CN100403205C - 电压调节器 - Google Patents

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Abstract

提供了一种电压调节器，该电压调节器可以调节最大电流和短路电流比以便可以显著地增加最大电流和减小短路电流。用于限制输出电压端的电流值的第一限流电路是由P沟道MOS晶体管(2，4)、N沟道MOS晶体管(3)和电阻(21和22)组成。用于检测输出电压端的减小并且限制输出电压端的电流值的第二限流电路是由P沟道MOS晶体管(2，4)、N沟道MOS晶体管(3)和电阻(20、21和22)组成。通过使用这些电路，可以显著地增加最大电流和减小短路电流。

Description

电压调节器
技术领域
本发明涉及一种电路电压调节器。
背景技术
图2是显示常规电压调节器的一个结构例的方框图。P沟道MOS晶体管1的源极端和漏极端串联连接在输入端101和输出端103之间。P沟道MOS晶体管1的栅极端与微分放大电路10的输出端相连。微分放大电路10的输入端分别与参考电压源11的输出电压端和分压电路12的输出电压端相连。
微分放大电路10比较参考电压源11的电压和分压电路12的输出电压，保持参考电压源11的输出电压端的电压与分压电路12的输出电压端的电压相同，并且控制P沟道MOS晶体管1的栅极电压以便使输出端103电压的保持为一个预定值。
为了在电压调节器的输出端103短路的情况下限制电流值并且防止P沟道MOS晶体管1过热，提供了一个具有与P沟道MOS晶体管1共栅极和共源极的栅极和源极的P沟道MOS晶体管2，一个插在输出端和P沟道MOS晶体管2的漏极端之间的电阻21，一个与输入端连接的电阻22，以及一个漏极端与电阻22串联的N沟道MOS晶体管3。输出端103与N沟道MOS晶体管3的漏极端相连。N沟道MOS晶体管3的栅极端与P沟道MOS晶体管2的漏极端相连。N沟道MOS晶体管3的基极端与接地端102相连。N沟道MOS晶体管3的漏极端与P沟道MOS晶体管4的栅极端相连。P沟道MOS晶体管4的源极端与输入端101相连。P沟道MOS晶体管4的漏极端与P沟道MOS晶体管1的栅极端相连。
当电流流进P沟道MOS晶体管1时，电流基于根据P沟道MOS晶体管1和P沟道MOS晶体管2的沟道长度和沟道宽度比决定的比例流进P沟道MOS晶体管2。
电阻21两端间的电压被输入到由电阻22和N沟道MOS晶体管3组成的反向电路中并且反向电路的输出被输入到插在P沟道MOS晶体管1的栅极和源极之间的P沟道MOS晶体管4的栅极上以便使P沟道MOS晶体管4导通/截止。因而，P沟道MOS晶体管1的栅极和源极之间的电压可以被调节以便使流进输出端103的电流可以被控制为一个特定值。
下面说明电路的工作。如果输出端103由接地端102短路，就会有大电流流进P沟道MOS晶体管1的趋势。此时，根据P沟道MOS晶体管1和P沟道MOS晶体管2的沟道长度和沟道宽度比决定的电流流进P沟道MOS晶体管2。电阻21两端的电压被升高到与当前值成比例。当电压超过N沟道MOS晶体管3的阈值电压时，N沟道MOS晶体管3导通并且P沟道MOS晶体管4的栅极和源极之间的电压被升高。因此，P沟道MOS晶体管4趋向导通状态。
如果P沟道MOS晶体管4向导通状态转换，P沟道MOS晶体管1的栅极电压接近输入端101的电位。因而，P沟道MOS晶体管1的栅极和源极之间的电压变小以便其能够被向截止状态转换。通过此类操作，流进P沟道MOS晶体管1的电流被限制和减小。
图3显示了流进输出端103的输出电流和此时输出电压之间的特性。如图3所示，输出电流随着输出电压的减小从最大电流Im减小。然后，当输出电压为零，即，输出端103由于接地端102短路时，它就变成短路电流值Is。由于N沟道MOS晶体管3的源极电位和基极电位不同导致N沟道MOS晶体管3的阈值电压由于后栅极效应而变化的事实获得了解这个特性的结构。当电压调节器的输出电压减小时，N沟道MOS晶体管3的阈值电压由于后栅极效应而变低。
当N沟道MOS晶体管3的阈值电压由于后栅极效应而变低时，即使流进电阻21的电流很小，N沟道MOS晶体管3也被导通。因而，流进P沟道MOS晶体管1的电流变小。所以获得如图3所示的特性，它是由一条固定的直线和随后的反向斜线表示的(例如见专利对比文件1)。专利文件：JP 07-74976B(图1和3)
最大电流Im是在与输出端103连接的设备中使用的电流。因而要求这个电流最大。另外，短路电流Is是当输出端由于接地端短路时产生的电流。因而，要求这个电流最小。
然而，对于具有上述结构的电压调节器，Im与Is的比取决于N沟道MOS晶体管3的后栅极效应。因而，电压调节器的最大电流Im和短路电流Is的比是不能被调节的。所以就有最大电流不能很大并且短路电流不能很小的问题。
发明内容
为了解决上述提到的问题，根据本发明的电压调节器，使用的结构中通过输出电压改变用于检测输出电流的电阻值并且根据输出电压来改变受限电流。
所以，根据本申请的发明，提供了一种根据输出电压来控制流进输出电压端的电流的电压调节器，包括：
具有第一电导率类型的第一MOS晶体管，该晶体管的源极端与输入电压端相连并且其漏极端与输出电压端相连；
具有两个输入端的微分放大电路，该微分放大电路的输出端与第一MOS晶体管的栅极端相连；
连接在微分放大电路的一个输入端和接地端之间的第一参考电压源，该参考电源的输出端与微分放大电路的一个输入端相连；以及
连接在输出电压端和接地端之间的分压电路，该分压电路的输出电压端与微分放大电路的另一个输入端相连。
本发明的电压调节器还包括：
具有第一电导率类型的第二MOS晶体管，该晶体管的栅极端和源极端分别与与其共栅极和共源极的第一MOS晶体管的栅极端和源极端相连；以及
连接在输出电压端和第二MOS晶体管的漏极端之间的第一电阻。
本发明的电压调节器还包括：
具有第二电导率类型的MOS晶体管，该晶体管的源极端与输出电压端相连，栅极端与第二MOS晶体管的漏极端相连，并且基极端与接地端相连；以及
连接在输入电压端和具有第二电导率类型的MOS晶体管的漏极端之间的第二电阻。
本发明的电压调节器还包括：
具有第一电导率类型的第三MOS晶体管，该晶体管的源极端与输入电压端相连，栅极端与具有第二电导率类型的MOS晶体管的漏极端相连，并且漏极端与第一MOS晶体管的栅极端相连；
连接在第一电阻和输出电压端之间的第三电阻；
具有第一电导率类型的第四MOS晶体管，该晶体管的漏极端和源极端与第三电阻并联。
此外，本发明的电压调节器，其特征在于第四MOS晶体管的栅极电压低于特定的输出电压。
此外，根据本发明的第一方面提供了一种电压调节器，其特征在于第四MOS晶体管的栅极端与接地端相连。
此外，提供了一种电压调节器，其特征在于第四MOS晶体管的栅极端与分压电路的输出端相连。
此外，提供了一种电压调节器还包括一个将参考电压(V1)设置成比特定的输出电压低的第二参考电压源，其特征在于第四MOS晶体管的栅极端与第二参考电压源相连。
此外，根据本申请的发明，提供了一个根据输出电压控制流进输出电压端的电流的电压调节器，包括具有第一电导率类型的第一MOS晶体管，该晶体管的源极端与输入电压端相连并且漏极端与输出电压端相连。
本发明的电压调节器还包括：
一个连接在接地端和输出电压端之间的分压电路；
一个参考电压源；
一个微分放大电路，该微分放大电路的输出端与第一MOS晶体管的栅极端相连并且其两个输入端分别与参考电压源的输出端和分压电路的输出电压端相连；
一个用于限制输出电压端电流值的第一限流电路；以及
一个用于检测输出电压端电压减少的电压检测器。
本发明的电压调节器，其特征在于还包括：
第二限流电路，用于限制输出电压端的电流值为一个限定的电流值或者一个小于第一限流电路的电流值；以及
开关元件，用于当由电压检测器检测的输出电压端的电压为一个特定的或者更低的电压值时从第一限流电路切换到第二限流电路。
此外，第二限流电路包括：
一个具有第一电导率类型的第二MOS晶体管，该晶体管的源极端和栅极端分别与输入电压端和微分放大电路的输出端相连，以及
一个具有第一电导率类型的第三MOS晶体管，该晶体管的源极端、漏极端和基极端分别与输入电压端、微分放大电路的输出端和接地端相连。
第二限流电路还包括：
一个具有第二电导率类型的MOS晶体管，该晶体管的源极端、栅极端和漏极端分别与输出电压端、第二MOS晶体管的漏极端和第三MOS晶体管的栅极端相连；
在第二MOS晶体管的漏极端和输出电压端之间串联连接的第一和第三电阻，第一电阻与第二MOS晶体管的漏极端相连；以及
连接在输入电压端和第三MOS晶体管的栅极端之间的第二电阻。
此外，本发明的特征在于开关元件与第三电阻串联，并且第一限流电路相当于由开关元件短路第三电阻产生的第二限流电路。
此外，开关元件包括具有第一电导率类型的第四MOS晶体管。第四MOS晶体管的漏极端和源极端分别与输出电压端和第一电阻相连。此外，本发明的特征在于：
一个电压检测器包括一个电压比较器和一个参考电压源；
参考电压源与接地端相连；
电压比较器的两个输入端分别与参考电压源和输出电压端相连；并且
电压比较器的一个输出端与第四MOS晶体管的栅极端相连。
此外，根据本发明的电压调节器，其特征在于具有第二电导率类型的MOS晶体管的基极端与输出电压端相连。
此外，根据本发明的电压调节器，其特征在于：
具有第二电导率类型的MOS晶体管的源极端和基极端与接地端相连；并且
第一和第三电阻串联连接在接地端和第二MOS晶体管的漏极端之间。
而且，根据本发明提供了一种电压调节器，包括：
用于施加输入电压的一个输入端；
用于输出输出电压的一个输出端；
一个接地端；
一个电压检测电路，用于输出一个响应输出端信号的电压检测信号；
一个分压电路，用于在输出端和接地端之间进行分压；
一个参考电压源；
一个微分放大电路，用于输出一个响应分压电路输出和参考电压源输出的信号；以及
一个电阻电路，该电阻电路响应来自电压检测电路的电压检测信号来改变电阻。
本发明的电压调节器还包括：
第一限流电路，该限流电路的输入与输入端相连并且输出与电阻电路相连，该限流电路被用来控制响应微分放大电路的输出，电阻电路连接在第一限流电路和输出端之间；以及
第二限流电路，该限流电路的输入与输入端相连并且输出与输出端相连，该限流电路被用来控制响应微分放大电路的输出。
此外，本发明的电压调节器，其特征在于电阻电路包括：
用来输出一个响应第一限流电路输出的信号的反向电路；
连接在输入端和微分放大电路之间的开关元件，该开关元件被用来控制响应反向电路的输出。
附图说明
在附图中：
图1是显示根据本发明的电压调节器的一个结构例的电路方框图；
图2是显示常规电压调节器的一个结构例的电路方框图；
图3显示常规电压调节器中的输出电压和输出电流之间的关系；
图4显示根据本发明的电压调节器的输出电压和输出电流之间的关系；
图5是显示根据本发明的电压调节器的一个结构例的电路方框图；
图6是显示根据本发明的电压调节器的一个结构例的电路方框图；
图7是显示根据本发明的电压调节器的一个结构例的电路方框图；
图8是显示根据本发明的电压调节器的一个结构例的电路方框图；
图9显示了图8所示的电压调节器的输出电压和输出电流之间的关系；
图10是显示根据本发明的电压调节器的一个结构例的电路方框图；
图11是显示根据本发明的电压调节器的一个结构例的电路方框图；
图12是显示根据本发明的电压调节器的一个结构例的电路方框图；以及
图13显示了图11和12所示的电压调节器的输出电压和输出电流之间的关系；
具体实施方式
下面将会参照附图说明本发明的实施例。图1是显示根据本发明的电压调节器的一个结构例的电路方框图。此处忽略与在图2中相同部分的相关描述。可变电阻18代替电阻21连接在图2所示的常规电压调节器的P沟道MOS晶体管2和输出端103之间。
电压检测器13检测输出端103的电压并且当输出电压变成特定电压值或者更高值时输出一个控制可变电阻18的控制信号。
下面将参照图4所示的输出电压和输出电流之间的关系来说明图1所示的电压调节器的工作。当大于特定电流的电流流进的负载与输出端103相连时，就会有大电流流进P沟道MOS晶体管1的趋势。因而，根据P沟道MOS晶体管1和P沟道MOS晶体管2的沟道长度和沟道宽度决定的电流流进P沟道MOS晶体管2。所以反向电路的输入电压被与电流值成比例地升高。当电压超过反向电路17的阈值电压时，如图2中的常规例所示，P沟道MOS晶体管1的栅极和源极之间的电压变小以便趋向截止状态。此时，N沟道MOS晶体管3的栅极和源极之间的电压变成(可变电阻18的电阻)×(流进P沟道MOS晶体管2的电流值)。
当电压调节器的输出端电压减小时，电压检测器13检测此变化并且改变可变电阻18的电阻值。此时，当设置可变电阻18的电阻值随着输出端电压减小而增加时，如果输出端电压减小，即使在相同输出电流的情况下，可变电阻18两端的电压都会升高以便使反向电路17的输入电压升高。因而，P沟道MOS晶体管4的栅极和源极之间的电压被升高。所以，P沟道MOS晶体管1的栅极和源极之间的电压变小以便P沟道MOS晶体管1更接近截止状态。结果，输出电流和输出电压之间的关系具有如图4所示的特性。
图5显示了图1所示的结构例的一个实施例。下面将会描述如图5所示的实施例。
此处忽略与图2相同部分的相关描述。电阻20连接在电阻21和输出端103之间。P沟道MOS晶体管5的漏极端和源极端与电阻20并联。P沟道MOS晶体管5的栅极端与接地端102相连。反向电路17由电阻22和N沟道MOS晶体管3组成。
当大于特定电流的电流流进的负载与输出端103相连时，就会有大电流流进P沟道MOS晶体管1的趋势。因而，根据P沟道MOS晶体管1和P沟道MOS晶体管2的沟道长度和沟道宽度决定的电流流进P沟道MOS晶体管2。所以N沟道MOS晶体管3的栅极和源极之间的电压升高到与电流值成比例。当电压超过N沟道MO S晶体管3的阈值电压时，如图2中的常规例所示，P沟道MOS晶体管1的栅极和源极之间的电压变小以便趋向截止状态。此时如果输出电压等于或大于P沟道MOS晶体管5的阈值电压，P沟道MOS晶体管5就被导通。
当电压调节器的输出电压减小以便使P沟道MOS晶体管5的栅极和源极之间的电压变小时，P沟道MOS晶体管5的导通电阻增加。因而，即使在相同输出电流的情况下，N沟道MOS晶体管3的栅极和源极之间的电压被升高以便使P沟道MOS晶体管4的栅极和源极之间的电压升高。所以P沟道MOS晶体管1的栅极和源极之间的电压变小以便使P沟道MOS晶体管1更接近截止状态。随着输出电压的减小，与输出端连接的负载动作使P沟道MOS晶体管1向更接近截止的状态转换。结果，输出电流和输出电压之间的关系具有如图4所示的特性。
在图5所示的实施例中，P沟道MOS晶体管5的栅极端可以如图6所示与分压电路12的输出端相连。另外，如图7所示，P沟道MOS晶体管5的栅极端可以与参考电压源15相连。在每种情况下，P沟道MOS晶体管5的栅极和源极之间的电压随着输出端103的电压的减小而减小。因而，输出电流和输出电压之间的关系具有如图4所示的特性。
图8是显示根据本发明的电压调节器的另一结构例的电路方框图。此处忽略与图2相同部分的相关描述。电阻20连接在电阻21和如图2所示的常规电压调节器的输出端103之间，并且开关元件14与电阻20并联。
电压检测器13检测输出端103的电压并且当输出电压变成特定值或更小值时输出一个用于关断开关元件14的控制信号。下面将要结合如图9所示的输出电压和输出电流的关系来说明图8所示的电压调节器的工作。
当大于特定电流的电流流进的负载与输出端103相连时，就会有大电流流进P沟道MOS晶体管1的趋势。因而，根据P沟道MOS晶体管1和P沟道MOS晶体管2的沟道长度和沟道宽度决定的电流流进P沟道MOS晶体管2。所以N沟道MOS晶体管3的栅极和源极之间的电压与电流值成比例地升高。当电压超过N沟道MOS晶体管3的阈值电压时，如图2中的常规例所示，P沟道MOS晶体管1的栅极和源极之间的电压变小以便趋向截止状态。此时如果输出电压等于或大于电压检测器13的检测电压(A)，开关元件14被导通。
所以，N沟道MOS晶体管3的栅极和源极之间的电压变成(电阻21的电阻值)×(流进P沟道MOS晶体管2的电流值)。
当电压调节器的输出电压减小并且等于或小于电压检测器13的检测电压(A)时，电压检测器13检测此变化并且关断开关元件14。
所以，N沟道MOS晶体管3的栅极和源极之间的电压变成(电阻21的电阻值+电阻20的电阻值)×(流进P沟道MOS晶体管2的电流值)。
所以，即使在相同输出电流的情况下，电阻21和20的两端的电压被升高以便使N沟道MOS晶体管3的栅极和源极之间的电压升高。因而P沟道MOS晶体管4的栅极和源极之间的电压被升高。所以P沟道MOS晶体管1的栅极和源极之间的电压变小以便使P沟道MOS晶体管1更接近截止状态。结果，输出电流和输出电压之间的关系具有如图9所示的特性。
图10显示了图8所示的结构例的一个实施例。在图1所示的电压检测器13中，电压比较器16的一个输入端当作输出端103使用并且另一个输入端当作参考电压源15的输出电压端使用。电压比较器16的输出端与P沟道MOS晶体管5的栅极端相连。P沟道MOS晶体管5的源极端、基极端和漏极端与电阻20并联。
当输出端103的电压减小并且小于参考电压源15的输出电压时，P沟道MOS晶体管5的栅极和源极之间的电压变小以便使P沟道MOS晶体管5截止。此时，N沟道MOS晶体管3的栅极和源极之间的电压变大。结果，流进P沟道MOS晶体管1的电流变小。
此时，在图8中，N沟道MOS晶体管3的基极端与接地端102相连。然而，它可以如图11所示与输出端103相连，另外，如图12所示，N沟道MOS晶体管3的基极端和源极端可以与接地端102相连。
下面将描述如图13所示的输出电压和输出电流之间的关系。在如图11和12所示的结构例的情况下，N沟道MOS晶体管3的源极电位和基极电位相等以便在N沟道MOS晶体管3中没有后栅极效应。因而，当流进电阻21的电流变成一个确定值或更大值时，N沟道MOS晶体管3导通。所以，P沟道MOS晶体管1截止，输出电流保持为Im输出电压减小直到减小到检测器13的检测电压(A)。当输出电压变成检测器13的检测电压(A)时，它输出用于关断开关元件14的控制信号以便使N沟道MOS晶体管3的栅极和源极之间的电压升高，P沟道MOS晶体管1截止，并且输出电流变成Is。结果，得到图13所示的特性。
根据本发明的电压调节器，使用通过检测输出电流改变电阻值的结构并且受限电流可以根据输出电压变化。因而，可以得到在最大电流显著增加的状态时减小短路电流的效果。

Claims (8)

1.一种用于根据输出电压控制流进输出电压端的电流的电压调节器，包括：
一个具有第一电导率类型的第一MOS晶体管，该晶体管的源极端与输入电压端相连并且其漏极端与输出电压端相连；
一个具有两个输入端的微分放大电路，该微分放大电路的输出端与第一MOS晶体管的栅极端相连；
连接在微分放大电路的一个输入端和接地端之间的一个第一参考电压电路，该第一参考电压电路的输出端与微分放大电路的一个输入端相连；
连接在输出电压端和接地端之间的一个分压电路，该分压电路的输出电压端与微分放大电路的另一个输入端相连；
具有第一电导率类型的一个第二MOS晶体管，该晶体管的栅极端和源极端分别和与其共栅极和共源极的第一MOS晶体管的栅极端和源极端相连；
连接在输出电压端和第二MOS晶体管的漏极端之间的一个第一电阻；
具有第二电导率类型的一个MOS晶体管，该晶体管的源极端与输出电压端相连，栅极端与第二MOS晶体管的漏极端相连，并且基极端与接地端相连；
连接在输入电压端和具有第二电导率类型的MOS晶体管的漏极端之间的一个第二电阻；
具有第一电导率类型的一个第三MOS晶体管，该晶体管的源极端与输入电压端相连，栅极端与具有第二电导率类型的MOS晶体管的漏极端相连，并且漏极端与第一MOS晶体管的栅极端相连；
连接在第一电阻和输出电压端之间的一个第三电阻；
具有第一电导率类型的一个第四MOS晶体管，该晶体管的漏极端和源极端与第三电阻并联；
其中第四MOS晶体管的栅极端的电压低于特定的输出电压。
2.根据权利要求1的电压调节器，其中第四MOS晶体管的栅极端与接地端相连。
3.根据权利要求1的电压调节器，其中第四MOS晶体管的栅极端与分压电路的输出端相连。
4.根据权利要求1的电压调节器，还包括第二参考电压源，该参考电压源的参考电压(V1)被设定为低于特定的输出电压，
其中第四MOS晶体管的栅极端与第二参考电压源相连。
5.一种用于根据输出电压控制流进输出电压端的电流的电压调节器，包括：
具有第一电导率类型的一个第一MOS晶体管，该晶体管的源极端与输入电压端相连并且其漏极端与输出电压端相连；
连接在接地端和输出电压端之间的一个分压电路；
一个参考电压源；
一个微分放大电路，该微分放大电路的输出端与第一MOS晶体管的栅极端相连并且其两个输入端分别与参考电压源的一个输出端和分压电路的一个输出电压端相连；
用于限制输出电压端电流值的一个第一限流电路；
用于检测输出电压端电压减少的一个电压检测器；
一个第二限流电路，用于将输出电压端的电流值限制为一个限定的电流值或者小于第一限流电路电流值的电流值；以及
一个开关元件，用于当由电压检测器检测的输出电压端的电压为特定值或者更低值时，从所述第一限流电路切换到所述第二限流电路，其中所述第二限流电路包括：
具有第一电导率类型的一个第二MOS晶体管，该晶体管的源极端和栅极端分别与输入电压端和微分放大电路的输出端相连；
具有第一电导率类型的一个第三MOS晶体管，该晶体管的源极端、漏极端和基极端分别与输入电压端、微分放大电路的输出端和接地端相连；
具有第二电导率类型的一个MOS晶体管，其中该晶体管的源极端、栅极端和漏极端分别与输出电压端、第二MOS晶体管的漏极端和第三MOS晶体管的栅极端相连；
串联连接在第二MOS晶体管的漏极端和输出电压端之间的第一和第三电阻，第一电阻与第二MOS晶体管的漏极端相连；
连接在输入电压端和第三MOS晶体管的栅极端之间的一个第二电阻；
其中所述开关元件与第三电阻串联，并且
其中第一限流电路相当于由所述开关元件短路第三电阻产生的第二限流电路。
6.根据权利要求5的电压调节器，其中
所述开关元件包括一个具有第一电导率类型的第四MOS晶体管；
第四MOS晶体管的一个漏极端和一个源极端分别与输出电压端和第一电阻相连；
电压检测器包括一个电压比较器和一个参考电压源；
参考电压源与接地端相连；
电压比较器的两个输入端分别与所述参考电压源和所述输出电压端相连；并且
电压比较器的一个输出端与第四MOS晶体管的栅极端相连。
7.根据权利要求5的电压调节器，其中具有第二电导率类型MOS晶体管的基极端与输出电压端相连。
8.根据权利要求5的电压调节器，其中具有第二电导率类型MOS晶体管的源极端和基极端与接地端相连；并且
第一和第三电阻串联连接在接地端和第二MOS晶体管的漏极端之间。
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