TWI674493B

TWI674493B - 低壓降分流穩壓器

Info

Publication number: TWI674493B
Application number: TW107117945A
Authority: TW
Inventors: 明東陳; 惠禎林; 又法王
Original assignee: 新加坡商光寶科技新加坡私人有限公司
Priority date: 2018-05-25
Filing date: 2018-05-25
Publication date: 2019-10-11
Also published as: TW202004391A

Abstract

本發明提供了一種低壓降分流穩壓器，其包括一第一電流鏡模組、一第二電流鏡模組以及一輸出模組。第一電流鏡模組的第一端電性連接輸入電壓，第一電流鏡模組具有一高輸出阻抗；第二電流鏡模組的第一端電性連接第一電流鏡模組的第二端，第二電流鏡模組的第二端電性連接一參考電壓；輸出模組的輸出端電性連接第一電流鏡模組的第三端，該輸出模組的輸出端以及第一端分別電性連接第二電流鏡模組，輸出模組的該第二端電性連接參考電壓。

Description

低壓降分流穩壓器

本發明是有關於一種低壓降分流穩壓器，且特別是一種在輸入電壓範圍具有低電流變化率的低壓降分流穩壓器。

在穩壓電路中，低壓降線性穩壓器是一種提供穩定電壓電流的電路，可接收大範圍的輸入電壓，例如5V~30V。

然而由於輸入電壓的範圍相當之大，低壓降線性穩壓器又需要提供一穩定的輸出電流，當輸入電壓是一高電壓時，由於一般低壓降線性穩壓器主要是利用電流鏡電路作為電流源，而傳統的電流鏡開關元件並不具有較高的輸出阻抗，相對地，在其內部消耗的能量也會因此提高。

因此，提供一種具有高輸出阻抗電流源的穩壓器，則是現在業界的一個重要課題。

有鑑於此，本發明實施例公開了一種低壓降分流穩壓器，用於轉換一輸入電壓為一輸出電壓，該低壓降分流穩壓器包括：一第一電流鏡模組，包括一第一端、一第二端以及一第三端，其中，該第一電流鏡模組的該第一端電性連接該輸入電壓，該第一電流鏡模組具有一高輸出阻抗；一第二電流鏡模組，包括一第一端以及一第二端，其中，第二電流鏡模組的該第一端電性連接該第一電流鏡模組的該第二端，該第二電流鏡模組的該第二端電性連接一參考電壓；以及一輸出模組，包括一輸出端、一第一端以及一第二端，其中輸出模組的該輸出端電性連接該第一電流鏡模組的該第三端，該輸出模組的該輸出端以及該第一端分別電性連接該第二電流鏡模組，該輸出模組的該第二端電性連接該參考電壓。

綜上所述，在本發明中的低壓降分流穩壓器是利用結合低壓製程的第一電流鏡開關、第三電流鏡開關以及高壓製程第二電流鏡開關、第四電流鏡開關構成具有高輸出阻抗的電流鏡電路，以降低大幅度的輸入電壓範圍所造成的電流變化，更可以減少穩壓器內部消耗能量。另外，由於結合具有低壓製程的電流鏡開關以及具有高壓製程的電流鏡開關，更可以彈性地調整晶片布局。

為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

1‧‧‧低壓降分流穩壓器

11‧‧‧第一電流鏡模組

12‧‧‧第二電流鏡模組

13‧‧‧輸出模組

14‧‧‧啟動模組

11-N1‧‧‧第一電流鏡模組的第一端

11-N2‧‧‧第一電流鏡模組的第二端

11-N3‧‧‧第一電流鏡模組的第三端

12-N1‧‧‧第二電流鏡模組的第一端

12-N2‧‧‧第二電流鏡模組的第二端

13-N1‧‧‧輸出模組的第一端

13-N2‧‧‧輸出模組的第二端

14-N1‧‧‧啟動模組的第一端

14-N2‧‧‧啟動模組的第二端

14-N3‧‧‧啟動模組的第三端

Out‧‧‧輸出端

MP1‧‧‧第一電流鏡開關

MP2‧‧‧第二電流鏡開關

MP3‧‧‧第三電流鏡開關

MP4‧‧‧第四電流鏡開關

MO1‧‧‧第一輸出開關

MO2‧‧‧第二輸出開關

MO3‧‧‧第三輸出開關

MO4‧‧‧第四輸出開關

MN5‧‧‧第五電流鏡開關

MN6‧‧‧第六電流鏡開關

SWN1‧‧‧第一啟動開關

SWN2‧‧‧二極體接法電晶體

SWN3‧‧‧第三啟動開關

Ibias‧‧‧外部電流源

R1‧‧‧第一阻抗

R2‧‧‧第二阻抗

R3‧‧‧第三阻抗

SW1‧‧‧第一開關

I‧‧‧虛線

II‧‧‧實線

V_CC‧‧‧輸入電壓

Vee‧‧‧參考電壓

圖1繪示為本發明實施例的低壓降分流穩壓器的示意圖。

圖2繪示為圖1中第一電流鏡模組的電路示意圖。

圖3繪示為圖1中第二電流鏡模組的電路示意圖。

圖4繪示為圖1中輸出模組的電路示意圖。

圖5繪示為圖1中啟動模組的電路示意圖。

圖6繪示為圖1第一電流鏡模組的電壓電流示意圖。

在下文將參看隨附圖式更充分地描述各種例示性實施例，在隨附圖式中展示一些例示性實施例。然而，本發明概念可能以許多不同形式來體現，且不應解釋為限於本文中所闡述之例示性實施例。確切而言，提供此等例示性實施例使得本發明將為詳盡且完整，且將向熟習此項技術者充分傳達本發明概念的範疇。在諸圖式中，可為了清楚而誇示層及區之大小及相對大小。類似數字始終指示類似元件。

應理解，雖然本文中可能使用術語第一、第二、第三等來描述各種元件，但此等元件不應受此等術語限制。此等術語乃用以區分一元件與另一元件。因此，下文論述之第一元件可稱為第二元件而不偏離本發明概念之教示。如本文中所使用，術語「及/或」包括相關聯之列出項目中之任一者及一或多者之所有組合。

以下將以至少一種實施例配合圖式來說明所述穩壓器，然而，下述實施例並非用以限制本揭露內容。

以下各開關元件的腳位敘述均根據各腳位的標記數字進行敘述。

〔本發明低壓降分流穩壓器的實施例〕

請參照圖1至圖5，圖1繪示為本發明實施例的低壓降分流穩壓器的示意圖。圖2繪示為圖1中第一電流鏡模組的電路示意圖。圖3繪示為圖1中第二電流鏡模組的電路示意圖。圖4繪示為圖1中輸出模組的電路示意圖。圖5繪示為圖1中啟動模組的電路示意圖。

低壓降分流穩壓器1包括一第一電流鏡模組11、一第二電流鏡模組12、一輸出模組13以及一啟動模組14。

在本實施例中，低壓降分流穩壓器1是一低壓降線性穩壓器(Low-dropout voltage regulator)，用於轉換一輸入電壓V_CC為一輸出電壓V_OUT。在本實施例中，輸入電壓V_CC的範圍可以是0V~40V，例如：4.5V~30V，可根據實際需求進行調整，在本發明中不作限制。

在本實施例中，第一電流鏡模組11包括一第一端11-N1、一第二端11-N2以及一第三端11-N3。第一電流鏡模組11的第一端11-N1電性連接輸入電壓V_CC。

第二電流鏡模組12也包括一第一端12-N1以及一第二端 12-N2。第二電流鏡模組12的第一端12-N1電性連接第一電流鏡模組11的第二端11-N2。第二電流鏡模組12的第二端12-N2電性連接一參考電壓Vee。在本實施例中，參考電壓Vee為一接地電位，然而，可根據實際需求進行設計與調整，在本發明中不作限制。

輸出模組13包括一輸出端Out、一第一端13-N1以及一第二端13-N2。輸出模組13的輸出端Out電性連接第一電流鏡模組11的第三端11-N3，輸出模組13的輸出端Out以及第一端13-N1分別電性連接第二電流鏡模組12，輸出模組13的第二端13-N2電性連接參考電壓Vee。而穩壓器1則通過輸出模組13的輸出端Out提供輸出電壓V_OUT。輸出電壓V_OUT可為一固定電壓或是可變電壓，可根據實際需求進行設計與調整，在本發明中不作限制。

啟動模組14，包括一第一端14-N1、一第二端14-N2以及一第三端14-N3。啟動模組13的第一端13-N1電性連接輸入電壓V_CC，啟動模組14的第二端14-N2電性連接參考電壓Vee，啟動模組14的第三端14-N3電性連接第二電流鏡模組12的第一端12-N1。

其中，啟動模組14的第三端14-N3通過一第一阻抗R1與第一電流鏡模組11的第二端11-N2電性連接。輸出模組13的輸出端Out通過一第二阻抗R2與第二電流鏡模組12電性連接。

請參照圖2，第一電流鏡模組11包括一第一電流鏡開關MP1、一第二電流鏡開關MP2、一第三電流鏡開關MP3以及一第四電流鏡開關MP4。

第一電流鏡開關MP1具有一第一端、一第二端以及一第三端。第一電流鏡開關MP1的第一端電性連接第一電流鏡模組11的第一端11-N1。第二電流鏡開關MP2具有一第一端、一第二端以及一第三端。第二電流鏡開關MP2的第一端電性連接第一電流鏡開關MP1的該第三端，第二電流鏡開關MP2的第二端電性連接第一電流鏡開關MP1的第二端以及第二電流鏡開關MP2的第三端。第二電流鏡開關MP2的第三端電性連接第一電流鏡模組11的第二端11-N2。第三電流鏡開關MP3具有一第一端、一第二端以及一第三端。第三電流鏡開關MP3的第一端電性連接第一電流鏡模組11的第一端11-N1。第三電流鏡開關MP3的第二端電性連接第一電流鏡開關MP1的第二端以及第二電流鏡開關MP2的第二端。第四電流鏡開關MP4具有一第一端、一第二端以及一第三端。第四電流鏡開關MP4的第一端電性連接第三電流鏡開關MP3的第三端。第四電流鏡開關MP4的第二端電性連接第三電流鏡開關MP3的第二端，第四電流鏡開關MP4的第三端電性連接第一電流鏡模組11的第三端11-N3。

在本實施例中，第一電流鏡開關MP1、第二電流鏡開關MP2、第三電流鏡開關MP3以及第四電流鏡開關MP4構成一電流鏡電路，接收輸入電壓V_CC，提供一穩定電流至輸出端Out。

在本實施例中，第一電流鏡開關MP1、第二電流鏡開關MP2、第三電流鏡開關MP3以及第四電流鏡開關MP4為一P型金屬氧化物半導體場效電晶體(P-type Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)。在本實施例中，第一電流鏡開關MP1以及第三電流鏡開關MP3是低壓製程的金屬氧化物半導體場效電晶體。而第二電流鏡開關MP2以及第四電流鏡開關MP4則是高壓製程的金屬氧化物半導體場效電晶體。另外，第一電流鏡開關MP1以及第二電流鏡開關MP2也可為一複合電晶體(composite transistor)。第三電流鏡開關MP3以及第四電流鏡開關MP4可以是一複合電晶體(composite transistor)，其在本發明中不作限制。

在本實施例中，結合低壓製程的第一電流鏡開關MP1、第三電流鏡開關MP3以及高壓製程的第二電流鏡開關MP2、第四電流鏡開關MP4，可使穩壓器1的第一電流鏡模組11具有高輸出阻抗。也因此，穩壓器1在輸入電壓範圍(4.5V~30V)中，從低電壓改變到高電壓時，第一電流鏡模組11的輸出電流變化可以因此降低。

請參照圖3，第二電流鏡模組12包括一第一開關SW1、一第五電流鏡開關MN5以及一第六電流鏡開關MN6。第一開關SW1具有一第一端、一第二端以及一第三端。第一開關SW1的第一端電性連接第二電流鏡模組12的第一端12-N1。第五電流鏡開關MN5具有一第一端、一第二端以及一第三端。第五電流鏡開關MN5的第一端電性連接一外部電流源Ibias以及第五電流鏡開關MN5的第二端，第五電流鏡開關MN5的第三端電性連接參考電壓Vee。第六電流鏡開關MN6具有一第一端、一第二端以及一第三端。第六電流鏡開關MN6的第一端電性連接第一開關SW1的第三端。第六電流鏡開關MN6的第二端電性連接第五電流鏡開關MN5的第二端。第六電流鏡開關MN6的第三端電性連接參考電壓Vee。

在本實施例中，第五電流鏡開關MN5以及第六電流鏡開關MN6係構成一電流鏡電路。

請參照圖4，輸出模組13包括一第一輸出開關MO1、一第二輸出開關MO2、一第三輸出開關MO3以及一第四輸出開關MO4。

第一輸出開關MO1具有一第一端、一第二端以及一第三端。第一輸出開關MO1的第一端電性連接輸出模組13的輸出端Out。第一輸出開關MO1的第二端電性連接第一輸出開關MO1的第三端。第二輸出開關MO2具有一第一端、一第二端以及一第三端。第二輸出開關MO2的第一端電性連接第一輸出開關MO1的第三端。第三輸出開關MO3具有一第一端、一第二端以及一第三端。第三輸出開關MO3的第一端電性連接第二輸出開關MO2的第三端，第三輸出開關MO3的第二端電性連接第二輸出開關MO2的第二端。第三輸出開關MO3的第三端電性連接參考電壓Vee。第四輸出開關MO4具有一第一端、一第二端以及一第三端。第四輸出開關MO4的第一端電性連接輸出模組13的輸出端Out。第四輸出開關MO4的第二端電性連接第二輸出開關MO2的第三端以及第三輸出開關MO3的第一端。第四輸出開關MO4的第三端電性連接參考電壓Vee。第二輸出開關MO2的第二端以及第三輸出開關MO3的第二端電性連接第二電流鏡模組12的第五電流鏡開關MN5的第二端以及第六電流鏡開關MN6的第二端。

此外，輸出模組13的輸出端Out通過一第二阻抗R2與第二電流鏡模組12的第一開關SW1的第二端電性連接。也就是，在本實施例中，第一開關SW1是以輸出端Out的輸出電壓V_OUT作為偏壓電壓，由於輸出電壓V_OUT是一穩定電壓，可確保第一開關SW1能夠在極低的輸入電壓V_CC的時候，也能持續開啟。

本實施例中，輸出模組13的第一輸出開關MO1、第二輸出開關MO2以及第二電流鏡模組12的第五電流源開關MN5係作為建立穩壓器1的輸出電壓V_OUT的主要元件。

此外，第二輸出開關MO2以及第三輸出開關MO3係構成一AB級放大器，用於控制第四輸出開關MO4的開啟關閉，以控制輸出端Out的輸出電壓V_OUT的高低。

請參照圖5，啟動模組14包括一第一啟動開關SWN1、一二極體接法電晶體SWN2以及一第三啟動開關SWN3。

第一啟動開關SWN1具有一第一端、一第二端以及一第三端。第一啟動開關SWN1的第一端通過一第三阻抗R3電性連接至啟動模組14的第一端14-N1，第一啟動開關SWN1的第二端電性連接至第二電流鏡模組12的第一開關SW1的第二端。第一啟動開關SWN1的第三端電性連接啟動模組14的第二端14-N2。

二極體接法電晶體SWN2具有一第一端、一第二端以及一第三端。二極體接法電晶體SWN2的第一端電性連接第一啟動開關SWN1的第一端以及二極體接法電晶體SWN2的第二端，二極體接法電晶體SWN2的第三端電性連接啟動模組14的第二端14-N2。

第三啟動開關SWN3具有一第一端、一第二端以及一第三端。第三啟動開關SWN3的第一端電性連接啟動模組14的第三端 14-N3。第三啟動開關SWN3的第二端電性連接第一啟動開關SWN1的第一端以及二極體接法電晶體SWN2的第一端，第三啟動開關SWN3的第三端電性連接啟動模組14的第二端14-N2。在本實施例中，第三啟動開關SWN3的第一端通過第一阻抗R1電性連接第一電流鏡模組的第二端11-N2。

在本實施例中，第一啟動開關SWN1、二極體接法電晶體SWN2以及第三啟動開關SWN3是作為啟動穩壓器1的功能。在其他實施例中，也可以利用其他電路進行啟動穩壓器1，在本發明中不作限制。

請參照圖6，圖6繪示為圖1第一電流鏡模組的電壓電流示意圖。

虛線I為先前技術的低壓降分流穩壓器，只具有單階電流鏡開關的電流鏡模組，在輸入電壓範圍中，對應輸入電壓的電流變化曲線，的輸出阻抗，實線II則為本發明實施例具有高輸出阻抗電流源的第一電流鏡模組的低壓降分流穩壓器，在輸入電壓範圍中，對應輸入電壓的電流變化曲線。本發明實施例的具有高輸出阻抗的第一電流鏡模組11的低壓降分流穩壓器1，其電流變化的程度較低。

〔實施例的可能功效〕

綜上所述，在本發明中的低壓降分流穩壓器是利用結合低壓製程的第一電流鏡開關、第三電流鏡開關以及高壓製程第二電流鏡開關、第四電流鏡開關構成具有高輸出阻抗的電流鏡電路，以降低大幅度的輸入電壓範圍所造成的電流變化，更可以減少低壓降分流穩壓器內部消耗能量。另外，由於結合具有低壓製程的電流鏡開關以及具有高壓製程的電流鏡開關，更可以彈性地調整晶片布局。

以上所述僅為本發明之實施例，其並非用以侷限本發明之專利範圍。

Claims

一種低壓降分流穩壓器，用於轉換一輸入電壓為一輸出電壓，該低壓降分流穩壓器包括：一第一電流鏡模組，包括一第一端、一第二端以及一第三端，其中，該第一電流鏡模組的該第一端電性連接該輸入電壓；一第二電流鏡模組，包括一第一端以及一第二端，其中，第二電流鏡模組的該第一端電性連接該第一電流鏡模組的該第二端，該第二電流鏡模組的該第二端電性連接一參考電壓；一輸出模組，包括一輸出端、一第一端以及一第二端，其中輸出模組的該輸出端電性連接該第一電流鏡模組的該第三端，該輸出模組的該輸出端以及該第一端分別電性連接該第二電流鏡模組，該輸出模組的該第二端電性連接該參考電壓；以及一啟動模組，包括一第一端、一第二端以及一第三端，其中該啟動模組的該第一端電性連接該輸入電壓，該啟動模組的該第二端電性連接該參考電壓，該啟動模組的該第三端電性連接該第二電流鏡模組的該第一端；其中，該第一電流鏡模組包括：一第一電流鏡開關，具有一第一端、一第二端以及一第三端，其中，該第一電流鏡開關的該第一端電性連接該第一電流鏡模組的該第一端；一第二電流鏡開關，具有一第一端、一第二端以及一第三端，該第二電流鏡開關的該第一端電性連接該第一電流鏡開關的該第三端，該第二電流鏡開關的該第二端電性連接該第一電流鏡開關的該第二端以及該第二電流鏡開關的該第三端，該第二電流鏡開關的該第三端電性連接該第一電流鏡模組的該第二端；一第三電流鏡開關，具有一第一端、一第二端以及一第三端，該第三電流鏡開關的該第一端電性連接該第一電流鏡模組的該第一端，該第三電流鏡開關的該第二端電性連接該第一電流鏡開關的該第二端以及該第二電流鏡開關的該第二端；以及一第四電流鏡開關，具有一第一端、一第二端以及一第三端，該第四電流鏡開關的該第一端電性連接該第三電流鏡開關的該第三端，該第四電流鏡開關的該第二端電性連接該第三電流鏡開關的該第二端，該第四電流鏡開關的該第三端電性連接該第一電流鏡模組的該第三端。
如申請專利範圍第1項之低壓降分流穩壓器，其中，該啟動模組的該第三端通過一第一阻抗與該第一電流鏡模組的該第二端電性連接。
如申請專利範圍第1項之低壓降分流穩壓器，其中，該輸出模組的該輸出端通過一第二阻抗與該第二電流鏡模組的該第一端電性連接。
如申請專利範圍第1項之低壓降分流穩壓器，其中，該第二電流鏡模組包括：一第一開關，具有一第一端、一第二端以及一第三端，其中，該第一開關的該第一端電性連接該第二電流鏡模組的該第一端；一第五電流鏡開關，具有一第一端、一第二端以及一第三端，該第五電流鏡開關的該第一端電性連接一外部電流源以及該第五電流鏡開關的該第二端，該第五電流鏡開關的該第三端電性連接該參考電壓；一第六電流鏡開關，具有一第一端、一第二端以及一第三端，該第六電流鏡開關的該第一端電性連接該第一開關的該第三端，該第六電流鏡開關的該第二端電性連接該第五電流鏡開關的該第二端，該第六電流鏡開關的該第三端電性連接該參考電壓。
如申請專利範圍第4項之低壓降分流穩壓器，其中，該輸出模組包括：一第一輸出開關，具有一第一端、一第二端以及一第三端，其中，該第一輸出開關的該第一端電性連接該輸出模組的該輸出端，該第一輸出開關的該第二端電性連接該第一輸出開關的該第三端；一第二輸出開關，具有一第一端、一第二端以及一第三端，其中，該第二輸出開關的該第一端電性連接該第一輸出開關的該第三端；一第三輸出開關，具有一第一端、一第二端以及一第三端，其中，該第三輸出開關的該第一端電性連接該第二輸出開關的該第三端，該第三輸出開關的該第二端電性連接該第二輸出開關的該第二端，該第三輸出開關的該第三端電性連接該參考電壓；一第四輸出開關，具有一第一端、一第二端以及一第三端，其中，該第四輸出開關的該第一端電性連接該輸出模組的該輸出端，該第四輸出開關的該第二端電性連接該第二輸出開關的該第三端以及該第三輸出開關的該第一端，該第四輸出開關的該第三端電性連接該參考電壓。
如申請專利範圍第5項之低壓降分流穩壓器，其中，該第二輸出開關的該第二端以及該第三輸出開關的該第二端電性連接該第二電流鏡模組的該第五電流鏡開關的該第二端以及該第六電流鏡開關的該第二端。
如申請專利範圍第6項之低壓降分流穩壓器，其中，該輸出端通過一第二阻抗與該第二電流鏡模組的該第一開關的第二端電性連接。
如申請專利範圍第7項之低壓降分流穩壓器，其中，該啟動模組包括：一第一啟動開關，具有一第一端、一第二端以及一第三端，其中，該第一啟動開關的該第一端通過一第三阻抗電性連接至該啟動模組的該第一端，該第一啟動開關的該第二端電性連接至該第二電流鏡模組的該第一開關的該第二端，該第一啟動開關的該第三端電性連接該啟動模組的該第二端；一二極體接法電晶體，具有一第一端、一第二端以及一第三端，其中，該二極體接法電晶體的該第一端電性連接該第一啟動開關的該第一端以及該二極體接法電晶體的該第二端，該二極體接法電晶體的該第三端電性連接該啟動模組的該第二端；以及一第三啟動開關，具有一第一端、一第二端以及一第三端，其中，該第三啟動開關的該第一端電性連接該啟動模組的該第三端，該第三啟動開關的該第二端電性連接該第一啟動開關的該第一端以及該二極體接法電晶體的第一端，該第三啟動開關的該第三端電性連接該啟動模組的該二端。
如申請專利範圍第1項之低壓降分流穩壓器，其中，該第一電流鏡開關以及該第三電流鏡開關分別是一具有低壓製程的P型金屬氧化物半導體場效電晶體，該第二電流鏡開關以及該第四電流鏡開關分別是一具有高壓製程的P型金屬氧化物半導體場效電晶體。