TWI683511B - 電壓調節器 - Google Patents

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    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
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    • G05F1/46—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc
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    • 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
    • G—PHYSICS
    • 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
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Abstract

本發明提供一種電壓調節器，其電路結構簡便，保護電路不會引起誤動作，且直至保護電路啟動為止的延遲時間短。所述電壓調節器構成為包括：保護電路，在檢測到電壓調節器的異常時，控制輸出電晶體；第一定電流電路，對保護電路供給動作電流；以及檢測電路，對流經輸出電晶體的輸出電流進行檢測，並控制第一定電流電路，檢測電路以規定的基準電流值來檢測輸出電流，保護電路控制輸出電晶體，以使輸出電流不會低於基準電流值。

Description

電壓調節器
本發明是有關於一種電壓調節器(voltage regulator)，更詳細而言，本發明是有關於一種在輕負載時停止動作的低消耗電流的保護電路。
圖5表示習知的具備保護電路的電壓調節器的電路圖。
習知的電壓調節器具備：基準電壓電路101、誤差放大器(error amplifier)102、P通道金屬氧化物半導體(P channel Metal Oxide Semiconductor，PMOS)電晶體(transistor)106、電阻107及電阻108、PMOS電晶體104、定電流電路105、電阻111、電容112、保護電路103及其定電流電路113、VDD端子109、VSS端子100以及輸出端子110。
PMOS電晶體104與定電流電路105構成進行輸出電流的檢測的輸出電流檢測電路。當輸出端子110上連接有重負載而輸出電流大時，輸出電流檢測電路輸出檢測信號。當輸出檢測信號時，使定電流流經定電流電路113而使保護電路103接通(ON)。並且，保護電路103輸出與檢測信號相應的規定信號。當輸出端子110上連接有輕負載而輸出電流小時，輸出電流檢測 電路停止定電流電路113的電流而使保護電路103關閉(OFF)。因而，電壓調節器在輕負載時，消耗電流少。
構成低通濾波器(low pass filter)的電阻111與電容112在電源電壓的變動大時，防止保護電路103發生誤動作。
現有技術文獻 專利文獻
專利文獻1：日本專利特開2011-242945號公報
習知的具備保護電路的電壓調節器在輕負載時，停止定電流電路113的電流而使保護電路103的動作停止，因此存在反覆進行保護電路103的接通控制與關閉控制的問題。在輕負載時使保護電路103關閉的控制可藉由電阻111與電容112的低通濾波器來延遲，因此，若在此期間，保護電路103的輸出變為解除PMOS電晶體106斷開的邏輯，則可避免前述反覆的發生。
然而，對於低通濾波器的延遲時間，在由輕負載急遽變化為重負載的情況下，保護電路103必須快速開始動作時，作為直至定電流電路113的啟動開始為止的時間，會導致前述的延遲進一步增大。因而，在由輕負載急遽變化為重負載的情況下，保護電路103的動作開始會因定電流電路113的啟動時間而相應地延遲。
習知的具備僅使用低通濾波器的保護電路的電壓調節器中，對於該課題的解決與保護電路103的動作開始的延遲採取 折衷(trade off)手段，並非根本性的解決手段。
本發明是鑒於所述問題而完成，提供一種電壓調節器，其電路結構簡便，保護電路不會引起誤動作，且直至保護電路啟動為止的延遲時間短。
為了解決習知的課題，本發明的電壓調節器採用了如下所述的結構。
構成為包括：保護電路，在檢測到電壓調節器的異常時，控制輸出電晶體；第一定電流電路，對保護電路供給動作電流；以及檢測電路，對流經輸出電晶體的輸出電流進行檢測，並控制第一定電流電路，檢測電路以規定的基準電流值來檢測輸出電流，保護電路控制輸出電晶體，以使輸出電流不會低於基準電流值。
本發明的電壓調節器可進行調整，以使檢測到重負載時流經輸出電晶體的輸出電流不會成為檢測電流以下，因此保護電路不會引起誤動作，且可縮短直至保護電路啟動為止的時間。
100‧‧‧VSS端子(電源端子)
101‧‧‧基準電壓電路
102‧‧‧誤差放大器
103、203‧‧‧保護電路
104、106、209、213、214、403‧‧‧PMOS電晶體
105、113‧‧‧定電流電路
107、108‧‧‧分壓電阻(電阻)
109‧‧‧VDD端子
110‧‧‧輸出端子
111、401‧‧‧電阻
112、402‧‧‧電容
210‧‧‧開關
212‧‧‧檢測部
400‧‧‧升壓電路
404‧‧‧電流鏡電路
405、406‧‧‧NMOS電晶體
圖1是本實施形態的電壓調節器的電路圖。
圖2是表示本實施形態的電壓調節器的另一例的電路圖。
圖3是表示本實施形態的電壓調節器的另一例的電路圖。
圖4是表示本實施形態的電壓調節器的另一例的電路圖。
圖5是習知的電壓調節器的電路圖。
圖1是本實施形態的電壓調節器的電路圖。本實施形態的電壓調節器中，為了消除在輕負載時停止保護電路103的動作時發生的反覆的誤動作，保護電路203使PMOS電晶體106進行工作，以在不低於PMOS電晶體104與定電流電路105對輸出電流檢測的臨限值的範圍內將輸出電流抑制得小。
本實施形態的電壓調節器包含基準電壓電路101、誤差放大器102、輸出電晶體106、分壓電阻107及分壓電阻108、保護電路203、第一定電流電路113、PMOS電晶體104以及第二定電流電路105。保護電路203包含檢測部212、成為輸出部的PMOS電晶體213以及PMOS電晶體214。
輸出電晶體106的汲極(drain)連接於輸出端子110，源極(source)連接於VDD端子109，閘極(gate)連接於誤差放大器102的輸出。分壓電阻107及分壓電阻108串聯連接於輸出端子110與電源端子(VSS端子)100之間。誤差放大器102的非反相輸入端子上連接有電阻107與電阻108的接點，反相輸入端子上連接有基準電壓電路101的輸出。PMOS電晶體104的汲極 連接於第二定電流電路105，源極連接於VDD端子109，閘極連接於誤差放大器102的輸出。第二定電流電路105的另一端連接於VSS端子100。保護電路203與第一定電流電路113串聯連接於VDD端子109與VSS端子100之間。保護電路203的輸出連接於輸出電晶體106的閘極。
檢測部212的輸出端子連接於PMOS電晶體214的閘極。PMOS電晶體213的源極連接於VDD端子109，閘極與汲極連接於PMOS電晶體214的源極。PMOS電晶體214的汲極連接於誤差放大器102的輸出。
保護電路203的功能例如為過電流保護、衝擊電流限制或過熱保護等。在過電流保護的情況下，檢測部212對流經輸出電晶體106的輸出電流Iout進行檢測。在衝擊電流限制的情況下，檢測部212對VDD端子109的電源電壓的上升進行檢測。在過熱保護的情況下，對伴隨輸出電晶體106中的損失的發熱進行檢測。
接下來，對本實施形態的電壓調節器的動作進行說明。
將反饋電壓(feedback voltage)Vfb輸入至誤差放大器102，所述反饋電壓Vfb是利用分壓電阻107及分壓電阻108來對基準電壓電路101所輸出的基準電壓Vref與輸出端子110的輸出電壓進行分壓所得。誤差放大器102以將輸入的誤差放大所得的電壓來控制輸出電晶體106的閘極，輸出電壓Vout為固定。第一定電流電路113使動作電流流經保護電路203。PMOS電晶體104將流經輸出電晶體106的輸出電流Iout作為電流鏡(current mirror) 而使電流Isens流動。第二定電流電路105使電流Iref流動。PMOS電晶體104與第二定電流電路105構成對輸出電流Iout的電流進行檢測的輸出電流檢測電路。過電流檢測電路對電流Isens與電流Iref進行比較，並在輸出電流Iout相對於規定電流而較大的情況下輸出過電流檢測信號。第一定電流電路113在收到過電流檢測信號時使電流流動以使保護電路203動作，在未收到過電流檢測信號時停止電流而使保護電路203停止。保護電路203在停止時，輸出高阻抗(high impedance)以使輸出電晶體106可動作。
此處，檢測電流Iact是成為藉由PMOS電晶體104與第二定電流電路105來進行檢測時的基準的電流，且由下式表示：Iact=Iout/Isens×Iref
保護電路203控制輸出電晶體106，以維持過電流檢測電路對過電流進行檢測的狀態。即，控制為：維持Iout>Iact，且使輸出電流Iout儘可能減少至檢測電流Iact附近為止。並且，使檢測電流Iact充分減小，以免對保護電路203發揮保護功能造成問題。例如，在過電流保護或衝擊電流限制的情況下，使檢測電流Iact充分小於原本欲限制的電流。而且，在過熱保護的情況下，使檢測電流Iact減小，以使即便有檢測電流Iact的電流流經，內部發熱亦可被抑制為數℃左右。
接下來，對下述方法進行說明，即，當保護電路203控 制輸出電晶體106時，以輸出電流Iout不會低於檢測電流Iact的方式進行控制。
PMOS電晶體213與PMOS電晶體214串聯連接於VDD端子109與輸出電晶體106的閘極之間。串聯連接的順序亦可與圖1所示的示例相反。PMOS電晶體214連接於輸出電晶體106的閘極而使該節點的電壓上升，但輸出電晶體106的閘極與源極之間電壓殘留與PMOS電晶體213的汲極與源極之間電壓相應的量。藉此，流經輸出電晶體106的輸出電流可進行調整，以免成為檢測電流Iact以下。
如以上所說明般，根據本實施形態的電壓調節器，檢測到重負載時流經輸出電晶體106的輸出電流可進行調整，以免成為檢測電流Iact以下，因此對保護電路203的動作/停止進行控制的電路不需要低通濾波器。因而，輸出電流由輕負載變化為重負載時的檢測響應變快。
圖2是表示本實施形態的電壓調節器的另一例的電路圖。
圖2的電壓調節器中，藉由使輸出電流Iout檢測的臨限值具備遲滯(hysteresis)，從而進一步降低自輸出電流大的狀態變小時的臨限值，藉此，保護電路203可將流經PMOS電晶體104的輸出電流抑制得小。
圖2的電壓調節器追加有與PMOS電晶體104並聯的PMOS電晶體209，並且在PMOS電晶體104的汲極與PMOS電 晶體209的汲極之間追加有開關210。開關210在輸出電流Iout小的時候關閉，在檢測到輸出電流Iout變大時接通。並且，在檢測到輸出電流Iout變小時關閉。
當將流經PMOS電晶體209的電流設為Isens2時，開關210接通時與關閉時的各檢測電流Iact1與檢測電流Iact2由下式表示：Iact1=Iout/(Isens+Isens2)×Iref Iact2=Iout/Isens×Iref
輸出電流Iout小的時候，以檢測電流Iact2來檢測輸出電流Iout。當輸出電流Iout變得大於檢測電流Iact2時，開關210接通。因而，輸出電流Iout大的時候，以檢測電流Iact1來進行檢測。即，採用下述結構：使輸出電流Iout檢測的臨限值具備遲滯，從而可將檢測電流Iact1設定得小。藉此，在藉由保護電路203來使流經輸出電晶體106的電流減少至檢測電流Iact為止時，只要不會成為更輕的負載，便不會停止保護電路203，因此可進一步防止前述的反覆引起的誤動作。
圖3是表示本實施形態的電壓調節器的另一例的電路圖。
圖3的電壓調節器是使輸出電流Iout檢測的臨限值具備遲滯的另一結構例。以此方式構成亦可獲得與圖2的電壓調節器同樣 的效果。
圖4是表示本實施形態的電壓調節器的另一例的電路圖。
圖4的電壓調節器對輸出電流Iout自輕負載變為重負載的瞬間進行檢測，並使用於使保護電路203動作的定電流電路113的電流暫時增大，藉此來使檢測後的保護電路203的動作高速化。
圖4的電壓調節器更具備升壓(boost)電路400。升壓電路400具備PMOS電晶體403、構成電流鏡電路404的N通道金屬氧化物半導體(N channel Metal Oxide Semiconductor，NMOS)電晶體405及NMOS電晶體406、構成高通濾波器(high pass filter)的電阻401、電容402。
電阻401的一端連接於VDD端子109，另一端連接於電容402的一端。電容402的另一端連接於誤差放大器102的輸出。PMOS電晶體403的源極連接於VDD端子109，閘極連接於高通濾波器的輸出端子即電阻401與電容402的連接點。NMOS電晶體405的汲極及閘極連接於PMOS電晶體403的汲極，源極連接於VSS端子100。NMOS電晶體406的閘極連接於NMOS電晶體405的閘極及汲極，汲極連接於第一定電流電路113，源極連接於VSS端子100。
接下來，對圖4的電壓調節器的動作進行說明。基本動作與圖1的電壓調節器相同。
當自Iout<Iact的輕負載時急遽變化為Iout>Iact的重負載 時，使保護電路203動作的第一定電流電路113由停止狀態開始啟動。然而，直至第一定電流電路113啟動為止會產生延遲時間。因此，藉由使用升壓電路400來使第一定電流電路113高速上升，從而縮短直至保護電路203啟動為止的延遲時間。
升壓電路400利用高通濾波器，根據誤差放大器102的輸出信號來對急遽變化為重負載的情況進行檢測。並且，藉由暫時使電流流經與第一定電流電路113並聯連接的電流路徑(path)，從而使保護電路203的動作高速。即，可縮短直至保護電路203啟動為止的延遲時間。
另外，以根據誤差放大器102的輸出信號來對急遽變化為重負載的情況進行檢測的結構對升壓電路400進行了說明，但只要可對急遽變化為重負載的情況進行檢測，則並不限定於該結構。
而且，在第一定電流電路113連接於VDD端子109的情況下，只要將PMOS電晶體403的汲極直接連接於第一定電流電路113即可，不需要電流鏡電路404。
如以上所說明般，本發明的電壓調節器的保護電路203採用了下述結構，即，在檢測到應保護的狀態時，控制輸出電晶體106以使其不會完全關閉，因此不會引起保護電路203反覆進行動作與停止的誤動作，且可縮短直至保護電路203啟動為止的時間。
另外，對增強電路400附加於圖1的電路的結構進行了說明， 但附加於圖2或圖3的電路亦可獲得同樣的效果。
100‧‧‧VSS端子
101‧‧‧基準電壓電路
102‧‧‧誤差放大器
104、106、213、214‧‧‧PMOS電晶體
105、113‧‧‧定電流電路
107、108‧‧‧分壓電阻(電阻)
109‧‧‧VDD端子
110‧‧‧輸出端子
203‧‧‧保護電路
212‧‧‧檢測部

Claims (4)

  1. 一種電壓調節器，其藉由基準電壓與反饋電壓的誤差放大來控制輸出電晶體，並輸出規定的輸出電壓，所述電壓調節器的特徵在於包括：保護電路，在檢測到所述電壓調節器的異常時，控制所述輸出電晶體；第一定電流電路，對所述保護電路供給動作電流；以及檢測電路，對流經所述輸出電晶體的輸出電流進行檢測，並控制所述第一定電流電路，所述檢測電路以規定的基準電流值來檢測所述輸出電流，所述保護電路控制所述輸出電晶體，以使所述輸出電流不會低於所述基準電流值，所述保護電路包括：檢測部，檢測所述電壓調節器的異常；以及第一電晶體與第二電晶體，串聯連接於所述輸出電晶體的閘極與源極之間，當所述第二電晶體根據所述檢測部的輸出而接通時，所述輸出電晶體的閘極與源極之間電壓殘留與所述第一電晶體的汲極與源極之間電壓相應的量。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的電壓調節器，其中所述檢測電路包括：第三電晶體及第二定電流電路，串聯連接於所述輸出電晶體 的源極與電源端子之間；以及與所述第三電晶體並聯的第四電晶體及開關，對於所述規定的基準電流值，控制所述開關，以使自所述輸出電流大的狀態變小時的第二基準電流值小於自所述輸出電流小的狀態變大時的第一基準電流值。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的電壓調節器，其中所述檢測電路包括：第三電晶體及第二定電流電路，串聯連接於所述輸出電晶體的源極與電源端子之間；以及與所述第二定電流電路並聯的第三定電流電路及開關，對於所述規定的基準電流值，控制所述開關，以使自所述輸出電流大的狀態變小時的第二基準電流值小於自所述輸出電流小的狀態變大時的第一基準電流值。
  4. 如申請專利範圍第1項至第3項中任一項所述的電壓調節器，更包括：升壓電路，對急遽變化為重負載的情況進行檢測，並根據所述檢測來使所述保護電路的動作電流增大。
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