TW201122755A - Low dropout regulator - Google Patents

Description

201122755 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於一種低壓降穩壓器（low dropout regulator，LDO regulator)。 【先前技術】 低壓降穩壓器（LDO regulator)已廣泛應用於可攜式電 子裝置（例如手機、個人數位助理PDA、數位相機、或筆記 型電腦等）之電源管理上。 第1圖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1〇4、以及輸出端一電容c〇ut。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，以令該功率電晶體Mp得以根據其控 制端（此例為閘極)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11〇。輸出電壓v〇m可經分壓後呈 回授電壓Vfb輸入誤差放大器1〇4與一參考電位vref比 較。誤差放大器104之輸出將調整功率電晶體Mp之控制 端（閘極）電位，以進而維持輸出電壓V〇ut的穩定度。 然而’輸出電壓Vmit常會受負載110所需之負載電流 Iload影響。第2圖以波形圖圖解負載電流I1〇ad對輸出電 壓Vout之作用。如圖所示，當負載電流I1〇ad有變異發生， 輸出電壓Vout也會有變異發生，可能被拉低(undersh〇〇t) 如202、或被拉高（0versh00t)如2〇4。第1圖所示之電容Cout 201122755 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。 【發明内容】 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暫態響應快的輸出電壓。此外，本 發明之低壓降穩壓器允許較大之輸入電壓。 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之穩定與響應速度。 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 率電晶體之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之回授資訊與一參考 201122755 電位之電位差值、以及該電流變異感測電路上述第二與第 一輸出端之電位差值調整該功率電晶體之上述控制端的電 位。 以下列舉多個實施方式與相關圖示以幫助了解本發 明。 【實施方式】 以下内容包括本發明多種實施方式，其内容並非用來 限定本發明範圍。本發明實際之範圍仍應當以申請專利範 圍之敘述為主。 第3圖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。此圖例之補償 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。圖中所示之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。 參考第3圖所示之實施方式，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（閘極) 和一輸出端（汲極），其中該電源端（源極)接收上述輸入電壓 Vin，且該輸出端（汲極)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 201122755 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V2)。電流變異感測電路304將隨該功率電晶體 Mp之電流變異於其第一與第二輸出端（電位VI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之回授資訊與一參考電壓Vref之電位差 值對功率電晶體Mp之控制端（閘極）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之控制端（閘極）。如此設計之低壓 降穩壓器在穩定度與暫態響應上都有良好的表現。 參閱第3圖所示，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資 訊、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（閘 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（閘極）。 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之穩定 度，更以電流變異感測電路304感測負載電流Iload變異對 201122755 功率電晶體Mp之電流的影響。減在電流變異感測電路 3 04與功率電晶體Mp控制端（閘極)之間的第二誤差放大器 308將形成另外—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（第1圖c〇ut)即 可具有高穩定度以及良好的暫態響應。此外，雙重放大器 的作用（第—與第二誤差放大H遞與3G7)將使得輪^ Vin的範圍較不受限制。 電壓 此段更加討論本案電流變異感測電路的一種實施方 式。參閱第3圖，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—二極 體D卜一第一電容Cb —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連結在一起以分別鏡像產生電流n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以電流鏡方式連結。上述第一二極體D1以及第 一電谷C1並聯於該第一鏡像電晶體Mm 1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、第 一電容C1與第一鏡像電晶體Mml之連結處即該電流變異 感測電路304之上述第一輸出端，提供電位vi。此外，上 述第二一極體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之連 結處即該電流餐異感測電路3 04之上述第二輸出端，提供 電位V2。上述元件Mml、Mm2、Dl、ci、D2與C2在精 心設計其電子特性下，可令電位V1上的第一電壓變異與 201122755 電位V2上的第二電壓變異具有不同的變異速度。例如， 可令鏡像電晶體Mml與Mm2具有相同電子特性、二極體 D1與D2具有相同電子特性，但第一電容C1的電容值小 於第二電容C2的電容值；如此一來，電位VI上的第一電 壓變異之速度將快於電位V2上的第二電壓變異之速度。 第4圖以波形圖更具體說明該電流變異感測器304的作 用，其中，若負載310有變化導致負載電流Iload變動，貝|J 功率電晶體Mp的電流也會變動，此變動將被電流變異感 φ 測器304感測，並於電位VI與電位V2上反應出來。觀察 第4圖，電位VI所提供的第一電壓變異之速度快於電位 V2所提供的第二電壓變異之速度。同一時間點一如時間點 t一第一電位VI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之控制端（閘極）電位 進行控制。 在第3圖所示之實施方式中，其中更可採用一電容 C3，用以實現米勒補償技術。電容C3耦接於該功率電晶 # 體Mp之上述控制端（閘極）與輸出端（汲極）之間。 第5圖為本案低壓降穩壓器的另外一種實施方式。與 第3圖相較，第5圖之低壓降穩壓器更在補償電路内設計 一緩衝器502耦接該第一誤差放大器307之輸出端至第二 誤差放大器308之輸出端。第一誤差放大器307之輸出將 先經由緩衝器502緩衝後方與第二誤差放大器308之輸出 結合輸入該功率電晶體Mp之控制端（閘極）。此外，第5圖 之低壓降穩壓器更包括一第三電容C3和第四電容C4，用 於實現蜂巢式米勒補償(Nested Miller Comoensation)。第四 9 201122755 電容C4麵接於該緩衝器5〇2之輸入端與該功率電晶體Mp 之輸出端（汲極）之間。 第6A、6B圖圖解本案低壓降穩壓器的另一種實施方 式。在前述第3圖中，第一誤差放大器3〇7與第二誤差放 大器308乃各自運作的電路；信號v〇ut與Vref之差值乃 專由第一誤差放大器307放大，而信號V2與VI之差值乃 專由第二誤差放大器308放大。然而，第6A、6B圖實施 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之差值放大電路與信號V2與VI之差值放大 鲁 電路部份共用。第6B圖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之電晶體 Μ1·.·Μ9 ’更設計有三個電晶體M10、Mil與M12。電晶 體M7與M8之閘極用作第一、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M10與Mil之 閘極用作第三、第四輸入端上，分別接收信號V2與VI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)共用圖中所示的電流 籲 鏡電路（由電晶體Μ卜·.M6所組成）。第6B圖所示之雙輸入 對誤差放大器602將第一對差動輸入(Vout與Vref)的差值 之放大結果、與第二對差動輸入(V2與VI)的差值之放大結 果疊加於其輸出端Out以耦接至功率電晶體Mp之控制端 (閘極）。第6B圖所示之電路並非意圖限定雙輸入對誤差放 大器602之結構，其他「以部分共用電路放大兩對差動輸 入」之電路結構皆可被用來實現雙輸入對誤差放大器602。 此外，第3圖所示之第二誤差放大器308技術、第5 10 201122755 圖所不之緩衝器5〇2技術，也可與第6A、6B圖所示之雙 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之控制端（閘極)上。第7圖即圖解〜種同 時採用緩衝器502、補償元件308、602與C3、C4的叔广 隊拉M J他壓 思垄l§，其中，第四電容C4耦接於該緩衝器5〇2之輪入 端與功率電晶體汲極Mp汲極之間，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則為必要元件一定要存在。此外， 除了前述之補償電路，任何以同樣精神形成之補償電路皆 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 負載31〇常為一晶片内的電路。由於前述第一、第二、 =，、第四電容（：1、匚2、（：3、（：4的電容值皆不大，故上 述第、第二、第三、第四電容（：1、〇2、€3、04可與負 载31〇 —樣，皆製作於晶片内部，為〇n_chip形式。 此段更揭露前述第二誤差放大器308、或緩衝器5〇2 =放大器的實施方式’其實施方式如下所述。參考第8 二二：：:厂型α，ΑΒ放大器(Ρ. . AB ‘分^ S操作下’第一與第二輸入端802與 此電路能負端(·)輸入’且端點為輸出端。 位。、、。周控功率電晶體ΜΡ的輸入端（閘極）電 前述多種實施方式乃 限定本案範圍。本案範圍 用來幫助了解本發明，並非用來 5用見以下申請專利範圍。 201122755 【圖式簡單說明】 第1圖圖解低壓降穩壓器的傳統實施方式； 第2圖以波形圖圖解負載電流Iload對輸出電壓Vout 之作用； 第3圖圖解本案低壓降穩壓器的一種實施方式； 第4圖以波形圖更具體說明該電流變異感測器304的 作用； 第5圖為本案低壓降穩壓器的另外一種實施方式； 第6A與6B圖為本案低壓降穩壓器的另外一種實施方 式； 第7圖為本案低壓降穩壓器的另外一種實施方式； 第8圖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。 【主要元件符號說明】 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； 201122755 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； • C1...C4、Cout〜電容； D1第一二極體； D2第二二極體； II、12〜鏡像產生之電流；

Iload〜負載電流； ΐνΠ···Μ12〜電晶體；

Mml、Mm2〜鏡像電晶體；

Mp〜功率電晶體； • Rl、R2〜電阻； t〜時間點； VI、V2〜第一、第二輸出端之第一、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。 13

Claims (1)

1. 201122755 七、申請專利範圍： i·一種低壓降穩壓器，用以將—輪入電 出電壓供一負載使用，該低壓降穩壓器包括 一功率電晶體’具有一電源端 輪入電壓轉換為

   該電源端接收該輸入電壓；

   電流變異於其第-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，根據該輸出電壓之回授資訊與一參考電 位之電位差值、以及該電流變異感測電路之該第二與第一 輸出端之電位差值調整該功率電晶體之該控制端的電位。 2·如申請專利範圍第1項所述之低壓降穩壓器，其中 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 率電晶體連結在一起以分別鏡像產生電流； 一第一一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結點即該電流變異感測電路之該 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 §亥第二鏡像電晶體的一連結點即該電流變異感測電路之該 201122755 第二輸出端。 巾1^專㈣圍帛2項所述之低壓降穩壓器，其中 該第一與^ 二電容與該負載—樣皆製作於—晶片中。 / μ專㈣11第1項所述之低壓降穩壓器，更包 二電絲接於該功率電晶體之該控制端與輸出端之 兮第-雷：明專利範圍帛4項所述之低壓降穩壓器，其中 該第二電容、與該負載—樣皆製做於—晶片中。 該補利範圍帛1項所述之低壓降穩壓器，其中 壓的回具有-第-輸入端接收該輸出電 第一輸入端接收該參考電壓、以及一輸 出㈣接1該功率電晶體之該控制端；以及 異感測電路:ίϊ:二：有一第一輸入端耦接該電流變 異感測電路之嗜第一二：、一第二輸入端耦接該電流變 電晶體該控制端端、以及-輸出端耦接至該功率 更包括帛6項所述之低壓降穩壓器，其中 尺巴枯一緩衝器，且古 ^ τ 該輸出端，且具有人職接該第—誤差放大器之 出端。 勒端耦接該第二誤差放大器之該輸 8.如申請專利範圍第 括一第四電容麵接於該所述之低壓降穩壓器’更包 之該輸出端之間。^之該輸人端與該功率電晶體 9·如申請專利範圍第8項所述之低Μ降穩壓器，其中 15 201122755 該第四電容與該負載一樣皆製作於一晶片中。 10.如申請專利範圍弟第6項所述之低壓降穩壓器，其 中： ’、 該功率電晶體為p通道電晶體；且 該第一誤差放大器之該第一輸入端為正輸入端，且該 第一輸入端為負輸入端。 11 ·如申請專利範圍第6項所述之低壓降穩壓器，其中： 該功率電晶體為P通道電晶體； 该電流變異感測器所產生之該第一電壓變異之變化速 度快於該第二電壓變異；且 該第二誤差放大器之該第一輸入端為正輸入端，且該 第二輸入端為負輸入端。 12. 如申請專利範圍第丨項所述之低壓降穩壓器，其中 該補償電路包括一雙輸入對誤差放大器，該雙輸入對誤差 放大器以部分共用之電路將該輸出電壓之回授資訊與該參 考電壓之電位差值、以及該電流變異感測電路之該第二與 第一輸出端之電位差值分別放大且疊加輸出。 13. 如申請專利範圍第12項所述之低壓降穩壓器，其 中^包括一緩衝器，具有一輸入端耦接該雙輸入對誤差放 大益之輸出，且具有一輸出端耦接該功率電晶體之該控制 端。 14. 如申請專利範圍第13項所述之低壓降穩壓器，更 匕括第四電谷耦接於該緩衝器之該輸入端與該功率電晶 體之該輸出端之間。 15. 如申請專利範圍第14項所述之低壓降穩壓器，其 201122755 中該第四電容與該負載― 16·如申請專利範圍第 中該補償電路更包括： 樣皆製作於一晶片中。 13項所述之低壓降穩壓器 其

   —誤差放’具有—第—輸人端搞接該電流變 路之該第二輪出端、一第二輸入端耦接該電流變 雷=電路之該第一輪出端、以及一輸出端輕接至該功率 電晶體之該控制端。 中：Π.如申請專職圍第16項所述之減降穩壓器，其 該功率電晶體為P通道電晶體； 該電流變異感測器所產生之該第 度快於該第二電壓變異；且 一電壓變異之變化速 該第二誤差放大器之該第一輸 第二輪入端為負輸入端。 入端為正輸入端，且該

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