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TWI395083B - 低壓降穩壓器 - Google Patents

低壓降穩壓器 Download PDF

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TWI395083B
TWI395083B TW098146301A TW98146301A TWI395083B TW I395083 B TWI395083 B TW I395083B TW 098146301 A TW098146301 A TW 098146301A TW 98146301 A TW98146301 A TW 98146301A TW I395083 B TWI395083 B TW I395083B
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Chung Wei Lin
Chien Yu Chen
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Ind Tech Res Inst
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    • 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
    • G05F1/10—Regulating voltage or current 
    • G05F1/46—Regulating voltage or current  wherein the variable actually regulated by the final control device is DC
    • G05F1/56—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
    • G05F1/575—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 characterised by the feedback circuit

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Description

低壓降穩壓器
本發明係有關於一種低壓降穩壓器(low dropout regulator，LDO regulator)。
低壓降穩壓器(LDO regulator)已廣泛應用於可攜式電子裝置(例如手機、個人數位助理PDA、數位相機、或筆記型電腦等)之電源管理上。
第1圖圖解低壓降穩壓器的傳統實施方式。低壓降穩壓器100包括一功率電晶體Mp、一電流-電壓轉換電路102、一誤差放大器104、以及輸出端一電容Cout。低壓降穩壓器100以其中功率電晶體Mp的電源端(此例為源極)接收一輸入電壓Vin，以令該功率電晶體Mp得以根據其控制端(此例為閘極)信號產生電流。功率電晶體Mp所產生的電流部分將流入電流-電壓轉換電路102，以轉換為一輸出電壓Vout驅動一負載110。輸出電壓Vout可經分壓後呈回授電壓Vfb輸入誤差放大器104與一參考電位Vref比較。誤差放大器104之輸出將調整功率電晶體Mp之控制端(閘極)電位，以進而維持輸出電壓Vout的穩定度。
然而，輸出電壓Vout常會受負載110所需之負載電流Iload影響。第2圖以波形圖圖解負載電流Iload對輸出電壓Vout之作用。如圖所示，當負載電流Iload有變異發生，輸出電壓Vout也會有變異發生，可能被拉低(undershoot)如202、或被拉高(overshoot)如204。第1圖所示之電容Cout通常被設計為大電容以維持迴路穩定度，使undershoot 202、overshoot 204的量都不會很大。然而，具有大電容Cout通常得以外接式電容實現，相當浪費電路面積。此外，若將低壓降穩壓器100以晶片實現，則通常得另外特別設計一個腳位外接該大電容Cout，相當耗費成本。
本發明揭露一種低壓降穩壓器，其中外部不需要過大的電容即可提供穩定且暫態響應快的輸出電壓。此外，本發明之低壓降穩壓器允許較大之輸入電壓。
本發明低壓降穩壓器的一種實施方式包括一功率電晶體、一電流-電壓轉換電路、一電流變異感測電路以及一補償電路，用於將一輸入電壓轉換為一輸出電壓以供一負載使用。
在上述實施方式中，該功率電晶體具有一電源端、一控制端和一輸出端，其中該電源端接收上述輸入電壓，且該輸出端耦接至該電流-電壓轉換電路以產生上述輸出電壓供上述負載使用。上述電流變異感測電路、以及補償電路則用於維持該輸出電壓之穩定與響應速度。
該電流變異感測電路具有一輸入端耦接該功率電晶體、且具有一第一輸出端以及一第二輸出端，用以隨該功率電晶體之電流變異於其第一與第二輸出端分別產生不同變異速度的一第一電壓變異以及一第二電壓變異。
該補償電路用於根據該輸出電壓之回授資訊與一參考電位之電位差值、以及該電流變異感測電路上述第二與第一輸出端之電位差值調整該功率電晶體之上述控制端的電位。
以下列舉多個實施方式與相關圖示以幫助了解本發明。
以下內容包括本發明多種實施方式，其內容並非用來限定本發明範圍。本發明實際之範圍仍應當以申請專利範圍之敘述為主。
第3圖圖解本案低壓降穩壓器的一種實施方式，其中包括一功率電晶體Mp、一電流-電壓轉換電路302、一電流變異感測電路304以及一補償電路306。此圖例之補償電路306包括一第一誤差放大器307以及一第二誤差放大器308。圖中所示之低壓降穩壓器用於轉換一輸入電壓Vin為一輸出電壓Vout供一負載310使用。
參考第3圖所示之實施方式，功率電晶體Mp可以一P通道電晶體實現，具有一電源端(源極)、一控制端(閘極)和一輸出端(汲極)，其中該電源端(源極)接收上述輸入電壓Vin，且該輸出端(汲極)耦接該電流-電壓轉換電路302。該電流-電壓轉換電路302會將所接收的電流轉換為輸出電壓Vout。
至於電流變異感測電路304、以及補償電路306則用於維持輸出電壓Vout之穩定與響應速度。如圖所示，該電流變異感測電路304具有一輸入端耦接該功率電晶體Mp、且具有一第一輸出端(電位為V1)以及一第二輸出端(電位為V2)。電流變異感測電路304將隨該功率電晶體Mp之電流變異於其第一與第二輸出端(電位V1與V2)分別產生一第一電壓變異以及一第二電壓變異，兩者具有不同的變異速度。與傳統技術相較，補償電路306在不僅僅根據輸出電壓Vout之回授資訊與一參考電壓Vref之電位差值對功率電晶體Mp之控制端(閘極)進行控制，更根據電流變異感測電路304第二與第一輸出端上(電位V2與V1)的電位差值控制電晶體Mp之控制端(閘極)。如此設計之低壓降穩壓器在穩定度與暫態響應上都有良好的表現。
參閱第3圖所示，補償電路306的一種實施方式，其中包括一第一誤差放大器307、以及一第二誤差放大器308。第一誤差放大器307具有一第一輸入端(此例為正輸入端)耦接該輸出電壓Vout作為該低壓降穩壓器的回授資訊、一第二輸入端(此例為負輸入端)接收一參考電壓Vref、以及一輸出端耦接至該功率電晶體Mp的上述控制端(閘極)。第二誤差放大器308具有一第一輸入端(此例為正輸入端)耦接該電流變異感測電路304的第二輸出端(電位V2)、一第二輸入端(此例為負輸入端)耦接該電流變異感測電路304的第一輸出端(電位V1)、以及一輸出端耦接該功率電晶體Mp上述控制端(閘極)。
與傳統技術相較，本案低壓降穩壓器除了以第一誤差放大器307提供一條回授路徑維持輸出電壓Vout之穩定度，更以電流變異感測電路304感測負載電流Iload變異對功率電晶體Mp之電流的影響。耦接在電流變異感測電路304與功率電晶體Mp控制端(閘極)之間的第二誤差放大器308將形成另外一條回授控制路徑。因而，與傳統技術相較，本案低壓降穩壓器無須使用到大電容(第1圖Cout)即可具有高穩定度以及良好的暫態響應。此外，雙重放大器的作用(第一與第二誤差放大器308與307)將使得輸入電壓Vin的範圍較不受限制。
此段更加討論本案電流變異感測電路的一種實施方式。參閱第3圖，其中電流變異感測電路304包括：一第一鏡像電晶體Mm1、一第二鏡像電晶體Mm2、一第一二極體D1、一第一電容C1、一第二二極體D2以及一第二電容C2。上述第一與第二鏡像電晶體Mm1與Mm2與該功率電晶體Mp連結在一起以分別鏡像產生電流I1與I2；在此實施方式中，第一與第二鏡像電晶體Mm1與Mm2與該功率電晶體Mp以電流鏡方式連結。上述第一二極體D1以及第一電容C1並聯於該第一鏡像電晶體Mm1以及一定電位端(如，接地)之間，以接收電流I1。上述第一二極體D1、第一電容C1與第一鏡像電晶體Mm1之連結處即該電流變異感測電路304之上述第一輸出端，提供電位V1。此外，上述第二二極體D2以及第二電容C2並聯於該第二鏡像電晶體Mm2以及該定電位端(接地)之間，以接收電流I2。上述第二二極體D2、第二電容C2與第二鏡像電晶體Mm2之連結處即該電流變異感測電路304之上述第二輸出端，提供電位V2。上述元件Mm1、Mm2、D1、C1、D2與C2在精心設計其電子特性下，可令電位V1上的第一電壓變異與電位V2上的第二電壓變異具有不同的變異速度。例如，可令鏡像電晶體Mm1與Mm2具有相同電子特性、二極體D1與D2具有相同電子特性，但第一電容C1的電容值小於第二電容C2的電容值；如此一來，電位V1上的第一電壓變異之速度將快於電位V2上的第二電壓變異之速度。第4圖以波形圖更具體說明該電流變異感測器304的作用，其中，若負載310有變化導致負載電流Iload變動，則功率電晶體Mp的電流也會變動，此變動將被電流變異感測器304感測，並於電位V1與電位V2上反應出來。觀察第4圖，電位V1所提供的第一電壓變異之速度快於電位V2所提供的第二電壓變異之速度。同一時間點-如時間點t-第一電位V1與電位V2間有壓差存在。第二誤差放大器308即根據此壓差對功率電晶體Mp之控制端(閘極)電位進行控制。
在第3圖所示之實施方式中，其中更可採用一電容C3，用以實現米勒補償技術。電容C3耦接於該功率電晶體Mp之上述控制端(閘極)與輸出端(汲極)之間。
第5圖為本案低壓降穩壓器的另外一種實施方式。與第3圖相較，第5圖之低壓降穩壓器更在補償電路內設計一緩衝器502耦接該第一誤差放大器307之輸出端至第二誤差放大器308之輸出端。第一誤差放大器307之輸出將先經由緩衝器502緩衝後方與第二誤差放大器308之輸出結合輸入該功率電晶體Mp之控制端(閘極)。此外，第5圖之低壓降穩壓器更包括一第三電容C3和第四電容C4，用於實現蜂巢式米勒補償(Nested Miller Comoensation)。第四電容C4耦接於該緩衝器502之輸入端與該功率電晶體Mp之輸出端(汲極)之間。
第6A、6B圖圖解本案低壓降穩壓器的另一種實施方式。在前述第3圖中，第一誤差放大器307與第二誤差放大器308乃各自運作的電路；信號Vout與Vref之差值乃專由第一誤差放大器307放大，而信號V2與V1之差值乃專由第二誤差放大器308放大。然而，第6A、6B圖實施方式卻是另外提出一雙輸入對誤差放大器602，其中信號Vout與Vref之差值放大電路與信號V2與V1之差值放大電路部份共用。第6B圖圖解雙輸入對誤差放大器602的一種實施方式，其中除了一般誤差放大器所具有之電晶體M1…M9，更設計有三個電晶體M10、M11與M12。電晶體M7與M8之閘極用作第一、第二輸入端，分別接收信號Vout與Vref組成第一對差動輸入。電晶體M10與M11之閘極用作第三、第四輸入端上，分別接收信號V2與V1組成第二對差動輸入。如圖所示，第一對差動輸入(Vout與Vref)以及第二對差動輸入(V2與V1)共用圖中所示的電流鏡電路(由電晶體M1…M6所組成)。第6B圖所示之雙輸入對誤差放大器602將第一對差動輸入(Vout與Vref)的差值之放大結果、與第二對差動輸入(V2與V1)的差值之放大結果疊加於其輸出端Out以耦接至功率電晶體Mp之控制端(閘極)。第6B圖所示之電路並非意圖限定雙輸入對誤差放大器602之結構，其他「以部分共用電路放大兩對差動輸入」之電路結構皆可被用來實現雙輸入對誤差放大器602。
此外，第3圖所示之第二誤差放大器308技術、第5圖所示之緩衝器502技術，也可與第6A、6B圖所示之雙輸入對誤差放大器602技術結合，組成各式補償電路作用於功率電晶體Mp之控制端(閘極)上。第7圖即圖解一種同時採用緩衝器502、補償元件308、602與C3、C4的低壓降穩壓器，其中，第四電容C4耦接於該緩衝器502之輸入端與功率電晶體汲極Mp汲極之間，和第三電容C3聯合實現蜂巢式米勒補償，而第三電容C3可視使用者需求選擇是否使用，但第四電容C4則為必要元件一定要存在。此外，除了前述之補償電路，任何以同樣精神形成之補償電路皆屬於本說明書所欲保護的範圍。
在可攜式電子裝置的應用中，上述低壓降穩壓器所驅動之負載310常為一晶片內的電路。由於前述第一、第二、第三、第四電容C1、C2、C3、C4的電容值皆不大，故上述第一、第二、第三、第四電容C1、C2、C3、C4可與負載310一樣，皆製作於晶片內部，為on-chip形式。
此段更揭露前述第二誤差放大器308、或緩衝器502所用放大器的實施方式，其實施方式如下所述。參考第8圖係顯示一P型Class-AB放大器(p-type Class AB amplifier)。在偏壓Bias操作下，第一與第二輸入端802與804分別為正端(+)與負端(-)輸入，且端點806為輸出端。此電路能夠很快的調控功率電晶體Mp的輸入端(閘極)電位。
前述多種實施方式乃用來幫助了解本發明，並非用來限定本案範圍。本案範圍請見以下申請專利範圍。
100．．．穩壓器
102．．．電流-電壓轉換電路
104．．．誤差放大器
110．．．負載
202、204．．．電壓變異，分別為undershoot與overshoot
206、208．．．響應時間
302．．．電流-電壓轉換電路
304．．．電流變異感測電路
306‧‧‧補償電路
307、308‧‧‧第一、第二誤差放大器
310‧‧‧負載
502‧‧‧緩衝器
602‧‧‧雙輸入對誤差放大器
800‧‧‧P型Class-AB放大器
802、804‧‧‧放大器800的第一、第二輸入端
806‧‧‧放大器800的輸出端
C1…C4、Cout‧‧‧電容
D1‧‧‧第一二極體
D2‧‧‧第二二極體
I1、I2‧‧‧鏡像產生之電流
Iload‧‧‧負載電流
M1…M12‧‧‧電晶體
Mm1、Mm2‧‧‧鏡像電晶體
Mp‧‧‧功率電晶體
R1、R2‧‧‧電阻
t‧‧‧時間點
V1、V2‧‧‧第一、第二輸出端之第一、第二電壓變異
Vfb‧‧‧回授電壓
Vin‧‧‧輸入電壓
Vout‧‧‧輸出電壓
Vref‧‧‧參考電壓
第1圖圖解低壓降穩壓器的傳統實施方式；
第2圖以波形圖圖解負載電流Iload對輸出電壓Vout之作用；
第3圖圖解本案低壓降穩壓器的一種實施方式；
第4圖以波形圖更具體說明該電流變異感測器304的作用；
第5圖為本案低壓降穩壓器的另外一種實施方式；
第6A與6B圖為本案低壓降穩壓器的另外一種實施方式；
第7圖為本案低壓降穩壓器的另外一種實施方式；
第8圖圖解第二誤差放大器308或緩衝器502所用放大器的實施方式。
302‧‧‧電流-電壓轉換電路
304‧‧‧電流變異感測電路
306‧‧‧補償電路
307、308‧‧‧第一、第二誤差放大器
310‧‧‧負載
C1…C3‧‧‧電容
D1、D2‧‧‧二極體
I1、I2‧‧‧鏡像產生之電流
Iload‧‧‧負載電流
Mm1、Mm2‧‧‧鏡像電晶體
Mp‧‧‧功率電晶體
V1、V2‧‧‧分別擁有第一、第二電壓變異
Vin‧‧‧輸入電壓
Vout‧‧‧輸出電壓
Vref‧‧‧參考電壓

Claims (16)

  1. 一種低壓降穩壓器，用以將一輸入電壓轉換為一輸出電壓供一負載使用，該低壓降穩壓器包括：一功率電晶體，具有一電源端、一控制端和一輸出端，該電源端接收該輸入電壓；一電流-電壓轉換電路，耦接該功率電晶體之該輸出端，用以將所接收的電流轉換為該輸出電壓；一電流變異感測電路，具有一輸入端耦接該功率電晶體、且具有一第一輸出端以及一第二輸出端，用以隨該功率電晶體之電流變異於其第一與第二輸出端分別產生不同變異速度的一第一電壓變異以及一第二電壓變異；以及一補償電路，根據該輸出電壓之回授資訊與一參考電位之電位差值、以及該電流變異感測電路之該第二與第一輸出端之電位差值調整該功率電晶體之該控制端的電位，其中，該電流變異感測電路更包括：一第一鏡像電晶體、以及一第二鏡像電晶體，與該功率電晶體連結在一起以分別鏡像產生電流；一第一二極體以及一第一電容，並聯於該第一鏡像電晶體以及一定電位端之間，該第一二極體、該第一電容與該第一鏡像電晶體的一連結點即該電流變異感測電路之該第一輸出端；一第二二極體以及一第二電容，並聯於該第二鏡像電晶體以及該定電位端之間，該第二二極體、該第二電容與該第二鏡像電晶體的一連結點即該電流變異感測電路之該第二輸出端。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之低壓降穩壓器，其中該第一與第二電容與該負載一樣皆製作於一晶片中。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之低壓降穩壓器，更包括一第三電容耦接於該功率電晶體之該控制端與輸出端之間。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之低壓降穩壓器，其中該第三電容、與該負載一樣皆製做於一晶片中。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之低壓降穩壓器，其中該補償電路包括：一第一誤差放大器，具有一第一輸入端接收該輸出電壓的回授資訊、一第二輸入端接收該參考電壓、以及一輸出端耦接至該功率電晶體之該控制端；以及一第二誤差放大器，具有一第一輸入端耦接該電流變異感測電路之該第二輸出端、一第二輸入端耦接該電流變異感測電路之該第一輸出端、以及一輸出端耦接至該功率電晶體該控制端。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之低壓降穩壓器，其中更包括一緩衝器，具有一輸入端耦接該第一誤差放大器之該輸出端，且具有一輸出端耦接該第二誤差放大器之該輸出端。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之低壓降穩壓器，更包括一第四電容耦接於該緩衝器之該輸入端與該功率電晶體之該輸出端之間。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之低壓降穩壓器，其中該第四電容與該負載一樣皆製作於一晶片中。
  9. 如申請專利範圍第5項所述之低壓降穩壓器，其中：該功率電晶體為P通道電晶體；且該第一誤差放大器之該第一輸入端為正輸入端，且該第二輸入端為負輸入端。
  10. 如申請專利範圍第5項所述之低壓降穩壓器，其中：該功率電晶體為P通道電晶體；該電流變異感測器所產生之該第一電壓變異之變化速度快於該第二電壓變異；且該第二誤差放大器之該第一輸入端為正輸入端，且該第二輸入端為負輸入端。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之低壓降穩壓器，其中該補償電路包括一雙輸入對誤差放大器，該雙輸入對誤差放大器以部分共用之電路將該輸出電壓之回授資訊與該參考電壓之電位差值、以及該電流變異感測電路之該第二與第一輸出端之電位差值分別放大且疊加輸出。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之低壓降穩壓器，其中更包括一緩衝器，具有一輸入端耦接該雙輸入對誤差放大器之輸出，且具有一輸出端耦接該功率電晶體之該控制端。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之低壓降穩壓器，更包括一第四電容耦接於該緩衝器之該輸入端與該功率電晶體之該輸出端之間。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之低壓降穩壓器，其中該第四電容與該負載一樣皆製作於一晶片中。
  15. 如申請專利範圍第12項所述之低壓降穩壓器，其 中該補償電路更包括：一第二誤差放大器，具有一第一輸入端耦接該電流變異感測電路之該第二輸出端、一第二輸入端耦接該電流變異感測電路之該第一輸出端、以及一輸出端耦接至該功率電晶體之該控制端。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之低壓降穩壓器，其中：該功率電晶體為P通道電晶體；該電流變異感測器所產生之該第一電壓變異之變化速度快於該第二電壓變異；且該第二誤差放大器之該第一輸入端為正輸入端，且該第二輸入端為負輸入端。
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