TW201721325A - 電壓調節器 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種可防止輸出驅動器的熱破壞於未然的電壓調節器。電壓調節器具備過熱保護電路，過熱保護電路具有：溫度感測電路；電壓差感測電路，輸出與供給至電源端子的電源電壓和所述輸出電壓的電壓差相應的電流；輸出電流監控電路；第2基準電壓電路，生成第2基準電壓；比較器電路，對溫度感測電路的輸出電壓與第2基準電壓進行比較；以及過熱保護電晶體，當比較器電路的比較結果表示過熱狀態時，使輸出電晶體斷開，第2基準電壓電路基於電壓差感測電路的輸出電流及輸出電流監控電路的輸出電流來控制第2基準電壓。

Description

電壓調節器
本發明是有關於一種具備過熱保護電路的電壓調節器（voltage regulator）。
一般而言，電壓調節器是根據連接於輸出的電子機器的負載來進行電流供給，因發熱造成的能量消耗會導致電力損耗。而且，當負載電流增大時，有時會因過度的溫度上升而導致電壓調節器自身的破壞。因此，設有用於避免達到規定溫度以上的過熱保護電路。
此處，對具備習知的過熱保護電路的電壓調節器進行說明（例如參照專利文獻1）。 圖3是習知的電壓調節器200的電路圖。 電壓調節器200具備過熱保護電路123，且以下述方式構成，所述過熱保護電路123包含溫度感測電路115、基準電壓電路114、比較器（comparator）電路103、電晶體（transistor）104及電晶體110。
溫度感測電路115包含定電流電路101與二極體（diode）102，從定電流電路101與二極體102的連接點輸出電壓VF。 基準電壓電路114包含基準電壓106、電壓跟隨器（voltage follower）電路105及洩漏電阻（bleeder resistor）107、洩漏電阻108、洩漏電阻109，從電阻107與電阻108的連接點輸出電壓VREF。
比較器電路103對溫度感測電路115的輸出即電壓VF與基準電壓電路114的輸出即電壓VREF進行比較，並輸出比較結果。比較器電路103的輸出被輸入至電晶體104的閘極（gate）與電晶體110的閘極。
電晶體104的源極（source）連接於電源端子，汲極（drain）連接於電壓調節器200的輸出電晶體（輸出驅動器）111的閘極。電晶體110的源極連接於接地端子，汲極連接於電阻108與電阻109的連接點。
在輸出電晶體111的汲極與接地端子之間，連接有包含電阻112與電阻113的分壓電路。 誤差放大電路116接受來自該分壓電路的分壓電壓與基準電壓117的電壓，輸出端子連接於輸出電晶體111的閘極。
溫度感測電路115的溫度特性基於二極體102的順向電壓的溫度特性，輸出電壓VF為大致-2 mV/℃的特性。基準電壓電路114的輸出電壓VREF藉由進行洩漏電阻107、洩漏電阻108、洩漏電阻109的微調（trimming）調整而可設定為任意電壓值。
在未檢測出過熱狀態的通常狀態的情況下，由於VF＞VREF，因此比較器電路103的輸出成為高（HIGH）狀態，電晶體104斷開。藉此，輸出電晶體111的閘極電壓成為誤差放大電路116的輸出端子的電壓。因而，輸出電晶體導通，輸出規定電位的輸出電壓VOUT。
另一方面，在檢測出過熱狀態的情況下，由於VREF＞VF，因此比較器103的輸出成為低（LOW），電晶體104導通。藉此，輸出電晶體111的閘極電壓成為電源電壓，因此輸出電晶體111斷開。因而，輸出電壓VOUT成為接地電位。
如此，習知的電壓調節器200在未由過熱保護電路123檢測出過熱狀態時，如通常般進行動作，從輸出電晶體111輸出電源電位以下的規定的電壓VOUT，當檢測出過熱狀態時，使輸出電晶體111斷開，藉此，使輸出電壓VOUT成為接地電位。這樣，能夠保護電壓調節器自身不會受到過度的溫度上升破壞。
另外，電晶體110是為了使從過熱狀態成為通常狀態的溫度、與其相反的從通常狀態成為過熱狀態的溫度分別成為不同的溫度，即，使其具備遲滯性（hysteresis）而設。 [現有技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本專利特開2005-100295號公報
[發明所欲解決之課題] 在高耐壓且大電流的電壓調節器中，會因高電壓狀態下的暫態負載電流的增加而產生大的電力損耗。該電力損耗中，因輸出驅動器的發熱引起的能量消耗造成的部分大。然而，在輸出驅動器與溫度感測電路的二極體於晶片（chip）上隔開而布局的情況下，最為發熱的輸出驅動器的中心附近溫度與溫度感測電路的二極體的溫度之間會產生因熱梯度造成的溫度差。
圖3的習知的電壓調節器200中，在過熱保護電路123檢測出規定的過熱狀態的時刻，最為發熱的輸出驅動器（輸出電晶體111）的中心附近溫度有可能已達到所述規定的過熱狀態的溫度以上而超過輸出驅動器111的耐熱溫度，從而對輸出驅動器111造成破壞。
本發明是有鑒於所述課題而完成，提供一種可防止輸出驅動器的熱破壞於未然的電壓調節器。 [解決課題之手段]
本發明的電壓調節器的特徵在於包括：輸出電晶體，將輸出電壓輸出；第1基準電壓電路，生成第1基準電壓；分壓電路，輸出對所述輸出電壓進行分壓而生成的分壓電壓；誤差放大電路，輸入所述第1基準電壓與所述分壓電壓，並控制所述輸出電晶體以使所述輸出電壓為固定；以及過熱保護電路，檢測過熱狀態並使所述輸出電晶體斷開，所述過熱保護電路包括：溫度感測電路，輸出與溫度相應的電壓；電壓差感測電路，輸出與供給至電源端子的電源電壓與所述輸出電壓的電壓差相應的電流；輸出電流監控電路，輸出與流經所述輸出電晶體的電流相應的電流；第2基準電壓電路，生成第2基準電壓；比較器電路，對所述溫度感測電路的輸出電壓與所述第2基準電壓進行比較；以及過熱保護電晶體，在閘極接受所述比較器電路的比較結果，當所述比較結果表示過熱狀態時，使所述輸出電晶體斷開，所述第2基準電壓電路基於所述電壓差感測電路的輸出電流及所述輸出電流監控電路的輸出電流，來控制所述第2基準電壓。 [發明的效果]
本發明中，基於電壓差感測電路的輸出電流與輸出電流監控電路的輸出電流來控制第2基準電壓，所述電壓差感測電路輸出與供給至電源端子的電源電壓和所述輸出電壓的電壓差相應的電流，所述輸出電流監控電路輸出與流經輸出電晶體的電流相應的電流。藉由該結構，可基於輸出電晶體的消耗電力增加的情況而使輸出電晶體斷開。因此，可防止輸出電晶體的熱破壞於未然。
以下，參照圖式來說明本發明的實施形態。 圖1是本發明的電壓調節器100的電路圖。 電壓調節器100具備輸出電晶體（輸出驅動器）18、誤差放大電路19、基準電壓電路20、包含電阻21及電阻22的分壓電路以及過熱保護電路23，且以下述方式構成。
誤差放大電路19對輸出電壓VOUT經分壓電路分壓而生成的分壓電壓VFB與由基準電壓電路20所生成的基準電壓VREF1進行比較。誤差放大電路19輸出電壓VEAO作為比較結果，並供給至輸出電晶體18的閘極。 藉由該結構，電壓調節器100在通常狀態下，從輸出端子輸出固定的輸出電壓VOUT。
過熱保護電路23包含溫度感測電路11、基準電壓電路12、比較器電路13、P通道金屬氧化物半導體（P-channel Metal Oxide Semiconductor，PMOS）電晶體（過熱保護電晶體）14、開關15、電壓差感測電路16及輸出電流監控電路17。
溫度感測電路11具有與圖3所示的溫度感測電路115同樣的構成，其溫度特性是因二極體的順向電壓的溫度特性所生成，輸出電壓VF為大致-2 mV/℃的特性。
比較器電路13對溫度感測電路11的輸出電壓VF與基準電壓電路12的輸出電壓VREF2進行比較，並輸出電壓VCMP作為比較結果。比較器電路13的輸出電壓VCMP被供給至PMOS電晶體14的閘極，該PMOS電晶體14的源極連接於電源端子10，汲極連接於輸出電晶體18的閘極。
電壓差感測電路16連接於電源端子10、電壓調節器100的輸出端子及開關15的一端。 輸出電流監控電路17連接於電源端子10、誤差放大電路19的輸出端子及開關15的一端。
開關15的另一端連接於基準電壓電路12，藉由比較器電路13的輸出電壓VCMP來控制導通/斷開。開關15在電壓VCMP為高（HIGH）時導通，為低（LOW）時斷開。
接下來，對於圖1所示的基準電壓電路12、開關15、電壓差感測電路16及輸出電流監控電路17的詳細，使用圖2來進行說明。 基準電壓電路12包含定電流電路31、電阻32、電壓跟隨器電路33、洩漏電阻34、洩漏電阻35、洩漏電阻36及開關37。 洩漏電阻34、洩漏電阻35、洩漏電阻36連接於電壓跟隨器電路33的輸出與接地端子VSS之間。
開關37的一端連接於電阻35與電阻36的連接點，另一端連接於接地端子VSS，藉由比較器電路13的輸出電壓VCMP來控制導通/斷開。開關37在電壓VCMP為高（HIGH）時導通，為低（LOW）時斷開。 定電流電路31與電阻32的連接點連接於電壓跟隨器電路33的其中一個輸入端子。
電壓差感測電路16包含電晶體38，該電晶體38的源極連接於電源端子10，閘極連接於VOUT，汲極連接於開關15的一端。而且，輸出電流監控電路17包含電晶體39，該電晶體39的源極連接於電源端子10，閘極連接於圖1所示的輸出電晶體18的閘極，汲極連接於開關15的一端。
接下來，使用圖1及圖2來說明過熱保護電路23的動作。 基準電壓電路12在通常狀態下，輸出與用於檢測過熱狀態的規定溫度對應的規定電壓值的電壓VREF2。
當因自發熱或周圍溫度的上升而電壓調節器100的溫度上升時，溫度感測電路11的輸出電壓VF以約-2 mV/℃的特性而下降。並且，當溫度感測電路11的輸出電壓VF低於基準電壓電路12的輸出電壓VREF2時，比較器電路13輸出低（LOW）。
藉此，PMOS電晶體14導通，因此輸出電晶體18的閘極電壓變高。因此，輸出電晶體18斷開，電壓調節器的輸出電壓VOUT變為低（LOW）。
接下來，對本發明的主要特徵即防止輸出驅動器的熱破壞於未然的過熱保護電路23的動作進行說明。 當從所述通常狀態，電源端子10的電源電壓與輸出電壓VOUT的電壓差變大時，電流從電源端子10經由電壓差感測電路16的電晶體38、開關15、電阻32而流向接地端子VSS。而且，當流經輸出電晶體18的輸出電流變大時，電流從電源端子10經由輸出電流監控電路17的電晶體39、開關15、電阻32而流向接地端子VSS。
藉此，流經電阻32的電流增加，因此定電流電路31與電阻32的連接點的電壓VREF2B變高。因此，基準電壓電路12的輸出電壓VREF2變得高於所述規定的電壓值。即，基於電壓差感測電路16的輸出電流及輸出電流監控電路17的輸出電流，來控制第2基準電壓VRERF2。
由於溫度感測電路11的輸出電壓的約-2 mV/℃的特性不變，因此基準電壓電路12的輸出電壓VREF2變高會降低用於檢測過熱狀態的溫度。
因而，當因電壓差感測電路16、輸出電流監控電路17、開關15及基準電壓電路12而變高的基準電壓VREF2超過溫度感測電路11的輸出電壓VF時，比較器電路13的輸出電壓VCMP變為低（LOW），PMOS電晶體14導通。
藉此，供給至輸出電晶體18的閘極的電壓VEAO成為電源端子10的電源電壓，輸出電晶體18斷開，電壓調節器的輸出電壓VOUT變為低（LOW）。即，電壓調節器的輸出停止。 此時，基於比較器電路13的輸出電壓VCMP變為低（LOW）的情況，開關15及開關37斷開。
此處，之所以使開關15斷開，是因為：若即使檢測出過熱狀態而停止輸出，但仍使開關15保持導通，則有可能因輸出停止而輸出電流監控電路的電流變為零，從而立刻恢復至通常狀態。
而且，之所以使開關37斷開，是為了降低解除過熱狀態的溫度。即，如上所述般變高的基準電壓VREF2藉由使開關37斷開，而設定為與電阻36的電阻值相應地較所述規定電壓值更高的電壓。藉由提高基準電壓電路12的輸出電壓VREF2，從而可降低檢測出一次過熱狀態後成為解除過熱狀態的基準的溫度。
當因檢測出過熱狀態，從而電壓調節器的輸出停止而溫度下降時，溫度感測電路11的輸出電壓上升。當低於解除過熱狀態的規定溫度時，溫度感測電路11的輸出電壓超過基準電壓電路12的輸出電壓VREF2而比較器電路13輸出高（HIGH）。於是，PMOS電晶體14斷開，輸出電晶體18的閘極電壓變低。因此，輸出電晶體18導通，電壓調節器的輸出電壓VOUT再次成為規定電壓。
如此，根據本實施形態，即使在溫度感測電路11所感測出的溫度低於所述規定溫度的情況下，藉由基於電壓差感測電路16所輸出的與電源電壓和輸出電壓VOUT的電壓差相應的電流、和輸出電流監控電路17所輸出的與流經輸出電晶體的電流相應的電流，即，基於輸出電晶體18的消耗電力，來控制基準電壓電路12的輸出電壓VREF2，從而可降低成為檢測過熱狀態的基準的溫度。因此，可防止輸出電晶體的熱破壞於未然。
如此，根據本發明，在電力損耗大的情況下，可降低檢測溫度的設定。而且，在量產時的過熱保護電路的功能測試中，藉由將電力損耗設定為大而降低檢測溫度，從而可進行低溫下的測試。若低溫下的測試成為可能，則可縮短直至設定溫度為止的等待時間，或者不需要使用支援高溫的構件，從而有效地削減成本。
10‧‧‧電源端子
11、115‧‧‧溫度感測電路
12、20、114‧‧‧基準電壓電路
13‧‧‧比較器電路
14‧‧‧PMOS電晶體（過熱保護電晶體）
15、37‧‧‧開關
16‧‧‧電壓差感測電路
17‧‧‧輸出電流監控電路
18、111‧‧‧輸出電晶體（輸出驅動器）
19、116‧‧‧誤差放大電路
21、22、32、112、113‧‧‧電阻
23、123‧‧‧過熱保護電路
31、101‧‧‧定電流電路
33、103‧‧‧電壓跟隨器電路
34、35、36、107、108、109‧‧‧洩漏電阻
38、39‧‧‧電晶體
100、200‧‧‧電壓調節器
102‧‧‧二極體
103‧‧‧比較器電路
104、110‧‧‧電晶體
106‧‧‧基準電壓
117、VREF1‧‧‧基準電壓
VCMP、VF、VOUT、VREF2‧‧‧輸出電壓
VEAO、VREF、VREF2B‧‧‧電壓
VFB‧‧‧分壓電壓
VSS‧‧‧接地端子
圖1是內置有本發明的實施形態的過熱保護電路的電壓調節器的電路圖。 圖2是圖1所示的過熱保護電路內的基準電壓電路、電力檢測電路、電壓差感測電路、輸出電流監控電路的電路圖。 圖3是內置有習知的過熱保護電路的電壓調節器的電路圖。
10‧‧‧電源端子
11‧‧‧溫度感測電路
12、20‧‧‧基準電壓電路
13‧‧‧比較器電路
14‧‧‧PMOS電晶體(過熱保護電晶體)
15‧‧‧開關
16‧‧‧電壓差感測電路
17‧‧‧輸出電流監控電路
18‧‧‧輸出電晶體(輸出驅動器)
19‧‧‧誤差放大電路
21、22‧‧‧電阻
23‧‧‧過熱保護電路
100‧‧‧電壓調節器
VCMP、VF、VOUT、VREF2‧‧‧輸出電壓
VEAO、VREF2B‧‧‧電壓
VFB‧‧‧分壓電壓
VREF1‧‧‧基準電壓
VSS‧‧‧接地端子

Claims (6)

  1. 一種電壓調節器，其特徵在於包括： 輸出電晶體，將輸出電壓輸出； 第1基準電壓電路，生成第1基準電壓； 分壓電路，輸出對所述輸出電壓進行分壓而生成的分壓電壓； 誤差放大電路，輸入所述第1基準電壓與所述分壓電壓，並控制所述輸出電晶體以使所述輸出電壓為固定；以及 過熱保護電路，檢測過熱狀態並使所述輸出電晶體斷開， 所述過熱保護電路包括： 溫度感測電路，輸出與溫度相應的電壓； 電壓差感測電路，輸出與供給至電源端子的電源電壓和所述輸出電壓的電壓差相應的電流； 輸出電流監控電路，輸出與流經所述輸出電晶體的電流相應的電流； 第2基準電壓電路，生成第2基準電壓； 比較器電路，對所述溫度感測電路的輸出電壓與所述第2基準電壓進行比較；以及 過熱保護電晶體，在閘極接受所述比較器電路的比較結果，當所述比較結果表示過熱狀態時，使所述輸出電晶體斷開， 所述第2基準電壓電路基於所述電壓差感測電路的輸出電流及所述輸出電流監控電路的輸出電流，來控制所述第2基準電壓。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的電壓調節器，更包括： 第1開關，設在所述電壓差感測電路的輸出及所述輸出電流監控電路的輸出與所述第2基準電壓電路之間，在所述輸出電晶體導通時導通，在所述輸出電晶體斷開時斷開， 所述第2基準電壓電路包括： 定電流電路，連接於所述電源端子與所述第1開關的一端之間； 電阻元件，連接於所述第1開關的一端與接地端子之間； 電壓跟隨器電路，接受所述第1開關一端的電壓作為輸入； 洩漏電阻，包含依序連接於所述電壓跟隨器電路的輸出與接地端子之間的第1電阻、第2電阻及第3電阻；以及 第2開關，一端連接於所述第2電阻與第3電阻的連接點，另一端連接於接地端子，在所述輸出電晶體導通時導通，在所述輸出電晶體斷開時斷開， 所述第1電阻與所述第2電阻的連接點的電壓成為所述第2基準電壓。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的電壓調節器，其中 所述電壓差感測電路包含電晶體，所述電晶體的源極連接於所述電源端子，閘極連接於所述輸出電壓，汲極連接於所述第1開關的一端。
  4. 如申請專利範圍第2項所述的電壓調節器，其中 所述輸出電流監控電路包含電晶體，所述電晶體的源極連接於所述電源端子，閘極連接於所述輸出電晶體的閘極，汲極連接於所述第1開關的一端。
  5. 如申請專利範圍第3項所述的電壓調節器，其中 所述輸出電流監控電路包含電晶體，所述電晶體的源極連接於所述電源端子，閘極連接於所述輸出電晶體的閘極，汲極連接於所述第1開關的一端。
  6. 如申請專利範圍第2項至第5項中任一項所述的電壓調節器，其中 所述第1開關及第2開關是藉由所述比較器電路的輸出來控制。
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