複数電源の立ち上がり特性を制御する回路：Design Ideas パワー関連と電源（2/2 ページ）

大規模LSIチップを駆動するためには、複数の電源電圧が必要になることがある。こうした複数の電源電圧をLSIに供給する際に、それぞれの電源電圧をどのように供給し始めればよいかはLSIごとに異なっている。このため、使用するLSIに適した電源供給順序を実現する回路が不可欠である。今回は、単一の入力電圧から2系統の電圧出力を生成する電源回路を紹介する。

[Dirk Gehrke（Texas Instruments Deutschland GmbH），EDN Japan]

2つの出力電圧が同一の立ち上がり波形を描くためには

　図1の回路で実現できる電源供給方法のうち、第2の方法は、2つの出力電圧が同一の立ち上がり波形を描く方法である。この動作を実現するためには、図1の回路に青い破線で囲んだ部品を取り付ければよい。青色の抵抗R₃も接続しておく。図3に出力電圧の測定波形を示した。IC₁とIC₂の出力電圧は途中まで同一の立ち上がり波形で高まり続ける。そしてIC₂の出力電圧が設定値（1.5V）に達するとほぼ同時に、IC₁の出力電圧も設定値（3.3V）に達する。

図3：2 つの出力電圧が同一の立ち上がり波形を描く
IC₁の出力電圧（上側の波形）とIC₂の出力電圧（下側の波形）は途中まで同一の立ち上がり波形で高まり続ける。そしてIC₂の出力電圧が1.5Vに達すると、ほぼ同時にIC₁の出力電圧が3.3Vに達する。

　この動作では、IC₂がマスター側コンバーターとなる。IC₂の出力電圧はR₁₄とR₁₂によって1.5Vに設定されている。一方IC₁は、IC₂によって制御されるスレーブ側コンバーターとして機能する。IC₁の出力電圧はR₈とR₃によって1.5Vに定められる。レシオメトリック動作の場合と同様に、2つの出力電圧は同じ立ち上がり速度で高まり始め、設定値である1.5Vに同時に到達する。

　ここからの動作はレシオメトリック動作の場合と異なる。2つの出力電圧が1.5Vに達するとすぐに、IC₁の出力電圧を最終的な値である3.3Vまで高める必要がある。このためQ₁を導通させて、R₆がR₃と並列になるように接地電位に接続する。出力電圧の設定値を3.3Vに変更するわけだ。R₆の値は次のような手順で求めればよい。まず、次式を用いる。

　ここでコア電圧（V_OUTCORE）＝1.5V、R₈＝27.4kΩ、IC₁の内部バンドギャップ基準電圧（V_REF）＝0.891VであることからR₃＝40.2kΩになる。このときR₃とR₆を並列接続した抵抗値をR_Xとすれば、I/O電圧（V_OUTI/O）はR₈とR_Xによって設定できる。

　この式でV_OUTI/O＝3.3Vとすれば、R_X＝10.22kΩと計算できる。

　ここにR₃＝40.2kΩを代入すると、R₆＝13.7kΩと求められる。

　図1の回路に5Vの入力電圧を印加すると、2つのコンバーターICが同時に起動して、同時に出力電圧を生成し始める。マスター側コンバーターであるIC₂の出力電圧が初期設定値（1.5V）の90％に達すると、オープンドレイン出力のパワーグッド出力ピン（PWRGDピン）がオープンになる。するとPWRGDピンの電位は直ちに入力電圧と同じ電位まで立ち上がる。R₄を介して入力電圧にプルアップされているからだ。この立ち上がり信号がQ₁に達し、Q₁を導通させる仕組みである。

　ここでR₅とC₁₁は遅延回路として機能する。この遅延回路の時定数によって、パワーグッド信号が立ち上がってからQ₁がオンするまでの時間が決まる。Q₁のしきい値電圧V_GSTHは1.6Vである。ゲート電極の電圧がしきい値電圧V_GSTHを超えるとQ₁がオンして、R₃と並列になるようにR₆を接地電位に接続する。この動作によってIC₁の出力電圧設定値が変化して、I/O電圧（3.3V）まで立ち上がる。なお、MOSFETであるQ₁のオン抵抗は10Ω程度である。このオン抵抗が回路の特性に影響を与えることはない。IC₁の出力電圧を設定する抵抗値がオン抵抗に比べて十分に大きいからだ。

　図1の回路では、2つのコンバーターICが同じスイッチング周波数で動作する。IC₂はマスター側コンバーターで、スイッチング周波数を700kHzに設定してある。IC₁に入力電圧を与えると、まずIC₂のスイッチング周波数より約10％低い、630kHz程度のスイッチング周波数で動作を開始する。IC₂が動作し始めると、IC₁はSYNCピンを介してIC₂と同期をとる。ダイオードD₁はSYNCピンを負の電圧スパイクから保護するために取り付けた。

　なお、2つの電圧出力間にショットキーダイオードを挿入すれば、入力電圧を印加していないときにも出力間の電位差を400mV〜600mVに保つことが可能である。陰極（カソード）をI/O電圧に、陽極（アノード）をコア電圧に接続する。

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※本記事は、2008年7月29日にEDN Japan臨時増刊として発刊した「珠玉の電気回路200選」に掲載されたものです。著者の所属や社名、部品の品番などは掲載当時の情報ですので、あらかじめご了承ください。
「珠玉の電気回路200選」：EDN Japanの回路アイデア寄稿コラム「Design Ideas」を1冊にまとめたもの。2001〜2008年に掲載された記事から200本を厳選し、5つのカテゴリーに分けて収録した。