TWI698731B - 電壓調節器 - Google Patents
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Abstract
本發明提供實現了抑制限制電流的不均的電壓調節器。本發明的電壓調節器包括：第1差動放大電路，將基於輸出電壓的電壓與基準電壓進行比較而輸出第1電壓；第2差動放大電路，將第1電壓與第2電壓進行比較而輸出第3電壓；第1電晶體，在其閘極接收第3電壓，且在其汲極生成輸出電壓；第2電晶體，其閘極與第1電晶體共用連接，相對於第1電晶體具有規定的尺寸比；以及電壓生成部，一端連接於第2電晶體的汲極，且在所述一端生成第2電壓。
Description
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功能的電壓調節器。
圖4表示習知的電壓調節器300的電路圖。 習知的電壓調節器300具備：電源端子301、接地端子302、基準電壓源310、誤差放大電路311、電阻312、電阻317、電阻318、電阻319、N型金氧半導體（N-channel metal oxide semiconductor，NMOS）電晶體316、及P型金氧半導體（P-channel metal oxide semiconductor，PMOS）電晶體313、PMOS電晶體314、PMOS電晶體315、以及輸出端子320。
PMOS電晶體315的源極連接於電源端子301，汲極連接於輸出端子320及電阻318的一端。電阻318的另一端連接於電阻319的一端及誤差放大電路311的非反相輸入端子。電阻319的另一端連接於接地端子302。PMOS電晶體314的源極連接於電源端子301，汲極連接於電阻317的一端及NMOS電晶體316的閘極。PMOS電晶體313的源極連接於電源端子301，汲極連接於PMOS電晶體315的閘極、PMOS電晶體314的閘極及誤差放大電路311的輸出。電阻312的一端連接於電源端子301，另一端連接於PMOS電晶體313的閘極與NMOS電晶體316的汲極。誤差放大電路311的反相輸入端子連接於基準電壓源310的一端。基準電壓源310的另一端連接於接地端子302。NMOS電晶體316的源極連接於接地端子302。
所述習知的電壓調節器300中，利用包含誤差放大電路311、PMOS電晶體315及電阻318、電阻319的負反饋電路，以電阻319的一端的電壓與基準電壓源310的電壓VREF相等的方式動作。
若自該狀態起，對連接於輸出端子320的負載（未圖示）的電流增加，則PMOS電晶體315的汲極電流I1增加，相對於PMOS電晶體315包含規定的尺寸比的PMOS電晶體314的汲極電流I2亦增加。電流I2被供給至電阻317而在電阻317的一端生成電壓Vx。電壓Vx增加而超過NMOS電晶體316的臨限值後，NMOS電晶體316導通而產生汲極電流。被供給NMOS電晶體316的汲極電流的電阻312的另一端的電壓下降而使PMOS電晶體313導通。伴隨PMOS電晶體313的導通而PMOS電晶體315的閘極電壓上升，從而限制該汲極電流I1。
此處，若將電阻317的電阻值設為R1，PMOS電晶體315、PMOS電晶體314的尺寸比設為K，NMOS電晶體316的臨限值電壓設為｜VTHN｜，則電流I1的限制電流I1m由式（1）表示。
如此，在習知的電壓調節器300中設置著過電流保護功能，在負載短路的情況下等能夠限制輸出電流（例如參照專利文獻1）。 [先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本專利特開2003-29856號公報 [發明所欲解決之課題]
然而，所述習知的電壓調節器300中存在限制電流I1m的不均程度大的課題。其原因在於，如式（1）所示般VTHN的不均會對限制電流I1m造成影響。
圖5表示習知的電壓調節器300的輸出電壓VOUT相對於輸出電流IOUT的波形。虛線表示限制電流的不均範圍。VTHN一般而言具有相對於中心值0.6 V為±0.1左右的不均，因而VTHN對限制電流I1m造成的不均為±16.7%，為非常大的不均。
本發明是為了解決以上的課題而完成，提供一種可抑制限制電流的不均的電壓調節器。 [解決課題之手段]
本發明的電壓調節器的特徵在於包括：第1差動放大電路，將基於輸出電壓的電壓與基準電壓進行比較而輸出第1電壓；第2差動放大電路，將所述第1電壓與第2電壓進行比較而輸出第3電壓；第1電晶體，在其閘極接收所述第3電壓，且在其汲極生成所述輸出電壓；第2電晶體，其閘極與所述第1電晶體共用連接，相對於所述第1電晶體具有規定的尺寸比；以及電壓生成部，一端連接於所述第2電晶體的汲極，且在所述一端生成所述第2電壓。 [發明的效果]
根據本發明的電壓調節器，作為第1差動放大電路的輸出電壓的第1電壓為第1電晶體的汲極電流的限制電流的基準值，由第2電晶體與電壓生成部生成的第2電壓為與第1電晶體的汲極電流成比例的值。利用第2電晶體、電壓生成部及構成負反饋電路的第2差動放大電路將該些第1電壓及第2電壓進行比較，而實現過電流保護。此時，作為判斷過電流的基準的限制電流的不均大致僅由基準電壓的不均而決定，因而藉由例如使用帶隙（band gap）電壓源等不均非常小的電壓源生成基準電壓，能夠抑制限制電流的不均。
以下，參照圖式對本發明的實施形態進行說明。 圖1是本發明的第1實施形態的電壓調節器100的電路圖。 本實施形態的電壓調節器100具備：電源端子101、接地端子102、第1差動放大電路127、第2差動放大電路128、電壓生成部129、PMOS電晶體112、PMOS電晶體113、基準電壓源114、電阻124、電阻125、及輸出端子126。
第1差動放大電路127具備：PMOS電晶體115、PMOS電晶體116、NMOS電晶體117、NMOS電晶體118、及電流源110。 第2差動放大電路128具備：NMOS電晶體119、NMOS電晶體120、電流源111、及電阻121。 電壓生成部129具備：PMOS電晶體123、及電阻122。
PMOS電晶體113的源極連接於電源端子101，汲極連接於輸出端子126及電阻125的一端。PMOS電晶體112的源極連接於電源端子101，汲極連接於電壓生成部129的一端（PMOS電晶體123的源極）及NMOS電晶體120的閘極。電流源111的一端連接於電源端子101，另一端連接於NMOS電晶體119的汲極、PMOS電晶體112的閘極、及PMOS電晶體113的閘極。電阻125的另一端連接於電阻124的一端及PMOS電晶體116的閘極。電阻124的另一端連接於接地端子102。PMOS電晶體123的閘極連接於汲極及電阻122的一端。電阻122的另一端（電壓生成部129的另一端）連接於接地端子102。NMOS電晶體120的汲極連接於電源端子101，源極連接於NMOS電晶體119的源極及電阻121的一端。電阻121的另一端連接於接地端子102。電流源110的一端連接於電源端子101，另一端連接於PMOS電晶體115的源極及PMOS電晶體116的源極。PMOS電晶體115的閘極連接於基準電壓源114的一端，汲極連接於NMOS電晶體117的閘極及汲極。基準電壓源114的另一端連接於接地端子102。PMOS電晶體116的汲極連接於NMOS電晶體119的閘極及NMOS電晶體118的汲極。NMOS電晶體118的閘極連接於NMOS電晶體117的閘極，源極連接於接地端子102。NMOS電晶體117的源極連接於接地端子102。
第1差動放大電路127中，PMOS電晶體115的閘極與PMOS電晶體116的閘極為輸入，PMOS電晶體116的汲極為輸出。第2差動放大電路128中，NMOS電晶體119的閘極與NMOS電晶體120的閘極為輸入，NMOS電晶體119的汲極為輸出。
此處，為了說明，將PMOS電晶體113的汲極電流設為I1，PMOS電晶體112的汲極電流設為I2。PMOS電晶體112相對於PMOS電晶體113具有規定的尺寸比，作為複製（replica）元件而動作。而且，將輸出端子126的電壓設為VOUT，NMOS電晶體120的閘極電壓設為VG2，NMOS電晶體119的閘極電壓設為VG1，電流源110的另一端的電壓設為VS1，電阻121的一端的電壓設為VS2，基準電壓源114的一端的電壓設為VREF。進而，將電阻122的電阻值設為R，電阻124的一端的電壓設為VFB，電流源111的另一端的電壓設為VGATE。
接下來，對所述般構成的電壓調節器100的動作進行說明。 作為第1狀態，對供給至輸出端子126的負載電流遠小於限制電流的情況進行說明。
該情況下，電流I1及由PMOS電晶體113與PMOS電晶體112的尺寸比決定的電流I2的電流值均小。而且，因電流I2被供給至電壓生成部129，故電壓生成部129的一端所生成的電壓VG2亦為小的值。若電壓VG2低於NMOS電晶體120的臨限值，則NMOS電晶體120斷開。
此種狀況下，第1差動放大電路127將電壓VREF與電壓VFB進行比較，將其差分放大而輸出電壓VG1。第2差動放大電路128因NMOS電晶體120斷開，故利用NMOS電晶體119及電阻121、電流源111將電壓VG1放大，輸出電壓VGATE。PMOS電晶體113的閘極中接收電壓VGATE，生成汲極電流I1並供給至連接於輸出端子126的負載（未圖示）。
電阻125與電阻124將電壓VOUT分壓而輸入至第1差動放大電路127。利用此種迴路（loop）而負反饋發揮作用，第1差動放大電路127以電壓VREF與電壓VFB相等的方式動作。
作為第2狀態，對自第1狀態起負載電流上升的情況進行說明。 若連接於輸出端子126的負載（未圖示）的電流增加，則PMOS電晶體113的電流I1與PMOS電晶體112的電流I2增加。由此，電壓VG2亦增加，因而NMOS電晶體120導通。因此，NMOS電晶體120的汲極電流被供給至電阻121，電壓VS2上升。
此時，關於NMOS電晶體119，雖認為閘極－源極間電壓減小而斷開，但不會因負反饋的作用而斷開。具體而言，因以利用負反饋的作用而使電壓VREF與電壓VFB相等的方式進行動作，故使電壓VG1上升電壓VS2所上升的量，結果，在NMOS電晶體119的閘極－源極間確保規定的電位差。即，即便負載電流增加而電壓VG2增加，亦可獲得所需的電壓VOUT。
作為第3狀態，對自第2狀態起負載電流進一步上升而過電流保護功能進行動作的情況進行說明。 若連接於輸出端子126的負載（未圖示）的電流進一步增加，則利用與第2狀態相同的機制而電壓VG1上升，但電壓VG1的電壓值的上限由電壓VS1限制。電壓VS1由電壓VREF與PMOS電晶體115的閘極－源極間電壓的絕對值｜VGSP1｜之和所決定，由下式（2）表示。
而且，若電壓VG2與電壓VS1相等，則NMOS電晶體119的閘極－源極間電壓減少。由此，若NMOS電晶體119的汲極電流減少，則電壓VGATE上升而PMOS電晶體113的汲極電流I1被限制。此處，若將PMOS電晶體123的閘極－源極間電壓的絕對值設為｜VGSP2｜，PMOS電晶體113、PMOS電晶體112的尺寸比設為K，則此時的電壓VG2由下式（3）表示。
如所述般，在PMOS電晶體113的汲極電流I1被限制的狀態下，電壓VS1與電壓VG2相等，進而，｜VGSP1｜與｜VGSP2｜實質相等，因而根據式（2）及式（3），電流I1的限制電流I1m為下式（4）。
如此來決定電流I1的限制電流I1m，過電流保護功能進行動作。此處，根據式（4）可知，限制電流I1m與電壓VREF成比例。
圖2表示本實施形態的電壓調節器100的輸出電壓VOUT相對於輸出電流IOUT的波形。虛線表示限制電流I1m的不均範圍。假如由帶隙電壓源構成基準電壓源114，則電壓VREF的不均為±3%左右。因此，能夠將電壓VREF對限制電流I1m造成的不均抑制為±3%。 如此，本實施形態的電壓調節器100能夠相較於習知的電壓調節器300而大幅減小限制電流I1m的不均。
接下來，參照圖3，對本發明的第2實施形態的電壓調節器200進行說明。 本實施形態的電壓調節器200相對於第1實施形態的電壓調節器100，電壓生成部129的構成不同。即，如圖3所示，電壓生成部129包含一端連接於PMOS電晶體112的汲極且另一端連接於接地端子102的電阻122。 關於其他構成，因與圖1的電壓調節器100相同，故對相同的構成要素附上相同的符號，並適當省略重複的說明。
對本實施形態的電壓調節器200的動作進行說明。與構成的不同點同樣地，對與第1實施形態的電壓調節器100動作的不同點進行敘述。 動作的不同點為第3狀態下的電壓VG2，與式（3）不同，為下式（5）。
電壓VS1與式（2）相同，第3狀態下電壓VS1與電壓VG2相等，因而根據式（2）及式（5），電流I1的限制電流I1m為下式（6）。
如此來決定電流I1的限制電流I1m，並且過電流保護功能進行動作。此處，根據式（6）可知，本實施形態中的限制電流I1m與電壓VREF和PMOS電晶體115的閘極－源極間電壓的絕對值｜VGSP1｜之和成比例。
假如由帶隙電壓源構成基準電壓源114，則電壓VREF的電壓與不均為1.2 V±0.036 V，而且，若設｜VGSP1｜為0.6 V±0.1 V，則該些之和的電壓為1.8 V±0.136 V。因此，能夠將該電壓VREF與｜VGSP1｜之和的不均對限制電流I1m造成的不均抑制為±7.6%。
如此，即便在僅由電阻122構成電壓生成部129的情況下，相對於習知的電壓調節器300，亦能夠大幅抑制限制電流I1m的不均。進而，一般而言多數情況下電阻R具有負的溫度係數，而且，｜VGSP1｜亦具有負的溫度係數，因而亦能夠使該些相抵消而提高溫度特性。
如此，本實施形態的電壓調節器200能夠相較於習知的電壓調節器300而減小限制電流I1m的不均並且提高溫度特性。
以上，對本發明的實施形態進行了說明，但本發明不限定於所述實施形態，在不脫離本發明的主旨的範圍內當然能夠進行各種變更。 例如，雖然在所述第1實施形態中，對如下示例進行了說明：由PMOS電晶體123及電阻122的串聯電路構成電壓生成部129，將PMOS電晶體123配置於PMOS電晶體112側，將電阻122配置於接地端子102側，但亦可將電阻122配置於PMOS電晶體112側，將PMOS電晶體123配置於接地端子102側。
而且，雖然在所述實施形態中，對如下示例進行了說明：將電壓調節器設為使用MOS電晶體的構成，但亦可使用雙極性電晶體等。 而且，所述實施形態中，亦能夠使用使PMOS電晶體與NMOS電晶體的極性反相的電路構成。
100、200、300‧‧‧電壓調節器101、301‧‧‧電源端子102、302‧‧‧接地端子110、111‧‧‧電流源112、113、115、116、123、313、314、315‧‧‧PMOS電晶體114、310‧‧‧基準電壓源117、118、119、120、316‧‧‧NMOS電晶體121、122、124、125、312、317、318、319‧‧‧電阻126、320‧‧‧輸出端子127‧‧‧第1差動放大電路128‧‧‧第2差動放大電路129‧‧‧電壓生成部311‧‧‧誤差放大電路I1、I2‧‧‧汲極電流IOUT‧‧‧輸出電流VG1、VG2‧‧‧閘極電壓VFB、VGATE、VREF、VS1、VS2、Vx‧‧‧電壓VOUT‧‧‧輸出電壓
圖1是表示本發明的第1實施形態的電壓調節器的電路圖。 圖2是表示圖1的電壓調節器的輸出電壓VOUT相對於輸出電流的波形的圖。 圖3是表示本發明的第2實施形態的電壓調節器的電路圖。 圖4是習知的電壓調節器的電路圖。 圖5是表示圖4的電壓調節器的輸出電壓VOUT相對於輸出電流的波形的圖。
100‧‧‧電壓調節器
101‧‧‧電源端子
102‧‧‧接地端子
110、111‧‧‧電流源
112、113、115、116、123‧‧‧PMOS電晶體
114‧‧‧基準電壓源
117、118、119、120‧‧‧NMOS電晶體
121、122、124、125‧‧‧電阻
126‧‧‧輸出端子
127‧‧‧第1差動放大電路
128‧‧‧第2差動放大電路
129‧‧‧電壓生成部
I1、I2‧‧‧汲極電流
VG1、VG2閘極電壓
VFB、VGATE、VREF、VS1、VS2‧‧‧電壓
VOUT‧‧‧輸出電壓
Claims (1)
- 一種電壓調節器，包括：第1差動放大電路，將基於輸出電壓的電壓與基準電壓進行比較而輸出第1電壓；第2差動放大電路，將所述第1電壓與第2電壓進行比較而輸出第3電壓；第1電晶體，在其閘極接收所述第3電壓，且在其汲極生成所述輸出電壓；第2電晶體，其閘極與所述第1電晶體共用連接，相對於所述第1電晶體具有規定的尺寸比；以及電壓生成部，一端連接於所述第2電晶體的汲極，且在所述一端生成所述第2電壓，其中所述電壓生成部包括電阻元件，所述電壓生成部更包括：第3電晶體，與所述電阻元件串聯連接，其閘極與汲極共用連接，且與所述第1差動放大電路的構成差動對的電晶體為同一導電型。
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