CN100595714C - 低压降稳压器及其稳压方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低压降稳压器及其稳压方法，其包含有用以供电至输出端的P型传输晶体管与N型传输晶体管。P型传输晶体管与N型传输晶体管平行设置，并利用两个误差放大器控制P型传输晶体管与N型传输晶体管的栅极，以产生第一输出电压与第二输出电压。因此，当输入电压高于一临界电压时，则会产生第一电压，当输入电压低于临界电压时，则会产生第二电压。

Description

低压降稳压器及其稳压方法

技术领域

本发明为一种稳压电路，特别是一种具有大输入电压范围的低压降稳压器。

背景技术

具低压降(low dropout；LDO)的稳压器被相当广泛地应用于如计算机、行动电话、交通工具或是其余电子产品之电源管理***上。电源管理***使用低压降稳压器作为区域性电源供应器。低压降稳压器必须具有纯净的输出与快速瞬时响应。同时，低压降稳压器更使电源管理***可以有效提供小于一般供应电压等级的额外电压。举例来说，5伏特或是12伏特的电压管理***使用低压降稳压器，将可供应部份的芯片组或是内存纯净的2.5伏特及3.3伏特的电压讯号。

尽管低压降稳压器并不能相当有效率地转换功率，但是他却具有体积小、成本不高的特点，且也仅有相当小的频率干扰(frequencyinterference)。此外它可提供区域电路纯净的电压，且不会因为电源***的其它区域的电流波动(current fluctuations)而受影响。因此，在区域电路的功率消耗相对于整体电源供应***的负载来说相当微小时，低压降稳压器被广泛地使用于区域电路的电源供应。

一理想低压降稳压器提供精准的直流电输出，同时于负载变化以及输入瞬时时具有快速响应。且因为低压降稳压器广泛地应用于量产的产品，如计算机与行动电话，故设计简单与低生产成本也是必要的。传统的稳压器包含有耦接于传递组件的反馈控制回路，其可调变传递组件的栅极电压而能控制其阻抗(impedance)。根据栅极电压，传递组件可供应不同等级的电流至电源供应器的输出区。因此，不论负载的情况与输入的瞬时响应，因为栅极电压被调变，故都会提供稳定的直流电压输出。如图1所示，系为习知源极随耦稳压器(sourcefollow regulator)的电路图，其包含有N型传输晶体管10、反馈控制电路11以及分压器12，分压器12具有分压点FB以及两个电阻121、122。源极随耦稳压器接收未调整的直流输入电压V_IN，并输出调整后的直流输出电压V₀。反馈控制电路11包含有误差放大器15以及传输至误差放大器15的正输入端的参考讯号V_REF。误差放大器15的输出端连接至N型传输晶体管10之栅极端G，而直流输入电压V_IN传输至N型传输晶体管10的漏极端D，源极端S则可传递直流输出电压V₀。直流输出电压V₀系由反馈控制电路11透过分压器12来传递。电阻121、122串连于直流输出电压V₀与参考地端之间，分压点FB位于两电阻121、122之间，并连接回误差放大器15的负输入端。

这种源极随耦稳压器的优点在于良好的稳定性，N型传输晶体管10提供衰减至反馈回路，误差放大器15主要控制回路的增益(gain)，而可轻易达到足够的增益边限(Gain Margin)和相位边限(PhaseMargin)。另一个优点在于具有高电源拒斥比(Power SupplyRejection Ratio；PSRR)，N型传输晶体管10由漏极端D接收直流输入电压V_IN，因此可具有高的阻抗来抵抗由直流输入电压V_IN至直流输出电压V₀的噪声。然而，源极随耦稳压器缺点是此种稳压器具有高的压降电压，栅极至源极电压Vgs₁高于导通N型传输晶体管10之临界电压V_T。直流输入电压V_IN与直流输出电压V₀之间的电压差限制了直流输出电压V₀的上限。漏极至源极电压V_DS1乃是当N型传输晶体管10于截止状态时，位于漏极端D与源极端S的电压降。

请参阅图2，系为低压降稳压器的基本结构，低压降稳压器包含有P型传输晶体管20，反馈控制电路21与分压器22，分压器22包含有两个电阻221、222，反馈控制电路21包含有误差放大器211以及传输至误差放大器211之负输入端的参考讯号V_REF，而误差放大器211的输出端连接于P型传输晶体管20的栅极端G。

未调整的直流输入电压V_IN传输至P型传输晶体管20的源极端S，P型传输晶体管20由漏极端D输出调整后的直流输出电压V₀，且直流输出电压V₀，透过电阻221、222，传送至误差放大器211之正输入端。参考讯号V_REF传递至误差放大器211的负输入端。此低压降稳压器的优点是低的压降电压(LDO)。P型20于栅极至源极电压Vgs₂高于其临界电压V_T时导通，误差放大器211的输出端会被连接至接地端，因此达成一个具有相当低输入至输出电压的低压降稳压器。漏极至源极电压V_DS2乃是当P型传输晶体管20为截止状态时，位于漏极端D与源极端S的电压降。

这种低压降稳压器的缺点乃是当直流输入电压V_IN较大时会趋于不稳定，P型传输晶体管20会提供显著的增益至反馈回路。此外由于米勒效应，寄生电容(parasitic capacitor)23将会在误差放大器211的输出端带来相当大的电容值，而会在反馈循环形成极点，进而影响稳压器的转换函数，为了回路的稳定性，误差放大器211得具备有较低的输出阻抗来使极点位移至较高的频率。然而，要使误差放大器211具有较低的输出阻抗相当困难，尤其是当输入直流电压V_IN较高时。

低压降稳压器的另外一个问题在于较差的电源拒斥比，直流输入电压V_IN传递至P型传输晶体管20的源极端S乃是低阻抗，直流输入电压V_IN的噪声(noise)相当容易干扰P型传输晶体管20的栅极至源极电压Vgs₂。因此，发展具高电源拒斥比与大输入电压范围的低压降稳压器乃是必然趋势。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种低压降稳压器及其稳压方法，其可于大输入电压范围下操作，并具有高电源拒斥比。

本发明的技术方案是这样的：低压降稳压器，包含有N型传输晶体管、P型传输晶体管、控制电路、分压器、输入端与输出端；N型传输晶体管供电至输出端，N型传输晶体管的漏极端耦接于输入端，源极端耦接输出端；而P型传输晶体管与N型传输晶体管以并联方式连接，P型传输晶体管的源极端耦接于输入端，漏极端耦接至输出端。参考讯号输入至控制电路，控制电路耦接于输出端且其输出端分别连接于N型传输晶体管的栅极端与P型传输晶体管的栅极端，并控制N型传输晶体管与P型传输晶体管来根据参考讯号产生第一输出电压与第二输出电压，其中第一输出电压的设计高于第二输出电压；当输入电压高于临界电压时，会产生第一输出电压，而当输入电压低于临界电压时，会产生第二输出电压。

另一方面，低压降稳压器更可包含侦测电路，可于输入电压高于输入临界电压时，使P型截止，因此，当输入至输出电压过高时，低压降稳压器可像具有高电源拒斥比与回路稳定性的源极随耦稳压器一般操作，且当输入至输出电压过低时，其又可具有低的压降电压。

附图说明

图1为习知源极随耦稳压器的电路示意图。

图2为习知低压降稳压器的电路示意图。

图3为本发明低压降稳压器的较佳实施例的电路示意图。

图4为本发明低压降稳压器的另一较佳实施例的电路示意图。

图5为本发明低压降稳压器具有输入电压侦测电路的较佳实施例的电路示意图。

具体实施方式

根据本发明所揭露的低压降稳压器及其稳压方法，如图3所示，系为本发明低压降稳压器的较佳实施例电路图，低压降稳压器(LDOregulator)包含有N型传输晶体管(N-type pass transistor)31、P型传输晶体管(P-type pass transistor)32、控制电路30、分压器35、输入端36与输出端37。低压降稳压器由输入端36接收未调整的直流输入电压V_IN，并于调整后由输出端37输出直流输出电压V₀。N型传输晶体管31由输入端36供电至输出端37。N型传输晶体管31包含有漏极端D、源极端S与栅极端G，漏极端D耦接于输入端36，源极端S耦接于输出端37。P型传输晶体管32与N型传输晶体管31以并联方式连接，同样的，P型传输晶体管32也包含有漏极端D、源极端S与栅极端G，源极端S耦接于输入端36，漏极端D耦接于输出端37。

如图3中所示，控制电路30包含有两个误差放大器(erroramplifier)33、34。参考讯号V_REF传递入控制电路30，误差放大器33透过分压器35耦接于输出端37。分压器35包含有依次串接于输出端37与接地端之间的电阻351、352、353，电阻352的两端分别为第一反馈讯号接点和第二反馈讯号接点，并可产生第一反馈讯号V_FB1与第二反馈讯号V_FB2。第一反馈讯号V_FB1与第二反馈讯号V_FB2分别传送至误差放大器33的反相输入端和误差放大器34的同相输入端，其中第二反馈讯号V_FB2高于第一反馈讯号V_FB1。误差放大器33根据参考讯号V_REF控制N型传输晶体管31以产生第一输出电压V₀₁；误差放大器34透过分压器35耦接于输出端37根据参考讯号V_REF控制P型传输晶体管32来产生第二输出电压V₀₂，其中第一输出电压V₀₁与第二输出电压V₀₂系可由方程式(1)、(2)来表示：

$V_{01}=V_{\mathrm{REF}}\×\frac{R_{351}+R_{352}+R_{353}}{R_{353}}---\left(1\right)$

$V_{02}=V_{\mathrm{REF}}\×\frac{R_{351}+R_{352}+R_{353}}{R_{352}+R_{353}}---\left(2\right)$

其中，R₃₅₁为电阻351的电阻值；

      R₃₅₂为电阻352的电阻值；

      R₃₅₃为电阻353的电阻值；

因此，第一输出电压V₀₁会略高于第二输出电压V₀₂。

N型传输晶体管31供应第一输出电压V₀₁当其导通并产生第一输出电压V₀₁至输出端37时。当输入电压V_IN过低而造成N型传输晶体管31截止时，P型传输晶体管32会导通来产生第二输出电压V₀₂传送至输出端37。N型传输晶体管31与P型传输晶体管32为并联连接于输出端37，因此，输入电压V_IN高于临界电压V_TH时将产生第一输出电压V₀₁，而输入电压V_IN低于临界电压V_TH时将产生第二输出电压V₀₂至输出端37，临界电压V_TH系可由下列方程式(3)说明：

V_TH＝Vo+Vgs                (3)

其中，V_gs系为N型传输晶体管31之栅极至源极电压，用以导通N型传输晶体管31，而V₀系为调整后的直流输出电压。

因误差放大器33、34之增益很大，当N型传输晶体管31导通时，P型传输晶体管32会截止。第一输出电压V₀₁与第二输出电压V₀₂之电压差ΔV如下列方程式(4)，且可加以忽略。

ΔV＝V_O1-V_O2               (4)

图4为本发明另一较佳实施例的电路示意图，两个参考讯号，第一参考讯号V_R1与第二参考讯号V_R2分别传送至误差放大器33的同相输入端和误差放大器34的反相输入端。在此一实施例中，分压器35包含有依次串接于输出端37与接地端之间的电阻41、42，误差放大器33、34透过电阻41、42耦接于输出端37。误差放大器33、34分别根据第一参考讯号V_R1与第二参考讯号V_R2控制N型传输晶体管31与P型传输晶体管32来分别产生第一输出电压V₀₃与第二输出电压V₀₄。其中设计第一输出电压V₀₃时会略高于第二输出电压V₀₄，且满足下列方程式(5)、(6)：

$V_{03}=V_{R1}\×\frac{R_{41}+R_{42}}{R_{42}}---\left(5\right)$

$V_{04}=V_{R2}\×\frac{R_{41}+R_{42}}{R_{42}}---\left(6\right)$

其中R₄₁系为电阻41之电阻值；R₄₂系为电阻41之电阻值。

设计第一参考讯号V_R1会略高于第二参考讯号V_R2，因此N型传输晶体管31导通时，产生第一输出电压V₀₃至输出端37，而当输入电压V_IN过低而无法导通N型传输晶体管31时，P型传输晶体管32则会被导通而产生第二输出电压V₀₄至输出端37。

请参阅图5，系为本发明低压降稳压器更包含有侦测电路50的较佳实施例的电路示意图。当输入电压V_IN为高准位时，侦测电路50用来截止P型传输晶体管32不需透过反馈回路，如此提高了输入电压V_IN为高准位时的瞬时响应(transient response)。侦测电路50包含有比较器51与两个电阻52、53。比较器51的同相输入端(positive input terminal)用以接收输入临界电压V_TIN，而反相输入端(negative input terminal)则耦接于输入端36用以透过电阻52、53来侦测输入电压V_IN。当输入电压V_IN大于输入临界电压V_TIN时，比较器51的输出端产生的前馈讯号(feedforward signal)E_NB耦接于放大器34使P型传输晶体管32截止。

本发明所揭露的低压降稳压器，在输入至输出电压(input-to-output voltage)过高时，如同习知源极随耦稳压器般操作，而具有高电源拒斥比与回路稳定性，且当输入至输出电压过低时，其又可达到低压降。

虽然本发明以前述的较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视后附的申请专利范围所界定者为准。

Claims (6)

1、低压降稳压器，其特征在于：包含有：

一输入端，用以接收一输入电压；

一输出端，用以将该输入电压调整后的一输出电压加以输出；

一N型传输晶体管，用以由该输入端供电至该输出端，该N型传输晶体管的漏极端耦接于该输入端、源极端耦接于该输出端；

一P型传输晶体管，用以由该输入端供电至该输出端，该P型传输晶体管的源极端耦接于该输入端、漏极端耦接于该输出端；及

一控制电路，该控制电路的输出端分别连接于该N型传输晶体管与该P型传输晶体管的栅极端，用以控制该N型传输晶体管与该P型传输晶体管的栅极端，使该N型传输晶体管与该P型传输晶体管其中之一导通而输出该输出电压；

更包含有一分压器，耦接于该输出端，该分压器设有第一反馈讯号输出接点与第二反馈讯号输出接点，用以根据该输出电压产生一第一反馈讯号与第二反馈讯号，其中该控制电路可接收一参考讯号，并根据该参考讯号与该第一反馈讯号来控制该N型传输晶体管，根据该参考讯号与该第二反馈讯号来控制该P型传输晶体管；

其中该第二反馈讯号高于该第一反馈讯号。

2、根据权利要求1所述的低压降稳压器，其特征在于：更包含有一侦测电路，该侦测电路耦接于该输入端，并在该输入电压大于一临界电压时，使该P型传输晶体管截止。

3、根据权利要求2所述的低压降稳压器，其特征在于：其中该侦测电路至少包含两个电阻。

4、根据权利要求1所述的低压降稳压器，其特征在于：其中该控制电路包含有两个误差放大器，此两个误差放大器的输出端分别连接于该N型传输晶体管的栅极端和该P型传输晶体管的栅极端，用以控制该N型传输晶体管产生第一输出电压至该输出端，与控制该P型传输晶体管产生第二输出电压至该输出端。

5、根据权利要求4所述的低压降稳压器，其特征在于：其中该第一输出电压系于该输入电压高于一临界电压时所产生，而该第二输出电压系于该输入电压低于该临界电压时所产生。

6、低压降稳压器的稳压方法，其特征在于：该低压降稳压器包含一N型传输晶体管、一P型传输晶体管、一控制电路、一输入端与一输出端，更包含有一分压器，耦接于该输出端，该分压器设有第一反馈讯号输出接点与第二反馈讯号输出接点，用以根据一输出电压产生一第一反馈讯号与第二反馈讯号，该第二反馈讯号高于该第一反馈讯号；

该方法包含有下列步骤：

藉由该输入端接收一未调整的直流电压；

通过该控制电路接收一参考讯号；

当该未调整的直流电压高于一临界电压，该控制电路根据该参考讯号与该第一反馈讯号来控制该N型传输晶体管，透过该N型传输晶体管调整该直流电压而产生一第一输出电压，传送至该输出端作为该输出电压；及

当该未调整的直流电压低于该临界电压，该控制电路根据该参考讯号与该第二反馈讯号来控制该P型传输晶体管，透过该P型传输晶体管调整该直流电压而产生一第二输出电压，传送至该输出端作为该输出电压。

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