CN102868299A - 无需外挂稳压电容的低压降稳压器及其稳压方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无需外挂稳压电容的低压降稳压器及其稳压方法。通过检测输出电压的向下突波与向上突波，并反应输出电压的向下突波或向上突波致能第一快速反馈路径或第二快速反馈路径，以将输出电压拉高或降低。如此便可避免输出电压变化持续扩大，并缩短稳定输出电压的时间。

Description

无需外挂稳压电容的低压降稳压器及其稳压方法

技术领域

本发明涉及一种稳压器及其稳压方法，且特别涉及一种无需外挂稳压电容的低压降稳压器及其稳压方法。

背景技术

为提供电子产品多功能的诉求，现今的电子装置中常利用电源转换器来做为产生操作电源的媒介。而在切换式电源转换器中，需要一个高耐压且大电流驱动能力的功率晶体管，并通过功率晶体管的切换动作来进行电源转换。由于功率晶体管通常具有大尺寸的特性，因此也相对具有较大的栅极寄生电容。因此，在现有的功率晶体管的栅极驱动器中，常利用所谓的低压降稳压器(Low Drop-Out Regulator，LDO Regulator)来供应足够的电流以驱动功率晶体管。

图1所示为传统低压降稳压器的示意图。请参照图1，传统的低压降稳压器100包括一误差放大器102、一功率晶体管MP、一分压电阻RD1、一分压电阻RD2以及一稳压电容Cc。另外，低压降稳压器100的输出端OUT耦接一负载104。其中稳压电容Cc为一uF量级的电容，其耦接于低压降稳压器100的输出端OUT与接地电压之间。功率晶体管MP耦接于一输入电压与低压降稳压器100的输出端OUT之间，功率晶体管MP的栅极则耦接误差放大器102的输出端。分压电阻RD1、RD2串接于低压降稳压器100的输出端OUT与接地电压之间。另外，误差放大器102的两输入端分别耦接一参考电压Vref以及分压电阻RD1、RD2的共同接点之间。

误差放大器102依据参考电压Vref以及分压电阻RD1、RD2所产生的分压电压Vf产生一误差信号ER1以控制功率晶体管MP的导通状态，进而通过功率晶体管MP的导通状态调整低压降稳压器100的输出电压Vout。在传统的低压降稳压器100中，稳压电容Cc虽可稳定输出电压，并提供相位补偿的功能，但其具有增加成本以及必须多出一脚位以外接电容。近年来为了将稳压器整合进晶片中，发展出无需稳压电容的低压降稳压器。少了稳压电容，虽然可通过误差放大器的架构来解决相位的问题，但是输出电压稳定性明显不足，由于误差放大器的频宽有限，在快速且大量的负载电流变化下，误差放大器无法及时作出修正，输出电压的时间瞬态变化量与安定时间仍有很大的改善空间。

发明内容

本发明提供一种无需外挂稳压电容的低压降稳压器及其稳压方法，可改善输出电压的稳定性。

本发明提出一种无需外挂稳压电容的低压降稳压器(以下简称为低压降稳压器)，用于将一输入电压转换为一输出电压，低压降稳压器包括一误差放大器、一功率晶体管、一分压单元以及一快速补偿模块。其中误差放大器依据一第一参考电压以及一反馈电压产生一控制电压。一功率晶体管的栅极耦接误差放大器的输出端，功率晶体管的源极耦接输入电压，依据控制电压于漏极产生输出电压。分压单元耦接于功率晶体管的漏极与接地电压之间，分压输出电压以产生反馈电压。快速补偿模块耦接于功率晶体管的栅极与低压降稳压器的输出端之间，反应输出电压的向下突波或向上突波而加强或降低功率晶体管的驱动输出电流的能力。

在本发明的一实施例中，上述的快速补偿模块包括一向下突波补偿单元以及一向上突波补偿单元。其中向下突波补偿单元耦接于功率晶体管的栅极与漏极之间，反应输出电压的向下突波而加强导通功率晶体管。向上突波补偿单元耦接于功率晶体管的漏极与接地电压之间，反应输出电压的向上突波而将功率晶体管的漏极耦接至接地电压。

在本发明的一实施例中，上述的向下突波补偿单元包括一第一放大器以及一第一高通滤波器。其中第一放大器的输出端耦接功率晶体管的栅极。第一高通滤波器耦接于第一放大器的输入端与功率晶体管的漏极之间。

在本发明的一实施例中，上述的向下突波补偿单元包括一第一放大器、一第一高通滤波器。其中第一电阻的一端耦接一电源电压。第一晶体管的漏极耦接第一电阻的另一端，第一晶体管的栅极耦接一偏压电压。第二电阻耦接于第一晶体管的源极与接地电压之间。第一电容，耦接于第一晶体管的源极与输入电压之间。

在本发明的一实施例中，上述的向上突波补偿单元包括一第一开关晶体管、一第二放大器以及一第二高通滤波器。其中第一开关晶体管耦接于功率晶体管的漏极与接地电压之间。第二放大器的输出端耦接第一开关晶体管的栅极。第二高通滤波器耦接于第二放大器的输入端与功率晶体管的漏极之间。

在本发明的一实施例中，上述的向上突波补偿单元包括一第三电阻、一第二晶体管、一第四电阻以及一第二电容。其中第三电阻的一端耦接接地电压。第二晶体管的漏极耦接第三电阻的另一端，第一晶体管的栅极耦接一偏压电压。第四电阻耦接于第二晶体管的源极与接地电压之间。第二电容，耦接于第二晶体管的源极与输入电压之间。

本发明还提出一种无需外挂稳压电容的低压降稳压器(以下简称为低压降稳压器)的稳压方法，其中低压降稳压器包括一功率晶体管与一开关晶体管，功率晶体管耦接于一输入电压与低压降稳压器的输出端之间，开关晶体管耦接于低压降稳压器的输出端与一接地电压之间。低压降稳压器的稳压方法包括下列步骤。检测低压降稳压器的一输出电压是否出现向下突波或向上突波。当输出电压出现向下突波时，通过一第一快速反馈路径加强导通功率晶体管，以拉高输出电压。当输出电压出现向上突波时，通过一第二快速反馈路径开启开关晶体管，以拉低输出电压。

在本发明的一实施例中，若输出电压未出现向下突波与向上突波时，依据输出电压与一参考电压调整功率晶体管的导通状态。

基于上述，本发明通过检测并反应输出电压的向下突波或向上突波致能第一快速反馈路径或第二快速反馈路径，以快速地对输出电压进行补偿，而增加输出电压的稳定性。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图式作详细说明如下。

附图说明

图1所示为传统低压降稳压器的示意图。

图2所示为本发明一实施例的无需外挂稳压电容的低压降稳压器的示意图。

图3所示为本发明另一实施例的无需外挂稳压电容的低压降稳压器的示意图。

图4A所示为本发明一实施例的第一放大器与第一高通滤波器的电路图。

图4B所示为本发明一实施例的第二放大器与第二高通滤波器的电路图。

图5所示为本发明一实施例的无需外挂稳压电容的低压降稳压器的稳压方法流程图。

其中，附图标记说明如下：

100：传统低压降稳压器；

200、300：无需外挂稳压电容的低压降稳压器；

102、202：误差放大器；

204：分压单元；

206：快速补偿模块；

104、208：负载；

302：向下突波补偿单元；

304：向上突波补偿单元；

302A、304A：放大器；

302B、304B：第一高通滤波器；

ER1：误差信号；

M1、MP：功率晶体管；

M2：开关晶体管；

OUT：输出端；

Vin：输入电压；

Vout：输出电压；

Vref：参考电压；

Vfb：反馈电压；

Vf：分压电压；

Vcon：控制电压；

R1～R4、RA、RB、RD1、RD2：电阻；

Q1：晶体管；

C1～C2：电容；

Cc：稳压电容；

IC1：补偿电流；

VDD：电源电压；

Vb：偏压电压；

I1、I2：电流；

S502～S508：低压降稳压器的稳压方法步骤。

具体实施方式

图2所示为本发明一实施例的无需外挂稳压电容的低压降稳压器的示意图。请参照图2，无需外挂稳压电容的低压降稳压器200(以下简称为低压降稳压器200)用于将一输入电压Vin转换为一输出电压Vout，其包括一误差放大器202、一功率晶体管M1、一分压单元204以及一快速补偿模块206。其中误差放大器202的两输入端分别耦接一参考电压Vref以及一反馈电压Vfb，误差放大器202的输出端耦接至功率晶体管M1的栅极，其中参考电压Vref可例如为能隙参考电压。功率晶体管M1的源极与漏极分别耦接至输入电压Vin与低压降稳压器200的输出端。快速补偿模块206耦接于功率晶体管M1的栅极与低压降稳压器200的输出端之间。在本实施例中，功率晶体管M1以一PMOS晶体管来实现，然并不以此为限，其也可例如为一NMOS晶体管。分压单元204则耦接功率晶体管M1的漏极与接地电压之间，以分压低压降稳压器200输出端的输出电压Vout而产生反馈电压Vfb。

如图2所示，当低压降稳压器200的输出电压Vout未出现向上突波或向下突波的情形时，误差放大器202依据参考电压Vref以及分压单元204所产生的反馈电压Vfb产生一控制电压Vcon以控制功率晶体管M1的导通状态，进而于低压降稳压器200的输出端输出稳定的输出电压Vout。

当低压降稳压器200输出端上的负载208将于瞬间抽取大量的电流或突然停止抽取电流时，将使得低压降稳压器200的输出端出现向上突波或向下突波，而使输出电压Vout急速上升或下降。此时，快速补偿模块206便反应输出电压Vout的急速上升或下降来加强导通功率晶体管M1或将低压降稳压器200的输出端耦接至接地电压，以快速地拉高或降低低压降稳压器200的输出电压Vout，进而快速地稳定低压降稳压器200的输出电压Vout。

也就是说，功率晶体管M1在正常操作时(也即输出电压Vout未出现向上突波或向下突波的情形时)也是导通的，而当输出电压Vout出现向上突波或向下突波时，快速补偿模块206进行补偿时的栅极电压会快速增大或缩减低压降稳压器所输出的驱动电流，以有效快速地稳定低压降稳压器200的输出电压Vout。

图3所示为本发明另一实施例的无需外挂稳压电容的低压降稳压器的示意图。请参照图3，进一步来说，上述的分压单元204可例如以本实施例的电阻RA与电阻RB来实现，电阻RA与电阻RB串接于无需外挂稳压电容的低压降稳压器300(以下简称为低压降稳压器300)的输出端与接地电压之间，用于对输出电压Vout进行电阻分压，而产生反馈电压Vfb至误差放大器202的输入端。另外，快速补偿模块206可包括一向下突波补偿单元302以及一向上突波补偿单元304。其中向下突波补偿单元302耦接于功率晶体管M1的栅极与漏极之间，向上突波补偿单元304则耦接于功率晶体管M1的漏极与接地电压之间。向下突波补偿单元302用于反应输出电压Vout的向下突波而加强导通功率晶体管M1，以拉高输出电压Vout。向上突波补偿单元304则反应输出电压Vout的向上突波而将功率晶体管M1的漏极耦接至接地电压，以拉低输出电压Vout。

在本实施例中，低压降稳压器300的向下突波补偿单元302包括一第一放大器302A以及一第一高通滤波器302B。其中第一放大器302A的输出端耦接功率晶体管M1的栅极，第一高通滤波器302B耦接于第一放大器302A的输入端与功率晶体管M1的漏极之间。

另外，向上突波补偿单元304则包括一开关晶体管M2、一第二放大器304A以及一第二高通滤波器304B。其中开关晶体管M2耦接于功率晶体管M1的漏极与接地电压之间。第二放大器304A的输出端耦接开关晶体管M2的栅极。第二高通滤波器304B则耦接于第二放大器304A的输入端与功率晶体管M1的漏极之间。其中第一放大器302A以及第二放大器304A可例如以N型晶体管与P型晶体管所组成的共栅极放大器来实施，然不以此为限。

在本实施例中，上述的第一快速反馈路径为第一放大器302A与第一高通滤波器302B所构成，而第二快速反馈路径则为第二放大器304A与第二高通滤波器304B所构成。当低压降稳压器300的输出电压Vout发生高频的变动时，低压降稳压器300的主要反馈路径将为第一快速反馈路径与第二快速反馈路径。其中当输出电压Vout出现向下突波情形时，输出电压Vout的负脉冲电压将被第一放大器302A放大，进而加强导通功率晶体管M1，使功率晶体管M1得以提供补偿电流IC1至负载208，而减缓输出电压Vout下降的情形。类似地，当输出电压Vout出现向上突波情形时，输出电压Vout的正脉冲电压将被第二放大器304A放大，进而导通开关晶体管M2，使多余的补偿电流IC1可通过开关晶体管M2流向接地电压，而减缓输出电压Vout上升的情形。

另外，当低压降稳压器300的输出电压Vout为低频的变动时，低压降稳压器300的主要反馈路径将为误差放大器202与分压单元204所构成。误差放大器202将低压降稳压器300的输出电压Vout修正至正确的输出准位，而不经由第一放大器302A、第一高通滤波器302B、第二放大器304A与第二高通滤波器304B所构成的第一、二快速反馈路径进行反馈补偿。

如上所述，利用第一放大器302A、第一高通滤波器302B、第二放大器304A、第二高通滤波器304B以及开关晶体管M2来实现快速补偿模块206，可使快速补偿模块206在输出电压Vout未出现向上突波或向下突波时不被致能，而不增加额外的功率消耗。此外，通过第一放大器302A与第二放大器304A可放大输出电压Vout的振幅变动，在输出电压Vout产生微小的变化时即进行电压补偿，因而可提高电压补偿的灵敏度，大幅地提升电压补偿的效率。

详细来说，第一快速反馈路径与第二快速反馈路径的实施方式可分别如图4A与图4B所示。在图4A中，第一放大器302A包括一第一晶体管Q1以及一第一电阻R1，而第一高通滤波器302B包括一第二电阻R2以及一第一电容C1。其中第一电阻R1耦接于一电源电压VDD与功率晶体管M1的栅极之间。第一晶体管Q1的栅极耦接一偏压电压Vb，其漏极则耦接功率晶体管M1的栅极。第二电阻R2耦接于第一晶体管Q1的源极与接地电压之间。第一电容C1则耦接于第一晶体管Q1的源极与输出电压Vout之间。

在本实施例中，第一晶体管Q1以及第一电阻R1为共栅极放大器的结构，当输出电压Vout出现向下突波的情形时，下降的输出电压Vout将通过第一高通滤波器302B拉低第一晶体管Q1的源极电位，进而使第一晶体管Q1导通，而产生一大电流I1。此时功率晶体管M1的栅极电压VM1如下列所示：

VM1＝VDD-I1×R1  (1)

由式(1)可知，电流I1流经第一电阻R1将使得功率晶体管M1的栅极电压VM1被拉低。如此便能加强导通功率晶体管M1，对负载208灌注补偿电流IC1，进而拉高输出电压Vout。

另外，在图4B中，第二放大器302B包括一第二晶体管Q2以及一第四电阻R4，而第二高通滤波器304B包括一第三电阻R3以及一第二电容C2。其中第四电阻R4耦接于接地电压与开关晶体管M2的栅极之间。第二晶体管Q2的栅极耦接偏压电压Vb，其漏极则耦接开关晶体管M2的栅极。第三电阻R3耦接于第一晶体管Q1的源极与接地电压之间。第二电容C2则耦接于第一晶体管Q1的源极与输出电压Vout之间。

类似地，在本实施例中，第二晶体管Q2以及第四电阻R4也为共栅极放大器的结构，当输出电压Vout出现向上突波的情形时，上升的输出电压Vout将通过高通滤波器304B拉高第二晶体管Q2的源极电位，进而使第二晶体管Q2导通，而产生一大电流I2。此时开关晶体管M2的栅极电压VM2如下列所示：

VM2＝I2×R4(2)

由式(2)可知，电流I2流经第四电阻R4将使得开关晶体管M2的栅极电压VM2被拉高。如此便能开启开关晶体管M2，而使多余的补偿电流IC1可通过开关晶体管M2流向接地电压，进而拉低输出电压Vout。

图5所示为本发明一实施例的无需外挂稳压电容的低压降稳压器的稳压方法流程图。请参照图5，归纳上述无需外挂稳压电容的低压降稳压器(以下简称为低压降稳压器)的稳压方法可包括下列步骤。首先，检测低压降稳压器的输出电压是否出现向下突波或向上突波。(步骤S502)。若输出电压出现向下突波的情形时，通过一第一快速反馈路径加强导通功率晶体管，以拉高输出电压(步骤S504)。而若输出电压出现向上突波的情形时，则通过一第二快速反馈路径开启开关晶体管，以拉低输出电压。(步骤S506)。另外，若低压降稳压器的输出电压既无出现向下突波也无出现向上突波的情形时，则依据输出电压以及一参考电压控制功率晶体管的导通状态，以将输出电压调整至正确的电压准位。(步骤S508)。

综上所述，本发明通过快速补偿模块检测输出电压的向下突波与向上突波，并反应输出电压的向下突波或向上突波致能第一快速反馈路径或第二快速反馈路径，以将输出电压拉高或降低，避免输出电压变化持续扩大，并缩短稳定输出电压的时间。

虽然本发明已以实施例揭露如上，然其并非用于限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围当视后附的申请专利范围所界定者为准。

Claims (8)

1.一种无需外挂稳压电容的低压降稳压器，用于将一输入电压转换为一输出电压，其特征在于，包括：

一误差放大器，依据一第一参考电压以及一反馈电压产生一控制电压；

一功率晶体管，其栅极耦接该误差放大器的输出端，该功率晶体管的源极耦接该输入电压，依据该控制电压于其漏极产生该输出电压；

一分压单元，耦接于该功率晶体管的漏极与一接地电压之间，分压该输出电压以产生该反馈电压；以及

一快速补偿模块，耦接于该功率晶体管的栅极与该低压降稳压器的输出端之间，反应该输出电压的向下突波或向上突波而加强或降低功率晶体管的驱动输出电流的能力。

2.根据权利要求1所述的无需外挂稳压电容的低压降稳压器，其特征在于，该快速补偿模块包括：

一向下突波补偿单元，耦接于该功率晶体管的栅极与漏极之间，反应该输出电压的向下突波而加强导通该功率晶体管；以及

一向上突波补偿单元，耦接于该功率晶体管的漏极与该接地电压之间，反应该输出电压的向上突波而将该功率晶体管的漏极耦接至该接地电压。

3.根据权利要求2所述的无需外挂稳压电容的低压降稳压器，其特征在于，该向下突波补偿单元包括：

一第一放大器，其输出端耦接该功率晶体管的栅极；以及

一第一高通滤波器，耦接于该第一放大器的输入端与该功率晶体管的漏极之间。

4.根据权利要求2所述的无需外挂稳压电容的低压降稳压器，其特征在于，该向下突波补偿单元包括：

一第一电阻，其一端耦接一电源电压；

一第一晶体管，其漏极耦接该第一电阻的另一端，该第一晶体管的栅极耦接一偏压电压；

一第二电阻，耦接于该第一晶体管的源极与该接地电压之间；以及

一第一电容，耦接于该第一晶体管的源极与该输入电压之间。

5.根据权利要求2所述的无需外挂稳压电容的低压降稳压器，其特征在于，该向上突波补偿单元包括：

一第一开关晶体管，耦接于该功率晶体管的漏极与该接地电压之间；

一第二放大器，其输出端耦接该第一开关晶体管的栅极；以及

一第二高通滤波器，耦接于该第二放大器的输入端与该功率晶体管的漏极之间。

6.根据权利要求3所述的无需外挂稳压电容的低压降稳压器，其特征在于，该向上突波补偿单元包括：

一第三电阻，其一端耦接该接地电压；

一第二晶体管，其漏极耦接该第三电阻的另一端，该第一晶体管的栅极耦接一偏压电压；

一第四电阻，耦接于该第二晶体管的源极与该接地电压之间；以及

一第二电容，耦接于该第二晶体管的源极与该输入电压之间。

7.一种无需外挂稳压电容的低压降稳压器的稳压方法，其特征在于，该低压降稳压器包括一功率晶体管与一开关晶体管，该功率晶体管耦接于一输入电压与该低压降稳压器的输出端之间，该开关晶体管耦接于该低压降稳压器的输出端与一接地电压之间，包括：

检测该低压降稳压器的一输出电压是否出现向下突波或向上突波；

当该输出电压出现向下突波时，通过一第一快速反馈路径加强导通该功率晶体管，以拉高该输出电压；以及

当该输出电压出现向上突波时，通过一第二快速反馈路径开启该开关晶体管，以拉低该输出电压。

8.根据权利要求7所述的无需外挂稳压电容的低压降稳压器的稳压方法，其特征在于，还包括：

若该输出电压未出现向下突波与向上突波时，依据该输出电压与一参考电压调整该功率晶体管的导通状态。

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