TWI479292B - 電壓穩壓電路及其方法 - Google Patents

Description

電壓穩壓電路及其方法

本發明是關於提供穩定電壓的技術，特別是關於一種電壓穩壓電路及其方法。

電壓穩壓器(voltage regulator)通常設置在供應電源與負載電路之間，藉以基於供應電壓提供穩定的輸出電壓給負載電路。電壓穩壓器是利用一誤差放大器(error amplifier)根據第一回授電壓與參考電壓之間的比較結果來控制功率元件的導通狀況，並經由功率元件將供應電壓轉換成輸出電壓。在負載電流的變化下，電壓穩壓器則藉由回授機制去穩定輸出電壓。

電壓穩壓器具有低雜訊與高精準度的優點，因此廣泛的應用在電源管理上。但也因為應用範圍大，電壓穩壓器必須具有許多保護機制(例如：OVP、過電流保護(Over-Current Protection；OCP)、OTP)，以因應各種的環境因素。無論是防止短路電流的發生，或是防止瞬間輸出電壓過高，許多問題都顯示出過電流保護有著不可或缺的重要性。

目前應用於電壓穩壓器之過電流保護電路仍存在至少一問題，例如：因採用連續性偵測機制而影響電壓穩壓器於正常工作狀態下的偏壓、無法同時具有過電流以及短路電流 的防護能力、相對增加功率損耗、需要相對大的工作電流、及相對慢地恢復正常工作狀態等。

在一實施例中，一種電壓穩壓電路包括一誤差放大器、一輸出電路、一電流感測電路、一防護開關以及一判斷電路。

輸出電路電性連接誤差放大器。電流感測電路電性連接誤差放大器及功率元件的控制端。防護開關電性連接功率元件的控制端。判斷電路電性連接電流感測電路以及防護開關。

誤差放大器用以根據參考電壓和第一回授電壓產生控制信號。輸出電路包括一功率元件，並且此功率元件用以根據控制信號將供應電壓轉換為輸出電壓。其中，第一回授電壓與輸出電壓相關。電流感測電路用以產生對應通過功率元件的輸出電流之電流感測信號。判斷電路用以根據電流感測信號以及電流參考信號控制防護開關箝制控制信號的電位。

在另一實施例中，一種電壓穩壓方法包括接收一供應電壓、根據一參考電壓和一第一回授電壓產生一控制信號、利用一功率元件根據控制信號將供應電壓轉換為一輸出電壓、產生一電流參考信號、產生對應通過功率元件的輸出電流之一電流感測信號、以及根據電流感測信號以及電流參考信號控制一防護開關箝制控制信號的電位。其中，第一回授電壓與輸出電壓相關。

綜上，根據本發明之電壓穩壓電路及其方法適用 於防止電壓穩壓電路的輸出出現短路電流或過電流的狀況，以避免電壓穩壓電路燒毀，以及保護負載端的電路(耦接在負載接點N_OUT 的負載電路)。當電壓穩壓電路的輸出電流過大時，過電流保護電路將會啟動以限制大輸出電流的發生，並且利用返折型限流(Foldback-Current)機制將電壓穩壓電路的輸出電流降到較低的位準，以避免短路電流的發生與輸出電壓過衝(Overshoot)，並且降低功率損耗。當過電流或過電流的狀況移除後，過電流保護電路會關閉，電壓穩壓電路即回到正常工作狀態。於此，在整個過電流保護電路的偵測過程中，輸出電流的偵測並不會影響到原電壓穩壓電路的工作。過電流保護電路的構成簡單且靜態電流很低，適用於低電流的產品。換言之，過電流保護電路無工作電流，即，當無輸出電流產生時，過電流保護電路不耗電。再者，過電流保護電路無採用需要絕對阻值之元件，偵測精準度相對高。

10‧‧‧電壓穩壓電路

110‧‧‧誤差放大器

130‧‧‧輸出電路

150‧‧‧過電流保護電路

151‧‧‧電流感測電路

153‧‧‧防護開關

155‧‧‧判斷電路

170‧‧‧訊號走線

MS‧‧‧感測元件

Ic‧‧‧可變電流源

MP‧‧‧功率元件

N_IN ‧‧‧電源接點

N_OUT ‧‧‧負載接點

Sc‧‧‧控制信號

V_REF ‧‧‧參考電壓

R1‧‧‧第一電阻

R2‧‧‧第二電阻

V_OUT ‧‧‧輸出電壓

V_FB1 ‧‧‧回授電壓

i_OUT ‧‧‧輸出電流

i_SEN ‧‧‧感測電流

M1‧‧‧電晶體

M2‧‧‧電晶體

i_mir ‧‧‧電流感測信號

i_ref ‧‧‧電流參考信號

Vc‧‧‧電壓電位

Is‧‧‧定電流源

Cs‧‧‧儲能元件

MF‧‧‧分流元件

V_FB2 ‧‧‧回授電壓

R3‧‧‧第三電阻

R4‧‧‧第四電阻

第1圖為根據本發明第一實施例之電壓穩壓電路的示意圖。

第2圖為根據本發明第二實施例之電壓穩壓電路的示意圖。

第3圖為根據本發明第三實施例之電壓穩壓電路的示意圖。

第4圖為在第1圖所示之電壓穩壓電路中輸出電壓與輸出電流相應於負載變化的關係圖。

第5圖為在第1圖所示之電壓穩壓電路中輸出電壓與輸出電流相應於負載變化的關係圖。

參照第1圖，電壓穩壓電路10，包括：一誤差放大器110、一輸出電路130及一過電流保護電路150。

過電流保護電路150包括一電流感測電路151、一防護開關153以及一判斷電路155。電流感測電路151包括一感測元件MS以及一可變電流源Ic。

誤差放大器110的輸出端電性連接至輸出電路130及感測元件MS的控制端。輸出電路130的輸入端電性連接至電源接點N_IN ，而輸出電路130的輸出端電性連接至負載接點N_OUT 。

於此，輸出電路130包括一功率元件MP。功率元件MP具有第一端、第二端及控制端。功率元件MP的控制端與感測元件MS的控制端共同電性連接至誤差放大器110的輸出端。換言之，功率元件MP與感測元件MS共享來自誤差放大器110的控制信號Sc。

功率元件MP的第一端、感測元件MS的第一端以及防護開關153的第一端皆電性連接至電源接點N_IN 。功率元件MP的第二端電性連接至負載接點N_OUT 。感測元件MS的第二端電性連接至可變電流源Ic。防護開關153的第二端電性連接至誤差放大器110的輸出端，而防護開關153的控制端電性連接至可變電流源Ic。

在負載接點N_OUT 與誤差放大器110的第一輸入端 之間具有一回授路徑。誤差放大器110的第二輸入端電性連接至參考電壓V_REF 。於此，參考電壓V_REF 可由訊號產生器提供。此訊號產生器可為電壓調節電路10的外部組件，亦可為電壓調節電路10的內部組件。

於此，回授路徑可以訊號走線或分壓電阻電路實現。

在一些實施例中，參照第1圖，在負載接點N_OUT 及放大器110的第一輸入端之間可耦接一分壓電阻電路。於此，分壓電阻電路可包括一第一電阻R1和一第二電阻R2。第一電阻R1電性連接在負載接點N_OUT (即，輸出電路130的輸出端)和誤差放大器110的第一輸入端之間。第二電阻R2電性連接在誤差放大器110的第一輸入端和接地之間。也就是說，第一電阻R1和第二電阻R2串接在負載接點N_OUT 和接地之間，並且於第一電阻R1和第二電阻R2之間形成分壓接點。誤差放大器110的第一輸入端則耦接至分壓接點。

於此，利用第一電阻R1和第二電阻R2取得輸出電壓V_OUT 的分壓作為回授電壓V_FB1 (以下稱之為第一回授電壓V_FB1 )，並將第一回授電壓V_FB1 提供給誤差放大器110。

在一些實施例中，參照第2圖，在負載接點N_OUT 及放大器110的第一輸入端之間可耦接一訊號走線170，以直接透過訊號走線170將輸出電壓V_OUT 作為第一回授電壓V_FB1 而提供給誤差放大器110。

在正常工作狀態下，誤差放大器110的第一輸入端接收來自回授路徑的第一回授電壓V_FB1 ，並且誤差放大器 110根據第一回授電壓V_FB1 和參考電壓V_REF 之間的差值產生一放大電壓(即，控制信號Sc)。於此，第一回授電壓V_FB1 與輸出電壓V_OUT 相關。

功率元件MP的第一端接收電源接點N_IN 所提供的供應電壓V_IN 。功率元件MP的控制端接收控制信號Sc。於此，功率元件MP根據控制信號Sc將供應電壓V_IN 轉換為輸出電壓V_OUT ，並由功率元件MP的第二端提供輸出電壓V_OUT 至負載接點N_OUT 。

感測元件MS偵測通過功率元件MP的輸出電流i_OUT 來產生對應之感測電流i_SEN 。

在一些實施例中，功率元件MP可為一PMOS電晶體或一NMOS電晶體。感測元件MS亦可為一PMOS電晶體或一NMOS電晶體。並且，功率元件MP的尺寸與感測元件MS的尺寸之間具有一既定比例。

感測元件MS與功率元件MP形成一第一電流鏡，以致使感測元件MS以此既定比例映射通過功率元件MP的輸出電流i_OUT 而產生對應之感測電流i_SEN 。

在一些實施例中，功率元件MP的尺寸小於感測元件MS的尺寸。

可變電流源Ic根據感測電流i_SEN 產生電流感測信號i_mir 。在一些實施例中，可變電流源Ic可由二電晶體M1、M2所構成之第二電流鏡。第二電流鏡的一主電流端連接至感測元件MS，而第二電流鏡的僕電流端連接至判斷電路155。

感測元件MS所產生的感測電流i_SEN 經由電晶體 M1流到接地。流經電晶體M2的電流(即，電流感測信號i_mir )會反映或近似流經電晶體M1的電流。換言之，電晶體M2映射流經電晶體M1的感測電流i_SEN 而形成電流感測信號i_mir 。因此，電流感測信號i_mir 與流經功率元件MP的輸出電流i_OUT 亦成一既定比例。

判斷電路155接收電流感測信號i_mir 。並且，判斷電路155根據電流感測信號i_mir 以及電流參考信號i_ref 產生一電壓電位Vc以控制防護開關153。

在一些實施例中，判斷電路155包括一定電流源Is以及一儲能元件Cs。於此，定電流源Is可由空乏型電晶體或低電壓的疊接組態實現，以具有良好的溫度特性，以及對供應電壓V_IN 之排斥現象相對低，或者可避免供應電壓V_IN 變動時，影響過電流保護電路的動作。

定電流源Is的一端耦接至電源接點N_IN ，而定電流源Is的另一端耦接至儲能元件Cs的第一端、第二電流鏡的僕電流端以及防護開關153的控制端。儲能元件Cs的第二端接地。於此，防護開關153可為一電晶體。

定電流源Is產生的電流參考信號i_ref 對儲能元件Cs進行充電，直至儲能元件Cs的第一端上升至具有大致上相等於供應電壓V_IN 之電位的電壓電位Vc。當電壓電位Vc為高電位時，定電流源Is停止對儲能元件Cs充電，防護開關153操作在關閉的狀態。此時，功率元件MP是由誤差放大器110的輸出來控制，即由誤差放大器110的輸出來決定控制信號Sc的電位。

當輸出電流i_OUT 上升時，電流感測信號i_mir 隨之上升。因此，適當的設計電流鏡的比例以及電流參考信號i_ref 的大小，以致使當過電流或短路電流發生(即，輸出電流i_OUT 過大)時，相應產生大於電流參考信號i_ref 的電流感測信號i_mir 。

當電流感測信號i_mir 大於電流參考信號i_ref 時，可致使儲能元件Cs透過電晶體M2放電，因而拉低電壓電位Vc。此時，防護開關153的驅動電壓隨之上升並破壞正常工作狀態下的回授機制，以致使功率元件MP不受誤差放大器110的控制，改由防護開關153將控制信號Sc箝制在高電位，進而限制住輸出電流i_OUT 。

於過電流或短路電流的狀況解除後，儲能元件Cs將重新充電至供應電壓V_IN 之電位，以關閉防護開關153。此時，功率元件MP的控制權回到誤差放大器110。

在一些實施例中，電流感測電路151可包括一分流元件MF。分流元件MF的第一端耦接至第二電流鏡的主電流端(可變電流源Ic)以及功率元件MP的第二端，而分流元件MF的第二端耦接至接地。於此，分流元件MF受控於相關於負載接點N_OUT (輸出電壓V_OUT )之一回授路徑。換言之，分流元件MF的控制端與負載接點N_OUT 之間具有一回授路徑。

分流元件MF的控制端接收來自回授路徑的回授電壓V_FB2 (以下稱之為第二回授電壓V_FB2 )，而分流元件MF的第一端則接收感測電流i_SEN 。於此，分流元件MF響應第二回授電壓V_FB2 對感測電流i_SEN 進行分流，以將一部分的感測電流i_SEN 導至接地。另一部分的感測電流i_SEN 則經由電晶體M1 流到接地，以致使電晶體M2映射另一部分的感測電流i_SEN 而形成電流感測信號i_mir 。

在一些實施例中，耦接至分流元件MF之回授路徑與耦接至誤差放大器110之回授路徑可為同一電路。也就是說，分流元件MF的控制端耦接至第一電阻R1和第二電阻R2之間的分壓接點，如第1圖所示。或者，分流元件MF的控制端直接透過訊號走線170耦接至負載接點N_OUT ，如第2圖所示。此時，第一回授電壓V_FB1 相等於第二回授電壓V_FB2 ，即第一回授電壓V_FB1 即為第二回授電壓V_FB2 。

在一些實施例中，耦接至分流元件MF之回授路徑與耦接至誤差放大器110之回授路徑可為相異電路。也就是說，參照第3圖，在負載接點N_OUT 及分流元件MF的控制端之間可耦接由一第三電阻R3和一第四電阻R4所構成之另一分壓電阻電路。其中，第三電阻R3和第四電阻R4串接在負載接點N_OUT 和接地之間，並且於第三電阻R3和第四電阻R4之間形成分壓接點。分流元件MF的控制端則耦接至分壓接點。於此，利用第三電阻R3和第四電阻R4取得輸出電壓V_OUT 的分壓作為第二回授電壓V_FB2 ，並將第二回授電壓V_FB2 提供給分流元件MF的控制端，以控制分流元件MF的開關運作。此時，第一回授電壓V_FB1 可相異於第二回授電壓V_FB2 。

以第1圖所示之電壓穩壓電路為例，由輕負載至重負載時，輸出電壓V_OUT 與輸出電流i_OUT 的變化如第4圖所示。由重負載至輕負載時，輸出電壓V_OUT 與輸出電流i_OUT 的變化如第5圖所示。

綜上，根據本發明之電壓穩壓電路及其方法適用於防止電壓穩壓電路的輸出出現短路電流或過電流的狀況，以避免電壓穩壓電路燒毀，以及保護負載端的電路(耦接在負載接點N_OUT 的負載電路)。當電壓穩壓電路的輸出電流過大時，過電流保護電路將會啟動以限制大輸出電流的發生，並且利用返折型限流(Foldback-Current)機制將電壓穩壓電路的輸出電流降到較低的位準，以避免短路電流的發生與輸出電壓過衝(Overshoot)，並且降低功率損耗。當過電流或過電流的狀況移除後，過電流保護電路會關閉，電壓穩壓電路即回到正常工作狀態。

於此，在整個過電流保護電路的偵測過程中，輸出電流的偵測並不會影響到原電壓穩壓電路的工作。過電流保護電路的構成簡單且靜態電流很低，適用於低電流的產品。換言之，過電流保護電路無工作電流，即，當無輸出電流產生時，過電流保護電路不耗電。再者，過電流保護電路無採用需要絕對阻值之元件，偵測精準度相對高。

雖然本發明以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習相像技藝者，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，因此本發明之專利保護範圍須視本說明書所附之申請專利範圍所界定者為準。

10‧‧‧電壓穩壓電路

110‧‧‧誤差放大器

130‧‧‧輸出電路

150‧‧‧過電流保護電路

151‧‧‧電流感測電路

153‧‧‧防護開關

155‧‧‧判斷電路

MS‧‧‧感測元件

Ic‧‧‧可變電流源

MP‧‧‧功率元件

N_IN ‧‧‧電源接點

N_OUT ‧‧‧負載接點

Sc‧‧‧控制信號

V_REF ‧‧‧參考電壓

R1‧‧‧第一電阻

R2‧‧‧第二電阻

V_OUT ‧‧‧輸出電壓

V_FB1 ‧‧‧回授電壓

i_OUT ‧‧‧輸出電流

i_SEN ‧‧‧感測電流

M1‧‧‧電晶體

M2‧‧‧電晶體

i_mir ‧‧‧電流感測信號

i_ref ‧‧‧電流參考信號

Vc‧‧‧電壓電位

Is‧‧‧定電流源

Cs‧‧‧儲能元件

MF‧‧‧分流元件

V_FB2 ‧‧‧回授電壓

Claims (12)

1. 一種電壓穩壓電路，包括：一誤差放大器，用以根據一參考電壓和一第一回授電壓產生一控制信號；一輸出電路，電性連接該誤差放大器，包括一功率元件，以根據該控制信號將一供應電壓轉換為一輸出電壓，其中該第一回授電壓與該輸出電壓相關；一電流感測電路，電性連接該誤差放大器及該功率元件的控制端，以產生對應通過該功率元件的輸出電流之一電流感測信號；一防護開關，電性連接該功率元件的控制端；以及一判斷電路，電性連接該電流感測電路以及該防護開關，以根據該電流感測信號以及一電流參考信號控制該防護開關箝制該控制信號的電位。
2. 如請求項1所述之電壓穩壓電路，其中當該電流感測信號大於該電流參考信號時，該防護開關箝制該控制信號的電位。
3. 如請求項1所述之電壓穩壓電路，其中該電流感測電路包括：一感測元件，用以偵測該輸出電流以產生一感測電流，其中該感測電流與該輸出電流成正比；以及一可變電流源，電性連接在該感測元件與該判斷電路之間，用以根據該感測電流產生該電流感測信號。
4. 如請求項1所述之電壓穩壓電路，其中該電流感測電路包括：一感測元件，用以偵測該輸出電流以產生一感測電流，其中該感測電流與該輸出電流成正比； 一分流元件，電性連接該感測元件，用以根據一第二回授電壓分流一部分的該感測電流，其中該第二回授電壓與該輸出電壓相關；以及一可變電流源，電性連接在該感測元件與該判斷電路之間，用以根據另一部分的該偵測電流產生該電流感測信號。
5. 如請求項4所述之電壓穩壓電路，其中該第一回授電壓相等於該第二回授電壓。
6. 如請求項4所述之電壓穩壓電路，其中該第一回授電壓相異於該第二回授電壓。
7. 如請求項1所述之電壓穩壓電路，其中該判斷電路包括：一定電流源，以提供一電流參考信號；以及一儲能元件，該儲能元件的第一端電性連接該定電流源、該電流感測電路以及該防護開關的控制端，該儲能元件的第二端接地，以根據該電流感測信號以及該電流參考信號在該防護開關的控制端產生一電壓電位。
8. 一種電壓穩壓方法，包括：接收一供應電壓；根據一參考電壓和一第一回授電壓產生一控制信號；利用一功率元件根據該控制信號將該供應電壓轉換為一輸出電壓，其中該第一回授電壓與該輸出電壓相關；產生一電流參考信號；產生對應通過該功率元件的輸出電流之一電流感測信號；以及根據該電流感測信號以及該電流參考信號控制一防護開 關箝制該控制信號的電位。
9. 如請求項8所述之電壓穩壓方法，其中該電流感測信號的產生步驟包括：映射該輸出電流而產生一電流感測信號，其中該電流感測信號與該輸出電流成正比。
10. 如請求項8所述之電壓穩壓方法，其中該電流感測信號的產生步驟包括：映射該輸出電流而產生一感測電流，其中該感測電流與該輸出電流成正比；根據一第二回授電壓分流一部分的該感測電流至接地，其中該第二回授電壓與該輸出電壓相關；以及根據另一部分的該偵測電流產生該電流感測信號。
11. 如請求項8所述之電壓穩壓方法，其中該箝制步驟包括：根據該電流感測信號以及該電流參考信號產生一電壓電位；以及利用該防護開關響應該電壓電位而將該控制信號箝制在高電位。
12. 如請求項8所述之電壓穩壓方法，其中該箝制步驟包括：當該電流感測信號大於該電流參考信號時，利用該防護開關箝制該控制信號的電位。