201033779 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於一種低壓降穩壓器’尤指一種具限流機制 之低壓降穩壓器。 Φ 【先前技術】 請參考第1圖，第1圖為習知具限流機制之低壓降穩壓器(Low Dropout Regulator)的電路示意圖。如第1圖所示，低壓降穩壓器100 包含感測電阻Rsen、參考電阻Rref、回授分壓單元195、參考電流 源190、比較器120、誤差放大器11〇、第一電晶體115、以及第二 電晶體125。低壓降穩壓器loo係用來將輸入電壓Vin轉換為穩定 的輸出電壓Vout供應至負載1〇1。 回授分壓單元195通常包含二分壓電阻Rfbi及Rfb2，用以提 供輸出電壓Vout之分壓Vdiv至誤差放大器110。參考電阻Rref用 來根據輸入電壓Vin及參考電流源190之參考電流lref，提供第一 參考電壓Vrefl。感測電阻Rsen用來根據流經第一電晶體115之輸 出電流lout以產生感測電壓Vsen。比較器120比較感測電壓vsen 與第一參考電壓Vrefl，用以產生第二控制訊號Sct2饋入第二電晶 體125之閘極端。誤差放大器no根據第二參考電壓Vref2執行分 6 201033779 壓Wiv的誤差放大處理，用以產生第一控制訊號如饋入第一電 晶體115之閘極端。第—電晶體115根據第一控制訊號_以控制 輸出電肌lout，並進而控制輸出電壓v〇m。在低壓降穩壓器丨⑻的 限机機制運作巾’虽輸出電流工⑽高於上限電流時，匕匕較器會 -輸出具高準位電壓之第二控制訊號Sct2,用來導通第二電晶體125 '以下拉第一控制訊號Sctl至低準位電壓。第-電晶體115即可根據 具低準位電壓之第-控制訊號Sctl以降低輸出電流耐至低於上限 謇電流。 然而，由於感測電阻以⑶係與第一電晶體115串聯，所以當 "比經感測電阻Rsen之輸出電流I〇ut增加時，從輸入電壓Vin到輸出 電壓Vout的内部壓降，會因感測電阻尺8如之壓降而增加，即低壓 降穩壓器100的輸入電壓Vin與輸出電壓v〇ut的壓差會增加，並導 致咼内部功率耗損及高晶片溫度，因而降低電路工作效率。此外， 鲁低壓降穩壓器1⑻係根據感測電阻Rsen之電阻壓降以執行限流機 制，所以就要使用具相當電阻值的感測電阻Rsen，用以在過電流狀 ‘ 況中產生具所需壓降變化之感測電壓Vsen’亦即需要耗用相當的晶 片面積以設置感測電阻Rsen，因此不利於生產成本的降低。 【發明内容】 依據本發明之實施例，其揭露一種具限流機制之低壓降穩壓 器，用以降低輸出入電壓之間的壓差、節省内部功率耗損、與縮減 7 201033779 晶片面積’進而降低晶片溫度、提高電路工作效率、與降低生產成 本。雜低餅麵訊含制湖單元、參考電料元、訊號處 理電路、與上拉單元。 - _控鮮元伽以根據輸人賴與第—控制峨產生輸出電 、壓饋入負載’感測控制單元另用以根據第一内部電流產生感測電 壓八中"IL[負載之輸出電流包含第一内部電流。參考電流單元係 籲用以根據輸入電壓產生參考電流訊號。訊號處理電路電連接於感測 控制單元與參考電流單元，用來根據輸入電壓、感測電麼與參考 電流訊號產生第-内部電壓與第二崎電壓，並比較第—内部電壓 與第二内部龍以提供第二测訊號。上拉單元電連接於訊號處理 電路以接收第二控制訊號，並根據第二控制訊號以上拉第一控制訊 號至輸入電壓，進而使感測控制單元據以控制輸出電壓。 ^ 【實施方式】 • 為讓本發明更顯而易懂，下文依本發明具限流機制之低壓 降穩壓器’特舉實施例配合所附圖式作詳細說明，但所提供 - 之實施例並非用以限制本發明所涵蓋的範圍。 請參考第2圖，第2圖為本發明第一實施例之低壓降穩壓器的 電路示意器。如第2圖所示，低壓降穩壓器200包含感測控制單元 210、參考電流單元220、訊號處理電路230、上拉單元280、分壓 8 201033779 單元295、誤差放大器291、以及濾波電容293，輸入電麼Vin係從 輸入端202輸入。感測控制單元21〇用來根據輸入電壓Vin與第一 控制訊號Sctl產生輸出電壓v〇ut饋入至負載2〇1，並用來根據第一 内部電流II產生感測電壓Vsen，而流經負載2〇1之輸出電流lout -係包含第一内部電流II。參考電流單元220根據輸入電壓Vin產生 -參考電流1ref，並據以提供參考電流訊號Siref。訊號處理電路230 電連接於感測控制單元210與參考電流單元22〇，用來根據輸入電 •壓Vin、感測電壓Vsen、與參考電流訊號Siref產生第一内部電壓 Vintl與第二内部電壓vjnt2 ’並比較第一内部電壓vintl與第二内 部電壓Vmt2以提供第二控制訊號Sct2。上拉單元280電連接於訊 號處理電路230以接收第二控制訊號Sct2,並根據第二控制訊號Sct2 上拉第一控制訊號Sctl至輪入電壓vin，進而使感測控制單元21〇 可據以控制輸出電流Iout與輸出電壓v〇ut。 • 感測控制單元21〇包含第一電晶體215、第二電晶體217、與感 測電阻Rsen。第一電晶體215包含第一端、第二端、與閘極端，其 - 中第一端電連接於輸入端202以接收輸入電壓Vin，閘極端電連接 於上拉單元280以接收第一控制訊號Sctl，第二端電連接於負載 201第—電晶體217包含第一端、第二端、與問極端，其中間極端 電連接於上拉單元咖以接收第一控制喊Sctl，第二端電連接於 負&載201。感測電阻!^611電連接於第二電晶體217之第一端與輸入 知202之間’用以產生感測電壓Vsen饋入至訊號處理電路230。流 經感測電阻Rsen之第一内部電流II與輸出電流lout之電流比係由 9 201033779 第二電晶體217與第一電晶體215的通道寬長比所設定。濾波電容 293電連接於第一電晶體215之第二端與接地端GND之間。第一電 晶體215與第二電晶體217係為P型金氧半場效電晶體(P-type Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)或 P 型接面場效電晶體 (P-type Junction Field Effect Transistor, P-JFET) ° 參考電流單元220包含電流源221與第三電晶體223。第三電 ❿晶體223包含第一端、第二端、與閘極端，其中第一端用以輸出參 考電流訊號Siref’閘極端電連接於第一端，第二端電連接於接地端 GND。電流源221電連接於輸入端202與第三電晶體223的第一端 之間，用以提供參考電流lref，而第三電晶體223即根據參考電流 Iref以產生參考電流訊號siref。第三電晶體223係為N型金氧半場 效電晶體(N-type Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistoi·) 或N型接面場效電晶體JunetiQn Fidd N-JFET)。 5 —訊號處理電路23〇包含第一位準移位單元、第二位準移位 單凡250 _tb鮮7C26G。第-轉移位單元·電連接於感测控 制單元21〇以接收感測電壓⑽，用來執行感測電壓v娜之位準 ^位處理以產生第一内部電壓·。第二位準移位單元25〇連接於 輸^端202以接收輸入電壓％，用來執行輸入電壓％的位準移 位處理以產生第二_電壓祕比較單元2 移位單元細與第二位準__， 201033779
Vintl與第二内部電壓Vint2以產生第二控制訊號8以2。 第一位準移位單元240包含第四電晶體241與第五電晶體 • 243。第四電晶體241包含第一端、第二端、與閘極端，其中第一端 電連接於輸入端202以接收輸入電壓Vin，閘極端電連接於第二電 日日體217之第一端以接收感測電壓Vsen，第二端用以輸出第一内部 電壓Vintl。第五電晶體243包含第一端、第二端、與問極端，其中 • 第一端電連接於第四電晶體241之第二端，閘極端電連接於第三電 晶體223之第一端以接收參考電流訊號Siref，第二端電連接於接地 端GND。第四電晶體241與第五電晶體243係為N型金氧半場效 電晶體或N型接面場效電晶體。 第二位準移位單元250包含第六電晶體251與第七電晶體 253。第六電晶體251包含第一端、第二端、與閘極端，其中第—端 電連接於輸入端202以接收輸入電壓Vin，閘極端電連接於第一端， 第一端用以輸出第二内部電壓Vint2。第七電晶體253包含第一端、 第一端、與閘極端’其中第一端電連接於第六電晶體251之第二端， 閘極端電連接於第三電晶體223之第一端以接收參考電流訊號 Siref’第二端電連接於接地端GND。第六電晶體251與第七電晶體 253係為N型金氧半場效電晶體或N型接面場效電晶體。 比較單元260包含第八電晶體26卜第九電晶體262、第十電晶 體263、第電晶體264、第十二電晶體265、與偏壓電阻处。 11 201033779 上拉單7L 280包含第十三電晶體281。第八電晶體261包含第一端、 第二端、與閘極端，其中第一端電連接於輸入端2〇2以接收輸入電 壓Vin’閘極端電連接於第二端。第九電晶體262包含第—端、第 ' 一端、與閘極端，其中第一端電連接於輸入端202以接收輸入電壓
Vm’閘極端電連接於第八電晶體261之問極端，第二端用以輸出第 -二控制訊號Sct2。第十三電晶體281包含第-端、第二端、與閘極 端，其中第一端用以接收輸入電壓Vin，閘極端電連接於第九電晶 ❿體262之第二端以接收第二控制訊號咖，第二端電連接於第一電 晶體215與第二電晶體217之閘極端。第八電晶體261、第九電晶 體262、與第十三電晶體281係為p型金氧半場效電晶體或p型接 面場效電晶體。 第十電晶體263包含第一端、第二端、與閘極端，其中第一端 電連接於第八電晶體261之第二端，閘極端電連接於第四電晶體 ❿1第二端以接收第一内部電壓伽卜第十-電晶體264包含第-端第一端、與閘極端，其中第一端電連接於第九電晶體加之第 •二端間極端電連接於第六電晶體⑸之第二端以接收第二内部電 £ Vmt2第十一電晶體265包含第一端、第二端、與閑極端，其中 • ^端電連接於第十電晶體263之第二端，閘極端電連接於第三電 體3之第-端以接收參考電流訊號此#，第二端電連接於接地 :nd。第十電晶體263、第十—電晶體说、與第十二電晶議 係為N型金氧半場效電晶體或N型接面場效電晶體。偏壓電阻肋 電連接於第十一電晶體264的第二端與第十二電晶體撕的第一端 12 201033779 之間。第二内部電流12在偏壓電阻Rb所產生之壓降可以在第十一 電晶體264的閘極端提供負偏移電壓作用，比較單元26〇關於負偏 -移電壓作用的電路運作係為熟知相關技藝者所習知，因此不再贅述。 分壓單元295包含二分壓電阻RfM&Rfb2，串接於第一電晶 體215之第二端與接地端_之間，用以提供輸出電壓v〇m = 壓Vdiv至誤差放大器291。誤差放大器291包含正輸入端、負輸入 ❹端、與輸出端，其中正輸入端電連接於分壓單元295以接收分壓
Vdiv ’負輸人端取接收參考龍Vref，輸出制以輸出第一控制 訊號Sctl。誤差放大器別錄據參考電壓㈣以執行分壓骑v 的誤差放大處理，絲產生第—控制訊號咖饋人至第一電晶體 215與第二電晶體217之閘極端，而第一電晶體215與第二電晶體 217即可根據第一控制訊號Setl卩控制輸出電流㈣，並進而控制 輸出電壓Vout。 ❿.基本上，低壓降讎器細包含電壓負反纖制與限流機制， 其運作原理分別說明如下。在低壓降穩壓器的電壓負反饋機制 運作中’當輸出電壓Vout高於上限電壓時，分壓單元295所提供輸 出 v_之分壓Vdiv會大於參考電壓㈣，誤差放大器291因 而產生具冋準位電壓之第一控制訊號如。第一電晶體與第二 電晶體2Π即可根據具高準位電壓之第一控制訊號⑽以降低輸出 電流lout ’進而降低輸出電壓v〇m。 13 201033779 在低壓降穩壓器2〇〇的限流機制運作中，當輸出電流工⑽高於 上限電流時，感測電壓Vsen會下降以使第十電晶體2 6 3之第一閑源 極壓降Vgsl小於第十-電晶體264之第二閑源極壓降_，: 處理電路230之比較單元260因而輸出具低準位電壓之第二控制^ 號SCt2，用以導通第十三電晶體28卜進而上拉第一控制訊二 至輸入電壓Vin’第-電晶體215與第二電晶體217即可根據第一 控制訊號Sctl以降低輸出電流Iout。 藉由第2圖所示之第—路徑與第二路_電路壓降關係，可分 析出當Vgsl<Vgs2時，係對應於IlxRsen>I2xRb，亦即 (Il/HHRb/Rsen)。換句話說，在低壓降穩壓器2〇㈣限流機制運作 中’並非根據感測電卩[Rsen的電阻壓降作為判斷過電流狀況的依 據’而係4艮據第-内部電流Π與第二内部電流卩的電流比作為判 斷過電流狀況的依據，其中感測電阻Rgen與偏壓電阻Rb的電阻值 比例即用以設^電流tb的臨界值。目此，所制的_電阻Rsen 之電阻值可以遠小於習知技術所使用感測電阻之電阻值，用來顯著 縮減晶片面積以降低生產成本。 在較佳實施例中，第一電晶體215之通道寬長比係遠大於第二 電晶體217之通道寬長比’用來使流經感測電阻Rsen的第一内部電 流II僅為輸出電流lout的部分微量電流，因此可節省内部功率耗損 及降低晶片溫度以提高電路工作效率。此外，由於輸出電流1〇姐大 部分係經第一電晶體215輪出，所以輸入電壓vin與輸出電壓v〇m 201033779 的壓差實質上並不包含感測電阻Rsen的壓降，亦即可顯著降低輸出 入電壓之間的壓差。 ’ 凊參考第3圖，第3圖為本發明第二實施例之低壓降穩壓器的 -電路示意圖。如第3圖所示，低壓降穩壓器300係類同於第2圖所 示之低壓降穩壓器200，主要差異在於將分壓單元295替換為分壓 單元395 ’並將參考電流單元220替換為參考電流單元320。分壓單 Ο 元395包含第十四電晶體396與第十五電晶體397。第十四電晶體 396包含第一端、第二端、與閘極端，其中第一端電連接於第一電 晶體215之第二端’第二端電連接於誤差放大器291之正輸入端， 閘極端用以接收第一閘極控制訊號Sgl，第一閘極控制訊號Sgl係 用以調整第十四電晶體396之第一通道電阻。第十五電晶體397包 含第一端、第二端、與閘極端，其中第一端電連接於第十四電晶體 396之第二端，第二端電連接於接地端GND，閘極端用以接收第二 _ 閘極控制訊號Sg2 ’第二閘極控制訊號Sg2係用以調整第十五電晶 體397之第二通道電阻。第十四電晶體396與第十五電晶體397係 為金氧半場效電晶體或接面場效電晶體。參考電流單元32〇包含參 考電阻Rref與第三電晶體223，其中參考電阻Rref電連接於輸入端 202與第二電晶體223的第一端之間，用以設定參考電流iref，使第 • 三電晶體223據以產生參考電流訊號siref。 基本上，分壓單元395係為可調整分壓器，其係利用被調整之 第一通道電阻與第二通道電阻以提供輸出電壓Vout之分壓Vdiv至 15 201033779 誤差放大器291。在另一實施例中，第十四電晶體396與第十五電 晶體397的閘極端係用以接收相同控制訊號，而第一通道電阻可由 第十四電晶體396的通道寬長比所設定，第二通道電阻可由第十五 電晶體397的通道寬長比所設定。換句話說，分壓單元395之分壓 比例可根據第十四電晶體396與第十五電晶體397的通道寬長比而 設定。第十四電晶體396的通道寬長比係可相同或相異於第十五電 晶體397的通道寬長比。 综上所述，在本發明低壓降穩壓器的運作中，輸入電壓與輸出 電壓的壓差並不包含感測電阻的壓降，所以可降低輸出入電壓之間 的壓差。此外，輸出電流包含流經感測電阻的電流，而且流經感測 電阻的電流僅為微量f流’所以可節仙部功率耗損及降低晶片溫 度’用以提高電路作效率至於在本發魏壓降穩翻的電路結 構中’由於限流機侧以觸過電錄況的臨界值係為電阻值比例 而非電阻壓降’因此所使用的制電阻之喊可以遠小於習知技術 所使用感測電阻之阻值，絲顯著縮減晶片面積以降低生產成本。 雖然本發明已以實施觸露如上，並刺嫌定本發明， 任何具有本發0撕;|技術賴之财知識者，在不麟本發明之精 神和範_ ’當可作各種更動細飾，·本發明之賴範圍當視 後附之申凊專利範圍所界定者為準。 【圖式簡單說明】 16 201033779 第1圖為習知具限流機制之低壓降穩壓器的電路示意圖。 第2圖為本發明第一實施例之低壓降穩壓器的電路示意器。 _ 第3圖為本發明第二實施例之低壓降穩壓器的電路示音圖。 【主要元件符號說明】 100、 200、300低壓降穩壓器 101、 201 負載 110、291誤差放大器 115、215第一電晶體 120比較器 125、217第二電晶體 190參考電流源 202輸入端 β 210感測控制單元 220、320參考電流單元 221電流源 223第三電晶體 230訊號處理電路 % 240第一位準移位單元 241第四電晶體 243第五電晶體 17 201033779 250第二位準移位單元 251第六電晶體 253第七電晶體 . 260比較單元 261第八電晶體 262第九電晶體 263第十電晶體 ❹ 264第十一電晶體 265第十二電晶體 280上拉單元 281第十三電晶體 293濾波電容 295、395分壓單元 396第十四電晶體 © 397第十五電晶體 - GND接地端 II第一内部電流 12第二内部電流 - lout輸出電流
Iref參考電流 Rb偏壓電阻 Rfbl、Rfb2分壓電阻 Rref參考電阻 201033779
Rsen感測電阻 Sctl第一控制訊號 Sct2第二控制訊號 - Siref參考電流訊號 Vdiv分壓
Vgsl第一閘源極壓降 Vgs2第二閘源極壓降 φ Vin輸入電壓
Vintl第一内部電壓 Vint2第二内部電壓 Vout輸出電壓 Vref參考電壓 Vrefl第一參考電壓 Vref2第二參考電壓 A Vsen感測電壓