TWI628889B - 電壓調節器 - Google Patents
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Abstract
提供具備有過電流保護電路之電壓調節器，該過電流保護電路持有即使在過電流狀態檢測時輸出電壓-輸出電流特性亦持有完美折返特性(限流過載保護特性)。
其構成為在過電流保護電路設置生成因應輸出電壓之電流的控制電路，藉由因應輸出電流之感應電流扣除其電流後的電流，控制輸出電晶體之閘極。
Description
本發明係關於電壓調節器之過電流保護電路。
針對以往之電壓調節器予以說明。圖3為表示以往之電壓調整器的電路圖。
以往之電壓調節器係由基準電壓電路111、差動放大電路112、過電流保護電路130、PMOS電晶體113、電阻114、電阻115、接地端子101、電源端子102和輸出端子103所構成。過電流保護電路130係由PMOS電晶體131、NMOS電晶體132、差動放大電路133、電阻134和控制電路140所構成。控制電路140係由PMOS電晶體141、差動放大電路142和電阻143所構成。
差動放大電路112係反轉輸入端子被連接於基準電壓電路111，非反轉輸入端子被連接於電阻114和電阻115之連接點，輸出端子被連接於PMOS電晶體113之閘極。PMOS電晶體113係源極被連接於電源端子
102，汲極被連接於輸出端子103。電阻114及電阻115被連接於輸出端子103和接地端子101之間。PMOS電晶體131係閘極被連接於差動放大電路112之輸出端子，源極被連接於電源端子102，汲極被連接於NMOS電晶體132之汲極。差動放大電路133係非反轉輸入端子被連接於差動放大電路112之非反轉輸入端子，反轉輸入端子被連接於NMOS電晶體132之源極，輸出端子被連接於NMOS電晶體132之閘極。電阻134連接於NMOS電晶體132之源極和接地端子101之間。差動放大電路142係非反轉輸入端子被連接於基準電壓電路111，反轉輸入端子被連接於NMOS電晶體132之汲極，輸出端子被連接於PMOS電晶體141之閘極。電阻143被連接於差動放大電路142之反轉輸入端子和接地端子101之間。PMOS電晶體141係汲極被連接於差動放大電路112之輸出端子，源極被連接於電源端子102。電阻114和電阻115構成分壓電路，輸出將輸出端子103之輸出電壓Vout予以分壓之分壓電壓Vfb。
以往之電壓調節器動作成下述般保護電路避開過電流。在從輸出端子103輸出特定輸出電壓Vout之狀態下，因差動放大電路133之輸出端子被輸出Hi之電壓，故NMOS電晶體132被保持接通狀態。
當輸出端子103和接地端子101短路時，輸出電流Iout增加。當成為輸出電流Iout高於最大輸出電流Im之過電流狀態時，流至感應輸出電流之PMOS電晶
體131之電流變多，差動放大電路142之反轉輸入端子之電壓上升。當差動放大電路142之反轉輸入端子之電壓高於基準電壓電路111之電壓時，差動放大電路142之輸出端子之電壓漸漸地變低，漸漸地使PMOS電晶體141接通。如此一來，使PMOS電晶體113之閘極漸漸地成為電源端子102之電壓，並使PMOS電晶體113斷開。
當輸出端子103和接地端子101短路時，輸出電壓Vout也下降並且分壓電壓Vfb下降。當分壓電壓Vfb下降時，差動放大電路133之輸出電壓漸漸地降低，漸漸地使NMOS電晶體132斷開。如此一來，流至NMOS電晶體132之電流漸漸變少，流至電阻143之電流漸漸地增多。即是，藉由輸出電壓Vout之下降，可以增大差動放大電路142之反轉輸入端子之電壓。因此，差動放大電路142可以又使PMOS電晶體141接通，並使PMOS電晶體113斷開。
如上述說明搬，以往之電壓調節器可以藉由折返特性(限流過載保護特性)之輸出電壓-輸出電流特性進行過電流保護。
[專利文獻1]日本特開2012-160083號公報
但是，在以往之技術中，於過電流保護電路130開始發揮功能時，有輸出電壓-輸出電流特性不成為完美折返之課題。
圖4表示以往之電壓調節器之輸出電壓-輸出電流特性。從圖明顯可知，於過電流保護電路130開始發揮功能時，產生仍流出最大輸出電流Im而輸出電壓Vout下降的時間。因此，在該期間，PMOS電晶體113受到損傷。
為了取得完美折返特性，需要使差動放大電路133之反轉輸入端子幾乎與分壓電壓Vfb相等，並使差動放大電路142之反轉輸入端子與基準電壓Vref幾乎相等，但是當過電流保護電路130開始發揮功能時，其條件無法滿足。於過電流保護電路130開始發揮功能時，當分壓電壓Vfb和基準電壓Vref幾乎相等時，雖然電阻134必須流通與基準電壓Vref呈比例之電流，但是NMOS電晶體132係汲極-源極間電壓幾乎為0成為不流通電流之狀態。過電流保護電路130開始發揮功能時，NMOS電晶體132之源極電位因以NMOS電晶體132之汲極電流和流至電阻134之電流成為相等之方式來決定，故有不會成為分壓電壓Vfb之問題。
本發明係鑒於上述課題而創作出，提供具備即使在過電流保護電路開始發揮功能時，輸出電壓-輸出電流特性亦成為完美折返之過電流保護電路的電壓調節器。
本發明之具備過電流保護電路之電壓調節器之構成為具備：放大基準電壓和將輸出電晶體所輸出之輸出電壓予以分壓的分壓電壓之差而控制輸出電晶體之閘極之第一差動放大電路，和保護電路避開輸出電晶體之輸出電流之過電流的過電流保護電路，其中過電流保護電路具備：感應輸出電流的感應電晶體；產生與輸出電壓呈比例的電流的第一控制電路；和因應感應電流和第一控制電路之電流而控制輸出電晶體之閘極的第二控制電路。
本發明之具備過電流保護電路的電壓調節器藉由使用與輸出電流呈比例之電流和與輸出電壓呈比例之電流，在輸入輸出電壓差小且輸出電流多之狀態下，即使輸出電壓不下降，亦可以進行輸出電壓-輸出電流特性成為完美折返的過電流保護。
101‧‧‧接地端子
102‧‧‧電源端子
103‧‧‧輸出端子
111‧‧‧基準電壓電路
112、163‧‧‧差動放大電路
130‧‧‧過電流保護電路
140、150、160‧‧‧控制電路
165‧‧‧定電流源
圖1為表示第一實施型態之電壓調節器的電路圖。
圖2為表示第一實施型態之電壓調節器之輸出電壓-輸出電流特性的圖式。
圖3為表示以往之電壓調節器的電路圖。
圖4為表示以往之電壓調節器之輸出電壓-輸出電流特性的圖式。
圖5為表示第一實施型態之電壓調節器之其他例的電路圖。
圖6為表示第二實施型態之電壓調節器的電路圖。
圖1所示之第一實施型態之電壓調節器係由基準電壓電路111、差動放大電路112、過電流保護電路130、PMOS電晶體113、電阻114、電阻115、接地端子101、電源端子102和輸出端子103所構成。
過電流保護電路130具備PMOS電晶體131、控制電路150及160。
控制電路150具備有PMOS電晶體151、NMOS電晶體155、電阻153及154。
控制電路160具備有NMOS電晶體162、差動放大電路163、電阻164、定電流源165、PMOS電晶體166及167、NMOS電晶體168及169。
差動放大電路112係反轉輸入端子被連接於基準電壓電路111，非反轉輸入端子被連接於電阻114和電阻115之連接點，輸出端子被連接於PMOS電晶體113及131之閘極。PMOS電晶體113係源極被連接於電源端
子102，汲極被連接於輸出端子103。被串聯連接之電阻114及電阻115被連接於輸出端子103和接地端子101之間。PMOS電晶體131係源極連接於電源端子102，汲極連接於電阻153和NMOS電晶體155之閘極。電阻114和電阻115構成分壓電路，輸出將輸出端子103之輸出電壓Vout予以分壓之分壓電壓Vfb。
定電流源165被連接於電源端子102和PMOS電晶體166及167之源極之間。PMOS電晶體166之閘極和汲極被連接於NMOS電晶體162之汲極和PMOS電晶體167之閘極。NMOS電晶體162係源極被連接於差動放大電路163之反轉輸入端子和電阻164，閘極被連接於差動放大電路163之輸出端子。差動放大電路163之非反轉輸入端子被連接於差動放大電路112之非反轉輸入端子。PMOS電晶體167之汲極被連接於NMOS電晶體168之汲極及閘極。NMOS電晶體168係閘極及汲極被連接於NMOS電晶體169之閘極，源極被連接於接地端子101。NMOS電晶體169係汲極被連接於NMOS電晶體155之閘極，源極被連接於接地端子101。
PMOS電晶體151係源極被連接於電源端子102，閘極被連接於NMOS電晶體155之汲極，汲極被連接於PMOS電晶體113之閘極。電阻154係被連接於電源端子102和PMOS電晶體151之閘極之間。NMOS電晶體155之源極被連接於接地端子101。
接著，針對第一實施型態之電壓調節器之過
電流保護電路130之動作予以說明。
差動放大電路163係以NMOS電晶體162之源極之電壓與分壓電壓Vfb相等之方式，控制NMOS電晶體162之閘極之電壓。電阻164流通與分壓電壓Vfb呈比例之電流。其電流藉由PMOS電晶體166、PMOS電晶體167、NMOS電晶體168、NMOS電晶體169而被鏡射。
PMOS電晶體131流通因應流至輸出端子103之輸出電流Iout的感應電流。電阻153流通流至PMOS電晶體131之感應電流扣除流至NMOS電晶體169之電流，即是流至電阻164之電流被鏡射之電流的電流。
當輸出端子103和接地端子101短路時，輸出電流Iout增加。當成為輸出電流Iout高於最大輸出電流Im之過電流狀態時，流至PMOS電晶體131之感應電流變多，在電阻153產生電壓。當電阻153之電壓變高時，NMOS電晶體155接通，電流流至電阻154，漸漸地使PMOS電晶體151接通。如此一來，使PMOS電晶體113之閘極漸漸地成為電源端子102之電壓，並使PMOS電晶體113漸漸地斷開，使輸出電流Iout下降。
藉由PMOS電晶體113漸漸地斷開，輸出電壓Vout和分壓電壓Vfb下降。當分壓電壓Vfb下降時，因施加於電阻164之一端的電壓下降，故流至電阻164之電流減少。隨此，因流至NMOS電晶體169之電流減少，故流至電阻153之電流其部分增加，更斷開PMOS電晶體113之閘極。
於過電流保護電路130動作時，下述式(1)至(5)成立。
Vth(155)=R(153)×I(153)…(1)
I(131)=Iout×Mi…(2)
I(153)=I(131)-I(169)…(3)
I(169)=I(164)=Vfb/R(164)…(4)
Vfb=A×Vout…(5)
但是，Vth(x)為NMOS電晶體x之臨界值，R(x)為電阻x之電阻值，I(x)為流至元件x之電流，Mi為PMOS電晶體131對PMOS電晶體113之鏡射比，Vout為輸出端子103之電壓，Iout為PMOS電晶體113之汲極電流，Vfb為藉由輸出電壓Vout和電阻114及電阻115之電阻值而決定之分壓電壓，A為比例係數。
藉由式(1)至(5)，在輸出電壓Vout和輸出電流Iout之間成立下式(6)。
Vout=R(164)/A[Mi×Iout-Vth(155)/R(153)]‧‧(6)
因此，輸出電壓-輸出電流特性成為完美折返特性。圖2表示第一實施型態之電壓調節器之輸出電壓-輸出電流特性。
從圖2明顯可知，於過電流保護電路130開始發揮功能時，不會產生仍流出最大輸出電流Im而輸出電壓Vout下降的時間。因此，PMOS電晶體113不會受到損傷。
並且，過電流保護電路130開始動作之最大輸出電流Im因藉由PMOS電晶體131、電阻153、流至電阻164之電流而決定，故可藉由調整電阻153和電阻164之值可進行設定。
圖5為表示第一實施型態之電壓調節器之其他例的電路圖。與圖1不同的係從電阻154變更成PMOS電晶體156之點。
PMOS電晶體156係汲極和閘極連接於PMOS電晶體151之閘極及NMOS電晶體155之汲極，源極連接於電源端子102。其他之電路構成及連接與圖1之電路相同。
即使構成如此，亦取得與圖1之電壓調節器相同之效果。即是，若電阻為阻抗元件，即使構成任何亦可取得相同之效果。
圖6為表示第二實施型態之電壓調節器的電路圖。與第一實施型態不同的係變更差動放大電路163之非反轉輸入端子之連接之點。
差動放大電路163係非反轉輸入端子被連接於輸出端子103。其他之電路構成及連接與第一實施形態相同。
接著，針對第二實施型態之電壓調節器之動作予以說明。
差動放大電路163係以NMOS電晶體162之源極之電壓與輸出電壓Vout相等之方式，控制NMOS電晶體162
之閘極之電壓。電阻164流通與輸出電壓Vout呈比例之電流。此電流藉由PMOS電晶體166、PMOS電晶體167、NMOS電晶體168、NMOS電晶體169而被鏡射。
PMOS電晶體131流通因應流至輸出端子103之輸出電流Iout的感應電流。電阻153流通流至PMOS電晶體131之感應電流扣除流至NMOS電晶體169之電流，即是流至電阻164之電流被鏡射之電流的電流。
當輸出端子103和接地端子101短路時，輸出電流Iout增加。當成為輸出電流Iout高於最大輸出電流Im之過電流狀態時，流至PMOS電晶體131之感應電流變多，在電阻153產生電壓。當電阻153之電壓變高時，NMOS電晶體155接通，電流流至電阻154，漸漸地使PMOS電晶體151接通。如此一來，使PMOS電晶體113之閘極漸漸地成為電源端子102之電壓，並使PMOS電晶體113漸漸地斷開，使輸出電流Iout下降。
藉由PMOS電晶體113漸漸地斷開，輸出電壓Vout下降。當輸出電壓Vout下降時，因施加於電阻164之一端的電壓下降，故流至電阻164之電流減少。隨此，因流至NMOS電晶體169之電流減少，故流至電阻153之電流其部分增加，更斷開PMOS電晶體113之閘極。
於過電流保護電路130動作時，下述式(1)至(3)和以下表示的式(7)成立。
I(169)=I(164)=Vout/R(164)…(7)
但是，Vth(x)為NMOS電晶體x之臨界值，R(x)為電阻x之電阻值，I(x)為流至元件x之電流，Mi為PMOS電晶體131對PMOS電晶體113之鏡射比，Vout為輸出端子103之電壓，Iout為PMOS電晶體113之汲極電流。
藉由式(1)至(3)及(7)，在輸出電壓Vout和輸出電流Iout之間成立下式(8)。
Vout=R(164)/[Mi×Iout-Vth(155)/R(153)]‧‧(8)
因此，輸出電壓-輸出電流特性成為完美折返特性。
如上述說明般，若藉由本發明之電壓調節器，於過電流保護電路130開始發揮功能時，不會產生仍流出最大輸出電流Im而輸出電壓Vout下降的時間。因此，PMOS電晶體113不會受到損傷，可以提供安全性高的電壓調節器。
Claims (3)
- 一種電壓調節器，具備：因應基準電壓和將輸出電晶體所輸出之輸出電壓予以分壓的分壓電壓之差而控制上述輸出電晶體之閘極之第一差動放大電路，和保護電路避開上述輸出電晶體之輸出電流之過電流的過電流保護電路，其特徵在於：上述過電流保護電路具備：感應電晶體，其係閘極與上述輸出電晶體之閘極連接，流通因應上述輸出電流之感應電流；第一控制電路，其係產生與上述輸出電壓呈比例的電流；和第二控制電路，其具有流通上述感應電流扣除上述第一控制電路之電流後之電流的第二電阻，且該第二控制電路因應上述第二電阻輸出之電壓而控制上述輸出電晶體之閘極。
- 如請求項1所記載之電壓調節器，其中上述第一控制電路具備：第二差動放大電路，其係將上述分壓電壓輸入至非反轉輸入端子；第一NMOS電晶體，其源極被連接於上述第二差動放大電路之反轉輸入端子，且該第一NMOS電晶體因應上述第二差動放大電路之輸出而流通汲極電流；第一電阻，其接受上述第一NMOS電晶體之電流；和電流鏡電路，其係鏡射上述第一NMOS電晶體之汲極 電流，並流通上述第一控制電路之電流；上述第二控制電路具備：第二NMOS電晶體，其閘極藉由上述第二電阻之電壓被控制；阻抗元件，其係接受上述第二NMOS電晶體之汲極電流；和PMOS電晶體，其閘極藉由上述阻抗元件之電壓被控制。
- 如請求項1所記載之電壓調節器，其中上述第一控制電路具備：第二差動放大電路，其係將上述分壓電壓輸入至非反轉輸入端子；第一NMOS電晶體，其源極被連接於上述第二差動放大電路之反轉輸入端子，且該第一NMOS電晶體因應上述第二差動放大電路之輸出而流通汲極電流；第一電阻，其接受上述第一NMOS電晶體之電流；和電流鏡電路，其係鏡射上述第一NMOS電晶體之汲極電流，並流通上述第一控制電路之電流；上述第二控制電路具備：第二NMOS電晶體，其閘極藉由上述第二電阻之電壓被控制；阻抗元件，其係接受上述第二NMOS電晶體之汲極電流；和PMOS電晶體，其閘極藉由上述阻抗元件之電壓被控制。
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