TWI461880B - 低壓差線性穩壓器 - Google Patents

Description

低壓差線性穩壓器

本揭示內容是有關於一種低壓差線性穩壓器，且特別是有關於一種包含放電電路之低壓差線性穩壓器。

低壓差線性穩壓器是在可提供大電流的同時，維持非常小的輸入及輸出電壓壓差的電路。然而，低壓差線性穩壓器的輸出端所連接的外接負載電路，常常會在重載週期及輕載週期間切換運作。當外接負載電路位於重載週期時，須要汲取大量的電流，但是當位於輕載週期時，將不再須要大量的電流，而使得低壓差線性穩壓器的輸出端所輸出的大電流無法在短時間內被消耗，進而在輸出端產生突升的輸出電壓，容易造成電路損壞之不理想的後果。

因此，如何設計一個新的低壓差線性穩壓器，可以在轉換至輕載週期時迅速地將輸出電流進行放電，而不致產生突升輸出電壓，乃為此一業界亟待解決的問題。

因此，本揭示內容之一態樣是在提供一種低壓差線性穩壓器，包含：輸出P型金氧半電晶體、負載、放電電路以及操作放大器。輸出P型金氧半電晶體包含閘極、源極以及汲極，其中源極係接收供應電壓，汲極具有輸出電壓及輸出電流，汲極更電性連接外接負載電路，外接負載電路具有重載週期及輕載週期。負載係電性連接汲極以根據輸出電壓產生輸出分壓。放電電路係電性連接汲極以使輸出電流自汲極經由放電電路放電。操作放大器包含：放電控制模組。放電控制模組包含：比較器以及電流汲取開關。比較器根據輸出分壓以及參考電壓產生控制電壓。電流汲取開關於控制端與電流源連接，其中控制端更連接於放電電路以及輸出P型金氧半電晶體之閘極。其中當外接負載電路自重載週期轉換至輕載週期，進而使輸出分壓大於參考電壓，控制電壓使電流汲取開關關閉以停止汲取電流源之電流，使控制端之電壓上升，以進一步關閉輸出P型金氧半電晶體及啟動放電電路。當外接負載電路自輕載週期轉換至重載週期，進而使輸出分壓小於參考電壓，控制電壓使電流汲取開關導通以汲取電流源之電流，使控制端之電壓下降，以進一步啟動P型金氧半電晶體及關閉放電電路。

應用本揭示內容之優點係在於藉由根據輸出分壓及參考電壓所產生之控制電壓，即時控制P型金氧半電晶體的電流輸出及放電電路之運作，迅速地將輸出電流進行放電，而輕易地達到上述之目的。

請參照第1圖，係為本揭示內容之一實施例之低壓差線性穩壓器1之一方塊圖。低壓差線性穩壓器1包含：輸出P型金氧半電晶體10、負載12、放電電路14以及操作放大器16。

輸出P型金氧半電晶體10包含閘極G1、源極S1以及汲極D1。其中源極S1係接收供應電壓Vdd，汲極D1將據以產生輸出電壓Vo及輸出電流11。汲極D1更電性連接於外接負載電路18。其中外接負載電路18具有重載週期及輕載週期，在工作於重載週期時，外接負載電路18將具有強力的電流汲取能力，意即在重載週期時，外接負載電路18將會消耗大量來自低壓差線性穩壓器1之輸出電流11。因此，低壓差線性穩壓器1將在此時提供大量的輸出電流11至外接負載電路18，並維持穩定的輸出電壓Vo。然而在外接負載電路18切換至輕載週期運作時，由於電流汲取能力大幅下降，因此僅有小部份的輸出電流11在此時為外接負載電路18所消耗。

負載12係電性連接汲極。於本實施例中，負載12係實質上包含二電阻120及122。因此，負載12將在二電阻120及122中間根據輸出電壓Vo產生輸出分壓Vod。放電電路14係電性連接汲極以使產生於輸出P型金氧半電晶體10的汲極的輸出電流11，自汲極經由放電電路14放電。其中，放電電路14於本實施例中，為一個N型金氧半電晶體，具有閘極G2、源極S2以及汲極D2。其中，汲極D2連接於輸出P型金氧半電晶體10之汲極D1，於源極S2則連接於一個接地電位GND。

操作放大器16包含一個放電控制模組2(繪示於第2圖)。請參照第2圖。第2圖為本揭示內容一實施例中，放電控制模組2之方塊圖。放電控制模組2包含：比較器20以及電流汲取開關22。

比較器20根據前述之輸出分壓Vod以及參考電壓Vref產生控制電壓Vc。電流汲取開關22於控制端P與一個電流源24連接，其中控制端P更連接於第1圖中所繪示之放電電路14，意即N型金氧半電晶體之閘極G2。並且，控制端P亦連接於輸出P型金氧半電晶體之閘極G1。於本實施例中，控制端P是透過數個邏極閘與放電電路14之閘極G2及輸出P型金氧半電晶體之閘極G1相連接。然而於其他實施例中，亦可在不影響最終控制閘極的邏極狀態下，調整邏輯閘如反相器之數目，並非為第2圖繪示所限。

於本實施例中，比較器20尚透過一個反相器與電流汲取開關22相連接。因此，當外接負載電路18自重載週期轉換至輕載週期，進而使輸出分壓Vod大於參考電壓Vref時，控制電壓Vc經由反相器將成為低準位，並使電流汲取開關22關閉。電流汲取開關22的關閉將停止對電流源24的電流的汲取，因此控制端P的電壓Vp將上升。電壓Vp的上升在經過偶數個反相器後，將使放電電路14，意即N型金氧半電晶體之閘極G2的電壓上升而啟動放電電路14，進一步對第1圖中輸出P型金氧半電晶體10的汲極的輸出電流11進行放電。

而於本實施例中，放電控制模組2更包含具有一個或閘26與一個啟動P型金氧半電晶體28的啟動模組，以連接於輸出P型金氧半電晶體10之閘極G1與控制端P間。或閘26用以接收控制端P之的電壓Vp以及晶片致能訊號En。其中晶片致能訊號En用以控制整體操作放大器16的運作情形。基本上，在整體低壓差線性穩壓器1正常工作的情形下，晶片致能訊號En都將位於致能狀態，以使操作放大器16工作。於本實施例中，晶片致能訊號En之致能狀態為一高準位。

因此，當如前述外接負載電路18自重載週期轉換至輕載週期，進而使輸出分壓Vod大於參考電壓Vref時，控制電壓Vc經由反相器成為低準位，使控制端P的電壓Vp上升，並與經過奇數個反相器後成為低準位的晶片致能訊號En一同輸入於或閘26。因此，或閘26的輸出端將輸出高準位至啟動P型金氧半電晶體28的閘極G3，使啟動P型金氧半電晶體28關閉。啟動P型金氧半電晶體28的關閉將使其汲極D3的電位升高，進行關閉輸出P型金氧半電晶體10的運作。

因此，在外接負載電路18自重載週期轉換至輕載週期，放電控制模組2將可以使放電電路14啟動以對無法由外接負載電路18消耗的輸出電流11進行排放，並可使輸出P型金氧半電晶體10關閉以停止輸出電流11的產生，達到快速放電，避免輸出電壓Vo產生突衝尖波。

另一方面，當外接負載電路18自輕載週期轉換至重載週期時，將使輸出分壓Vod小於參考電壓Vref時，控制電壓Vc經由反相器將成為高準位，並使電流汲取開關22導通。電流汲取開關22的導通將開始對電流源24的電流的汲取，因此控制端P的電壓Vp將下降。電壓Vp的下降在經過偶數個反相器後，將使放電電路14，意即N型金氧半電晶體之閘極G2的電壓下降而關閉放電電路14。而控制端P的電壓Vp的下降將與低準位的晶片致能訊號En一同輸入於或閘26，使其輸出端輸出低準位至啟動P型金氧半電晶體28的閘極G3，使啟動P型金氧半電晶體28關閉。啟動P型金氧半電晶體28的關閉將使其汲極D3的電位升高，啟動輸出P型金氧半電晶體10的運作。

於一實施例中，當重載週期轉換至輕載週期觸發本揭示內容之放電機制一段時間後，將使輸出電壓Vo下降至合理範圍，進行使輸出分壓Vod小於參考電壓Vref，而由輕載週期轉換至重載週期。因此，在外接負載電路18自輕載週期轉換至重載週期時，放電控制模組2將可以使放電電路14關閉，並可使輸出P型金氧半電晶體10導通以產生輸出電流11，恢復對外接負載電路18的電流供應。

請同時參照第3圖，係為本揭示內容之一實施例中，輸出電壓及電壓Vp之波形圖。第3圖中，Vo1係代表未使用放電電路14時，輸出電壓Vo之波形圖，而Vo2則代表如第1圖中，使用放電電路14進行運作後之輸出電壓Vo之波形圖。其中週期31係表示重載週期31，週期33則代表輕載週期33，而週期25則代表再下一重載週期35。如果低壓差線性穩壓器1並未使用放電電流14，則在外接負載電路18由重載週期31切換至輕載週期33時，將由於輸出電流11為外接負載電路18所消耗之部份下降，無法完全消耗而產生電壓突波30。剩下未被消耗的輸出電流11，將自負載12放電。然而負載12的放電速度緩慢，將使放電時間拉長而導致上述之電壓突波30，而容易影響電路之正常運作。而經由本揭示內容的放電控制模組的控制後，可即時控制P型金氧半電晶體的電流輸出及放電電路之運作，大幅抑制電壓突波32的大小。

本揭示內容在藉由放電控制模組的控制下，可即時控制輸出P型金氧半電晶體的電流輸出及放電電路之運作，因此可以提供快速的放電機制，避免外部負載電路由重載週期轉換至輕載週期時容易造成的電壓突波。

雖然本揭示內容已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本揭示內容，任何熟習此技藝者，在不脫離本揭示內容之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本揭示內容之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

1．．．低壓差線性穩壓器

10．．．輸出P型金氧半電晶體

11．．．輸出電流

12．．．負載

120、122．．．電阻

14．．．放電電路

16．．．操作放大器

18．．．外接負載電路

2．．．放電控制模組

20．．．比較器

22．．．電流汲取開關

24．．．電流源

26．．．或閘

28．．．啟動P型金氧半電晶體

30、32．．．電壓突波

31．．．重載週期

33．．．輕載週期

35．．．下一重載週期

為讓本揭示內容之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：

第1圖係為本揭示內容之一實施例之低壓差線性穩壓器之方塊圖；以及

第2圖為本揭示內容一實施例中，放電控制模組之方塊圖；

第3圖係為本揭示內容之一實施例中，輸出電壓及控制電壓之波形圖。

2．．．放電控制模組

20．．．比較器

22．．．電流汲取開關

24．．．電流源

26．．．或閘

28．．．啟動P型金氧半電晶體

Claims (5)

1. 一種低壓差線性穩壓器(low drop out linear regulator)，包含：一輸出P型金氧半電晶體(PMOS)包含一閘極、一源極以及一汲極，其中該源極係接收一供應電壓，該汲極電性連接一外接負載電路，以輸出一輸出電壓及一輸出電流，該外接負載電路具有一重載週期及一輕載週期；一負載，係電性連接該汲極以根據該輸出電壓產生一輸出分壓；一放電電路，係電性連接該汲極以使該輸出電流自該汲極經由該放電電路放電；一操作放大器，包含：一放電控制模組，包含：一比較器，根據該輸出分壓以及一參考電壓產生一控制電壓；以及一電流汲取開關，於一控制端與一電流源連接，其中該控制端更連接於該放電電路以及該輸出P型金氧半電晶體之閘極；以及一啟動模組，連接於該輸出P型金氧半電晶體之閘極，並用以接收該控制端之一電壓以及一晶片致能訊號，其中當該外接負載電路自該重載週期轉換至該輕載週期，進而使該輸出分壓大於該參考電壓，該控制電壓使該電流汲取開關關閉以停止汲取該電流源之電流，使該控制端之該電壓上升，以進一步關閉該輸出P型金氧半電晶體及啟動該放電電路； 當該外接負載電路自該輕載週期轉換至該重載週期，進而使該輸出分壓小於該參考電壓，該控制電壓使該電流汲取開關導通以汲取該電流源之電流，使該控制端之該電壓下降，以進一步啟動該P型金氧半電晶體及關閉該放電電路；其中當該控制端之該電壓下降及該晶片致能訊號位於一致能狀態時，該啟動模組關閉該輸出P型金氧半電晶體，以及於該控制端之該電壓上升及該晶片致能訊號位於該致能狀態時，該啟動模組啟動該輸出P型金氧半電晶體。
2. 如請求項1所述之低壓差線性穩壓器，其中該操作放大器包含：一非反相輸入端，用以連接該負載，以接收該輸出分壓；一反相輸入端，以接收該參考電壓；以及一放大器輸出端，連接該輸出P型金氧半電晶體之閘極，以產生該控制電壓並傳送至該閘極。
3. 如請求項1所述之低壓差線性穩壓器，其中該放電電路包含一N型金氧半電晶體，該N型金氧半電晶體包含一汲極、一源極以及一閘極，其中該汲極係電性連接該P型金氧半電晶體之汲極，該源極係電性連接一接地電位，以及該閘極係接收該控制電壓。
4. 如請求項1所述之低壓差線性穩壓器，其中該負載包含複數個電阻，俾根據該輸出電壓產生該輸出分壓。
5. 如請求項1所述之低壓差線性穩壓器，其中該外接負載電路位於該輕載週期時，該P型金氧半電晶體之汲極之該輸出電流係經由該負載及該放電電路放電。