專利名稱：線性電壓調(diào)節(jié)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種線性電壓調(diào)節(jié)器，尤其涉及一種可在輕負載模式的操作下提高效率的線性電壓調(diào)節(jié)器。
背景技術(shù)：
電壓調(diào)節(jié)器用于在一經(jīng)過調(diào)節(jié)的輸出電壓下供應(yīng)所需要的輸出電流至負載。線性電壓調(diào)節(jié)器使用一功率晶體管，操作于可變電阻區(qū)作為被動組件。輸出電壓反饋控制功率晶體管的可變電阻值，使得輸入電壓(例如電池電壓)減去功率晶體管的跨在可變電阻兩端間的電位差后成為所要求的經(jīng)過調(diào)節(jié)的輸出電壓。在輕負載模式的操作下，因為所需提供的輸出電流降低，然而誤差放大器所消耗的電流仍幾乎維持固定，所以相對而言造成現(xiàn)有技術(shù)的線性電壓調(diào)節(jié)器的輕負載模式效率過低的缺點。
圖1顯示現(xiàn)有技術(shù)的線性電壓調(diào)節(jié)器10的詳細電路圖。如圖所示，現(xiàn)有技術(shù)的線性電壓調(diào)節(jié)器10具有一功率晶體管11，串聯(lián)于輸入電壓Vin與輸出端A間。功率晶體管11的柵極由一誤差放大器12的輸出端所輸出的誤差信號Verr所控制。誤差放大器12具有一反相輸入端，用于接收一參考電壓信號Vref，與一非反相輸入端，用于接收一反饋電壓信號Vfb。因此，從誤差放大器12所輸出的誤差信號Verr即代表反饋電壓信號Vfb與參考電壓信號Vref間的差異。參考電壓信號Vref由參考電壓產(chǎn)生電路13所決定，具有一預(yù)定的電壓值。反饋電壓信號Vfb則由連接于輸出端A的反饋電路14所產(chǎn)生，用以代表輸出電壓Vout。舉例而言，反饋電路14可由一分壓電阻所實施，其中電阻R1與R2串聯(lián)于輸出端A與地電位間，使得電阻R1與R2的耦合點所提供的分壓電壓[R2/(R1+R2)]*Vout作為反饋電壓信號Vfb。因此，線性電壓調(diào)節(jié)器10經(jīng)由輸出端A供應(yīng)調(diào)節(jié)過的輸出電壓Vout以及所需要的輸出電流Iout至負載15。為了改善輸出電壓Vout的漣波，電容C可連接于輸出端A與地電位間。
隨著負載15所需要的電流不同，線性電壓調(diào)節(jié)器10所提供的輸出電流Iout或大或小地變動，但輸出電壓Vout皆維持于[(R1+R2)/R2]*Vref。為了有足夠能力供應(yīng)大的輸出電流Iout，功率晶體管11必須具有足夠大的尺寸。然而，大尺寸的功率晶體管11也同時引起柵極電容增大的結(jié)果。在此情況下，為了有效地控制功率晶體管11的柵極，誤差放大器12必須設(shè)計成具有較小的輸出阻抗，此將導(dǎo)致較大的電流消耗。因此，當線性電壓調(diào)節(jié)器10操作于輕負載模式時，亦即輸出電流Iout較小或近似于零，線性電壓調(diào)節(jié)器10的效率將因誤差放大器12所造成的較大電流消耗而變差。
因此，期望有一種可在輕負載模式下提高效率的線性電壓調(diào)節(jié)器。

實用新型內(nèi)容有鑒于前述問題，本實用新型的一個目的在于提供一種線性電壓調(diào)節(jié)器，可在輕負載模式下達到最佳的效率。
本實用新型的另一目的在于提供一種線性電壓調(diào)節(jié)器，可在重負載模式下提供足夠大的輸出電流。
根據(jù)本實用新型，提供了一種線性電壓調(diào)節(jié)器，包括一輕負載晶體管，其具有一柵極并耦合于一輸入電壓與一輸出電壓間；一誤差放大器，用于響應(yīng)于一參考電壓信號與一反饋電壓信號而產(chǎn)生一誤差信號，用于控制該輕負載晶體管的該柵極，該反饋電壓信號代表該輸出電壓；一重負載晶體管，其具有一柵極并耦合于該輸入電壓與該輸出電壓間；一柵極控制電路，其耦合于該重負載晶體管的該柵極；以及一模式選擇電路，其耦合于該誤差放大器與該柵極控制電路間，用于產(chǎn)生一檢測電流信號，其代表流經(jīng)該輕負載晶體管的一電流，并且當該檢測電流信號大于一臨界電流信號時，該模式選擇電路允許該誤差信號經(jīng)由該柵極控制電路控制該重負載晶體管的該柵極。
依據(jù)本實用新型的線性電壓調(diào)節(jié)器使用兩個功率晶體管，彼此并聯(lián)于輸入電壓與輸出電壓間，其中一個功率晶體管具有較大的電流驅(qū)動能力(亦即較大的晶體管尺寸)，另一個功率晶體管則具有較小的電流驅(qū)動能力(亦即較小的晶體管尺寸)。在輕負載模式下，依據(jù)本實用新型的線性電壓調(diào)節(jié)器僅導(dǎo)通具有較小電流驅(qū)動能力的功率晶體管，使得誤差放大器所消耗的電流降低，從而提高效率。
此外，依據(jù)本實用新型的線性電壓調(diào)節(jié)器使用一電流檢測單元，檢測流經(jīng)較小電流驅(qū)動能力的功率晶體管的電流。當電流檢測單元所檢測到的電流超過一預(yù)定的臨界電流值時，代表線性電壓調(diào)節(jié)器的操作進入重負載模式。在重負載模式下，模式選擇電路經(jīng)由柵極控制電路額外導(dǎo)通具有較大電流驅(qū)動能力的功率晶體管，從而提供足夠大的輸出電流至負載。

圖1顯示現(xiàn)有技術(shù)的線性電壓調(diào)節(jié)器的詳細電路圖。
圖2顯示依據(jù)本實用新型的線性電壓調(diào)節(jié)器的電路模塊圖。
圖3顯示依據(jù)本實用新型的柵極控制電路與模式選擇電路的詳細電路圖。
主要組件符號說明10現(xiàn)有技術(shù)的線性電壓調(diào)節(jié)器11重負載功率晶體管12誤差放大器
13 參考電壓產(chǎn)生電路14 反饋電路15 負載20 線性電壓調(diào)節(jié)器21 輕負載功率晶體管22 柵極控制電路23 模式選擇電路24 電流檢測單元25 電流比較單元A 輸出端Co電容Iout輸出電流Igen檢測電流信號Ith臨界電流信號INV1，INV2 反相器Q1 PMOS晶體管Q2~Q5 NMOS晶體管R1，R2 電阻SS 模式選擇信號TG1，TG2 傳輸門Vin輸入電壓Vout輸出電壓Verr誤差信號Vfb反饋電壓信號Vref參考電壓信號具體實施方式
下文中的說明與附圖將使本實用新型的前述與其它目的、特征、與優(yōu)點更明顯。在此將參照附圖詳細說明依據(jù)本實用新型的優(yōu)選實施例。
圖2顯示依據(jù)本實用新型的線性電壓調(diào)節(jié)器20的電路模塊圖。圖2所示的電路組件中相似于圖1所示的電路組件的是以相同的參考編號加以標示，且為簡化說明起見，下文省略其說明。如圖所示，依據(jù)本實用新型的線性電壓調(diào)節(jié)器20具有一重負載功率晶體管11與一輕負載功率晶體管21，彼此并聯(lián)于輸入電壓Vin與輸出端A間。輕負載功率晶體管21的尺寸設(shè)計成小于重負載功率晶體管11的尺寸，使得輕負載功率晶體管21的電流驅(qū)動能力小于重負載功率晶體管11的電流驅(qū)動能力。在依據(jù)本實用新型的一實施例中，重負載功率晶體管11的電流驅(qū)動能力設(shè)計成輕負載功率晶體管21的電流驅(qū)動能力的五倍。輕負載功率晶體管21的柵極直接連接于誤差放大器12的輸出端，從而受到誤差信號Verr的控制。然而，重負載功率晶體管11的柵極則間接經(jīng)由柵極控制電路22而連接于誤差放大器12的輸出端，從而受到誤差信號Verr的控制，或者連接于輸入電壓Vin，從而進入不導(dǎo)通狀態(tài)。
柵極控制電路22由模式選擇電路23所輸出的模式選擇信號SS加以控制，以決定重負載功率晶體管11的柵極究竟是連接于誤差放大器12的輸出端還是連接于輸入電壓Vin。具體而言，模式選擇電路23被視為線性電壓調(diào)節(jié)器20的外部電路，其隨時檢測流經(jīng)輕負載功率晶體管21的電流而調(diào)整模式選擇信號SS，以決定是否經(jīng)由柵極控制電路22激活重負載功率晶體管11，進而有效地在輕負載模式下達到最佳的效率并且在重負載模式下提供足夠大的輸出電流Iout。
模式選擇電路23包括一電流檢測單元24與一電流比較單元25。電流檢測單元24產(chǎn)生一檢測電流信號Isen，其正比于流經(jīng)輕負載功率晶體管21的電流。電流比較單元25用以比較檢測電流信號Isen與一預(yù)定的臨界電流信號Ith。當檢測電流信號Isen小于臨界電流信號Ith時，亦即線性電壓調(diào)節(jié)器20操作于輕負載模式下，模式選擇信號SS使柵極控制電路22防止誤差信號Verr供應(yīng)至重負載功率晶體管11，并且使重負載功率晶體管11不導(dǎo)通。在此情況下，誤差放大器12僅需控制具有較小尺寸的輕負載功率晶體管21，因而其所需消耗的電流降低。既然在輕負載模式下，所需要的輸出電流Iout相當微小，故僅需使用輕負載功率晶體管21即可得到足夠的電流驅(qū)動能力。當檢測電流信號Isen大于臨界電流信號Ith時，亦即線性電壓調(diào)節(jié)器20操作于重負載模式下，模式選擇信號SS使柵極控制電路22允許誤差信號Verr供應(yīng)至重負載功率晶體管11。結(jié)果，誤差放大器12同時控制具有較小尺寸的輕負載功率晶體管21與具有較大尺寸的重負載功率晶體管11，因而有效地維持足夠大的輸出電流Iout。
因此，依據(jù)本實用新型的線性電壓調(diào)節(jié)器20有效地在輕負載模式下得到最佳的效率并且在重負載模式下提供足夠大的輸出電流Iout。
圖3顯示依據(jù)本實用新型的柵極控制電路22與模式選擇電路23的詳細電路圖。圖3所示的電路組件中相似于圖2所示的電路組件的是以相同的參考編號加以標示，且為簡化說明起見，下文省略其說明。如圖所示，柵極控制電路22具有兩個傳輸門TG1與TG2。功率晶體管11的柵極經(jīng)由傳輸門TG1而耦合至輸入電壓Vin，并且經(jīng)由傳輸門TG2而耦合至誤差放大器12的輸出端用以接收誤差信號Verr。傳輸門TG1與TG2的導(dǎo)通與否由從模式選擇電路23而來的模式選擇信號SS所控制。模式選擇信號SS具有第一狀態(tài)(例如低電壓電平)與第二狀態(tài)(例如高電壓電平)。當模式選擇信號SS處于第一狀態(tài)時，傳輸門TG1導(dǎo)通但傳輸門TG2不導(dǎo)通。在此情況下，重負載功率晶體管11的柵極經(jīng)由傳輸門TG1而耦合于輸入電壓Vin，故重負載功率晶體管11不導(dǎo)通且線性電壓調(diào)節(jié)器20操作于輕負載模式。當模式選擇信號SS處于第二狀態(tài)時，傳輸門TG1不導(dǎo)通但傳輸門TG2導(dǎo)通。在此情況下，重負載功率晶體管11的柵極經(jīng)由傳輸門TG2而受到誤差信號Verr的控制，故線性電壓調(diào)節(jié)器20操作于重負載模式。因此，響應(yīng)于模式選擇信號SS，柵極控制電路22可有效地允許輸入電壓Vin經(jīng)由傳輸門TG1而控制重負載功率晶體管11的柵極或者允許誤差信號Verr經(jīng)由傳輸門TG2而控制重負載功率晶體管11的柵極。
在圖3所示的優(yōu)選實施例中，模式選擇電路23的電流檢測單元24由一PMOS晶體管Q1所實施。晶體管Q1的柵極連接于輕負載功率晶體管21的柵極，且其源極連接于輕負載功率晶體管21的源極。因此，晶體管Q1的漏極可供應(yīng)一檢測電流信號Isen，其正比于流經(jīng)輕負載功率晶體管21的電流。
在圖3所示的優(yōu)選實施例中，電流比較單元25設(shè)計成具有磁滯效應(yīng)的電流比較器，從而防止在輕負載模式與重負載模式相互切換的過渡期間內(nèi)發(fā)生不期望的噪聲。具體而言，電流比較單元25利用NMOS晶體管Q2至Q3所形成的電流鏡來進行檢測電流信號Isen與臨界電流信號Ith的比較。晶體管Q2與Q3的柵極相互耦合，且其源極皆連接至地電位。晶體管Q2的漏極用于接收檢測電流信號Isen，而晶體管Q3的漏極則用于接收臨界電流信號Ith。在輕負載模式中，因為檢測電流信號Isen小于臨界電流信號Ith，所以晶體管Q3的漏極電位將被上拉至接近輸入電壓Vin。在此情況下，從反相器INV2輸出的模式選擇信號SS處于低電壓電平，使得傳輸門TG1導(dǎo)通但傳輸門TG2不導(dǎo)通。結(jié)果，重負載功率晶體管11的柵極經(jīng)由傳輸門TG1而耦合于輸入電壓Vin，故重負載功率晶體管11不導(dǎo)通。當檢測電流信號Isen大于臨界電流信號Ith時，流經(jīng)晶體管Q3的漏極電位將被下拉至接近地電位。在此情況下，從反相器INV2輸出的模式選擇信號SS處于高電壓電平，使得傳輸門TG1不導(dǎo)通但傳輸門TG2導(dǎo)通。結(jié)果，重負載功率晶體管11的柵極經(jīng)由傳輸門TG2而受到誤差信號Verr的控制，故線性電壓調(diào)節(jié)器20操作于重負載模式。
為了防止檢測電流信號Isen大于或小于臨界電流信號Ith的過渡期間內(nèi)發(fā)生不期望的切換噪聲，電流比較單元25更設(shè)置有NMOS晶體管Q4與Q5，從而提供電流比較的磁滯效應(yīng)。具體而言，晶體管Q4的柵極與漏極分別連接于晶體管Q3的柵極與漏極。晶體管Q5則作為開關(guān)，由反相器INV2所輸出的模式選擇信號SS所控制。當模式選擇信號SS處于低電壓電平時，晶體管Q5不導(dǎo)通使得晶體管Q4無法形成電流通道。在此情況下，檢測電流信號Isen必然小于臨界電流信號Ith，如此才能維持晶體管Q3的漏極電位于高電壓電平。一旦檢測電流信號Isen增大而超過臨界電流信號Ith時，晶體管Q3的漏極電位下降而使模式選擇信號SS轉(zhuǎn)態(tài)成高電壓電平。在此情況下，晶體管Q5因高電壓電平的模式選擇信號SS而導(dǎo)通，使得晶體管Q4形成電流通道，結(jié)果更進一步地拉低了晶體管Q3的漏極電位。倘若在此切換期間中檢測電流信號Isen因擾動而降低至略小于臨界電流信號Ith，因為晶體管Q4所提供的電流通道仍可允許一部分的臨界電流信號Ith流過，所以有效地防止晶體管Q3的漏極電位被拉高而造成模式選擇信號SS的狀態(tài)變換。
雖然本實用新型已經(jīng)通過優(yōu)選實施例作為例示加以說明，應(yīng)理解為本實用新型不限于此被公開的實施例。相反地，本實用新型意欲涵蓋對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言是明顯的各種修改與相似配置。因此，權(quán)利要求書的范圍應(yīng)根據(jù)最廣的詮釋，以包容所有此類修改與相似配置。
權(quán)利要求1.一種線性電壓調(diào)節(jié)器，包括一誤差放大器，用于響應(yīng)于一參考電壓信號與一反饋電壓信號而產(chǎn)生一誤差信號，該反饋電壓信號代表該輸出電壓；和一重負載晶體管，其具有一柵極并耦合于一輸入電壓與一輸出電壓間；其特征是還包括有一輕負載晶體管，其具有一柵極并耦合于該輸入電壓與該輸出電壓間，該柵極受到該誤差放大器產(chǎn)生的誤差信號的控制；一柵極控制電路，其耦合于該重負載晶體管的該柵極；以及一模式選擇電路，其耦合于該誤差放大器與該柵極控制電路間，用于產(chǎn)生一檢測電流信號，其代表流經(jīng)該輕負載晶體管的一電流，并且當該檢測電流信號大于一臨界電流信號時，該模式選擇電路允許該誤差信號經(jīng)由該柵極控制電路控制該重負載晶體管的該柵極。
2.如權(quán)利要求1所述的線性電壓調(diào)節(jié)器，其特征是該重負載晶體管的電流驅(qū)動能力大于該輕負載晶體管的電流驅(qū)動能力。
3.如權(quán)利要求1所述的線性電壓調(diào)節(jié)器，其特征是該重負載晶體管的尺寸大于該輕負載晶體管的尺寸。
4.如權(quán)利要求1所述的線性電壓調(diào)節(jié)器，其特征是該柵極控制電路包括一第一傳輸門與一第二傳輸門，且由該模式選擇電路所控制，使得當該第一傳輸門導(dǎo)通時，該輸入電壓經(jīng)由該第一傳輸門而控制該重負載晶體管的該柵極，而當該第二傳輸門導(dǎo)通時，該誤差信號經(jīng)由該第二傳輸門而控制該重負載晶體管的該柵極。
5.如權(quán)利要求4所述的線性電壓調(diào)節(jié)器，其特征是該模式選擇電路包括一電流檢測單元，用于產(chǎn)生該電流檢測信號，以及一電流比較單元，用于比較該檢測電流信號與該臨界信號并根據(jù)該比較而施加一模式選擇信號至該柵極控制電路，使得當該檢測電流信號小于該臨界電流信號時，該模式選擇信號使該第一傳輸門導(dǎo)通。
6.如權(quán)利要求4所述的線性電壓調(diào)節(jié)器，其特征是該模式選擇電路包括一電流檢測單元，用于產(chǎn)生該電流檢測信號，以及一電流比較單元，用于比較該檢測電流信號與該臨界信號并根據(jù)該比較而施加一模式選擇信號至該柵極控制電路，使得當該檢測電流信號大于該臨界電流信號時，該模式選擇信號使該第二傳輸門導(dǎo)通。
7.如權(quán)利要求1所述的線性電壓調(diào)節(jié)器，其特征是該模式選擇電路包括一電流檢測單元，用于產(chǎn)生該檢測電流信號，以及一電流比較單元，用于比較該檢測電流信號與該臨界電流信號。
8.如權(quán)利要求7所述的線性電壓調(diào)節(jié)器，其特征是該電流比較單元是一具有磁滯效應(yīng)的電流比較器。
專利摘要本實用新型提供了一種線性電壓調(diào)節(jié)器，其包括耦合于輸入電壓與輸出電壓間的輕負載晶體管和重負載晶體管；誤差放大器，用于響應(yīng)于參考電壓信號與反饋電壓信號而產(chǎn)生誤差信號，以控制輕負載晶體管的柵極，該反饋電壓信號代表輸出電壓；柵極控制電路，其耦合于重負載晶體管的柵極；以及模式選擇電路，其耦合于誤差放大器與柵極控制電路間，用于產(chǎn)生代表流經(jīng)該輕負載晶體管的電流的檢測電流信號，并且當該檢測電流信號大于臨界電流信號時，模式選擇電路允許該誤差信號經(jīng)由柵極控制電路控制重負載晶體管的柵極。
文檔編號G05F1/10GK2904068SQ20052000275
公開日2007年5月23日 申請日期2005年3月7日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月7日
發(fā)明者陳天賜, 蘇芳德 申請人:圓創(chuàng)科技股份有限公司