TW201818181A - 用於產生輸出調節電壓的低壓差穩壓器 - Google Patents

用於產生輸出調節電壓的低壓差穩壓器 Download PDF

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Abstract

一種用於產生輸出調節電壓的低壓差穩壓器，包括：第一電晶體，具有用於接收輸入電源電壓的第一端子，用於產生輸出調節電壓的第二端子和用於接收控制電壓的控制端子; 電流回收電路，被配置為根據具有輸出調節電壓的回饋資訊的第一信號，將饋送電流排到第一電晶體的第二端。

Description

用於產生輸出調節電壓的低壓差穩壓器
本發明涉及穩壓器技術領域，尤指一種用於產生輸出調節電壓的低壓差穩壓器。
低壓差穩壓器（Low Dropout Regulator，LDO）是直流線性穩壓器，其即使當電源電壓非常接近輸出電壓時也可以調節輸出電壓。 LDO的優點包括沒有開關雜訊，更小的器件尺寸和更大的設計簡單性。然而，靜態電流（也稱為接地電流或電源電流）由LDO引發，以便控制內部電路以進行正常運行（proper operation）。 如果在低電源電壓環境中將LDO應用于高瞬態電流負載，則靜態電流可能會導致功耗過大。基於此，需要設計低功耗的LDO。
根據本發明的實施例，揭露一種用於產生輸出調節電壓的低壓差穩壓器，可使靜態電流降低，導致更少的功耗。
根據本發明的第一實施例，一種用於產生輸出調節電壓的低壓差穩壓器包括： 第一電晶體，具有用於接收輸入電源電壓的第一端子，用於產生輸出調節電壓的第二端子和用於接收控制電壓的控制端子; 和 電流回收電路，被配置為根據具有輸出調節電壓的回饋資訊的第一信號，將饋送電流排到第一電晶體的第二端。
通過以上所述實施例，通過在低壓差穩壓器中採用電流回收電路，可以實現快速的回應時間。此外，調節器電路的靜態電流可以降低，導致更少的功耗。此外，所提出的低壓差穩壓器本身可以防止過沖，實現更穩定的輸出調節電壓。
為詳細說明本發明的技術內容、構造特徵、所實現目的及效果，以下結合附圖和實施例對本發明進行詳細說明。
在說明書及後續的申請專利範圍當中使用了某些術語來指稱特定的元件。所屬技術領域技術人員應可理解，硬體製造商可能會用不同的名稱來稱呼同一個元件。本檔並不以名稱的差異來作為區分元件的方式，而是以元件在功能上的差異來作為區分的準則。在接下來的說明書及申請專利範圍中，術語“包含”及“包括”為一開放式的用語，故應解釋成“包含但不限制於”。此外，“耦接”一詞在此包含直接及間接的電性連接手段。因此，如果一個裝置耦接於另一個裝置，則代表該一個裝置可直接電性連接於該另一個裝置，或通過其它裝置或連接手段間接地電性連接至該另一個裝置。
第1圖示出了根據本發明的實施例的低壓差穩壓器10的框圖。低壓差穩壓器10包括第一電晶體M1和電流回收電路104。第一電晶體M1具有用於接收輸入電源電壓VIN 的第一端子，用於產生輸出調節電壓VOUT 的第二端子，以及用於接收控制電壓VG 的控制端子。電流回收電路104被配置為根據第一信號VA 而排放饋送電流IFB 。第一信號VA 具有輸出調節電壓VOUT 的回饋資訊。作為舉例，在輸出電壓調節電壓VOUT 和第一信號VA 之間存在電耦合路徑。在一個實施例中，第一信號VA 與輸出調節電壓VOUT 正相關（也即，當輸出調節電壓VOUT增加時，第一信號VA也增加）。在另一個實施例中，第一信號VA與輸出電壓調節電壓VOUT負相關（也即，當輸出調節電壓VOUT增加時，第一信號VA減小）。
第一電晶體M1可以是功率金屬氧化物半導體場效應電晶體（MOSFET）。在第1圖所示的例子中，第一電晶體M1是p溝道MOSFET（PMOS）。在其他實施例中，第一電晶體M1還可以是其它類型的電晶體，例如n溝道MOSFET（NMOS），雙極結型電晶體（BJT），結柵場效應電晶體（JFET）等。使用PMOS電晶體作為第一電晶體M1可適用於低電源電壓應用。作為舉例，輸入電源電壓VIN 為1.8V，輸出調節電壓VOUT 約為1V。在下面的描述中，將使用PMOS電晶體作為第一電晶體M1的示例。然而，本發明不限於此。
第一電晶體M1的第一端子是PMOS電晶體的源極端子，第一電晶體M1的第二端子是PMOS電晶體的漏極端子，並且第一電晶體M1的控制端子是PMOS電晶體的柵極端子。如果第一電晶體M1是NMOS電晶體，則第一端子，第二端子和控制端子分別是NMOS電晶體的漏極端子，源極端子和柵極端子。如果第一電晶體M1是PNP型 BJT，則第一端子，第二端子和控制端子分別是PNP BJT的發射極端子，集電極端子和基極端子。
第2圖示出了根據本發明的另一個實施例的低壓差穩壓器11的框圖。在本實施例中，電流回收電路104耦合在第一電晶體M1的控制端和第二端之間。在一個實施例中，電流回收電路104被配置為根據輸出調節電壓VOUT 來提供控制電壓VG 。第一電晶體M1的第二端子可以耦合到負載裝置，其在操作期間抽取負載電流ILOAD 。作為舉例，當負載電流ILOAD 增加時，輸出調節電壓VOUT 暫時降低。第一信號VA 反映降低的輸出調節電壓VOUT ，然後電流回收電路104相應地降低控制電壓VG ，使得第一電晶體M1導通，有效地降低第一電晶體M1的內部電阻，由此輸出調節電壓VOUT 增加。以這種方式，輸出調節電壓VOU T可以保持為穩定的調節電壓。
為了提供足夠的驅動能力，第一電晶體M1的尺寸通常較大。第一電晶體M1可能具有大的寄生電容，因此可能存在大量的電荷存儲在第一電晶體M1中。在第2圖所示的實施例中，電流回收電路104被配置為將饋送電流IFB 從第一電晶體M1的控制端子排到第一電晶體M1的第二端子。因此，在第一電晶體M1的控制端（由於體積大的MOS）而累積的電荷可以被排出到輸出調節電壓VOUT 以獲得功率效率。換句話說，能量被直接提供給輸出調節電壓VOUT 。饋送電流IFB 直接流到第一電晶體M1的第二端，而不是流到接地節點，從而防止不必要的功率耗散。
第3圖示出了根據本發明的實施例的包括偏置電路的低壓差穩壓器12的框圖。在本實施例中，低壓差穩壓器12包括用於電流回收電路104的偏置電路101。偏置電路101可以被配置為為電流回收電路104建立適當的操作條件，例如電壓和電流。在如第3圖所示的實施例，偏置電路101耦合到第一電晶體M1的第一端子。在一些其它實施例中，偏置電路101也可以耦合到第一電晶體M1的控制端。偏置電路101通常承載大量的電流。電流回收電路104被配置為將饋送電流IFB 從偏置電路101排到第一電晶體M1的第二端。因此，能量從偏置電路101直接流向輸出調節電壓VOUT ，而不是流到接地節點，從而防止不必要的功率耗散。注意，第2圖和第3圖所示的實施例也可以組合。例如，電流回收電路104和偏置電路101都可以耦合到第一電晶體M1的控制端子。
第4圖示出了根據本發明實施例的包括誤差放大器電路的低壓差穩壓器13的框圖。在該實施例中，低壓差穩壓器13還包括回饋路徑102和誤差放大器電路103。回饋路徑102根據輸出調節電壓VOUT 提供回饋電壓VFB 。誤差放大器電路103被配置為放大回饋電壓VFB 和參考電壓VREF 之間的電壓差，以產生第一信號VA 。
回饋路徑102可以存在幾種實現方式。在一個實施例中，回饋電壓VFB 經由回饋路徑102基本上等於輸出調節電壓VOUT 。在另一實施例中，回饋路徑102可以包括分壓器，使得回饋電壓VFB 是輸出調節電壓VOUT 的一部分。在另一個實施例中，回饋路徑102可以包括耦合電容器，使得輸出調節電壓VOUT 資訊可以被迅速地傳遞到接收回饋電壓VFB 的誤差放大器電路103。
第5圖示出了第4圖所示的低壓差穩壓器的信號波形。當負載電流ILOAD 增加（由耦合到第一電晶體M1的第二端子的負載裝置引起的瞬變現象）時，輸出調節電壓VOUT 下降，並且回饋電壓VFB 的電壓電平依次下降。第一信號VA 反映回饋電壓VFB 的減小。電流回收電路104被配置為當輸出調節電壓VOUT 減小時降低控制電壓VG 。因此，輸出調節電壓VOUT 增加到接近其初始電平。
如第5圖所示，當控制電壓VG 開始下降時，饋送電流IFB 增加，向輸出調節電壓VOUT 提供能量。由電流回收電路104形成快速瞬變回路來縮短回應時間。耦合在控制電壓VG 和輸出調節電壓VOUT 之間的電流回收電路104構成低壓差穩壓器10中的最短路徑。
在上述實施例中，電流回收電路104配置成當輸出調節電壓VOUT 減小時增加饋送電流IFB 。因為饋送電流IFB 直接流到低壓差穩壓器10的輸出節點，而不是流到接地節點，所以可以降低功耗。此外，由於電流回收電路104引入最短路徑，所以也可以減小低壓差穩壓器10的回應時間。
電流回收電路104包括若干不同實施方案。在一個實施例中，電流回收電路104可以是耦合在第一信號VA 和第一電晶體M1之間的緩衝電路。任意可用於緩衝電路的結構可用于作為電流回收電路104。
第6圖示出了根據本發明的實施例的低壓差穩壓器14的示例電路原理圖。在本實施例中，電流回收電路104包括第二電晶體M2。第二電晶體M2是PMOS電晶體。在另一實施例中，第二電晶體M2可以是不同類型的電晶體。而且，除了第二電晶體M2之外，電流回收電路104還可以包括其它電晶體和元件。例如，電流回收電路104還可以包括附加的無源器件，多個級聯或共源共柵連接的電晶體等等。在第4圖所示的實施例中，第二電晶體M2是電流回收電路104中的唯一元件。電流回收電路104使用單個電晶體實現具有低硬體面積，簡化的電路設計和低路徑延遲的優點。
第6圖示出了緩衝阻抗衰減（BIA）低壓差穩壓器（LDO）的示例。由於BIA LDO在頻寬方面為單極系統，因此其具有在快速瞬態時具有更好的穩定性的優點。第6圖示出了具有如第1圖-第4圖所示的實施例中所描述的電流回收電路104的BIA LDO。
在本實施例中，第二電晶體M2（本例中的PMOS）具有直接耦合到第一電晶體M1的控制端的第一端子（源極端子），直接耦合到第一電晶體M1的第二端子和用於接收第一信號VA 的控制端子（柵極端子）。如第6圖所示，第3圖所示的偏置電路101可以包括第三電晶體M3。第三電晶體M3耦合到第一電晶體M1的第一端子和控制端子。在本實施例中，輸出調節電壓VOUT 通過耦合電容器CC回饋。回饋電壓VFB （在電晶體M11的柵極處）可以等於輸出調節電壓VOUT 的一部分。如第6圖所示，第4圖所示的誤差放大器電路103可以包括電晶體M4-M11。誤差放大器電路103被配置為放大回饋電壓VFB 和參考電壓VREF （其可由帶隙基準電路提供）之間的電壓差以產生第一信號VA 。電晶體M3和M12用於偏置一個參考電流給第6圖所示的BIA LDO。
在該實施例中，饋送電流IFB 可以來自兩個來源，所述兩個來源包括第三電晶體M3和存儲在第一電晶體M1的柵極處的電荷。作為舉例，當輸出調節電壓VOUT 減小時，第二電晶體M2將饋送電流IFB 從第三電晶體M3和/或第一電晶體M1的控制端子引到第一電晶體M1的第二端。第二電晶體M2構成調節器電路中的最短路徑，以增強響應時間。
因為第二電晶體M2不直接耦合到接地節點GND（其在電路中具有最大的負電壓電平），所以所有饋送電流IFB 被排到輸出調節電壓VOUT 。饋送電流IFB 不流到接地節點GND，因此可以減小調節器電路的靜態電流（IQ），從而減少功耗。
當輸出調節電壓VOUT 減小時，控制電壓VG 降低。由於第二電晶體M2引入最短路徑，當輸出調節電壓VOUT 由於第一電晶體M1導通而開始反彈時，增加的輸出調節電壓VOUT 將快速防止控制電壓VG 降低或使控制電壓VG 也增加。根據第6圖所示的電路結構，當輸出調節電壓VOUT 升壓時，存儲在第一電晶體M1的控制端子處的能量無法流走，因此控制電壓VG 停止減小。然後，控制電壓VG 關閉第一電晶體M1，防止輸出調節電壓VOUT 過沖（超過目標調節電壓）。換句話說，低壓差穩壓器14可以通過引入電流回收電路104來固有地防止過沖。
根據上述實施例，通過在低壓差穩壓器中採用電流回收電路，可以實現快速的回應時間。此外，調節器電路的靜態電流可以降低，導致更少的功耗。此外，所提出的低壓差穩壓器本身可以防止過沖，實現更穩定的輸出調節電壓。
本文描述的設備和技術的各個方面可以單獨使用，或組合使用，或以前面描述中描述的實施例中未特別討論的各種佈置使用，因此在其應用中不限於細節和佈置在前述描述中闡述或在附圖中示出的部件。例如，在一個實施例中描述的方面可以以與其它實施例中描述的方面以任何方式組合。
術語“大約”，“基本上”和“約”可以用於在一些實施例中在目標值的±20％內的±20％內，在一些實施例中在目標值的±10％內±5％在一些實施例中為目標值的±2％，但在一些實施例中為目標值的±2％。 申請專利範圍中用以修飾元件的“第一”、“第二”等序數詞的使用本身未暗示任何優先權、優先次序、各元件之間的先後次序、或所執行方法的時間次序，而僅用作標識來區分具有相同名稱（具有不同序數詞）的不同元件。
以上該僅係本發明的實施方式，並非因此限制本發明的專利範圍，凡是利用本發明說明書及附圖內容所作的等效結構或等效流程變換，或直接或間接運用在其他相關的技術領域，均同理包括在本發明的專利保護範圍內。
10，11，12，13，14‧‧‧低壓差穩壓器
104‧‧‧電流回收電路
VIN‧‧‧輸入電源電壓
M1-M12‧‧‧電晶體
VG‧‧‧控制電壓
VOUT‧‧‧輸出調節電壓
VA‧‧‧第一信號
IFB‧‧‧饋送電流
101‧‧‧偏置電路
VFB‧‧‧回饋電壓
103 ‧‧‧誤差放大器電路
102‧‧‧回饋路徑
ILOAD‧‧‧負載電流
VREF‧‧‧參考電壓
CC‧‧‧耦合電容器。
第1圖示出了根據本發明的實施例的低壓差穩壓器10的框圖。 第2圖示出了根據本發明的另一個實施例的低壓差穩壓器11的框圖。 第3圖示出了根據本發明的實施例的包括偏置電路的低壓差穩壓器12的框圖。 第4圖示出了根據本發明實施例的包括誤差放大器電路的低壓差穩壓器13的框圖。 第5圖示出了第4圖所示的低壓差穩壓器的信號波形。 第6圖示出了根據本發明的實施例的低壓差穩壓器14的示例電路原理圖。

Claims (10)

  1. 一種用於產生輸出調節電壓的低壓差穩壓器，包括： 第一電晶體，具有用於接收輸入電源電壓的第一端子，用於產生輸出調節電壓的第二端子和用於接收控制電壓的控制端子; 和 電流回收電路，被配置為根據具有輸出調節電壓的回饋資訊的第一信號，將饋送電流排到第一電晶體的第二端。
  2. 根據申請專利範圍1所述的低壓差穩壓器，其中所述電流回收電路耦合在所述第一電晶體的所述控制端子和所述第二端子之間。
  3. 根據申請專利範圍2所述的低壓差穩壓器，其中所述電流回收電路被配置為根據所述輸出調節電壓來提供所述控制電壓。
  4. 根據申請專利範圍1所述的低壓差穩壓器，其中還包括用於所述電流回收電路的偏置電路，其中所述電流回收電路被配置為將饋送電流從所述偏置電路排到所述第一電晶體的第二端子。
  5. 根據申請專利範圍1所述的低壓差穩壓器，還包括： 回饋路徑，用於根據輸出調節電壓以提供回饋電壓; 和 誤差放大器電路，用於放大回饋電壓和參考電壓之間的電壓差，以產生第一信號。
  6. 根據申請專利範圍1所述的低壓差穩壓器，其中所述電流回收電路被配置為當所述輸出調節電壓降低時增加所述饋送電流。
  7. 根據申請專利範圍1所述的低壓差穩壓器，其中所述電流回收電路是緩衝電路。
  8. 根據申請專利範圍1所述的低壓差穩壓器，其中所述電流回收電路包括第二電晶體。
  9. 根據申請專利範圍8所述的低壓差穩壓器，其中所述第二電晶體具有直接耦合到所述第一電晶體的控制端子的第一端子，直接耦合到所述第一電晶體的第二端子的第二端子，以及用於接收所述第一信號的控制端子。
  10. 根據申請專利範圍8所述的低壓差穩壓器，其中所述第一電晶體和所述第二電晶體是PMOS電晶體。
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