CN101258457B - 低压降电压调节器 - Google Patents

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Abstract

公开了一种低压降电压调节器设备，包括与电源电压连接的低压降电压调节器电路，其中至少一个输入电压输入到该低压降电压调节器电路以从低压降电压调节器电路产生至少一个输出电压。还提供了与该低压降电压调节器电路集成的反馈补偿元件。为了经受与电源电压相关的高压并从低压降电压调节器电路产生输出电压，该反馈补偿元件通常位于该低压降电压调节器电路中以利用与该低压降电压调节器电路相关的密勒效应。

Description

低压降电压调节器
技术领域
本发明的实施例通常涉及电压调节器。本发明的实施例也涉及应用在电子工业和消费应用中的低压降(dropout)电压调节器。
背景技术
电压调节器在多种电子和机电应用中使用。例如，直流电压调节器典型地在静态电路的情况下实现，其接受可变直流电压输入并产生调节后的直流电压输出。为输入电压和输出负载电流中的变化维持输出电压。一种广泛在工业和商业应用中使用的电压调节器是低压降电压调节器。被称为LDO的“低压降调节器”在停止调节之前较低电压流过时通常运行。
图1示出了作为低压降调节器运行的现有技术电路10的示意图。通常，电路10包括与电源电压12连接的晶体管14和晶体管16。晶体管18通常与晶体管16和电流源20连接，电流源20与地和晶体管14的输出端相连接。晶体管26也与晶体管14和晶体管24连接，晶体管24依次与配置在节点A和B之间的电容器22连接。
晶体管24通常配置在节点A和D之间。电阻28与节点D和G连接。电阻38依次与节点G和地连接。晶体管26也与节点G连接。还提供与电阻30连接的电阻32。注意电阻30和电阻32被配置与电容器34和电阻36并联。节点C连接到电阻30的一端及电容器34和电阻36的一端。可从碰巧与晶体管16连接的节点C得到输出电压37。现有技术电路10的一个问题是电路10经常需要使用外部电容器34并且由于考虑到电容器22的电击穿而不能在更高的电源电压下运行。另外，电路10需要较大的电路面积。
图2示出了描绘从如图1所示的现有技术中的低压降电压调节器产生的数据的曲线图40。以低压降调节器波德曲线的形式提供图40以便说明临界稳定度仅为33度的相位裕度。图40中的区域42显示了33度的较小裕度的稳定度。图40中绘制的线44和46通常表示回路增益相移和大小。因此图40显示具有超出0db的增益的超过180度位移是不稳定的。
与如图1-2所示的配置相关的一个主要问题是电路10不允许电容器22经受这样的电压，该电压是电压Vcc或电源电压12的函数。即，由于电路10的设计，电容器22不能提供最佳补偿。因此，需要一种改进的低压降电压调节器设计和实现以克服与如电路10的现有技术相关联的固有问题。
发明内容
以下概述用于帮助理解只有本发明公开的实施例才有的一些创新特性而并不是详细说明。关于本发明实施例的各方面可通过整个的说明书、权利要求、附图和摘要得到全面的理解。
因此，本发明的一方面提供了一种改进的低压降电压调节器设备。
本发明的另外一方面提供了一种结合使用反馈补偿元件的改进的低压降电压调节器设备。
进一步，本发明的另一方面提供了一种结合使用了利用密勒效应以获得更好的补偿效果的反馈补偿元件的改进的低压降电压调节器设备。
上述方面和其他目的及优点将在此进行说明。公开了一种低压降电压调节器设备，包括与电源电压连接的低压降电压调节器电路，其中至少一个输入电压输入到该低压降电压调节器电路以从低压降电压调节器电路产生至少一个输出电压。还提供与该低压降电压调节器电路集成的反馈补偿元件。为了经受与电源电压相关的高压并从低压降电压调节器电路产生输出电压，该反馈补偿元件通常位于该低压降电压调节器电路中以利用与该低压降电压调节器电路相关的密勒效应。
该反馈补偿元件通常包括电容器，如，例如，双极型结型电容器或电介质电容器。通过实现这样的一种电压调节电路，可去除在该反馈补偿元件或电容器两端的该电源电压依赖性(dependency)，从而该电容器需要的尺寸减小。这种减小是由于密勒效应的改进运用和为了防止有效电容在更高电压下减小而保持通过反馈补偿元件或电容器的电压不变所共同造成的结果。而且，通过不提供其中把电容器与该电源电压输入耦合的配置，提高了输入的鲁棒性(如，最大电源电压和ESD抗扰性)。
附图说明
附图进一步说明了实施例并且结合详细描述，用于对在此所公开的实施例进行解释，其中在附图中在整个视图中相同的参考数字指相同的或具有相似功能的部件以及其被结合在说明书的一部分中并形成说明书的一部分。
图1示出了作为低压降调节器运行的现有技术电路的示意图；
图2示出了描绘从如图1所示的现有技术中的低压降调节器产生的数据的曲线图；
图3示出了依照优选实施例作为改进的低压降调节器运行的电路示意图；
图4示出了描绘从如图3所示的改进的低压降调节器产生的数据的曲线图；以及
图5示出了根据可替换实施例实现的补偿低压降FET电路的示意图。
具体实施方式
在这些非限定的实施例中讨论的特值和配置可以改变以及仅仅引用以说明至少一个实施例，并且不旨在限制其范围。
图3示出了依照优选实施例作为改进的低压降调节器运行的电路60的示意图。注意在图1和图3中，相同或相似的部分或元件通常用相同的参考数字来表示。尽管使用了如图1所示的这样元件，图1中的现有技术电路10不应被视为本实施例的限定特征，而反之，此为一般示例和背景目的而示出，并且也为通过所公开的实施例获得的改进描述上下文。电路60通常包括与电源电压12连接的晶体管14和晶体管16。
晶体管16又与晶体管18连接，该晶体管18与地和电流源20连接。注意电流源20也与晶体管14连接并提供取决于设计因素的启动电流，如15微安。晶体管14通常与晶体管18和电流源20在节点H连接。进一步地晶体管14与晶体管26在节点I连接。晶体管26依次与电阻38在节点G连接。晶体管26也与电阻28在节点G连接。
另外，与如图1所示的现有技术配置不同，如图3所示的电路60包括配置在节点E/C和节点D之间的电容器23。电容器23被选择以优选地经受小于输出电压37，Vout，并且通过利用较大的密勒效应以提供较好的补偿。注意此处使用的术语“密勒效应”通常指的是一种这样的现象，通过该现象在电子设备的输入和输出之间的有效反馈路径能由该设备的极间电容提供。这能影响该设备的总输入导纳，从而造成该设备的总动态输入导纳总是等于或大于该静态电极电容的总和。因此，电容器23作为电路60中的反馈补偿元件运行。
电阻28通常依次与晶体管24在节点D连接。注意，晶体管24也与节点A连接，节点A和节点H电子地构成同一节点。因此晶体管24也与晶体管14，电流源20和晶体管18在节点A/H连接。电阻28也与补偿电容器23连接。
电阻30和32形成电阻分压器并且与晶体管24和26的基极在节点B连接。电容器23、电阻30和电容器34和电阻36也在节点E连接，节点E和节点C电等同于同一节点，从节点C得到输出电压37。注意可作为典型负载的电容器34与作为电负载的电阻36并联。由于电容器23提供的改进的补偿作用，通常不需要电容器34。
图4示出了描绘从改进的低压降调节器(如图3所示的电路60的调节器)产生的数据的曲线图80。曲线图80通常描述了与电路60产生的数据相关的改进的补偿低压降波德图。曲线图80显示回路增益大小数据和回路增益相移数据。同样，具有大于0db增益的超过180度位移是不稳定的，相比于前述现有技术曲线图40描绘的数据有了更大的改进。曲线图80显示了具有59度的相位裕度的增加的稳定度，正如区域82所示出的，所述区域82位于线84以下和180度之上，其中线86与0db交叉。
图5示出了根据可替换实施例实现的补偿低压降FET电路90的示意图。注意在图1、3和5中，相同或相似的部件或元件通常使用相同的参考数字表示。再次的，尽管使用了如图1中的相同参考数字，图1中的现有技术电路10仍不应被视为本实施例的限制特征，而反之，在此为一般示例和背景目的而示出，并且也为通过所公开的实施例获得的改进描述上下文。
作为低压降电压调节器电路运行的电路90通常包括与电源电压12连接的晶体管14、电流源20和FET晶体管92。另外，晶体管26与电阻38和电阻28在节点G连接。晶体管26也与晶体管24连接，晶体管24依次和电阻28在节点D连接。在如图5所示的***或电路90中，电容器22通常配置在节点C和D之间。在如图5所示的配置中，与图1所示的配置不同，电容器22被选择以优选地经受小于Vout(即输出电压37)的电压，并通过利用较大的密勒效应以提供较好的补偿。因此，图5中所示的电容器22在电路90中作为反馈补偿元件运行。电容器22可以例如是双极型结型电容器或氧化电容器。电容器22通常配置在节点E/C和节点D之间。节点D位于晶体管24的发射端。节点D也与电阻28连接。
电阻30和32也与节点B连接，并且节点C与FET晶体管92、电阻30、电容器22、电容器34和电阻36连接。作为典型负载一部分的电容器34与作为电性负载的电阻36并联。电阻30和32串联，两者一起与电容器34和电阻36并联。从节点C可得到电压输出37。
电路90因此实现了在通过改变如何实现反馈补偿而配置的低压降调节器情况下基本电路布局结构。电路90通过应用双极型技术实现。可去除在电容器22(如，双极型结型电容器)两端的电源电压依赖性，因此电容器22需要的尺寸减小。该减小是由于密勒效应的改进运用和尤其是当应用结型电容器时，为防止有效电容在更高电压下减小而保持通过电容器22的电压不变所共同造成的结果。另外，通过不把电容器与电源电压12耦合，从而提高了输入的鲁棒性(如，最大电源电压和ESD抗扰性)。关于反馈补偿电容器23，相同的优点还与图3中所描述的电路60相关。通过在如图1-2所示的现有技术配置不能明显地得到这样的优点。
基于以上描述，应当理解的是，公开了包括与电源电压12连接的低压降电压调节器电路(如，电路60，90)的改进低压降电压调节器设备，其中，至少一个输入电压输入到低压降电压调节器电路60或90以从低压降电压调节器电路60或90产生至少一个输出电压。还提供反馈补偿元件22或23，其与低压降电压调节器电路60或90集成。为了经受与电源电压12相关的高压并从低压降电压调节器电路60或90产生输出电压37，反馈补偿元件22或23通常位于低压降电压调节器电路60或90中以利用与低压降电压调节器电路60或90相关的密勒效应。
反馈补偿元件22或23能以电容器实现，如，双极型结型电容器或电介质电容器。若电容器作为电介质电容器来提供，例如，反馈补偿元件22和/或23可配置为电介质电容器，该电介质电容器由放置在电介质材料层的任一侧上的两金属薄片组成。电介质是如玻璃或塑料(聚合体)的材料并且是绝缘的。电介质的性质由它的电介质常数值确定。
通过实现这样的电压调节器电路60或90，可去除在反馈补偿元件或电容器22，23两端的电源电压依赖性，因此电容器22，23需要的尺寸减小。该减小是由于密勒效应的改进运用和为防止有效电容在更高电压下减小而保持通过反馈补偿元件或电容器22，23的电压不变所共同造成的结果。另外，通过不提供其中将电容器22或23与电源电压输入端耦合的配置，提高了输入的鲁棒性(如，最大电源电压和ESD抗扰性)。
应该理解的是，上述公开的变化以及其他特征和功能或其替换将希望结合到其他一些不同的***或应用中。对本领域的普通技术人员而言，其中各种目前无法预料或不曾预料到的替换、修改、变化或改进也可能随后由下列权利要求覆盖。

Claims (3)

1.一种低压降电压调节器设备，包括：
与电源电压(12)和地端连接的低压降电压调节器电路(90)，其中所述低压降电压调节器电路(90)包括：
第一晶体管(14)、FET晶体管(92)和电流源(20)，其中第一晶体管(14)的发射极端和FET晶体管(92)的源极端连接到电源电压(12)，第一晶体管(14)的第一集电极端和FET晶体管(92)的栅极端连接到电流源(20)的第一端，电流源(20)的第二端连接到地端，第一晶体管(14)的第二集电极端连接到第一晶体管(14)的基极端；
第一电阻(30)，第一端连接到FET晶体管(92)的漏极端并且第二端连接到第二电阻(32)的第一端，其中第二电阻(32)的第二端连接到地端；
第二晶体管(24)，集电极端连接到第一晶体管(14)的第一集电极端并且发射极端连接到第三电阻(28)的第一端；
第三晶体管(26)，集电极端连接到第一晶体管(14)的第二集电极端并且发射极端连接到第四电阻(38)的第一端和第三电阻(28)的第二端，其中第四电阻(38)的第二端连接到地端，其中第二晶体管(24)和第三晶体管(26)每一个的基极端连接到第一电阻(30)的第二端；
电容器(22)，连接在第一电阻(30)的第一端和第三电阻(28)的第一端之间，
其中至少一个输入电压输入到所述低压降电压调节器电路(90)，以从所述低压降电压调节器电路(90)产生至少一个输出电压，和
与所述低压降电压调节器电路(90)集成的反馈补偿元件(22)，其中所述反馈补偿元件(22)包括所述电容器(22)，并且为了经受与所述电源电压(12)相关的高压并从所述低压降电压调节器电路(90)产生所述至少一个输出电压，所述反馈补偿元件(22)位于所述低压降电压调节器电路(90)中，以利用与所述低压降电压调节器电路(90)相关的密勒效应。
2.一种低压降电压调节器设备，包括：
与电源电压(12)和地端连接的低压降电压调节器电路(90)，其中所述低压降电压调节器电路(90)包括：
第一晶体管(14)、FET晶体管(92)和电流源(20)，其中第一晶体管(14)的发射极端和FET晶体管(92)的源极端连接到电源电压(12)，第一晶体管(14)的第一集电极端和FET晶体管(92)的栅极端连接到电流源(20)的第一端，电流源(20)的第二端连接到地端，第一晶体管(14)的第二集电极端连接到第一晶体管(14)的基极端；
第一电阻(30)，第一端连接到FET晶体管(92)的漏极端并且第二端连接到第二电阻(32)的第一端，其中第二电阻(32)的第二端连接到地端；
第二晶体管(24)，集电极端连接到第一晶体管(14)的第一集电极端并且发射极端连接到第三电阻(28)的第一端；
第三晶体管(26)，集电极端连接到第一晶体管(14)的第二集电极端并且发射极端连接到第四电阻(38)的第一端和第三电阻(28)的第二端，其中第四电阻(38)的第二端连接到地端，其中第二晶体管(24)和第三晶体管(26)每一个的基极端连接到第一电阻(30)的第二端；
电容器(22)，连接在第一电阻(30)的第一端和第三电阻(28)的第一端之间，
其中至少一个输入电压输入到所述低压降电压调节器电路(90)，以从所述低压降电压调节器电路(90)产生至少一个输出电压，
与所述低压降电压调节器电路(90)集成的反馈补偿电容器(22)，其中所述反馈补偿电容器(22)包括所述电容器(22)，其包括双极型结型电容器或电介质电容器，其中为了经受与所述电源电压(12)相关的高压并从所述低压降电压调节器电路(90)产生所述至少一个输出电压，所述反馈补偿电容器(22)位于所述低压降电压调节器电路(90)中，以利用与所述低压降电压调节器电路(90)相关的密勒效应；
负载电容器(34)和负载电阻(36)，其中负载电容器(34)和负载电阻(36)每一个的第一端连接到第一电阻(30)的第一端，负载电容器(34)和负载电阻(36)每一个的第二端连接到地端，其中在负载电容器(34)和负载电阻(36)每一个的第一端提供所述至少一个输出电压。
3.一种低压降电压调节器方法，包括：
把低压降电压调节器电路(90)与电源电压(12)和地端连接，其中所述低压降电压调节器电路(90)包括：
第一晶体管(14)、FET晶体管(92)和电流源(20)，其中第一晶体管(14)的发射极端和FET晶体管(92)的源极端连接到电源电压(12)，第一晶体管(14)的第一集电极端和FET晶体管(92)的栅极端连接到电流源(20)的第一端，电流源(20)的第二端连接到地端，第一晶体管(14)的第二集电极端连接到第一晶体管(14)的基极端；
第一电阻(30)，第一端连接到FET晶体管(92)的漏极端并且第二端连接到第二电阻(32)的第一端，其中第二电阻(32)的第二端连接到地端；
第二晶体管(24)，集电极端连接到第一晶体管(14)的第一集电极端并且发射极端连接到第三电阻(28)的第一端；
第三晶体管(26)，集电极端连接到第一晶体管(14)的第二集电极端并且发射极端连接到第四电阻(38)的第一端和第三电阻(28)的第二端，其中第四电阻(38)的第二端连接到地端，其中第二晶体管(24)和第三晶体管(26)每一个的基极端连接到第一电阻(30)的第二端；
电容器(22)，连接在第一电阻(30)的第一端和第三电阻(28)的第一端之间，
其中至少一个输入电压输入到所述低压降电压调节器电路(90)，以从所述低压降电压调节器电路(90)产生至少一个输出电压；和
把反馈补偿元件(22)和所述低压降电压调节器电路(90)集成，其中所述反馈补偿元件(22)包括所述电容器(22)，并且为了经受与所述电源电压(12)相关的高压并从所述低压降电压调节器电路(90)产生所述至少一个输出电压，所述反馈补偿元件位于所述低压降电压调节器电路(90)中，以利用与所述低压降电压调节器电路(90)相关的密勒效应。
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