專利名稱：低壓降穩(wěn)壓器及其穩(wěn)壓方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明為一種穩(wěn)壓電路，特別是一種具有大輸入電壓范圍的低壓降穩(wěn)壓器。
背景技術(shù)：
具低壓降(low dropout ; LD0)的穩(wěn)壓器被相當廣泛地應(yīng)用于 如計算機、行動電話、交通工具或是其余電子產(chǎn)品之電源管理系統(tǒng)上。 電源管理系統(tǒng)使用低壓降穩(wěn)壓器作為區(qū)域性電源供應(yīng)器。低壓降穩(wěn)壓 器必須具有純凈的輸出與快速瞬時響應(yīng)。同時，低壓降穩(wěn)壓器更使電 源管理系統(tǒng)可以有效提供小于一般供應(yīng)電壓等級的額外電壓。舉例來 說，5伏特或是12伏特的電壓管理系統(tǒng)使用低壓降穩(wěn)壓器，將可供 應(yīng)部份的芯片組或是內(nèi)存純凈的2. 5伏特及3. 3伏特的電壓訊號。
盡管低壓降穩(wěn)壓器并不能相當有效率地轉(zhuǎn)換功率，但是他卻具有 體積小、成本不高的特點，且也僅有相當小的頻率干擾(frequency interference).此外它可提供區(qū)域電路純凈的電壓，且不會因為電 源系統(tǒng)的其它區(qū)域的電流波動(current fluctuations)而受影響。 因此，在區(qū)域電路的功率消耗相對于整體電源供應(yīng)系統(tǒng)的負載來說相 當微小時，低壓降穩(wěn)壓器被廣泛地使用于區(qū)域電路的電源供應(yīng)。
一理想低壓降穩(wěn)壓器提供精準的直流電輸出，同時于負載變化以 及輸入瞬時時具有快速響應(yīng)。且因為低壓降穩(wěn)壓器廣泛地應(yīng)用于量產(chǎn) 的產(chǎn)品，如計算機與行動電話，故設(shè)計簡單與低生產(chǎn)成本也是必要的。 傳統(tǒng)的穩(wěn)壓器包含有耦接于傳遞組件的反饋控制回路，其可調(diào)變傳遞 組件的柵極電壓而能控制其阻抗(impedance)。根據(jù)柵極電壓，傳遞 組件可供應(yīng)不同等級的電流至電源供應(yīng)器的輸出區(qū)。因此，不論負載 的情況與輸入的瞬時響應(yīng)，因為柵極電壓被調(diào)變，故都會提供穩(wěn)定的 直流電壓輸出。如圖1所示，系為習(xí)知源極隨耦穩(wěn)壓器(source follow regulator)的電路圖，其包含有N型傳輸晶體管IO、反饋控 制電路11以及分壓器12，分壓器12具有分壓點FB以及兩個電阻121、 122。源極隨耦穩(wěn)壓器接收未調(diào)整的直流輸入電壓V^，并輸出調(diào)整后 的直流輸出電壓V。。反饋控制電路11包含有誤差放大器15以及傳輸至 誤差放大器15的正輸入端的參考訊號V,。誤差放大器15的輸出端連 接至N型傳輸晶體管10之柵極端G ，而直流輸入電壓V^傳輸至N型傳輸 晶體管10的漏極端D，源極端S則可傳遞直流輸出電壓V。。直流輸出電壓V。系由反饋控制電路11透過分壓器12來傳遞。電阻121、 122串連于 直流輸出電壓V。與參考地端之間，分壓點FB位于兩電阻121、 122之間， 并連接回誤差放大器l 5的負輸入端。
這種源極隨耦穩(wěn)壓器的優(yōu)點在于良好的穩(wěn)定性，N型傳輸晶體管 10提供衰減至反饋回路，誤差放大器15主要控制回路的增益(gain)， 而可輕易達到足夠的增益邊限(Gain Margin)和相位邊限(Phase Margin)。另 一個優(yōu)點在于具有高電源拒斥比(Power S叩ply Rejection Ratio; PSRR)， N型傳輸晶體管10由漏極端D接收直流 輸入電壓VIN，因此可具有高的阻抗來抵抗由直流輸入電壓V,、至直流 輸出電壓V。的噪聲。然而，源極隨耦穩(wěn)壓器缺點是此種穩(wěn)壓器具有高 的壓降電壓，柵極至源極電壓Vg&高于導(dǎo)通N型傳輸晶體管10之臨 界電壓VT。直流輸入電壓V,、與直流輸出電壓V。之間的電壓差限制了 直流輸出電壓V。的上限。漏極至源極電壓V^乃是當N型傳輸晶體管 10于截止狀態(tài)時，位于漏極端D與源極端S的電壓降。
請參閱圖2，系為低壓降穩(wěn)壓器的基本結(jié)構(gòu)，低壓降穩(wěn)壓器包含 有P型傳輸晶體管20，反饋控制電路21與分壓器22，分壓器22包 含有兩個電阻221、 222，反饋控制電路21包含有誤差放大器211以 及傳輸至誤差放大器211之負輸入端的參考訊號VREF，而誤差放大器 211的輸出端連接于P型傳輸晶體管20的柵極端G。
未調(diào)整的直流輸入電壓V^傳輸至P型傳輸晶體管20的源極端S， P型傳輸晶體管20由漏極端D輸出調(diào)整后的直流輸出電壓V。，且直 流輸出電壓V。，透過電阻221、 222，傳送至誤差放大器211之正輸 入端。參考訊號V,傳遞至誤差放大器211的負輸入端。此低壓降穩(wěn) 壓器的優(yōu)點是低的壓降電壓(LD0)。 P型20于柵極至源極電壓Vgs2 高于其臨界電壓VT時導(dǎo)通，誤差放大器211的輸出端會被連接至接地 端，因此達成一個具有相當?shù)洼斎胫凛敵鲭妷旱牡蛪航捣€(wěn)壓器。漏極 至源極電壓V^乃是當P型傳輸晶體管20為截止狀態(tài)時，位于漏極端 D與源極端S的電壓降。
這種低壓降穩(wěn)壓器的缺點乃是當直流輸入電壓L較大時會趨于 不穩(wěn)定，P型傳輸晶體管20會提供顯著的增益至反饋回路。此外由 于米勒效應(yīng)，寄生電容(parasitic capacitor) 23將會在誤差放大 器211的輸出端帶來相當大的電容值，而會在反饋循環(huán)形成極點，進 而影響穩(wěn)壓器的轉(zhuǎn)換函數(shù)，為了回路的穩(wěn)定性，誤差放大器211得具 備有較低的輸出阻抗來使極點位移至較高的頻率。然而，要使誤差放 大^ 211具有較低的輸出阻抗相當困難，尤其是當輸入直流電壓V!、較高時。
低壓降穩(wěn)壓器的另外一個問題在于較差的電源拒斥比，直流輸入 電壓Vw傳遞至P型傳輸晶體管20的源極端S乃是低阻抗，直流輸入電壓VIN的噪聲(noise)相當容易干擾P型傳輸晶體管20的柵極至源 極電壓VgS2。因此，發(fā)展具高電源拒斥比與大輸入電壓范圍的低壓降 穩(wěn)壓器乃是必然趨勢。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種低壓降穩(wěn)壓器及其穩(wěn)壓 方法，其可于大輸入電壓范圍下操作，并具有高電源拒斥比。
本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣的低壓降穩(wěn)壓器，包含有N型傳輸晶 體管、P型傳輸晶體管、控制電路、分壓器、輸入端與輸出端；N型 傳輸晶體管供電至輸出端，N型傳輸晶體管的漏極端耦接于輸入端， 源極端耦接輸出端；而P型傳輸晶體管與N型傳輸晶體管以并聯(lián)方式 連接，P型傳輸晶體管的源極端耦接于輸入端，漏極端耦接至輸出端。 參考訊號輸入至控制電路，控制電路耦接于輸出端且其輸出端分別連 接于N型傳輸晶體管的柵極端與P型傳輸晶體管的柵極端，并控制N型傳輸晶體管與P型傳輸晶體管來根據(jù)參考訊號產(chǎn)生第一輸出電壓 與第二輸出電壓，其中第一輸出電壓的設(shè)計高于第二輸出電壓；當輸 入電壓高于臨界電壓時，會產(chǎn)生第一輸出電壓，而當輸入電壓低于臨 界電壓時，會產(chǎn)生第二輸出電壓。
另一方面，低壓降穩(wěn)壓器更可包含偵測電路，可于輸入電壓高于 輸入臨界電壓時，使P型截止，因此，當輸入至輸出電壓過高時，低 壓降穩(wěn)壓器可像具有高電源拒斥比與回路穩(wěn)定性的源極隨耦穩(wěn)壓器 一般操作，且當輸入至輸出電壓過低時，其又可具有低的壓降電壓。


圖1為習(xí)知源極隨耦穩(wěn)壓器的電路示意圖。
圖2為習(xí)知低壓降穩(wěn)壓器的電路示意圖。
圖3為本發(fā)明低壓降穩(wěn)壓器的較佳實施例的電路示意圖。
圖4為本發(fā)明低壓降穩(wěn)壓器的另一較佳實施例的電路示意圖。
圖5為本發(fā)明低壓降穩(wěn)壓器具有輸入電壓偵測電路的較佳實施 例的電路示意圖。
具體實施例方式
根據(jù)本發(fā)明所揭露的低壓降穩(wěn)壓器及其穩(wěn)壓方法，如圖3所示， 系為本發(fā)明低壓降穩(wěn)壓器的較佳實施例電路圖，低壓降穩(wěn)壓器(LD0 regulator)包含有N型傳輸晶體管(N—type pass transistor) 31、P型傳輸晶體管(P-type pass transistor) 32、控制電路30、分壓 器35、輸入端36與輸出端37。低壓降穩(wěn)壓器由輸入端36接收未調(diào) 整的直流輸入電壓V,、，并于調(diào)整后由輸出端37輸出直流輸出電壓VQ。 N型傳輸晶體管31由輸入端36供電至輸出端37。 N型傳輸晶體管31 包含有漏極端D、源極端S與柵極端G，漏極端D耦接于輸入端36， 源極端S耦接于輸出端37。 P型傳輸晶體管32與N型傳輸晶體管31 以并聯(lián)方式連接，同樣的，P型傳輸晶體管32也包含有漏極端D、源 極端S與柵極端G，源極端S耦接于輸入端36，漏極端D耦接于輸出 端37。
如圖3中所示，控制電路30包含有兩個誤差放大器(error amplifier) 33、 34。參考訊號V,傳遞入控制電路30，誤差放大器 33透過分壓器35耦接于輸出端37。分壓器35包含有依次串接于輸 出端37與接地端之間的電阻351、 352、 353，電阻352的兩端分別 為第一反饋訊號接點和第二反饋訊號接點，并可產(chǎn)生第一反饋訊號 V剛與第二反饋訊號V啦。第一反饋訊號V,B,與第二反饋訊號V印2分別傳 送至誤差放大器33的反相輸入端和誤差放大器34的同相輸入端，其 中第二反饋訊號V^高于第一反饋訊號VFB1。誤差放大器33根據(jù)參考 訊號V鵬控制N型傳輸晶體管31以產(chǎn)生第一輸出電壓V。1;誤差放大 器34透過分壓器35耦接于輸出端37根據(jù)參考訊號V,控制P型傳輸 晶體管32來產(chǎn)生第二輸出電壓V(,2，其中第一輸出電壓Vw與第二輸出 電壓l系可由方程式(l) 、 (2)來表示
<formula>see original document page 7</formula>1)
<formula>see original document page 7</formula> ( 2)
其中，R351為電阻351的電阻值；
R352為電阻352的電阻值；
R353為電阻353的電阻值； 因此，第一輸出電壓V,H會略高于第二輸出電壓Vo2。 N型傳輸晶體管31供應(yīng)第一輸出電壓V ,當其導(dǎo)通并產(chǎn)生第一輸 出電壓V。,至輸出端37時。當輸入電壓V,、過低而造成N型傳輸晶體 管31截止時，P型傳輸晶體管32會導(dǎo)通來產(chǎn)生第二輸出電壓V。2傳送 至輸出端37。 N型傳輸晶體管31與P型傳輸晶體管32為并聯(lián)連接于 輸出端37，因此，輸入電壓V^高于臨界電壓VTH時將產(chǎn)生第一輸出電 壓VQ1,而輸入電壓Vw低于臨界電壓L時將產(chǎn)生第二輸出電壓V。2至 輸出端37，臨界電壓VTH系可由下列方程式(3)說明VTH=Vo+Vgs (3)
其中，Vgs系為N型傳輸晶體管31之柵極至源極電壓，用以導(dǎo)通N型傳輸晶體管31，而V。系為調(diào)整后的直流輸出電壓。
因誤差放大器33、34之增益很大，當N型傳輸晶體管31導(dǎo)通時，P型傳輸晶體管32會截止。第一輸出電壓V01與第二輸出電壓V02之電壓差△V如下列方程式(4)，且可加以忽略。
△V = Vo1-Vo2 (4)
圖4為本發(fā)明另一較佳實施例的電路示意圖，兩個參考訊號，第一參考訊號VR1與第二參考訊號VR2分別傳送至誤差放大器33的同相 輸入端和誤差放大器34的反相輸入端。在此一實施例中，分壓器35 包含有依次串接于輸出端37與接地端之間的電阻41、42，誤差放大器33、34透過電阻41、42耦接于輸出端37。誤差放大器33、34分別根據(jù)第一參考訊號VR1與第二參考訊號VR2控制N型傳輸晶體管31與P型傳輸晶體管32來分別產(chǎn)生第一輸出電壓V03與第二輸出電壓V04。其中設(shè)計第一輸出電壓V03時會略高于第二輸出電壓V03，且滿足下列方程式(5)、(6):
<formula>see original document page 8</formula> (5)
<formula>see original document page 8</formula> (6)
其中R41系為電阻41之電阻值；R42系為電阻41之電阻值。
設(shè)計第一參考訊號VR1會略高于第二參考訊號VR2，因此N型傳輸 晶體管31導(dǎo)通時，產(chǎn)生第一輸出電壓V03，至輸出端37，而當輸入電 壓VIN過低而無法導(dǎo)通N型傳輸晶體管31時，P型傳輸晶體管32則 會被導(dǎo)通而產(chǎn)生第二輸出電壓V04至輸出端37。
請參閱圖5，系為本發(fā)明低壓降穩(wěn)壓器更包含有偵測電路50的較佳實施例的電路示意圖。當輸入電壓VIN為高準位時，偵測電路50用來截止P型傳輸晶體管32不需透過反饋回路，如此提高了輸入電壓VIN為高準位時的瞬時響應(yīng)(transient response)。偵測電路50包含有比較器51與兩個電阻52、53。比較器51的同相輸入端(positive input terminal)用以接收輸入臨界電壓Vm，而反相輸入端(negative input terminal)則耦接于輸入端36用以透過電阻52、53來偵測輸入電壓VIN。當輸入電壓VIN大于輸入臨界電壓VTIN時，比較器51的輸出端產(chǎn)生的前饋訊號(feedforward signal)ENB接 于放大器34使P型傳輸晶體管32截止。
本發(fā)明所揭露的低壓降穩(wěn)壓器，在輸入至輸出電壓
(input-to-output voltage)過高時，如同習(xí)知源極隨耦穩(wěn)壓器般 操作，而具有高電源拒斥比與回路穩(wěn)定性，且當輸入至輸出電壓過低 時，其又可達到低壓降。
雖然本發(fā)明以前述的較佳實施例揭露如上，然其并非用以限定本 發(fā)明，任何熟習(xí)此技藝者，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當可作 些許的更動與潤飾，因此本發(fā)明的保護范圍當視后附的申請專利范圍 所界定者為準。
權(quán)利要求
1. 低壓降穩(wěn)壓器，其特征在于包含有一輸入端，用以接收一輸入電壓；一輸出端，用以將該輸入電壓調(diào)整后的一輸出電壓加以輸出；一N型傳輸晶體管，用以由該輸入端供電至該輸出端，該N型傳輸晶體管的漏極端耦接于該輸入端、源極端耦接于該輸出端；一P型傳輸晶體管，用以由該輸入端供電至該輸出端，該P型傳輸晶體管的源極端耦接于該輸入端、漏極端耦接于該輸出端；及一控制電路，該控制電路的輸出端分別連接于該N型傳輸晶體管與該P型傳輸晶體管的柵極端，用以控制該N型傳輸晶體管與該P型傳輸晶體管的柵極端，使該N型傳輸晶體管與該P型傳輸晶體管其中之一導(dǎo)通而輸出該輸出電壓。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的低壓降穩(wěn)壓器，其特征在于更包含 有一分壓器，耦接于該輸出端，該分壓器設(shè)有第一反饋訊號輸出接點 與第二反饋訊號輸出接點，用以根據(jù)該輸出電壓產(chǎn)生一第一反饋訊號 與第二反饋訊號，其中該控制電路可接收一參考訊號，并根據(jù)該參考 訊號與該第一反饋訊號來控制該N型傳輸晶體管，根據(jù)該參考訊號與該第二反饋訊號來控制該P型傳輸晶體管。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的低壓降穩(wěn)壓器，其特征在于其中該 第二反饋訊號高于該第一反饋訊號。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的低壓降穩(wěn)壓器，其特征在于更包含有一偵測電路，該偵測電路耦接于該輸入端，并在該輸入電壓大于一 臨界電壓時，使該p型傳輸晶體管截止。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的低壓降穩(wěn)壓器，其特征在于其中該偵測電路至少包含兩個電阻。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的低壓降穩(wěn)壓器，其特征在于其中該控制電路包含有兩個誤差放大器，此兩個誤差放大器的輸出端分別連接于該N型傳輸晶體管的柵極端和該P型傳輸晶體管的柵極端，用以 控制該N型傳輸晶體管產(chǎn)生第一輸出電壓至該輸出端，與控制該P型傳輸晶體管產(chǎn)生第二輸出電壓至該輸出端。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的低壓降穩(wěn)壓器，其特征在于其中該第一輸出電壓系于該輸入電壓高于一臨界電壓時所產(chǎn)生，而該第二輸 出電壓系于該輸入電壓低于該臨界電壓時所產(chǎn)生。
8、 低壓降穩(wěn)壓器的穩(wěn)壓方法，其特征在于該低壓降穩(wěn)壓器包含一N型傳輸晶體管、一P型傳輸晶體管、 一控制電路、 一輸入端與一輸出端，該方法包含有下列步驟藉由該輸入端接收一未調(diào)整的直流電壓； 當該未調(diào)整的直流電壓高于一臨界電壓，透過該N型傳輸晶體管調(diào)整該直流電壓而產(chǎn)生一第一輸出電壓；及當該未調(diào)整的直流電壓低于該臨界電壓，透過該P型傳輸晶體管 調(diào)整該直流電壓而產(chǎn)生一第二輸出電壓。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的低壓降穩(wěn)壓器的穩(wěn)壓方法，其特征在 于其中該控制電路用以控制該N型傳輸晶體管產(chǎn)生第一輸出電壓至該輸出端，與控制該P型傳輸晶體管產(chǎn)生第二輸出電壓至該輸出端。
10、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的低壓降穩(wěn)壓器的穩(wěn)壓方法，其特征在于其中該控制電路可接收一參考訊號，而根據(jù)該參考訊號與一第一反饋訊號來控制該N型傳輸晶體管，根據(jù)該參考訊號與一第二反饋訊 號來控制該P型傳輸晶體管。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種低壓降穩(wěn)壓器及其穩(wěn)壓方法，其包含有用以供電至輸出端的P型傳輸晶體管與N型傳輸晶體管。P型傳輸晶體管與N型傳輸晶體管平行設(shè)置，并利用兩個誤差放大器控制P型傳輸晶體管與N型傳輸晶體管的柵極，以產(chǎn)生第一輸出電壓與第二輸出電壓。因此，當輸入電壓高于一臨界電壓時，則會產(chǎn)生第一電壓，當輸入電壓低于臨界電壓時，則會產(chǎn)生第二電壓。
文檔編號G05F1/10GK101206491SQ20061015622
公開日2008年6月25日 申請日期2006年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月22日
發(fā)明者楊大勇, 林志和 申請人:崇貿(mào)科技股份有限公司