TWI431881B - Voltage regulator - Google Patents

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TWI431881B
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Takashi Imura
Takao Nakashimo
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Description

電壓調整器
本發明係關於一種輸出定電壓的電壓調整器，更詳而言之，係關於一種在輸出端子流通過電流時，將輸出電流節制為較小，以保護電路的過電流保護電路。
電壓調整器係被作為各種電子機器之電路的電壓供給源加以使用。電壓調整器的功能並不依存於輸入端子的電壓變動，而係在輸出端子輸出一定的電壓。接著，由輸出端子供給至負荷的電流增加而使額定電流超過預定值以上時，將輸出電流節制為較小而保護電路的過電流保護亦極為重要(例如參照專利文獻1)。
在第5圖顯示具備有過電流保護電路的電壓調整器的電路圖。習知之具備有過電流保護電路的電壓調整器係由以下所構成：將輸出端子Vout的電壓作分壓的輸出電壓分壓電路2；輸出基準電壓的基準電壓電路3；將分壓電壓與基準電壓作比較的誤差放大器4；藉由誤差放大器4的輸出電壓予以控制的輸出電晶體1；及過電流保護電路50。過電流保護電路50係由以下所構成：與輸出電晶體1作並聯連接之屬於輸出電流檢測電路的輸出電流檢測電晶體5及檢測電阻6；構成受到檢測電阻6之電壓予以控制的輸出電流限制電路的電晶體7、電阻8、及輸出電流控制電晶體9。
如上所述之過電流保護電路50係具有如以下所示進行動作而由過電流保護電路的功能。
當輸出端子Vout的輸出電流增加時，與輸出電流相對應的檢測電流會流至輸出電流檢測電晶體5。由於該檢測電流流至檢測電阻6，電晶體7的閘極-源極間電壓即會上升。在此，在輸出端子Vout流通過電流，而使電晶體7的閘極-源極間電壓超過臨限值電壓時，即在電晶體7流通汲極電流。由於電晶體7的汲極電流流至電阻8，因此使輸出電流控制電晶體9的閘極-源極間電壓降低。因此，在輸出電流控制電晶體9流通汲極電流，而使輸出電晶體1的閘極-源極間電壓上升。如上所示使過電流保護電路50作動，藉此輸出端子Vout的輸出電流係被抑制為字型的電流電壓特性。
在第6圖顯示字型的電流電壓特性圖。在電流電壓特性中，將過電流保護電路作動的輸出電流值稱為限制電流。此外，輸出端子Vout短路，輸出電壓與接地電位為相等時的輸出電流值稱為短路電流。
(專利文獻1)日本特開平2-189608號公報
但是，習知的過電流保護電路50係依電晶體7製造時的製程偏差，而使限制電流的電流值精度變低。此外，因檢測電阻6的偏差，短路電流的精度亦會變低。但是，製造時之電晶體7與檢測電阻6的正確調整係難以進行。
因此，當將限制電流設定為較小時，由於短路電流有偏差，基於輸出電流與輸出電壓的關係，會有電壓調整器的起動特性變差的問題點。亦即，為了確保電壓調整器的起動特性，並不太可以節制限制電流。
此外，電壓調整器的內部溫度係受到因過電流所造成的發熱、或周圍溫度等的影響而上升。但是，在習知的過電流保護電路50中，並無法進行因電壓調整器的內部溫度所造成的限制電流值與短路電流值的控制。
本發明係為了解決如上所示之課題而研創者，其目的在提供一種提高限制電流值與短路電流值之精度之具備有過電流保護電路的電壓調整器。
為了解決習知的課題，本發明之具備有過電流保護電路的電壓調整器係構成為如下所示。
為了達成前述目的，在本發明中，提供一種電壓調整器，係具備有：將第1基準電壓與根據輸出電晶體之輸出電壓的電壓的差放大且輸出，控制前述輸出電晶體之閘極的第1誤差放大電路；及檢測出過電流已流至前述輸出電晶體，以限制前述輸出電晶體之電流的過電流保護電路的電壓調整器，其特徵為：前述過電流保護電路係具備有：以前述第1誤差放大電路的輸出電壓來控制閘極，且流通與前述輸出電晶體的輸出電流相對應的檢測電流的輸出電流檢測電晶體；藉由前述檢測電流而發生電壓的電壓發生電路；將藉由第2基準電壓與根據前述輸出電壓的電壓所被設定的電壓、與前述電壓發生電路的電壓的差放大且輸出的第2誤差放大電路；及以前述第2誤差放大電路的輸出來控制閘極，且控制前述輸出電晶體之閘極電壓的輸出電流限制電晶體。
此外，提供如申請專利範圍第1項之電壓調整器，其中，前述第2基準電壓係由與前述第1基準電壓為相同的電路所被供給。
此外，提供如申請專利範圍第1項之電壓調整器，其中，前述第2基準電壓係由輸出電壓依溫度而改變的溫度檢測電路所被供給。
此外，提供如申請專利範圍第3項之電壓調整器，其中，前述溫度檢測電路係具備有作串聯連接的定電流電路與二極體，前述第2基準電壓係藉由前述二極體的順向電壓而被輸出。
根據本發明之具備有過電流保護電路的電壓調整器，由於將過電流保護電路形成為藉由第2誤差放大電路來限制輸出電流的電路構成，該第2誤差放大電路係將藉由第2基準電壓與根據輸出電壓的電壓所被設定的電壓與電壓發生電路的電壓的差放大且輸出，因此可提供一種不依存於製造時的製程偏差，而可提高限制電流值與短路電流值的精度，在輸出電晶體流通過電流時，可將電力損失抑制為較小之具備有過電流保護電路的電壓調整器。
此外，由於由輸出電壓依溫度而改變的溫度檢測電路供給第2基準電壓，因此可藉由溫度來控制限制電流值與短路電流值，而可更加有效地抑制發熱。
第1圖係本發明第1實施形態之電壓調整器的電路圖。
第1實施形態之電壓調整器係具備有：P型MOS電晶體的輸出電晶體1、輸出電壓分壓電路2、基準電壓電路3、誤差放大器4、及過電流保護電路100。過電流保護電路100係具備有：P型MOS電晶體的輸出電流檢測電晶體5、檢測電阻6、P型MOS電晶體的輸出電流控制電晶體9、第2誤差放大器10、及第2基準電壓電路11。
輸出電壓分壓電路2係將輸入端子連接於輸出端子Vout，將輸出端子連接於誤差放大器4的非反轉輸入端子。基準電壓電路3係將輸出端子連接於誤差放大器4的反轉輸入端子。誤差放大器4係將輸出端子連接於輸出電晶體1的閘極。輸出電晶體1係將源極連接於輸入電源，將汲極連接於輸出端子Vout。輸出電流檢測電晶體5係將閘極連接於誤差放大器4的輸出端子，將源極連接於輸入電源，將汲極連接於檢測電阻6的其中一方端子。檢測電阻6係將另一方端子接地。第2誤差放大器10係將反轉輸入端子連接於檢測電阻6的其中一方端子，將非反轉輸入端子的其中一方連接於第2基準電壓電路11的輸出端子，將另一方連接於輸出電壓分壓電路2的輸出端子。第2誤差放大器10的輸出端子係連接於輸出電流控制電晶體9的閘極。輸出電流控制電晶體9係將源極連接於輸入電源，將汲極連接於輸出電晶體1的閘極。
輸出電壓分壓電路2係將輸出端子Vout的電壓作分壓而輸出分壓電壓Vdiv。基準電壓電路3係輸出基準電壓Vref。誤差放大器4係將分壓電壓Vdiv與基準電壓Vref作比較，將其差放大且予以輸出。輸出電晶體1係藉由誤差放大器4的輸出電壓予以控制，以分壓電壓Vdiv與基準電壓Vref為相等的方式進行動作。結果，輸出端子Vout的電壓係被保持為一定。
過電流保護電路100係監視流至輸出電晶體1的電流。而且具有若檢測在輸出電晶體1流通過電流時，即控制輸出電晶體1的閘極，而使電流減少的功能。
輸出電流檢測電晶體5與輸出電晶體1係連接有閘極，因此各自的汲極電流係成比例。檢測電阻6係藉由輸出電流檢測電晶體5的汲極電流而發生電壓。第2誤差放大器10係對反轉輸入端子輸入發生在檢測電阻6的電壓。因此，當發生在檢測電阻6的電壓高於非反轉輸入端子的電壓時，輸出端子的電壓會變低。輸出電流控制電晶體9之閘極的電壓變低，在輸出電流控制電晶體9流通汲極電流。結果，以輸出電晶體1之閘極的電壓變高，輸出電晶體1的汲極電流變少的方式予以控制。
將第2誤差放大器10的具體電路例顯示於第2圖。
具備有：閘極作為反轉輸入端子V1的N型MOS電晶體21；閘極作為第1非反轉輸入端子V2的N型MOS電晶體22；閘極作為第2非反轉輸入端子V3的N型MOS電晶體23；設在第1非反轉輸入與反轉輸入之間之構成電流鏡電路的P型MOS電晶體24及P型MOS電晶體25；設在第2非反轉輸入與反轉輸入之間之構成電流鏡電路的P型MOS電晶體26及P型MOS電晶體27；及決定第2誤差放大器10之消耗電流的定電流源28。該等電晶體係被設計成相同尺寸，因此2個電流鏡電路若輸入電壓相等，即流通相等電流。第2誤差放大器10的2個非反轉輸入端子係在第一非反轉輸入端子V2輸入第2基準電壓電路11的第2基準電壓Vref2，在第二非反轉輸入端子V3輸入分壓電壓Vdiv。
在此，第2圖的第2誤差放大器10若將N型MOS電晶體21、22、23的尺寸，例如面積尺寸W×L(寬×長)比設定為2：1：1，將各輸入端子的電壓設為V1、V2、及V3，將輸出電壓設為VO，將放大率設為A，則該等之關係係以數式1表示。
VO=A(((V2+V3)/2)-V1)　‧‧‧(1)
亦即第2誤差放大器10係將第1非反轉輸入端子V2與第2非反轉輸入端子V3的電壓的平均值與反轉輸入端子V1的電壓的差加以放大。
以上所說明的第2圖的第2誤差放大器10亦適用於第3圖及第4圖之第2實施形態之電壓調整器。
如上所述的過電流保護電路100係具有如以下所示進行動作而由過電流保護電路的功能。
當輸出端子Vout的輸出電流增加時，與輸出電流相對應的檢測電流會流至輸出電流檢測電晶體5。由於該檢測電流流至檢測電阻6，第2誤差放大器10之反轉輸入端子V1的電壓即會上升。在第2誤差放大器10的第1非反轉輸入端子V2被輸入有第2基準電壓Vref2，在第2非反轉輸入端子V3被輸入有分壓電壓Vdiv。在一般的動作狀態下，分壓電壓Vdiv係與第2基準電壓Vref2為相等，反轉輸入端子V1的電壓係比其低。因此，第2誤差放大器10的輸出端子係被保持在高位準的電壓，輸出電流控制電晶體9係呈關斷(off)。
在此，由於負荷短路等而在輸出端子Vout流通過電流時，與其相對應，輸出電流檢測電晶體5的檢測電流亦會變大，由於其檢測電流流至檢測電阻6，第2誤差放大器10之反轉輸入端子V1的電壓會慢慢上升。此外，輸出端子Vout的電壓由於負荷短路而降低，第2誤差放大器10之非反轉輸入端子V3的電壓會降低。接著，若反轉輸入端子V1的電壓高於第1非反轉輸入端子V2的第2基準電壓Vref2與第2非反轉輸入端子V3的分壓電壓Vdiv的平均值，第2誤差放大器10之輸出端子的電壓會慢慢變低。因此，輸出電流控制電晶體9的閘極-源極間電壓會降低，在輸出電流控制電晶體9流通汲極電流，而使輸出電晶體1的閘極-源極間電壓上升。
此外，輸出端子Vout的電壓降低，若降低至接地電位時，第2誤差放大器10之第2非反轉輸入端子V3的分壓電壓Vdiv係降低至接地電位。但是，第2誤差放大器10係在第1非反轉輸入端子V2輸入第2基準電壓Vref2，因此與反轉輸入端子V1的電壓相比較的電壓並不會低於Vref2/2。因此，在本實施形態之電壓調整器中，由於不會有短路電流值下降至0的情形，因此可達成起動特性的改善。
第1實施形態之電壓調整器之限制電流值的精度係以檢測電阻6的電阻值與第2基準電壓值的精度來決定。該等特性係可在製造時輕易測定，因此可藉由修整(trimming)而精度佳地配合。
此外，短路電流值的精度係以檢測電阻6的電阻值與第2基準電壓值Vref2與分割電壓值與第2誤差放大器10的差動電晶體對的面積比來決定。電晶體之面積比的偏差係小於因電晶體之臨限值電壓值的絕對值所造成的偏差。
亦即，由於可藉由可精度佳地進行設定的第2基準電壓Vref2等來決定短路電流，因此可輕易地將輸出電流-輸出電壓特性配合所希望的特性，不會損及電壓調整器之起動特性，而可將短路電流節制為較小。
在第3圖顯示第1實施形態之變形例的電壓調整器的電路圖。第3圖的電壓調整器係對第2誤差放大器10的第1非反轉輸入端子V2輸入基準電壓電路3的基準電壓Vref，而取代第2基準電壓Vref2。如上所示，即使由基準電壓電路3供給第2誤差放大器10之第1非反轉輸入端子V2的電壓，同樣地可實現可精度佳地節制短路電流的過電流保護電路。此外，亦可將藉由分割電阻將基準電壓Vref作分割後的電壓輸入至第2誤差放大器10的第1非反轉輸入端子V2。
在第4圖顯示第2實施形態之電壓調整器的電路圖。第4圖的電壓調整器係由第1實施形態之過電流保護電路變更為過電流保護電路102者。過電流保護電路102係具備有：P型MOS電晶體的輸出電流檢測電晶體5、檢測電阻6、P型MOS電晶體的輸出電流控制電晶體9、第2誤差放大器10、定電流電路12、及二極體13。
輸出電流檢測電晶體5係將閘極連接於誤差放大器4的輸出端子，將源極連接於輸入電源，將汲極連接於檢測電阻6的其中一方端子。檢測電阻6係將另一方端子接地。定電流電路12與二極體13係在輸入電源與接地間以順向串聯連接。第2誤差放大器10係將反轉輸入端子連接於檢測電阻6的其中一方端子，將非反轉輸入端子的其中一方連接於定電流電路12與二極體13的連接點，將另一方連接於輸出電壓分壓電路2的輸出端子。第2誤差放大器10的輸出端子係連接於輸出電流控制電晶體9的閘極。輸出電流控制電晶體9係將源極連接於輸入電源，連接於輸出電晶體1的閘極。
定電流電路12與二極體13係構成由其連接點輸出與溫度成正比降低的電壓Vtemp的溫度檢測電路。一般而言，當在PN接合矽二極體流通一定的順向電流時，其電壓降下在常溫(25℃)下約為0.6V，顯示約-2.0mV/℃(依電流或各個元件而異)的溫度特性。因此，將定電流電路12與二極體13作串聯連接，可構成溫度檢測電路。
接著在常溫的一般動作狀態下，電壓Vtemp係設定為等於或大於分壓電壓Vdiv。
在利用如上所示之溫度檢測電路的過電流保護電路102中，若電壓調整器的內部溫度上升，溫度檢測電路的輸出電壓Vtemp，亦即，第2誤差放大器10之第1非反轉輸入端子V2的輸入電壓會降低。藉此，限制電流的設定值會降低。如上所示，藉由使高溫時之限制電流值小於常溫時，可使高溫時因過電流所造成的發熱量減低。
如上所述之過電流保護電路102係具有如以下所示進行動作而由過電流保護電路的功能。
當輸出端子Vout的輸出電流增加時，與輸出電流相對應的檢測電流會流至輸出電流檢測電晶體5。由於該檢測電流流至檢測電阻6，因此第2誤差放大器10之反轉輸入端子V1的電壓會上升。在第2誤差放大器10的第1非反轉輸入端子V2係被輸入有定電流電路12與二極體13之連接點的電壓Vtemp，在第2非反轉輸入端子V3係被輸入有分壓電壓Vdiv。在常溫的一般動作狀態下，電壓Vtemp係與分壓電壓Vdiv相等，反轉輸入端子V1的電壓係比其低。因此，第2誤差放大器10的輸出端子係被保持在高位準的電壓，輸出電流控制電晶體9係呈關斷(off)。
在此，在輸出端子Vout流通過電流，輸出電流檢測電晶體5流通檢測電流至檢測電阻6，藉此第2誤差放大器10之反轉輸入端子V1的電壓會慢慢上升。此外，輸出端子Vout的電壓係依負荷短路而降低，第2誤差放大器10之非反轉輸入端子V3的電壓會降低。接著，當反轉輸入端子V1的電壓高於第1非反轉輸入端子V2的電壓Vtemp與第2非反轉輸入端子V3的分壓電壓Vdiv的平均值時，第2誤差放大器10之輸出端子的電壓會慢慢變低。因此，輸出電流控制電晶體9的閘極-源極間電壓會降低，在輸出電流控制電晶體9流通汲極電流，而使輸出電晶體1的閘極-源極間電壓上升。
此外，由於流通過電流，輸出端子Vout的電壓會降低，且降低至接地電位。亦即，第2誤差放大器10之第2非反轉輸入端子V3的分壓電壓Vdiv係降低至接地電位。但是，第2誤差放大器10係在第1非反轉輸入端子V2輸入電壓Vtemp，因此與反轉輸入端子V1的電壓作比較的電壓並不會低於Vtemp/2。因此，在本實施形態之電壓調整器中，由於並不會有短路電流值下降至0的情形，因此可達成起動特性的改善。
溫度檢測電路的電壓Vtemp係以PN接合的帶隙電壓(bandgap voltage)與其溫度特性予以決定的電壓值，遠小於電晶體之臨限值電壓的偏差。
亦即，相較於以習知的電晶體之臨限值電壓進行控制的過電流保護電路，可精度佳地設定限制電流與短路電流。因此，可輕易地將輸出電流-輸出電壓特性配合所希望的特性，不會損及電壓調整器的起動特性，可將短路電流節制為較小。
此外，本實施形態之電壓調整器係藉由對第1非反轉輸入端子V2輸入溫度檢測電路的電壓Vtemp，可藉由電壓調整器的內部溫度來控制限制電流值與短路電流值，藉此可有效抑制發熱。
其中，在本發明之實施形態之過電流保護電路中，係在第2誤差放大器10之非反轉輸入端子的其中一方輸入輸出電壓分壓電路2的輸出電壓，但是並不限於此，若為與輸出電壓相對應的電壓即可。
此外，第2誤差放大器10係形成為將第1非反轉輸入端子V2與第2非反轉輸入端子V3的電壓的平均值與反轉輸入端子V1的電壓的差加以放大的設定，但是若為用以設定短路電流值的適當比率，則並不侷限於此。
1．．．輸出電晶體
2．．．電壓分壓電路
3．．．基準電壓電路
4．．．誤差放大器
5．．．輸出電流檢測電晶體
6．．．檢測電阻
9．．．輸出電流控制電晶體
10．．．第2誤差放大器
11．．．第2基準電壓電路
12．．．定電流源
21．．．N型MOS電晶體
22．．．N型MOS電晶體
23．．．N型MOS電晶體
24．．．P型MOS電晶體
25．．．P型MOS電晶體
26．．．P型MOS電晶體
27．．．P型MOS電晶體
28．．．定電流源
50、100、101、102．．．過電流保護電路
V1．．．反轉輸入端子
V2．．．第1非反轉輸入端子
V3．．．第2非反轉輸入端子
VO．．．輸出電壓
Vout．．．輸出端子
第1圖係本發明第1實施形態之具備有過電流保護電路的電壓調整器的電路圖。
第2圖係實施形態之過電流保護電路中之第2誤差放大電路的電路圖。
第3圖係本發明第1實施形態之變形例之具備有過電流保護電路的電壓調整器的電路圖。
第4圖係本發明第2實施形態之具備有過電流保護電路的電壓調整器的電路圖。
第5圖係習知之具備有過電流保護電路的電壓調整器的電路圖。
第6圖係具備有過電流保護電路的電壓調整器的字型電流電壓特性圖。
1．．．輸出電晶體
2．．．電壓分壓電路
3．．．基準電壓電路
4．．．誤差放大器
5．．．輸出電流檢測電晶體
6．．．檢測電阻
9．．．輸出電流控制電晶體
10．．．第2誤差放大器
11．．．第2基準電壓電路
100．．．過電流保護電路
V1．．．反轉輸入端子
V2．．．第1非反轉輸入端子
V3．．．第2非反轉輸入端子
VO．．．輸出電壓
Vout．．．輸出端子

Claims (2)

  1. 一種電壓調整器，係具備有：將第1基準電壓與根據輸出電晶體之輸出電壓的電壓的差放大且輸出，控制前述輸出電晶體之閘極的第1誤差放大電路；及檢測出過電流已流至前述輸出電晶體，以限制前述輸出電晶體之電流的過電流保護電路的電壓調整器，其特徵為：前述過電流保護電路係具備有：以前述第1誤差放大電路的輸出電壓來控制閘極，且流通與前述輸出電晶體的輸出電流相對應的檢測電流的輸出電流檢測電晶體；藉由前述檢測電流而發生電壓的電壓發生電路；將藉由第2基準電壓與根據前述輸出電壓的電壓所被設定的電壓、與前述電壓發生電路的電壓的差放大且輸出的第2誤差放大電路；及以前述第2誤差放大電路的輸出來控制閘極，且控制前述輸出電晶體之閘極電壓的輸出電流限制電晶體；前述第2基準電壓係由輸出電壓依溫度而改變的溫度檢測電路所被供給。
  2. 如申請專利範圍第1項之電壓調整器，其中，前述溫度檢測電路係具備有作串聯連接的定電流電路與二極 體，前述第2基準電壓係藉由前述二極體的順向電壓而被輸出。
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