TW201833707A

TW201833707A - 電壓產生器

Info

Publication number: TW201833707A
Application number: TW106108118A
Authority: TW
Inventors: 李銘富
Original assignee: 盛群半導體股份有限公司
Priority date: 2017-03-13
Filing date: 2017-03-13
Publication date: 2018-09-16
Also published as: CN108572683B; CN108572683A; TWI628528B

Abstract

電壓產生器包括偏壓產生器、開關、第一比較器、偏壓電流調整器以及輸出級電路。偏壓產生器接收偏壓電流以產生偏壓電壓。開關串接在偏壓產生器耦接電源端的路徑間，受控於控制信號。第一比較器比較誤差放大信號與第一臨界電壓以產生第一比較結果，並依據第一比較結果產生控制信號。偏壓電流調整器依據參考電壓以及回授電壓以產生誤差放大信號，並依據誤差放大信號調整偏壓電流的大小。輸出級電路接收偏壓電壓並依據偏壓電壓產生輸出電壓。其中，回授電壓依據輸出電壓來產生。

Description

電壓產生器

本發明是有關於一種電壓產生器，且特別是有關於一種在低電源電壓維持低電流工作的低壓降（low drop-out, LDO）電壓產生器。

隨著電子技術的演進，提供優化的電子產品成為必要的趨勢。在積體電路中，隨著高工作速度、低耗能且高穩定度的需求，具有低工作電流、高抗雜訊能力（高電源抑制比(power supply rejection ratio, PSRR)以及可快速反應的電壓產生器成為積體電路中重要的元件。

在習知技術中，積體電路中常應用低壓降（low drop-out, LDO）電壓調整器來做為電壓產生器。其中，習知技術的低壓降電壓調整器，請參照圖9繪示的習知的低壓降電壓調整器的電路圖。當低壓降電壓調整器900接收到的電源電壓VIN的電壓值低於一定的數值時（例如小於低壓降電壓調整器的正常輸出電壓值），低壓降電壓調整器900中的誤差放大器EA會依據回授電壓FB（依據輸出電壓VOUT所產生）以及參考電壓VREF產生相對高電壓的誤差放大信號VOP。在此，電晶體MN1將被導通，且電晶體MN1及MP1間會產生漏電路徑，並產生大的漏電電流。如此一來，習知的低壓降電壓調整器將無法滿足在低電源電壓，維持低電流操作的需求。

本發明提供一種電壓產生器，可在低電源電壓的條件下維持低電流運作。

本發明的電壓產生器包括偏壓產生器、開關、第一比較器、偏壓電流調整器以及輸出級電路。偏壓產生器耦接電源端，接收偏壓電流並產生偏壓電壓。開關串接在偏壓產生器耦接電源端的路徑間，受控於控制信號。第一比較器比較誤差放大信號與第一臨界電壓以產生第一比較結果，並依據第一比較結果產生控制信號。偏壓電流調整器依據參考電壓以及回授電壓以產生誤差放大信號，並依據誤差放大信號調整偏壓電流的大小。輸出級電路接收偏壓電壓並依據偏壓電壓產生輸出電壓。其中，回授電壓依據輸出電壓來產生。

基於上述，本發明透過提供一開關，依據誤差放大信號的大小來控制開關的導通或斷開狀態。如此一來，當電壓產生器在低電源電壓的條件下進行操作時，透過控制開關的導通或斷開狀態，可有效控制電壓產生器內部不致產生大的漏電電流，可維持電壓產生器的低電流運作。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

請參照圖1，圖1繪示本發明一實施例的電壓產生器的示意圖。電壓產生器100包括偏壓產生器110、開關120、比較器CMP1、偏壓電流調整器140以及輸出級電路150。偏壓產生器110耦接至開關120並透過開關120耦接至電源端PWT。偏壓產生器110接收電源端PWT上所提供的電源電壓VIN，並依據流經偏壓產生器110的偏壓電流IOP以產生偏壓電壓VG。開關120串接在偏壓產生器110耦接電源端PWT的路徑間，開關120受控於控制信號POFF以導通或被斷開。

比較器CMP1耦接至開關120。比較器CMP1接收誤差放大信號VOP與臨界電壓VTH1，並依據比較誤差放大信號VOP與臨界電壓VTH1來產生比較結果。在本實施例中，比較器CMP1依據上述的比較結果來產生控制信號POFF。偏壓電流調整器140耦接在偏壓產生器110以及參考接地電壓GND間。偏壓電流調整器140接收參考電壓VREF以及回授電壓FB，並依據參考電壓VREF以及回授電壓FB的差值來產生誤差放大信號VOP。偏壓電流調整器140並依據誤差放大信號VOP來調整偏壓電流IOP的大小。也就是說，偏壓產生器110所產生的偏壓電壓VG的電壓值可以依據誤差放大信號VOP來進行調整。在此，回授電壓FB可以依據電壓產生器100的輸出電壓VOUT來產生。例如，回授電壓FB可以等於輸出電壓VOUT，或者，可以針對輸出電壓VOUT進行分壓以產生回授電壓FB。

輸出級電路150耦接偏壓產生器110。輸出級電路150接收偏壓電壓VG，並依據偏壓電壓VG產生輸出電壓VOUT。輸出級電路150另針對輸出電壓VOUT進行分壓以產生回授電壓FB。

關於電壓產生器100的整體動作方面，在正常工作狀態下，當輸出電壓VOUT接近於目標電壓時，回授電壓FB與參考電壓VREF間的差值很小，並可能趨近於0。因此，偏壓電流調整器140可產生具有相對小電壓值的誤差放大信號VOP。在此同時，誤差放大信號VOP的電壓值小於預設的臨界電壓VTH1，因此，比較器CMP1可產生低準位的控制信號POFF，並使開關120被導通。

在另一方面，當電源電壓VIN低於正常輸出電壓VOUT時，若電源電壓VIN的電壓值被降低，輸出電壓VOUT的電壓值將對應被降低。此時，回授電壓FB將小於預設的參考電壓VREF。因此，偏壓電流調整器140依據參考電壓VREF以及回授電壓FB的差值進行放大，並產生具有相對大電壓值的誤差放大信號VOP。在此同時，誤差放大信號VOP的電壓值大於臨界電壓VTH1，因此，比較器CMP1可產生高準位的控制信號POFF，並使開關120被斷開。由上述的內容可知，在當電壓產生器100在低電源電壓VIN的狀態下進行操作時，開關120可以對應被斷開，並斷開可能產生的漏電流路徑。

細節上來說明，在本實施例中，開關120可以為由電晶體MPSW建構的電晶體開關。偏壓產生器110可以為由電晶體MP1以二極體連接組態（diode connected）的方式來建構，其中，電晶體MP1的第一端連接至開關120，電晶體MP1的第二端與控制端共同連接至偏壓電流調整器140，並產生偏壓電壓VG。偏壓電流調整器140包括誤差放大器EA以及電晶體MN1。誤差放大器EA接收回授電壓FB以及參考電壓VREF。誤差放大器EA的輸出端產生誤差放大信號VOP，並提供誤差放大信號VOP至電晶體MN1的控制端。電晶體MN1的第一、二端分別連接至偏壓產生器110以及參考接地電壓GND。

依據前述的實施內容，在當電壓產生器100在低電源電壓VIN的狀態下進行操作時，誤差放大器EA的輸出端產生具有相對大電壓值的誤差放大信號VOP。也因此，電晶體MN1在接收到具有相對大電壓值的誤差放大信號VOP時，其導通電阻值將會大幅的降低，若此時施加電壓於電晶體MN1的兩端時，將產生相對大電流值的漏電電流。也因此，本發明實施例透過比較器CMP1在誤差放大信號VOP具有相對大電壓值時產生高電壓準位的控制信號POFF以使開關120被斷開。如此，因電晶體MN1被導通所產生漏電電流的現象可以被避免。

在另一方面，在本實施例中，輸出級電路150包括電晶體MPOUT以及電阻R1及R2。其中，電晶體MPOUT的第一端接收電源電壓VIN，第二端產生輸出電壓VOUT，電晶體MPOUT的控制端則接收偏壓電壓VG。電阻R1、R2依序串接在電晶體MPOUT的第二端以及參考接地電壓GND間。電阻R1、R2所形成的電阻串可針對輸出電壓VOUT進行分壓以產生回授電壓FB。

承續前述的說明，在當電壓產生器100在低電源電壓VIN的狀態下進行操作時，開關120依據控制信號POFF被斷開。在此同時，基於電晶體MN1被導通的條件下，偏壓電壓VG的電壓值可依據被導通的電晶體MN1而透過偏壓電流IOP被拉低。在此，偏壓電壓VG的電壓值可被拉低於實質上等於參考接地電壓GND（例如0V）。在此同時，電晶體MPOUT可接收到接近於0V的偏壓電壓VG，並使所產生的輸出電壓VOUT的電壓值可以約等於電源電壓VIN的電壓值。

依據上述的說明可知，本發明實施例的電壓產生器100可穩定的在低電源電壓的條件下進行工作，並可消除低電源電壓工作時所可能產生的漏電現象，確保電壓產生器100的低電流運作。

以下請參照圖2，圖2繪示本發明電壓產生器實施例圖1的比較器的實施方式的示意圖。比較器CMP1包括差動電路210、電晶體MP2以及電晶體MN2。差動電路210包括電晶體MDP1以及MDP2、電流源ICMP以及電晶體MDN1及MDN2。電晶體MDP1以及MDP2形成差動對，電晶體MDN1及MDN2則作為主動負載。電晶體MP2的第一端接收輸入電源VIN，電晶體MP2的第二端產生控制信號POFF，電晶體MP2的控制端接收偏壓電壓VG。另外，電晶體MN2的第一端耦接電晶體MP2的第二端，電晶體MN2的第二端耦接至參考接地電壓GND，電晶體MN2的控制端接收差動電路210的輸出結果CPS1。

電晶體MDP1以及MDP2分別接收臨界電壓VTH1以及誤差放大信號VOP以作為差動輸入信號。差動電路210並提供比較結果CPS1至電晶體MN2的控制端，並透過控制電晶體MN2的工作狀態的來調整控制信號POFF。

請參照圖3，圖3繪示本發明另一實施例的電壓產生器的示意圖。電壓產生器300包括偏壓產生器310、開關320、比較器CMP1、CMP2、偏壓電流調整器340、輸出級電路350以及邏輯運算器360。其中，偏壓產生器310、開關320、比較器CMP1、偏壓電流調整器340以及輸出級電路350分別與本發明圖1實施例中的偏壓產生器110、開關120、比較器CMP1、偏壓電流調整器140以及輸出級電路150相類似，在此不重複說明。與前述實施例不同的，電壓產生器300另設置的比較器CMP2，並透過邏輯運算器360依據比較器CMP1以及CMP2所產生的比較結果A1、A2進行邏輯運算來產生控制信號POFF。

請注意，在本實施例中，比較器CMP2接收偏壓電壓VG以及臨界電壓VTH2，並針對偏壓電壓VG以及臨界電壓VTH2進行比較以產生比較結果A2。在此，依據圖1實施例，在當電壓產生器300在低電源電壓VIN的條件下工作時，誤差放大信號VOP可具有相對大的電壓值。此時，誤差放大信號VOP的電壓值大於臨界電壓VTH1的電壓值。同時，偏壓電壓VG的電壓值可因電晶體MN1被導通而被拉低。而本實施方式中的比較器CMP2則用以判斷偏壓電壓VG是否已小於臨界電壓VTH2。透過比較器CMP1以及CMP2，本實施例中可確定在當誤差放大信號VOP的電壓值大於臨界電壓VTH1的電壓值，且偏壓電壓VG是否已小於臨界電壓VTH2時，產生控制信號POFF以使開關320被斷開以去除漏電電流。如此一來，電壓產生器300的電路穩定性及安全性可以進一步被提升。

在本實施例中，邏輯運算器360可針對比較結果A1以及A2進行邏輯及（AND）運算以產生控制信號POFF。

當然，邏輯運算器360也可以別種邏輯運算方式來針對比較結果A1以及A2進行邏輯運算。邏輯運算器360所採用的邏輯運算方式可依據比較結果A1、A2以及對應產生的控制信號POFF的邏輯準位關係來設置，沒有固定的限制。邏輯運算器360可包括一個或多個邏輯閘，其實施細節應為本領具通常知識者所熟知，在此恕不多贅述。

以下請參照圖4，圖4繪示本發明實施例圖3的比較器實施方式的示意圖。其中，比較器CMP1的實施方式與圖2繪示的實施方式相同，在此不多贅述。另外，比較器CMP2包括電晶體MP2以及電晶體MN3。其中，電晶體MP2為比較器CMP1以及CMP2所共用。電晶體MN3則與電晶體MN2並聯耦接，電晶體MN3的控制端則接收偏壓電壓VG。

在圖4中，可以清楚發現，電晶體MP2以及電晶體MN3可以形成一個反向器。在當偏壓電壓VG的電壓值大於這個反向器的臨界電壓時，可使電晶體MN3被導通（電晶體MP2被斷開）而拉低控制信號POFF的電壓值；相對的，當偏壓電壓VG的電壓值小於這個反向器的臨界電壓時，則可使電晶體MP2被導通（電晶體MN3被斷開）而拉高控制信號POFF的電壓值。由此可知，電晶體MP2以及電晶體MN3所形成反向器的臨界電壓等效於臨界電壓VTH2。

值得一提的，控制信號POFF的電壓值還受到電晶體MN2的影響，因此，要使控制信號POFF的電壓值被拉到邏輯高準位，還需要使電晶體MN2被斷開。因此，在偏壓電壓VG小於電晶體MP2以及電晶體MN3所形成反向器的臨界電壓，且誤差放大信號VOP的電壓值大於臨界電壓VTH1兩個條件同時成立下，控制信號POFF的電壓值方可被拉高到邏輯高準位。

當然，除圖4繪示的實施方式外，比較器CMP1以及CMP2也可以透過兩個獨立的比較器來建構，其中，比較器CMP1以及CMP2可透過例如圖2繪示的實施方式來建構，當然也可應用本領域具通常知識者所熟知的比較器電路來建構，沒有一定的限制。

請參照圖5，圖5繪示本發明實施例的電壓產生器的另一實施方式的示意圖。在圖5中，電壓產生器400另包括電流感測器CS1。其中，電流感測器CS1耦接至輸出級電路450並感測輸出級電路450上的輸出電流。電流感測器CS1將所感測到的輸出電流的相關資訊傳送至邏輯運算器460，並且，在當所感測到的輸出電流高於預設的電流臨界值時，將控制信號POFF拉低成邏輯低準位。因此，邏輯運算器460可透過所產生的控制信號POFF以控制開關420使其維持在導通的狀態。

請參照圖6，圖6繪示本發明實施例圖5的比較器實施例的另一實施方式的示意圖。在圖6中，比較器CMP1、CMP2並包括電晶體MNCL、電阻RSENSE以及控制電流源ISENSE。控制電流源ISENSE可鏡射輸出級電路450的輸出電流。電晶體MNCL與電晶體MN3並聯耦接，其控制端並耦接至電阻RSENSE以及控制電流源ISENSE的耦接端點。控制電流源ISENSE提供電流通過電阻RSENSE並產生感測電壓以控制電晶體MNCL，並在當感測電壓大於電晶體MNCL的臨界電壓時使電晶體MNCL被導通。如此一來可使控制信號POFF的電壓準位等於邏輯低準位，並使控制開關420使其維持在導通的狀態。

請參照圖7，圖7繪示本發明再一實施例的電壓產生器的示意圖。電壓產生器700包括開關720、偏壓產生器710、偏壓電流調整器740以及輸出級電路750。與圖1的實施例不相同的，電壓產生器700的輸出級電路750中的電阻串由多個電阻R1A、R1B以及R2串接而成。輸出級電路750中另包括旁路電晶體MN4。其中，旁路電晶體MN4用以調整電阻R1A、R1B以及R2所形成的電阻串所提供的分壓比。旁路電晶體MN4受控於控制信號POFF，並跨接於電阻R1A的兩端間。當旁路電晶體MN4導通時，依據輸出電壓VOUT所產生的回授電壓FB將會降低，相對的，當旁路電晶體MN4斷開時，依據輸出電壓VOUT所產生的回授電壓FB將會升高。

透過旁路電晶體MN4可使電壓產生器700產生磁滯保護的功效。簡單來說，依據不同邏輯準位的控制信號POFF，誤差放大器EA所接收的回授電壓FB的電壓值並不相同，可防止輸出電壓VOUT接近期望值時，開關720可能產生的不穩定的連續切換動作，提高電壓產生器700的穩定性。

值得一提的，旁路電晶體MN4也可跨接在電阻R1B的兩端，可達到相同的磁滯保護功效。且電晶體MN4與開關720的導通或斷開狀態是相反的。

以下請參照圖8，圖8繪示本發明圖7實施例的磁滯保護動作的波形圖。其中，在時間點T1之前，電壓產生器700操作於低電源電壓VIN下。隨著時間增加，電源電壓VIN遞增，隨之而生的輸出電壓VOUT因電壓產生器700的限制下，輸出電壓VOUT的電壓值小於電源電壓VIN，此時輸出電壓VOUT小於其實際可輸出的正常電壓值VNORM。另外，控制信號POFF在時間點T1前為邏輯高準位，其電壓值隨電源電壓VIN的電壓值遞增而遞增。

在時間點T1時，控制信號POFF轉換為邏輯低準位，輸出電壓VOUT的電壓值切換為小於電源電壓VIN的電壓值一個電壓差VHYS。

在時間點T2後，電源電壓VIN遞減，並在時間點T3時，電源電壓VIN遞減至約等於正常電壓值VNORM。此時，控制信號POFF轉換為邏輯高準位，並進入低電源電壓操作模式。在時間點T3後，輸出電壓VOUT的電壓值隨電源電壓VIN遞減而遞減。

綜上所述，本發明在電壓產生器中提供開關以串接在偏壓電壓產生器與電源電壓間。透過比較器依據誤差放大信號來產生控制信號，並在低電源電壓的模式下，使開關斷開以切斷所可能產生的漏電路徑，使電壓產生器在低電源電壓的條件下維持低電流工作。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100、300、400、700‧‧‧電壓產生器

110、310、410、710‧‧‧偏壓產生器

120、320、420、720‧‧‧開關

CMP1、CMP2‧‧‧比較器

140、340、440、740‧‧‧偏壓電流調整器

150、350、450、750‧‧‧輸出級電路

900‧‧‧低壓降電壓調整器

PWT‧‧‧電源端

IOP‧‧‧偏壓電流

VG‧‧‧偏壓電壓

POFF‧‧‧控制信號

VIN‧‧‧電源電壓

VOP‧‧‧誤差放大信號

VTH1、VTH2‧‧‧臨界電壓

GND‧‧‧參考接地電壓

VREF‧‧‧參考電壓

FB‧‧‧回授電壓

VOUT‧‧‧輸出電壓

MP1、MP2、MN1、MN2、MN3、MPOUT、MDP1、MDP2、MDN1、MDN2‧‧‧電晶體

EA‧‧‧誤差放大器

R1、R2‧‧‧電阻

210‧‧‧差動電路

ICMP‧‧‧電流源

CPS1、A1、A2‧‧‧比較結果

360、460‧‧‧邏輯運算器

CS1‧‧‧電流感測器

MNCL‧‧‧電晶體

RSENSE‧‧‧電阻

ISENSE‧‧‧控制電流源

R1A、R1B‧‧‧電阻

MN4‧‧‧旁路電晶體

T1~T3‧‧‧時間點

VNORM‧‧‧正常電壓值

圖1繪示本發明一實施例的電壓產生器的示意圖。圖2繪示本發明電壓產生器實施例圖1的比較器的實施方式的示意圖。圖3繪示本發明另一實施例的電壓產生器的示意圖。圖4繪示本發明實施例圖3的比較器實施方式的示意圖。圖5繪示本發明實施例的電壓產生器的另一實施方式的示意圖。圖6繪示本發明實施例圖5的比較器實施例的另一實施方式的示意圖。圖7繪示本發明再一實施例的電壓產生器的示意圖。圖8繪示本發明圖7實施例的磁滯保護動作的波形圖。圖9繪示的習知的低壓降電壓調整器的電路圖。

Claims

一種電壓產生器，包括：一偏壓產生器，耦接一電源端，接收一偏壓電流並產生一偏壓電壓；一開關，串接在該偏壓產生器耦接該電源端的路徑間，受控於一控制信號；一第一比較器，比較一誤差放大信號與一第一臨界電壓以產生一第一比較結果，並依據該第一比較結果產生該控制信號；一偏壓電流調整器，依據一參考電壓以及一回授電壓以產生該誤差放大信號，並依據該誤差放大信號調整該偏壓電流的大小；以及一輸出級電路，接收該偏壓電壓並依據該偏壓電壓產生一輸出電壓，其中，該回授電壓依據該輸出電壓來產生。
如申請專利範圍第1項所述的電壓產生器，更包括：一第二比較器，比較該偏壓電壓與一第二臨界電壓以產生一第二比較結果；以及一邏輯運算器，耦接在該開關以及該第一、二比較器間，依據該第一比較結果以及該第二比較結果以產生該控制信號。
如申請專利範圍第2項所述的電壓產生器，其中該邏輯運算器針對該第一比較結果以及該第二比較結果進行邏輯及運算以產生該控制信號。
如申請專利範圍第2項所述的電壓產生器，更包括：一電流感測器，耦接該輸出級電路，用以感測該輸出級電路的一輸出電流。
如申請專利範圍第4項所述的電壓產生器，其中該運算器更依據該輸出電流以產生該控制信號。
如申請專利範圍第5項所述的電壓產生器，其中該運算器在該輸出電流大於一臨界電流值時，產生該控制信號以導通該開關。
如申請專利範圍第2項所述的電壓產生器，其中該第一比較器包括：一差動電路，接收該誤差放大信號與該第一臨界電壓，並產生一差動輸出信號；一第一電晶體，其第一端接收一電源端，該第一電晶體的第二端產生該第一比較結果，該第一電晶體受控於該偏壓電壓；一第二電晶體，其第一端耦接至該第一電晶體的第二端，該第二電晶體的第二端耦接至一參考接地電壓，該第二電晶體受控於該差動輸出信號。
如申請專利範圍第7項所述的電壓產生器，其中該第二比較器包括：該第一電晶體；以及一第三電晶體，其第一端耦接至該第一電晶體的第二端，該第三電晶體的第二端耦接至該參考接地電壓，該第三電晶體受控於該偏壓電壓，其中，該第三電晶體與該第一電晶體形成的反向器的臨界電壓為該第二臨界電壓。
如申請專利範圍第1項所述的電壓產生器，其中該偏壓電流調整器包括：一電晶體，其第一端接至該偏壓產生器並接收該偏壓電壓，該電晶體的第二端耦接至一參考接地端，該電晶體並受控於該誤差放大信號；以及一誤差放大器，耦接至該電晶體，依據該參考電壓以及該回授電壓的差以產生該誤差放大信號。
如申請專利範圍第1項所述的電壓產生器，其中該輸出級電路包括：一電晶體，其第一端耦接至一電源端，該電晶體的控制端接收該偏壓電壓，該電晶體的第二端產生該輸出電壓；以及一電阻串，具以多數個相互串連的電阻，耦接在該電晶體的第二端以及一參考接地端間，針對該輸出電壓進行分壓並產生該回授電壓。
如申請專利範圍第10項所述的電壓產生器，其中該輸出級電路更包括：一旁路電晶體，其第一端及第二端跨接在該些電阻的至少其中之一的兩端點間，該旁路電晶體受控制該控制信號，其中，該輸出級電路透過調整該旁路電晶體的導通或斷開狀態以調整該回授電壓的電壓值。