低壓降穩壓器的製作方法
2023-05-08 16:17:16
專利名稱：低壓降穩壓器的製作方法
技術領域：
本發明是有關於一種低壓降穩壓器(low dropout regulator, LDO regulator)。
背景技術：
低壓降穩壓器(LD0 regulator)已廣泛應用於可攜式電子裝置(例如手機、個人 數字助理PDA、數字相機、或筆記型計算機等)的電源管理上。圖1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，以令該功率晶 體管Mp得以根據其控制端(此例為柵極)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的輸出將調整功率電晶體Mp的控制端(柵極)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所需的負載電流Iload影響。圖2以波形圖 圖解負載電流Iload對輸出電壓Vout的作用。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。圖1所示的電容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。
發明內容
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瞬時 響應快的輸出電壓。此外，本發明的低壓降穩壓器允許較大的輸入電壓。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的穩定與響 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的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的回授信息與一參考電位的電位差值、以及該電流變異感測電路上述第二與第一輸出端的電位差值調整該功率電晶體的上述控制端的電 位。與傳統技術相較，本案低壓降穩壓器無須使用到大電容或外接式大電容即可具有 高穩定度、良好的瞬時響應以及節省電路面積。此外，雙重放大器的作用將使得輸入電壓的 範圍較不受限制。以下列舉多個實施方式與相關附圖以幫助了解本發明。
圖1圖解低壓降穩壓器的傳統實施方式；圖2以波形解負載電流Iload對輸出電壓Vout的作用；圖3圖解本案低壓降穩壓器的一種實施方式；圖4以波形圖更具體說明該電流變異傳感器304的作用；圖5為本案低壓降穩壓器的另外一種實施方式；圖6A與6B為本案低壓降穩壓器的另外一種實施方式；圖7為本案低壓降穩壓器的另外一種實施方式；圖8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。主要組件符號說明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；Cl." C4、Cout 電容；Dl 第一二極體D2 第二二極體；II、12 鏡像產生的電流； Iload 負載電流；M1...M12 電晶體;Mml、Mm2 鏡像電晶體；Mp 功率電晶體；R1、R2 電阻；t 時間點；V1、V2 第一、第二輸出端的第一、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c
具體實施例方式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 際的範圍仍應當以權利要求書的敘述為主。圖3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。此圖例的補償電路 306包括一第一誤差放大器307以及一第二誤差放大器308。圖中所示的低壓降穩壓器用 於轉換一輸入電壓Vin為一輸出電壓Vout供一負載310使用。參考圖3所示的實施方式，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(柵極)和一輸出端(漏極)，其中該電源端(源極)接收上述輸入電 壓Vin，且該輸出端(漏極)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VI)以及一第二輸出端(電位為怕。電流變異感測電路304將 隨該功率電晶體Mp的電流變異於其第一與第二輸出端(電位Vl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的回授信息與一參考電壓Vref的電位差值對功率電晶體Mp的 控制端(柵極)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 VI)的電位差值控制電晶體Mp的控制端(柵極)。如此設計的低壓降穩壓器在穩定度與瞬 時響應上都有良好的表現。參閱圖3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信息、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(柵極)。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VI)、以及一輸出端耦接該功率電晶體Mp上述控制端(柵極)。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的穩定度，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的電流的影響。耦接在電流變異感測電路304與功率電晶體Mp控制端(柵 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(圖1 Cout)即可具有高穩定度以及良好的瞬時響應。 此外，雙重放大器的作用(第一與第二誤差放大器307與308)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。參閱圖3，其中電流變異感 測電路304包括一第一鏡像電晶體Mml、一第二鏡像電晶體Mm2、一第一二極體D1、一第一 電容Cl、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Mml與Mm2與該功率電晶體Mp連接在一起以分別鏡像產生電流Il與12 ；在此實施方式中，第一與第二 鏡像電晶體Mml與Mm2與該功率電晶體Mp以電流鏡方式連接。上述第一二極體Dl以及第 一電容Cl並聯於該第一鏡像電晶體Mml以及一定電位端(如，接地)之間，以接收電流II。 上述第一二極體D1、第一電容Cl與第一鏡像電晶體Mml的連接處即該電流變異感測電路 304的上述第一輸出端，提供電位VI。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12。上述第二二極體D2、 第二電容C2與第二鏡像電晶體Mm2的連接處即該電流變異感測電路304的上述第二輸出 端，提供電位V2。上述組件Mml、Mm2、Dl、Cl、D2與C2在精心設計其電子特性下，可令電位 Vl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，可令鏡像晶 體管Mml與Mm2具有相同電子特性、二極體Dl與D2具有相同電子特性，但第一電容Cl的 電容值小於第二電容C2的電容值；如此一來，電位Vl上的第一電壓變異的速度將快於電位 V2上的第二電壓變異的速度。圖4以波形圖更具體說明該電流變異傳感器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 將被電流變異傳感器304感測，並於電位Vl與電位V2上反應出來。觀察圖4，電位Vl所提 供的第一電壓變異的速度快於電位V2所提供的第二電壓變異的速度。同一時間點一如時 間點t一第一電位Vl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的控制端(柵極)電位進行控制。在圖3所示的實施方式中，其中還可採用一電容C3，用以實現米勒補償技術。電容 C3耦接於該功率電晶體Mp的上述控制端(柵極)與輸出端(漏極)之間。圖5為本案低壓降穩壓器的另外一種實施方式。與圖3相較，圖5的低壓降穩壓器 還在補償電路內設計一緩衝器502耦接該第一誤差放大器307的輸出端至第二誤差放大器 308的輸出端。第一誤差放大器307的輸出將先經由緩衝器502緩衝後方與第二誤差放大器 308的輸出結合輸入該功率電晶體Mp的控制端(柵極)。此外，圖5的低壓降穩壓器還包括 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的輸入端與該功率電晶體Mp的輸出端(漏極)之間。圖6A、6B圖解本案低壓降穩壓器的另一種實施方式。在前述圖3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的差值是專由第一誤 差放大器307放大，而信號V2與Vl的差值是專由第二誤差放大器308放大。然而，圖6A、 6B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的差值放大 電路與信號V2與Vl的差值放大電路部份共享。圖6B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的電晶體ΜΡ··Μ9，還設計有三個電晶體M10、 Mll與Μ12。電晶體Μ7與Μ8的柵極用作第一、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MlO與Mll的柵極用作第三、第四輸入端上，分別接收信號V2 與Vl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VI)共享圖中所示的電流鏡電路(由電晶體ΜΡ··Μ6所組成)。圖6Β所示的雙輸 入對誤差放大器602將第一對差動輸入(Vout與Vref)的差值的放大結果、與第二對差動 輸入(V2與VI)的差值的放大結果疊加於其輸出端Out以耦接至功率電晶體Mp的控制端 (柵極)。圖6B所示的電路並非意圖限定雙輸入對誤差放大器602的結構，其它「以部分共 享電路放大兩對差動輸入」的電路結構皆可被用來實現雙輸入對誤差放大器602。
此外，圖3所示的第二誤差放大器308技術、圖5所示的緩衝器502技術，也可與 圖6A、6B所示的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的控制端(柵極)上。圖7即圖解一種同時採用緩衝器502、補償組件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的輸入端與功率電晶體漏極Mp 漏極之間，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則為必要組件一定要存在。此外，除了前述的補償電路，任何以同樣 精神形成的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的負載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Cl、C2、C3、C4可與負載310 —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。參考圖8是顯示一 P型Class-AB放大器(p-type ClassAB 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(柵極)電位。前述多種實施方式是用來幫助了解本發明，並非用來限定本案範圍。本案範圍請 見權利要求書。
權利要求
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，其特徵在 於，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，耦接該功率電晶體的該輸出端，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的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，根據該輸出電壓的回授信息與一參考電位的電位差值、以及該電流變異 感測電路的該第二與第一輸出端的電位差值調整該功率電晶體的該控制端的電位。
2.根據權利要求1所述的低壓降穩壓器，其特徵在於，該電流變異感測電路包括一第一鏡像電晶體、以及一第二鏡像電晶體，與該功率電晶體連接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接點即該電流變異感測電路的該第一輸 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接點即該電流變異感測電路的該第二輸 出端。
3.根據權利要求2所述的低壓降穩壓器，其特徵在於，該第一與第二電容與該負載一 樣皆製作於一晶片中。
4.根據權利要求1所述的低壓降穩壓器，其特徵在於，還包括一第三電容耦接於該功 率電晶體的該控制端與輸出端之間。
5.根據權利要求4所述的低壓降穩壓器，其特徵在於，該第三電容、與該負載一樣皆制 做於一晶片中。
6.根據權利要求1所述的低壓降穩壓器，其特徵在於，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信息、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的該控制端；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的該第二輸出端、一 第二輸入端耦接該電流變異感測電路的該第一輸出端、以及一輸出端耦接至該功率電晶體 該控制端。
7.根據權利要求6所述的低壓降穩壓器，其特徵在於，還包括一緩衝器，具有一輸入端 耦接該第一誤差放大器的該輸出端，且具有一輸出端耦接該第二誤差放大器的該輸出端。
8.根據權利要求7所述的低壓降穩壓器，其特徵在於，還包括一第四電容耦接於該緩 衝器的該輸入端與該功率電晶體的該輸出端之間。
9.根據權利要求8所述的低壓降穩壓器，其特徵在於，該第四電容與該負載一樣皆制 作於一晶片中。
10.根據權利要求6所述的低壓降穩壓器，其特徵在於該功率電晶體為P通道電晶體；且該第一誤差放大器的該第一輸入端為正輸入端，且該第二輸入端為負輸入端。
11.根據權利要求6所述的低壓降穩壓器，其特徵在於，該功率電晶體為P通道電晶體；該電流變異傳感器所產生的該第一電壓變異的變化速度快於該第二電壓變異；且該第二誤差放大器的該第一輸入端為正輸入端，且該第二輸入端為負輸入端。
12.根據權利要求1所述的低壓降穩壓器，其特徵在於，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享的電路將該輸出電壓的回授信息與該參考電 壓的電位差值、以及該電流變異感測電路的該第二與第一輸出端的電位差值分別放大且疊 加輸出。
13.根據權利要求12所述的低壓降穩壓器，其特徵在於，還包括一緩衝器，具有一輸入 端耦接該雙輸入對誤差放大器的輸出，且具有一輸出端耦接該功率電晶體的該控制端。
14.根據權利要求13所述的低壓降穩壓器，其特徵在於，還包括一第四電容耦接於該 緩衝器的該輸入端與該功率電晶體的該輸出端之間。
15.根據權利要求14所述的低壓降穩壓器，其特徵在於，該第四電容與該負載一樣皆 製作於一晶片中。
16.根據權利要求13所述的低壓降穩壓器，其特徵在於，該補償電路還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的該第二輸出端、一 第二輸入端耦接該電流變異感測電路的該第一輸出端、以及一輸出端耦接至該功率電晶體 的該控制端。
17.根據權利要求16所述的低壓降穩壓器，其特徵在於該功率電晶體為P通道電晶體；該電流變異傳感器所產生的該第一電壓變異的變化速度快於該第二電壓變異；且該第二誤差放大器的該第一輸入端為正輸入端，且該第二輸入端為負輸入端。
全文摘要
本發明提供一種低壓降穩壓器，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。該功率電晶體具有一電源端、一控制端和一輸出端，其中，電源端接收一輸入電壓，且輸出端耦接至電流-電壓轉換電路以產生一輸出電壓。電流變異感測電路隨著功率電晶體的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。補償電路，根據輸出電壓的回授信息與一參考電位的電位差值、以及電流變異感測電路的第二與第一輸出端的電位差值調整該功率電晶體的控制端的電位。
文檔編號G05F1/575GK102117089SQ20091021524
公開日2011年7月6日 申請日期2009年12月31日 優先權日2009年12月31日
發明者林崇偉, 陳建宇 申請人:財團法人工業技術研究院