TWI811974B

TWI811974B - 具有雙向電流調整的低壓差穩壓器

Info

Publication number: TWI811974B
Application number: TW111103299A
Authority: TW
Inventors: 龐振洋; 王昊
Original assignee: 大陸商星宸科技股份有限公司
Priority date: 2022-01-26
Filing date: 2022-01-26
Publication date: 2023-08-11
Also published as: TW202331446A

Abstract

低壓差穩壓器包含分壓電路、運算放大器、調節電路以及輸出電路。分壓電路對一電源電壓進行分壓以產生一預設電壓。運算放大器根據該預設電壓與一輸出端的一輸出電壓產生一偏壓電壓。調節電路根據該偏壓電壓產生一第一調節電壓與一第二調節電壓。輸出電路根據該第一調節電壓與該第二調節電壓調整一第一電流與一第二電流之間的差值，以調節該輸出電壓。

Description

具有雙向電流調整的低壓差穩壓器

本案是關於低壓差穩壓器，尤其是關於可輸出電流至輸出端並自輸出端汲取電流的低壓差穩壓器。

低壓差穩壓器是一種直流電壓調節器，其通常被用來提供一電壓給電子裝置中的多個電路。使用低壓差穩壓器的目的之一是在該些電路使用該電壓時可維持該電壓在一目標位準。在一些相關技術中，低壓差穩壓器是利用控制設置於供應電源與輸出端之間的一P型電晶體，以利用該P型電晶體的阻值限制該電壓。其中，該P型電晶體操作為傳輸電晶體(pass transistor)，其僅能單向地傳輸電流到該輸出端。如此，此類型的低壓差穩壓器的應用場景較為受限。

於一些實施態樣中，本案的目的之一在於提供一種具有雙向電流調整的低壓差穩壓器，以改善先前技術的不足。

於一些實施態樣中，低壓差穩壓器包含分壓電路、運算放大器、調節電路以及輸出電路。分壓電路對一電源電壓進行分壓以產生一預設電壓。運算放大器根據該預設電壓與一輸出端的一輸出電壓產生一偏壓電壓。調節電路根據該偏壓電壓產生一第一調節電壓與一第二調節電壓。輸出電路根據該第一調節電壓與該第二調節電壓調整一第一電流與一第二電流之間的差值，以調節該輸出電壓。

於一些實施態樣中，低壓差穩壓器可對輸出端進行雙向電流調整以調節輸出電壓，進而支持更大的電源電壓範圍與/或更加穩定的輸出電壓，並支援特定的應用場景，改善先前低壓差穩壓器不足之處。

有關本案的特徵、實作與功效，茲配合圖式作較佳實施例詳細說明如下。

100:低壓差穩壓器

110:分壓電路

120:運算放大器

130:調節電路

131,132:電流源電路

140:輸出電路

201:電流源電路

202,203:電流鏡電路

CO:負載電容

CP:補償電容

I1,I2:電流

N1,N2,NA:節點

NM1~NM5,NMC,PM1~PM5,PMC:電晶體

NO:輸出端

R1~R6:電阻性元件

V1,V2:調節電壓

VB:偏壓電壓

VB1,VB2:電壓

VDD:電源電壓

VO:輸出電壓

VP:預設電壓

〔圖1〕為根據本案一些實施例繪製一種低壓差穩壓器的示意圖；以及〔圖2〕為根據本案一些實施例繪製圖1的運算放大器的示意圖。

本文所使用的所有詞彙具有其通常的意涵。上述之詞彙在普遍常用之字典中之定義，在本案的內容中包含任一於此討論的詞彙之使用例子僅為示例，不應限制到本案之範圍與意涵。同樣地，本案亦不僅以於此說明書所示出的各種實施例為限。

關於本文中所使用之『耦接』或『連接』，均可指二或多個元件相互直接作實體或電性接觸，或是相互間接作實體或電性接觸，亦可指二或多個元件相互操作或動作。如本文所用，用語『電路』可為由至少一個電晶體與/或至少一個主被動元件按一定方式連接以處理訊號的裝置。

圖1為根據本案一些實施例繪製一種低壓差穩壓器(low-dropout regulator,LDO)100的示意圖。於一些實施例中，低壓差穩壓器100可提供一穩定電壓給其他電路(例如可為，但不限於，輸入輸出介面的驅動電路)。

低壓差穩壓器100包含分壓電路110、運算放大器120、調節電路130以及輸出電路140。分壓電路110對電源電壓VDD進行分壓以產生預設電壓VP。於一些實施例中，預設電壓VP為電源電壓VDD的中間電壓，其可表示為VP=0.5×VDD。於一些實施例中，分壓電路110可對電源電壓VDD進行分壓以產生電壓VB1與電壓VB2，其可用來對運算放大器120與調節電路130進行偏壓。於一些實施例中，分壓電路110包含串聯耦接的多個電阻性元件R1~R6。電阻性元件R1的一端接收電源電壓VDD，電阻性元件R1的另一端經由剩餘的電阻性元件R2~R6耦接至地。如此，預設電壓VP、電壓VB1與電壓VB2可經由該些電阻性元件R1~R6中的端點產生。應當理解，依據所需要的電壓數值不同或是使用的電阻值不同，可以相應地調整電阻性元件的數量。因此，上述關於電阻性元件的數量僅為示例，且本案並不以此為限。於一些實施例中，電壓VB1與電壓VB2並非是由分壓電路110所產生，而是經由一電流鏡電路所產生。

運算放大器120根據預設電壓VP與輸出電壓VO產生偏壓電壓VB。詳細而言，運算放大器120的正輸入端耦接至分壓電路110，以接收預設電壓VP。運算放大器120的負輸入端耦接至輸出端NO，以接收輸出端NO上的輸出電壓VO。運算放大器120的輸出端(標示為節點NA)輸出偏壓電壓VB。於一些實施例中，如後圖2所示，運算放大器120更接收分壓電路110產生的電壓VB2，以設定運算放大器120中的部分元件的偏壓。

調節電路130耦接至節點NA以接收偏壓電壓VB。調節電路130根據偏壓電壓VB產生調節電壓V1以及調節電壓V2。於一些實施例中，調節電路130包含電晶體PM1、電流源電路131、電晶體NM1以及電流源電路132。電晶體PM1根據偏壓電壓VB自節點N1產生調節電壓V1。電流源電路131可根據電壓VB1偏壓，並與電晶體PM1耦接至節點N1，以偏壓電晶體PM1。詳細而言，電流源電路131可包含電晶體PMC。電晶體PMC的第一端(例如為源極)接收電源電壓VDD，電晶體PMC的第二端(例如為汲極)耦接至節點N1以及電晶體PM1的第一端並產生調節電壓V1，且電晶體PMC的控制端(例如為閘極)耦接至分壓電路110以接收電壓VB1。電晶體PM1的第二端耦接至地，且電晶體PM1的控制端(例如為閘極)耦接至節點NA以接收偏壓電壓VB。藉由上述設置方式，電晶體PM1的工作點可基於電流源電路131所產生的電流以及偏壓電壓VB設定。

類似地，電晶體NM1根據偏壓電壓VB自節點N2產生調節電壓V2。電流源電路132可根據電壓VB2偏壓，並與電晶體PM2耦接至節點N2，以偏壓電晶體NM1。詳細而言，電流源電路132可包含電晶體NMC。電晶體NM1 的第一端(例如為汲極)接收電源電壓VDD，電晶體NM1的第二端(例如為源極)耦接至節點N2以及N型電晶體NMC的第一端並產生調節電壓V2，且電晶體NM1的控制端(例如為閘極)耦接至節點NA以接收偏壓電壓VB。電晶體NMC的第二端耦接至地，且電晶體NMC的控制端(例如為閘極)耦接至分壓電路110以接收電壓VB2。藉由上述設置方式，電晶體NM1的工作點可基於電流源電路132所產生的電流以及偏壓電壓VB設定。上述關於電流源電路131與電流源電路132的設置方式僅用於示例，且本案並不以此為限。各種類型的電流源電路皆為本案所涵蓋的範圍。

輸出電路140根據調節電壓V1與調節電壓V2調整電流I1與電流I2之間的差值，以調節輸出電壓VO。於一些實施例中，輸出電路140可藉由調整該差值以決定是否向輸出端NO提供電流或是自該輸出端NO汲取電流。於一些實施例中，輸出電路140包含電晶體NM2以及電晶體PM2。電晶體NM2耦接至輸出端NO，並根據調節電壓V1調整電流I1。電晶體PM2耦接於輸出端NO與地之間，並根據調節電壓V2調整電流I2。詳細而言，電晶體NM2的第一端接收電源電壓VDD，電晶體NM2的第二端耦接至輸出端NO以產生輸出電壓VO以及電流I1，且電晶體NM2的控制端耦接至節點N1以接收調節電壓V1。電晶體PM2的第一端耦接至輸出端NO以汲取電流I2，電晶體PM2的第二端耦接至地，且電晶體PM2的控制端耦接至節點N2以接收調節電壓V2。

於一些實施例中，電晶體NM1與電晶體NM2具有相同的工作狀態，且電晶體PM1與電晶體PM2具有相同的工作狀態。例如，當電晶體NM1操作於線性區時，電晶體NM2亦操作於線性區。或者，當電晶體NM1操作於飽和區時，電晶體NM2亦操作於飽和區。電晶體PM1與電晶體PM2亦適用於上述關係。如此，當輸出電壓VO出現變動時，可藉由這些電晶體NM1、NM2、PM1以及PM2的協同運作來自動地調節輸出電壓VO。關於上述這些電晶體之間的相互操作將於後說明。

於一些實施例中，低壓差穩壓器100更包含補償電容CP，其耦接於節點NA與地之間。補償電容CP可用來維持偏壓電壓VB的穩定，並可設定低壓差穩壓器100的穩定度，以確保低壓差穩壓器100不會產生振盪。於一些實施例中，低壓差穩壓器100更包含負載電容CO，其耦接於輸出端NO與地之間。負載電容CO可用以維持輸出電壓VO穩定，並過濾掉部分雜訊。於一些實施例中，補償電容CP與負載電容CO皆為晶片上電容。

以下說明低壓差穩壓器100的操作。若輸出電壓VO低於預設電壓VP，運算放大器120輸出具有較高位準的偏壓電壓VB。於此條件下，電晶體PM1的導通程度會變低(即電晶體PM1的等效阻抗會變高)，使得節點N1的位準經由電流源電路131拉升到較高位準(即調節電壓V1會變高)。響應於此調節電壓V1，電晶體NM2會產生較大的電流I1。另外，電晶體NM1的導通程度會變高(即電晶體PM1的等效阻抗會變低)，使得節點N2的位準經由電晶體NM1拉升到較高位準(即調節電壓V2會變高)。響應於此調節電壓V2，電晶體PM2會產生較低的電流I2。換言之，在輸出電壓VO變低的情形下，調節電壓V1與調節電壓V2會變高，使得輸出電路140可提高電流I1並降低電流I2，以向輸出端NO提供一電流(相當於電流I1與電流I2之間的電流差)。如此一來，負載電容CO可被充電，從而使輸出電壓VO回復到相同於預設電壓VP的位準。

另一方面，若輸出電壓VO高於預設電壓VP，運算放大器120輸出具有較低位準的偏壓電壓VB。於此條件下，電晶體PM1的導通程度會變高(即電晶體PM1的等效阻抗會變低)，使得節點N1的位準經由電晶體PM1拉到較低位準(即調節電壓V1會變低)。響應於此調節電壓V1，電晶體NM2會產生較低的電流I1。另外，電晶體NM1的導通程度會變低(即電晶體NM1的等效阻抗會變高)，使得節點N2的位準經由電流源電路132拉低至較低位準(即調節電壓V2會變低)。響應於此調節電壓V2，電晶體PM2會產生較高的電流I2。換言之，在輸出電壓VO變高的情形下，調節電壓V1與調節電壓V2會變低，使得輸出電路140可降低電流I1並提高電流I2，以向輸出端NO汲取一電流(相當於電流I1與電流I2之間的電流差)。如此一來，負載電容CO可被放電，從而使輸出電壓VO回復到相同於預設電壓VP的位準。

據此，應可理解，調節電路130所產生的調節電壓V1與調節電壓V2中每一者的位準與輸出電壓VO成反比。當輸出電壓VO變高，調節電壓V1與調節電壓V2會變低。或者，當輸出電壓VO變低，調節電壓V1與調節電壓V2會變高。如此一來，當輸出電壓VO出現變動時，調節電路130可產生相對應的調節電壓V1與調節電壓V2，以調整電流I1與電流I2並根據電流I1與電流I2之間的差值來決定是否向輸出端NO提供電流或是自輸出端NO汲取電流，進而保持輸出電壓VO穩定。

在一實驗例中，前述的電晶體NM1、NM2、PM1以及PM2可由22奈米製程中耐壓為1.8伏特的電晶體實施，其中電晶體NM2的尺寸設定約為電晶體NM1的尺寸的15倍，且電晶體PM2的尺寸設定約為電晶體PM1的尺寸的15 倍。在上述條件下，電流I1或電流I2的靜態數值約為2毫安培，電流I1或電流I2的瞬間數值可達到約200毫安培，且輸出電壓VO上的電壓抖動範圍約為±10%。此外，在一些需要較多位準的應用(例如，通用輸入/輸出(GPIO)介面的驅動電路)中，低壓差穩壓器100所支持的電源電壓VDD的範圍可為1.8~3.6伏特，且所支持的輸出電壓VO的範圍可為0.9~1.8伏特。上述數值僅為低壓差穩壓器100的一種應用例，且本案並不以此為限。

圖2為根據本案一些實施例中繪製圖1的運算放大器120的示意圖。運算放大器120包含電流源電路201，電晶體NM3、電晶體NM4、電流鏡電路202以及電流鏡電路203。電流源電路201可對電晶體NM3與電晶體NM4進行偏壓。具體而言，電流源電路201可包含電晶體NM5。電晶體NM3的第一端耦接至電流鏡電路202，電晶體NM3的第二端耦接至電晶體NM5的第一端，且電晶體NM3的控制端(相當於圖1的負輸入端)耦接至輸出端NO以接收輸出電壓VO。電晶體NM4的第一端耦接至電流鏡電路203，電晶體NM4的第二端耦接至電晶體NM5的第一端，且電晶體NM4的控制端(相當於圖1的正輸入端)耦接至分壓電路110以接收預設電壓VP。電晶體NM5的第二端耦接至地，且電晶體NM5的控制端耦接至分壓電路110以接收電壓VB2。電流鏡電路203相當於電晶體NM4的主動負載，其可用以輸出偏壓電壓VB。

於一些實施例中，電晶體NM3的控制端可直接接收輸出電壓VO。於另一些實施例中，運算放大器120更包含一傳輸電路(圖中未示出)，其可用以傳輸輸出電壓VO到電晶體NM3的控制端。該傳輸電路可為，但不限於，緩衝器電路、傳輸閘電路等等。

在上述各實施例中，多個電晶體NM1~NM5為N型電晶體，且多個電晶體PM1~PM5為P型電晶體。上述各個電晶體可由金屬氧化物場效電晶體(MOSFET)實施，但本案並不以此為限。可實施類似操作的各種類型或導電型式之電晶體皆為本案所涵蓋的範圍。

綜上所述，本案一些實施例中的低壓差穩壓器可對輸出端進行雙向電流調整以調節輸出電壓，進而支持更大的電源電壓範圍與/或更加穩定的輸出電壓，並支援特定的應用場景，改善先前低壓差穩壓器不足之處。

雖然本案之實施例如上所述，然而該些實施例並非用來限定本案，本技術領域具有通常知識者可依據本案之明示或隱含之內容對本案之技術特徵施以變化，凡此種種變化均可能屬於本案所尋求之專利保護範疇，換言之，本案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:低壓差穩壓器 110:分壓電路 120:運算放大器 130:調節電路 131, 132:電流源電路 140:輸出電路 CO:負載電容 CP:補償電容 I1, I2:電流 N1, N2, NA:節點 NM1~NM2, NMC, PM1~PM2, PMC:電晶體 NO:輸出端 R1~R6:電阻性元件 V1, V2:調節電壓 VB:偏壓電壓 VB1, VB2:電壓 VDD:電源電壓 VO:輸出電壓 VP:預設電壓

Claims

一種低壓差穩壓器，包含：一分壓電路，對一電源電壓進行分壓以產生一預設電壓；一運算放大器，根據該預設電壓與一輸出端的一輸出電壓產生一偏壓電壓；一調節電路，根據該偏壓電壓產生一第一調節電壓與一第二調節電壓；以及一輸出電路，根據該第一調節電壓與該第二調節電壓調整一第一電流與一第二電流之間的差值，以調節該輸出電壓，其中該第一調節電壓與該第二調節電壓中之一者的位準與該輸出電壓的位準成反比。
如請求項1之低壓差穩壓器，其中該輸出電路調整該差值以決定是否向該輸出端提供電流或是自該輸出端汲取電流。
如請求項1之低壓差穩壓器，其中當該輸出電壓變低時，該輸出電路根據該第一調節電壓提高該第一電流，並根據該第二調節電壓降低該第二電流，以向該輸出端提供電流。
如請求項1之低壓差穩壓器，其中當該輸出電壓變高時，該輸出電路根據該第一調節電壓降低該第一電流，並根據該第二調節電壓增加該第二電流，以自該輸出端汲取電流。
如請求項1之低壓差穩壓器，其中該第一調節電壓的位準與該第二調節電壓的位準皆與該輸出電壓的位準成反比。
如請求項1之低壓差穩壓器，其中該調節電路包含：一第一電晶體，根據該偏壓電壓自一第一節點產生該第一調節電壓；一第一電流源電路，與該第一電晶體耦接至該第一節點，並偏壓該第一電晶體；一第二電晶體，根據該偏壓電壓自一第二節點產生該第二調節電壓；以及一第二電流源電路，與該第二電晶體耦接至該第二節點，並偏壓該第二電晶體。
如請求項6之低壓差穩壓器，其中該分壓電路更對該電源電壓進行分壓以產生一第一電壓與一第二電壓，該第一電流源電路經由該第一電壓偏壓，且該第二電流源電路經由該第二電壓偏壓。
如請求項6之低壓差穩壓器，其中該輸出電路包含：一第三電晶體，耦接至該輸出端，並根據該第一調節電壓調整該第一電流；以及一第四電晶體，耦接於該輸出端與地之間，並根據該第二調節電壓調整該第二電流。
如請求項8之低壓差穩壓器，其中該第一電晶體與該第四電晶體具有相同工作狀態，且該第二電晶體與該第三電晶體具有相同工作狀態。
如請求項8之低壓差穩壓器，其中該第三電晶體及該第四電晶體的尺寸大於該第一電晶體及該第二電晶體的尺寸。
如請求項1之低壓差穩壓器，更包含：一補償電容，耦接於一節點與地之間，其中該運算放大器自該節點輸出該偏壓電壓；以及一負載電容，耦接於該輸出端與地之間。