CN102117089B

CN102117089B - 低压降稳压器

Info

Publication number: CN102117089B
Application number: CN 200910215246
Authority: CN
Inventors: 林崇伟; 陈建宇
Original assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Current assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Priority date: 2009-12-31
Filing date: 2009-12-31
Publication date: 2013-04-17
Anticipated expiration: 2029-12-31
Also published as: CN102117089A

Abstract

本发明提供一种低压降稳压器，包括一功率晶体管、一电流-电压转换电路、一电流变异感测电路、以及一补偿电路。该功率晶体管具有一电源端、一控制端和一输出端，其中，电源端接收一输入电压，且输出端耦接至电流-电压转换电路以产生一输出电压。电流变异感测电路随着功率晶体管的电流变异于其第一与第二输出端分别产生不同变异速度的一第一电压变异以及一第二电压变异。补偿电路，根据输出电压的回授信息与一参考电位的电位差值、以及电流变异感测电路的第二与第一输出端的电位差值调整该功率晶体管的控制端的电位。

Description

低压降稳压器

技术领域

本发明是有关于一种低压降稳压器(low dropout regulator，LDO regulator)。

背景技术

低压降稳压器(LDO regulator)已广泛应用于可携式电子装置(例如手机、个人数字助理PDA、数字相机、或笔记型计算机等)的电源管理上。

图1图解低压降稳压器的传统实施方式。低压降稳压器100包括一功率晶体管Mp、一电流-电压转换电路102、一误差放大器104、以及输出端一电容Cout。低压降稳压器100以其中功率晶体管Mp的电源端(此例为源极)接收一输入电压Vin，以令该功率晶体管Mp得以根据其控制端(此例为栅极)信号产生电流。功率晶体管Mp所产生的电流部分将流入电流-电压转换电路102，以转换为一输出电压Vout驱动一负载110。输出电压Vout可经分压后呈回授电压Vfb输入误差放大器104与一参考电位Vref比较。误差放大器104的输出将调整功率晶体管Mp的控制端(栅极)电位，以进而维持输出电压Vout的稳定度。

然而，输出电压Vout常会受负载110所需的负载电流Iload影响。图2以波形图图解负载电流Iload对输出电压Vout的作用。如图所示，当负载电流Iload有变异发生，输出电压Vout也会有变异发生，可能被拉低(undershoot)如202、或被拉高(overshoot)如204。图1所示的电容Cout通常被设计为大电容以维持回路稳定度，使undershoot 202、overshoot 204的量都不会很大。然而，具有大电容Cout通常得以外接式电容实现，相当浪费电路面积。此外，若将低压降稳压器100以芯片实现，则通常得另外特别设计一个脚位外接该大电容Cout，相当耗费成本。

发明内容

本发明揭露一种低压降稳压器，其中外部不需要过大的电容即可提供稳定且瞬时响应快的输出电压。此外，本发明的低压降稳压器允许较大的输入电压。

本发明低压降稳压器的一种实施方式包括一功率晶体管、一电流-电压转换电路、一电流变异感测电路以及一补偿电路，用于将一输入电压转换为一输出电压以供一负载使用。

在上述实施方式中，该功率晶体管具有一电源端、一控制端和一输出端，其中该电源端接收上述输入电压，且该输出端耦接至该电流-电压转换电路以产生上述输出电压供上述负载使用。上述电流变异感测电路、以及补偿电路则用于维持该输出电压的稳定与响应速度。

该电流变异感测电路具有一输入端耦接该功率晶体管、且具有一第一输出端以及一第二输出端，用以随该功率晶体管的电流变异于其第一与第二输出端分别产生不同变异速度的一第一电压变异以及一第二电压变异。

该补偿电路用于根据该输出电压的回授信息与一参考电位的电位差值、以及该电流变异感测电路上述第二与第一输出端的电位差值调整该功率晶体管的上述控制端的电位。

与传统技术相较，本案低压降稳压器无须使用到大电容或外接式大电容即可具有高稳定度、良好的瞬时响应以及节省电路面积。此外，双重放大器的作用将使得输入电压的范围较不受限制。

以下列举多个实施方式与相关附图以帮助了解本发明。

附图说明

图1图解低压降稳压器的传统实施方式；

图2以波形图图解负载电流Iload对输出电压Vout的作用；

图3图解本案低压降稳压器的一种实施方式；

图4以波形图更具体说明该电流变异传感器304的作用；

图5为本案低压降稳压器的另外一种实施方式；

图6A与6B为本案低压降稳压器的另外一种实施方式；

图7为本案低压降稳压器的另外一种实施方式；

图8图解第二误差放大器308、或缓冲器502所用放大器的实施方式。

【主要组件符号说明】

100～稳压器； 102～电流-电压转换电路；

104～误差放大器； 110～负载；

202、204～电压变异，分别为undershoot与overshoot；

206、208～响应时间；

302～电流-电压转换电路； 304～电流变异感测电路；

306～补偿电路； 307、308～第一、第二误差放大器；

310～负载；

502～缓冲器；

602～双输入对误差放大器；

800～P型Class-AB放大器；

802、804～放大器800的第一、第二输入端；

806～放大器800的输出端；

C1…C4、Cout～电容；

D1第一二极管

D2第二二极管；

I1、I2～镜像产生的电流； Iload～负载电流；

M1…M12～晶体管；

Mm1、Mm2～镜像晶体管； Mp～功率晶体管；

R1、R2～电阻；

t～时间点；

V1、V2～第一、第二输出端的第一、第二电压变异；

Vfb～回授电压； Vin～输入电压；

Vout～输出电压； Vref～参考电压。

具体实施方式

以下内容包括本发明多种实施方式，其内容并非用来限定本发明范围。本发明实际的范围仍应当以权利要求书的叙述为主。

图3图解本案低压降稳压器的一种实施方式，其中包括一功率晶体管Mp、一电流-电压转换电路302、一电流变异感测电路304以及一补偿电路306。此图例的补偿电路306包括一第一误差放大器307以及一第二误差放大器308。图中所示的低压降稳压器用于转换一输入电压Vin为一输出电压Vout供一负载310使用。

参考图3所示的实施方式，功率晶体管Mp可以一P通道晶体管实现，具有一电源端(源极)、一控制端(栅极)和一输出端(漏极)，其中该电源端(源极)接收上述输入电压Vin，且该输出端(漏极)耦接该电流-电压转换电路302。该电流-电压转换电路302会将所接收的电流转换为输出电压Vout。

至于电流变异感测电路304、以及补偿电路306则用于维持输出电压Vout之稳定与响应速度。如图所示，该电流变异感测电路304具有一输入端耦接该功率晶体管Mp、且具有一第一输出端(电位为V1)以及一第二输出端(电位为V2)。电流变异感测电路304将随该功率晶体管Mp的电流变异于其第一与第二输出端(电位V1与V2)分别产生一第一电压变异以及一第二电压变异，两者具有不同的变异速度。与传统技术相较，补偿电路306在不仅仅根据输出电压Vout的回授信息与一参考电压Vref的电位差值对功率晶体管Mp的控制端(栅极)进行控制，更根据电流变异感测电路304第二与第一输出端上(电位V2与V1)的电位差值控制晶体管Mp的控制端(栅极)。如此设计的低压降稳压器在稳定度与瞬时响应上都有良好的表现。

参阅图3所示，补偿电路306的一种实施方式，其中包括一第一误差放大器307、以及一第二误差放大器308。第一误差放大器307具有一第一输入端(此例为正输入端)耦接该输出电压Vout作为该低压降稳压器的回授信息、一第二输入端(此例为负输入端)接收一参考电压Vref、以及一输出端耦接至该功率晶体管Mp的上述控制端(栅极)。第二误差放大器308具有一第一输入端(此例为正输入端)耦接该电流变异感测电路304的第二输出端(电位V2)、一第二输入端(此例为负输入端)耦接该电流变异感测电路304的第一输出端(电位V1)、以及一输出端耦接该功率晶体管Mp上述控制端(栅极)。

与传统技术相较，本案低压降稳压器除了以第一误差放大器307提供一条回授路径维持输出电压Vout的稳定度，更以电流变异感测电路304感测负载电流Iload变异对功率晶体管Mp的电流的影响。耦接在电流变异感测电路304与功率晶体管Mp控制端(栅极)之间的第二误差放大器308将形成另外一条回授控制路径。因而，与传统技术相较，本案低压降稳压器无须使用到大电容(图1 Cout)即可具有高稳定度以及良好的瞬时响应。此外，双重放大器的作用(第一与第二误差放大器307与308)将使得输入电压Vin的范围较不受限制。

此段更加讨论本案电流变异感测电路的一种实施方式。参阅图3，其中电流变异感测电路304包括：一第一镜像晶体管Mm1、一第二镜像晶体管Mm2、一第一二极管D1、一第一电容C1、一第二二极管D2以及一第二电容C2。上述第一与第二镜像晶体管Mm1与Mm2与该功率晶体管Mp连接在一起以分别镜像产生电流I1与I2；在此实施方式中，第一与第二镜像晶体管Mm1与Mm2与该功率晶体管Mp以电流镜方式连接。上述第一二极管D1以及第一电容C1并联于该第一镜像晶体管Mm1以及一定电位端(如，接地)之间，以接收电流I1。上述第一二极管D1、第一电容C1与第一镜像晶体管Mm1的连接处即该电流变异感测电路304的上述第一输出端，提供电位V1。此外，上述第二二极管D2以及第二电容C2并联于该第二镜像晶体管Mm2以及该定电位端(接地)之间，以接收电流I2。上述第二二极管D2、第二电容C2与第二镜像晶体管Mm2的连接处即该电流变异感测电路304的上述第二输出端，提供电位V2。上述组件Mm1、Mm2、D1、C1、D2与C2在精心设计其电子特性下，可令电位V1上的第一电压变异与电位V2上的第二电压变异具有不同的变异速度。例如，可令镜像晶体管Mm1与Mm2具有相同电子特性、二极管D1与D2具有相同电子特性，但第一电容C1的电容值小于第二电容C2的电容值；如此一来，电位V1上的第一电压变异的速度将快于电位V2上的第二电压变异的速度。图4以波形图更具体说明该电流变异传感器304的作用，其中，若负载310有变化导致负载电流Iload变动，则功率晶体管Mp的电流也会变动，此变动将被电流变异传感器304感测，并于电位V1与电位V2上反应出来。观察图4，电位V1所提供的第一电压变异的速度快于电位V2所提供的第二电压变异的速度。同一时间点—如时间点t—第一电位V1与电位V2间有压差存在。第二误差放大器308即根据此压差对功率晶体管Mp的控制端(栅极)电位进行控制。

在图3所示的实施方式中，其中还可采用一电容C3，用以实现米勒补偿技术。电容C3耦接于该功率晶体管Mp的上述控制端(栅极)与输出端(漏极)之间。

图5为本案低压降稳压器的另外一种实施方式。与图3相较，图5的低压降稳压器还在补偿电路内设计一缓冲器502耦接该第一误差放大器307的输出端至第二误差放大器308的输出端。第一误差放大器307的输出将先经由缓冲器502缓冲后方与第二误差放大器308的输出结合输入该功率晶体管Mp的控制端(栅极)。此外，图5的低压降稳压器还包括一第三电容C3和第四电容C4，用于实现蜂巢式米勒补偿(Nested Miller Comoensation)。第四电容C4耦接于该缓冲器502的输入端与该功率晶体管Mp的输出端(漏极)之间。

图6A、6B图解本案低压降稳压器的另一种实施方式。在前述图3中，第一误差放大器307与第二误差放大器308乃各自运作的电路；信号Vout与Vref的差值是专由第一误差放大器307放大，而信号V2与V1的差值是专由第二误差放大器308放大。然而，图6A、6B实施方式却是另外提出一双输入对误差放大器602，其中信号Vout与Vref的差值放大电路与信号V2与V1的差值放大电路部份共享。图6B图解双输入对误差放大器602的一种实施方式，其中除了一般误差放大器所具有的晶体管M1…M9，还设计有三个晶体管M10、M11与M12。晶体管M7与M8的栅极用作第一、第二输入端，分别接收信号Vout与Vref组成第一对差动输入。晶体管M10与M11的栅极用作第三、第四输入端上，分别接收信号V2与V1组成第二对差动输入。如图所示，第一对差动输入(Vout与Vref)以及第二对差动输入(V2与V1)共享图中所示的电流镜电路(由晶体管M1…M6所组成)。图6B所示的双输入对误差放大器602将第一对差动输入(Vout与Vref)的差值的放大结果、与第二对差动输入(V2与V1)的差值的放大结果叠加于其输出端Out以耦接至功率晶体管Mp的控制端(栅极)。图6B所示的电路并非意图限定双输入对误差放大器602的结构，其它“以部分共享电路放大两对差动输入”的电路结构皆可被用来实现双输入对误差放大器602。

此外，图3所示的第二误差放大器308技术、图5所示的缓冲器502技术，也可与图6A、6B所示的双输入对误差放大器602技术结合，组成各式补偿电路作用于功率晶体管Mp的控制端(栅极)上。图7即图解一种同时采用缓冲器502、补偿组件308、602与C3、C4的低压降稳压器，其中，第四电容C4耦接于该缓冲器502的输入端与功率晶体管漏极Mp漏极之间，和第三电容C3联合实现蜂巢式米勒补偿，而第三电容C3可视使用者需求选择是否使用，但第四电容C4则为必要组件一定要存在。此外，除了前述的补偿电路，任何以同样精神形成的补偿电路皆属于本说明书所欲保护的范围。

在可携式电子装置的应用中，上述低压降稳压器所驱动的负载310常为一芯片内的电路。由于前述第一、第二、第三、第四电容C1、C2、C3、C4的电容值皆不大，故上述第一、第二、第三、第四电容C1、C2、C3、C4可与负载310一样，皆制作于芯片内部，为on-chip形式。

此段更揭露前述第二误差放大器308、或缓冲器502所用放大器的实施方式，其实施方式如下所述。参考图8是显示一P型Class-AB放大器(p-type ClassAB amplifier)。在偏压Bias操作下，第一与第二输入端802与804分别为正端(+)与负端(-)输入，且端点806为输出端。此电路能够很快的调控功率晶体管Mp的输入端(栅极)电位。

前述多种实施方式是用来帮助了解本发明，并非用来限定本案范围。本案范围请见权利要求书。

Claims

1.一种低压降稳压器，用以将一输入电压转换为一输出电压供一负载使用，其特征在于，该低压降稳压器包括：

一功率晶体管，具有一电源端、一控制端和一输出端，该电源端接收该输入电压；

一电流-电压转换电路，耦接该功率晶体管的该输出端，用以将所接收的电流转换为该输出电压；

一电流变异感测电路，具有一输入端耦接该功率晶体管、且具有一第一输出端以及一第二输出端，用以随该功率晶体管的电流变异于其第一与第二输出端分别产生不同变异速度的一第一电压变异以及一第二电压变异，其中该电流变异感测电路包括：

一第一镜像晶体管、以及一第二镜像晶体管，与该功率晶体管连接在一起以分别镜像产生电流；

一第一二极管以及一第一电容，并联于该第一镜像晶体管以及一定电位端之间，该第一二极管、该第一电容与该第一镜像晶体管的一连接点即该电流变异感测电路的该第一输出端；

一第二二极管以及一第二电容，并联于该第二镜像晶体管以及该定电位端之间，该第二二极管、该第二电容与该第二镜像晶体管的一连接点即该电流变异感测电路的该第二输出端；以及

一补偿电路，根据该输出电压的回授信息与一参考电位的电位差值、以及该电流变异感测电路的该第二与第一输出端的电位差值调整该功率晶体管的该控制端的电位，其中该补偿电路包括：

一第一误差放大器，具有一第一输入端接收该输出电压的回授信息、一第二输入端接收该参考电压、以及一输出端耦接至该功率晶体管的该控制端；以及

一第二误差放大器，具有一第一输入端耦接该电流变异感测电路的该第二输出端、一第二输入端耦接该电流变异感测电路的该第一输出端、以及一输出端耦接至该功率晶体管该控制端。

2.根据权利要求1所述的低压降稳压器，其特征在于，该第一与第二电容与该负载一样皆制作于一芯片中。

3.根据权利要求1所述的低压降稳压器，其特征在于，还包括一第三电容耦接于该功率晶体管的该控制端与输出端之间。

4.根据权利要求3所述的低压降稳压器，其特征在于，该第三电容、与该负载一样皆制做于一芯片中。

5.根据权利要求1所述的低压降稳压器，其特征在于，还包括一缓冲器，具有一输入端耦接该第一误差放大器的该输出端，且具有一输出端耦接该第二误差放大器的该输出端。

6.根据权利要求5所述的低压降稳压器，其特征在于，还包括一第四电容耦接于该缓冲器的该输入端与该功率晶体管的该输出端之间。

7.根据权利要求6所述的低压降稳压器，其特征在于，该第四电容与该负载一样皆制作于一芯片中。

8.根据权利要求1所述的低压降稳压器，其特征在于：

该功率晶体管为P通道晶体管；且

该第一误差放大器的该第一输入端为正输入端，且该第二输入端为负输入端。

9.根据权利要求1所述的低压降稳压器，其特征在于，：

该功率晶体管为P通道晶体管；

该电流变异传感器所产生的该第一电压变异的变化速度快于该第二电压变异；且

该第二误差放大器的该第一输入端为正输入端，且该第二输入端为负输入端。

10.一种低压降稳压器，用以将一输入电压转换为一输出电压供一负载使用，其特征在于，该低压降稳压器包括：

一补偿电路，根据该输出电压的回授信息与一参考电位的电位差值、以及该电流变异感测电路的该第二与第一输出端的电位差值调整该功率晶体管的该控制端的电位，其中该补偿电路包括一双输入对误差放大器，该双输入对误差放大器以部分共享的电路将该输出电压的回授信息与该参考电压的电位差值、以及该电流变异感测电路的该第二与第一输出端的电位差值分别放大且叠加输出。

11.根据权利要求10所述的低压降稳压器，其特征在于，还包括一缓冲器，具有一输入端耦接该双输入对误差放大器的输出，且具有一输出端耦接该功率晶体管的该控制端。

12.根据权利要求11所述的低压降稳压器，其特征在于，还包括一第四电容耦接于该缓冲器的该输入端与该功率晶体管的该输出端之间。

13.根据权利要求12所述的低压降稳压器，其特征在于，该第四电容与该负载一样皆制作于一芯片中。

14.根据权利要求11所述的低压降稳压器，其特征在于，该补偿电路还包括：

一第二误差放大器，具有一第一输入端耦接该电流变异感测电路的该第二输出端、一第二输入端耦接该电流变异感测电路的该第一输出端、以及一输出端耦接至该功率晶体管的该控制端。

15.根据权利要求14所述的低压降稳压器，其特征在于：

该功率晶体管为P通道晶体管；