TWI631807B - 電壓調節器 - Google Patents
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Abstract
提供不需要面積大的元件之相位補償電路，
可精度佳且穩定地將輸出電流控制成過電流保護設定值的電壓調節器。
其構成為具備：定電壓控制電路，其具
備比較第一基準電壓和反饋電壓之第一差動放大電路，和以第一差動放大電路之輸出電壓被控制之輸出電晶體；和過電流保護電路，其具備用以測量輸出電流的電阻，和測量電阻之兩端之電壓之差的第二差動放大電路，和比較第二差動放大電路之輸出電壓和第二基準電壓的比較器，和藉由比較器之檢測訊號而被控制之開關，於輸出電流流出過電流保護設定值以上之時，第二差動放大電路之輸出電壓經開關而被輸入至第一差動放大電路，將輸出電晶體之控制從藉由定電壓控制電路所進行之控制切換成藉由過電流保護電路所進行之控制。
Description
本發明係關於輸出定電壓之電壓調節器，更詳細而言，係關於當過電流流至輸出端子之時，將輸出電流縮小而保護電路的過電流保護電路。
電壓調節器係輸入鋰離子2次電池或電池等之高的電源電壓，對微電腦等之裝置輸出比電源電壓低的電壓。假設，以任何理由使得電壓調節器之輸出端子被短路成GND電壓(0V)之情況下，因電壓調節器控制成降低輸出電晶體之電阻值，故在輸出端子流入大電流。電壓調節器為了保護電路防止受到輸出端子流入大電流的影響，必須要有過電流保護電路。
圖3為表示以往之電壓調節器的方塊圖。以往之電壓調節器具備定電壓控制電路320和過電流保護電路321。
在電源端子10和接地端子11之間連接輸入電壓源101。在輸出端子12和接地端子11之間連接負載電阻
103。在電源端子10和輸出端子12之間並聯連接電阻111和輸出電晶體102。
針對定電壓控制電路320予以說明。差動放大電路304係在反相輸入端子被輸入藉由分壓電阻電路306使輸出電壓Vout分壓的反饋電壓Vfb，在非反相輸入端子被輸入基準電壓電路305之基準電壓Vref，從輸出端子輸出電流I1。NPN電晶體308和電阻307構成源極接地放大電路。輸出電晶體102係藉由閘極被輸入源極接地放大電路之輸出電壓Vdrv，構成控制輸出電壓Vout之負反饋，將輸出電壓Vout控制成設定電壓。
針對過電流保護電路321予以說明。差動放大電路312係在非反相輸入端子被輸入輸入電壓源101之電壓Vin，在反相輸入端子被輸入產生在電阻111之電壓VR。差動放大電路313係在非反相輸入端子被輸入差動放大電路312之輸出電壓，在反相輸入端子被輸入基準電壓電路314之基準電壓Vref2，輸出電流I2。電流I2藉由NPN電晶體315和NPN電晶體316而被鏡射，成為電流I3。NPN電晶體316之集極被連接於差動放大電路304之輸出。
在此，於輸出端子12被短路到接地端子11之情況下，因反饋電壓Vfb成為接地電壓Vss，故源極接地放大電路之輸出電壓Vdrv下降，輸出電晶體102成為導通，增加輸出電流Iout。因此，由於電阻111所產生的電壓下降，使得電壓VR變低，故差動放大電路312之輸
出電壓變高。當差動放大電路312之輸出電壓較基準電壓Vref2，電壓變高時，差動放大電路313增加流至NPN電晶體315之集極的電流I2。因此，因增加藉由鏡射電路被鏡射的電流I3，故NPN電晶體308之基極電流(I1-I3)減少。因NPN電晶體308之基極電流減少，故源極接地放大電路之輸出電壓Vdrv上升，輸出電流Iout減少。如此一來，構成控制輸出電流之負反饋，輸出電流Iout被控制成過電流保護設定電流。
[專利文獻1]日本特開2006-31672號公報
但是，上述般之以往之電壓調節器係於過電流保護電路之動作時，輸出電壓控制之負反饋和輸出電流控制之負反饋動作。因此，於輸出電流控制之負反饋之增益大於輸出電壓控制之負反饋之增大時，因輸出電壓Vout容易振盪，故需要大容量之相位補償電路，因此增加了晶片面積。再者，於輸出電流控制之負反饋之增益小於輸出電壓控制之負反饋之增益時，因輸出電壓控制之負反饋之影響強，故有難有效地進行輸出電流Iout之過電流保護的課題。
為了解決以往之課題，具備有本發明之過電流保護電路的電壓調節器構成為具備：定電壓控制電路，其具備比較第一基準電壓和反饋電壓之第一差動放大電路，和以第一差動放大電路之輸出電壓被控制之輸出電晶體；和過電流保護電路，其具備用以測量輸出電流的電阻，和測量電阻之兩端之電壓之差的第二差動放大電路，和比較第二差動放大電路之輸出電壓和第二基準電壓的比較器，和藉由比較器之檢測訊號而被控制之開關，於輸出電流流出過電流保護設定值以上之時，第二差動放大電路之輸出電壓經開關而被輸入至第一差動放大電路，將輸出電晶體之控制從藉由定電壓控制電路所進行之控制切換成藉由過電流保護電路所進行之控制。
若藉由具備有本發明過電流保護電路之電壓調節器時，無須面積大之元件的相位補償電路，可精度佳且穩定地將輸出電流控制成過電流保護設定值。
104、112‧‧‧差動放大電路
113‧‧‧比較器
106‧‧‧分壓電阻電路
120‧‧‧定電壓控制電路
121‧‧‧過電流保護電路
210‧‧‧電流源
211‧‧‧反相放大電路
圖1為表示本實施型態之電壓調節器的方塊圖。
圖2為表示本實施型態之電壓調節器之差動放大電路
之一例的電路圖。
圖3為表示以往之電壓調節器的方塊圖。
以下，針對本實施型態之電壓調節器參照圖面予以說明。
圖1為表示本實施型態之電壓調節器的方塊圖。
本實施型態之電壓調節器具備定電壓控制電路120和過電流保護電路121。在電源端子10和接地端子11之間連接輸入電壓源101。在輸出端子12和接地端子11之間連接負載電阻103。在電源端子10和輸出端子12之間並聯連接電阻111和輸出電晶體102。
定電壓控制電路120具備有差動放大電路104、基準電壓電路105、分壓電阻電路106。分壓電阻電路106被連接於輸出端子12和接地端子11之間。差動放大電路104係第一非反相輸入端子連接分壓電阻電路106之輸出端子，第二反相輸入端子連接過電流保護電路121之輸出端子，反相輸入端子連接基準電壓電路105，輸出端子被連接於輸出電晶體102之閘極。
過電流保護電路121具備有差動放大電路112、比較器113、基準電壓電路114、開關115及116、反相器117。差動放大電路112係非反相輸入端子連接電源端子10和電阻111之一方之端子的連接點，反相輸入端子連接電阻111之另一方的端子。比較器113係非反相
輸入端子連接差動放大電路112之輸出端子，反相輸入端子連接基準電壓電路114。開關115被連接於差動放大電路112之輸出端子和過電流保護電路121之輸出端子之間，控制端子連接比較器113之輸出端子。開關116被連接於差動放大電路112之輸出端子和接地端子11之間，控制端子經反相器117連接比較器113之輸出端子。
分壓電阻電路106輸出對輸出電壓Vout進行分壓的反饋電壓Vfb。基準電壓電路105係輸出基準電壓Vref。差動放大電路104係放大反饋電壓Vfb和基準電壓Vref而將輸出電壓Vdrv輸出至輸出電晶體102之閘極。依此，構成控制輸出電壓之負反饋，輸出電壓Vout被控制成設定電壓。
差動放大電路112係放大電阻111之兩端之電壓之差而予以輸出。比較器113係比較差動放大電路112之輸出電壓和基準電壓Vref2，並輸出其訊號Vd。開關115係差動放大電路112之輸出電壓高於基準電壓Vref2，即是於訊號Vd為High時短路。開關116係差動放大電路112之輸出電壓低於基準電壓Vref2，即是於訊號Vd為Low時導通。差動放大電路112之輸出電壓經開關115而從過電流保護電路121之輸出端子以輸出電壓V121被輸入至差動放大電路104之第二非反相輸入端子。差動放大電路104係放大反饋電壓Vfb和輸出電壓V121之差而將輸出電壓Vdrv輸出至輸出電晶體102之閘極。依此，構成控制輸出電流之負反饋，輸出電流Iout
被控制成過電流保護設定電流。
圖2為表示差動放大電路104之一例的電路圖。
差動放大電路104具備第一非反相輸入端子201、第二非反相輸入端子202、反相輸入端子203、輸出端子204、NMOS電晶體205、206、207、PMOS電晶體208、209、電流源210和反相放大電路211。
NMOS電晶體205係閘極被連接於第一非反相輸入端子201。NMOS電晶體206係閘極被連接於第二非反相輸入端子202。NMOS電晶體207係閘極被連接於反相輸入端子203。各個源極共同地與電流源210連接。PMOS電晶體208係汲極被連接於NMOS電晶體205及NMOS電晶體206之汲極和反相放大電路211之輸入端子。PMOS電晶體209係汲極和閘極共同地被連接於NMOS電晶體207之汲極及PMOS電晶體208之閘極。反相放大電路211係輸出端子被連接於輸出端子204。
第一非反相輸入端子201被輸入反饋電壓Vfb，第二非反相輸入端子202被輸入電壓V121，反相輸入端子203被輸入基準電壓Vref，輸出端子204將輸出電壓Vdrv予以輸出。
構成上述般之差動放大電路104相對於被輸入之電壓動作，如下述般動作。
在相對於基準電壓Vref，反饋電壓Vfb和電壓V121之雙方低之情況下，PMOS電晶體208流通的電
流大於NMOS電晶體205和NMOS電晶體206流通的電流。因此，PMOS電晶體208之汲極電壓上升，輸出電壓Vdrv下降。
相對於基準電壓Vref，反饋電壓Vfb高之情況下，PMOS電晶體208流通之電流小於NMOS電晶體205流通之電流。因此，PMOS電晶體208之汲極電壓下降，輸出電壓Vdrv上升。此時，因NMOS電晶體205之電阻變得較NMOS電晶體206小，故NMOS電晶體205支配性地流通電流。
相對於基準電壓Vref，電壓V121高之情況下，PMOS電晶體208流通之電流小於NMOS電晶體206流通之電流。因此，PMOS電晶體208之汲極電壓下降，輸出電壓Vdrv上升。此時，因NMOS電晶體206之電阻變得較NMOS電晶體205小，故NMOS電晶體206支配性地流通電流。
接著，針對本實施型態之電壓調節器之過電流保護動作予以說明。
通常動作時，因差動放大電路112之輸出電壓低於基準電壓Vref2，故比較器113之輸出Vd成為Lo輸出，開關115開啟，開關116短路。因此，因差動放大電路104係第二非反相輸入端子被輸入接地電壓Vss，故輸出第一非反相輸入端子和反相輸入端子之電壓，即是根據反饋電壓Vfb和基準電壓Vref之電壓。
在輸出端子12被短路到接地端子11之情況
下，因反饋電壓Vfb成為接地電壓Vss，故差動放大電路104之輸出電壓Vdrv下降。輸出電晶體102成為導通，增加輸出電流Iout。當增加輸出電流Iout時，由於電阻111之電壓下降，電壓VR變低，差動放大電路112之輸出電壓變高。當差動放大電路112之輸出電壓高於基準電壓Vref2時，比較器113之輸出Vd成為High輸出，開關115短路，開關116開啟。依此，在差動放大電路104之第二非反相輸入端子被輸入與差動放大電路112之輸出電壓相同之電壓。此時之差動放大電路112之輸出電壓為與基準電壓Vref2相同之值。當輸出電流Iout又增加時，因差動放大電路112之輸出電壓高於反饋電壓Vfb，故差動放大電路104輸出根據第二非反相輸入端子和反相輸入端子之電壓，即是差動放大電路112之輸出電壓和基準電壓Vref之電壓。因此，差動放大電路104根據過電流保護電路121之輸出電壓，控制輸出電晶體102之閘極，防止過電流。
在此，比較器113為了防止顫動，以附加遲滯為佳。再者，為了使差動放大電路104從第一非反相輸入端子之控制流暢地切換至第二非反相輸入端子，基準電壓Vref和基準電壓Vref2以相同電壓為佳。
首先，說明輸出電流Iout小於過電流保護設定值之情形。
差動放大電路112之輸出電壓雖然與輸出電流Iout呈比例上升，但是因低於基準電壓Vref2，故比較器113
之輸出Vd成為Low輸出。因此，因開關115成為開啟，開關116成為短路，故過電流保護電路121之輸出端子被連接於接地端子11，輸出電壓V121成為0V。因此，差動放大電路104被控制成反饋電壓Vfb作為非反相輸入訊號動作，藉由定電壓控制電路120之負反饋，輸出電壓Vout被控制成設定電壓。此時，因藉由差動放大電路104之動作，第一非反相輸入端子之電壓與反相輸入端子之電壓相等，故反饋電壓Vfb與基準電壓Vref相等。
接著，說明在輸出電流Iout流通過電流保護設定值以上之輸出電流之情形。
當差動放大電路112之輸出電壓上升而高於基準電壓Vref2時，比較器113之輸出Vd成為High輸出。因此，因開關115成為短路，開關116成為開啟，故過電流保護電路121之輸出電壓V121成為與差動放大電路112之輸出電壓相同之電壓。在此，當將基準電壓Vref與Vref2設定成相同電壓時，因輸出電壓V121高於反饋Vfb，故輸出電壓V121當作差動放大電路104之非反相輸入訊號動作，藉由過電流保護電路121之負反饋，輸出電流Iout被控制成過電流保護設定電流。
如上述說明般，若藉由具備有本實施型態之過電流保護電路之電壓調節器時，因構成當流通過電流保護設定值以上之輸出電流時，切斷輸出電壓控制之負反饋，並僅以輸出電流控制之負反饋進行動作，故可以將輸出電流精度佳且穩定地控制成過電流保護設定值。
Claims (2)
- 一種電壓調節器，具備有構成用以控制輸出電壓之負反饋電路的定電壓控制電路，和構成用以控制輸出電流的負反饋電路的過電流保護電路，其特徵在於：上述定電壓控制電路具備：在反相輸入端子、第一非反相輸入端子分別輸入第一基準電壓及反饋電壓並比較該第一基準電壓和該反饋電壓之第一差動放大電路，和以上述第一差動放大電路之輸出電壓被控制之輸出電晶體，上述過電流保護電路具備：用以測量輸出電流之電阻，和測量上述電阻之兩端之電壓差的第二差動放大電路，和比較上述第二差動放大電路之輸出電壓和第二基準電壓的比較器，和藉由上述比較器之檢測訊號而被控制之開關，當上述輸出電流流出過電流保護設定值以上之時，上述第二差動放大電路之輸出電壓經上述開關而被輸入上述第一差動放大電路的第二非反相輸入端子，該第一差動放大電路比較上述第一基準電壓和上述第二差動放大電路之輸出電壓而控制上述輸出電晶體，依此將上述輸出電晶體之控制從藉由上述定電壓控制電路所進行之控制，切換至藉由上述過電流保護電路所進行之控制。
- 如請求項1所記載之電壓調節器，其中上述第一基準電壓和上述第二基準電壓為相等之電壓。
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