TWI588641B - 定電壓電路 - Google Patents

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TWI588641B
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坂口薰
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    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F1/00—Automatic systems in which deviations of an electric quantity from one or more predetermined values are detected at the output of the system and fed back to a device within the system to restore the detected quantity to its predetermined value or values, i.e. retroactive systems
    • G05F1/10—Regulating voltage or current
    • G05F1/46—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc
    • G05F1/56—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in series with the load as final control devices
    • G05F1/565—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in series with the load as final control devices sensing a condition of the system or its load in addition to means responsive to deviations in the output of the system, e.g. current, voltage, power factor
    • G05F1/569—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in series with the load as final control devices sensing a condition of the system or its load in addition to means responsive to deviations in the output of the system, e.g. current, voltage, power factor for protection
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Description

定電壓電路
本發明係關於在電子機器或積體電路中對負載供給電力的定電壓電路，更詳言之，係關於防止定電壓電路之過電流的過電流保護電路。
在電子機器或積體電路中為了獲得所希望的電源電壓，必須要有定電壓電路。定電壓電路係輸出一定的電壓，具有對負載供給電力的能力。為了避免若因定電壓電路的輸出負載流通大電流或短路時被供給過剩的電力所產生的發熱等問題，必須要有過電流保護電路，為了獲得精度佳的過電流保護特性，已提出各種過電流保護電路(例如專利文獻1)。
在圖8中顯示習知之具備有過電流保護電路之定電壓電路之電路圖之一例。
習知之定電壓電路係藉由誤差放大器102來比較基準電壓源101所輸出的基準電壓、及藉由分壓電路104將輸出端子Vout的電壓進行分壓後的反饋電壓，以輸出電壓 成為一定的方式由誤差放大器102輸出控制輸出電晶體105的電壓，藉此作為定電壓電路來進行動作。
習知之過電流保護電路103係具有感測輸出電流的輸出電流感測電晶體106，根據輸出電流感測電晶體106所輸出的感測電流來控制PMOS電晶體107，藉此以輸出電晶體105的輸出電流不會成為預定的限制電流以上的方式進行動作。該過電流保護電路103係垂下型過電流保護電路。
此外，習知之過電流保護電路係具備有輸出電壓檢測電路，其係藉由：供給感測電流的輸出電流感測電晶體115、流通感測電流的NMOS電晶體116、與NMOS電晶體116構成電流鏡電路的NMOS電晶體117、流通與感測電流成正比的電流的PMOS位準移位器118、及在閘極被輸入PMOS位準移位器118的汲極電壓的PMOS位準移位器119所構成。輸出電壓檢測電路係藉由PMOS位準移位器119，以輸出電流感測電晶體115的汲極電壓與輸出端子Vout的電壓為相等的方式進行控制。此外，藉由在PMOS位準移位器120的閘極輸入PMOS位準移位器118的汲極電壓，以輸出電流感測電晶體106的汲極電壓與輸出端子Vout的電壓成為相等的方式進行控制。藉由形成為如上所示之構成，由於輸出電晶體105與輸出電流感測電晶體106的源極汲極間電壓成為相等，因此即使為輸入端子Vin與輸出端子Vout的電壓差為較小的情形下，亦可得精度佳的過電流保護特性。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本特開2003-029856號公報
但是在習知之定電壓電路中，為了與垂下型過電流保護特性同時獲得折回特性的過電流保護特性，必須新設置折回型過電流保護電路，而會有電路規模增大的課題。
在本發明中，目的在提供一種具備有僅追加簡便的電路，即可精度佳地與垂下型過電流保護特性的同時，具有折回特性的過電流保護特性的過電流保護電路的定電壓電路。
本發明之定電壓電路為解決上述課題，形成為以下所示之構成。
一種定電壓電路，其係具備有過電流保護電路，該過電流保護電路係具有：感測電晶體，其係根據流至輸出電晶體的輸出電流來流通感測電流；電流分割電路，其係將感測電流分割而輸出；第1電流電壓轉換電路，其係接受電流分割電路所輸出的第1分割電流而發生電壓；第2電 流電壓轉換電路，其係接受電流分割電路所輸出的第2分割電流而發生電壓；及輸出電壓檢測電路，其係以輸出端子的電壓與感測電晶體的汲極電壓成為相同的方式控制電流分割電路，且接受第1電流電壓轉換電路所發生的電壓，檢測流至輸出電晶體的過電流，控制輸出電壓及輸出電流。
藉由本發明之具備有過電流保護電路的定電壓電路，可提供一種僅追加簡便的電路，即可得折回型特性，因此不會有電路規模增大的情形，精度佳地具有垂下型與折回特性的過電流保護特性的過電流保護電路的定電壓電路。
101‧‧‧基準電壓源
102、132‧‧‧誤差放大器
103‧‧‧過電流保護電路
104‧‧‧分壓電路
105‧‧‧輸出電晶體
106、115‧‧‧輸出電流感測電晶體
107‧‧‧PMOS電晶體
108‧‧‧NMOS電晶體
109、110、126、127a、127b、127c、129a、129b、131a、131b‧‧‧電阻
116、117‧‧‧NMOS電晶體
118、119‧‧‧PMOS位準移位器
121‧‧‧輸出電壓檢測電路
122‧‧‧電流分割電路
123、124‧‧‧PMOS位準移位器
125‧‧‧PMOS位準移位器
128、130‧‧‧NMOS電晶體
Vin‧‧‧輸入端子
Vout‧‧‧輸出端子
圖1係顯示第一實施形態的定電壓電路的電路圖。
圖2係顯示第一實施形態的定電壓電路的輸出電壓-輸出電流特性的圖。
圖3係顯示第二實施形態的定電壓電路的電路圖。
圖4係顯示第二實施形態的定電壓電路的輸出電壓-輸出電流特性的圖。
圖5係顯示第三實施形態的定電壓電路的電路圖。
圖6係顯示第三實施形態的定電壓電路的輸出電壓- 輸出電流特性的圖。
圖7係顯示輸出電壓檢測電路之其他例的電路圖。
圖8係顯示習知之具備有過電流保護電路之定電壓電路之一例的電路圖。
<第一實施形態>
圖1係顯示第一實施形態的定電壓電路的電路圖。
第一實施形態的定電壓電路係具備有：基準電壓源101、誤差放大器102、過電流保護電路103、分壓電路104、及輸出電晶體105。
過電流保護電路103係具備有：第一輸出電流感測電晶體106、PMOS電晶體107、NMOS電晶體108、電阻109、110、126、輸出電壓檢測電路121、及電流分割電路122。輸出電壓檢測電路121係具備有：第二輸出電流感測電晶體115、NMOS電晶體116、117、及PMOS位準移位器118、119。電流分割電路122係具備有：PMOS位準移位器123、124。電阻109係相當於第一電流電壓轉換電路，電阻126係相當於第二電流電壓轉換電路。
誤差放大器102係將反轉輸入端子連接在基準電壓源101的輸出端子，將非反轉輸入端子連接在分壓電路104的輸出端子，將輸出端子連接在輸出電晶體105 的閘極。輸出電晶體105係將源極連接在電源輸入端子Vin，將汲極連接在定電壓輸出端子Vout。分壓電路104係被連接在定電壓輸出端子Vout與接地端子之間，將輸出端子連接在誤差放大器102的非反轉輸入端子。
第一輸出電流感測電晶體106係將閘極連接在輸出電晶體105的閘極，將源極連接在電源輸入端子Vin，將汲極連接在電流分割電路122的輸入端子(A點)。電流分割電路122係將第一輸出端子(C點)連接在電阻109的一方端子與NMOS電晶體108的閘極，將第二輸出端子(D點)連接在電阻126的一方端子。電阻109、126係各自將另一方端子連接在接地端子。NMOS電晶體108係將源極連接在接地端子，將汲極連接在電阻110的一方端子與PMOS電晶體107的閘極。電阻110係將另一方端子連接在電源輸入端子Vin。PMOS電晶體107係將源極連接在電源輸入端子Vin，將汲極連接在輸出電晶體105的閘極。
PMOS位準移位器123及124係將源極連接在A點，在閘極輸入輸出電壓檢測電路121的位準移位器電壓。PMOS位準移位器123係將汲極連接在C點。PMOS位準移位器124係將汲極連接在D點。
第二輸出電流感測電晶體115係將閘極連接在輸出電晶體105的閘極，將源極連接在電源輸入端子Vin，將汲極(B點)連接在PMOS位準移位器119的源極。PMOS位準移位器119係將閘極連接在PMOS位準移 位器118的閘極，將汲極連接在NMOS電晶體116的汲極與閘極、及NMOS電晶體117的閘極。NMOS電晶體116、117係將源極連接在接地端子。NMOS電晶體117係將汲極連接在PMOS位準移位器118汲極。PMOS位準移位器118係將源極連接在定電壓輸出端子Vout。
接著，說明第一實施形態的定電壓電路的動作。
電流分割電路122的PMOS位準移位器123及124係與PMOS位準移位器118構成電流鏡電路，因此各自的閘極的電壓係與PMOS位準移位器118的汲極電壓成為相等。因此，第一感測電流係利用以PMOS位準移位器123與PMOS位準移位器124的K值的比所決定的分割比而被分為第一分割電流及第二分割電流且分別被輸出。
輸出電流感測電晶體106係流通根據輸出電晶體105所流通的輸出電流的第一感測電流。第一感測電流係藉由電流分割電路122而被分為第一分割電流及第二分割電流。根據第一分割電流及藉由電阻109所發生的電壓，NMOS電晶體108係流通電流。根據該電流及藉由電阻110所發生的電壓，PMOS電晶體107受到控制，藉此以輸出電晶體105的輸出電流不會成為預定的限制電流以上的方式進行動作。
輸出電流感測電晶體115係流通根據輸出電晶體105所流通的輸出電流的第二感測電流。藉由NMOS電晶體116及NMOS電晶體117所構成的電流鏡電路係在 PMOS位準移位器118流通與第二感測電流成正比的電流。藉由與PMOS位準移位器118構成電流鏡電路的PMOS位準移位器119，以輸出電流感測電晶體115的汲極電壓與定電壓輸出端子Vout的電壓成為相等的方式進行控制。
圖2係顯示第一實施形態的定電壓電路的輸出電壓-輸出電流特性的圖。
首先，說明在定電壓輸出端子Vout與接地端子之間在外部所被連接的負載由高電阻狀態形成為低電阻狀態，亦即在呈現定電壓電路的特性的區域，輸出端子電流變大的情形。
輸出電晶體105的輸出電流愈大，第一輸出電流感測電晶體106所輸出的第一感測電流愈大。第一感測電流係被輸入至電流分割電路122，以預定的分割比被分配至電阻109及電阻126。在此，以D點的電壓高於C點的電壓的方式，設定電流分割電路122的電流分割比與電阻109、126的電阻值。此外，在呈現定電壓電路的特性的條件中，D點的電壓係以未達及A點的電壓的方式設定電阻126。若第一感測電流變大，在電阻109的端子間所發生的電壓達至NMOS電晶體108呈ON的電壓時，NMOS電晶體108係流通電流。根據NMOS電晶體108所流通的電流，在電阻110的端子間發生電壓。若在電阻110的端子間所發生的電壓達至PMOS電晶體107呈ON的電壓時，PMOS電晶體107係流通電流。藉由PMOS電 晶體107所流通的電流，控制輸出電晶體105的閘極，以輸出電晶體105的輸出電流不會成為預定的限制電流以上的方式進行動作。此為輸出電壓-輸出電流特性的(a)點。
接著，若過電流保護電路103開始限制輸出端子電流，定電壓輸出端子Vout的電壓即會降低。若定電壓輸出端子Vout的電壓開始降低，因輸出電壓檢測電路121的作用，A點的電壓亦同樣地降低。若A點的電壓近接D點的電壓時，PMOS位準移位器124係由飽和動作狀態移至非飽和動作狀態。因此，在繼續飽和動作狀態的PMOS位準移位器123與PMOS位準移位器124之間，電流分割比開始改變，第一分割電流的比率變大。此為輸出電壓-輸出電流特性的(b)點。
若第一分割電流的比率變大，流至電阻109的電流會變大，因此C點的電壓上升。若C點的電壓上升，NMOS電晶體108所流通的電流變大，將輸出電晶體105的輸出電流限制為更小。
隨著定電壓輸出端子Vout的電壓的降低，第一分割電流的比率變大，因此可使定電壓輸出端子Vout與接地端子短路時的輸出端子電流降低。
因此，第一實施形態的定電壓電路係可得如圖2所示之垂下型與折回型過電流保護特性。
如以上說明所示，第一實施形態的定電壓電 路係以僅追加PMOS位準移位器124及電阻126的簡便電路，即可得折回型特性。此外，利用第一感測電流的電流分割比的變化而得折回型特性，因此亦具有不會有消耗電流增加的情形的效果。
<第二實施形態>
圖3係顯示第二實施形態的定電壓電路的電路圖。
第二實施形態的定電壓電路係由第一實施形態的定電壓電路的過電流保護電路103，變更第一電流電壓轉換電路及第二電流電壓轉換電路。
關於第二實施形態的定電壓電路的電路構成，與第一實施形態相同者係標註相同符號，且省略其說明。
第一電流電壓轉換電路係由：電阻127a、電阻127b、及NMOS電晶體128所構成。第二電流電壓轉換電路係由：電阻129a、及電阻129b所構成。
電阻127a與電阻127b係被連接在PMOS位準移位器123的汲極與接地端子之間。NMOS電晶體128係源極與汲極被連接在電阻127b的兩端。電阻129a與電阻129b係被連接在D點與接地端子之間，其連接點係被連接在NMOS電晶體128的閘極。
以下說明第二實施形態的定電壓電路的動作。
圖4係顯示第二實施形態的定電壓電路的輸出電壓-輸出電流特性的圖。
至圖4的(b)點為止的動作係與第一實施形態的定電壓電路相同。在此，至達至(b)點為止，以D點的電壓比C點的電壓為更高的方式進行設定，而且以NMOS電晶體128呈ON的方式設定電阻129a與129b的電阻值。亦即，第一電流電壓轉換電路係成為電阻127a。若定電壓輸出端子Vout的電壓由圖4的(b)點降低時，因輸出電壓檢測電路121的作用，A點的電壓亦同樣地降低。若A點的電壓近接D點的電壓時，PMOS位準移位器124係由飽和動作狀態移至非飽和動作狀態。因此，分割比會在繼續飽和動作狀態的PMOS位準移位器123與PMOS位準移位器124之間改變，第一分割電流的比率會變大。由於第二分割電流的比率變小，因此D點的電壓會降低，電阻129a與電阻129b的連接點，亦即NMOS電晶體128的閘極的電壓亦會降低。接著，若NMOS電晶體128呈OFF，第一電流電壓轉換電路係形成為電阻127a與127b的串聯。因此，由於C點的電壓上升，因此NMOS電晶體108的電流增加，輸出電晶體105的輸出電流係被更強力限制。此為輸出電壓-輸出電流特性的(c)-(d)。亦即，輸出端子電流係由(c)點減少至(d)點。達至(d)點之後的動作係與第一實施形態為相同，可使定電壓輸出端子Vout與接地端子短路時的輸出端子電流降低。
如以上說明所示，第二實施形態的定電壓電路係可將電流由圖4的(c)點急遽地限制為(d)點，因 此可輕易地降低輸出短路時的輸出端子電流，可得可避免熱損失大的條件的效果。此外，藉由進行電流分割電路122的分割比、及電阻127a、127b、129a、129b的調整，可輕易地調整(b)點、(c)點、(d)點的變化點。
此外，由於利用第一感測電流的電流分割比的變化而得折回型特性，因此亦有不會有消耗電流增加的情形的效果。
<第三實施形態>
圖5係顯示第三實施形態的定電壓電路的電路圖。
第三實施形態的定電壓電路係由第二實施形態的定電壓電路的過電流保護電路103，變更電流分割電路122及第一電流電壓轉換電路，且追加第三電流電壓轉換電路。
關於第三實施形態的定電壓電路的電路構成，與第二實施形態相同者係標註相同符號，且省略其說明。
電流分割電路122係另外具備有PMOS位準移位器125。第一電流電壓轉換電路係由：電阻127a、電阻127b、電阻127c、NMOS電晶體128、及NMOS電晶體130所構成。第三電流電壓轉換電路係由：電阻131a、及電阻131b所構成。
電阻127a、電阻127b、及電阻127c係被連接在PMOS位準移位器123的汲極與接地端子之間。PMOS位準移位器125係使源極被連接在A點，對閘極被輸入輸出電壓檢測電路121的位準移位器電壓，使汲極被 連接在電流分割電路122的第三輸出端子(E點)。NMOS電晶體128係源極及汲極被連接在電阻127b與127c的兩端。NMOS電晶體130係源極及汲極被連接在電阻127c的兩端。電阻131a與電阻131b係被連接在E點與接地端子之間，其連接點係被連接在NMOS電晶體130的閘極。
以下說明第三實施形態的定電壓電路的動作。
圖6係顯示第三實施形態的定電壓電路的輸出電壓-輸出電流特性的圖。
在此，以E點的電壓比C點的電壓為更高，D點的電壓比E點的電壓為更高的方式，設定電流分割電路122的電流分割比及各電流電壓轉換電路的電阻值。此外，在呈現定電壓電路的特性的條件下，D點、及E點的電壓係以未達至A點的電壓的方式，而且以NMOS電晶體128及NMOS電晶體130呈ON的方式設定各電流電壓轉換電路的電阻值。
至圖6的(d)點為止的動作係與第二實施形態的定電壓電路相同。在(a)點中，若過電流保護電路103開始限制輸出電流時，定電壓輸出端子Vout的電壓會降低。若定電壓輸出端子Vout的電壓降低時，D點的電壓近接A點的電壓，電流分割電路的分割比率即開始改變((b)點)。若定電壓輸出端子Vout的電壓降低而D點的電壓降低時，NMOS電晶體128呈OFF((c) 點)，更強力限制輸出端子電流((d)點)。此外，若定電壓輸出端子Vout的電壓降低，因輸出電壓檢測電路121的作用，E點的電壓亦同樣地降低。若A點的電壓近接E點的電壓時，PMOS位準移位器125係由飽和動作狀態移至非飽和動作狀態，在繼續飽和動作狀態的PMOS位準移位器123與PMOS位準移位器125之間，分割比開始改變，PMOS位準移位器123所輸出的第一分割電流的比率變得更大((e)點)。相反地，由於第三分割電流的比率變小，因此E點的電壓降低，NMOS電晶體130呈OFF((f)點)，以在電阻127c流通第一分割電流的方式改變，因此C點的電壓上升。若C點的電壓上升，輸出電晶體105的輸出電流係被更強力限制，輸出端子電流係減少至(g)點。達至(g)點之後的動作係與第一、第二實施形態相同，可使定電壓輸出端子Vout與接地端子短路時的輸出端子電流降低。
如以上說明所示，在第三實施形態的定電壓電路中，係可將由(c)點開始的折回型的過電流保護特性，如(d)點至(g)點般形成為階段性的特性。而且，可將該電壓值或電流值以電阻值或電流分割比的多樣組合進行設定，因此可得設計上的自由度高、且輕易獲得所希望的過電流保護特性的效果。
此外，利用第一感測電流的電流分割比的變化而得折回型特性，因此亦有不會有消耗電流增加的情形的效果。
其中，在第三實施形態中，電流分割電路122係形成為對3個輸出分割電流的構成，但是用以獲得本發明之效果的分割數並未被限定。
在以上說明之第一至第三實施形態中，係以與輸出電流感測電晶體115具備有電流鏡電路的構成來說明輸出電壓檢測電路121，但是若為具有同樣功能的電路，則並非限定於此。例如，亦可如圖7所示之輸出電壓檢測電路121所示，以誤差放大器132構成。
誤差放大器132係將非反轉輸入端子連接在定電壓輸出端子Vout，將反轉輸入端子連接在輸出電流感測電晶體106的汲極，將輸出端子連接在PMOS位準移位器123、124的閘極。
如上所示所構成的輸出電壓檢測電路121係誤差放大器132將被輸入至非反轉輸入端子的定電壓輸出端子Vout的電壓、與A點的電壓作比較，以A點的電壓與定電壓輸出端子Vout的電壓成為相等的方式控制PMOS位準移位器123、124的閘極。
101‧‧‧基準電壓源
102‧‧‧誤差放大器
103‧‧‧過電流保護電路
104‧‧‧分壓電路
105‧‧‧輸出電晶體
106、115‧‧‧輸出電流感測電晶體
107‧‧‧PMOS電晶體
108‧‧‧NMOS電晶體
109、110、126‧‧‧電阻
116、117‧‧‧NMOS電晶體
118、119‧‧‧PMOS位準移位器
121‧‧‧輸出電壓檢測電路
122‧‧‧電流分割電路
123、124‧‧‧PMOS位準移位器
Vout‧‧‧輸出端子
Vin‧‧‧輸入端子

Claims (3)

  1. 一種定電壓電路，其係將輸入電壓轉換成預定的輸出電壓而輸出至輸出端子的定電壓電路，其特徵為：具備有過電流保護電路，該過電流保護電路係具有：感測電晶體，其係根據流至輸出電晶體的輸出電流來流通感測電流；電流分割電路，其係接受前述感測電流，將前述感測電流分割而輸出；第1電流電壓轉換電路，其係接受前述電流分割電路所輸出的第1分割電流而發生電壓；第2電流電壓轉換電路，其係接受前述電流分割電路所輸出的第2分割電流而發生電壓；及輸出電壓檢測電路，其係以前述輸出端子的電壓與前述感測電晶體的汲極電壓成為相同的方式控制前述電流分割電路，前述電流分割電路係包含：第1PMOS位準移位器、及第2PMOS位準移位器，前述第1PMOS位準移位器、及前述第2PMOS位準移位器的源極係被連接在前述感測電晶體的汲極，在前述第1PMOS位準移位器、及前述第2PMOS位準移位器的閘極係被輸入前述輸出電壓檢測電路所輸出的位準移位電壓，前述第1PMOS位準移位器的汲極係被連接在前述第1電流電壓轉換電路， 前述第2PMOS位準移位器的汲極係被連接在前述第2電流電壓轉換電路，且接受前述第1電流電壓轉換電路所發生的電壓，檢測流至前述輸出電晶體的過電流，控制前述輸出電壓及輸出電流。
  2. 如申請專利範圍第1項之定電壓電路，其中，前述第1電流電壓轉換電路係由可變電阻所構成，接受前述第2電流電壓轉換電路的輸出訊號而使電阻值為可變。
  3. 如申請專利範圍第1項之定電壓電路，其中，前述過電流保護電路係具備有第3電流電壓轉換電路，其係接受前述電流分割電路所輸出的第3分割電流而發生電壓，前述第1電流電壓轉換電路係由可變電阻所構成，接受前述第2電流電壓轉換電路及前述第3電流電壓轉換電路的輸出訊號而使電阻值為可變。
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