TWI300170B - Low-dropout voltage regulator - Google Patents

Description

13 00 llSflwf.doc/g 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是關於一種低壓降線性穩壓器（low drop_out voltage regulator)，且特別是關於一種適用於手持式電子妒 置的低壓降線性穩壓器。 【先前技術】 由於手持式電子裝置的應用越來越廣泛，對於電池使 用時間的要求也越來越長。若是能夠讓整個系統的靜態電 ® 流(quiescent current)消耗減少，就能延長手持式電子裝置 的使用時間。然而在一般的低壓降線性穩壓器中，其靜熊 電流並不會隨著負載電流的改變而改變。 ’、^ 舉例而5，响參知圖1繪示的傳統低壓降線性穩壓器 100。低壓降線性穩壓器1〇〇接收參考電壓Vref，提供輸 出電壓Vout。因為緩衝器(buffer) 1〇1消耗的電流幾乎是: 疋不、交，所以整個電路在輕負載時（也就是電阻器&的負 載電流較小時）消耗的靜態電流仍具有一定的比例以上。 • 這個持續的耗電會縮短手持式電子裝置的使用時間。 【發明内容】 、本叙明的目的是在提供一種低壓降線性穩壓器，可以 減少在輕負載時消耗的靜態功率，進而延長手持式裝置的 使用時間。 〇為達成上述及其他目的，本發明提出一種低壓降線性 穩壓器，包括回饋電路、運算放大器（〇perati〇nampnf㈣、 % ;電路(transconductor)、電流鏡(current mirror)、以及功 6 I3〇〇llc/g 率電晶體(power transistor)。其中，回饋電路根據功率電晶 體提供的電流大小，提供輸出電壓。運算放大器以反相輸 入端（inverting input)耦接於回饋電路，以正相輸入端 (non-inverting input)接收參考電壓。跨導電路麵接於運算 放大為的輸出端，根據運算放大器的輸出電壓，決定電流 鏡輸入跨導電路的電流大小。電流鏡耦接於跨導電路，驅 動功率電晶體。最後，功率電晶體耦接於電流鏡與回饋電 路之間，提供電流至回饋電路。 上述之低壓降線性穩壓器，在一實施例中，電流鏡輸 入跨導電路的電流大小為運算放大器的輸出電壓的遞增函 數（increasing function)。 上述之低壓降線性穩壓器，在一實施例中，上述的功 率電晶體為功率金氧半場效電晶體（p〇wer metal 〇xide semiconductor field effect transistor，簡稱為 power MOSFET) 〇 上述之低壓降線性穩壓器，在一實施例中，上述之低 丨 壓降線性穩壓器更包括補償電容器（C〇mpensati〇n capacit〇r) 以及補償電路(compensation network)。補償電容器的一端 耦接於運算放大器的輸出端，另一端接地。補償電路則耦 接於回饋電路的輸出電壓與運算放大器的反相輸入端之 間。其中，補償電容器造成低壓降線性穩壓器的迴圈增益 (loop gain)的一個極點(p〇le)，補償電路造成上述迴圈增益 的一個零點(zero)，而且上述極點與上述零點影響迴圈增益 的單位增益頻率(unit-gain freqUenCy)，使迴圈增益的相位 13001¾ twf.doc/g 邊際(phase margin)大於零。 上述之低壓降線性穩壓器，在一實施例中，上述補償 電路為電壓控制電流轉換器(v〇ltage_to-current 。 依照本發明的較佳實施例所述，本發明提出的低壓降 線性穩壓器因為使用電流鏡做為緩衝器，所以當負載電流 變大時，電流鏡的電流就會變大，而當負載電流變小時^ 電流鏡的電流就會變小。因此當電路操作在輕負載的時 候，消耗的靜態電流會隨著減少。也就是說，本發明可以 減少在輕負載時消耗的靜態功率，進而延長手持式裝置的 使用時間。 為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯 易懂，下文特舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖式， 作禅細說明如下。 【實施方式】 圖2為根據於本發明一實施例的低壓降線性穩壓器 200的電路示意圖。低壓降線性穩壓器2〇〇的作用是接收 參考電壓VREF，提供穩定的輸出電壓v〇ut。在圖2當中， 除了負載笔阻器Rl以外的電路’都是低壓降線性穩壓器 200的一部分。更明確的說，低壓降線性穩壓器2〇〇包括 回饋電路204、運算放大器〇p、跨導電路202、電流鏡201、 功率電晶體MPW、串接電路203、補償電容器CC0MP、以 及補償電路205。低壓降線性穩壓器200的主體是由回鑛 電路204、運算放大器〇p、跨導電路202、電流鏡201、 以及功率電晶體MPW組成的回饋迴圈（fee(jback loop)，至 8 13 00 doc/g 於補償電容器CC0MP和補償電路205，主要用途是提高整 個穩壓器200的穩定度。 回饋電路204耦接於功率電晶體MPW&及運算放大器 OP之間’根據功率電晶體]\41^輸入的電流大小，提供輸 出電壓Vout’並且提供回饋電壓VFB至運算放大器Qp 的反相輸入端。在本實施例中，因為輸出電壓V〇ut不等於 參考電壓VREF，而回饋電壓VFB必須很接近參考電壓 VREF，所以回饋電路204實際上是一個分壓電路~〇1仏狀 divider)，以接收輸出電壓Vout並維持輸出電壓v〇ut和回 饋電壓VFB之間的比例關係。為達到分壓的目的，回饋電 路204是由電阻器R1及R2組成。電阻器R1的一端耦接 於回饋電壓VFB，也就是運算放大n Qp的反相輸入端， 另一立而接地。電阻為R2則麵接於輸出電壓v〇ut與回饋電 壓VFB之間。從圖2不難看出，輸出電壓v〇ut和回饋電 壓 VFB 之間的比例為 Vout = (1 + R2/R1) * vfb。 運异放大為OP以反相輸入端|馬接於回饋電路204， 以正相輸人端減參考㈣VREF ^跨導電路搬則搞接 於運算放大器OP的輸出端與電流鏡201之間。跨導電路 202的作用是將運算放大器〇P輸出的電壓信號轉換為回 饋電，204接受的電流信號。實際上，跨導電路2〇2會根 據運异放mp的輸出電壓，決定電流鏡則輸入跨導 電路202的電流大小，進而控制功率電晶體Mpw輸入回鑛 電路204的電流大小與輸出至負載電阻器&之電流大小。、 在本實施例中，跨導電路2〇2包括N型金氧半場效電 9 1300 doc/g 晶體（n-channel MOSFET，以下簡電晶體）Mi 與M2。NMOS電晶體Ml與M2的汲極(drain)皆輕接於電 流鏡201，閘極(gate)皆耦接於運算放大器〇p的輸出端， 源極(source)皆接地。因此電流鏡2〇丨輸入跨導電路2〇2的 電流大小是運异放大器OP的輸出電壓的遞增函數。 電流鏡201耦接於跨導電路2〇2與功率電晶體Mpw之 間，負責驅動功率電晶體MPW。在本實施例中，電流鏡2〇1 為廣範圍串璺式電流鏡（wide_swing casc〇(je current 馨 mirror)。然而在本發明的範圍中，可以使用任何種類的電 鏡’例如較單純的串疊式電流鏡(casc〇(je current mirr〇r)。 功率電晶體MPW耦接於電流鏡201與回饋電路2〇4 之間’負責提供電流至回饋電路2〇4與負載電阻器。在 本實施例中，功率電晶體Mpw為功率金氧半場效電晶體。 由圖2可以看出，功率電晶體Mpw和p型金氧半場效電晶 體（p-channd MOSFET，以下簡稱pm〇S電晶體）M6的 源極、閘極與没極各自連接，所以功率電晶體Mpw* pM〇s # 電晶體M6可視為同一顆電晶體。而且功率電晶體MPW的 尺寸大於PM〇S電晶體M6，導通時的電阻也較低。結果 就是’功率電晶體MPW*電流鏡201的組合等於一個電流 放大器，會將電流鏡201輸入NMOS電晶體Ml的電流放 大之後，從功率電晶體Mpw輸入回饋電路2〇4及負載電阻 器Rl。 低壓降線性穩壓器200的穩壓功效是由回饋電路 204、運算放大器〇p、跨導電路2〇2、電流鏡2〇卜以及功 I3001i73Qtwf.d〇c/g 率電晶體MPW組成的回饋迴圈達成。為了降低輕負載時的 靜態電流，本發明以電流鏡取代傳統的緩衝器。然而，電 流鏡會使穩壓器200的信號路徑多出一個極點，而且這個 極點會隨負載電流（流經負載電阻器rl的電流）的大小而 受動’所以需要補償電容器Ccomp以及補償電路205配合 串接電路203來做補償。 串接電路203是電阻器與電容器串接而成的簡單電 路，一端輕接於輸出電壓Vout，另一端接地，主要功能為 .造成穩壓态200的主極點(dominant pole)。補償電容器 Cc0MP的一端耦接於運算放大器〇p的輸出端，另一端接 地，會使低壓降線性穩壓器200的迴圈增益再增加一個極 點（不同於串接電路203與電流鏡201造成的極點）。補 償電路205耦接於輸出電壓v〇ut與運算放大器OP的反相 輸入端之間，會使上述的迴圈增益增加一個零點。在本實 施例中，補償電路205是一個電壓控制電流轉換器。補償 電容器（^⑺⑽造成的極點和補償電路205造成的零點會影 ，響上述迴圈增盈在波德圖(bode plot)的單位增益頻率，使上 述迴圈增益的相位邊際大於零，如此穩壓器2〇〇才會穩定。 本實施例對於靜態電流消耗的改進請參照圖3，圖3 為本實施例和先前技術的靜態電流Iq對負載電流II的比較 圖。先鈾技術的電流比較曲線標示為301，本實施例的電 流比較曲線標示為302。由圖3可知，本實施例與先前技 術相比，在低負載時大約可減低一半的靜態電流Iq。 綜上所述，本發明提出的低壓降線性穩壓器因為使用 :二::緩:!，所以當負載電流變大時’電流鏡的電 小。因此Ϊ * 載電流變小時，電流鏡的電流就會變 隨著減少二在，載的時候’雜的靜態電流會 靜態功率，ΐ% ’本㈣可以減少在㈣载時消耗的 、、’進而延長手持式裝置的使用時間。 限定日ΐ發Γ已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以

和熟f此技，在不_本發明之精神 …^内’當可作些許之更祕潤飾，因此本發明之保鑊 靶圍S視後附之申請專利範圍所界定者為準。 ’、 【圖式簡單說明】 圖1為先前技術的低壓降線性穩壓器的電路圖。 圖2為根據於本發明一實施例的低壓降線性 電路圖。 心1。口的 圖3為先前技術與本發明一實施例的靜態電流血 電流的比較圖。 /、 m 【主要元件符號說明】

CC〇MP :補償電容器

Ml〜M6 :金氧半場效電晶體 MPW :功率電晶體 OP :運算放大器

Rl、R2、Rl :電阻器 100 :低壓降線性穩壓器 101 :緩衝器 200 :低壓降線性穩壓器 12 I3001i2^wfd()C/g 201 :電流鏡 202 :跨導電路 203 :串接電路 204 :回饋電路 205 :補償電路

Claims (1)

13001激 f.doc/g 十、申請專利範圍： 1.一種低壓降線性穩壓器，包括： 一回饋電路； 運《η*放大為，以一反相輸入端搞接於該回饋電路， 以一正相輸入端接收一參考電壓； ~ $電路’麵接於該運算放大器的輸出端； 一電流鏡，耦接於該跨導電路；以及 一功率電晶體，耦接於該電流鏡與該回饋電路之間， 提供電流至該回饋電路；其中 該回饋電路根據該功率電晶體提供的電流大小，提供 一輸出電壓； 該跨導電路根據該運算放大器的輸出電壓，決定該電 流鏡輸入該跨導電路的電流大小； 兒 該電流鏡驅動該功率電晶體。 2·如申請專利範圍第1項所述之低壓降線性穩壓器， 其中δ亥回饋電路更接收該輸出電壓，並輸出一回饋電壓至 該運算放大器的反相輸入端，該回饋電壓與該輸出電壓之 間保持一個固定的預設比例。 3·如申請專利範圍第2項所述之低壓降線性穩壓器， 其中該回饋電路更包括： 土°° 一第一電阻器，一端耦接於該回饋電壓，另—端 地；以及 @ 一第二電阻器，耦接於該輸出電壓與該回饋電 間。 、 14 BOOl^Q, twf.doc/g 4·如申請專利範圍第1項所述之低壓降線性穩壓器， 其中該電流鏡輸入該跨導電路的電流大小為該運算放大器 的輸出電壓的遞增函數。 5·如申睛專利範圍第4項所述之低壓降線性穩壓器， 其中該跨導電路更包括： 一第一金氧半場效電晶體；以及 一第二金氧半場效電晶體； 么上述兩個&氧半场效電晶體的汲極皆耗接於該電流 叙閘極皆摩馬接於該運算放大器的輸出端，源極皆接地。 6·如申％專利範圍第5項所述之低壓降線性穩壓器， 2該功率電晶體輸人該回饋電路的電流與該電流鏡輸入 ^弟一金氧半場效電晶體的電流成正比。 ^如申μ專利範圍第6項所述之低壓降線性穩壓器， 力率，日日體輸人该回饋電路的電流大於該電流鏡輪 该弟一金氧半場效電晶體的電流。 睛寻利範圍外i項 其中該電流鏡為串疊式電流鏡 9·如h專利顧第丨項所述之低壓降線性穩壓器， /、中該電流鏡為廣範圍串疊式電流鏡。 。 如中請專利範圍第i項所述之低壓降線性穩壓 。。’八中柄率電晶體為功率金氧半場效電晶體。 器，ίΐ括申4專利範圍第1項所述之低壓降線性穩壓 一補償電容器…端祕於該運算放大器的輸出端， I3〇〇ll-g 另一端接地；以及 一補償電路，耦接於該輸出電壓與該運算放大器的反 相輸入端之間；其中 該補償電容器造成該低壓降線性穩壓器的迴圈增益 的一極點，該補償電路造成該迴圈增益的一零點，該極點 與該零點影響該迴圈增益的單位增益頻率，使該迴圈增益 的相位邊際大於零。 12.如申請專利範圍第11項所述之低壓降線性穩壓 > 器，其中該補償電路為電壓控制電流轉換器。 _ 16