線性穩壓器與穩壓方法

2023-12-05 14:11:11 1

專利名稱：線性穩壓器與穩壓方法
技術領域：
本發明涉及一種穩壓裝置，特別涉及已知可根據負載變化而進行調整的 線性穩壓器。
背景技術：
線性穩壓器的代表例為低壓降穩壓器(LDO，LowDr叩-Out)。第1圖標出 先前技術的LDO電路10,其包含有一個轉導放大器(transconductor) gm, 根據反饋信號FB與參考電壓Vref間的比較結果，控制功率電晶體P0的導通 狀況，以將供應電壓Vcc轉換成輸出電壓Vout。
此種穩壓器的缺點是，當負載從重載突然轉變至輕載或無載時，無法快 速地作出反應而有穩定性不佳的現象，亦即其輸出電壓會瞬間過量供應，需 要很長的時間才能平衡至所需的電壓，此外，亦會耗費不必要的能量。
有鑑於此，需要提供一種可根據負載的快速變化而進行調整的線性穩壓器。

發明內容
本發明的第 一 目的是提供一種可根據負載變化而進行調整的線性穩壓器。
本發明的第二目的是提供一種穩壓方法。
為達到上述目的，本發明提供了一種線性穩壓器，包含功率電晶體， 其第一端與供應電壓電連接，第二端與輸出電壓電連接；可變增益轉導放大 器，接受與輸出電壓相關的反饋信號和參考電壓，根據兩者的比較結果控制 該功率電晶體的第三端；以及可調整該可變增益轉導放大器的增益的控制電路。
此外，本發明也提供了一種線性穩壓器，包含功率電晶體，其第一端 與供應電壓電連接，第二端與輸出電壓電連接；可變增益轉導放大器，接受 與輸出電壓相關的反饋信號和參考電壓，根據兩者的比較結果控制該功率晶
4體管的第三端；以及可調整該可變增益轉導放大器的增益的控制電路。
又，本發明另也提供了一種穩壓方法，包含提供一功率電晶體，根據 其導通狀況，而將一供應電壓轉換成一輸出電壓給一負載；根據與輸出電壓 相關的反饋信號和參考電壓的比較，控制該功率電晶體的導通狀況；提取與 負載狀況有關的信號；以及根據該與負載狀況有關的信號，控制該功率晶體 管的導通能力。
上述方法中，該控制功率電晶體的導通能力的步驟包括以下之一或兩者 (l)控制該功率電晶體的尺寸；或(2)改變反饋信號和參考電壓的比較結果和該 功率電晶體導通狀況之間的關係。
底下藉由具體實施例詳加說明，應當更容易了解本發明的目的、技術內 容、特點及其所達成的功效。


圖1為先前技術的低壓降穩壓器的電路圖。 圖2示出本發明其中一個實施例的示意電路圖。 圖3舉例說明提取電流信號的其中一種方式。 圖4舉例說明模擬數字轉換器的其中 一種作法。 圖5舉例說明可變功率電晶體的其中一種作法。。 圖6示出本發明另一個實施例的示意電路圖。 圖7舉例說明可變電流源的其中一種作法。。 圖8示出本發明另一個實施例的示意電路圖。主要附圖標記說明
10公知低壓降穩壓器12可變功率電晶體
14模擬數字轉換器16轉導》文大器
18電晶體22功率電晶體
26可變增益轉導;^史大器28可變電流源
31箝位電路100穩壓器
ui iin開關12卜12n功率電晶體
200穩壓器300穩壓器
csn位控制信號fb反饋信號
gm轉導放大器p0功率電晶體
5Vcc 供應電壓 Vout 輸出電壓
Refl Ref N, Vref 參考電壓
具體實施例方式
首先請參考圖2的示意電路圖，本發明將以LDO電路為例作說明。如圖 所示，在本實施例的線性穩壓器100中，其功率電晶體12為可變尺寸的功率 電晶體，其尺寸根據控制信號CS而變化。在本實施例中控制信號CS為N位 的數字控制信號，由模擬數字轉換器14根據通過功率電晶體12的電流信號 所產生的相對應電壓而得。當負載為重載時，由於所需供應的電流量較大， 因此控制信號CS使可變功率電晶體12的尺寸放大；當負載從重載變成輕載 或無載時，由於所需供應的電流量減小，控制信號CS便縮小可變功率晶體 管]2的尺寸，以加速其反應時間，提高穩定性，使電路快速進入平衡狀態而 增加效能。
提取電流信號的方式有多種，圖3顯示其中一例，可通過檢測通過晶體 管18的電流，並根據電晶體12和電晶體18的匹配比例，來推知通過可變功 率電晶體12的電流。然而，就本發明而言，並不需要知道通過可變功率晶體 管12的精確電流量，單憑負載變化的概略狀況，即可判斷負載的狀況，亦即 負載為重載或輕載。
模擬數字轉換器14亦有多種實施方式，圖4顯示其中一例，所提取的電 流信號具有與其相對應的電壓信號，將該些多個電壓信號與多個不同位階的 參考電壓Ref 1 Ref N相比較，即可產生N位的數字控制信號，於此，對於 其它實施態樣為本領域普通技術人員所知悉，為簡潔起見，故不再贅述。
功率電晶體12尺寸的調變方式，亦有許多施行態樣，例如請參閱圖5， 其為眾多施行態樣中的一實施例，其中，轉導放大器16的輸出同時控制功率 電晶體121-12N的柵極，該多個功率電晶體的尺寸(亦即通道寬度)可為 l:l:l丄..或1:2:4:8...等等。各功率電晶體是否發揮作用，則由模擬數字轉換 器14的輸出(即N位數字控制信號CS )來控制，在本實施例中，當模擬數 字轉換器14的輸出位全部為高電平時，則所有功率電晶體121 12N全部發 揮作用；當模擬數字轉換器14的輸出位僅有部分為高電平時，則僅有與輸出 位相對應的部分功率電晶體121 12N發揮作用。如此，即可達到調變功率晶 體管12尺寸的目的。圖6顯示本發明的另一個實施例(線性穩壓器200)，在本實施例中，功 率電晶體22為固定尺寸，但其轉導放大器26的增益則可受控制信號CS的 控制而變化。如圖所示，可變增益轉導放大器26包含一個可變電流源28, 通過控制電流源28的電流量，即可改變反饋信號FB與功率電晶體22柵極 電壓之間的關係。當負載由重載變為輕載時，可通過降低轉導放大器26的增 益，迅速減低功率電晶體22的導通電流變化量，以使電路快速達到穩定狀態。
可變電流源28的實施方式亦有許多態樣，例如可參閱圖7，此為眾多實 施態樣中的一實施例；其中，可得知其為 一電流鏡(current mirror),由模擬 數字轉換器14的輸出所控制，以決定整體所需的電流總量，亦即，當模擬數 字轉換器14的輸出位僅有部分為高電平時，則僅有與輸出位相對應的部分開 關281 28N會導通而讓電流通過，進而藉此可視需要來調整所需的整體電流 總量大小。如此，即可達到調變電流量的目的。
圖8顯示本發明的另一個實施例(線性穩壓器300),在本實施例中，功 率電晶體12的尺寸和轉導放大器26的增益皆為可變；兩者可受同一個控制 信號CS所控制，或分別受同一個數字控制信號CS的不同位所控制，或分別 受不同控制信號所控制(最後一種情況未示出，此種情況中例如可使用兩組 模擬數字轉換器，根據不同參考位階進行模擬數字轉換)。
此外，在本實施例中另設有一個箝位電路(clamp circuit) 31,以提供保 護機制。箝位電路31的作用在於限制功率電晶體12的柵極-漏極壓差不得 超過一定範圍，以避免對輸出端供應過量電流，造成輸出端電路損壞。
以上已針對較佳實施例來說明本發明，以上所述者，僅為使本領域普通 技術人員易於了解本發明的內容而已，並非用來限定本發明的權利範圍；對 於本領域普通技術人員，當可在本發明概念之內，立即思及各種等效變化。 例如，圖2所示提取電流信號的位置，僅為一例；亦可自其它地方，例如自 輸出端提取電流信號。又如，圖中5以控制開關111 11N的方式來調變功率 電晶體12的尺寸，也僅是作法之一；亦可不使用開關111 11N,而直接以模 擬數字轉換器14的輸出位來拉高對應的功率電晶體121 12N的柵極電壓。 此外，經過模擬數字轉換，以數字方式控制可變功率電晶體12的尺寸，也僅 是其中一種較佳實施方式；若不以數字方式而以模擬或其它方式來進行控制，
亦屬本發明的概念。總之，凡依本發明的概念與精神所進行的均等變化、置 換或修飾，均應包括於本發明的權利要求內。
權利要求
1. 一種線性穩壓器，包含一可變功率電晶體，其第一端與供應電壓電連接，第二端與輸出電壓電連接，第三端受控於與輸出電壓相關的反饋信號和參考電壓的比較結果；以及可調整該可變功率電晶體的尺寸的一控制電路。
2. 如權利要求1所述的線性穩壓器，其中該控制電路根據線性穩壓器的 負載狀況而調整該可變功率電晶體的尺寸。
3. 如權利要求1所述的線性穩壓器，其中該控制電路檢測通過該可變功 率電晶體的電流或該線性穩壓器的輸出電流，並根據該電流而調整該可變功 率電晶體的尺寸。
4. 如權利要求1所述的線性穩壓器，其中該控制電路產生數字控制信號， 以數字方式調整該可變功率電晶體的尺寸。
5. 如權利要求4所述的線性穩壓器，其中該控制電路中包括一個模擬數 字轉換器。
6. 如權利要求1所述的線性穩壓器，其中該可變功率電晶體包括多個並 聯的電晶體。
7. 如權利要求1所述的線性穩壓器，其中該反饋信號和參考電壓的比較 由一轉導放大器執行。
8. 如權利要求7所述的線性穩壓器，其中該轉導放大器的增益為可變。
9. 如權利要求8所述的線性穩壓器，其中該轉導放大器包括一個可變電 流源，其電流量可受該控制電路的控制而變化。
10. 如權利要求8所述的線性穩壓器，其中該控制電路根據線性穩壓器的 負載狀況而調整該轉導放大器的增益。
11. 如權利要求8所述的線性穩壓器，其中該控制電蹈4全測通過該功率晶 體管的電流或該線性穩壓器的輸出電流，並根據該電流而調整該轉導放大器 的增益。
12. 如權利要求8所述的線性穩壓器，其中該控制電路產生數字控制信號， 以數字方式調整該轉導放大器的增益。
13. —種穩壓方法，包含以下步驟提供一功率電晶體，根據其導通狀況，而將一供應電壓轉換成一輸出電壓給一負載；根據與該輸出電壓相關的一反饋信號和一參考電壓的一比較結果，控制該功率電晶體的導通狀況；提取與負載狀況有關的一信號；以及根據該信號，控制該功率電晶體的導通狀況。
14. 如權利要求13所述的方法，其中該提取與負載狀況有關的該信號的 步驟更包括檢測通過該功率電晶體或供應給該負載的 一 電流。
15. 如權利要求14所述的方法，其中該提取與負載狀況有關的該信號的 步驟更包括將該電流信號轉換為一數位訊號，其中該數位訊號即為該信號。
16. 如權利要求13所述的方法，其中該提取與負載狀況有關的該信號的 步驟更包括提供一轉導放大器，用以比較該反饋信號與該參考電壓，產生該比較結果；其中，該轉導放大器的增益為可變。
17. 如權利要求13所述的方法，其中該控制該功率電晶體的導通狀況的 步驟更包括改變該功率電晶體的尺寸。
18. 如權利要求16所述的方法，其中該控制該功率電晶體的導通狀況的 步驟更包括根據該信號，改變該轉導放大器的增益。
19. 如權利要求16所述的方法，其中該轉導放大器包括一個可變電流源， 且該控制該功率電晶體的導通狀況的步驟更包括根據該信號，改變該可變電流源的電流量。
全文摘要
本發明提出一種線性穩壓器與穩壓方法。穩壓方法包含提供一功率電晶體，根據其導通狀況，而將一供應電壓轉換成一輸出電壓給一負載；根據與輸出電壓相關的反饋信號和參考電壓的比較，控制該功率電晶體的導通狀況；提取與負載狀況有關的信號；以及根據該與負載狀況有關的信號，控制該功率電晶體的導通能力。
文檔編號G05F1/56GK101520667SQ200810081298
公開日2009年9月2日 申請日期2008年2月26日 優先權日2008年2月26日
發明者林盈熙, 蔡宗諺 申請人:瑞昱半導體股份有限公司