CN104516382B - 低压差稳压装置以及缓冲级电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低压差稳压装置，包含运算放大器、缓冲级电路及功率晶体管，运算放大器用以接收参考电压以及回授电压，以产生第一电压信号，缓冲级电路耦接至功率晶体管并用以缓冲所述第一电压信号，以产生第二电压信号，以及所述功率晶体管耦接至所述缓冲级电路，并用以根据所述第二电压信号，产生输出电压，其中所述输出电压正比于所述回授电压，以及所述缓冲级电路根据所述第一电压信号，决定是否映像产生映像电流，以及当所述映像电流产生时，根据所述映像电流，产生所述第二电压信号，提供至所述功率晶体管以控制所述功率晶体管的开关。通过所述缓冲级电路中的原生型晶体管或电流镜映像大电流，改善电压转换速率过低的现象。

Description

低压差稳压装置以及缓冲级电路

技术领域

本发明涉及一种低压差稳压机制，特别有关于一种低压差稳压装置以及缓冲级电路。

背景技术

一般来说，在现有技术中，对于传统的低压差稳压电路，由于其功率晶体管的面积非常大，造成所述功率晶体管的栅极的电容值也会非常大，所以，当流过所述功率晶体管的负载电流改变，例如是由低负载变换为高负载，或是由高负载变换为低负载时，因为较大电容值的关系，其栅极的电压值常常无法实时改变，而导致传统的低压差稳压电路的输出电压产生电压突然变化，例如，请参照图5，图5是传统低压差稳压电路的功率晶体管的栅极电压V2、输出电压VOUT以及负载电流I的波形示意图。如图5所示，当负载电流由低负载突然变换为高负载时，栅极电压V2在实际上需要一段时间t1才能从高电平值降低至低电平值﹙功率晶体管是P型晶体管﹚，而所述段时间t1会导致在原先稳定的输出电压VOUT产生了电压突然变化ΔVUOT1，另外，当负载电流由高负载突然变换为低负载时，栅极电压V2在实际上也需要一段时间t2才能从低电平值提升至高电平值，而所述段时间t2也会导致在原先稳定的输出电压VOUT产生了电压突然变化ΔVUOT2，这样的情形起因于现有设计的功率晶体管的面积非常大、电压转换速率过低，因此，如何改善现有设计的功率晶体管的电压转换速率过低问题实属低压差稳压电路领域的重大课题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低压差稳压装置以及相应的缓冲级电路，以解决上述现有技术所遇到的难题。

根据本发明的实施例，其公开了一种低压差稳压装置。低压差稳压装置包含有一运算放大器、一缓冲级电路及一功率晶体管，运算放大器是用以接收一参考电压以及一回授电压，以产生一第一电压信号。缓冲级电路是耦接至功率晶体管，并用以缓冲第一电压信号，以产生一第二电压信号。功率晶体管是耦接至缓冲级电路，并用以根据第二电压信号，产生一输出电压，其中输出电压是正比于回授电压。此外，缓冲级电路根据第一电压信号，决定是否映像产生一映像电流，以及当映像电流产生时，根据映像电流，产生第二电压信号，提供至功率晶体管以控制功率晶体管的开关。

再者，根据本发明的实施例，其另公开了一种使用在低压差稳压装置的缓冲级电路。缓冲级电路耦接在一运算放大器与一功率晶体管之间，缓冲级电路包含有第一开关、电流镜及第二开关。第一开关是用以接收运算放大器所产生的一第一电压信号并决定是否启动一电流镜的操作。电流镜是耦接至第一开关，并用以根据第一电压信号映像产生映像电流。第二开关是耦接至电流镜的一输出端，并用以在电流镜不映像产生映像电流时，提供一第二电压信号给功率晶体管，以关闭功率晶体管；其中当第二开关开启时，电流镜关闭，第二开关提供第二电压信号至功率晶体管，以关闭功率晶体管；以及，当第二开关关闭时，电流镜开启，电流镜根据第一电压信号映像产生映像电流，以产生一第二电压信号来开启功率晶体管。

本发明的优点在于，通过缓冲级电路中的原生型晶体管或电流镜映像大电流的方式，来改善功率晶体管的栅极电压的电压转换速率过低的现象，以避免现有技术的问题。

附图说明

图1是本发明优选实施例的低压差稳压装置的电路示意图。

图2是图1所示的缓冲级电路的电路示意图。

图3A至图3C是当P型功率晶体管的负载电流的电流值由低负载切换为高负载、现有技术与本案的栅极电压的波形比较示意图。

图4A至图4C是当P型功率晶体管的负载电流的电流值由高负载切换为低负载、现有技术与本案的栅极电压的波形比较示意图。

图5是现有低压差稳压电路的功率晶体管的栅极电压、输出电压以及负载电流的波形示意图。

其中，附图标记说明如下：

100 低压差稳压装置

105 带差参考电路

110 运算放大器

115 缓冲级电路

120 功率晶体管

125 电流源

130 回授电路

1151 第一开关

1152 电流镜

1153 第二开关

具体实施方式

请参照图1，图1是本发明优选实施例的低压差稳压装置100的电路示意图，低压差稳压装置100至少包含有一运算放大器110、一缓冲级电路115、一功率晶体管120﹙晶体管m1﹚，此外也包含有一带差参考电路105、一电流源125、一回授电路130，其中，带差参考电路105是用以产生一参考电压VREF，运算放大器110的反向输入端是耦接至带差参考电路105，非反向输入端耦接至回授电压VFB，输出端耦接至下一级的缓冲级电路115，运算放 大器110是用以接收参考电压VREF与回授电压VFB，并根据参考电压VREF与回授电压VFB产生一第一电压信号VX，缓冲级电路115的输入端是耦接于运算放大器110，输出端耦接在功率晶体管120的栅极控制端﹙Gate﹚，缓冲级电路115是用以缓冲第一电压信号VX以产生一第二电压信号VY，本发明的实施例中，功率晶体管120是通过P型晶体管来实现，其栅极控制端是耦接在缓冲级电路115，源极端耦接在工作电压VDD，漏极端耦接在电流源125，功率晶体管120是用以根据第二电压信号VY产生一输出电压VOUT，输出电压VOUT通过回授电路130的分压之后产生上述的回授电压VFB，换句话说，回授电压VFB的电压值是正比于输出电压VOUT的电压值，此外，缓冲级电路115设置在运算放大器110与功率晶体管120之间，目的是用来提升功率晶体管120的栅极电压的电压转换速率，避免因为电压转换速率过低的关系而导致在稳定的输出电压VOUT中形成电压的突然改变，因此，本实施例的缓冲级电路115具有在负载电流I_load改变时快速提高或快速降低功率晶体管120的栅极电压﹙也就是第二电压信号VY﹚的功能与操作，使得整体的低压差稳压装置100具有足够高的电压转换速率；对快速提高第二电压信号VY的电压值来说，缓冲级电路115通过导通原生型晶体管元件﹙Native Device﹚的方式，将第二电压信号VY的电压值从接地电平VGND快速拉高至相当接近工作电压VDD的电平，因为原生型晶体管元件的临界电压可极接近为零，所以等效上可视为缓冲级电路115将第二电压信号VY的电压值从接地电平VGND快速拉高至工作电压VDD的电平，另一方面，对快速降低第二电压信号VY的电压值来说，缓冲级电路115通过电流镜映像产生一个K2倍的大电流，以快速地降低第二电压信号VY的电压值，将第二电压信号VY的电压值从工作电压VGND的电平快速降低至接地电平VGND，因此，就操作而言，可视为缓冲级电路115根据第一电压信号VX来决定是否映像产生一映像电流，并且当所述映像电流产生时，再根据映像电流产生第二电压信号VY以提供至功率晶体管120，控制功率晶体管120的开关。缓冲级电路115的电路实施方式是描述于下。

请参照图2，图2是图1所示的缓冲级电路115的电路示意图。如图2所示，缓冲级电路115包含有第一开关1151、电流镜1152以及第二开关1153， 第一开关1151通过晶体管mp1来实现，电流镜1152包含有两晶体管mn1、mn2，以及第二开关1153通过晶体管mn3来实现，其中晶体管mn3是一原生型晶体管，其临界电压接近为零，通过接近为零的临界电压，当要关闭功率晶体管120时，﹙功率晶体管120在本实施例中是以P型晶体管实现之﹚，运算放大器110会输出接近于工作电压VDD的第一电压信号VX给缓冲级电路115，此时，当第一电压信号VX是高电平时，第一开关1151被关闭、电流镜1152被关闭，而第二开关1153被开启，在这个情况下，第二电压信号VY的电压值可因为原生型晶体管的临界电压接近为零的关系，而被拉高至接近工作电压VDD的电平，第二开关1153的晶体管mn3的功能可视为一个N型晶体管的源极随耦器，具有相当大的电压转换速率，且由于第二电压信号VY接近于工作电压VDD，所以，功率晶体管120会立刻被关闭。

此外，当要开启功率晶体管120时，﹙功率晶体管120在本实施例中是以P型晶体管实现之﹚，运算放大器110所输出给缓冲级电路115的第一电压信号VX会快速下降，而因为第一电压信号VX在此时降低为低电平的关系，所以，第一开关1151被开启、电流镜1152也被开启，而第二开关1153被关闭，本实施例中，晶体管mn1、mn2的通道宽长比的关系是设计为1：K2的比例关系，K2为大于1的整数或正数，也就是说，假设流过晶体管mn1的电流﹙也就是通过第一开关1151的晶体管mp1的电流﹚为一倍的电流，则流过晶体管mn2的电流为K2倍的大电流，由于此时第二开关1153是关闭而断开，因此，K2倍的大电流可以立刻把第二电压信号VY的电压值拉至接地电平VGND，使得功率晶体管120的栅极为低电平，而使功率晶体管120导通，因为是使用K2倍的映像电流来拉低VY的电压值，所以，这样的电路设计也具有相当高的电压转换速率。

再者，第一开关1151的晶体管mp1与功率晶体管120的信道宽长比关系可以设计为1：K1的比例关系，这样一来，流过晶体管mp1、mn1、mn2的相同或不同的电流值均会随着通过功率晶体管120的电流值而变化，因此，当通过功率晶体管120的负载电流的电流值由高负载电流变为低负载电流时，流过晶体管mp1、mn1、mn2的电流均会随之变小，反过来说，当通过 功率晶体管120的负载电流的电流值由低负载电流变为高负载电流时，流过晶体管mp1、mn1、mn2的电流均会随之变大，因此，达到较高的功率效率。

因此，由上可知，通过第二开关1153的原生型晶体管mn3的设计以及电流镜1152的设计，可以使第二电压信号VY快速地随着第一电压信号VX切换高/低电平而变化，因此，本发明的优选实施例的低压差稳压装置100具有较高的电压转换速率，当流过功率晶体管120的负载电流产生变化时，通过缓冲级电路115可以改善晶体管的栅极本身的电压转换速率过低的现象，达到快速改变栅极电压的效果，这样一来，可避免现有技术因为电压转换速率过低所造成的功率晶体管开关调整电流的速度过慢的问题，因而可避免在输出电压VOUT产生太大的电压突变，达到稳定输出电压VOUT的目的。

本发明的实施例中的功率晶体管120是以P型晶体管实现﹙然此并非是本发明的限制﹚，当负载电流I_load改变时，所述P型晶体管也会因应地改变导通程度，例如，当负载电流I_load由低负载变换为高负载时，所述P型晶体管的导通程度会被快速提升，换句话说，所述P型晶体管的栅极端电压应由高电平降低为低电平。请搭配参照图3A至图3C，图3A至图3C均是当功率晶体管的负载电流的电流值由低负载切换为高负载的示意图，其中图3A与图3B均是目前采用不同现有技术方式所得到的功率晶体管的栅极电压的示意图，而图3C则是本发明图1所示的实施例中第二电压信号VY﹙也就是功率晶体管120的栅极电压﹚的示意图，如图所示，现有的两种不同现有技术所得到的功率晶体管的栅极电压，当负载电流由低负载变换为高负载时，图3A所示的功率晶体管的栅极电压理想上应如V1曲线所示，由高电平立刻切换并降低至低电平，然而，实际上图3A所采用的现有技术，所得到的功率晶体管的栅极电压如V2所示，功率晶体管的栅极电压并无法立刻切换至低电平，而必须通过一段时间逐步降低才能到达低电平，此外，图3A所示的功率晶体管的栅极电压实际上所能到的高电平也无法接近于工作电压VDD，与工作电压VDD有一段不小的电压差距。另外，如图3B所示，当负载电流由低负载变换为高负载时，图3B所示的功率晶体管的栅极电压理想上应如V1曲线所示，由高电平立刻切换并快速降低至低电平，然而，图3B所采用 的现有技术手段虽然可使功率晶体管的栅极电压立刻降低电平，然而在通过一段时间后却仍无法降低并接近于接地电平VGND。而图3C所示的本发明的实施例则具有较多的优点，当负载电流由低负载变换为高负载时，图3C所示的运算放大器110的输出电压VX由高电平立刻切换至低电平，缓冲级电路115可使得功率晶体管120的栅极电压VY立刻快速降低并接近于接地电平VGND，此外，图3C所示的功率晶体管120的栅极电压VY在对应于运算放大器110的输出电压VX为工作电压VDD时，栅极电压VY也是接近于工作电压VDD。

再者，当负载电流I_load改变时，例如，当负载电流I_load由高负载变换为低负载时，所述P型晶体管的导通程度会被快速降低，换句话说，所述P型晶体管的栅极瑞电压应由低电平降低为高电平。请参照图4A至图4C，图4A至图4C均是当功率晶体管的负载电流的电流值由高负载切换为低负载的示意图，其中图4A与图4B均是目前采用不同现有技术方式所得到的功率晶体管的栅极电压的示意图，而图4C则是本发明图1所示的实施例中第二电压信号VY﹙也就是功率晶体管120的栅极电压﹚的示意图，如图所示，现有的两种不同现有技术所得到的功率晶体管的栅极电压，当负载电流由高负载变换为低负载时，图4A所示的功率晶体管的栅极电压理想上应如V1曲线所示，由低电平立刻切换并提高至高电平，然而，实际上图4A所采用的现有技术，虽然可使功率晶体管的栅极电压立刻提升其电平，然而在通过一段时间后却仍无法提升而接近于工作电压VDD，提升后的电压与工作电压VDD仍有一段不小的电压差距。另外，如图4B所示，当负载电流由高负载变换为低负载时，图4B所示的功率晶体管的栅极电压理想上应如V1曲线所示，由低电平立刻切换并快速提高至高电平，然而，实际上所得到的功率晶体管的栅极电压如V2所示，功率晶体管的栅极电压并无法立刻切换并提高至高电平，而必须通过一段时间逐步提高才能到达高电平，此外，图4B所示的功率晶体管的栅极电压实际上所能到的低电平也无法接近于接地电平VGND，所述低电平与接地电平VGND有一段不小的电压差距。而图4C所示的本发明的实施例则具有较多的优点，当负载电流由高负载变换为低负载时，图4C所示的运算放大器110的输出电压VX由低电平立刻切换至高电平，缓冲级电路115 可使得功率晶体管120的栅极电压VY立刻快速提高并接近于工作电压VDD，此外，图4C所示的功率晶体管120的栅极电压VY在对应于运算放大器110的输出电压VX为接地电平VGND时，栅极电压VY也是接近于接地电平VGND。

再者，需注意的是，图2所示的缓冲级电路115的设计仅是本发明的其中一种实施方式，在其它实施例中，也可采用不同类型的晶体管来实现第一开关、电流镜以及第二开关的功能与操作，因此，缓冲级电路115的任何一种实现方式均落入本发明的范畴中。此外，本发明的缓冲级电路115的功用在于改善功率晶体管的栅极电压的电压转换速率过低的现象，并通过快速提高或快速降低栅极电压的技术手段来达成上述的目的，因此，任何一种通过快速提高或快速降低栅极电压的技术手段来改善电压转换速率过低的实施方式均落入本案的范畴。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种低压差稳压装置，其特征在于，包含：

一运算放大器，用以接收参考电压以及回授电压，以产生第一电压信号；

一缓冲级电路，耦接至功率晶体管，用以缓冲所述第一电压信号，以产生第二电压信号；以及

所述功率晶体管，耦接至所述缓冲级电路，用以根据所述第二电压信号，产生输出电压，其中所述输出电压正比于所述回授电压；

其中所述缓冲级电路根据所述第一电压信号，决定是否映像产生映像电流，以及当所述映像电流产生时，根据所述映像电流，产生所述第二电压信号，提供所述第二电压信号至所述功率晶体管的控制端以控制所述功率晶体管的开或关。

2.如权利要求1所述的低压差稳压装置，其特征在于，所述缓冲级电路依据所述第一电压信号，映像产生所述映像电流，以及所述功率晶体管根据所述映像电流相对应产生的所述第二电压信号而开启，以及当不映像产生所述映像电流时，所述功率晶体管关闭。

3.如权利要求2所述的低压差稳压装置，其特征在于，所述缓冲级电路包含有：

一第一开关，用以接收所述第一电压信号并决定是否启动电流镜的操作；

所述电流镜，耦接至所述第一开关，用以根据所述第一电压信号映像产生所述映像电流；

一第二开关，耦接至所述电流镜的输出端，用以在所述电流镜不映像产生所述映像电流时，提供所述第二电压给所述功率晶体管，以关闭所述功率晶体管。

4.如权利要求3所述的低压差稳压装置，其特征在于，所述第二开关是通过原生晶体管实现，所述功率晶体管是P型晶体管，在所述电流镜不映像产生所述映像电流时，所述原生晶体管导通而提供工作电压至所述功率晶体管，以关闭所述功率晶体管。

5.如权利要求3所述的低压差稳压装置，其特征在于，当所述第一开关接收所述第一电压信号而导通流过第一电流时，所述电流镜将所述第一电流放大K2倍以映像产生所述映像电流，其中K2是大于1的正实数。

6.如权利要求3所述的低压差稳压装置，其特征在于，所述第一开关是由第一晶体管实现，所述第一晶体管与所述功率晶体管具有特定信道宽长比关系，通过所述第一晶体管的电流及所述电流镜的电流均与通过所述功率晶体管的电流具有正比关系。

7.一种使用在低压差稳压装置的缓冲级电路，所述缓冲级电路耦接在运算放大器与功率晶体管之间，其特征在于包含：

一第一开关，用以接收所述运算放大器所产生的第一电压信号并决定是否启动电流镜的操作；

所述电流镜，耦接至所述第一开关，用以根据所述第一电压信号映像产生所述映像电流；

一第二开关，耦接至所述电流镜的输出端，用以在所述电流镜不映像产生所述映像电流时，提供第二电压信号给所述功率晶体管的控制端，以关闭所述功率晶体管；

其中当所述第二开关开启时，所述电流镜关闭，所述第二开关提供所述第二电压信号至所述功率晶体管的控制端，以关闭所述功率晶体管；

以及，当所述第二开关关闭时，所述电流镜开启，并根据所述第一电压信号映像产生所述映像电流，以产生所述第二电压信号至所述功率晶体管的控制端来开启所述功率晶体管。

8.如权利要求7所述的缓冲级电路，其特征在于，所述第二开关是通过原生晶体管实现，且所述功率晶体管是P型晶体管，在所述电流镜不映像产生所述映像电流时，所述原生晶体管导通而提供工作电压至所述功率晶体管，以关闭所述功率晶体管。

9.如权利要求7所述的缓冲级电路，其特征在于，当所述第一开关接收所述第一电压信号而导通流过第一电流时，所述电流镜将所述第一电流放大K2倍以映像产生所述映像电流，其中K2是大于1的正实数。

10.如权利要求7所述的缓冲级电路，其特征在于，所述第一开关是由第一晶体管实现，所述第一晶体管与所述功率晶体管具有特定信道宽长比关系，通过所述第一晶体管的电流及所述电流镜的电流均与通过所述功率晶体管的电流具有正比关系。