TWI480714B - Voltage regulator - Google Patents
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Description
本發明係關於具備過電流保護電路之電壓調節器。
針對傳統電壓調節器進行說明。第6圖係傳統電壓調節器之電路圖。
差動放大電路104，係比較基準電壓電路103之輸出電壓及分壓電路106之輸出電壓，將基準電壓電路103及分壓電路106之輸出端子之電壓保持於相同電壓，再以輸出端子102之電壓保持於特定電壓之方式來控制輸出電晶體105之閘極電壓。
此處，電壓調節器之輸出電壓若因為負荷增大而降低，則輸出電流Iout較多，而成為最大輸出電流Im。所以，對應該最大輸出電流Im，流通於電流鏡連接於輸出電晶體105之感測電晶體121的電流增多。此時，Pch電晶體601為導通，只有電阻602所發生之電壓變高，Nch增強型電晶體124導通，電阻122所發生之電壓變高。其次，Pch電晶體125導通，輸出電晶體105之閘極-源極間電壓降低，輸出電晶體105斷開。所以，輸出電流Iout，不多於最大輸出電流Im而固定為最大輸出電流Im，輸出電壓Vout降低。此處，只有電阻602所發生之電壓，使輸出電晶體105之閘極-源極間電壓降低，因為輸出電晶體105斷開，輸出電流Iout固定於最大輸出電流Im，最大輸出電流Im，係由電阻602之電阻值及Nch增強型電晶體124之閾值電壓所決定。
藉由使輸出電壓Vout降低，來使Pch電晶體601之閘極-源極間電壓低於Pch電晶體601之閾值電壓之絕對值Vtp。則Pch電晶體601斷開。如此，不只是電阻602，電阻602及603雙方所發生之電壓變高，若Nch增強型電晶體124也導通，電阻122所發生之電壓更高，若Pch電晶體125也導通，則輸出電晶體105之閘極-源極間電壓更低，輸出電晶體105也斷開。所以，輸出電流Iout較少，而成為短路電流Is。其後，輸出電壓Vout降低而成為0伏特。此處，因為電阻602及603雙方所發生之電壓，輸出電晶體105之閘極-源極間電壓降低，而使輸出電晶體105斷開，因為輸出電流Iout成為短路電流Is，短路電流Is係由電阻602及603雙方之電阻值所決定(例如，參照專利文獻1)。
[專利文獻1]日本特開2003-216252號公報(第5圖)
然而，傳統技術時，最大輸出電流Im及短路電流Is，係由電阻602及603雙方之電阻值、及Nch增強型電晶體124之閾值電壓所決定。所以，要正確設定最大輸出電流Im及短路電流Is，則必須以微調製程正確設定電阻602及603之電阻值。亦即，傳統技術時，有製造製程複雜之課題。
本發明，有鑑於上述課題，提供可以容易且正確設定短路電流之電壓調節器。
為了解決上述課題，本發明提供一種電壓調節器，係具備過電流保護電路之電壓調節器，其特徵為，可正確設定過電流保護電路之短路電流之電流值的電路，係將Nch空乏型電晶體應用於過電流保護電路，連接閘極及汲極而於非飽和狀態使用。
本發明之具備過電流保護電路之電壓調節器，係連接Nch空乏型電晶體之閘極及汲極來使用。因為當做電阻元件使用之Nch空乏型電晶體之電阻值、及Nch增強型電晶體之閾值電壓係相關，故可使短路電流之處理偏差及溫度依賴性成為最小。此外，因為未使用電阻及熔絲，故亦可實現晶片面積之縮小。
參照圖式，針對本發明之實施形態進行說明。
[實施例1]
第1圖係第一實施形態之電壓調節器之電路圖。
第一實施形態之電壓調節器，係由基準電壓電路103、差動放大電路104、輸出電晶體105、分壓電路106、以及過電流保護電路107所構成。
其次，針對第一實施形態之電壓調節器之要素電路連接進行說明。
基準電壓電路103，將輸出端子連接於差動放大電路104之反相輸入端子。差動放大電路104，輸出端子連接於過電流保護電路107、及輸出電晶體105之閘極，非反相輸入端子則連接於分壓電路106之輸出端子。輸出電晶體105，源極連接於電源端子101，汲極則連接於輸出端子102。分壓電路106，連接於輸出端子102及接地端子100之間。
針對過電流保護電路107之連接進行說明。
Pch電晶體121，閘極係連接於輸出電晶體105之閘極，汲極係連接於Nch增強型電晶體124之閘極，源極則連接於電源端子101。Nch空乏型電晶體123，閘極及汲極係連接於Nch增強型電晶體124之閘極及Pch電晶體121之汲極，源極則連接於接地端子100。Nch增強型電晶體124，源極連接於輸出端子102，汲極連接於Pch電晶體125之閘極，背閘極則連接於接地端子100。Pch電晶體125，汲極連接於Pch電晶體105之閘極，源極則連接於電源端子101。電阻122，一方連接於Pch電晶體125之閘極，另一方則連接於電源端子101。Nch增強型電晶體124及Pch電晶體125及電阻122，構成用以控制輸出電晶體105之閘極電壓的輸出電流限制電路。
其次，針對第一實施形態之電壓調節器的動作進行說明。
分壓電路106，係將輸出端子102之電壓之輸出電壓Vout進行分壓，並輸出分壓電壓Vfb。差動放大電路104，將基準電壓電路103之基準電壓Vref及分壓電壓Vfb進行比較，以輸出電壓Vout為一定之方式控制輸出電晶體105之閘極電壓。輸出電壓Vout高於特定電壓，則分壓電壓Vfb高於基準電壓Vref，差動放大電路104之輸出信號(輸出電晶體105之閘極電壓)變高，輸出電晶體105斷開，輸出電壓Vout降低。此外，輸出電壓Vout低於特定電壓，則執行與上述相反之動作，輸出電壓Vout變高。換言之，輸出電壓Vout為一定。
此處，輸出端子102及接地端子100發生短路時，大電流流過輸出電晶體105。所以，由輸出電晶體105及Pch電晶體121之通道長度及通道寬度所決定之電流流過Pch電晶體121。如此，Nch增強型電晶體124之閘極-源極間電壓，與該電流值成比例而上昇。該電壓若超過Nch增強型電晶體124之閾值電壓，電阻122所發生之電壓變高，Pch電晶體125導通，輸出電晶體105之閘極-源極間電壓變小而朝向斷開方向。如此，電流流通於Pch電晶體121，該電流之增加被視為電壓而被Nch增強型電晶體124檢測到，驅動過電流保護電路。
Nch空乏型電晶體123，閘極連接於汲極。此種連接執行非飽和動作，可以將其視為與檢測電阻相同。Nch空乏型電晶體之閾值及Nch增強型電晶體之閾值，係以相同裝置使用相同離子來改變濃度進行植入(implantation)，來調整。該二個閾值，只有植入濃度不同，因為使用相同裝置、相同離子，裝置之誤差導致閾值產生偏差時，朝相同方向偏差。例如，Nch空乏型電晶體之閾值朝較高方向偏差，Nch增強型電晶體之閾值也同樣朝較高方向偏差。不會發生Nch空乏型電晶體之閾值朝較高方向偏差而Nch增強型電晶體之閾值朝較低方向偏差之情形。此外，Nch空乏型電晶體之閾值大0.1V而Nch增強型電晶體之閾值大0.01V之偏差大小大幅改變的情形也不會發生。換言之，Nch空乏型電晶體之閾值及Nch增強型電晶體之閾值，係與處理偏差(閾值偏差)連動而產生偏差。所以，該檢測電阻，與Nch增強型電晶體124及處理偏差(閾值偏差)連動而偏差。
如此，執行檢測之Nch增強型電晶體124之閾值，與短路電流之處理偏差之原因之檢測電阻之電阻值為連動，可以使短路電流之處理偏差及溫度依賴性成為最小。此外，為了減輕處理偏差而未使用電阻及熔絲，故亦可縮小晶片面積。
此外，電阻122，使用未圖示之Pch電晶體，連接閘極及源極，將閘極連接於Pch電晶體125之閘極、及Nch增強型電晶體124之汲極，將源極連接於電源端子101之構成，亦可執行相同動作。
如以上所示，使用Nch空乏型電晶體做為檢測電阻，並連接閘極及汲極，可以使短路電流之處理偏差及溫度依賴性成為最小。此外，亦可縮小晶片面積。
[實施例2]
第2圖係第二實施形態之電壓調節器之電路圖。
第二實施形態之電壓調節器，係由基準電壓電路103、差動放大電路104、輸出電晶體105、分壓電路106、以及過電流保護電路107所構成。不同於第一實施例之處，係使用Nch增強型電晶體201取代Nch空乏型電晶體123，且閘極連接於定電壓電路202。
其次，針對第二實施形態之電壓調節器之動作進行說明。
Nch增強型電晶體201，閘極連接於定電壓電路202而以非飽和執行動作。因為以非飽和執行動作，Nch增強型電晶體201，可以視為與檢測電阻相同。該檢測電阻，因為Nch增強型電晶體，Nch增強型電晶體124與處理偏差(閾值偏差)連動。因為檢測電阻之電阻值及執行檢測之Nch增強型電晶體124之閾值為連動，短路電流之處理偏差及溫度依賴性可以為最小。為了減輕處理偏差，未使用電阻及熔絲，故亦可縮小晶片面積。
如以上所述，使用Nch增強型電晶體做為檢測電阻，定電壓電路連接於閘極，而以非飽和執行動作，故可以使短路電流之處理偏差及溫度依賴性為最小。此外，亦可縮小晶片面積。
[實施例3]
第3圖係第三實施形態之電壓調節器之電路圖。
第三實施形態之電壓調節器，係由基準電壓電路103、差動放大電路104、輸出電晶體105、分壓電路106、以及過電流保護電路107所構成。與第一實施例不同之處，係以串聯之Nch空乏型電晶體301、302、303取代Nch空乏型電晶體123，而可以熔絲進行微調。
其次，針對第三實施形態之電壓調節器之動作進行說明。
Nch空乏型電晶體301、302、303，係可利用熔絲進行微調之構成。與第一實施例相同，因為連接Nch空乏型電晶體301、302、303之閘極及Nch空乏型電晶體301之汲極而執行非飽和動作，故可視為檢測電阻。過電流保護電路之特性，係由當做檢測電阻使用之Nch空乏型電晶體之電阻值所決定。電壓帶有時會導致過電流保護電路之特性不適當。為了進行補正，實施Nch空乏型電晶體之微調。實施微調，可以使檢測電阻成為最佳值。此外，串聯了3個Nch空乏型電晶體及熔絲，然而，並未限制為3個，亦可以串聯4個以上之Nch空乏型電晶體及熔絲。
與第一實施例相同，因為檢測電阻為Nch空乏型電晶體，Nch增強型電晶體124及處理偏差(閾值偏差)為連動。檢測電阻之電阻值及執行檢測之Nch增強型電晶體124之閾值為連動，故短路電流之處理偏差及溫度依賴性可以為最小。
如以上所述，使用Nch空乏型電晶體做為檢測電阻，連接閘極及汲極，可使短路電流之處理偏差及溫度依賴性成為最小。此外，進行Nch空乏型電晶體之微調，可以使過電流保護電路之特性成為最佳。
[實施例4]
第4圖係第四實施形態之電壓調節器之電路圖。
第四實施形態之電壓調節器，係由基準電壓電路103、差動放大電路104、輸出電晶體105、分壓電路106、以及過電流保護電路107所構成。與第一實施例不同之處係使用Nch增強型電晶體401，閘極連接於Nch空乏型電晶體123之汲極，汲極連接於Nch增強型電晶體124之汲極，源極則連接於接地端子100。
其次，針對第四實施形態之電壓調節器之動作進行說明。
輸出端子102及接地端子100形成短路時，大電流流通於輸出電晶體105。所以，由輸出電晶體105及Pch電晶體121之通道長度及通道寬度所決定之電流流通於Pch電晶體121。如此，Nch增強型電晶體401之閘極-源極間電壓，與該電流值成比例而上昇。該電壓若超過Nch增強型電晶體401之閾值電壓，則發生於電阻122之電壓變高，Pch電晶體125導通，輸出電晶體105之閘極-源極間電壓則變小而朝向斷開方向。其次，輸出電壓Vout降低。如此，電流流過Pch電晶體121，Nch增強型電晶體401檢測該電流之增加當做電壓，而驅動下垂型過電流保護電路。
輸出電壓Vout降低而成為特定電壓Va以下，則Nch增強型電晶體124之閘極-源極間電壓成為閾值電壓以上，Nch增強型電晶體124導通。如此，發生於電阻122之電壓更高，Pch電晶體125導通，輸出電晶體105之閘極-源極間電壓更小而朝向斷開方向。如此，電流流通於Pch電晶體121，Nch增強型電晶體124檢測該電流之增加做為電壓，而驅動限流型過電流保護電路。
此處，Nch空乏型電晶體123，閘極連接於汲極。此種連接執行非飽和動作，可視為與檢測電阻相同。該檢測電阻，因為係Nch空乏型電晶體，Nch增強型電晶體124、Nch增強型電晶體401、以及處理偏差(閾值偏差)為連動。因為檢測電阻之電阻值與進行下垂型過電流保護電路之檢測之Nch增強型電晶體401的閾值、及進行限流型過電流保護電路之檢測之Nch增強型電晶體124的閾值為連動，短路電流之處理偏差及溫度依賴性可以為最小。此外，為了減輕處理偏差，未使用電阻及熔絲，故亦可縮小晶片面積。
如以上所述，使用Nch空乏型電晶體取代檢測電阻，連接閘極及汲極，可以使短路電流之處理偏差及溫度依賴性成為最小。此外，亦可縮小晶片面積。
[實施例5]
第5圖係第五實施形態之電壓調節器之電路圖。
第五實施形態之電壓調節器，係由基準電壓電路103、差動放大電路104、輸出電晶體105、分壓電路106、以及過電流保護電路107所構成。與第四實施例不同之處，係使用Nch初始電晶體501及502取代Nch增強型電晶體124及Nch增強型電晶體401。
其次，針對第五實施形態之電壓調節器之動作進行說明。
Nch初始電晶體501及502，係p基板上之Nch增強型電晶體，係不對well進行植入而製成之電晶體。因為未對Well進行植入，閾值不會發生處理偏差。
Nch空乏型電晶體123，閘極連接汲極。此種連接而為非飽和動作，可以視為與檢測電阻相同。
此時，Nch初始電晶體501及502，因為閾值無偏差，短路電流之處理偏差及溫度依賴性之原因，只有檢測電阻。因為處理偏差只有檢測電阻，可以使短路電流之處理偏差及溫度依賴性成為最小。此外，為了減輕處理偏差而未使用電阻及熔絲，故亦可縮小晶片面積。
如以上所述，使用Nch空乏型電晶體取代檢測電阻，連接閘極及汲極，利用Nch初始電晶體進行檢測，來消除Nch增強型電晶體之處理偏差，而可以使短路電流之處理偏差及溫度依賴性成為最小。此外，亦可縮小晶片面積。
此外，本實施例時，檢測用之電晶體係使用Nch初始電晶體，然而，亦可適用於其他實施例之電路，而得到同樣的效果。
[實施例61
第7圖係第六實施形態之電壓調節器之電路圖。
第六實施形態之電壓調節器，係由基準電壓電路103、差動放大電路104、輸出電晶體105、分壓電路106、以及過電流保護電路107所構成。與第一實施例不同之處，係將Nch空乏型電晶體123變更成Nch增強型電晶體701，並將電阻702連接於Nch增強型電晶體701之源極。
其次，針對第六實施形態之電壓調節器之動作進行說明。
Nch增強型電晶體701及124，因為為相同種類之電晶體，可以使短路電流之處理偏差及溫度依賴性成為最小。此外，因為可以電阻702調整流過Nch增強型電晶體701之電流，可以調整過電流保護相關之電流值。此外，為了減輕處理偏差而未使用電阻及熔絲，亦可縮小晶片面積。
如以上所述，以Nch增強型電晶體取代檢測電阻，連接閘極及汲極，將電阻連接至源極，可以使短路電流之處理偏差及溫度依賴性成為最小，並調整過電流保護相關之電流值。此外，亦可縮小晶片面積。
[實施例7]
第8圖係第七實施形態之電壓調節器之電路圖。
第七實施形態之電壓調節器，係由基準電壓電路103、差動放大電路104、輸出電晶體105、分壓電路106、以及過電流保護電路107所構成。與第六實施例不同之處，將電阻122變更成Pch電晶體801，連接閘極及汲極，而連接於Pch電晶體125。
其次，針對第七實施形態之電壓調節器之動作進行說明。
即使使用Pch電晶體801，因為Nch增強型電晶體124之閘極-源極間電壓上昇而超過閾值時，可以導通Pch電晶體125。所以，第七實施形態之電壓調節器，可以執行與第六實施形態之電壓調節器相同之動作。
如以上所述，即使將電阻122變更成Pch電晶體801，亦與第六實施形態之電壓調節器相同，可以使短路電流之處理偏差及溫度依賴性成為最小。此外，可以調整過電流保護相關電流值，而可以縮小晶片面積。
[實施例8]
第9圖係第八實施形態之電壓調節器之電路圖。
第八實施形態之電壓調節器，係由基準電壓電路103、差動放大電路104、輸出電晶體105、分壓電路106、以及過電流保護電路107所構成。與第六實施例不同之處，係將電阻702變更成Nch空乏型電晶體901，連接閘極及汲極。
其次，針對第八實施形態之電壓調節器之動作進行說明。
Nch增強型電晶體701及124，係相同種類之電晶體，Nch空乏型電晶體901，因為係以與Nch增強型電晶體701及124相同之裝置進行植入調整，可以使短路電流之處理偏差及溫度依賴性成為最小。此外，因為可以Nch空乏型電晶體901調整流通於Nch增強型電晶體701之電流，故可調整過電流保護相關電流值。其次，相較於利用電阻時，亦可縮小晶片面積。此外，為了減輕處理偏差而未使用電阻及熔絲，亦可縮小晶片面積。
如以上所述，藉由將電阻702變更成Nch空乏型電晶體901，可以調整過電流保護相關電流值，可以縮小晶片面積。此外，可以使短路電流之處理偏差及溫度依賴性成為最小。
此外，電阻122，使用未圖示之Pch電晶體，即使連接閘極及源極、將閘極連接於Pch電晶體125之閘極、及Nch增強型電晶體124之汲極、將源極連接於電源端子101之構成，亦可執行同樣之動作。
100．．．接地端子
101．．．電源端子
102．．．輸出端子
103．．．基準電壓電路
104‧‧‧差動放大電路
105‧‧‧輸出電晶體
106‧‧‧分壓電路
107‧‧‧過電流保護電路
202‧‧‧定電壓電路
501、502‧‧‧Nch初始電晶體
第1圖係第一實施形態之電壓調節器的電路圖。
第2圖係第二實施形態之電壓調節器的電路圖。
第3圖係第三實施形態之電壓調節器的電路圖。
第4圖係第四實施形態之電壓調節器的電路圖。
第5圖係第五實施形態之電壓調節器的電路圖。
第6圖係傳統電壓調節器的電路圖。
第7圖係第六實施形態之電壓調節器的電路圖。
第8圖係第七實施形態之電壓調節器的電路圖。
第9圖係第八實施形態之電壓調節器的電路圖。
100．．．接地端子
101．．．電源端子
102．．．輸出端子
103．．．差動放大電路125之非反相輸入端子
104．．．差動放大電路125之輸入端子
105．．．差動放大電路125之反相輸入端子
106．．．差動放大電路125之輸出端子
107．．．差動放大電路124之反相輸入端子
108．．．差動放大電路124之非反相輸入端子
109．．．基準電壓電路
121．．．控制電路
122．．．偏壓電路
123．．．偏壓電路
124．．．差動放大電路
125．．．差動放大電路
Claims (10)
- 一種電壓調節器，係具備：誤差放大電路，用以放大並輸出輸出電晶體所輸出之電壓經過分壓後之分壓電壓與基準電壓之差，來控制前述輸出電晶體之閘極；及過電流保護電路，用以檢測過電流流過前述輸出電晶體，來限制前述輸出電晶體之電流，該電壓調節器之特徵為：前述過電流保護電路具備：感測電晶體，其係由前述誤差放大電路之輸出電壓所控制，用以感測前述輸出電晶體之輸出電流；第一電晶體，其屬於將閘極連接於汲極之Nch空乏型電晶體，於非飽和執行動作，依流通於前述感測電晶體之電流而發生電壓；以及輸出電流限制電路，其係由前述第一電晶體所發生之電壓所控制，控制前述輸出電晶體之閘極電壓。
- 如申請專利範圍第1項所記載之電壓調節器，其中前述Nch空乏型電晶體具備：串聯之複數個Nch空乏型電晶體、及分別並聯之微調用熔絲。
- 一種電壓調節器，係具備：誤差放大電路，用以放大並輸出輸出電晶體所輸出之電壓經過分壓後之分壓電壓與基準電壓之差，來控制前述輸出電晶體之閘極；及過電流保護電路，用以檢測過電流流過前述輸出電晶體，來限制前述輸出電晶體之電流，該電壓調節器之特徵為：前述過電流保護電路具備： 感測電晶體，其係由前述誤差放大電路之輸出電壓所控制，用以感測前述輸出電晶體之輸出電流；第一電晶體，其屬於將定電壓電路連接於閘極之Nch增強型電晶體，於非飽和執行動作，依流通於前述感測電晶體之電流而發生電壓；以及輸出電流限制電路，其係由前述第一電晶體所發生之電壓所控制，控制前述輸出電晶體之閘極電壓。
- 一種電壓調節器，係具備：誤差放大電路，用以放大並輸出輸出電晶體所輸出之電壓經過分壓後之分壓電壓與基準電壓之差，來控制前述輸出電晶體之閘極；及過電流保護電路，用以檢測過電流流過前述輸出電晶體，來限制前述輸出電晶體之電流，該電壓調節器之特徵為：前述過電流保護電路具備：感測電晶體，其係由前述誤差放大電路之輸出電壓所控制，用以感測前述輸出電晶體之輸出電流；第一電晶體，其屬於連接閘極及汲極之Nch增強型電晶體，於非飽和執行動作，依流通於前述感測電晶體之電流而發生電壓；以及輸出電流限制電路，其係由前述第一電晶體所發生之電壓所控制，控制前述輸出電晶體之閘極電壓。
- 如申請專利範圍第4項所記載之電壓調節器，其中前述Nch增強型電晶體之源極連接著電阻。
- 如申請專利範圍第4項所記載之電壓調節器，其中前述Nch增強型電晶體之源極，連接著連接閘極及汲 極之第二Nch空乏型電晶體。
- 如申請專利範圍第1項所記載之電壓調節器，其中前述輸出電流限制電路，具備用以檢測前述第一電晶體所發生之電壓的第二電晶體，前述第二電晶體係初始電晶體。
- 如申請專利範圍第3項所記載之電壓調節器，其中前述輸出電流限制電路，具備用以檢測前述第一電晶體所發生之電壓的第二電晶體，前述第二電晶體係初始電晶體。
- 如申請專利範圍第4項所記載之電壓調節器，其中前述輸出電流限制電路，具備用以檢測前述第一電晶體所發生之電壓的第二電晶體，前述第二電晶體係初始電晶體。
- 如申請專利範圍第7至9項中之任一項所記載之電壓調節器，其中前述輸出電流限制電路，具備連接於前述第二電晶體之汲極的第三電晶體，前述第三電晶體係將閘極連接至汲極之Pch電晶體。
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