TWI395078B - 穩壓器 - Google Patents

Description

穩壓器

本發明是有關於一種穩壓器，且特別是有關於一種包含互補式金氧半電晶體之穩壓器。

傳統的穩壓器(shunt regulator)通常係藉由雙載子接面電晶體(Bipolar Junction Transistor；BJT)形成一個穩壓電路。但是互補式金氧半電晶體有著低成本、低溫度係數的優勢，並且，互補式金氧半電晶體亦是現今積體電路技術中的主流，所以，設計一個以互補式金氧半電晶體為主形成的穩壓器，是必須的。

因此，如何設計一個新的穩壓器，以充份利用互補式金氧半電晶體的低成本、低溫度係數的優勢，乃為此一業界亟待解決的問題。

因此本發明的目的就是在提供一種穩壓器，包含：一種穩壓器，包含：電壓輸入端、操作放大器、參考電壓模組、可變電阻模組、緩衝啟動模組以及互補式金氧半電晶體。電壓輸入端係具有一輸入電壓；操作放大器包含非反相输入端、反相输入端以及一輸出端；參考電壓模組係根據輸入電壓產生一固定之參考電壓至反相输入端；可變電阻模組包含：連接於電壓輸入端之第一端、連接於接地電 位之第二端以及分壓端；緩衝啟動模組連接分壓端及非反相输入端，當參考電壓模組尚未產生參考電壓時，緩衝啟動模組係為一開路狀態，當參考電壓模組產生參考電壓後，緩衝啟動模組係傳遞分壓端之電壓至非反相输入端；互補式金氧半電晶體包含一汲極、一閘極以及一源極，其中汲極連接電壓輸入端，閘極連接操作放大器之輸出端，源極連接接地電位。

本發明之優點在於能夠利用參考電壓模組及可變電阻模組建立一穩定之電壓後，並藉由操作放大器及互補式金氧半電晶體建立一回饋機制以進行穩壓，而輕易地達到上述之目的。

在參閱圖式及隨後描述之實施方式後，該技術領域具有通常知識者便可瞭解本發明之目的，以及本發明之技術手段及實施態樣。

請參照第1圖，係為本發明之第一實施例之穩壓器1之示意圖。穩壓器1包含：電壓輸入端100、操作放大器102、參考電壓模組104、可變電阻模組、緩衝啟動模組108、電壓轉換模組110以及互補式金氧半電晶體112。電壓輸入端100具有一輸入電壓Vi。操作放大器102包含非反相输入端、反相输入端以及輸出端，分別具有非反相输入電壓V＋、反相输入電壓V－及輸出電壓Vo。電壓轉換模組110實質上為一低壓差線性穩壓器(low drop－out linear regulator)，係連接電壓輸入端100，以將輸入電壓Vi轉換為一低電壓101。輸入電壓Vi通常具有自2.5V至37V之範圍，因此電壓轉換模組110為了接收高壓的輸入電壓Vi以轉換為低電壓101，須以耐高壓之元件形成，以承受高壓的輸入電壓Vi。參考電壓模組104係以根據輸入電壓Vi而來的低電壓101做為供應電源，而產生一固定之參考電壓103至反相输入端。因此，前述之反相輸入電壓V－即相當於參考電壓103。由於參考電壓模組104之供應電源為低電壓101，因此參考電壓模組104可由面積較小的低壓元件形成。須注意的是，前述之操作放大器102，實質上亦可以低電壓101做為供應電源，因此，也可由面積較小的低壓元件形成。

可變電阻模組於本實施例中，包含第一可變電阻106a及第二可變電阻106b。第一可變電阻106a具有一連接至電壓輸入端100之第一端，因此電位亦與電壓輸入端100之輸入電壓Vi相同。第二可變電阻106b具有一連接至接地電位之第二端，而第一及第二可變電阻106a、106b相連接處即為分壓端114。分壓端114為輸入電壓Vi之分壓，與第一可變電阻106a及第二可變電阻106b之電阻比值相關。於本實施例中，第一及第二可變電阻106a、106b係調整為相同之電阻值，因此分壓端114之電壓將為輸入電壓Vi之一半。分壓緩衝啟動模組108係連接分壓端114及非反相输入端。前述之參考電壓模組104在剛整體穩壓器1電路剛啟動時，須要一段時間才能產生穩定的參考電壓 103，因此，在這段時間中，緩衝啟動模組108係為一開路，以避免穩壓器1因迴授機制過早啟動而無法正常工作。在參考電壓模組104產生參考電壓103後，緩衝啟動模組108才實質地將分壓端114及非反相输入端連接，而傳遞分壓端114之電壓至非反相输入端。因此前述之非反相输入電壓V＋即相當於分壓端114之電壓。互補式金氧半電晶體112包含一汲極、一閘極以及一源極。其中汲極連接電壓輸入端100，閘極連接操作放大器102之輸出端，源極連接接地電位。

上述之穩壓器1，在輸入電壓Vi升高，將使得分壓端114之分壓跟著提高，因此操作放大器102之非反相输入電壓V＋亦升高。當非反相输入電壓V＋大於參考電壓103，即反相输入電壓V－時，操作放大器102之輸出端將輸出正電壓Vo。當非反相输入電壓V＋愈高，Vo亦隨之愈高，而使互補式金氧半電晶體112之閘極電壓升高而使導通程度上升。導通程度之上升將使得互補式金氧半電晶體112之電流變大，而進一步將輸入電壓Vi拉低。因此，上述的迴授機制，將使得輸入電壓Vi無法超過一個臨界值，而此臨界值係與參考電壓103，以及第一可變電阻106a、第二可變電阻106b間的比值相關。於本實施例中，由於第一可變電阻106a、第二可變電阻106b之電阻值係相當，因此輸入電壓Vi將無法超過參考電壓103之兩倍。

本實施例中之各模組，實質上均以互補式金氧半電晶體為元件所形成，因此具有低成本的優勢。其中，參考電 壓模組104由於是以低壓之互補式金氧半電晶體元件所形成，因此更具有介於20至30ppm之範圍之低溫度係數之優點。意即，在溫度不同的操作環境下，參考電壓模組104所產生之參考電壓103將十分穩定，而不容易受溫度之變化而影響。

第2圖係為本發明之第二實施例之穩壓器2之示意圖。於第二實施例中，穩壓器2係與第一實施例之穩壓器1相似，包含：電壓輸入端200、操作放大器202、參考電壓模組204、可變電阻模組206、緩衝啟動模組208、電壓轉換模組210以及互補式金氧半電晶體212。與第一實施例之不同處在於，可變電阻模組206之第一端及電壓輸入端200間實質上更包含一電阻梯模組216。電阻梯模組216係與可變電阻模組206相似，亦具有一分壓端218，可變電阻模組206實質上係連接於分壓端218，俾使第一端之電壓為輸入電壓Vi之一分壓，而可變電阻模組206之分壓端214又再為第一端之電壓之分壓。因此，穩壓器2所能承受的輸入電壓Vi之臨界值，將因此而提高。

雖然本發明已以一較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

1‧‧‧穩壓器

100‧‧‧電壓輸入端

101‧‧‧低電壓

103‧‧‧參考電壓

102‧‧‧操作放大器

104‧‧‧參考電壓模組

106a‧‧‧第一可變電阻

106b‧‧‧第二可變電阻

108‧‧‧緩衝啟動模組

110‧‧‧電壓轉換模組

112‧‧‧互補式金氧半電晶體

114‧‧‧分壓端

2‧‧‧穩壓器

200‧‧‧電壓輸入端

202‧‧‧操作放大器

204‧‧‧參考電壓模組

206‧‧‧可變電阻模組

208‧‧‧緩衝啟動模組

210‧‧‧電壓轉換模組

212‧‧‧互補式金氧半電晶體

214‧‧‧分壓端

216‧‧‧電阻梯模組

218‧‧‧分壓端

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例 能更明顯易懂，所附圖式之詳細說明如下：第1圖係為本發明之第一實施例之穩壓器之示意圖；以及第2圖係為本發明之第二實施例之穩壓器之示意圖。

1‧‧‧穩壓器

100‧‧‧電壓輸入端

101‧‧‧低電壓

103‧‧‧參考電壓

102‧‧‧操作放大器

104‧‧‧參考電壓模組

106a‧‧‧第一可變電阻

106b‧‧‧第二可變電阻

108‧‧‧緩衝啟動模組

110‧‧‧電壓轉換模組

112‧‧‧互補式金氧半電晶體

114‧‧‧分壓端

Claims (8)

1. 一種穩壓器，包含：一電壓輸入端，係具有一輸入電壓；一操作放大器(operational amplifier)，包含一非反相(non－inverting)输入端、一反相输入端以及一輸出端；一參考電壓模組，係根據該輸入電壓產生一固定之參考電壓至該反相输入端；一可變電阻模組，包含：一第一端，連接於該電壓輸入端；一第二端，連接於一接地電位；以及一分壓端，該分壓端之電壓係為該第一端之電壓之一分壓；一緩衝啟動(soft start)模組，係連接該分壓端及該非反相输入端，當參考電壓模組尚未產生該參考電壓時，該緩衝啟動模組係為一開路狀態，當該參考電壓模組產生該參考電壓後，該緩衝啟動模組係傳遞該分壓端之電壓至該非反相输入端；以及一互補式金氧半電晶體(CMOS)，包含一汲極、一閘極以及一源極，其中該汲極連接該電壓輸入端，該閘極連接該操作放大器之輸出端，該源極連接該接地電位。
2. 如申請專利範圍第1項所述之穩壓器，更包含一電壓轉換模組，係連接該電壓輸入端，以將該輸入電壓轉換 為一低電壓，該參考電壓模組係實質上根據該低電壓產生該參考電壓。
3. 如申請專利範圍第2項所述之穩壓器，其中該電壓轉換模組係為一低壓差線性穩壓器。
4. 如申請專利範圍第2項所述之穩壓器，其中該電壓轉換模組係包含複數個高壓元件。
5. 如申請專利範圍第1項所述之穩壓器，其中該可變電阻模組之第一端及該電壓輸入端間實質上更包含一電阻梯(resistor ladder)模組，俾使該第一端之電壓為該輸入電壓之一分壓。
6. 如申請專利範圍第1項所述之穩壓器，其中該參考電壓模組係包含複數個低壓元件。
7. 如申請專利範圍第6項所述之穩壓器，其中該參考電壓模組之一溫度係數(temperature coefficient)係介於20至30ppm之範圍。
8. 如申請專利範圍第1項所述之穩壓器，其中當該輸入電壓提高，並藉由該可變電阻模組之該分壓端分壓後，使該非反相输入端之電壓高於該參考電壓，該操作放大器 之輸出端之一電壓係升高，俾使該互補式金氧半電晶體之一電流升高而拉低該輸入電壓。