CN100461062C - 电源电路 - Google Patents

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Abstract

一种电源电路，其中包括：差动放大器，其根据与输出电压相等的反馈电压和参考电压之间的差值提供输出电压作为控制电压；输出电流控制元件，其根据从差动放大器馈送的控制电压提供输出电流；输出线路，经由其提供输出电流给负载；反馈线路，通过它反馈输出线路上的电压给差动放大器作为反馈电压，该反馈线路与输出线路连接；和用于保持控制电压以致于不降低到低于预定值的箝位电路。

Description

电源电路
技术领域
本发明涉及到用于向负载提供预定电压的电源电路。尤其是，本发明涉及到具有抑制由负载变化而引起的输出电压波动的功能的电源电路。
背景技术
图4是一个包含在常规电源电路中的n-沟道场效应晶体管驱动器200的电路图。在这个n沟道场效应晶体管驱动器200中，参考电压源2的正极经由线路L3连接到差动放大器1的同相输入端(正端)，而反馈线L2与差动放大器1的反相输入端(负端)连接。参考电压源2的负极接地。此外，n沟道场效应晶体管3(即，输出电流控制元件)的栅极通过线路L4与差动放大器1的输出端连接。
场效应晶体管3的漏极通过线路L6与第一电源E1连接，而场效应晶体管3的源极连接到输出线L1。反馈线L2，在与差动放大器1的反相输入端(负端)连接的同时，也连接到输出线L1。电容器4的一端和负载5的一端分别连接到输出线L1。电容器4的另一端和负载5的另一端分别接地。
根据由差动放大器1的跨导(或者增益)Gm确定的电压-电流转化率，差动放大器1将从参考电压源2馈送到其同相输入端(正端)的参考电压Vref与馈送到反相输入端(负端)的反馈电压Vb之间的电压差值转换成电流。所转换的电流经由线路L4被馈送到场效应晶体管3的栅极。这个差动放大器1还经由电源线L7与第二电源E2连接，以及经过接地线L8接地。
下面描述如上构成的n沟道场效应晶体管驱动器200是如何工作的。
根据由差动放大器1跨导Gm确定的转换率，差动放大器1将从参考电压源2经由线路L3馈送到其同相输入端(正端)的参考电压Vref与经由反馈线路L2馈送到反相输入端(负端)的反馈电压Vb之间的电压差值转换成电流。所转换的输出电流经由线路L4馈送到场效应晶体管3的栅极。因此，场效应晶体管3根据其栅极电流经由输出线路L1传送其源极电流。然后，由源极电流产生的电压作为输出电压Vo提供给负载5，同时还作为反馈电压Vb出现在反馈线路L2上。
例如，假定负载5从重负载变到空载。那么，如图5A所示，输出电流(负载电流)Io在施加空载的周期T1期间变成零。当负载5在周期T1之后又变成重负载时，输出电流Io的高度又变成重负载情况下的高度。输出电压(负载电压)Vo根据输出电流Io的变化而改变，如图5B所示。此外，场效应晶体管3的栅极电压Vg如图5C中所示变化。所有这些都是下面将描述的操作的结果。
当负载5从重负载变到空载而且输出电流Io在t1时刻变成零时，由于瞬态现象，所以输出电压Vo在t1时刻开始上升。从差动放大器1馈送到场效应晶体管3栅极的栅极电压Vg在t1时刻急剧下降，而且在场效应晶体管3保持断开期间，从t2时刻到t3时刻之间该电压保持低电平。
接下来，在t3时刻负载5从空载变化到重负载。然后输出电流Io开始流过负载5。而且，输出电压Vo在t3时刻开始下降并且在t13时刻下降到电压V2′。其后，因为场效应晶体管3由于其栅极电压Vg已经达到预定电平而导通，所以输出电压Vo开始上升以致于恢复到预定电压。
然而，在上述常规结构的电源电路中，当负载5从空载或者轻负载变到重负载时，场效应晶体管3的栅极电压必需响应而且从低电压开始上升。结果，当负载以较高频率波动时，为了跟随该负载的波动响应时间将变得相对较长，因此使瞬态响应变坏。在以这种方法构成的常规电源电路中，在负载起伏频率低时所产生的缓慢瞬态响应不会引起任何严重的损害。然而，当负载起伏频率较高时，因为场效应晶体管3没有能力响应这样高的频率，所以它变得不可能很快地稳定输出电压Vo。
在日本专利申请号No.H08-190437中公开的半导体器件和电源电压产生电路中使用p沟道场效应管作为输出电流控制元件。在这种结构中，p沟道场效应管需要的输入电压应该设置的较高，这将使它的输出效率变坏。这个公开的专利还存在一个缺点，其中有两个电阻元件用于抑制从比较电路馈送的输出信号幅度，从而引起不必要的功率消耗。
发明内容
本发明的目的是解决如上所述的问题并且提供一种电源电路，它通过改善瞬态响应，能够将在负载波动情况下输出电压的波动抑制到最小，而且还提供一种能够减少不必要功率消耗的电源电路。
为了达到上述目的，关于本发明的电源电路包括差动放大器，其根据与输出电压相等的反馈电压和参考电压之间的差值提供一输出电压作为控制电压；输出电流控制元件，其根据从差动放大器馈送的控制电压提供输出电流；向负载提供输出电流的输出线路；反馈线路，通过它反馈输出线路上的电压给差动放大器作为反馈电压，该反馈线路与输出线路连接；和用于保持控制电压以致于不降低到低于预定值的箝位电路。
根据以这种方法构成的电源电路，该电源电路是以这样一种方法设计，即输出电流控制元件的控制电压通过箝位电路提高，以致于当负载从空载或者轻负载变到重负载时，输出电流控制元件能够迅速地响应。因此，能够将由负载波动所引起的输出电压的波动减小到最小，而且改善瞬态响应的性能。
此外，只有在控制电压降低到低于输出线路上的输出电压时，箝位电路才通过执行箝位操作来保持控制电压不低于输出电压的电平。这使得输出电流控制元件在负载从空载或者轻负载到重负载时迅速响应。因此，能够将由负载波动所引起输出电压的波动减小到最小，而且改善瞬态响应的性能。
此外，只有在控制电压降低到低于输出线路上的输出电压时，箝位电路才通过执行箝位操作来将控制电压保持在不高于输出电流控制元件的阈值的电平。当负载从空载或者轻负载变化到重负载时，这使得输出电流控制元件迅速响应。因此，能够将由负载波动所引起的输出电压的波动减小到最小，并且改善瞬态响应的性能。
根据本发明的另一方面，n沟道场效应晶体管被用作输出电流控制元件。因此，即使输入电压低，场效应晶体管也能够工作。这能够有效地向负载提供输出电压，并且减少功率消耗。
附图说明
从下列参考附图结合优选实施例的描述中，本发明的这些和其它目的与特点将变得更清楚，附图包括：
图1是在本发明实施例的电源电路中的n沟道场效应晶体管驱动器200的电路图；
图2A是在本发明实施例的电源电路中的n沟道场效应晶体管驱动器的输出电流波形图；
图2B是在本发明实施例的电源电路中的n沟道场效应晶体管驱动器的输出电压波形图；
图2C是在本发明实施例电源电路中的n沟道场效应晶体管驱动器的栅极电压的波形图；
图3A是有和没有箝位操作的n沟道场效应晶体管驱动器的输出电流的波形图；
图3B是有和没有箝位操作的n沟道场效应晶体管驱动器的输出电压的波形图；
图3C是有和没有箝位操作的n沟道场效应晶体管驱动器的栅极电压的波形图；
图4是在常规电源电路中的n沟道场效应晶体管驱动器的电路图；
图5A是在常规电源电路中的n沟道场效应晶体管驱动器的输出电流波形图；
图5B是在常规电源电路中的n沟道场效应晶体管驱动器的输出电压波形图；和
图5C是在常规电源电路中的n沟道场效应晶体管驱动器的栅极电压波形图。
具体实施方式
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。图1是一个包含在本发明实施例的电源电路中的n沟道场效应晶体管100的电路图。在这个n沟道场效应晶体管驱动器100中，参考电压源2的正极经由线路L3连接到差动放大器1的同相输入端(正端)，而反馈线L2与差动放大器1的反相输入端(负端)连接。参考电压源2的负极接地。此外，n沟道场效应晶体管3(即，输出电流控制元件)的栅极通过线路L4与差动放大器1的输出端连接。
场效应晶体管3的漏极通过线路L6与第一电源E1连接，而场效应晶体管3的源极连接到输出线L1。箝位电路6的输入端与连接到差动放大器1反相输入端(负端)的反馈线路L2连接。箝位电路6的输出端经由线路L5与线路L4连接。在此，在图1中显示了箝位电路6的一个例子。作为例子显示的箝位电路6包括晶体管Tr1，其发射极经由恒流源CI1连接到第二电源E2，集电极接地，而基极连接到反馈线路L2；和晶体管Tr2，其集电极连接到第二电源E2，基极连接到晶体管Tr1的发射极，而发射极与线路L5连接。反馈线路L2与输出线路L1连接在一起。电容器4的一端和负载5的一端分别连接到输出线路L1。电容器4的另一端与负载5的另一端连接分别接地。
差动放大器1经由电源线L7与第二电源E2连接并且经过接地线L8接地。根据由差动放大器1跨导(或者增益)Gm确定的电压-电流转化率，差动放大器1将从参考电压源2馈送到其同相输入端(正端)的参考电压Vref与馈送到反相输入端(负端)的反馈电压Vb之间的电压差值转换成电流。所转换的电流经由线路L4被馈送到场效应晶体管3的栅极。
下面描述如上构成的n沟道场效应晶体管驱动器100是如何工作的。
根据由差动放大器1的跨导(或者增益)Gm所确定的电压-电流转换效率，差动放大器1以该转换率，将从参考电压源2馈送到其同相输入端(正端)的参考电压Vref与馈送到反相输入端(负端)的反馈电压Vb之间的电压差值转换成电流。所转换的输出电流经由线路L4被馈送到场效应晶体管3的栅极。因此，场效应晶体管3根据其栅极电流经由输出线路L1传送其源极电流。然后，由源极电流产生的电压作为输出电压Vo提供给负载5，同时还作为反馈电压Vb出现在反馈线路L2上。
例如，假定负载5从重负载到空载变化。那么，如图2A所示，输出电流(负载电流)Io在施加空载的周期T1期间变成零。当负载5在周期T1之后又变成重负载时，输出电流Io的水平变成重负载情况下的水平。根据输出电流Io的变化，输出电压(负载电压)Vo如图2B所示变化。此外，场效应晶体管3的栅极电压Vg如图2C所示变化。所有这些都是下面所描述的操作的结果。
在图1中显示的n沟道场效应晶体管驱动器100如此工作以致于满足以下情况。
E2≥Vo+Vth(Vth是FET3的阈值电压)
E1≥Io×Ron+Vo(Ron是场效应晶体管3的导通电阻)箝位电路6以这样一种方法执行箝位操作，即，线路L4上的电压(即，馈送给场效应晶体管3的栅极的栅极电压Vg)不会降到低于输出电压Vo。此外，箝位电压设置在低于场效应晶体管3的阈值电压Vth的值。考虑到所有这些情况，箝位电路6执行如下所述的操作。
在负载5从重负载变化到空载而且输出电流Io变成零后，由于瞬态现象输出电压Vo开始上升。当场效应晶体管3的栅极电压Vg变得低于输出电压Vo时，箝位电路6执行箝位操作，这是在如图2C所示的t4时刻到t3时刻期间，通过提高栅极电压Vg到预定电平(箝位电压)来实现。更具体地说，与没有设置箝位电路6时的栅极电压Vg相比，当设置箝位电路6时，栅极电压Vg得到电压Vc的提升。这使得当负载从空载或者轻负载变化到重负载时输出电流控制元件迅速响应。
这意味着，当负载5在t3时刻从空载变化到重负载时，输出电流Io开始流过负载5。由于瞬态现象，输出电压Vo在t3时刻开始下降而且最后在t5时刻下降了电压V1。在t5时刻，场效应晶体管3的栅极电压Vg达到场效应晶体管3的阈值电压。此后，输出电压Vo开始上升并且恢复到预定电压。然而，当电压V1与规范的高度比较较低，而且当与常规周期比较时t3时刻与t5时刻之间的周期较短时，所以输出电压Vo的瞬态响应得到改善。
更具体地说，在负载5从空载变化到重负载之前的周期期间，通过箝位电路6的箝位操作使栅极电压Vg上升到一定高度。在这些条件下，当负载5突然变到重负载而且差动放大器1通过将栅极电压Vg上升到高电平开始响应该变化时，t3时刻与t6时刻之间的电压差与常规差值相比已经变小。这使得场效应晶体管3在负载高频率波动时能够迅速响应，从而改善其瞬态响应。
图3A是用于解释有和没有由箝位电路执行的箝位操作的情况下n沟道场效应晶体管驱动器100之间差别的输出电流波形图。图3B是用于解释有和没有由箝位电路执行的箝位操作的情况下n沟道场效应晶体管驱动器100之间的差别的输出电压波形图。图3C是用于解释有和没有由箝位电路执行的箝位操作情况下的n沟道场效应晶体管驱动器100之间差别的栅极电压波形图。
在图3A到3C中，能在图2A到2C与图5A到5C中找到元件使用相同的参考符号或者数字来标示。在图3B中，电压波形示出了当提供箝位操作时，在t3时刻后的周期出现的并且具有电压V1的波动的输出电压Vo。并且示出了，当不提供箝位操作时，在t3时刻后与上相同周期内出现的具有电压V2的波动的另一个输出电压Vo。从这些波形可以看到电压V1小于电压V2，因此当执行箝位操作时改善了瞬态响应。
在图3C中，参考符号m1表示当提供箝位操作时，栅极电压Vg在t3时刻如何上升状态的曲线，而参考符号m2表示当不提供箝位操作时，栅极电压Vg在t3时刻如何上升的曲线。更具体地说，当提供箝位操作时，栅极电压Vg在t4时刻后保持上升，在t3时刻如m1线所示开始上升，并且在t5时刻达到阈值电压。相反，当不提供箝位操作时，栅极电压Vg在t2时刻与t3时刻之间保持低电平，在t3时刻如m2线所示开始上升，并且在t13时刻达到阈值电压。
如图3C中所示，提供箝位操作时，栅极电压Vg达到阈值电压所需的时间比不提供箝位操作时的短。利用这种结构，能够使场效应晶体管3快速响应并且迅速地将输出电压Vo返回到它的预定电压。
根据上面描述的实施例，当负载5从空载变化到重负载时，场效应晶体管3(即输出电流控制元件)的栅极电压在先于负载状态变化的空载周期期间，由于箝位电路6执行的箝位操作而升高。这使得场效应晶体管3能够快速响应。尤其是，场效应晶体管3能够快速地响应负载的高频波动。因此，可以减少由负载波动所引起的输出电压波动到最小，而且改善瞬态响应的性能。此外，因为n沟道场效应晶体管能够用作输出电流控制元件，如场效应晶体管3的情况，所以能够减少功率消耗。
在先前所述的实施例中，描述的是负载5从空载变化到重负载的情况，还有从重负载到空载的情况。然而，当负载5从轻负载变化到重负载时，还有从重负载到轻负载的情况，因为它们的线性地操作，所以差动放大器1和场效应晶体管3按照同样的方式工作，并且产生相同的效果。还有，要注意图1所示的箝位电路6的电路结构只是一个例子。因此，本发明并不局限于这个例子，而且还适用能够以前面所描述的方式执行箝位操作的电路。

Claims (7)

1.一种电源电路，其中包括：
差动放大器，用于根据与输出电压相等的反馈电压与参考电压之间的差值提供一输出电压作为控制电压；
输出电流控制元件，它用于根据从差动放大器馈送的控制电压提供输出电流；
向负载提供输出电流的输出线路；
反馈线路，通过它反馈输出线路上的电压给差动放大器作为反馈电压，所述反馈线路与输出线路连接；和
箝位电路，它用于保持所述控制电压以致于不降低到低于预定值；
其中只有当控制电压降到低于出现在输出线路上的输出电压时，所述箝位电路才执行箝位操作，将控制电压保持在不低于输出电压的电平。
2.根据权利要求1所述的电源电路，其特征在于只有当控制电压降到低于出现在输出线路上的输出电压时，所述箝位电路才执行箝位操作，将控制电压保持在不高于输出电流控制元件的阈值的电平。
3.根据权利要求1所述的电源电路，其特征在于所述输出电流控制元件是n沟道场效应晶体管。
4.一种电源电路，其中包括：
差动放大器，它用于根据与输出电压相等的反馈电压与参考电压之间的差值提供一电压作为控制电压；
输出电流控制元件，它用于根据从差动放大器馈送的控制电压提供输出电流；
向负载提供输出电流的输出线路；
反馈线路，通过它反馈输出线路上的电压给差动放大器作为反馈电压，所述反馈线路与输出线路连接；和
用于将控制电压提高到预定值的箝位电路，所述箝位电路具有与反馈线路连接的输入端，和连接到差动放大器的输出端与输出电流控制元件的控制端之间的结点的输出端。
5.根据权利要求4所述的电源电路，其特征在于只有当控制电压降到低于出现在输出线路上的输出电压时，所述箝位电路才执行箝位操作，将控制电压保持在不低于输出电压的电平。
6.根据权利要求5所述的电源电路，其特征在于只有当控制电压降到低于出现在输出线路上的输出电压时，所述箝位电路才执行箝位操作，将控制电压保持在不高于输出电流控制元件的阈值的电平。
7.根据权利要求4所述的电源电路，其特征在于所述输出电流控制元件是n沟道场效应晶体管。
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