TWI405064B - 低壓降調節器 - Google Patents

Description

低壓降調節器

本發明是有關於一種低壓降調節器，且特別是有關於一種具有限流功能的低壓降調節器。

由於人們對電子產品依賴日益增加，電子產品的功能也隨之複雜化。相對的，依據不同的功能需求，也需要不同的電源供應裝備。近年來低壓降線性調節器(low drop-out linear regulator，LDO)(後簡稱低壓降調節器)因為其轉換效率的提昇，加上其小體積、低雜訊的特性，成為小功率降壓與穩壓電路的主流，多用於各式由電池供應電源的可攜式系統以及通訊相關的電子產品上。

但是習知的低壓降調節器為利用比較電流鏡的電流大小來控制低壓降調節器的輸出電流，然而由於電流鏡的電流大小非常容易受到的電源電壓偏移的影響，進而造成壓降調節器的輸出電流不穩定。另外，當低壓降調節器的輸出電位被短路至接地端時或當下一級電路出現異常時，將造成低壓降調節器瞬間提供大量的電流，而燒毀後級的電路元件。

本發明提供一種低壓降調節器，可避免低壓降調節器的輸出端流出大量電流而造成下一級電路的損壞。

本發明提出一種低壓降調節器，包括功率電晶體、電壓調整單元、壓降單元、分壓單元以及比較電路。其中，功率電晶體耦接電源電壓以及低壓降調節器的輸出端，功率電晶體依據控制電壓控制低壓降調節器的輸出電流。電壓調整單元耦接於電源電壓與接地端之間，電壓調整單元依據電壓調整訊號輸出調整電壓。壓降單元耦接電源電壓、電壓調整單元與功率電晶體，壓降單元依據調整電壓調整控制電壓。分壓單元耦接於輸出端與接地端之間，分壓單元分壓輸出端的輸出電壓而產生分壓電壓。比較電路耦接分壓單元、功率電晶體、電壓調整單元以及參考電壓，比較電路比較參考電壓與分壓電壓以產生電壓調整訊號與控制電壓。

在本發明之一實施例中，上述之分壓電壓小於參考電壓時，比較電路會提升控制電壓，以抑制輸出電流的增加。

在本發明之一實施例中，上述之功率電晶體的源極耦接電源電壓，功率電晶體的汲極耦接輸出端，而功率電晶體之閘極耦接比較電路的輸出端。

在本發明之一實施例中，上述之電壓調整單元包括第一電流源、第一開關、第二電流源以及第二開關。其中，第一開關該第一電流源串接於電源電壓與壓降單元之間。第二開關與第二電流源串接於壓降單元與接地端之間。第一開關和第二開關受控於電壓調整訊號，而當第一開關和第二開關其中之一開啟時，另一開關關閉。

在本發明之一實施例中，上述之電壓調整單元更包括一電容，其與串聯的第二電流源及第二開關並聯於壓降單元與接地端之間。

在本發明之一實施例中，上述之壓降單元包括一第一電晶體與一或複數個二極體元件。第一電晶之閘極耦接電壓調整單元。此些二極體元件則與第一電晶體串聯於電源電壓與功率電晶體的閘極之間。

在本發明之一實施例中，上述之二極體元件包括第二電晶體，其閘極耦接至其源極。

在本發明之一實施例中，上述之分壓單元包括一第一電阻以及一第二電阻。第二電阻與第一電阻串聯於輸出端與接地端之間，其中第一、第二電阻的共同接點輸出分壓電壓。

在本發明之一實施例中，上述之比較電路包括操作放大器與比較器。操作放大器之正、負輸入端分別耦接分壓電壓與參考電壓，操作放大器之輸出端則耦接功率電晶體。操作放大器依據分壓電壓與參考電壓的比較結果輸出控制電壓。另外，比較器之正、負輸入端分別耦接參考電壓與分壓電壓，比較器之輸出端則耦接電壓調整單元。比較器依據分壓電壓與參考電壓的比較結果輸出電壓調整訊號。

在本發明之一實施例中，上述之比較器為一遲滯型比較器。

基於上述，本發明透過比較分壓單元輸出的分壓電壓與參考電壓來產生電壓調整訊號與控制電壓，以進一步控制功率電晶體的導通狀態，避免低壓降調節器的輸出端流出大量電流而造成下一級電路的損壞。

為讓本發明之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。

圖1繪示為本發明一實施例之低壓降調節器100的示意圖。請參照圖1，低壓降調節器100包括功率電晶體M1、電壓調整單元102、壓降單元104、分壓單元106以及比較電路108。其中，功率電晶體M1耦接電源電壓Vdd、壓降單元104、比較電路108、分壓單元106與低壓降調節器100的輸出端OUT。電壓調整單元102耦接於電源電壓Vdd與接地端GND之間。壓降單元104耦接電源電壓Vdd、電壓調整單元102與比較單元電路108。分壓單元106耦接於輸出端OUT與接地端GND之間。比較電路108則耦接分壓單元106、壓降單元104、電壓調整單元102以及參考電壓Vref，其中參考電壓Vref可例如為穩定的能隙參考電壓(bandgap reference voltage)。

當低壓降調節器100的輸出端突然被抽出大電流時，本發明中之分壓單元106所輸出的分壓電壓Vadj將隨之變小。比較電路108將分壓電壓Vadj與參考電壓Vref進行比較，並分別輸出控制電壓Vd與電壓調整訊號S1至功率電晶體M1與電壓調整單元102。電壓調整單元102依據電壓調整訊號S1輸出調整電壓Vc至壓降單元104，使壓降單元104依據調整電壓Vc來調整控制電壓Vd的大小。控制電壓Vd的大小會影響功率電晶體M1的導通程度。因此，當輸出電流Iout(由輸出端OUT輸出之電流)過大時，藉由上述回授方式來控制控制電壓Vd的大小，即可調整功率電晶體M1的導通程度，以抑制輸出電流Iout的增加。如此一來，即可避免輸出電流Iout過大，而達到電流保護的目的。

圖2繪示為本發明另一實施例之低壓降調節器200的電路圖。請參照圖2，低壓降調節器200包括功率電晶體M1、電壓調整單元102、壓降單元104、分壓單元106以及比較電路108。在本實施例中，上述電壓調整單元102可包括電流源A1、A2以及開關SW1、SW2，其中開關SW1與電流源A1串接於電源電壓Vdd與壓降單元104之間，而開關SW2與電流源A2串接於壓降單元104與接地端GND之間。另外，在本發明一實施例中，電壓調整單元102還可另包括電容C1，其與串聯的電流源A2及開關SW2並聯於壓降單元104與接地端GND之間，以穩定電壓調整單元102所輸出的調整電壓Vc。開關SW1和開關SW2受控於電壓調整訊號S1，且當開關SW1和開關SW2其中之一開啟時，另一開關則關閉。例如當電壓調整訊號S1為低電壓準位時，開關SW1被開啟而開關SW2被關閉；而當電壓調整訊號S1為高電壓準位時，開關SW1被關閉而開關SW2被開啟。在本發明一實施例中，開關SW1是PMOS電晶體，開關SW2是NMOS電晶體，當電壓調整訊號S1為高電壓準位時，PMOS電晶體的通道關閉而NMOS電晶體通道開啟(亦即開關SW1關閉、開關SW2開啟)。相反地，當電壓調整訊號S1為低電壓準位時，PMOS電晶體的通道開啟而NMOS電晶體通道關閉(亦即開關SW1開啟、開關SW2關閉)。

壓降單元104包括電晶體Q1和D1。其中每個電晶體D1其閘極和汲極相互耦接，故在電路上與二極體等效，而可視為一個二極體元件。因此，在本發明另一實施例中，二極體元件D1可由一般的二極體所取代。電晶體Q1與一或多個二極體元件D1串接於電源電壓Vdd與功率電晶體M1的閘極之間，電晶體Q1的閘極則耦接至開關SW1和開關SW2，另外功率電晶體M1的源極與汲極分別耦接電源電壓Vdd與輸出端OUT。

分壓單元106包括串接於輸出端OUT與接地端GND之間的兩電阻R1、R2。另外比較電路108則包括操作放大器202與比較器204，其中操作放大器202的正、負輸入端分別耦接分壓電壓Vadj與參考電壓Vref，其輸出端則耦接功率電晶體M1的閘極。另外，比較器204的正、負輸入端分別耦接參考電壓Vref與分壓電壓Vadj，其輸出端則耦接電壓調整單元102。其中比較器204可例如為遲滯型比較器。比較器204依據比較參考電壓Vref與分壓電壓Vadj的結果，輸出電壓調整訊號S1。

上述之電阻R1、R2對輸出端OUT的電壓進行分壓，而於電阻R1、R2的共同接點上得到分壓電壓Vadj。當低壓降調節器200正常運作時，分壓電壓Vadj大於參考電壓Vref，因此比較器204所輸出的電壓調整訊號S1為低電壓準位。此時，開關SW1與開關SW2受電壓調整訊號S1控制而分別為開啟狀態與關閉狀態。在開關SW1開啟的情形下，電源電壓Vdd便可透過開關SW1對電容C1進行充電，電晶體Q1的閘極電壓(亦即調整電壓Vc)因而被拉高，而使得電晶體Q1的通道關閉，因此串接的二極體元件D1上將不會流過任何電流。此時功率電晶體M1的閘極電壓(亦即控制電壓Vd)以及通過功率電晶體M1的電流由操作放大器202的輸出電壓所決定。

當低壓降調節器200的輸出端OUT突然被抽出大電流時，電阻R1、R2共同接點上的分壓電壓Vadj隨之下降，而使得分壓電壓Vadj低於參考電壓Vref。此時比較器204之輸出端輸出的電壓調整訊號S1變為高電壓準位，而開關SW1與開關SW2也分別變為關閉狀態與開啟狀態。開關SW2被開啟的結果可使儲存於電容C1中的電荷透過開關SW2而流向接地端GND，電容C1上的跨壓(亦即電晶體Q1的閘極電壓)隨著電荷的流失而變小，電晶體Q1的通道也因而開啟，使得串接的二極體元件D1上得以通過電流。此時電晶體M1的閘極電壓(亦即控制電壓Vd)的電壓值將變為Vdd-n×Vds，其中n為二極體元件D1的串接個數加上電晶體Q1個數的總和，而Vds為電晶體Q1的汲極與源極間的電壓差或構成二極體元件D1之電晶體的汲極與源極間的電壓差。基於上述說明，當輸出電流Iout過大時，藉由對功率電晶體M1之閘極電壓的控制，功率電晶體M1的導通程度會受到抑制，進而抑制了輸出電流Iout的增加。

如圖3中之輸出電流Iout對控制電壓Vd的關係圖所示，當低壓降調節器200的輸出電流Iout越大時，控制電壓Vd越大，亦即功率電晶體M1的閘極電壓越大，如此才能使功率電晶體M1的通道縮減，進而限制壓降調節器200的輸出電流Iout不致過大。

舉例來說，假設電源電壓Vdd為5V，而電晶體Q1的汲極與源極間的電壓差與二極體元件D1之電晶體的汲極與源極間的電壓差皆為0.7V。若在正常運作時功率電晶體M1的閘極電壓為2.9V，則可設計壓降單元104中串接2個二極體元件D1，使低壓降調節器200的輸出電流Iout突然增大時，可透過電晶體Q1與串接的2個二極體元件D1改變功率電晶體M1的閘極電壓成為2.9V(5-3×0.7=2.9)，進而限制流經功率電晶體M1的電流與低壓降調節器200的輸出電流Iout，達到保護後級電路的目的。

綜上所述，本發明利用分壓單元輸出的分壓電壓來偵測低壓降調節器輸出電流的變化，透過比較分壓電壓與參考電壓來產生電壓調整訊號與控制電壓，並配合調整壓降單元中二極體元件的串接個數，以控制功率電晶體的導通狀態，將低壓降調節器的輸出電流箝制在一特定值，如此一來，不但可避免如習知技術之低壓降調節器的輸出電流受到電源電壓偏移影響的情形，更可避免低壓降調節器的輸出端流出大量電流而造成下一級電路的損壞。

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，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故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。

100、200．．．低壓降調節器

102．．．電壓調整單元

104．．．壓降單元

106．．．分壓單元

108．．．比較電路

202．．．操作放大器

204．．．比較器

Vdd．．．電源電壓

Vref．．．參考電壓

Vc．．．調整電壓

Vd．．．控制電壓

Vadj．．．分壓電壓

M1．．．功率電晶體

Q1．．．電晶體

OUT．．．輸出端

S1．．．電壓調整訊號

SW1、SW2．．．開關

D1．．．二極體元件

R1、R2．．．電阻

C1．．．電容

A1、A2．．．電流源

Iout．．．輸出電流

圖1繪示為本發明一實施例之低壓降調節器的示意圖。

圖2繪示為本發明另一實施例之低壓降調節器的電路圖。

圖3繪示為低壓降調節器的輸出電流對控制電壓的關係圖。

100．．．低壓降調節器

102．．．電壓調整單元

104．．．壓降單元

106．．．分壓單元

108．．．比較電路

Vdd．．．電源電壓

Vref．．．參考電壓

Vc．．．調整電壓

Vd．．．控制電壓

Vadj．．．分壓電壓

M1．．．功率電晶體

OUT．．．輸出端

S1．．．電壓調整訊號

Iout．．．輸出電流

Claims (10)

1. 一種低壓降調節器，包括：一功率電晶體，耦接一電源電壓以及該低壓降調節器的一輸出端，該功率電晶體依據一控制電壓控制該低壓降調節器的輸出電流；一電壓調整單元，耦接於該電源電壓與一接地端之間，該電壓調整單元依據一電壓調整訊號輸出一調整電壓；一壓降單元，耦接該電源電壓、該電壓調整單元與該功率電晶體，該壓降單元依據該調整電壓調整該控制電壓；一分壓單元，耦接於該輸出端與該接地端之間，該分壓單元分壓該輸出端的輸出電壓而產生一分壓電壓；以及一比較電路，耦接該分壓單元、該功率電晶體、該電壓調整單元以及一參考電壓，該比較電路比較該參考電壓與該分壓電壓以產生該電壓調整訊號與該控制電壓。
2. 如申請專利範圍第1項所述之低壓降調節器，其中當該分壓電壓小於該參考電壓時，該比較電路會提升該控制電壓，以抑制該輸出電流的增加。
3. 如申請專利範圍第1項所述之低壓降調節器，其中該功率電晶體的源極耦接該電源電壓，該功率電晶體的汲極耦接該輸出端，而該功率電晶體之閘極耦接該比較電路的輸出端。
4. 如申請專利範圍第1項所述之低壓降調節器，其中該電壓調整單元包括：一第一電流源；一第一開關，與該第一電流源串接於該電源電壓與該壓降單元之間；一第二電流源；以及一第二開關，與該第二電流源串接於該壓降單元與該接地端之間，其中該第一開關和第二開關受控於該電壓調整訊號，而當該第一開關和第二開關其中之一開啟時，另一開關關閉。
5. 如申請專利範圍第4項所述之低壓降調節器，該電壓調整單元更包括一電容，與串聯的該第二電流源及該第二開關並聯於該壓降單元與該接地端之間。
6. 如申請專利範圍第1項所述之低壓降調節器，其中該壓降單元包括：一第一電晶體，其閘極耦接該電壓調整單元；以及一或複數個二極體元件，與該第一電晶體串聯於該電源電壓與該功率電晶體的閘極之間。
7. 如申請專利範圍第6項所述之低壓降調節器，其中各該二極體元件包括：一第二電晶體，其閘極耦接至其源極。
8. 如申請專利範圍第1項所述之低壓降調節器，其中該分壓單元包括：一第一電阻；以及一第二電阻，與該第一電阻串聯於該輸出端與該接地端之間，其中該第一、第二電阻的共同接點輸出該分壓電壓。
9. 如申請專利範圍第1項所述之低壓降調節器，其中該比較電路包括：一操作放大器，其正、負輸入端分別耦接該分壓電壓與該參考電壓，該操作放大器之輸出端耦接該功率電晶體，該操作放大器依據該分壓電壓與該參考電壓的比較結果輸出該控制電壓；以及一比較器，其正、負輸入端分別耦接該參考電壓與該分壓電壓，該比較器之輸出端耦接該電壓調整單元，該比較器依據該分壓電壓與該參考電壓的比較結果輸出該電壓調整訊號。
10. 如申請專利範圍第9項所述之低壓降調節器，其中該比較器為一遲滯型比較器。