CN104571241A - 电压稳压电路及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电压稳压电路及其方法，电压稳压电路包括一误差放大器、一输出电路、一电流感测电路、一防护开关以及一判断电路。误差放大器用以根据参考电压和反馈电压产生控制信号。输出电路包括一功率元件，并且此功率元件用以根据控制信号将供应电压转换为输出电压。其中，反馈电压与输出电压相关。电流感测电路用以产生对应通过功率元件的输出电流的电流感测信号。判断电路用以根据电流感测信号以及电流参考信号控制防护开关箝制控制信号的电位。
Description
技术领域
本发明是关于提供稳定电压的技术，特别是关于一种电压稳压电路及其方法。
背景技术
电压稳压器（voltage regulator）通常设置在供应电源与负载电路之间，藉以基于供应电压提供稳定的输出电压给负载电路。电压稳压器是利用一误差放大器（error amplifier）根据第一反馈电压与参考电压之间的比较结果来控制功率元件的导通状况，并经由功率元件将供应电压转换成输出电压。在负载电流的变化下，电压稳压器则通过反馈机制去稳定输出电压。
电压稳压器具有低杂讯与高精准度的优点，因此广泛的应用在电源管理上。但也因为应用范围大，电压稳压器必须具有许多保护机制（例如：OVP、过电流保护（Over-Current Protection；OCP）、OTP），以因应各种的环境因素。无论是防止短路电流的发生，或是防止瞬间输出电压过高，许多问题都显示出过电流保护有着不可或缺的重要性。
目前应用于电压稳压器的过电流保护电路仍存在至少一问题，例如：因采用连续性检测机制而影响电压稳压器于正常工作状态下的偏压、无法同时具有过电流以及短路电流的防护能力、相对增加功率损耗、需要相对大的工作电流、及相对慢地恢复正常工作状态等。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电压稳压电路及其方法。用以解决上述的问题和其他问题。
在一实施例中，一种电压稳压电路包括一误差放大器、一输出电路、一电流感测电路、一防护开关以及一判断电路。
输出电路电性连接误差放大器。电流感测电路电性连接误差放大器及功率元件的控制端。防护开关电性连接功率元件的控制端。判断电路电性连接电流感测电路以及防护开关。
误差放大器用以根据参考电压和第一反馈电压产生控制信号。输出电路包括一功率元件，并且此功率元件用以根据控制信号将供应电压转换为输出电压。其中，第一反馈电压与输出电压相关。电流感测电路用以产生对应通过功率元件的输出电流的电流感测信号。判断电路用以根据电流感测信号以及电流参考信号控制防护开关箝制控制信号的电位。
在另一实施例中，一种电压稳压方法包括接收一供应电压、根据一参考电压和一第一反馈电压产生一控制信号、利用一功率元件根据控制信号将供应电压转换为一输出电压、产生一电流参考信号、产生对应通过功率元件的输出电流的一电流感测信号、以及根据电流感测信号以及电流参考信号控制一防护开关箝制控制信号的电位。其中，第一反馈电压与输出电压相关。
综上，根据本发明的电压稳压电路及其方法适用于防止电压稳压电路的输出出现短路电流或过电流的状况，以避免电压稳压电路烧毁，以及保护负载端的电路（耦接在负载接点NOUT的负载电路）。当电压稳压电路的输出电流过大时，过电流保护电路将会启动以限制大输出电流的发生，并且利用返折型限流（Foldback-Current）机制将电压稳压电路的输出电流降到较低的电平，以避免短路电流的发生与输出电压过冲（Overshoot），并且降低功率损耗。当过电流或过电流的状况移除后，过电流保护电路会关闭，电压稳压电路即回到正常工作状态。于此，在整个过电流保护电路的检测过程中，输出电流的检测并不会影响到原电压稳压电路的工作。过电流保护电路的构成简单且静态电流很低，适用于低电流的产品。换言之，过电流保护电路无工作电流，即，当无输出电流产生时，过电流保护电路不耗电。再者，过电流保护电路无采用需要绝对阻值的元件，检测精准度相对高。
附图说明
图1为根据本发明第一实施例的电压稳压电路的示意图。
图2为根据本发明第二实施例的电压稳压电路的示意图。
图3为根据本发明第三实施例的电压稳压电路的示意图。
图4为在图1所示的电压稳压电路中输出电压与输出电流相应于负载变化的关系图。
图5为在图1所示的电压稳压电路中输出电压与输出电流相应于负载变化的关系图。
其中，附图标记说明如下：
10 电压稳压电路
110 误差放大器
130 输出电路
150 过电流保护电路
151 电流感测电路
153 防护开关
155 判断电路
170 信号走线
MS 感测元件
Ic 可变电流源
MP 功率元件
NIN 电源接点
NOUT 负载接点
Sc 控制信号
VREF 参考电压
R1 第一电阻
R2 第二电阻
VOUT 输出电压
VFB1 反馈电压
iOUT 输出电流
iSEN 感测电流
M1 晶体管
M2 晶体管
imir 电流感测信号
iref 电流参考信号
Vc 电压电位
Is 定电流源
Cs 储能元件
MF 分流元件
VFB2 反馈电压
R3 第三电阻
R4 第四电阻
具体实施方式
参照图1，电压稳压电路10，包括：一误差放大器110、一输出电路130及一过电流保护电路150。
过电流保护电路150包括一电流感测电路151、一防护开关153以及一判断电路155。电流感测电路151包括一感测元件MS以及一可变电流源Ic。
误差放大器110的输出端电性连接至输出电路130及感测元件MS的控制端。输出电路130的输入端电性连接至电源接点NIN，而输出电路130的输出端电性连接至负载接点NOUT。
于此，输出电路130包括一功率元件MP。功率元件MP具有第一端、第二端及控制端。功率元件MP的控制端与感测元件MS的控制端共同电性连接至误差放大器110的输出端。换言之，功率元件MP与感测元件MS共享来自误差放大器110的控制信号Sc。
功率元件MP的第一端、感测元件MS的第一端以及防护开关153的第一端皆电性连接至电源接点NIN。功率元件MP的第二端电性连接至负载接点NOUT。感测元件MS的第二端电性连接至可变电流源Ic。防护开关153的第二端电性连接至误差放大器110的输出端，而防护开关153的控制端电性连接至可变电流源Ic。
在负载接点NOUT与误差放大器110的第一输入端之间具有一反馈路径。误差放大器110的第二输入端电性连接至参考电压VREF。于此，参考电压VREF可由信号产生器提供。此信号产生器可为电压调节电路10的外部组件，亦可为电压调节电路10的内部组件。
于此，反馈路径可以信号走线或分压电阻电路实现。
在一些实施例中，参照图1，在负载接点NOUT及放大器110的第一输入端之间可耦接一分压电阻电路。于此，分压电阻电路可包括一第一电阻R1和一第二电阻R2。第一电阻R1电性连接在负载接点NOUT（即，输出电路130的输出端）和误差放大器110的第一输入端之间。第二电阻R2电性连接在误差放大器110的第一输入端和接地之间。也就是说，第一电阻R1和第二电阻R2串接在负载接点NOUT和接地之间，并且于第一电阻R1和第二电阻R2之间形成分压接点。误差放大器110的第一输入端则耦接至分压接点。
于此，利用第一电阻R1和第二电阻R2取得输出电压VOUT的分压作为反馈电压VFB1（以下称之为第一反馈电压VFB1），并将第一反馈电压VFB1提供给误差放大器110。
在一些实施例中，参照图2，在负载接点NOUT及放大器110的第一输入端之间可耦接一信号走线170，以直接通过信号走线170将输出电压VOUT作为第一反馈电压VFB1而提供给误差放大器110。
在正常工作状态下，误差放大器110的第一输入端接收来自反馈路径的第一反馈电压VFB1，并且误差放大器110根据第一反馈电压VFB1和参考电压VREF之间的差值产生一放大电压（即，控制信号Sc）。于此，第一反馈电压VFB1与输出电压VOUT相关。
功率元件MP的第一端接收电源接点NIN所提供的供应电压VIN。功率元件MP的控制端接收控制信号Sc。于此，功率元件MP根据控制信号Sc将供应电压VIN转换为输出电压VOUT，并由功率元件MP的第二端提供输出电压VOUT至负载接点NOUT。
感测元件MS检测通过功率元件MP的输出电流iOUT来产生对应的感测电流iSEN。
在一些实施例中，功率元件MP可为一PMOS晶体管或一NMOS晶体管。感测元件MS亦可为一PMOS晶体管或一NMOS晶体管。并且，功率元件MP的尺寸与感测元件MS的尺寸之间具有一既定比例。
感测元件MS与功率元件MP形成一第一电流镜，以致使感测元件MS以此既定比例映射通过功率元件MP的输出电流iOUT而产生对应的感测电流iSEN。
在一些实施例中，功率元件MP的尺寸小于感测元件MS的尺寸。
可变电流源Ic根据感测电流iSEN产生电流感测信号imir。在一些实施例中，可变电流源Ic可由二晶体管M1、M2所构成的第二电流镜。第二电流镜的一主电流端连接至感测元件MS，而第二电流镜的仆电流端连接至判断电路155。
感测元件MS所产生的感测电流iSEN经由晶体管M1流到接地。流经晶体管M2的电流（即，电流感测信号imir）会反映或近似流经晶体管M1的电流。换言之，晶体管M2映射流经晶体管M1的感测电流iSEN而形成电流感测信号imir。因此，电流感测信号imir与流经功率元件MP的输出电流iOUT亦成一既定比例。
判断电路155接收电流感测信号imir。并且，判断电路155根据电流感测信号imir以及电流参考信号iref产生一电压电位Vc以控制防护开关153。
在一些实施例中，判断电路155包括一定电流源Is以及一储能元件Cs。于此，定电流源Is可由空乏型晶体管或低电压的叠接组态实现，以具有良好的温度特性，以及对供应电压VIN的排斥现象相对低，或者可避免供应电压VIN变动时，影响过电流保护电路的动作。
定电流源Is的一端耦接至电源接点NIN，而定电流源Is的另一端耦接至储能元件Cs的第一端、第二电流镜的仆电流端以及防护开关153的控制端。储能元件Cs的第二端接地。于此，防护开关153可为一晶体管。
定电流源Is产生的电流参考信号iref对储能元件Cs进行充电，直至储能元件Cs的第一端上升至具有大致上相等于供应电压VIN的电位的电压电位Vc。当电压电位Vc为高电位时，定电流源Is停止对储能元件Cs充电，防护开关153操作在关闭的状态。此时，功率元件MP是由误差放大器110的输出来控制，即由误差放大器110的输出来决定控制信号Sc的电位。
当输出电流iOUT上升时，电流感测信号imir随之上升。因此，适当的设计电流镜的比例以及电流参考信号iref的大小，以致使当过电流或短路电流发生（即，输出电流iOUT过大）时，相应产生大于电流参考信号iref的电流感测信号imir。
当电流感测信号imir大于电流参考信号iref时，可致使储能元件Cs通过晶体管M2放电，因而拉低电压电位Vc。此时，防护开关153的驱动电压随之上升并破坏正常工作状态下的反馈机制，以致使功率元件MP不受误差放大器110的控制，改由防护开关153将控制信号Sc箝制在高电位，进而限制住输出电流iOUT。
于过电流或短路电流的状况解除后，储能元件Cs将重新充电至供应电压VIN的电位，以关闭防护开关153。此时，功率元件MP的控制权回到误差放大器110。
在一些实施例中，电流感测电路151可包括一分流元件MF。分流元件MF的第一端耦接至第二电流镜的主电流端（可变电流源Ic）以及功率元件MP的第二端，而分流元件MF的第二端耦接至接地。于此，分流元件MF受控于相关于负载接点NOUT（输出电压VOUT）的一反馈路径。换言之，分流元件MF的控制端与负载接点NOUT之间具有一反馈路径。
分流元件MF的控制端接收来自反馈路径的反馈电压VFB2（以下称的为第二反馈电压VFB2），而分流元件MF的第一端则接收感测电流iSEN。于此，分流元件MF响应第二反馈电压VFB2对感测电流iSEN进行分流，以将一部分的感测电流iSEN导至接地。另一部分的感测电流iSEN则经由晶体管M1流到接地，以致使晶体管M2映射另一部分的感测电流iSEN而形成电流感测信号imir。
在一些实施例中，耦接至分流元件MF的反馈路径与耦接至误差放大器110的反馈路径可为同一电路。也就是说，分流元件MF的控制端耦接至第一电阻R1和第二电阻R2之间的分压接点，如图1所示。或者，分流元件MF的控制端直接通过信号走线170耦接至负载接点NOUT，如图2所示。此时，第一反馈电压VFB1相等于第二反馈电压VFB2，即第一反馈电压VFB1即为第二反馈电压VFB2。
在一些实施例中，耦接至分流元件MF之反馈路径与耦接至误差放大器110的反馈路径可为相异电路。也就是说，参照图3，在负载接点NOUT及分流元件MF的控制端之间可耦接由一第三电阻R3和一第四电阻R4所构成的另一分压电阻电路。其中，第三电阻R3和第四电阻R4串接在负载接点NOUT和接地之间，并且于第三电阻R3和第四电阻R4之间形成分压接点。分流元件MF的控制端则耦接至分压接点。于此，利用第三电阻R3和第四电阻R4取得输出电压VOUT的分压作为第二反馈电压VFB2，并将第二反馈电压VFB2提供给分流元件MF的控制端，以控制分流元件MF的开关运作。此时，第一反馈电压VFB1可相异于第二反馈电压VFB2。
以图1所示的电压稳压电路为例，由轻负载至重负载时，输出电压VOUT与输出电流iOUT的变化如图4所示。由重负载至轻负载时，输出电压VOUT与输出电流iOUT的变化如图5所示。
综上，根据本发明的电压稳压电路及其方法适用于防止电压稳压电路的输出出现短路电流或过电流的状况，以避免电压稳压电路烧毁，以及保护负载端的电路（耦接在负载接点NOUT的负载电路）。当电压稳压电路的输出电流过大时，过电流保护电路将会启动以限制大输出电流的发生，并且利用返折型限流（Foldback-Current）机制将电压稳压电路的输出电流降到较低的电平，以避免短路电流的发生与输出电压过冲（Overshoot），并且降低功率损耗。当过电流或过电流的状况移除后，过电流保护电路会关闭，电压稳压电路即回到正常工作状态。
于此，在整个过电流保护电路的检测过程中，输出电流的检测并不会影响到原电压稳压电路的工作。过电流保护电路的构成简单且静态电流很低，适用于低电流的产品。换言之，过电流保护电路无工作电流，即，当无输出电流产生时，过电流保护电路不耗电。再者，过电流保护电路无采用需要绝对阻值的元件，检测精准度相对高。
虽然本发明以前述的实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，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，因此本发明的专利权利要求保护范围须视的权利要求所界定者为准。
Claims (12)
1.一种电压稳压电路，包括：
一误差放大器，用以根据一参考电压和一第一反馈电压产生一控制信号；
一输出电路，电性连接该误差放大器，包括一功率元件，以根据该控制信号将一供应电压转换为一输出电压，其中该第一反馈电压与该输出电压相关；
一电流感测电路，电性连接该误差放大器及该功率元件的控制端，以产生对应通过该功率元件的输出电流的一电流感测信号；
一防护开关，电性连接该功率元件的控制端；以及
一判断电路，电性连接该电流感测电路以及该防护开关，以根据该电流感测信号以及一电流参考信号控制该防护开关箝制该控制信号的电位。
2.如权利要求1所述的电压稳压电路，其中当该电流感测信号大于该电流参考信号时，该防护开关箝制该控制信号的电位。
3.如权利要求1所述的电压稳压电路，其中该电流感测电路包括：
一感测元件，用以检测该输出电流以产生一感测电流，其中该感测电流与该输出电流成正比；以及
一可变电流源，电性连接在该感测元件与该判断电路之间，用以根据该感测电流产生该电流感测信号。
4.如权利要求1所述的电压稳压电路，其中该电流感测电路包括：
一感测元件，用以检测该输出电流以产生一感测电流，其中该感测电流与该输出电流成正比；
一分流元件，电性连接该感测元件，用以根据一第二反馈电压分流一部分的该感测电流，其中该第二反馈电压与该输出电压相关；以及
一可变电流源，电性连接在该感测元件与该判断电路之间，用以根据另一部分的该检测电流产生该电流感测信号。
5.如权利要求4所述的电压稳压电路，其中该第一反馈电压相等于该第二反馈电压。
6.如权利要求4所述的电压稳压电路，其中该第一反馈电压相异于该第二反馈电压。
7.如权利要求1所述的电压稳压电路，其中该判断电路包括：
一定电流源，以提供一电流参考信号；以及
一储能元件，该储能元件的第一端电性连接该定电流源、该电流感测电路以及该防护开关的控制端，该储能元件的第二端接地，以根据该电流感测信号以及该电流参考信号在该防护开关的控制端产生一电压电位。
8.一种电压稳压方法，包括：
接收一供应电压；
根据一参考电压和一第一反馈电压产生一控制信号；
利用一功率元件根据该控制信号将该供应电压转换为一输出电压，其中该第一反馈电压与该输出电压相关；
产生一电流参考信号；
产生对应通过该功率元件的输出电流的一电流感测信号；以及
根据该电流感测信号以及该电流参考信号控制一防护开关箝制该控制信号的电位。
9.如权利要求8所述的电压稳压方法，其中该电流感测信号的产生步骤包括：
映射该输出电流而产生一电流感测信号，其中该电流感测信号与该输出电流成正比。
10.如权利要求8所述的电压稳压方法，其中该电流感测信号的产生步骤包括：
映射该输出电流而产生一感测电流，其中该感测电流与该输出电流成正比；
根据一第二反馈电压分流一部分的该感测电流至接地，其中该第二反馈电压与该输出电压相关；以及
根据另一部分的该检测电流产生该电流感测信号。
11.如权利要求8所述的电压稳压方法，其中该箝制步骤包括：
根据该电流感测信号以及该电流参考信号产生一电压电位；以及
利用该防护开关响应该电压电位而将该控制信号箝制在高电位。
12.如权利要求8所述的电压稳压方法，其中该箝制步骤包括：
当该电流感测信号大于该电流参考信号时，利用该防护开关箝制该控制信号的电位。
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