装置において、
出力電圧に応じた検出電圧と基準電圧とを比較し、その比較結果に基づいて入力された入力電圧を制御して調整された出力電圧を出力するための前記複数のレギュレータと、
前記複数のレギュレータを１以上のレギュレータを含むレギュレータ群にグループ化し、そのグループ毎に対応して設けられ、グループ内のレギュレータ群に共通の入力電圧をそれぞれ供給するための複数の電源端子と、
前記複数のレギュレータからの調整された出力電圧を外部へ出力するための複数の出力端子とを有し、
前記グループ化されたレギュレータ群の少なくとも１つは、同時に動作状態に制御されることのない２以上のレギュレータを含んでいることを特徴とする多出力型電源装置。
前記複数のレギュレータを個別に動作状態あるいは休止状態に制御するためのコントローラを有することを特徴とする、請求項１に記載の多出力型電源装置。
前記複数のレギュレータへ前記基準電圧を供給するための基準電圧発生回路を有することを特徴とする、請求項１または２に記載の多出力型電源装置。
前記複数のレギュレータへは、レギュレータに応じて異なった値の入力電圧が供給されることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれかに記載の多出力型電源装置。
請求項１乃至４のいずれかに記載の多出力型電源装置を備えていることを特徴とする携帯機器。