TWI363264B - Low dropout regulator and the over current protection circuit thereof - Google Patents

Description

1363264 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種過電流保護電路，尤指一種應用於低 壓降穩壓器（low dropout regulator)之過電流保護電路。 【先前技術】 低壓降穩壓器係一種直流線性穩壓器，其用以提供一稍 微低於其輸入電壓之輸出電壓。然而，就如同多數電源供 應電路，低壓降穩壓器亦需要一過電流保護機制以防止其 輸出過大的電流使其本身或其負載電路發生損壞。圖丨顯示 一習知的低壓降穩壓器及其過電流保護電路。該低壓降穩 壓器100包含一N型功率電晶體110、一誤差放大器12〇以及 電阻130和140 ’並連接至一負載電路16〇。該過電流保護電 路150包含一限流放大器151、一電流源152、電阻153和154 以及一N型電晶體155。 如圖.1所示，該N型功率電晶體110之源極連接至該負載電 路160,而其閘極連接至該誤差放大器12〇之輸出端。該電 阻130之一端連接至該n型功率電晶體11〇之源極，而其另一 端連接至該誤差放大器120之負輸入端。該電阻丨4〇之一端 連接至該誤差放大器120之負輸入端，而其另一端接地。該 誤差放大器120之正輸入端連接至一帶隙電壓（bandgap voltage)。該電阻153將一供應電壓連接至該n型功率電晶體 110之汲極。該電阻154將該供應電壓連接至該限流放大器 151之正輸入端，且該電流源M2連接至該限流放大器15ι 之正輸入端。該N型電晶體155之閘極則連接至該限流放大

9706A11TW 1363264 益151之輸出端，其源極接 而其汲極連接至該誤差放大 器120之輸出端。 該電流源152流經一固定電产τ 疋电机I丨，故該電阻154之跨壓為 一固定電IVA。當流經前型功率電晶體⑽之電流超過一 臨界值時，亦即該電阻153之枝Vb超過該電阻154之跨壓 VA時，該限流放大器151輸出一高電堡以啟動該_電晶體 155該N型電晶體155便將該N型功率電晶體⑽之閉極電 壓下拉以關閉額型功率電晶體UG，達到過電流保護的目 的0 然而，由於該N型功率電晶體11〇之輸出電流等於流經該 電阻153之電流，該電阻153之跨壓Vb亦相當可觀。因此， 該低壓降穩壓器100之供應電壓和輸出電壓之電壓差會因 該電阻153之跨壓VB而大幅增加，反而和該低壓降穩壓器 100所欲提供之功能相牴觸。另一方面，流經該電阻丨53之 電OIL會轉換成熱而造成晶片溫度提高，進而影響表,現以及 產生散熱問題" 基於習知技術的缺點’實有必要設計一低壓降穩壓器及 其過電流保護電路’其不但可保護該低壓降穩壓器不受過 電流之影響，也不會增加該低壓降穩壓器之輸出入電壓差 或造成散熱問題。 【發明内容】 本發明之一實施例之應用於低壓降穩壓器之過電流保護 電路，其中該低壓降穩壓器包含一功率電晶體，該過電流 保護電路包含一感應電晶體、一感應電阻、一參考電壓電

9706A11TW 1363264 路、一運算放大器和一第一電晶體。該感應電晶體用以感 應流經該功率電晶體之電流。該感應電阻連接至該感應電 晶體，共享流經該感應電晶體之電流。該運算放大器根據 該感應電阻之跨壓和該參考電壓電路所提供之一參考電壓 輸出一控制訊號。該第一電晶體根據該運算放大器之輸出 控制訊號控制該功率電晶體。 本發明之另一實施例之應用於低壓降穩壓器之過電流保 護電路，包含一感應電晶體、一感應電阻、一電流源、— 第一電流鏡電路、一第二電流鏡電路、一第一電阻和一第 一電晶體。該感應電晶體用以感應流經該功率電晶體之電 流。該感應電阻連接至該感應電晶體’共享流經該感應電 晶體之電流。該第一電流鏡電路連接至該電流源以形成一 第一電流路徑和一第二電流路徑。該第二電流鏡電路連接 至該第一電流鏡電路以形成該第一電流路徑和該第二電流 路徑。該第一電阻連接至該第二電流鏡電路以形成該第一 電流路徑。該第一電晶體根據該感應電阻和該第一電阻之 跨壓控制該功率電晶體。 本發明之另一實施例之具備過電流保護機制的低壓降穩 壓器，包含一N型功率電晶體、一誤差放大器、一感應電 晶體、-感應電阻、一電流源、一第一電流鏡電路、一第 二電流鏡電路、-第-電阻和—第—f晶冑。制型功率 電晶體线極直接連接至__供應電連接p 回饋電路。該誤差放大器之正輸人端連接至—參考電壓， 其負輸入端連接至該回饋電路’而其輸出端連接至該功率

9706A11TW -8 - 1363264 電晶體之間極。該感應電晶體用以感應流經該功率電晶體 之電流。該感應電阻連接至該感應電晶體，共享流經該感 應電晶體之電流。該第一電流鏡電路連接至該電流源以形 成一第一電流路徑和一第二電流路徑。該第二電流鏡電路 連接至該第一電流鏡電路以形成該第一電流路徑和該第二 電流路徑。該第一電阻連接至該第二電流鏡電路以形成該 第一電流路徑。該第一電晶體根據該感應電阻和該第一電 阻之跨壓控制該功率電晶體。

【實施方式】

圖2顯示本發明之一實施例之低壓降穩壓器及其過電流 保護電路。該低壓降穩壓器200包含一功率電晶體210、一 誤差放大器220以及一回饋電路230，並連接至一電容240 和一負載電路260。該功率電晶體210為一 N型電晶體，其源 極連接至該負載電路260、該電容240和該回饋電路230,其 汲極連接至一供應電壓，而其閘極連接至該誤差放大器220 之輸出端。該誤差放大器220之正輸入端連接至一參考電壓 VBG，而其負輸入端連接至該回饋電路230。該回饋電路230 包含電阻231和232。該電阻231之兩端分別連接至該功率電 晶體210之源極和該誤差放大器220之負輸入端。該電阻232 將該誤差放大器220之負輸入端接地。 該過電流保護電路250包含一感應電阻251、一感應電晶 體252、一運算放大器253、一第一電晶體254和一參考電壓 電路255。該感應電晶體252為一 N型電晶體，其閘極連接至 該功率電晶體210之閘極，其源極連接至該功率電晶體210

9706A11TW 1363264 之源極。該感應電阻251之兩端分別連接至該供應電壓和該 感應電晶體252之汲極。該第一電晶體254為一N型電晶體， 其汲極連接至該感應電晶體252之閘極，其閘極連接至該運 算放大器253之輸出端，而其源極接地。該運算放大器253 之負輸入端連接至該感應電晶體252之汲極，其正輸入端連 接至該參考電壓電路255所提供之一參考電壓VF。該參考電 壓電路255包含一第一電阻256和一電流源257。該第一電阻 256之一端連接至該供應電壓，另一端連接至該電流源257 和該運算放大器253之正輸入端。該電流源257流經一固定 電流，並於該運算放大器253之正輸入磕產生一參考電壓 VF。 . 該感應電晶體252之尺寸比例為該功率電晶體210之1/K 倍’故流經該感應電晶體252之電流Isen亦為流經該功率電 晶體210之電流IL0AD的1/K倍。當該低壓降穩壓器200操作於 正常模式時，該運算放大器253之輸出為一低電壓，而該第 一電晶體254處於一非啟動狀態。當流經該功率電晶體210 之電流Iload超過一臨界值時，亦即該感應電阻251之跨壓 (ISEN乘上該感應電阻251之阻值）超過一臨界值時，該運算 放大器253之正輸入端電壓大於負輸入端電壓。此時，該運 算放大器253輸出一高電壓啟動該第一電晶體254,該第一 電晶體254之汲極電壓被下拉至一低電壓，進而限制流經該 功率電晶體210之電流，達到過電流保護的目的。 比較習知技術以及本實例之低壓降穩壓器200和其過電 流保護電路250，本實施例之低壓降穩壓器200仍維持於一 9706A11TW -10- 1363264 低壓降之輸出入電壓差，並不受到該過電流保護電路250 之影響。另一方面，由於該電流ISEN很小，故其流經電路時 所產生的熱並不會對晶片造成影響。此外，該電流ISEN係輸 出至該負載電路260，故並不計入該過電流保護電路250本 身之下地電流。 圖3顯示本發明之另一實施例之低壓降穩壓器及其過電 流保護電路《該低壓降穩壓器300之結構和該低壓降穩壓器 200之結構相同，包含一功率電晶體310、一誤差放大器32〇 以及一回饋電路330’並連接至一電容340和一負載電路 360。該回饋電路330包含電阻331和332。 該過電流保護電路350係將該過電流保護電路250進一步 簡化’並包含一感應電晶體351、一感應電阻352、一第一 電阻353、一第一電流鏡電路354、一第二電流鏡電路355、 一第一電晶體356和一電流源357 ^該第一電流鏡電路354 包含一第二電晶體3541、一第三電晶體3542和一第四電晶 體3543。該第二電流鏡電路355包含一第五電晶體3551和一 第六電晶體3552。 該感應電晶體351為一 N型電晶體，其閘極連接至該功率 電晶體310之閘極’而其源極連接至該功率電晶體31〇之源 極.。該感應電阻352之兩端分別連接至一供應電壓和該感應 電晶體351之汲極。該第一電晶體356為一N型電晶體，其没 極連接至該感應電晶體351之閘極，而其源極接地。該第二 電晶體354卜該第三電晶體3542和該第四電晶體3543皆為N 型電晶體’且三者尺寸匹配。該第二電晶體3541之汲極連 9706A11TW -11 - 1363264 接至其閘極，而其源極接地。該第三電晶體3542之汲極連 接至該第-電晶體356之閘極，其閘極連接至該第二電晶體 3541之閘極，而其源極接地。該第四電晶體乃“之閘極連 接至該第二電晶體3541之閘極，而其源極接地。該電流源 357之輸出端連接至該第二電晶體3541之汲極。 該第五電晶體3551和該第六電晶體3552皆為ρ型電晶 體，且兩者尺寸匹配。該第五電晶體3551之閘極連接至該 第六電晶體3552之閘極，而其汲極連接至和該第三電晶體 3542之汲極。該第六電晶體3552之閘極連接至其汲極，而 其源極連接至該感應電晶體351之汲極。該第一電阻353之 兩端分別連接至該供應電壓和該第五電晶體3551之源極。 如圖3所示，該第一電阻353、該第五電晶體3551和該第 三電晶體3542構成一第一電流路徑，而該第六電晶體Μ” 和該第四電晶體3543構成一第二電流路徑。 該感應電晶體351之尺寸比例為該功率電晶體31〇之"κ 倍，故流經該感應電晶體351之電流Isen亦為流經該功率電 晶體310之電流1[0八〇的丨化倍。該感應電阻352之阻值遠小於 該第一電阻3 5 3之阻值。該電流源3 5 7用以提供一固定電流 ιΑ流經該第二電晶體3541，再經由該第一電流鏡電路354使 得流經該第三電晶體3542和該第四電晶體3543之電流值亦 為ιΑ。同理，流經該第五電晶體3551和該第六電晶體3552 之電流值亦為IA。 當該抵壓降穩壓器300操作於正常模式時，該電流“⑼於 該感應電阻352所形成之跨壓可忽略不計。又，由於該感應 9706A11TW 12 1363264 電阻352之阻值遠小於該第一電阻353之阻值❶該感應電阻 352之跨壓遠小於經該第一電阻353之跨壓。因此，該第三 電晶體3542之閘極至源極電壓差遠大於該第五電晶體3551 之閘極至源極電壓差，故該第五電晶體3551處於非啟動狀 態。此時’該第五電晶體3551無法提昇其汲極電壓，故該 第一電晶體356處於非啟動狀態。 當該功率電晶體310之輸出電流iL〇AD大於一臨界值時，其 對應的電流ISEN於該感應電阻352形成一足夠的跨壓，進而 提高該第五電晶體3551之閘極至源極電壓差而足以啟動該 第五電晶體3551。此時，該第五電晶體3551之汲極電壓亦 被提昇而足以啟動該第一電晶體356。該第一電晶體356被 啟動後便降低其汲極電壓，亦即該功率電晶體3丨〇之閘極電 壓’故限制住其輸出電流IL〇AD，達到過電流保護的目的。 比較習知技術以及本實例之低壓降穩壓器300和其過電 流保護電路350 ’本實施例之低壓降穩壓器300仍維持於一 低壓降之輸出入電壓差，並不受到該過電流保護電路35〇 之影響。另一方面，由於該電流ISEN很小，故其流經電路時 所產生的熱並不會對晶片造成影響◦此外，該電流13印係輸 出至該負載電路360，故並不計入該過電流保護電路350本 身之下地電流。 本發明之技術内容及技術特點已揭示如上，然而熟悉本 項技術之人士仍可能基於本發明之教示及揭示而作種種不 背離本發明精神之替換及修飾。因此，本發明之保護範圍 應不限於實施例所揭示者，而應包括各種不背離本發明之 9706A11TW -13- 1363264 替換及修飾，並為以下之申請專利範圍所涵蓋。 【圖式簡單說明】 圖1顯示一習知的低壓降穩壓器及其過電流保護電路； 圖2顯示本發明之一實施例之低壓降穩壓器及其過電流 保護電路；及 圖3顯示本發明之另一實施例之低壓降穩壓器及其過電 流保護電路。 【主要元件符號說明】 100 低壓降穩壓器 110 功率電晶體 120 誤差放大器 130 電阻 140 電阻 150 過電流保護電路 151 限流放大器 152 電流源 153 電阻 154 電阻 155 電晶體 160 負載電路 200 低壓降穩壓器 210 1力率電晶體 220 誤差放大器 230 回饋電路 231 電阻 232 電阻 240 電容 250 過電流保護電路 251 電阻 252 感應電晶體 253 運算放大器 254 電晶體 255 參考電壓電路 256 電阻 9706A11TW -14- 1363264

257 電流源 260 負載電路 300 低壓降穩壓器 310 功率電晶體 320 誤差放大器 330 回饋電路 331 電阻 332 電阻 340 電容 350 過電流保護電路 351 感應電晶體 352 電阻 353 電阻 354 電流鏡電路 3541 電晶體 3542 電晶體 3543 電晶體 355 電流鏡電路 3551 電晶體 3552 電晶體 356 電晶體 360 負載電路

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Claims (1)

1363264 十、申請專利範圍： —種應用於低壓降穩壓器之過電流保護電路，其中該低 壓降穩壓器包含一功率電晶體，該過電流保護電路包含： 一感應電晶體’用以感應流經該功率電晶體之電流； 一感應電阻’連接至該感應電晶體，共享流經該感應 電晶體之電流； 一運算放大器，根據該感應電阻之跨壓和一參考電壓 而輸出一控制訊號；以及 一第一電晶體，根據該運算放大器之輸出控制訊號控 制該功率電晶體。 2·根據請求項1之過電流保護電路，其中該功率電晶體、該 感應電晶體和該第一電晶體皆為N型電晶體。 3. 根據請求項2之過電流保護電路，其中該感應電晶體之源 極連接至該功率電晶體之源極，而其閘極連接至該功率 電晶體之閘極。 4. 根據請求項2之過電流保護電路，其中該感應電阻之一端 連接至該功率電晶體之汲極和一供應電壓，另_端連接 至該感應電晶體之汲極。 5. 根據請求項2之過電流保護電路，其中該運算放大器之負 輸入端連接至該感應電晶體之汲極，而其正輸入端連接 至該參考電壓電路所提供之一參考電壓。 6. 根據請求項2之過電流保護電路，其中該第一電晶體之汲 極連接至該感應電晶體之閘極，其閘極連接至該運算放 大盜之輸出端’而其源極接地。 9706A11TW 16 1363264 7.根據請求項1之過電流保護電路，其中該參考電壓電路包 含： 一第一電阻，其一端連接至一供應電壓，另一端連接 至該運算放大器之正輸入端；以及 一電流源，連接至該運算放大器之正輸入端。 一種應用於低壓降穩壓器之過電流保護電路，其中該低 壓降穩壓器包含一功率電晶體，該過電流保護電路包含： 感應電晶體，用以感應流經該功率電晶體之電流； 一感應電阻，連接至該感應電晶體，共享流經該感應 電晶體之電流； 一電流源； 一第—電流鏡電路，連接至該電流源以形成一第一電 流路徑和一第二電流路徑； -第二電流鏡電連#至該第一電流鏡電路以形成 該第一電流路徑和該第二電流路徑；

第電阻，連接至該第一電流鏡電路以形成該第一 電流路徑；以及 一第—電晶體，根據該感應電阻和該第一電阻之跨壓 控制該功率電晶體。 其中該功率電晶體和該 其中該感應電晶體之源 而其閘極連接至該功率 9.根據請求項8之過電流保護電路， 感應電晶體皆為N型電晶體。 1 〇.根據請求項9之過電流保護電路， 極連接至該功率電晶體之源極， 電日日體之閘極。 9706AI1TW 17 〇 ^63264 η·根據請求項9之過電流保護電路，其中該感應電随之一端 連接至該功率電晶體之汲極和一供應電壓，另一端連接 至該感應電晶體之汲極。 12.根據請求項9之過電流保護電路，其中該第一電流鏡電路 包含： 一第二電晶體，其汲極連接至該電流源之輸出端，其 閘極連接至其汲極，而其源極接地； 一第三電晶冑’其及極連接至該第二電流鏡電路，其 閘極連接至該第二電晶體之閘極，而其源極接地；以及 一第四電晶體’其没極連接至該第二電流鏡電路，其 閘極連接至該第三電晶體之閘極，而其源極接地； 其中該第二電晶體、該第三電晶體和該第四電晶體皆 為Ν型電晶體，且其尺寸互相匹配。 13·根據請求項12之過電流保護電路’其中該第二電流鏡電 路包含： 一第五電晶體，其汲極連接至該第三電晶體之汲極， 而其源極連接至該第一電阻；以及 一第六電晶冑，其汲極連接至其閘極和該第四電晶體 之沒極，其閘極連接至該第五電晶體之閘極，而其源極連 接至該感應電晶體之汲極； 其中該第五電晶體和該第六電晶體皆為卩型電晶體，且 其尺寸互相匹配。 14.根據請求項13之過電流保護電路，其中該第—電晶體為 一Ν型電晶體，其汲極連接至該感應電晶體之閘極Μ其閉 9706A11TW 18 極連接至該第五電晶體之汲極，而其源極接地。 15. —種具備過電流保護機制的低壓降穩壓器，包含： 一N型功率電晶體，其汲極直接連接至一供應電壓，而 其源極連接至一回饋電路； 一誤差放大器，其正輸入端連接至一參考電壓，其負 輸入端連接至該回饋電路，而其輸出端連接至該功率電晶 體之閘極； 一感應電晶體’用以感應流經該功率電晶體之電流； 一感應電阻，連接至該感應電晶體，共享流經該感應 電晶體之電流； 一電流源； 一第一電流鏡電路，連接至該電流源以形成一第一電 流路徑和一第二電流路徑； 一第二電流鏡電路’連接至該第一電流鏡電路以形成 該第一電流路徑和該第二電流路徑； 一第一電阻’連接至該第二電流鏡電路以形成該第一 電流路徑；以及 一第一電晶體，根據該感應電阻和該第一電阻之跨塵 控制該功率電晶體。 16.根據請求項15之低壓降穩壓器，其中該感應電晶體為一N 型電晶體。 17·根據請求項16之低壓降穩壓器，其中該感應電晶體之游 極連接至該功率電晶體之源極，而其閘極連接至該功率 電晶體之閘極。 9706A11TW 19 1363264 18.根據請求項16之低壓降穩壓器，其中該感應電阻之一端 連接至該功率電晶體之沒極和一供應電壓，另一端連接 至該感應電晶體之〉及極。 19·根據請求項16之低壓降穩壓器，其中該第一電流鏡電路 包含： 一第二電晶體，其汲極連接至該電流源之輸出端，其 間極連接至其汲極，而其源極接地； 一第三電晶體，其汲極連接至該第二電流鏡電路，其 閘極連接至該第二電晶體之閘極，而其源極接地；以及 一第四電晶體，其汲極連接至該第二電流鏡電路，其 閘極連接至該第三電晶體之閘極，而其源極接地； 其中該第二電晶體、該第三電晶體和該第四電晶體皆 為N型電晶體，且其尺寸互相匹配。 ，其中該第二電流鏡電路 20·根據請求項19之低壓降穩壓器 包含： -第五電晶體，其沒極連接至該第三電晶體之汲極， 而其源極連接至該第一電阻；以及 -第六電晶體，其没極連接至其閘極和該第四 之沒極，其閘極連接至該第五電晶體之間極 ^ 接至該感應電晶體之汲極； ，、原極連 其中該第五電晶體和該第六電晶體皆為p型電晶體， 其尺寸互相匹配。 且 21.根據請求項20之低壓降穩壓器，其中該第一電晶體二 型電晶體，其没極連接至該感應電晶 :N 歷之閘極，其閘極 9706A11TW Ί363264 連接至該第五電晶體之汲極’而其源極接地。 22.根據請求項15之低虔降穩屋器，其中該回饋電路包含 一第二電阻，其一端連接至該功率電晶體之源極， 一端連接至該誤差放大器之負輸入端；以及 一第三電阻，其一端連接至該誤差放大器之負輸 端，另一端接地。 9706A11TW 21