TWI516895B - 低壓差穩壓裝置以及緩衝級電路 - Google Patents

Description

低壓差穩壓裝置以及緩衝級電路

本發明係關於一種低壓差穩壓機制，尤指一種低壓差穩壓裝置以及緩衝級電路。

一般來說，習知的現有技術中，對於傳統的低壓差穩壓電路，由於其功率電晶體的面積非常大，造成該功率電晶體之閘極端的電容值也會非常大，所以，當流過該功率電晶體的負載電流改變，例如是由低負載變換為高負載，或是由高負載變換為低負載時，因為較大電容值的關係，其閘極端的電壓值常常無法即時改變，而導致傳統的低壓差穩壓電路之輸出電壓產生電壓突然變化，例如，請參照第5圖，第5圖是傳統低壓差穩壓電路之功率電晶體之閘極端電壓V2、輸出電壓VOUT以及負載電流I的波形示意圖。如第5圖所示，當負載電流由低負載突然變換為高負載時，閘極端電壓V2在實際上需要一段時間t1才能從高準位值降低至低準位值(功率電晶體係為P型電晶體)，而該段時間t1會導致在原先穩定的輸出電壓VOUT產生了電壓突然變化△VUOT1，另外，當負載電流由高負載突然變換為低負載時，閘極端電壓V2在實際上也需要一段時間t2才能從低準位值提升至高準位值，而該段時間t2也會導致在原先穩定的輸出電壓VOUT產生了電壓突然變化△VUOT2，這樣的情形係起因於習知設計的功率電晶體之面積非常大、電壓轉換速率過低，因此，如何改善習知功率電晶體之電壓轉換速率過低的問題實屬低壓差穩壓電路領域的一重大課題。

因此，本發明的目的之一在於提供一種低壓差穩壓裝置以及相對應的緩衝級電路，以解決上述習知現有技術所遇到的難題。

根據本發明的實施例，其係揭露了一種低壓差穩壓裝置。低壓差穩壓裝置包含有一運算放大器、一緩衝級電路及一功率電晶體，運算放大器係用以接收一參考電壓以及一回授電壓，以產生一第一電壓訊號。緩衝級電路係耦接至功率電晶體，並用以緩衝第一電壓訊號，以產生一第二電壓訊號。功率電晶體係耦接至緩衝級電路，並用以根據第二電壓訊號，產生一輸出電壓，其中輸出電壓係正比於回授電壓。此外，緩衝級電路係根據第一電壓訊號，決定是否映射產生一映射電流，以及當映射電流產生時，根據映射電流，產生第二電壓訊號，提供至功率電晶體以控制功率電晶體的開關。

再者，根據本發明的實施例，其另揭露了一種使用在低壓差穩壓裝置的緩衝級電路。緩衝級電路耦接在一運算放大器與一功率電晶體之間，緩衝級電路包含有第一開關、電流鏡及第二開關。第一開關係用以接收運算放大器所產生的一第一電壓訊號並決定是否啟動一電流鏡的操作。電流鏡係耦接至第一開關，並用以根據第一電壓訊號映射產生映射電流。第二開關係耦接至電流鏡的一輸出端，並用以在電流鏡不映射產生映射電流時，提供一第二電壓訊號給功率電晶體，以關閉功率電晶體；其中當第二開關開啟時，電流鏡係關閉，第二開關提供第二電壓訊號至功率電晶體，以關閉功率電晶體；以及，當第二開關關閉時，電流鏡係開啟，電流鏡根據第一電壓訊號映射產生映射電流，以產生一第二電壓訊號來開啟功率電晶體。

本發明的優點在於，利用緩衝級電路中的原生型電晶體或電流鏡映射大電流的方式，來改善功率電晶體的閘極端電壓的電壓轉換速率過低的現象，以避免習知技術的問題。

100‧‧‧低壓差穩壓裝置

105‧‧‧帶差參考電路

110‧‧‧運算放大器

115‧‧‧緩衝級電路

120‧‧‧功率電晶體

125‧‧‧電流源

130‧‧‧回授電路

1151‧‧‧第一開關

1152‧‧‧電流鏡

1153‧‧‧第二開關

第1圖為本發明較佳實施例之低壓差穩壓裝置的電路示意圖。

第2圖為第1圖所示之緩衝級電路的電路示意圖。

第3A圖至第3C圖為當一P型功率電晶體之負載電流的電流值由低負載切換為高負載、現有技術與本案之閘極電壓的波形比較示意圖。

第4A圖至第4C圖為當一P型功率電晶體之負載電流的電流值由高負載切換為低負載、現有技術與本案之閘極電壓的波形比較示意圖。

第5圖為傳統低壓差穩壓電路之功率電晶體之閘極端電壓、輸出電壓以及負載電流的波形示意圖。

請參照第1圖，第1圖是本發明較佳實施例之低壓差穩壓裝置100的電路示意圖，低壓差穩壓裝置100至少包含有一運算放大器110、一緩衝級電路115、一功率電晶體120(電晶體m1)，此外亦包含有一帶差參考電路105、一電流源125、一回授電路130，其中，帶差參考電路105係用以產生一參考電壓VREF，運算放大器110的反向輸入端係耦接至帶差參考電路105，非反向輸入端耦接至回授電壓VFB，輸出端耦接至下一級的緩衝級電路115，運算放大器110係用以接收參考電壓VREF與回授電壓VFB，並根據參考電壓VREF與回授電壓VFB產生一第一電壓訊號VX，緩衝級電路115的輸入端係耦接於運算放大器110，輸出端耦接於功率電晶體120的閘極控制端，緩衝級電路115係用以緩衝第一電壓訊號VX以產生一第二電壓訊號VY，本發明的實施例中，功率電晶體120係通過P型電晶體來實現，其閘極控制端係耦接於緩衝級電路115，源極端耦接於工作電壓VDD，汲極端耦接於電流源125，功率電晶體120係用以根據第二電壓訊號VY產生一輸出電壓VOUT，輸出電壓VOUT經過回授電路130的分壓之後係產生上述的回授電壓VFB， 換言之，回授電壓VFB的電壓值係正比於輸出電壓VOUT的電壓值，此外，緩衝級電路115設置於運算放大器110與功率電晶體120之間，目的是用來提升功率電晶體120的閘極端電壓的電壓轉換速率，避免因為電壓轉換速率過低的關係而導致在穩定的輸出電壓VOUT中形成電壓的突然改變，因此，本實施例的緩衝級電路115具有在負載電流I_load改變時快速提高或快速降低功率電晶體120之閘極端電壓(亦即第二電壓訊號VY)的功能與操作，使得整體的低壓差穩壓裝置100具有足夠高的電壓轉換速率；對快速提高第二電壓訊號VY的電壓值來說，緩衝級電路115係通過導通原生型電晶體元件(Native Device)的方式，將第二電壓訊號VY的電壓值從接地準位VGND快速拉高至相當接近工作電壓VDD的電壓準位，實質上，因為原生型電晶體元件的臨異電壓可極接近為零，所以等效上可視為緩衝級電路115將第二電壓訊號VY的電壓值從接地準位VGND快速拉高至工作電壓VDD的電壓準位，另一方面，對快速降低第二電壓訊號VY的電壓值來說，緩衝級電路115係通過電流鏡映射產生一個K2倍的大電流，以快速地降低第二電壓訊號VY的電壓值，將第二電壓訊號VY的電壓值從工作電壓VGND的電壓準位快速降低至接地準位VGND，因此，就操作而言，可視為緩衝級電路115係根據第一電壓訊號VX來決定是否映射產生一映射電流，並且當該映射電流產生時，再根據映射電流產生第二電壓訊號VY以提供至功率電晶體120，控制功率電晶體120的開關。緩衝級電路115的電路實施方式係描述於下。

請參照第2圖，第2圖是第1圖所示之緩衝級電路115的電路示意圖。如第2圖所示，緩衝級電路115包含有第一開關1151、電流鏡1152以及第二開關1153，第一開關1153係通過電晶體mp1來實現，電流鏡1152包含有兩電晶體mn1、mn2，以及第二開關1153係通過電晶體mn3來實現，其中電晶體mn3係為一原生型電晶體，其臨界電壓接近為零，透過接近為零的臨界電壓，當要關閉功率電晶體120時，(功率電晶體120在本實施例中係 以P型電晶體實現之)，運算放大器110會輸出接近於工作電壓VDD的第一電壓訊號VX給緩衝級電路115，此時，當第一電壓訊號VX是高準位時，第一開關1151被關閉、電流鏡1152被關閉，而第二開關1153被開啟，在這個情況下，第二電壓訊號VY的電壓值可因為原生型電晶體之臨界電壓接近為零的關係，而被拉高至接近工作電壓VDD的準位，第二開關1153的電晶體mn3的功能可視為一個N型電晶體的源極隨耦器，具有相當大的電壓轉換速率，且由於第二電壓訊號VY接近於工作電壓VDD，所以，功率電晶體120會立刻被關閉。

此外，當要開啟功率電晶體120時，(功率電晶體120在本實施例中係以P型電晶體實現之)，運算放大器110所輸出給緩衝級電路115的第一電壓訊號VX會快速下降，而因為第一電壓訊號VX在此時降低為低準位的關係，所以，第一開關1151被開啟、電流鏡1152也被開啟，而第二開關1153被關閉，本實施例中，電晶體mn1、mn2的通道寬長比的關係係設計為1：K2的比例關係，K2為大於1的整數或正數，也就是說，假設流過電晶體mn1的電流(亦即通過第一開關1151之電晶體mp1的電流)為一倍的電流，則流過電晶體mn2的電流為K2倍的大電流，由於此時第二開關1153係關閉而斷開，因此，K2倍的大電流可以立刻把第二電壓訊號VY的電壓值拉至接地準位VGND，使得功率電晶體120的閘極端為低準位，而使功率電晶體120導通，因為是使用K2倍的映射電流來拉低VY的電壓值，所以，這樣的電路設計亦具有相當高的電壓轉換速率。

再者，第一開關1151的電晶體mp1與功率電晶體120的通道寬長比關係可以設計為1：K1的比例關係，如此一來，流過電晶體mp1、mn1、mn2的相同或不同的電流值均會隨著通過功率電晶體120的電流值而變化，因此，當通過功率電晶體120之負載電流的電流值由高負載電流變為低負載 電流時，流過電晶體mp1、mn1、mn2的電流均會隨之變小，反之，當通過功率電晶體120之負載電流的電流值由低負載電流變為高負載電流時，流過電晶體mp1、mn1、mn2的電流均會隨之變大，因此，達到較高的功率效率。

因此，由上可知，通過第二開關1153之原生型電晶體mn3的設計以及電流鏡1152的設計，可以使第二電壓訊號VY快速地隨著第一電壓訊號VX切換高/低準位而變化，因此，本發明之較佳實施例的低壓差穩壓裝置100具有較高的電壓轉換速率，當流過功率電晶體120的負載電流產生變化時，利用緩衝級電路115可以改善電晶體之閘極端本身的電壓轉換速率過低的現象，達到快速改變閘極端電壓的效果，如此一來，可避免習知技術因為電壓轉換速率過低所造成之功率電晶體開關調整電流之速度過慢的問題，因而可避免在輸出電壓VOUT產生太大的電壓突變，達到穩定輸出電壓VOUT的目的。

本發明之實施例中的功率電晶體120係以P型電晶體實現(然此並非是本發明的限制)，當負載電流I_load改變時，該P型電晶體也會因應地改變導通程度，例如，當負載電流I_load由低負載變換為高負載時，該P型電晶體的導通程度會被快速提升，換言之，該P型電晶體的閘極瑞電壓應由高電壓準位降低為低電壓準位。請搭配參照第3A圖至第3C圖，第3A圖至第3C圖均為當功率電晶體之負載電流的電流值由低負載切換為高負載的示意圖，其中第3A圖與第3B圖均為目前採用不同現有技術方式所得到之功率電晶體之閘極端電壓的示意圖，而第3C圖則為本發明第1圖所示之實施例中第二電壓訊號VY(亦即功率電晶體120之閘極端電壓)的示意圖，如圖所示，現有的兩種不同習知技術所得到的功率電晶體之閘極端電壓，當負載電流由低負載變換為高負載時，第3A圖所示之功率電晶體之閘極端電壓理想上應如V1曲線所示，由高電壓準位立刻切換並降低至低電壓準位，然而，實際上第3A 圖所採用的現有技術，所得到的功率電晶體之閘極端電壓係如V2所示，功率電晶體之閘極端電壓並無法立刻切換至低電壓準位，而必須經過一段時間逐步降低才能到達低電壓準位，此外，第3A圖所示之功率電晶體之閘極端電壓實際上所能到的高電壓準位也無法接近於工作電壓VDD，與工作電壓VDD有一段不小的電壓差距。另外，如第3B圖所示，當負載電流由低負載變換為高負載時，第3B圖所示之功率電晶體之閘極端電壓理想上應如V1曲線所示，由高電壓準位立刻切換並快速降低至低電壓準位，然而，第3B圖所採用的現有技術手段雖然可使功率電晶體之閘極端電壓立刻降低電壓準位，然而在經過一段時間後卻仍無法降低並接近於接地準位VGND。而第3C圖所示之本發明的實施例則具有較多的優點，當負載電流由低負載變換為高負載時，第3C圖所示之運算放大器110的輸出電壓VX由高電壓準位立刻切換至低電壓準位，緩衝級電路115可使得功率電晶體120之閘極端電壓VY立刻快速降低並接近於接地準位VGND，此外，第3C圖所示之功率電晶體120之閘極端電壓VY在對應於運算放大器110之輸出電壓VX為工作電壓VDD時，閘極端電壓VY也是接近於工作電壓VDD。

再者，當負載電流I_load改變時，例如，當負載電流I_load由高負載變換為低負載時，該P型電晶體的導通程度會被快速降低，換言之，該P型電晶體的閘極瑞電壓應由低電壓準位降低為高電壓準位。請參照第4A圖至第4C圖，第4A圖至第4C圖均為當功率電晶體之負載電流的電流值由高負載切換為低負載的示意圖，其中第4A圖與第4B圖均為目前採用不同現有技術方式所得到之功率電晶體之閘極端電壓的示意圖，而第4C圖則為本發明第1圖所示之實施例中第二電壓訊號VY(亦即功率電晶體120之閘極端電壓)的示意圖，如圖所示，現有的兩種不同習知技術所得到的功率電晶體之閘極端電壓，當負載電流由高負載變換為低負載時，第4A圖所示之功率電晶體之閘極端電壓理想上應如V1曲線所示，由低電壓準位立刻切換並提高至高 電壓準位，然而，實際上第4A圖所採用的現有技術，雖然可使功率電晶體之閘極端電壓立刻提升其電壓準位，然而在經過一段時間後卻仍無法提升而接近於工作電壓VDD，提升後的電壓與工作電壓VDD仍有一段不小的電壓差距。另外，如第4B圖所示，當負載電流由高負載變換為低負載時，第4B圖所示之功率電晶體之閘極端電壓理想上應如V1曲線所示，由低電壓準位立刻切換並快速提高至高電壓準位，然而，實際上所得到的功率電晶體之閘極端電壓係如V2所示，功率電晶體之閘極端電壓並無法立刻切換並提高至高電壓準位，而必須經過一段時間逐步提高才能到達高電壓準位，此外，第4B圖所示之功率電晶體之閘極端電壓實際上所能到的低電壓準位也無法接近於接地準位VGND，該低電壓準位與接地準位VGND有一段不小的電壓差距。而第4C圖所示之本發明的實施例則具有較多的優點，當負載電流由高負載變換為低負載時，第4C圖所示之運算放大器110的輸出電壓VX由低電壓準位立刻切換至高電壓準位，緩衝級電路115可使得功率電晶體120之閘極端電壓VY立刻快速提高並接近於工作電壓VDD，此外，第4C圖所示之功率電晶體120之閘極端電壓VY在對應於運算放大器110之輸出電壓VX為接地準位VGND時，閘極端電壓VY也是接近於接地準位VGND。

再者，需注意的是，第2圖所示之緩衝級電路115的實作僅是本發明的其中一種實施方式，在其他實施例中，亦可採用不同類型的電晶體來實現第一開關、電流鏡以及第二開關的功能與操作，因此，緩衝級電路115的任何一種實現方式均落入本發明的範疇中。此外，本發明的緩衝級電路115之功用在於改善功率電晶體的閘極端電壓的電壓轉換速率過低的現象，並透過快速提高或快速降低閘極端電壓的技術手段來達成上述的目的，因此，任何一種通過快速提高或快速降低閘極端電壓的技術手段來改善電壓轉換速率過低的實施方式均落入本案的範疇。

100‧‧‧低壓差穩壓裝置

105‧‧‧帶差參考電路

110‧‧‧運算放大器

115‧‧‧緩衝級電路

120‧‧‧功率電晶體

125‧‧‧電流源

130‧‧‧回授電路

Claims (10)

1. 一種低壓差穩壓裝置，包含有：一運算放大器，用以接收一參考電壓以及一回授電壓，以產生一第一電壓訊號；一緩衝級電路，耦接至一功率電晶體，用以緩衝該第一電壓訊號，以產生一第二電壓訊號；以及該功率電晶體，耦接至該緩衝級電路，用以根據該第二電壓訊號，產生一輸出電壓，其中該輸出電壓係正比於該回授電壓；其中該緩衝級電路係根據該第一電壓訊號，決定是否映射產生一映射電流，以及當該映射電流產生時，根據該映射電流，產生該第二電壓訊號，提供該第二電壓訊號至該功率電晶體以控制該功率電晶體的開關。
2. 如申請專利範圍第1項所述之低壓差穩壓裝置，其中該緩衝級電路依據該第一電壓訊號，映射產生該映射電流，以及該功率電晶體係根據該映射電流相對應產生的該第二電壓訊號而開啟，以及當不映射產生該映射電流時，該功率電晶體係關閉。
3. 如申請專利範圍第2項所述之低壓差穩壓裝置，其中該緩衝級電路包含有：一第一開關，用以接收該第一電壓訊號並決定是否啟動一電流鏡的操作；該電流鏡，耦接至該第一開關，用以根據該第一電壓訊號映射產生該映射電流；一第二開關，耦接至該電流鏡的一輸出端，用以在該電流鏡不映射產生 該映射電流時，提供該第二電壓給該功率電晶體，以關閉該功率電晶體。
4. 如申請專利範圍第3項所述之低壓差穩壓裝置，其中該第二開關係通過一原生電晶體(Native Transistor)實現，該功率電晶體係一P型電晶體，在該電流鏡不映射產生該映射電流時，該原生電晶體係導通而提供一工作電壓至該功率電晶體，以關閉該功率電晶體。
5. 如申請專利範圍第3項所述之低壓差穩壓裝置，其中當該第一開關接收該第一電壓訊號而導通流過一第一電流時，該電流鏡係將該第一電流放大K2倍以映射產生該映射電流。
6. 如申請專利範圍第3項所述之低壓差穩壓裝置，其中該第一開關係由一第一電晶體實現，該第一電晶體與該功率電晶體具有一特定通道寬長比關係，通過該第一電晶體的電流及該電流鏡的電流係均與通過該功率電晶體的電流具有正比關係。
7. 一種使用在一低壓差穩壓裝置的緩衝級電路，該緩衝級電路耦接在一運算放大器與一功率電晶體之間，該緩衝級電路包含有：一第一開關，用以接收該運算放大器所產生的一第一電壓訊號並決定是否啟動一電流鏡的操作；該電流鏡，耦接至該第一開關，用以根據該第一電壓訊號映射產生該映射電流；一第二開關，耦接至該電流鏡的一輸出端，用以在該電流鏡不映射產生該映射電流時，提供一第二電壓訊號給該功率電晶體，以關閉該功率電晶體； 其中當該第二開關開啟時，該電流鏡係關閉，該第二開關提供該第二電壓訊號至該功率電晶體，以關閉該功率電晶體；以及，當該第二開關關閉時，該電流鏡係開啟，並根據該第一電壓訊號映射產生該映射電流，以產生該第二電壓訊號來開啟該功率電晶體。
8. 如申請專利範圍第7項所述之緩衝級電路，其中該第二開關係通過一原生電晶體實現，且該功率電晶體係一P型電晶體，在該電流鏡不映射產生該映射電流時，該原生電晶體係導通而提供一工作電壓至該功率電晶體，以關閉該功率電晶體。
9. 如申請專利範圍第7項所述之緩衝級電路，其中當該第一開關接收該第一電壓訊號而導通流過一第一電流時，該電流鏡係將該第一電流放大K2倍以映射產生該映射電流。
10. 如申請專利範圍第7項所述之緩衝級電路，其中該第一開關係由一第一電晶體實現，該第一電晶體與該功率電晶體具有一特定通道寬長比關係，通過該第一電晶體的電流及該電流鏡的電流係均與通過該功率電晶體的電流具有正比關係。