TWI534583B - 低壓差穩壓器 - Google Patents

Description

低壓差穩壓器

本發明是有關於一種穩壓器，且特別是有關於一種低壓差穩壓器。

近年來，低壓差穩壓器(low-dropout voltage regulator，簡稱LDO)因具有低雜訊、體積小、低成本等優點，已成為電源電路的主流，並廣泛地應用在各種電子產品中。在操作上，低壓差穩壓器可將輸入電壓轉換成輸出電壓，以供後端的負載使用。然而，在無負載的狀態下，現有的低壓差穩壓器的內部依舊存有導通到接地端的多個電流路徑，進而導致現有的低壓差穩壓器具有較大的待機電流(standby current)，從而增加現有之低壓差穩壓器的功率消耗。

本發明提供一種低壓差穩壓器，利用差動放大器所產生的控制訊號來控制回授電路與訊號產生電路，以藉此減少低壓差穩壓器的待機電流，從而減少低壓差穩壓器的功率消耗。

本發明的低壓差穩壓器，具有電壓輸出端，並包括第一差動放大器、功率開關、阻抗元件、第二差動放大器、回授電路與訊號產生電路。第一差動放大器依據參考電壓與回授電壓產生第一控制訊號。功率開關接收輸入電壓，並受控於第一控制訊號。阻抗元件電性連接在功率開關與電壓輸出端之間。第二差動放大器電性連接阻抗元件的兩端，並產生第二控制訊號。回授電路依據第二控制訊號而決定是否產生回授電壓。訊號產生電路依據第二控制訊號而決定是否產生參考電壓。

在本發明的一實施例中，上述的第二差動放大器具有輸入偏移電壓。此外，當電壓輸出端電性連接負載時，第二差動放大器依據阻抗元件之兩端的電壓將第二控制訊號切換至第一準位。當電壓輸出端與負載電性不相連時，第二差動放大器依據輸入偏移電壓將第二控制訊號切換至第二準位。

基於上述，本發明之低壓差穩壓器利用第一差動放大器所產生的第一控制訊號控制功率開關，並利用第二差動放大器所產生的第二控制訊號來控制回授電路與訊號產生電路。藉此，將可有效地減少低壓差穩壓器的待機電流，從而減少低壓差穩壓器的功率消耗。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

10‧‧‧低壓差穩壓器

101‧‧‧電壓輸出端

110、140‧‧‧差動放大器

120‧‧‧功率開關

130‧‧‧阻抗元件

150‧‧‧回授電路

160‧‧‧訊號產生電路

151、161‧‧‧開關

162‧‧‧電壓產生器

R1~R3‧‧‧電阻

PT1、PT2‧‧‧電流路徑

20‧‧‧負載

VIN‧‧‧輸入電壓

VO‧‧‧輸出電壓

VR‧‧‧參考電壓

VF‧‧‧回授電壓

CT1、CT2‧‧‧控制訊號

310‧‧‧理想放大器

320‧‧‧輸入偏移電壓

TM31‧‧‧正輸入端

TM32‧‧‧負輸入端

TM33‧‧‧輸出端

410‧‧‧輸入級

420‧‧‧輸出級

430‧‧‧電流源

MN41~MN43‧‧‧N型電晶體

MP41、MP42‧‧‧P型電晶體

VD‧‧‧電源電壓

圖1為依據本發明一實施例之低壓差穩壓器的電路示意圖。

圖2為依據本發明一實施例之低壓差穩壓器在無負載狀態下的電路示意圖。

圖3為依據本發明一實施例之差動放大器的等效電路圖。

圖4為依據本發明一實施例之差動放大器的電路示意圖。

圖1為依據本發明一實施例之低壓差穩壓器的電路示意圖。如圖1所示，低壓差穩壓器10具有一電壓輸出端101，以提供輸出電壓VO給負載20。此外，低壓差穩壓器10包括差動放大器110、功率開關120、阻抗元件130、差動放大器140、回授電路150與訊號產生電路160。其中，差動放大器110的正輸入端電性連接訊號產生電路160，以接收參考電壓VR。差動放大器110的負輸入端電性連接回授電路150，以接收回授電壓VF。此外，差動放大器110依據參考電壓VR與回授電壓VF產生控制訊號CT1。

功率開關120接收輸入電壓VIN，並受控於控制訊號CT1。阻抗元件130電性連接在功率開關120與電壓輸出端101之間。差動放大器140的正輸入端電性連接阻抗元件130的第一端，且差動放大器140的負輸入端電性連接阻抗元件130的第二端。亦即，差動放大器140電性連接阻抗元件130的兩端。此外， 差動放大器140用以產生控制訊號CT2，以控制回授電路150與訊號產生電路160。例如，回授電路150可依據控制訊號CT2而決定是否產生回授電壓VF，且訊號產生電路160可依據控制訊號CT2而決定是否產生參考電壓VR。

更進一步來看，回授電路150包括開關151、電阻R1與電阻R2。其中，開關151的第一端電性連接電壓輸出端101，且開關151的控制端電性連接差動放大器140的輸出端，以接收控制訊號CT2。電阻R1的第一端電性連接開關151的第二端。電阻R2的第一端電性連接電阻R1的第二端，且電阻R2的第二端電性連接至接地端。再者，訊號產生電路160包括開關161與電壓產生器162。其中，開關161的第一端接收輸入電壓VIN，開關161的第二端電性連接電壓產生器162，且開關161的控制端電性連接差動放大器140的輸出端，以接收控制訊號CT2。此外，阻抗元件130可例如是一電阻R3，且電阻R3電性連接在差動放大器140的兩輸入端之間。

在操作上，低壓差穩壓器10可透過電壓輸出端101電性連接至負載20，並透過輸出電壓VO來驅動負載20。舉例來說，如圖1所示，當電壓輸出端101電性連接負載20時，一開始差動放大器110的負輸入端可透過回授電路150導通至接地端，且差動放大器110的正輸入端處於浮接(floating)狀態，進而致使差動放大器110將控制訊號CT1切換至第一準位(例如，高準位)。此外，功率開關120會響應於具有第一準位的控制訊號CT1而導通 其第一端與第二端，進而產生流經阻抗元件130的電流，並致使阻抗元件130的兩端分別產生相應的電壓。

差動放大器140會依據阻抗元件130之兩端的電壓將控制訊號CT2切換至第一準位(例如，高準位)。舉例來說，當電流流經阻抗元件130時，阻抗元件130的兩端會產生一電壓差。此外，阻抗元件130所形成的電壓差會促使差動放大器140之正輸入端的準位大於差動放大器140之負輸入端的準位，進而致使差動放大器140將控制訊號CT2切換至第一準位(例如，高準位)。

再者，回授電路150會響應於具有第一準位的控制訊號CT2產生回授電壓VF。舉例來說，回授電路150會響應於具有第一準位的控制訊號CT2導通開關151。藉此，將可形成電流路徑PT1，且輸出電壓VO將可透過開關151傳送至電阻R1。此外，電阻R1與電阻R2會對輸出電壓VO進行分壓，進而產生回授電壓VF。換言之，當電壓輸出端101電性連接負載20時，回授電路150可依據控制訊號CT2導通開關151，以透過電阻R1的第二端產生回授電壓VF。

另一方面，訊號產生電路160會響應於具有第一準位的控制訊號CT2產生參考電壓VR。舉例來說，訊號產生電路160會響應於具有第一準位的控制訊號CT2導通開關161。藉此，將可形成電流路徑PT2，且輸入電壓VIN可透過開關161傳送至電壓產生器162。此外，電壓產生器162會將來自開關161的輸入電壓VIN轉換成參考電壓VR。換言之，當電壓輸出端101電性連接 負載20時，訊號產生電路160可依據控制訊號CT2導通開關161，以致使電壓產生器162依據來自開關161的輸入電壓VIN產生參考電壓VR。

此外，回授電路150會依據輸出電壓VO調整回授電壓VF，且差動放大器110會依據回授電壓VF與參考電壓VR調整功率開關120所產生的電流，進而致使低壓差穩壓器10可產生穩定的輸出電壓VO。換言之，在有負載的情況下，差動放大器140會將控制訊號CT2切換至第一準位，以致使回授電路150產生回授電壓VF，並致使訊號產生電路160產生參考電壓VR。此外，低壓差穩壓器10會依據授電壓VF與參考電壓VR調整功率開關120的電流，以將輸入電壓VIN轉換成穩定的輸出電壓VO。

值得注意的是，當電壓輸出端101與負載20電性不相連時，亦即當低壓差穩壓器10處於無負載狀態時，差動放大器140會將控制訊號CT2切換至第二準位。此時，回授電路150將停止產生回授電壓VF，且訊號產生電路160將停止產生參考電壓VR。換言之，在無負載的情況下，低壓差穩壓器10可利用控制訊號CT2禁能回授電路150與訊號產生電路160，進而可以有效地減少低壓差穩壓器10的待機電流(standby current)，從而有效地減少低壓差穩壓器10的功率消耗。

舉例來說，圖2為依據本發明一實施例之低壓差穩壓器在無負載狀態下的電路示意圖。如圖2所示，差動放大器140的兩輸入端之間具有一輸入偏移電壓(input offset voltage)。此外，在 無負載的情況下，流經阻抗元件130的電流將大幅度地降低，進而導致阻抗元件130所產生的電壓差小於差動放大器140的輸入偏移電壓。此時，差動放大器140之正輸入端的準位將小於差動放大器140之負輸入端的準位，進而致使差動放大器140將控制訊號CT2切換至第二準位(例如，低準位)。

換言之，在無負載的情況下，亦即當電壓輸出端101與負載電性不相連時，差動放大器140會依據輸入偏移電壓將控制訊號CT2切換至第二準位(例如，低準位)。此外，回授電路150會響應於具有第二準位的控制訊號CT2停止產生回授電壓VF。舉例來說，回授電路150會響應於具有第二準位的控制訊號CT2不導通開關151。藉此，回授電路150將無法形成如圖1所示的電流路徑PT1，進而停止提供回授電壓VF。此外，隨著開關151的不導通，電壓輸出端101會被切換至浮接狀態，進而致使功率開關120無法導通。

再者，訊號產生電路160會響應於具有第二準位的控制訊號CT2停止產生參考電壓VR。舉例來說，訊號產生電路160會響應於具有第二準位的控制訊號CT2不導通開關162。藉此，訊號產生電路160將無法形成如圖1所示的電流路徑PT2，進而停止產生參考電壓VR。換言之，在無負載的情況下，低壓差穩壓器10可利用控制訊號CT2切斷如圖1所示的電流路徑PT1與電流路徑PT2，進而可以有效地減少低壓差穩壓器10的待機電流。

為了致使本領域具有通常知識者可以更了解差動放大器 140的輸入偏移電壓，圖3為依據本發明一實施例之差動放大器的等效電路圖。如圖3所示，差動放大器140相當於一理想放大器310的正輸入端耦接一輸入偏移電壓320。此外，差動放大器140具有正輸入端TM31、負輸入端TM32與輸出端TM33。當差動放大器140的正輸入端TM31與負輸入端TM32短路時，差動放大器140會基於輸入偏移電壓320而產生具有第二準位的控制訊號CT2。

值得一提的是，本領域具有通常知識者可透過調整差動放大器140之內部元件的尺寸來形成所需的輸入偏移電壓320。舉例來說，圖4為依據本發明一實施例之差動放大器的電路示意圖。如圖4所示，差動放大器140包括輸入級410、輸出級420與電流源430。其中，輸入級410包括N型電晶體MN41與N型電晶體MN42。此外，N型電晶體MN41的控制端用以作為差動放大器140的正輸入端TM31，且N型電晶體MN42的控制端用以作為差動放大器140的負輸入端TM32。再者，N型電晶體MN41的尺寸(例如，寬長比)小於N型電晶體MN42的尺寸(例如，寬長比)，以形成輸入偏移電壓320。輸出級420電性連接N型電晶體MN41的第一端與N型電晶體MN42的第一端，並透過輸出端TM33提供控制訊號CT2。電流源430電性連接N型電晶體MN41的第二端與N型電晶體MN42的第二端。

具體而言，輸出級420包括P型電晶體MP41與P型電晶體MP42，且電流源430包括N型電晶體MN43。其中，P型電 晶體MP41的第一端電性連接N型電晶體MN41的第一端，P型電晶體MP41的第二端接收電源電壓VD，且P型電晶體MP41的控制端電性連接P型電晶體MP42的控制端。P型電晶體MP42的第一端電性連接N型電晶體MN42的第一端，P型電晶體MP42的第二端接收電源電壓VD，且P型電晶體MP42的控制端與第一端電性相連。N型電晶體MN43的第一端電性連接N型電晶體MN41的第二端與N型電晶體MN42的第二端，N型電晶體MN43的第二端電性連接至接地端，且N型電晶體MN43的控制端與第一端電性相連。

此外，圖4實施例是以金氧半導體電晶體(Metal Oxide Semiconductor transistor)來實現N型電晶體MN41~MN43與P型電晶體MP41~MP42。因此，在圖4實施例中，N型電晶體MN41~MN43與P型電晶體MP41~MP42的第一端、第二端與控制端，分別為金氧半導體電晶體的汲極、源極與閘極。此外，在另一實施例中，N型電晶體MN41~MN43與P型電晶體MP41~MP42也可分別採用雙載子電晶體(bipolar transistor)來實現。

綜上所述，本發明之低壓差穩壓器利用差動放大器產生控制訊號。此外，回授電路會依據控制訊號而決定是否產生回授電壓，且訊號產生電路會依據控制訊號而決定是否產生參考電壓。藉此，在無負載的情況下，低壓差穩壓器將可切斷回授電路與訊號產生電路中的電流路徑，進而可有效地減少低壓差穩壓器的待機電流，進而減少低壓差穩壓器的功率消耗。此外，在有負 載的情況下，低壓差穩壓器也可迅速恢復供電。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

10‧‧‧低壓差穩壓器

101‧‧‧電壓輸出端

110、140‧‧‧差動放大器

120‧‧‧功率開關

130‧‧‧阻抗元件

150‧‧‧回授電路

160‧‧‧訊號產生電路

151、161‧‧‧開關

162‧‧‧電壓產生器

R1~R3‧‧‧電阻

PT1、PT2‧‧‧電流路徑

20‧‧‧負載

VIN‧‧‧輸入電壓

VO‧‧‧輸出電壓

VR‧‧‧參考電壓

VF‧‧‧回授電壓

CT1、CT2‧‧‧控制訊號

Claims (9)

1. 一種低壓差穩壓器，具有一電壓輸出端，並包括：一第一差動放大器，依據一參考電壓與一回授電壓產生一第一控制訊號；一功率開關，接收一輸入電壓，並受控於該第一控制訊號；一阻抗元件，電性連接在該功率開關與該電壓輸出端之間；一第二差動放大器，電性連接該阻抗元件的兩端，並產生一第二控制訊號；一回授電路，依據該第二控制訊號而決定是否產生該回授電壓；以及一訊號產生電路，依據該第二控制訊號而決定是否產生該參考電壓。
2. 如申請專利範圍第1項所述的低壓差穩壓器，其中該第二差動放大器具有一輸入偏移電壓，且當該電壓輸出端電性連接一負載時，該第二差動放大器依據該阻抗元件之兩端的電壓將該第二控制訊號切換至一第一準位，且當該電壓輸出端與該負載電性不相連時，該第二差動放大器依據該輸入偏移電壓將該第二控制訊號切換至一第二準位。
3. 如申請專利範圍第2項所述的低壓差穩壓器，其中該回授電路響應於具有該第一準位的該第二控制訊號產生該回授電壓，並響應於具有該第二準位的該第二控制訊號停止產生該回授電壓，且該訊號產生電路響應於具有該第一準位的該第二控制訊號 產生該參考電壓，並響應於具有該第二準位的該第二控制訊號停止產生該參考電壓。
4. 如申請專利範圍第2項所述的低壓差穩壓器，其中該回授電路包括：一開關，其第一端電性連接該電壓輸出端，該開關的控制端接收該第二控制訊號；一第一電阻，其第一端電性連接該開關的第二端；以及一第二電阻，其第一端電性連接該第一電阻的第二端，該第二電阻的第二端電性連接至一接地端，其中，該回授電路響應於具有該第一準位的該第二控制訊號導通該開關，以透過該第二電阻的第二端提供該回授電壓，且該回授電路響應於具有該第二準位的該第二控制訊號不導通該開關，以停止提供該回授電壓。
5. 如申請專利範圍第2項所述的低壓差穩壓器，其中該訊號產生電路包括：一電壓產生器；以及一開關，其第一端接收該輸入電壓，該開關的第二端電性連接該電壓產生器，該開關的控制端接收該第二控制訊號，其中，該訊號產生電路響應於具有該第一準位的該第二控制訊號導通該開關，以致使該電壓產生器依據來自該開關的該輸入電壓產生該參考電壓，且該訊號產生電路響應於具有該第二準位的該第二控制訊號不導通該開關，以致使該電壓產生器停止產生 該參考電壓。
6. 如申請專利範圍第1項所述的低壓差穩壓器，其中該阻抗元件為一電阻，且該電阻電性連接在該第二差動放大器的兩輸入端之間。
7. 如申請專利範圍第1項所述的低壓差穩壓器，其中該第二差動放大器包括：一輸入級，包括一第一N型電晶體與一第二N型電晶體，其中該第一N型電晶體的控制端用以作為該第二差動放大器的正輸入端，該第二N型電晶體的控制端用以作為該第二差動放大器的負輸入端，且該第一N型電晶體的尺寸小於該第二N型電晶體的尺寸；一輸出級，電性連接該第一N型電晶體的第一端與該第二N型電晶體的第一端，並用以提供該第二控制訊號；以及一電流源，電性連接該第一N型電晶體的第二端與該第二N型電晶體的第二端。
8. 如申請專利範圍第7項所述的低壓差穩壓器，其中該輸出級包括：一第一P型電晶體，其第一端電性連接該第一N型電晶體的第一端，該第一P型電晶體的第二端接收一電源電壓；以及一第二P型電晶體，其第一端電性連接該第二N型電晶體的第一端，該第二P型電晶體的第二端接收該電源電壓，該第二P型電晶體的控制端與第一端電性相連，且該第一P型電晶體的控 制端電性連接該第二P型電晶體的控制端。
9. 如申請專利範圍第7項所述的低壓差穩壓器，其中該電流源包括一第三N型電晶體，且該第三N型電晶體的第一端電性連接該第一N型電晶體的第二端與該第二N型電晶體的第二端，該第三N型電晶體的第二端電性連接至一接地端，該第三N型電晶體的控制端與第一端電性相連。