TWI667564B

TWI667564B - 電壓調節器

Info

Publication number: TWI667564B
Application number: TW105122980A
Authority: TW
Inventors: 遠藤大樹
Original assignee: 日商艾普凌科有限公司
Priority date: 2015-08-10
Filing date: 2016-07-21
Publication date: 2019-08-01
Also published as: JP6506133B2; KR20170018772A; KR102431407B1; JP2017037493A; CN106444954A; TW201710821A; US20170047836A1; CN106444954B; US9886045B2

Abstract

本發明提供一種電壓調節器，其具備無需分別調整限制電流與短路電流而可統一進行調整的過電流保護電路。本發明構成為：在具備輸出電流限制電路的過電流保護電路中，使從對輸出電流進行感測的電晶體所分配的電流根據所述輸出電晶體所輸出的電壓來變化，該分配之比由構成的元件的大小比來決定，所述輸出電流限制電路分配從對輸出電晶體的輸出電流進行感測的電晶體所供給的電流，並藉由該分配的電流來控制輸出電晶體的閘極電壓以限制輸出電流。

Description

電壓調節器

本發明是有關於一種電壓調節器（voltage regulator），特別是有關於一種具備過電流保護電路的電壓調節器。

在電壓調節器的過電流保護電路中，有輸出的電流-電壓特性呈下降特性的過電流保護電路（下降型過電流保護電路）與呈折返特性的過電流保護電路（折返型過電流保護電路）。

下降型過電流保護電路例如專利文獻1所示，對流經電壓調節器的輸出電晶體（transistor）的電流進行限制，以使其不超過規定電流。流經輸出電晶體的經限制的電流（以下亦稱作「限制電流」）會因製造步驟而產生偏差，因此使接受對輸出電流進行感測（sense）的感測電晶體所流出的電流的電阻包含多個電阻元件，藉由對其進行修整（trimming）來調整電阻值，從而將限制電流設定為所需的值。

另一方面，折返型過電流保護電路是用於防止因電壓調節器的輸出端子對接地端子短路時產生的過大損失引起的積體電路（Integrated Circuit，IC）破損的電路，例如，如專利文獻2所示，當有一定值以上的電流流經電壓調節器的輸出電晶體時，開始電流限制，伴隨輸出電壓的下降，使輸出電流積極地減少。另外，將在輸出端子對接地端子短路時流經輸出電晶體的電流稱作「短路電流」。在折返型過電流保護電路中，亦與所述下降型過電流保護電路同樣，使接受感測電晶體所流出的電流的電阻包含多個電阻元件，藉由對其進行修整來調整電阻值，從而將短路電流設定為所需的值。 [現有技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]日本專利特開2003-29856號公報 [專利文獻2]日本專利特公平7-74976號公報 [發明所欲解決之問題]

以往的電壓調節器中，為了藉由過電流保護電路來獲得下降特性與折返特性這兩者，必需使專利文獻1所揭示的下降型過電流保護電路與專利文獻2所揭示的折返型過電流保護電路併存。然而，如上所述，以往的下降型過電流保護電路及折返型過電流保護電路中，為了針對製造步驟上的偏差而將限制電流及短路電流設計定為所需的值，必需使兩保護電路內的調整用電阻分別包含多個電阻元件，因此存在晶片大小（chip size）增大的問題。

因此，本發明的目的在於解決如上所述的問題，提供一種電壓調節器，其具備無需分別調整限制電流與短路電流而可統一進行調整的過電流保護電路。 [解決問題之手段]

為了解決所述問題，本發明的電壓調節器包括：輸出電晶體；第1誤差放大電路，將分壓電壓與基準電壓之差進行放大並輸出，且控制所述輸出電晶體的閘極（gate），所述分壓電壓是對所述輸出電晶體輸出的電壓進行分壓所得的；以及過電流保護電路，檢測過電流流經所述輸出電晶體的情況，並限制所述輸出電晶體的電流，所述過電流保護電路包括：第1電晶體，藉由所述第1誤差放大電路的輸出電壓而受到控制，對所述輸出電晶體的輸出電流進行感測；第2電晶體，將源極（source）接地，並將閘極與汲極（drain）連接於所述第1電晶體的汲極；第3電晶體，將汲極連接於所述第1電晶體的汲極；第1電阻，連接於所述第3電晶體的源極；第4電晶體，將源極接地，將閘極連接於所述第2電晶體的閘極與汲極，並將汲極經由所述第1電阻而連接於所述第3電晶體的源極；第5電晶體，將源極接地，並將閘極連接於所述第2電晶體的閘極與汲極；電壓控制電壓源，控制所述第3電晶體的閘極，以使所述輸出電晶體輸出的電壓與對所述第1電阻施加的電壓變得相等；以及電流鏡（current mirror）電路，輸出與流經所述第5電晶體的電流成比例的電流，且所述電壓調節器更包括：輸出電流限制電路，藉由所述電流鏡電路輸出的電流，來控制所述輸出電晶體的閘極電壓。 [發明的效果]

根據本發明的具備過電流保護電路的電壓調節器，可根據第2電晶體與第4電晶體的大小比來決定限制電流與短路電流之比。因此，對於因製造步驟上的偏差引起的限制電流及短路電流的變動，只要對一個電阻進行修整即可，即，可統一進行調整，因而，可抑制晶片大小的增大。

以下，參照圖式來說明本發明的實施形態。 [實施形態1] 圖1是本發明的第1實施形態的具備過電流保護電路的電壓調節器的電路圖。第1實施形態的電壓調節器具有電源端子101、輸出端子102、基準電壓電路103、誤差放大器（error amplifier）（誤差放大電路）104、P通道金屬氧化物半導體（P-channel Metal Oxide Semiconductor，PMOS）電晶體（輸出電晶體）105、分壓電路106以及過電流保護電路200。

輸出電晶體105的閘極連接於誤差放大器104的輸出端子，源極連接於電源端子101，汲極連接於輸出端子102。輸出端子102連接於分壓電路106。分壓電路106的輸出端子連接於誤差放大器104的非反相輸入端子。在誤差放大器104的反相輸入端子上，連接有基準電壓電路103的輸出端子。

藉由以上結構，誤差放大器104對分壓電路106的輸出端子電壓與基準電壓電路103的電壓進行比較，並驅動輸出電晶體105，以使分壓電路106的輸出端子電壓變得與基準電壓電路103的電壓相等，藉此將輸出端子102控制為定電壓。

接下來，對過電流保護電路200進行說明。過電流保護電路200具備：PMOS電晶體122、PMOS電晶體123、PMOS電晶體124及PMOS電晶體126，NMOS電晶體130、NMOS電晶體131、NMOS電晶體132、NMOS電晶體134及NMOS電晶體136，電阻125、電阻133及電阻137，以及誤差放大器140。

PMOS電晶體122的閘極連接於誤差放大器104的輸出端子，源極連接於電源端子101。NMOS電晶體131的閘極及汲極連接於PMOS電晶體122的汲極，源極連接於接地端子。NMOS電晶體132的閘極連接於NMOS電晶體131的閘極及汲極，源極連接於接地端子。PMOS電晶體123的閘極及汲極連接於NMOS電晶體132的汲極，源極連接於電源端子101。PMOS電晶體124的閘極連接於PMOS電晶體123的閘極及汲極，源極連接於電源端子101。電阻133的一端連接於PMOS電晶體124的汲極，另一端子連接於接地端子。NMOS電晶體134的閘極連接於電阻133的一端與PMOS電晶體124的汲極，源極連接於接地端子。電阻125的一端連接於NMOS電晶體134的汲極，另一端連接於電源端子101。PMOS電晶體126的閘極連接於電阻125的一端與NMOS電晶體134的汲極，源極連接於電源端子101，汲極連接於誤差放大器104的輸出端子。NMOS電晶體136的汲極連接於PMOS電晶體122的汲極，閘極連接於誤差放大器140的輸出端子，源極連接於電阻137的一端。誤差放大器140的非反相輸入端子連接於輸出端子102，反相輸入端子連接於NMOS電晶體136的源極與電阻137的一端。電阻137的另一端連接於NMOS電晶體130的汲極。NMOS電晶體130的閘極連接於NMOS電晶體131的閘極及汲極，源極連接於接地端子。

另外，由誤差放大器140構成電壓控制電壓源201，由NMOS電晶體131及NMOS電晶體132構成電流鏡電路202，由PMOS電晶體123及PMOS電晶體124構成電流鏡電路203，由電阻125、PMOS電晶體126、電阻133及NMOS電晶體134構成輸出電流限制電路204。

接下來，對過電流保護電路200的動作進行說明。PMOS電晶體122是與輸出電晶體105共閘極及源極，因此從汲極流出與輸出電晶體105對負載供給的電流成比例的電流。從PMOS電晶體122的汲極流出的電流被分配給並聯連接的NMOS電晶體131與NMOS電晶體136。

誤差放大器140對輸出端子102的電壓與電阻137產生的電壓進行比較，並控制NMOS電晶體136的閘極電壓，以使輸出端子102的電壓與NMOS電晶體136的源極電壓變得相等。

此處考慮下述情況：在有過電流流經輸出端子102的狀態下，輸出端子102的電壓高。由於輸出端子102的電壓高，因此NMOS電晶體136控制閘極電壓，以使電流流經而提高源極電壓。由於電阻137與NMOS電晶體130為串聯連接，因此藉由包含NMOS電晶體130、131的電流鏡電路，來決定流經電阻137的電流。若將NMOS電晶體130與NMOS電晶體131的電晶體大小比設為n：1，則從PMOS電晶體122的汲極流出的電流以n：1分配給NMOS電晶體130與NMOS電晶體131。即，輸出電流-電壓特性呈現出下降特性。

接下來考慮下述情況：因流經輸出端子102的過電流，輸出端子102的電壓下降。NMOS電晶體136控制閘極電壓以使源極電壓變低。流經NMOS電晶體130的電流因輸出端子102的電壓的下降，而由施加至電阻137的電壓（輸出端子102的電壓）與電阻137的電阻值限制。假定輸出端子102對接地端子短路時流經NMOS電晶體130的電流充分小於流經NMOS電晶體131的電流而可忽視，則從PMOS電晶體122流至NMOS電晶體131的電流的分配比增加至n+1。流經NMOS電晶體130的電流的減少是因電阻137的電阻值和與輸出端子102的電壓相等的對電阻137施加的電壓的下降所引起的變化，因此相對於輸出端子102的電壓呈線性的變化。即，輸出電流-電壓特性呈現出折返特性。

流經NMOS電晶體131的電流藉由電流鏡電路202與電流鏡電路203，作為與流經PMOS電晶體122的電流成比例的電流而施加至電阻133。電阻133產生的電壓由包含電阻125及NMOS電晶體134的源極接地放大電路予以放大，驅動PMOS電晶體126，以限制流經輸出電晶體105的電流。

在過電流保護電路200對流經輸出電晶體105的電流進行限制時電阻133產生的電壓不取決於輸出端子102的電壓而為固定。此處，為了簡化說明，假定PMOS電晶體123、124及NMOS電晶體131、132的電晶體大小比相等。流經電阻133的電流是由電流鏡電路202及電流鏡電路203來供給，因此過電流保護電路200對流經輸出電晶體105的電流進行限制時流經NMOS電晶體131的電流亦為固定。流經NMOS電晶體131的電流是從自PMOS電晶體122的汲極流出的電流分配的電流。在輸出端子102對接地端子短路的情況下與輸出端子102的電壓高的情況下，該分配為n+1：1。由於過電流保護電路200對流經輸出電晶體105的電流進行限制時的流經NMOS電晶體131的電流為固定，因此從PMOS電晶體122的汲極流出的電流在輸出端子102對接地端子短路的情況下與輸出端子102的電壓高的情況下，為1：n+1。由於PMOS電晶體122是與流經輸出電晶體105的電流成比例的電流，因此流經輸出電晶體105的經限制的電流在輸出端子102對接地端子短路的情況下與輸出端子102的電壓高的情況下，為1：n+1。

根據以上所述，過電流保護電路200中，限制電流與短路電流之比是由構成元件的大小比，即NMOS電晶體130與NMOS電晶體131的大小比來決定，因此它們的值的調整可統一進行。

圖2是表示本實施形態的電壓調節器100的輸出電流（負載電流）IOUT與輸出電壓VOUT的關係的圖表。輸出電晶體105所流出的負載電流IOUT對應於輸出端子102的電壓即輸出電壓VOUT的下降而減少，輸出端子102對接地端子短路時流經的短路電流與限制電流之比可根據構成元件的大小比而決定為1：n+1。

而且，對於針對製造步驟上的偏差的、限制電流及短路電流的調整，只要僅對輸出電流限制電路204內的電阻133的電阻值進行修整便可實現調整。因此，相對於以往需要可對下降型過電流保護電路與折返型過電流保護電路分別進行調整的電阻，即，需要兩個可調整的電阻而言，根據本實施形態，只要有一個可調整的電阻，便可實現針對製造步驟上的偏差的、限制電流及短路電流的調整。因而，可抑制晶片大小的增大。

[實施形態2] 圖3是本發明的第2實施形態的具備過電流保護電路300的電壓調節器100a的電路圖。第2實施形態的過電流保護電路300是將第1實施形態中的包含連接於NMOS電晶體136的誤差放大器140的電壓控制電壓源201，替換為包含電流源121與NMOS電晶體135的電壓控制電壓源301而構成。其他結構與圖1所示的過電流保護電路200同樣，因此對於相同的構成要素標註相同的符號，並適當省略重複說明。

電流源121的一端連接於電源端子101，另一端連接於NMOS電晶體135的汲極及閘極。NMOS電晶體135的源極連接於輸出端子102。NMOS電晶體136的閘極連接於NMOS電晶體135的閘極及汲極。

接下來，對過電流保護電路300的動作進行說明。對於NMOS電晶體136的閘極，施加有經連接於電源端子101與輸出端子102之間的、電流源121與NMOS電晶體135而分壓的電壓。NMOS電晶體135的閘極與汲極短路，因此對於NMOS電晶體136的閘極，施加比輸出端子102高出NMOS電晶體135的臨限值電壓的電壓。而且，對於與NMOS電晶體136的源極連接的電阻137，施加比對NMOS電晶體136的閘極施加的電壓低了NMOS電晶體136的臨限值電壓的電壓。因此，在NMOS電晶體135及NMOS電晶體136為同一結構的元件的情況下，對於電阻137施加與輸出端子102相等的電壓。其他動作與本發明的第1實施形態的過電流保護電路200同樣。

[實施形態3]

圖4是本發明的第3實施形態的具備過電流保護電路400的電壓調節器100b的電路圖。

第3實施形態的過電流保護電路400是使第2實施形態中的包含電流源121與NMOS電晶體135的電壓控制電壓源301，由將電流源121替換為PMOS電晶體127的電壓控制電壓源401構成。其他結構與圖1所示的過電流保護電路200同樣，因此對於相同的構成要素標註相同的符號，並適當省略重複說明。

PMOS電晶體127的閘極連接於輸出電晶體105的閘極，源極連接於電源端子101，汲極連接於NMOS電晶體135的閘極及汲極。

接下來，對過電流保護電路400的動作進行說明。PMOS電晶體127是與輸出電晶體105共閘極及源極，因此從汲極流出與輸出電晶體105對負載供給的電流成比例的電流。因此，可抑制輸出端子102的電壓上升，所述輸出端子102的電壓上升是因輸出電晶體105無需對負載供給電流的輕負載驅動時的、連接於電源端子101與輸出端子102之間的元件所流出的電流而引起的。其他動作與本發明的第1實施形態及第2實施形態的過電流保護電路200及過電流保護電路300同樣。

第2實施形態及第3實施形態的電壓調節器的輸出電流（負載電流）IOUT與輸出電壓VOUT的關係與圖2所示的圖表同樣。因此，在第2實施形態及第3實施形態的電壓調節器100a及電壓調節器100b中，亦可獲得與藉由第1實施形態的電壓調節器100所獲得的所述效果同樣的效果。

100、100a、100b‧‧‧電壓調節器

101‧‧‧電源端子

102‧‧‧輸出端子

103‧‧‧基準電壓電路

104、140‧‧‧誤差放大器

105‧‧‧輸出電晶體（PMOS電晶體）

106‧‧‧分壓電路

121‧‧‧電流源

122、123、124、126、127‧‧‧PMOS電晶體

125、133、137‧‧‧電阻

130、131、132、134、135、136‧‧‧NMOS電晶體

200、300、400‧‧‧過電流保護電路

201、301、401‧‧‧電壓控制電壓源

202、203‧‧‧電流鏡電路

204‧‧‧輸出電流限制電路

IOUT‧‧‧輸出電流（負載電流）

VOUT‧‧‧輸出電壓

圖1是本發明的第1實施形態的具備過電流保護電路的電壓調節器的電路圖。圖2是表示本發明的實施形態的具備過電流保護電路的電壓調節器的輸出電流-電壓特性的圖表。圖3是本發明的第2實施形態的具備過電流保護電路的電壓調節器的電路圖。圖4是本發明的第3實施形態的具備過電流保護電路的電壓調節器的電路圖。

Claims

一種電壓調節器，包括：輸出電晶體；第1誤差放大電路，將分壓電壓與基準電壓之差進行放大並輸出，且控制所述輸出電晶體的閘極，所述分壓電壓是對所述輸出電晶體輸出的電壓進行分壓所得的；以及過電流保護電路，檢測過電流流經所述輸出電晶體的情況，並限制所述輸出電晶體的電流，所述過電流保護電路包括：第1電晶體，藉由所述第1誤差放大電路的輸出電壓而受到控制，對所述輸出電晶體的輸出電流進行感測；第2電晶體，將源極接地，並將閘極與汲極連接於所述第1電晶體的汲極；第3電晶體，將汲極連接於所述第1電晶體的汲極；第1電阻，連接於所述第3電晶體的源極；第4電晶體，將源極接地，將閘極連接於所述第2電晶體的閘極與汲極，並將汲極經由所述第1電阻而連接於所述第3電晶體的源極；第5電晶體，將源極接地，並將閘極連接於所述第2電晶體的閘極與汲極；電壓控制電壓源，控制所述第3電晶體的閘極，以使所述輸出電晶體輸出的電壓與對所述第1電阻施加的電壓變得相等；以及電流鏡電路，輸出與流經所述第5電晶體的電流成比例的電流，且所述電壓調節器更包括：輸出電流限制電路，藉由所述電流鏡電路輸出的電流，來控制所述輸出電晶體的閘極電壓。
如申請專利範圍第1項所述的電壓調節器，其中所述電壓控制電壓源包含第2誤差放大電路，所述第2誤差放大電路對所述輸出電晶體輸出的電壓與施加至所述第1電阻的電壓之差進行放大並輸出，且控制所述第3電晶體的閘極。
如申請專利範圍第1項所述的電壓調節器，其中所述電壓控制電壓源包含：第6電晶體，將源極連接於所述輸出電晶體的輸出，並將閘極與汲極連接於所述第3電晶體的閘極；以及第1電流源，對所述第6電晶體的閘極與汲極供給定電流。
如申請專利範圍第3項所述的電壓調節器，其中所述第1電流源包含第7電晶體，所述第7電晶體是藉由所述第1誤差放大電路的輸出電壓而受到控制，且對所述輸出電晶體的輸出電流進行感測。
如申請專利範圍第1項所述的電壓調節器，其中所述電流鏡電路包含：第8電晶體，將源極連接於電源端子，並將閘極與汲極連接於所述第5電晶體的汲極；以及第9電晶體，將源極連接於電源端子，將閘極連接於所述第8電晶體的閘極與汲極，並從汲極輸出電流。
如申請專利範圍第1項至第5項中任一項所述的電壓調節器，其中所述輸出電流限制電路包含：第2電阻，將所述電流鏡電路的輸出電流轉換為電壓；第10電晶體，將源極接地，在閘極輸入所述第2電阻所產生的電壓；第3電阻，將從所述第10電晶體的汲極輸出的電流轉換為電壓；以及第11電晶體，將源極連接於電源端子，在閘極輸入所述第3電阻產生的電壓，並將汲極連接於所述輸出電晶體的閘極。