TWI847536B

TWI847536B - 低壓差穩壓器及其運作方法

Info

Publication number: TWI847536B
Application number: TW112104617A
Authority: TW
Inventors: 馮翼
Original assignee: 瑞昱半導體股份有限公司
Filing date: 2023-02-09
Publication date: 2024-07-01

Abstract

一種低壓差穩壓器包含一放大電路、一功率開關、一回授電路以及一加速電路。放大電路基於一輸入電壓運作。放大電路用以依據一參考電壓以及一回授電壓於一節點產生一放大電壓。功率開關用以依據輸入電壓以及放大電壓於一輸出端產生一輸出電壓。回授電路用以依據輸出電壓產生回授電壓。加速電路用以依據低壓差穩壓器中的一電壓差對輸出電壓執行一加速運作。

Description

低壓差穩壓器及其運作方法

本揭示有關於與低壓差穩壓器(low-dropout regulator，LDO)相關的技術。特別關於一種可縮短安定時間(settling time)的低壓差穩壓器及其運作方法。

隨著科技的發展，各式積體電路已被發展出來。然而，許多積體電路的效能仍有改善的空間。

舉例而言，在一些相關技術中，為了縮短低壓差穩壓器的安定時間，需增加靜態電流。這會增加整體電路的功耗。在一些其他的相關技術中，在低壓差穩壓器自輕載轉為重載的過程中為了避免負載電路出錯，需增加放大電路的電流或增設電容。這些作法將會增加整體電路的功耗或增加電路面積。

本揭示之一些實施方式是關於一種低壓差穩壓器。低壓差穩壓器包含一放大電路、一功率開關、一回授電路以及一加速電路。放大電路基於一輸入電壓運作。放大電路用以依據一參考電壓以及一回授電壓於一節點產生一放大電壓。功率開關用以依據輸入電壓以及放大電壓於一輸出端產生一輸出電壓。回授電路用以依據輸出電壓產生回授電壓。加速電路用以依據低壓差穩壓器中的一電壓差對輸出電壓執行一加速運作。

本揭示之一些實施方式是關於一種低壓差穩壓器的運作方法。運作方法包含以下操作：由一放大電路依據一參考電壓以及一回授電壓於一節點產生一放大電壓；由一功率開關依據一輸入電壓以及放大電壓於一輸出端產生一輸出電壓；由一回授電路依據輸出電壓產生回授電壓；以及由一加速電路依據低壓差穩壓器中的一電壓差對輸出電壓執行一加速運作。

在本文中所使用的用詞『耦接』亦可指『電性耦接』，且用詞『連接』亦可指『電性連接』。『耦接』及『連接』亦可指二個或多個元件相互配合或相互互動。

參考第1圖。第1圖是依照本揭示一些實施例所繪示的低壓差穩壓器100的示意圖。

低壓差穩壓器100包含放大電路110、功率開關120、回授電路130以及加速電路140。

放大電路110基於輸入電壓VIN運作，且依據參考電壓VREF以及回授電壓VFB於節點N1產生放大電壓OPOUT。以第1圖示例而言，放大電路110包含一正輸入端、一負輸入端以及一輸出端。放大電路110的負輸入端接收參考電壓VREF。放大電路110的正輸入端接收來自回授電路130的回授電壓VFB。放大電路110於其輸出端(即：節點N1)產生放大電壓OPOUT。

功率開關120耦接放大電路110且依據輸入電壓VIN以及放大電壓OPOUT於輸出端OUT產生輸出電壓LDOOUT。以第1圖示例而言，功率開關120為P型電晶體。功率開關120的第一端接收輸入電壓VIN。功率開關120的控制端接收放大電壓OPOUT且功率開關120受放大電壓OPOUT控制以調整其導通程度，進而於功率開關120的第二端(即，低壓差穩壓器100的輸出端OUT)產生輸出電壓LDOOUT。

回授電路130耦接功率開關120且依據輸出電壓LDOOUT產生回授電壓VFB。以第1圖示例而言，回授電路130包含電阻R1以及電阻R2。電阻R1的第一端耦接輸出端OUT。電阻R1的第二端耦接電阻R2的第一端。電阻R2的第二端耦接地端GND。電阻R1與電阻R2形成一分壓電路。依據輸出電壓LDOOUT以及電阻R1與電阻R2的電阻值，回授電壓VFB將會產生於電阻R1與電阻R2之間的節點N2。

加速電路140耦接於放大電路110與輸出端OUT之間。以第1圖示例而言，加速電路140耦接於節點N1與輸出端OUT之間以依據放大電壓OPOUT與輸出電壓LDOOUT之間的電壓差對輸出電壓LDOOUT執行加速運作。關於加速電路140的詳細內容將於後面段落搭配第2圖至第6圖進行描述。

此外，第1圖中更繪示出負載電阻RL以及負載電容CL。負載電阻RL以及負載電容CL是由耦接於輸出端OUT的負載所貢獻。

參考第1圖以及第2圖。第2圖是依照本揭示一些實施例所繪示的加速電路200的示意圖。在一些實施例中，第1圖的加速電路140可利用第2圖的加速電路200實現。

加速電路200包含電晶體T21以及加速開關S2。以第2圖示例而言，電晶體T21為N型電晶體且為二極體連接(diode-connected)型式。電晶體T21的第一端耦接第一電壓V1且耦接電晶體T21的控制端。電晶體T21的第二端與加速開關S2的第一端串聯。加速開關S2的第二端耦接第二電壓V2。

在實際應用上，當放大電路110關閉時，加速開關S2斷開。當放大電路110開啟時，加速開關S2導通。也就是說，可利用一控制電路(圖未示)傳送一相同的控制訊號至放大電路110以及加速開關S2以同時控制放大電路110以及加速開關S2。另外，在加速開關S2導通的情況下，當第一電壓V1與第二電壓V2之間的電壓差較大時，加速電路200具有低阻抗。當第一電壓V1與第二電壓V2之間的電壓差較小時，加速電路200具有高阻抗。在一些實施例中，當放大電路110關閉時，控制電路(圖未示)會將放大電路110內部電晶體的閘極耦接至輸入電壓VIN或地端GND，以確實關閉避免產生漏電流。

接著，請一併參考第1圖。若將加速電路200應用至第1圖的加速電路140，第一電壓V1則為放大電壓OPOUT且第二電壓V2則為輸出電壓LDOOUT。如前所述，當放大電路110關閉時，加速開關S2斷開，因此加速電路200不運作。此時放大電壓OPOUT被拉至輸入電壓VIN(功率開關120斷開以避免漏電)且輸出電壓LDOOUT等於地電壓。當放大電路110轉為開啟時，加速開關S2導通。由於此時放大電壓OPOUT與輸出電壓LDOOUT之間的電壓差大於或等於電晶體T21的臨界電壓，因此電晶體T21會導通。由於加速開關S2與電晶體T21皆導通，因此加速電路200可提供自放大電壓OPOUT至輸出電壓LDOOUT的路徑，以使放大電壓OPOUT加速下降且輸出電壓LDOOUT加速上升。當放大電壓OPOUT加速下降至適當的電壓時(例如：當放大電壓OPOUT等於輸入電壓VIN減去功率開關120的臨界電壓時)，功率開關120亦可加速轉為導通以使輸出電壓LDOOUT更加速上升進而進入穩態。藉此可縮短低壓差穩壓器100的安定時間。

直到放大電壓OPOUT與輸出電壓LDOOUT之間的電壓差小於電晶體T21的臨界電壓時，電晶體T21會斷開。此時，自放大電壓OPOUT至輸出電壓LDOOUT的路徑亦會斷開。

另外，在低壓差穩壓器100進入穩態後(加速開關S2持續導通)，若負載狀態自輕載轉為重載，輸出電壓LDOOUT會下降。當放大電壓OPOUT與輸出電壓LDOOUT之間的電壓差大於或等於電晶體T21的臨界電壓時，電晶體T21會再次導通。據此，加速電路200可再次提供自放大電壓OPOUT至輸出電壓LDOOUT的路徑，以使放大電壓OPOUT再次加速下降且輸出電壓LDOOUT再次加速上升，進而避免輸出電壓LDOOUT下降過多。

在一些相關技術中，為了縮短低壓差穩壓器的安定時間，需增加靜態電流。這會增加整體電路的功耗。在一些其他的相關技術中，在低壓差穩壓器自輕載轉為重載的過程中為了避免負載電路出錯，需增加放大電路的電流或增設電容。這些作法將會增加整體電路的功耗或增加電路面積。

相較於上述相關技術，本揭示藉由設置加速電路140，可在不過度增加整體電路的功耗或不過度增加電路面積的情況下，縮短低壓差穩壓器100的安定時間且可避免負載電路在低壓差穩壓器100自輕載轉為重載的過程中出錯。

參考第3圖。第3圖是依照本揭示一些實施例所繪示的加速電路300的示意圖。在一些實施例中，第1圖的加速電路140可利用第3圖的加速電路300實現。

加速電路300包含電晶體T31、電晶體T32以及加速開關S3。以第3圖示例而言，電晶體T31以及電晶體T32皆為N型電晶體(相同型電晶體)且為二極體連接型式。電晶體T31的第一端耦接第一電壓V1且耦接電晶體T31的控制端。電晶體T31的第二端耦接電晶體T32的第一端以及電晶體T32的控制端。電晶體T32的第二端與加速開關S3的第一端串聯。加速開關S3的第二端耦接第二電壓V2。

加速電路300的運作相似於第2圖的加速電路200。加速電路300與加速電路200之間的主要差異在於，當第一電壓V1與第二電壓V2之間的電壓差小於電晶體T31的臨界電壓與電晶體T32的臨界電壓的總和時，即使加速開關S3導通，加速電路300仍為斷開。

參考第4圖。第4圖是依照本揭示一些實施例所繪示的加速電路400的示意圖。在一些實施例中，第1圖的加速電路140可利用第4圖的加速電路400實現。

加速電路400包含電晶體T41以及加速開關S4。以第4圖示例而言，電晶體T41為P型電晶體且為二極體連接型式。電晶體T41的第一端耦接第一電壓V1。電晶體T41的第二端耦接電晶體T41的控制端。電晶體T41的第二端更與加速開關S4的第一端串聯。加速開關S4的第二端耦接第二電壓V2。

加速電路400的運作相似於第2圖的加速電路200。加速電路400與加速電路200之間的主要差異在於，當第一電壓V1與第二電壓V2之間的電壓差小於電晶體T41的臨界電壓時，即使加速開關S4導通，加速電路400仍為斷開。

參考第5圖。第5圖是依照本揭示一些實施例所繪示的加速電路500的示意圖。在一些實施例中，第1圖的加速電路140可利用第5圖的加速電路500實現。

加速電路500包含電晶體T51、電晶體T52以及加速開關S5。以第5圖示例而言，電晶體T51以及電晶體T52皆為P型電晶體(相同型電晶體)且為二極體連接型式。電晶體T51的第一端耦接第一電壓V1。電晶體T51的控制端耦接電晶體T51的第二端以及電晶體T52的第一端。電晶體T52的控制端耦接電晶體T52的第二端且與加速開關S5的第一端串聯。加速開關S5的第二端耦接第二電壓V2。

加速電路500的運作相似於第2圖的加速電路200。加速電路500與加速電路200之間的主要差異在於，當第一電壓V1與第二電壓V2之間的電壓差小於電晶體T51的臨界電壓與電晶體T52的臨界電壓的總和時，即使加速開關S5導通，加速電路500仍為斷開。

參考第6圖。第6圖是依照本揭示一些實施例所繪示的加速電路600的示意圖。在一些實施例中，第1圖的加速電路140可利用第6圖的加速電路600實現。

加速電路600包含電晶體T61、電晶體T62以及加速開關S6。以第6圖示例而言，電晶體T61為P型電晶體而電晶體T62為N型電晶體(不同型電晶體)且皆為二極體連接型式。電晶體T61的第一端耦接第一電壓V1。電晶體T61的控制端耦接電晶體T61的第二端、電晶體T62的第一端以及電晶體T62的控制端。電晶體T62的第二端與加速開關S6的第一端串聯。加速開關S6的第二端耦接第二電壓V2。

加速電路600的運作相似於第2圖的加速電路200。加速電路600與加速電路200之間的主要差異在於，當第一電壓V1與第二電壓V2之間的電壓差小於電晶體T61的臨界電壓與電晶體T62的臨界電壓的總和時，即使加速開關S6導通，加速電路600仍為斷開。

在第2圖至第6圖的實施例中，電晶體T21、電晶體T31、電晶體T32、電晶體T41、電晶體T51、電晶體T52、電晶體T61以及電晶體T62是利用金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)實現。然而，在一些其他的實施例中，電晶體T21、電晶體T31、電晶體T32、電晶體T41、電晶體T51、電晶體T52、電晶體T61、電晶體T62亦可利用雙極性接面型電晶體(BJT)實現。

在一些實施例中，加速開關S2、加速開關S3、加速開關S4、加速開關S5、加速開關S6可利用金屬氧化物半導體場效電晶體實現。

參考第7圖。第7圖是依照本揭示一些實施例所繪示的低壓差穩壓器700的示意圖。

放大電路710包含誤差放大器712以及緩衝電路714。

誤差放大器712的第一端接收參考電壓VREF。誤差放大器712的第二端接收回授電壓VFB。誤差放大器712的輸出端耦接緩衝電路714。

緩衝電路714包含電晶體T71、電晶體T72、電晶體T73以及電晶體T74。電晶體T71以及電晶體72為P型電晶體。電晶體T73以及電晶體T74為N型電晶體。電晶體T71的第一端接收輸入電壓VIN。電晶體T71的第二端耦接節點N1。電晶體T71的控制端受偏壓電壓VBP控制以提供偏壓電流。電晶體T72耦接於節點N1與節點N3之間且受誤差放大器712的輸出所控制以調整其導通程度。電晶體T73耦接於節點N3與地端GND之間且受偏壓電壓VBN控制以提供偏壓電流。電晶體T74耦接於節點N1與地端GND之間且受位於節點N3的電壓控制以調整其導通程度。

功率開關720耦接放大電路710且依據輸入電壓VIN以及放大電壓OPOUT於輸出端OUT產生輸出電壓LDOOUT。以第7圖示例而言，功率開關720為N型電晶體。

加速電路740耦接於電晶體T71的控制端與輸出端OUT之間以依據位於電晶體T71的控制端的偏壓電壓VBP與輸出電壓LDOOUT之間的電壓差執行加速運作。

一併參考第2圖以及第7圖。若將加速電路200應用至第7圖的加速電路740，第2圖中的第一電壓V1為偏壓電壓VBP且第2圖中的第二電壓V2為輸出電壓LDOOUT。當放大電路710關閉時，加速開關S2斷開，因此加速電路200不運作。此時偏壓電壓VBP等於輸入電壓VIN。放大電壓OPOUT以及輸出電壓LDOOUT等於地電壓。當放大電路710轉為開啟時，加速開關S2導通。由於此時偏壓電壓VBP與輸出電壓LDOOUT之間的電壓差大於或等於電晶體T21的臨界電壓，因此電晶體T21會導通。由於加速開關S2與電晶體T21皆導通，因此加速電路200可提供自偏壓電壓VBP至輸出電壓LDOOUT的路徑，以使偏壓電壓VBP加速下降且輸出電壓LDOOUT加速上升。由於偏壓電壓VBP加速下降，可使放大電壓OPOUT(透過電晶體T71)加速上升以加速導通功率開關720，進而使輸出電壓LDOOUT更加速上升。藉此可縮短低壓差穩壓器700的安定時間。

當加速電路740是利用第3圖至第6圖的加速電路300、400、500或600實現時，第3圖至第6圖的第一電壓V1為偏壓電壓VBP且第3圖至第6圖的第二電壓V2為輸出電壓LDOOUT。

參考第8圖。第8圖是依照本揭示一些實施例所繪示的低壓差穩壓器800的示意圖。

低壓差穩壓器800與第1圖的低壓差穩壓器100之間的主要差異在於，功率開關820為N型電晶體，且加速電路840耦接於輸入電壓VIN與節點N1之間。加速電路840可提供自輸入電壓VIN至放大電壓OPOUT的路徑，依據輸入電壓VIN與放大電壓OPOUT之間的電壓差使放大電壓OPOUT加速上升。當放大電壓OPOUT加速上升至適當的電壓時，功率開關820亦可加速轉為導通以使輸出電壓LDOOUT更加速上升進而進入穩態。藉此可縮短低壓差穩壓器800的安定時間。

當加速電路840是利用第2圖至第6圖的加速電路200、300、400、500或600實現時，第2圖至第6圖的第一電壓V1為輸入電壓VIN且第2圖至第6圖的第二電壓V2為放大電壓OPOUT。

參考第9圖。第9圖是依照本揭示一些實施例所繪示的低壓差穩壓器900的示意圖。

低壓差穩壓器900與第1圖的低壓差穩壓器100之間的主要差異在於，功率開關920為N型電晶體，且加速電路940耦接於輸入電壓VIN與輸出端OUT之間。加速電路940可提供自輸入電壓VIN至輸出電壓LDOOUT的路徑，依據輸入電壓VIN與輸出電壓LDOOUT之間的電壓差使輸出電壓LDOOUT加速上升進而進入穩態。藉此可縮短低壓差穩壓器900的安定時間。

當加速電路940是利用第2圖至第6圖的加速電路200、300、400、500或600實現時，第2圖至第6圖的第一電壓V1為輸入電壓VIN且第2圖至第6圖的第二電壓V2為輸出電壓LDOOUT。

參考第10圖。第10圖是依照本揭示一些實施例所繪示的運作方法1000的流程圖。

為了易於瞭解，以下段落主要將搭配第1圖的低壓差穩壓器100進行描述，但本揭示不以第1圖的低壓差穩壓器100為限。

以第10圖示例而言，運作方法1000包含操作S1010、操作S1020、操作S1030以及操作S1040。

在操作S1010中，由放大電路110依據參考電壓VREF以及回授電壓VFB於節點N1產生放大電壓OPOUT。

在操作S1020中，由功率開關120依據輸入電壓VIN以及放大電壓OPOUT於輸出端OUT產生輸出電壓LDOOUT。

在操作S1030中，由回授電路130依據輸出電壓LDOOUT產生回授電壓VFB。

在操作S1040中，由加速電路140依據低壓差穩壓器100中的一電壓差對輸出電壓LDOOUT執行加速運作。在第1圖的例子中，此電壓差為放大電壓OPOUT與輸出電壓LDOOUT之間的電壓差。

關於上述該些操作的詳細內容已描述於前面的該些實施例中，故於此不再贅述。

綜上所述，本揭示藉由設置加速電路，可在不過度增加整體電路的功耗或不過度增加電路面積的情況下，縮短低壓差穩壓器的安定時間且可避免負載電路在低壓差穩壓器自輕載轉為重載的過程中出錯。

雖然本揭示已以實施方式揭示如上，然其並非用以限定本揭示，任何本領域具通常知識者，在不脫離本揭示之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本揭示之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100,700,800,900:低壓差穩壓器 110,710:放大電路 120,720,820,920:功率開關 130:回授電路 140,200,300,400,500,600,740,840,940:加速電路 1000:運作方法 712:誤差放大器 714:緩衝電路 VIN:輸入電壓 VREF:參考電壓 VFB:回授電壓 OPOUT:放大電壓 N1,N2,N3:節點 OUT:輸出端 LDOOUT:輸出電壓 R1,R2:電阻 GND:地端 RL:負載電阻 CL:負載電容 V1:第一電壓 V2:第二電壓 T21,T31,T32,T41,T51,T52,T61,T62,T71,T72,T73,T74:電晶體 S2,S3,S4,S5,S6:加速開關 VBP,VBN:偏壓電壓 S1010,S1020,S1030,S1040:操作

為讓本揭示之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能夠更明顯易懂，所附圖式之說明如下：第1圖是依照本揭示一些實施例所繪示的一低壓差穩壓器的示意圖；第2圖是依照本揭示一些實施例所繪示的一加速電路的示意圖；第3圖是依照本揭示一些實施例所繪示的一加速電路的示意圖；第4圖是依照本揭示一些實施例所繪示的一加速電路的示意圖；第5圖是依照本揭示一些實施例所繪示的一加速電路的示意圖；第6圖是依照本揭示一些實施例所繪示的一加速電路的示意圖；第7圖是依照本揭示一些實施例所繪示的一低壓差穩壓器的示意圖；第8圖是依照本揭示一些實施例所繪示的一低壓差穩壓器的示意圖；第9圖是依照本揭示一些實施例所繪示的一低壓差穩壓器的示意圖；以及第10圖是依照本揭示一些實施例所繪示的一運作方法的流程圖。

100:低壓差穩壓器

110:放大電路

120:功率開關

130:回授電路

140:加速電路

VIN:輸入電壓

VREF:參考電壓

VFB:回授電壓

OPOUT:放大電壓

N1:節點

N2:節點

OUT:輸出端

LDOOUT:輸出電壓

R1:電阻

R2:電阻

GND:地端

RL:負載電阻

CL:負載電容

Claims

一種低壓差穩壓器，包含：一放大電路，基於一輸入電壓運作，用以依據一參考電壓以及一回授電壓於一節點產生一放大電壓；一功率開關，用以依據該輸入電壓以及該放大電壓於一輸出端產生一輸出電壓；一回授電路，用以依據該輸出電壓產生該回授電壓；以及一加速電路，用以依據該低壓差穩壓器中的一電壓差對該輸出電壓執行一加速運作，其中該加速電路包含一第一電晶體以及一加速開關，該第一電晶體為二極體連接型式，且該第一電晶體與該加速開關串聯，其中當該放大電路關閉時，該加速開關斷開，其中當該放大電路開啟時，該加速開關導通。
如請求項1所述之低壓差穩壓器，其中該加速電路耦接於該節點與該輸出端之間，且用以依據該放大電壓與該輸出電壓之間的該電壓差執行該加速運作。
如請求項1所述之低壓差穩壓器，其中該加速電路還包含一第二電晶體，該第一電晶體以及該第二電晶體串聯且為二極體連接型式。
如請求項3所述之低壓差穩壓器，其中該第一電晶體以及該第二電晶體為不同型電晶體。
如請求項1所述之低壓差穩壓器，其中該放大電路包含一電晶體，該加速電路耦接於該電晶體的一控制端與該輸出端之間，且更用以依據位於該控制端的一偏壓電壓與該輸出電壓之間的該電壓差執行該加速運作。
如請求項1所述之低壓差穩壓器，其中該加速電路耦接於該輸入電壓與該節點之間，且更用以依據該輸入電壓與該放大電壓之間的該電壓差執行該加速運作。
如請求項1所述之低壓差穩壓器，其中該加速電路耦接於該輸入電壓與該輸出端之間，且更用以依據該輸入電壓與該輸出電壓之間的該電壓差執行該加速運作。
一種低壓差穩壓器的運作方法，包含：由一放大電路依據一參考電壓以及一回授電壓於一節點產生一放大電壓；由一功率開關依據一輸入電壓以及該放大電壓於一輸出端產生一輸出電壓；由一回授電路依據該輸出電壓產生該回授電壓；由一加速電路依據該低壓差穩壓器中的一電壓差對該輸出電壓執行一加速運作；當該放大電路關閉時，斷開一加速開關；以及當該放大電路開啟時，導通該加速開關，其中該加速電路包含該加速開關以及一電晶體，該電晶體為二極體連接型式，且該電晶體與該加速開關串聯。