CN101354595A - 提升线性与负载调节率特性的低压降稳压器 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种提升线性与负载调节率特性的低压降稳压器，其包括有：参考电压电路，用以提供参考电压；差动放大器；输出功率晶体管，驱动负载电阻；反馈电路，设置于该差动放大器与该输出功率晶体管之间，使该差动放大器比较该参考电压与该反馈电路所提供的电压，再输出误差修正电压；电压缓冲器，设置于该差动放大器与该输出功率晶体管之间，用以进行频率补偿的功能，该电压缓冲器由互补式缓冲器所构成。本发明能够提供良好的线性与负载调节率。
Description
技术领域
本发明涉及一种提升线性与负载调节率特性的低压降稳压器，尤其涉及一种应用互补式缓冲器(Complementary Type Buffer)于低压降稳压器中，以取代传统的单独使用N型缓冲器或P型缓冲器时，产生线性或负载调节率(Lineand Load Regulation)不佳的问题，不但解决了稳定度的问题，同时也提升了低压降稳压器的线性及负载调节率特性。
背景技术
请参阅图1所示，为现有低压降稳压器的电路结构示意图，一般低压降稳压器(Low Dropout Regulator，LDO)包含有：参考电压(Vref)电路、误差放大器(Error Amp)、输出功率晶体管(Power Device)以及反馈电路。在低压降稳压器的常见应用上，会在其输出端连接稳压电容(Cout)，所以低压降稳压器的主极点多半会在输出端(Vout)，且当输出负载电流愈大时，由于输出功率晶体管的输出阻抗反比于输出负载电流，其主极点会愈往频率高的方向移动，导致低压降稳压器的稳定度相对的也就愈来愈差。请参阅图2所示，其为公知低压降稳压器频率响应的伯德图，由于增益与频率响应之间的关系，因此其与1/RC相关。并且从图中可以看到，重载与轻载时主极点的不同。
因此，一般低压降稳压器的频率补偿方法会在误差放大器与输出功率晶体管之间加入电压缓冲器(Buffer)，利用电压缓冲器输出低阻抗的特性，将误差放大器的输出端极点(i.e.第二个极点)推移至频宽之外，如此便可以确保低压降稳压器的稳定度(Stability)。而此传统电压缓冲器皆为使用N型或是P型MOSFET来实施。在稳态时，低压降稳压器的输出端有负载电流，此时经由反馈控制输出功率晶体管的机制未启动，而低压降稳压器为了能提供负载电流，所以输出电容必须先开始对负载电阻(RL)放电，此时输出电压将会下降。当输出电压下降时，便启动了误差放大器，且误差放大器的输出电压也跟着下降，使得输出功率晶体管提供电流给输出电容，以达到输出稳压的作用。
请参阅图3A、图3B所示，为公知低压降稳压器应用N型或是P型缓冲器频率补偿的电路结构示意图，若用来频率补偿的电压缓冲器为P沟道金属氧化物半导体场效晶体管(P型MOSFET)，当低压降稳压器操作在重负载电流时，因为误差放大器的输出电压经过该P型缓冲器将向上偏移电压(+VSG)，使得输出功率晶体管所能提供的电流减小，所以若要达到输出电压稳压，势必要再降低误差放大器的输出电压，这将会严重降低低压降稳压器的回路增益，所以输出电压也将无法稳压，即负载调节率特性下降。
反之，当低压降稳压器的输入电压增加且无负载电流时，频率补偿的电压缓冲器为N沟道金属氧化物半导体场效晶体管(N型MOSFET)，误差放大器的输出电压经过N型缓冲器将向下偏移电压(-VGS)，使得输出功率晶体管无法有效的减小对输出电容充电的电流，造成输出功率晶体管在无载时有漏电的现象，进而导致低压降稳压器的输出电压会偏高。若要达到输出电压稳在定电压，势必要再提高误差放大器的输出电压，这将会严重降低低压降稳压器的回路增益，所以输出电压也将无法稳压，即线性调节率特性下降。
本发明的目的为利用电压缓冲器作为低压降稳压器的频率补偿技术时，具有良好的线性与负载调节率特性。所以必须解决使用N型缓冲器时，线性调节率差的缺点；以及使用P型缓冲器时，负载调节率差的缺点，本发明的电路结构提供了良好解决方案。
发明内容
基于解决以上所述公知技术的缺失，本发明提供一种提升线性与负载调节率特性的低压降稳压器，主要目的是将互补式缓冲器(Complementary TypeBuffer)应用于低压降稳压器中，以取代传统单独使用N型缓冲器或P型缓冲器时，所产生线性或负载调节率不佳的问题，不但解决了稳定度的问题，同时也提升了低压降稳压器的线性及负载调节率特性。
为达到上述目的，本发明提供一种提升线性与负载调节率特性的低压降稳压器，其包括有：参考电压电路，用以提供参考电压；差动放大器；输出功率晶体管，驱动负载电阻；反馈电路，设置在该差动放大器与该输出功率晶体管之间，使该差动放大器比较该参考电压与该反馈电路所提供的电压，再输出误差修正电压；以及电压缓冲器，设置于该差动放大器与该输出功率晶体管之间，用以进行频率补偿的功能，该电压缓冲器由互补式缓冲器所构成。
如上所述的提升线性与负载调节率特性的低压降稳压器，其中该差动放大器为误差放大器。
如上所述的提升线性与负载调节率特性的低压降稳压器，其中该互补式缓冲器为P型缓冲器及N型缓冲器连接所构成。
如上所述的提升线性与负载调节率特性的低压降稳压器，其中该P型缓冲器及该N型缓冲器各自由电流源提供偏流。
如上所述的提升线性与负载调节率特性的低压降稳压器，其中该P型缓冲器及该N型缓冲器分别通过至少两个电流镜提供偏流。
如上所述的提升线性与负载调节率特性的低压降稳压器，其中所述至少两个电流镜中的一个电流镜用以将该输出功率晶体管上流动的电流以1/n的比例镜射至另一晶体管。
本发明能够提供良好的线性与负载调节率。
通过以下附图、附图标记的说明及发明的详细说明进一步对本发明进行更深入的说明。
附图说明
图1为公知低压降稳压器的电路结构示意图；
图2为公知低压降稳压器频率响应的伯德图；
图3A为公知低压降稳压器应用P型缓冲器频率补偿的电路结构示意图；
图3B为公知低压降稳压器应用N型缓冲器频率补偿的电路结构示意图；
图4A为本发明低压降稳压器采用互补式缓冲器来做频率补偿的电路结构示意图；
图4B为低压降稳压器三种型式缓冲器的补偿技术的线性与负载调节率特性比较表；
图5为图4A的详细电路结构图；
图6为公知N型缓冲器与本发明C型缓冲器的线性调节率模拟比较图；
图7为公知P型缓冲器与本发明C型缓冲器的负载调节率模拟比较图；
图8为本发明低压降稳压器互补式缓冲器的频率补偿电路的偏压电流置换成动态电流的电路结构图。
其中，附图标记说明如下：
Vin～输入电压
Vout～输出电压
Vref～参考电压
VGS～栅-源极偏压
VSG～源-栅极偏压
Ibias～偏流
Cout～输出电容
R1、R2～反馈电路
Buffer～缓冲器
MP1、MP2、MPb4、MPb7～P型金属氧化物半导场效晶体管
MN3、MN4、MNb5、MNb6～N型金属氧化物半导场效晶体管
具体实施方式
现配合下列附图说明本发明的详细结构及其连接关系。
请参阅图4A所示，为本发明低压降稳压器采用互补式缓冲器来做频率补偿的电路结构示意图，主要结构包括有：参考电压(Vref)电路、误差放大器(Error Amp)、输出功率晶体管(Power Device)、电压缓冲器(Buffer)以及反馈电路，各电路构件功能分述如下：
参考电压电路，用以提供参考电压；误差放大器；输出功率晶体管，用以驱动负载电阻(RL)；反馈电路，设置于误差放大器与输出功率晶体管之间，使误差放大器比较参考电压电路所提供的参考电压与反馈电路所提供的电压，再输出误差修正电压；以及电压缓冲器，设置于误差放大器与输出功率晶体管之间，用以进行频率补偿功能，且电压缓冲器由互补式缓冲器(C型Buffer)构成。
本电路结构基于公知低压降稳压器利用N型(N型)或是P型(P型)缓冲器作为频率补偿，造成线性与负载调节率特性下降的缺点，所提出的解决方案，利用N型缓冲器拥有较佳的负载调节率，以及P型缓冲器拥有较佳的线性调节率的优点，连接二者所构成的电路，即可创造出互补式金属氧化物半导场效晶体管(C型MOSFET)元件来做为频率补偿技术(以下简称互补式缓冲器(Complementary Type Buffer))，如此便可以提升低压降稳压器线性与负载调节率的特性，以达到低压降稳压器的要求。
请参阅图4B所示，为低压降稳压器三种型式缓冲器的补偿技术的线性与负载调节率特性比较表，其中三种形式缓冲器的补偿技术的线性与负载调节率特性比较可由表中看出：
1.公知N型缓冲器的线性调节率不佳，但其负载调节率极佳；
2.公知P-Type缓冲器之线性调节率极佳，但其负载调节率不佳；以及
3.本发明C型缓冲器的线性调节率为可接受范围，且负载调节率亦为可接受范围，大大地改善了N型与P型的缺点。
请参阅图5所示，其为图4A的详细电路结构图，利用互补式缓冲器的N型缓冲器将输入电压向下偏移(-VGS)，以及利用P型缓冲器将输入电压向上偏移(+VSG)的特性，创造出互补式缓冲器频率补偿的技术，并且提升了低压降稳压器的线性与负载调节率，使得低压降稳压器输入电压与驱动负载电流的动态范围增加，以符合低压降稳压器的特性要求。举例而言，该低压降稳压器的动作原理为：当低压降稳压器的输出端有小负载电阻(RL)时，误差放大器的输出电压将下降，此电压信号先经过P型缓冲器，使得电压被向上偏移一源-栅极偏压(+VSG)，再经过N型缓冲器，此电压再被向下偏移一负向栅-源极偏压(-VGS)，所以PMOS输出功率晶体管的栅极电压，其值大小即与误差放大器的原输出电压差不多。就PMOS输出功率晶体管(Power Device)的栅极(Gate)电压而言，C型缓冲器与单一P型缓冲器比较起来，其栅极电压相差大约一源-栅极偏压(+VSG)。相对而言，若要在相同条件下达到稳压特性，单一P型缓冲器必须让PMOS输出功率晶体管的栅极电压更低，但如此将会严重的降低误差放大器的增益，导致低压降稳压器的负载调节率特性下降，而这也就突显出低压降稳压器互补式(C型)缓冲器频率补偿技术的一大优点。反之，当低压降稳压器的输入电压慢慢增加，则误差放大器的输出电压也将慢慢上升，此电压先后经过P型与N型缓冲器的升压与降压，到达PMOS输出功率晶体管的栅极电压，与误差放大器的输出电压相差不多，使得输出功率晶体管可以有效避免对输出电容的充电，防止输出功率晶体管在无负载时有漏电的现象，进而防止低压降稳压器的输出电压偏高。相对而言，在单一N型缓冲器的情况下，则必须让PMOS输出功率晶体管的栅极电压更高，这样便会让误差放大器的增益下降，并且导致较差的线性调节率特性。上述P型缓冲器及N型缓冲器各自将偏流(Ibias，p)及(Ibias，n)作为其电流源。
请参阅图6、图7所示，为低压降稳压器互补式缓冲器频率补偿电路模拟结果，其中图6的模拟条件为：输入电压Vin＝8V～16V，负载电流Iout＝0A；图7的模拟条件为：输入电压Vin＝8V，负载电流Iout＝0A～22mA。而图6、图7输出电压均为Vout＝5V。
其中图6所揭示的为N型缓冲器与C型缓冲器的线性调节率模拟比较图，我们可以很清楚的看到，当输入电压愈高输出电压也会增加，这是因为PMOS输出功率晶体管产生漏电的现象。反观C型缓冲器，在输入相同电压情况下，PMOS输出功率晶体管的漏电现象明显的减缓了很多，也提升了线性调节率。
其中图7所揭示的为P型缓冲器与C型缓冲器的负载调节率模拟比较图，我们可以发现相同的输出功率晶体管，C型的驱动电流能力明显的比P型要好很多，主要是在重载时C型的回路增益比P型大，所以负载调节率相对的比较好。而从另一方面来说，因为C型的驱动电流能力较佳，故可节省PMOS输出功率晶体管的面积。
由上述图6、图7可得证，本发明的互补式缓冲器分别与单独使用P型缓冲器或N型缓冲器相较，具有较佳的线性与负载调节率，因此本发明即为较佳的低压降稳压器结构。
请参阅图8所示，为本发明低压降稳压器互补式缓冲器的频率补偿电路的偏压电流置换成动态电流的电路结构图，与图5相较，其可发挥的功能与图5皆相同，因此提出本结构的目的为将此电路结构纳入本发明的保护范围内。其中，输出功率晶体管与Mpb7是为电流镜，并用以将输出功率晶体管上面流动的电流以1/n的比例镜射至Mpb7，MNb6与M4亦为电流镜，用以提供电流至N型缓冲器，而Mnb6、Mnb5以及MPb4、MP2亦分别作为电流镜之用，以提供电流至P型缓冲器。
根据上述图4A至图8所公开的，即可了解本发明的一种提升线性与负载调节率特性的低压降稳压器，主要目的为将互补式缓冲器(ComplementaryType Buffer)应用于低压降稳压器中，以取代传统单独使用N型缓冲器或P型缓冲器时，所产生线性或负载调节率不佳的问题，不但解决了稳定度的问题，同时也提升了低压降稳压器的线性及负载调节率特性。
此外，本发明实施例中，附图中互补式缓冲器的连接方式，并不限于电压信号先经过P型缓冲器，再经过N型缓冲器，电压信号亦可先经过P型缓冲器，再经过N型缓冲器，只要将P型缓冲器以及N型缓冲器的连接顺序调换即可。同时，误差放大器可以是任何双端输入而单端输出的差动放大器，并不限于本发明实施例中所述的误差放大器。
综上所述，本发明的结构特征及各实施例皆已详细揭示，而可充分显示出本发明在目的及功效上均具有实施的进步性。
以上说明仅为本发明的优选实施例而已，不能用来限定本发明所实施的范围，即凡根据本发明权利要求所作的等效变化与修饰，皆应属于本发明专利涵盖的范围内。
Claims (6)
1.一种提升线性与负载调节率特性的低压降稳压器，其包括有：
参考电压电路，用以提供参考电压；
差动放大器；
输出功率晶体管，驱动负载电阻；
反馈电路，设置于该差动放大器与该输出功率晶体管之间，使该差动放大器比较该参考电压与该反馈电路所提供的电压，再输出误差修正电压；以及
电压缓冲器，设置于该差动放大器与该输出功率晶体管之间，用以进行频率补偿功能，该电压缓冲器由互补式缓冲器所构成。
2.如权利要求1所述的提升线性与负载调节率特性的低压降稳压器，其中该差动放大器为误差放大器。
3.如权利要求1所述的提升线性与负载调节率特性的低压降稳压器，其中该互补式缓冲器为P型缓冲器及N型缓冲器连接所构成。
4.如权利要求3所述的提升线性与负载调节率特性的低压降稳压器，其中该P型缓冲器及该N型缓冲器各自由电流源提供偏流。
5.如权利要求3所述的提升线性与负载调节率特性的低压降稳压器，其中该P型缓冲器及该N型缓冲器分别通过至少两个电流镜提供偏流。
6.如权利要求5所述的提升线性与负载调节率特性的低压降稳压器，其中所述至少两个电流镜中的一个电流镜用以将该输出功率晶体管上流动的电流以1/n的比例镜射至另一晶体管。
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