TWI666538B - 穩壓器與穩壓方法 - Google Patents

Abstract

本發明揭露了一種穩壓器與一種穩壓方法，所述穩壓器的一實施例包含：一放大器，用來依據一參考電壓與一負回授電壓產生一放大器輸出訊號；一可調式驅動前級，用來依據該放大器輸出訊號與一電流相依訊號來產生一偏壓電流，其中該電流相依訊號隨著一輸出電流之改變而改變，從而該偏壓電流隨著該輸出電流之改變而改變；一驅動元件，用來依據該放大器輸出訊號輸出一輸出電壓與該輸出電流；以及一負回授電路，用來依據該輸出電壓產生該負回授電壓。由於該偏壓電流隨著該輸出電流之改變而改變，因此該可調式驅動前級之輸出阻抗也隨著該輸出電流之改變而改變，從而增加該穩壓器的穩定度。

Description

穩壓器與穩壓方法

本發明是關於調節器與調節方法，尤其是關於電壓調節器與電壓調節方法。

許多電子產品都有電源像是電池或電源供應器，但外界的高頻干擾或者來自於產品內部的其他頻率的干擾，會導致電源的輸出電壓不穩定，進而影響電子產品內之IC的效能。為避免上述問題，低壓差穩壓器（low dropout regulator, LDO）被用來提供一穩定的輸出電壓。

一般的LDO包含一放大器、一電晶體以及一回授電路。所述放大器用來依據一參考電壓與一回授電壓產生一放大器輸出訊號；所述電晶體耦接於一電源端與一輸出端之間，用來依據該放大器輸出訊號來調節電晶體的輸出電流，進而調節該輸出端的一輸出電壓；所述回授電路用來依據輸出電壓產生該回授電壓。上述LDO雖然可提供穩定的輸出電壓，然而，當該LDO須輸出大電流時（亦即該電晶體的輸出電流為大電流時，也就是重載（heavy load）時），該電晶體須具備大推力，因此該電晶體的面積會相當大，這導致該放大器所看見的該電晶體的寄生電容相當大，從而導致該LDO的頻率響應不穩定。上述先前技術可見於下列文獻：US 20020005711 A1。

為解決上述LDO的問題，某些先前技術於該放大器與該電晶體之間設置一驅動前級（pre-driver），以藉由該驅動前級的輸出阻抗的設定，增加該LDO的穩定度，然而，由於該驅動前級的輸出阻抗是固定的，這樣的先前技術無法因應該電晶體的輸出電流變化極大的情況，換言之，此種先前技術可能能夠在負載極輕時（亦即電晶體的輸出電流極小時）使LDO穩定，但無法在負載極重（亦即電晶體的輸出電流極大時）時使LDO穩定。上述先前技術可見於下列文獻：US 6246221 B1。

本發明之一目的在於提供一種穩壓器與一種穩壓方法，以避免先前技術的問題。

本發明揭露了一種穩壓器，該穩壓器的一實施例包含一放大器、一可調式驅動前級、一驅動元件以及一負回授電路。所述放大器用來依據一參考電壓與一負回授電壓產生一放大器輸出訊號。所述可調式驅動前級用來依據該放大器輸出訊號與一電流相依訊號來產生一偏壓電流，其中該電流相依訊號隨著一輸出電流之改變而改變，從而該偏壓電流隨著該輸出電流之改變而改變。所述驅動元件用來依據該放大器輸出訊號輸出一輸出電壓與該輸出電流。所述負回授電路用來依據該輸出電壓產生該負回授電壓。由於該偏壓電流隨著該輸出電流之改變而改變，相依於該偏壓電流的該可調式驅動前級之輸出阻抗以及受該輸出阻抗影響的該穩壓器的頻率響應，也會隨著該輸出電流的改變而改變，從而該穩壓器的穩定度可獲得改善。

本發明另揭露一種穩壓方法，是由一穩壓器來執行，該穩壓方法的一實施例包含下列步驟：依據一參考電壓與一負回授電壓產生一放大器輸出訊號；依據該放大器輸出訊號與一電流相依訊號來產生一偏壓電流，其中該電流相依訊號隨著一輸出電流之改變而改變，從而該偏壓電流隨著該輸出電流之改變而改變；依據該放大器輸出訊號輸出一輸出電壓與該輸出電流；以及依據該輸出電壓產生該負回授電壓。由於該偏壓電流隨著該輸出電流之改變而改變，與該偏壓電流相依的一輸出阻抗以及受該輸出阻抗影響的一穩壓器頻率響應，也會隨著該輸出電流的改變而改變，從而電壓調節的穩定度可獲得改善。

有關本發明的特徵、實作與功效，茲配合圖式作較佳實施例詳細說明如下。

以下說明內容之用語係參照本技術領域之習慣用語，如本說明書對部分用語有加以說明或定義，該部分用語之解釋係以本說明書之說明或定義為準。

本發明之揭露內容包含穩壓器與穩壓方法，能夠適應性地隨著輸出電流的改變來調整頻率響應，從而增加電壓調節的穩定性。

圖1顯示本發明之穩壓器的一實施例。如圖1所示，穩壓器100包含一放大器110、一可調式驅動前級（adaptive pre-driver）120、一驅動元件130、以及一負回授電路140。放大器110用來依據一參考電壓V _REF與一負回授電壓V _F產生一放大器輸出訊號V _AMP。可調式驅動前級120用來依據電流相依訊號S _I來產生一偏壓電流I _B，其中電流相依訊號S _I隨著一輸出電流I _OUT之改變而同步地或不同步地改變，從而偏壓電流I _B隨著輸出電流I _OUT之改變而同步地或不同步地改變，因此，與偏壓電流I _B相依的可調式驅動前級120的輸出阻抗，會隨著輸出電流I _OUT之改變而改變，本實施例中，隨著輸出電流I _OUT變大（變小），可調式驅動前級120之輸出阻抗會變小（變大）。驅動元件130包含一電晶體（例如PMOS電晶體）或其等效元件，耦接於一電源電壓V _IN與一輸出端132之間，並用來依據放大器輸出訊號V _AMP，於輸出端132輸出一輸出電壓V _OUT以及輸出電流I _OUT，輸出電壓V _OUT與輸出電流I _OUT是輸出給一負載R _L（例如一或多個內部電路，其與穩壓器100一同整合於一積體電路中），因此輸出電流I _OUT是相依於輸出電壓V _OUT與負載R _L的等效阻抗，另外，輸出端132可進一步耦接一電容C _L（例如一外部電容，其設於一印刷電路板上），以穩定輸出電壓V _OUT，上述負載R _L與電容C _L的任一個可包含於穩壓器100中，或設於穩壓器100之外。負回授電路140耦接於輸出端132與放大器110之間，用來依據輸出電壓V _OUT產生負回授電壓V _F，本實施例中，負回授電路140包含二分壓電阻R ₁、R ₂，分壓電阻R ₁、R ₂之電阻值可相同或不同，實施本發明者可依其需求自行決定分壓電阻R ₁、R ₂之值，亦可用已知或自行開發的負回授電路來取代負回授電路140。

圖2顯示可調式驅動前級120的一實施例。如圖2所示，可調式驅動前級120包含一緩衝元件210與一可調式電流源220。緩衝元件210可以是一二極體連接式金氧半導體（diode-connected MOS）如圖3a所示，或是其等效元件如圖3b所示。緩衝元件210除用來接收前述電源電壓V _IN，另用來耦接放大器110與驅動元件130，以接收放大器輸出訊號V _AMP，並據以輸出偏壓電流I _B。可調式電流源220用來依據電流相依訊號S _I來控制偏壓電流I _B，其中偏壓電流I _B的至少一部分流過緩衝元件210，從而緩衝元件210的輸出阻抗相依於該偏壓電流的該至少一部分，本實施例中，當該偏壓電流的該至少一部分變大（變小），緩衝元件210的輸出阻抗變小（變大）。

圖4顯示可調式電流源220的一實施例，其中驅動元件130是一PMOS電晶體，緩衝元件210為一二極體連接式金氧半導體，可調式電流源220包含一感測元件410與一電流鏡420。感測元件410耦接於前述電源電壓V _IN與電流鏡420之間，用來依據電流相依訊號S _I以產生一感測電流I _S，電流相依訊號S _I在此是放大器輸出訊號V _AMP。電流鏡420用來依據感測電流I _S產生一鏡射電流I _M作為偏壓電流I _B。由圖4可知，當放大器輸出訊號V _AMP（在此為電流相依訊號S _I）降低，驅動元件130之輸出電流I _OUT與感測元件410之感測電流I _S增加，此時，鏡射電流I _M（即偏壓電流I _B）會隨著感測電流I _S之增加而增加，因此，流過緩衝元件210的至少一部分的偏壓電流I _B會增加，這使得緩衝元件210的等效阻抗減少，並使得緩衝元件210的等效阻抗與驅動元件130的等效電容（包含寄生電容）所貢獻的一極點被移向一較高頻的位置，如此一來，該極點不會落於穩壓器100的增益頻寬（其於重載（heavy load）時被移向一較高頻的位置）內，相位餘裕（phase margin）會增加，穩壓器100的穩定性也獲得加強；類似地，當放大器輸出訊號V _AMP（在此為電流相依訊號S _I）提高，驅動元件130之輸出電流I _OUT與感測元件410之感測電流I _S減少，此時，鏡射電流I _M（即偏壓電流I _B）會隨著感測電流I _S之減少而減少，因此，流過緩衝元件210的至少一部分的偏壓電流I _B會減少，這使得緩衝元件210的等效阻抗增加，並使得緩衝元件210的等效阻抗與驅動元件130的等效電容（包含寄生電容）所貢獻的一極點被移向一較低頻的位置，然而穩壓器100的增益頻寬於輕載（light load）時也被移向一相對更低頻的位置，該極點不會落於穩壓器100的增益頻寬內，相位餘裕仍足夠，穩壓器100的穩定性仍獲得確保。

值得注意的是，雖然圖4的實施例中，電流相依訊號S _I是放大器輸出訊號V _AMP，但這並非本發明的實施限制。本領域具有通常知識者能夠瞭解，其它能隨輸出電流I _OUT之改變而改變的訊號也可作為電流相依訊號S _I，此時可調式電流源220須能依據電流相依訊號S _I來改變偏壓電流I _B。

本揭露另包含一種穩壓方法，是由本發明之穩壓器或其等效裝置來執行，該穩壓方法的一實施例如圖5所示，包含下列步驟： 步驟S510：依據一參考電壓與一負回授電壓產生一放大器輸出訊號。本步驟可由前述放大器110或其等效電路來執行。 步驟S520：依據該放大器輸出訊號與一電流相依訊號來產生一偏壓電流，其中該電流相依訊號隨著一輸出電流之改變而改變，從而該偏壓電流隨著該輸出電流之改變而改變。本步驟可由前述可調式驅動前級120或其等效電路來執行。 步驟S530：依據該放大器輸出訊號輸出一輸出電壓與該輸出電流。本步驟可由前述驅動元件130或其等效電路來執行。 步驟S540：依據該輸出電壓產生該負回授電壓。本步驟可由前述負回授電路140或其等效電路來執行。

由於本領域具有通常知識者能夠參酌前揭裝置發明之揭露來瞭解本方法發明之實施細節與變化，亦即前述裝置發明之技術特徵均可合理應用於本方法發明中，因此，在不影響本方法發明之揭露要求與可實施性的前提下，重複及冗餘之說明在此予以節略。

請注意，在實施為可能的前提下，本技術領域具有通常知識者可選擇性地實施前述任一實施例中部分或全部技術特徵，或選擇性地實施前述複數個實施例中部分或全部技術特徵的組合，藉此增加本發明實施時的彈性。另請注意，前述實施例中，「依據一訊號以執行一操作」可以是接收該訊號以執行該操作或是接收該訊號的一衍生訊號以執行該操作，該衍生訊號例如是該訊號的一加強/衰弱/延遲/反向訊號，實施本發明者可依其需求來決定該衍生訊號的樣態。

綜上所述，本發明之穩壓器與穩壓方法，能夠適應性地隨著輸出電流的改變來調整頻率響應，從而增加電壓調節（voltage regulation）的穩定性。

雖然本發明之實施例如上所述，然而該些實施例並非用來限定本發明，本技術領域具有通常知識者可依據本發明之明示或隱含之內容對本發明之技術特徵施以變化，凡此種種變化均可能屬於本發明所尋求之專利保護範疇，換言之，本發明之專利保護範圍須視本說明書之申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧穩壓器

110‧‧‧放大器

120‧‧‧可調式驅動前級

130‧‧‧驅動元件

132‧‧‧輸出端

140‧‧‧負回授電路

V_REF‧‧‧參考電壓

V_F‧‧‧負回授電壓

V_AMP‧‧‧放大器輸出訊號

S_I‧‧‧電流相依訊號

I_B‧‧‧偏壓電流

V_OUT‧‧‧輸出電壓

I_OUT‧‧‧輸出電流

V_IN‧‧‧電源電壓

R_L‧‧‧負載

C_L‧‧‧電容

R₁、R₂‧‧‧分壓電阻

210‧‧‧緩衝元件

220‧‧‧可調式電流源

410‧‧‧感測元件

420‧‧‧電流鏡

I_S‧‧‧感測電流

I_M‧‧‧鏡射電流

S510~S540‧‧‧步驟

［圖1］顯示本發明之穩壓器的一實施例； ［圖2］顯示圖1之可調式驅動前級的一實施例； ［圖3a］顯示圖2之緩衝元件的一實施例； ［圖3b］顯示圖2之緩衝元件的一實施例； ［圖4］顯示圖2之可調式電流源的一實施例；以及 ［圖5］顯示本發明之穩壓方法的一實施例。

Claims (6)

1. 一種穩壓器，包含：一放大器，用來依據一參考電壓與一負回授電壓產生一放大器輸出訊號；一可調式驅動前級(adaptive pre-driver)，用來依據該放大器輸出訊號與一電流相依訊號來產生一偏壓電流，其中該電流相依訊號隨著一輸出電流的變化而變化，從而該偏壓電流隨著該輸出電流之改變而改變，該可調式驅動前級包含：一緩衝元件，包含一第一端與一第二端，該第一端用來接收一電源電壓，該第二端耦接該放大器與該驅動元件，用來接收該放大器輸出訊號；以及一可調式電流源，耦接該第二端，該可調式電流源用來依據該電流相依訊號來控制該偏壓電流，其中該偏壓電流的至少一部分流過該緩衝元件；一驅動元件，用來依據該放大器輸出訊號輸出一輸出電壓與該輸出電流；以及一負回授電路，用來依據該輸出電壓產生該負回授電壓。
2. 如申請專利範圍第1項所述之穩壓器，其中該驅動元件是一PMOS電晶體。
3. 如申請專利範圍第1項所述之穩壓器，其中該緩衝元件是一二極體連接式金氧半導體(diode-connected MOS)元件或其等效元件。
4. 如申請專利範圍第1項所述之穩壓器，其中該可調式電流源包含：一感測元件，用來依據該電流相依訊號以產生一感測電流；以及一電流鏡，用來依據該感測電流產生一鏡射電流作為該偏壓電流。
5. 如申請專利範圍第4項所述之穩壓器，其中該電流相依訊號是該放大器輸出訊號。
6. 如申請專利範圍第1項所述之穩壓器，其中該輸出電流是相依於該輸出電壓與一內部電路的一等效阻抗，該輸出電壓是被輸出至該內部電路。