TWM487465U - 低壓降線性穩壓器 - Google Patents

Description

低壓降線性穩壓器

本新型係有關於一種低壓降線性穩壓器，特別是一種可是用大範圍的輸出電流且具有良好的相位邊限(Phase Margin)的低壓降線性穩壓器。

傳統常見之電壓轉換電路有兩種：交換式穩壓器(switching regulator)以及線性穩壓器(linear regulator)，其中在降壓應用中常使用的線性穩壓器為低壓降穩壓器(low drop out regulator，LDO regulator)。線性穩壓器具有提供穩定輸出電壓的能力，其中低壓降線性穩壓器更因為輸出電壓可以非常地接近輸入電壓，而節省功率電晶體的功率消耗，使得電池壽命可以維持很久，因此被廣泛地應用於各種攜帶式電子產品上，例如隨身聽、數位相機、行動電話、筆記型電腦等等。

請參考『第1圖』，係一習知低壓降穩壓器100的示意圖。低壓降穩壓器100包含有一誤差放大器110、一頻率補償電路120、一傳輸元件130、一電壓感測電路140及一輸出電容Cout，負載150與傳輸元件130電性連接。其工作原理主要係藉由電壓感測電路140偵測輸出電壓Vout並產生一回授電壓Vfb，以使誤差放大器110根據回授電壓Vfb及參考電壓Vref的差異 控制頻率補償電路120，並進一步控制傳輸元件120，進而產生穩定的輸出電壓。其中，輸出電容Cout係用來於負載電流Iload突然改變時，暫時提供負載所需的大量電流，以改善輸出電壓的暫態響應。

先前技術的架構為一回受系統，透過輸出電壓的偵測來決定補償量。當輸出電壓高時，必須使輸出電流降低，進而降低輸出電壓。當輸出電壓低的時候，則必須提高輸出電流，進而提高輸出電壓。因此透過偵測輸出電壓就可以得知補償量，亦即輸出電流的補償量或調整量。

一般來說，良好的相位邊限(Phase Margin)一直是在設計低壓降線性穩壓器的過程中一個重要的議題，其涉及了回受系統的穩定度。系統的穩定度則透過相位邊限這個參數來決定。先前技術的系統，相位邊限會受到輸出電流的影響。若電流的範圍很寬，例如有時需要在100nA的輸出電流下操作，有時候需要在100mA的輸出電流下操作，這樣的情況下相位邊限很難考量到兩種情況。此時頻率補償電路120就無法配合，因此很難用單一的頻率補償電路120來適用所有的情況的輸出電流，進而進行頻率補償，因此無法產生很好的相位邊限。

有鑑於此，本新型提供一種低壓降線性穩壓器，以克服先前技術所遭遇的問題或缺點，使得低壓降線性穩壓器可以適用於大範圍的輸出電流，並且具有良好的相位邊限。

根據本新型之實施例之一種低壓降線性穩壓器，包括有：一誤差放大器、一頻率補償電路、一傳輸元件、一電壓感測電路、以及一電流感測電路。其中誤差放大器用來根據一參考電壓及一回授電壓，產生一 控制訊號；電壓感測電路用以感測一輸出電壓，以產生該回授電壓；電流感測電路用以感測一輸出電流，並回應該輸出電流的大小而導通或不導通；頻率補償電路，耦接於該誤差放大器，用以根據該控制訊號與該輸出電流的大小輸出一頻率補償訊號；傳輸元件耦接於該頻率補償電路與該電流感測電路，用來根據該頻率補償訊號，以產生該輸出電壓。

低壓降穩壓器具有低生產成本、電路簡單和低噪音等特點，能夠提供穩定輸出電壓，因此被廣泛地應用於各種攜帶式電子產品上。本創作透過電流偵測的方式，決定目前輸出電流的範圍，藉以調整頻率補償電路的電阻值，以決定補償量。透過本創作，使得低壓降線性穩壓器可以適用於大範圍的輸出電流，並且具有良好的相位邊限。

以上之關於本創作內容之說明及以下之實施方式之說明係用以示範與解釋本創作之精神與原理，並且提供本創作之專利申請範圍更進一步之解釋。

100‧‧‧低壓降穩壓器

110‧‧‧誤差放大器

120‧‧‧頻率補償電路

130‧‧‧傳輸元件

140‧‧‧電壓感測電路

150‧‧‧負載

Cload‧‧‧輸出電容

Vout‧‧‧輸出電壓

Iload‧‧‧負載電流

Vref‧‧‧參考電壓

Vfb‧‧‧回授電壓

200‧‧‧低壓降穩壓器

210‧‧‧誤差放大器

220‧‧‧頻率補償電路

230‧‧‧傳輸元件

240‧‧‧電壓感測電路

250‧‧‧負載

260‧‧‧電流感測電路

211‧‧‧電流源

212‧‧‧第一電晶體

213‧‧‧第二電晶體

214‧‧‧第三電晶體

215‧‧‧第四電晶體

221‧‧‧第五電晶體

222‧‧‧第六電晶體

223‧‧‧第七電晶體

224‧‧‧第一電阻

225‧‧‧第二電阻

226‧‧‧電容

231‧‧‧第八電晶體

241‧‧‧第一分壓電阻

242‧‧‧第二分壓電阻

261‧‧‧第九電晶體

262‧‧‧第三電阻

263‧‧‧緩衝器

第1圖係為習知技術之低壓降線性穩壓器之電路方塊圖。

第2圖係為本創作實施例所揭露之低壓降線性穩壓器之電路方塊圖。

第3圖係為本創作實施例所揭露之低壓降線性穩壓器之詳細方塊圖。

第4圖係為本創作實施例所揭露之低壓降線性穩壓器之電路模擬圖。

以下在實施方式中詳細敘述本創作之詳細特徵以及優點，其內容足以使任何熟習相關技藝者了解本創作之技術內容並據以實施，且根 據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本創作相關之目的及優點。以下之實施例係進一步詳細說明本創作之觀點，但非以任何觀點限制本創作之範疇。

如在說明書及申請專利範圍當中使用了某些詞彙來指稱特定元件。本領域技術人員應可理解，硬體製造商可能會用不同名詞來稱呼同一個元件。本說明書及申請專利範圍並不以名稱的差異來作為區分元件的方式，而是以元件在功能上的差異來作為區分的準則。如在通篇說明書及申請專利範圍當中所提及的“包含”為一開放式用語，故應解釋成“包含但不限定於”。“大致”是指在可接收的誤差範圍內，本領域技術人員能夠在一定誤差範圍內解決所述技術問題，基本達到所述技術效果。此外，“耦接”一詞在此包含任何直接及間接的電性耦接手段。因此，若文中描述一第一裝置耦接於一第二裝置，則代表所述第一裝置可直接電性耦接於所述第二裝置，或通過其他裝置或耦接手段間接地電性耦接至所述第二裝置。說明書後續描述為實施本申請的較佳實施方式，然所述描述乃以說明本申請的一般原則為目的，並非用以限定本申請的範圍。本申請的保護範圍當視所附申請專利範圍所界定者為准。

還需要說明的是，術語“包括”、“包含”或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、商品或者系統不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、商品或者系統所固有的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句“包括一個......”限定的要素，並不排除在包括所述要素的過程、方法、商品或者系統中還存在另外的相同要素。

『第2圖』係為本創作實施例所揭露之低壓降線性穩壓器之電路方塊圖。

低壓降穩壓器200包含有一誤差放大器210、一頻率補償電路220、一傳輸元件230、一電壓感測電路240、以及一電流感測電路260。其中還包括有一輸出電容Cout，而負載250與傳輸元件230電性連接。

在一實施例中，誤差放大器210，用來根據一參考電壓Vref及一回授電壓Vfb，產生一控制訊號。電流感測電路260，用以感測一輸出電流，並回應該輸出電流的大小而導通或不導通；電壓感測電路240，用以感測一輸出電壓Vout，以產生該回授電壓Vfb；頻率補償電路220，耦接於該誤差放大器210，用以根據該控制訊號與該輸出電流的大小輸出一頻率補償訊號；傳輸元件230，耦接於該頻率補償電路與該電流感測電路，用來根據該頻率補償訊號，以產生該輸出電壓Vout。頻率補償電路220中設置有兩個訊號路徑，由一切換開關切換。當輸出電流大時，切換開關回應而導通，並且切換成第一路徑，當輸出電流小時，切換開關回應而關閉，並且切換成第二路徑。其中第一路徑的等效電阻小時第二路徑的等效電阻。

在具體的實施例中，頻率補償電路220中設置有一切換開關、一第一電阻與一第二電阻，其中第一電阻與第二電阻串聯，形成第二路徑，切換開關與第一電阻串聯，形成第一路徑。切換開關回應輸出電流的大小而導通或不導通。

輸出電容Cout係用來於負載電流Iload突然改變時，暫時提供負載所需的大量電流，以改善輸出電壓的暫態響應。

『第3圖』係為本創作實施例所揭露之低壓降線性穩壓器之 詳細方塊圖。

在一典型的實施例中，誤差放大器210包括有一電流源211、一第一電晶體212、一第二電晶體213、一第三電晶體214以及一第四電晶體215，其中該第一電晶體212、該第三電晶體214分別與該電流源211電性連接，該第二電晶體213與該第一電晶體212電性連接，該第四電晶體215與該第三電晶體214電性連接。

在一實施例中，第一電晶體212與第三電晶體214為P型金氧半場效電晶體，第二電晶體213與第四電晶體215為N型金氧半場效電晶體。因此，第一電晶體212的閘極接收參考電壓Vref，第一電晶體212的源極與電流源211電性連接，第一電晶體212的汲極與第二電晶體213的汲極電性連接。第二電晶體213的汲極與閘極電性連接，第二電晶體213的源極電性連接至接地端。第三電晶體214的源極與電流源211電性連接，第三電晶體214的閘極接收回授電壓，亦即與電壓感測電路240電性連接，第三電晶體214的汲極與與第四電晶體215的汲極電性連接。第四電晶體215的閘極與第二電晶體213的閘極電性連接，第四電晶體215的源極電性連接至接地端。

在一典型的實施例中，頻率補償電路220包括有一第五電晶體221、一第六電晶體222、一第七電晶體223、一第一電阻224、一第二電阻225以及一電容226。其中該第五電晶體221與該第六電晶體222電性連接，該第七電晶體223與該第一電阻224串聯，該第一電阻224與該第二電阻225串聯，該電容226與該第二電阻225串聯

在一實施例中，第五電晶體221為P型金氧半場效電晶體，第六電晶體222與第七電晶體223為N型金氧半場效電晶體。因此，第五電晶 體221的源極電性連接至電源端，第五電晶體221的閘極接收電流感測電路260的輸出電流，第五電晶體221的汲極與閘極電性連接。第六電晶體222的汲極與第五電晶體221的汲極電性連接，第六電晶體222的閘極作為輸出端，用以輸出頻率補償訊號，亦即與第三電晶體214的汲極或者第四電晶體的汲極電性連接，第六電晶體222的源極電性連接至電源端。第七電晶體223的閘極接收電流感測電路260的輸出。第七電晶體223的汲極與第六電晶體222的閘極電性連接，第七電晶體223的汲極電性連接至第一電阻224的第一端，第七電晶體223的源極電性連接至第一電阻224的第二端與第二電阻225的第一端，第二電阻225的第二端與電容226的第一端電性連接，電容226的第二端連接至接地端。

在一典型的實施例中，傳輸元件230傳輸元件係一第八電晶體231。在一實施例中，第八電晶體231係一P型金氧半場效電晶體。因此，第八電晶體231的源極電性連接至電源端，第八電晶體231的閘極輸出電壓訊，第八電晶體231的汲極與電壓感測電路240電性連接。

在一典型的實施例中，電壓感測電路240包括有複數個分壓電阻。在一實施例中，電壓感測電路240包括第一分壓電阻241與第二分壓電阻242，兩者相互串聯。電壓感測電路240用以感測輸出電壓Vout，並且將輸出電壓Vout分壓後輸出給誤差放大器210，亦即輸出給第三電晶體214的閘極。

在一典型的實施例中，電流感測電路260包括有一第九電晶體261、一第三電阻262以及一緩衝器263。其中該第三電阻262與該第九電晶體261電性連接，該緩衝器263與該第三電阻262電性連接

在一實施例中，第九電晶體261係一P型金氧半場效電晶體。因此，第九電晶體261的源極電性連接至電源端，第九電晶體261的閘極與第八電晶體231的閘極端電性連接，第九電晶體261的汲極分別與第二電阻263的第一端以及緩衝器263的第一端電性連接，第二電阻263的第二端電性連接至接地端，緩衝器263的第二端與頻率補償電路220中的第七電晶體223的閘極電性連接。

在一典型的實施例中，第九電晶體261的寬長比與第八電晶體231的寬長比是等比例的關係，因此第九電晶體261所感測到的電流與第八電晶體231感測到的電流是成比例的。

當負載電流Iload小時，第九電晶體261不會導通，第七電晶體223也處於不導通的狀態。此時，第一電阻224與第二電阻225形成串聯路徑，而形成一個比較大的等效電阻。因此，在此一情況可以適用於負載電流Iload較小的時候。

當負載電流Iload變大時，第九電晶體261會導通，通過緩衝器263的作用，將使第七電晶體223也處於導通的狀態，此時，訊號不會經過第一電阻224，而透過第七電晶體223與第二電阻225的路徑通過。此時，僅有第二電阻225，因此形成一個比較小的等效電阻。因此，在此一情況可以適用於負載電流Iload較大的時候。

在一實施例中，負載電流Iload較小指的是小於100mA的電流，負載電流Iload較大指的是大於100mA的電流。因此，第九電晶體261在大於100mA的電流的時候導通。

換句話中，頻率補償電路220中的第七電晶體223、第一電阻 224與第二電阻225會形成兩個路徑。當第七電晶體223不導通的時候，訊號會通過由第一電阻224與第二電阻225所形成的第一路徑，當第七電晶體223導通的時候，訊號會通過由第七電晶體223與第二電阻225所形成的第二路徑。因此，第七電晶體223是回應第九電晶體261的導通而導通，並作為一個路徑切換開關來使用。

電流感測電路260偵測目前的輸出電流，並根據目前輸出電流的狀態而變成導通或者不導通。當輸出電流大的時候，電流感測電路260變成導通，亦即第九電晶體261導通，當輸出電流小的時候，電流感測電路260變成不導通，亦即第九電晶體261不導通。因此，當輸出電流大的時候，訊號會通過由第一電阻224與第二電阻225所形成的第一路徑，則等效電阻較大，當輸出電流小的時候，訊號會通過由第七電晶體223與第二電阻225所形成的第二路徑，則等效電阻較小。因此通過第七電晶體223來切換導通路徑，就可以改變等效電阻值的大小，進而使得頻率補償電路220可以適用於不同範圍的輸出電流。

前述的詳細電路為示例性說明，當然本領域技術人員可以瞭解前述的電路還有其他具體的方式，因此可以執行『第2圖』所揭露之低壓降線性穩壓器之功能都屬於本創作之範圍。

『第4圖』係為本創作實施例所揭露之低壓降線性穩壓器之電路模擬圖，其係使用模擬軟體進行，由圖中可知，當輸出電流大時，Rzero值是小的，亦即訊號會通過由第七電晶體223與第二電阻225所形成的第二路徑，則等效電阻較小。當輸出電流小時，Rzero值是大的，訊號會通過由第一電阻224與第二電阻225所形成的第一路徑，則等效電阻較大。因此可 以使用大範圍的輸出電流，且不論大電流或小電流都有良好的相位邊限。

低壓降穩壓器具有低生產成本、電路簡單和低噪音等特點，能夠提供穩定輸出電壓，因此被廣泛地應用於各種攜帶式電子產品上。本創作透過電流偵測的方式，決定目前輸出電流的範圍，藉以調整頻率補償電路的電阻值，以決定補償量。透過本創作，使得低壓降線性穩壓器可以適用於大範圍的輸出電流，並且具有良好的相位邊限。

雖然本創作以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本創作。在不脫離本創作之精神和範圍內，所為之更動與潤飾，均屬本創作之專利保護範圍。關於本創作所界定之保護範圍請參考所附之申請專利範圍。

Cload‧‧‧輸出電容

Vout‧‧‧輸出電壓

Iload‧‧‧負載電流

Vref‧‧‧參考電壓

Vfb‧‧‧回授電壓

200‧‧‧低壓降穩壓器

210‧‧‧誤差放大器

220‧‧‧頻率補償電路

230‧‧‧傳輸元件

240‧‧‧電壓感測電路

250‧‧‧負載

260‧‧‧電流感測電路

Claims (9)

1. 一種低壓降線性穩壓器，包括：一誤差放大器，用來根據一參考電壓及一回授電壓，產生一控制訊號；一電壓感測電路，用以感測一輸出電壓，以產生該回授電壓；一電流感測電路，用以感測一輸出電流，並回應該輸出電流的大小而導通或不導通；一頻率補償電路，耦接於該誤差放大器，用以根據該控制訊號與該輸出電流的大小輸出一頻率補償訊號；以及一傳輸元件，耦接於該頻率補償電路與該電流感測電路，用來根據該頻率補償訊號，以產生該輸出電壓。
2. 如請求項1所述之低壓降線性穩壓器，其中更包括有一輸出電容，與該傳輸元件電性連接。
3. 如請求項1所述之低壓降線性穩壓器，其中該誤差放大器包括有：一電流源、一第一電晶體、一第二電晶體、一第三電晶體以及一第四電晶體，其中該第一電晶體、該第三電晶體分別與該電流源電性連接，該第二電晶體與該第一電晶體電性連接，該第四電晶體與該第三電晶體電性連接。
4. 如請求項1所述之低壓降線性穩壓器，其中該頻率補償電路包括有：一第五電晶體、一第六電晶體、一第七電晶體、一第一電阻、一第二電阻以及一電容，其中該第五電晶體與該第六電晶體電性連接，該第七電晶體與該第一電阻串聯，該第一電阻與該第二電阻串聯，該電容與該第二電阻串聯。
5. 如請求項1所述之低壓降線性穩壓器，其中該傳輸元件係一電晶體。
6. 如請求項5所述之低壓降線性穩壓器，其中該電晶體係一P型金氧半場效電晶體。
7. 如請求項1所述之低壓降線性穩壓器，其中該電壓感測電路包含有複數個分壓電阻。
8. 如請求項7所述之低壓降線性穩壓器，其中該分壓電阻包括有一第一分壓電阻以及與該第一分壓電阻串聯的第二分壓電阻。
9. 如請求項1所述之低壓降線性穩壓器，其中該電流感測電路包括有一第九電晶體、一第三電阻以及一緩衝器，其中該第三電阻與該第九電晶體電性連接，該緩衝器與該第三電阻電性連接。