CN100514246C

CN100514246C - 低压降线性稳压器

Info

Publication number: CN100514246C
Application number: CNB2005101031281A
Authority: CN
Inventors: 林崇伟
Original assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Current assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Priority date: 2005-09-16
Filing date: 2005-09-16
Publication date: 2009-07-15
Anticipated expiration: 2025-09-16
Also published as: CN1932710A

Abstract

一种低压降线性稳压器，包括反馈电路、运算放大器、跨导电路、电流镜、以及功率晶体管。其中，反馈电路根据功率晶体管提供的电流大小，提供输出电压。运算放大器以反相输入端连接于反馈电路，以正相输入端接收参考电压。跨导电路连接于运算放大器的输出端，根据运算放大器的输出电压，决定电流镜输入跨导电路的电流大小。电流镜连接于跨导电路，驱动功率晶体管。最后，功率晶体管连接于电流镜与反馈电路之间，提供电流至反馈电路。

Description

低压降线性稳压器

技术领域

本发明涉及一种低压降线性稳压器(low drop-out voltage regulator)，且特别涉及一种适用于手持式电子装置的低压降线性稳压器。

背景技术

由于手持式电子装置的应用越来越广泛，对于电池使用时间的要求也越来越长。若是能够让整个系统的静态电流(quiescent current)消耗减少，就能延长手持式电子装置的使用时间。然而在一般的低压降线性稳压器中，其静态电流并不会随着负载电流的改变而改变。

举例而言，请参照图1所示的传统低压降线性稳压器100。低压降线性稳压器100接收参考电压VREF，提供输出电压Vout。因为缓冲器(buffer)101消耗的电流几乎是固定不变，所以整个电路在轻负载时(也就是电阻器R_L的负载电流较小时)消耗的静态电流仍在一定的比例以上。这个持续的耗电会缩短手持式电子装置的使用时间。

发明内容

本发明的目的是在提供一种低压降线性稳压器，可以减少在轻负载时消耗的静态功率，进而延长手持式装置的使用时间。

为达成上述及其它目的，本发明提出一种低压降线性稳压器，包括反馈电路、运算放大器(operation amplifier)、跨导电路(transconductor)、电流镜(current mirror)、以及功率晶体管(power transistor)。其中，反馈电路根据功率晶体管提供的电流大小，提供输出电压。运算放大器以反相输入端(inverting input)连接于反馈电路，以正相输入端(non-inverting input)接收参考电压。跨导电路连接于运算放大器的输出端，根据运算放大器的输出电压，决定电流镜输入跨导电路的电流大小。电流镜连接于跨导电路，驱动功率晶体管。最后，功率晶体管连接于电流镜与反馈电路之间，提供电流至反馈电路。

上述低压降线性稳压器，在一实施例中，电流镜输入跨导电路的电流大小为运算放大器的输出电压的递增函数(increasing function)。

上述低压降线性稳压器，在一实施例中，上述的功率晶体管为功率金属氧化物半导体场效应晶体管(power metal oxide semiconductor field effecttransistor，简称为power MOSFET)。

上述低压降线性稳压器，在一实施例中，上述低压降线性稳压器还包括补偿电容器(compensation capacitor)以及补偿电路(compensationnetwork)。补偿电容器的一端连接于运算放大器的输出端，另一端接地。补偿电路则连接于反馈电路的输出电压与运算放大器的反相输入端之间。其中，补偿电容器造成低压降线性稳压器的循环增益(loop gain)的一个极点(pole)，补偿电路造成上述循环增益的一个零点(zero)，而且上述极点与上述零点影响循环增益的单位增益频率(unit-gain frequency)，使循环增益的相位边际(phase margin)大于零。

上述低压降线性稳压器，在一实施例中，上述补偿电路为电压控制电流转换器(voltage-to-current converter)。

依照本发明的较佳实施例所述，本发明提出的低压降线性稳压器因为使用电流镜作为缓冲器，所以当负载电流变大时，电流镜的电流就会变大，而当负载电流变小时，电流镜的电流就会变小。因此当电路运行在轻负载的时候，消耗的静态电流会随着减少。也就是说，本发明可以减少在轻负载时消耗的静态功率，进而延长手持式装置的使用时间。

为让本发明之上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举本发明之较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。

附图说明

图1为已有技术的低压降线性稳压器的电路图。

图2为根据本发明一实施例的低压降线性稳压器的电路图。

图3为已有技术与本发明一实施例的静态电流与负载电流的比较图。主要元件标记说明

C_COMP：补偿电容器

M1～M6：金属氧化物半导体场效应晶体管

M_PW：功率晶体管

OP：运算放大器

R1、R2、R_L：电阻器

100：低压降线性稳压器

101：缓冲器

200：低压降线性稳压器

201：电流镜

202：跨导电路

203：串接电路

204：反馈电路

205：补偿电路

具体实施方式

图2为根据本发明一实施例的低压降线性稳压器200的电路示意图。低压降线性稳压器200的作用是接收参考电压VREF，提供稳定的输出电压Vout。在图2中，除了负载电阻器R_L以外的电路，都是低压降线性稳压器200的一部分。更明确的说，低压降线性稳压器200包括反馈电路204、运算放大器OP、跨导电路202、电流镜201、功率晶体管M_PW、串接电路203、补偿电容器C_COMP、以及补偿电路205。低压降线性稳压器200的主体是由反馈电路204、运算放大器OP、跨导电路202、电流镜201、以及功率晶体管M_PW组成的反馈循环(feedback loop)，至于补偿电容器C_COMP和补偿电路205，主要用途是提高整个稳压器200的稳定度。

反馈电路204连接于功率晶体管M_PW以及运算放大器OP之间，根据功率晶体管M_PW输入的电流大小，提供输出电压Vout，并且提供反馈电压VFB至运算放大器OP的反相输入端。在本实施例中，因为输出电压Vout不等于参考电压VREF，而反馈电压VFB必须很接近参考电压VREF，所以反馈电路204实际上是一个分压电路(voltage divider)，以接收输出电压Vout并维持输出电压Vout和反馈电压VFB之间的比例关系。为达到分压的目的，反馈电路204是由电阻器R1及R2组成。电阻器R1的一端连接于反馈电压VFB，也就是运算放大器OP的反相输入端，另一端接地。电阻器R2则连接于输出电压Vout与反馈电压VFB之间。从图2不难看出，输出电压Vout和反馈电压VFB之间的比例为Vout＝(1+R2/R1)*VFB。

运算放大器OP以反相输入端连接于反馈电路204，以正相输入端接收参考电压VREF。跨导电路202则连接于运算放大器OP的输出端与电流镜201之间。跨导电路202的作用是将运算放大器OP输出的电压信号转换为反馈电路204接受的电流信号。实际上，跨导电路202会根据运算放大器OP的输出电压，决定电流镜201输入跨导电路202的电流大小，进而控制功率晶体管M_PW输入反馈电路204的电流大小与输出至负载电阻器R_L的电流大小。

在本实施例中，跨导电路202包括N型金属氧化物半导体场效应晶体管(n-channel MOSFET，以下简称NMOS晶体管)M1与M2。NMOS晶体管M1与M2的漏极(drain)皆连接于电流镜201，栅极(gate)皆连接于运算放大器OP的输出端，源极(source)皆接地。因此电流镜201输入跨导电路202的电流大小是运算放大器OP的输出电压的递增函数。

电流镜201连接于跨导电路202与功率晶体管M_PW之间，负责驱动功率晶体管M_PW。在本实施例中，电流镜201为广范围串叠式电流镜(wide-swing cascode current mirror)。然而在本发明的范围中，可以使用任何种类的电流镜，例如较单纯的串叠式电流镜(cascode current mirror)。

功率晶体管M_PW连接于电流镜201与反馈电路204之间，负责提供电流至反馈电路204与负载电阻器R_L。在本实施例中，功率晶体管M_PW为功率金属氧化物半导体场效应晶体管。由图2可以看出，功率晶体管M_PW和P型金属氧化物半导体场效应晶体管(p-channel MOSFET，以下简称PMOS晶体管)M6的源极、栅极与漏极各自连接，所以功率晶体管M_PW和PMOS晶体管M6可视为同一个晶体管。而且功率晶体管M_PW的尺寸大于PMOS晶体管M6，导通时的电阻也较低。结果就是，功率晶体管M_PW和电流镜201的组合等于一个电流放大器，会将电流镜201输入NMOS晶体管M1的电流放大之后，从功率晶体管M_PW输入反馈电路204及负载电阻器R_L。

低压降线性稳压器200的稳压功效是由反馈电路204、运算放大器OP、跨导电路202、电流镜201、以及功率晶体管M_PW组成的反馈循环达成。为了降低轻负载时的静态电流，本发明以电流镜取代传统的缓冲器。然而，电流镜会使稳压器200的信号路径多出一个极点，而且这个极点会随负载电流(流经负载电阻器R_L的电流)的大小而变动，所以需要补偿电容器C_COMP以及补偿电路205配合串接电路203来做补偿。

串接电路203是电阻器与电容器串接而成的简单电路，一端连接于输出电压Vout，另一端接地，主要功能为造成稳压器200的主极点(dominantpole)。补偿电容器C_COMP的一端连接于运算放大器OP的输出端，另一端接地，会使低压降线性稳压器200的循环增益再增加一个极点(不同于串接电路203与电流镜201造成的极点)。补偿电路205连接于输出电压Vout与运算放大器OP的反相输入端之间，会使上述的循环增益增加一个零点。在本实施例中，补偿电路205是一个电压控制电流转换器。补偿电容器C_COMP造成的极点和补偿电路205造成的零点会影响上述循环增益在波德图(bode plot)的单位增益频率，使上述循环增益的相位边际大于零，如此稳压器200才会稳定。

本实施例对于静态电流消耗的改进请参照图3，图3为本实施例和已有技术的静态电流I_Q对负载电流I_L的比较图。先前技术的电流比较曲线标示为301，本实施例的电流比较曲线标示为302。由图3可知，本实施例与先前技术相比，在低负载时大约可减低一半的静态电流I_Q。

综上所述，本发明提出的低压降线性稳压器因为使用电流镜做为缓冲器，所以当负载电流变大时，电流镜的电流就会变大，而当负载电流变小时，电流镜的电流就会变小。因此当电路运行在轻负载的时候，消耗的静态电流会随着减少。也就是说，本发明可以减少在轻负载时消耗的静态功率，进而延长手持式装置的使用时间。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明之精神和范围内，当可作些许之更动与改进，因此本发明之保护范围当视权利要求所界定者为准。

Claims

1.一种低压降线性稳压器，其特征是包括：

反馈电路；

运算放大器，以反相输入端连接于该反馈电路，以正相输入端接收参考电压；

跨导电路，连接于该运算放大器的输出端；

电流镜，连接于该跨导电路；以及

功率晶体管，连接于该电流镜与该反馈电路之间，提供电流至该反馈电路；其中

该反馈电路根据该功率晶体管提供的电流大小，提供该反馈电路的输出电压；

该跨导电路根据该运算放大器的输出电压，决定该电流镜输入该跨导电路的电流大小；

该电流镜驱动该功率晶体管。

2.根据权利要求1所述的低压降线性稳压器，其特征是该反馈电路还接收该反馈电路的该输出电压，并输出反馈电压至该运算放大器的反相输入端，该反馈电压与该反馈电路的该输出电压之间保持一个固定的预设比例。

3.根据权利要求2所述的低压降线性稳压器，其特征是该反馈电路还包括：

第一电阻器，一端连接于该反馈电压，另一端接地；以及

第二电阻器，连接于该反馈电路的该输出电压与该反馈电压之间。

4.根据权利要求1所述的低压降线性稳压器，其特征是该电流镜输入该跨导电路的电流大小为该运算放大器的输出电压的递增函数。

5.根据权利要求4所述的低压降线性稳压器，其特征是该跨导电路还包括：

第一金属氧化物半导体场效应晶体管；以及

第二金属氧化物半导体场效应晶体管；

上述两个金属氧化物半导体场效应晶体管的漏极皆连接于该电流镜，栅极皆连接于该运算放大器的输出端，源极皆接地。

6.根据权利要求5所述的低压降线性稳压器，其特征是该功率晶体管输入该反馈电路的电流与该电流镜输入该第一金属氧化物半导体场效应晶体管的电流成正比。

7.根据权利要求6所述的低压降线性稳压器，其特征是该功率晶体管输入该反馈电路的电流大于该电流镜输入该第一金属氧化物半导体场效应晶体管的电流。

8.根据权利要求1所述的低压降线性稳压器，其特征是该电流镜为串叠式电流镜。

9.根据权利要求1所述的低压降线性稳压器，其特征是该电流镜为广范围串叠式电流镜。

10.根据权利要求1所述的低压降线性稳压器，其特征是该功率晶体管为功率金属氧化物半导体场效应晶体管。

11.根据权利要求1所述的低压降线性稳压器，其特征是还包括：

补偿电容器，一端连接于该运算放大器的输出端，另一端接地；以及

补偿电路，连接于该反馈电路的该输出电压与该运算放大器的反相输入端之间；其中

该补偿电容器造成该低压降线性稳压器的循环增益的极点，该补偿电路造成该循环增益的零点，该极点与该零点影响该循环增益的单位增益频率，使该循环增益的相位边际大于零。

12.根据权利要求11所述的低压降线性稳压器，其特征是该补偿电路为电压控制电流转换器。