专利名称：低压降稳压器及其稳压方法
技术领域：
本发明为一种稳压电路，特别是一种具有大输入电压范围的低压降稳压器。
背景技术：
具低压降(low dropout ; LD0)的稳压器被相当广泛地应用于 如计算机、行动电话、交通工具或是其余电子产品之电源管理系统上。 电源管理系统使用低压降稳压器作为区域性电源供应器。低压降稳压 器必须具有纯净的输出与快速瞬时响应。同时，低压降稳压器更使电 源管理系统可以有效提供小于一般供应电压等级的额外电压。举例来 说，5伏特或是12伏特的电压管理系统使用低压降稳压器，将可供 应部份的芯片组或是内存纯净的2. 5伏特及3. 3伏特的电压讯号。
尽管低压降稳压器并不能相当有效率地转换功率，但是他却具有 体积小、成本不高的特点，且也仅有相当小的频率干扰(frequency interference).此外它可提供区域电路纯净的电压，且不会因为电 源系统的其它区域的电流波动(current fluctuations)而受影响。 因此，在区域电路的功率消耗相对于整体电源供应系统的负载来说相 当微小时，低压降稳压器被广泛地使用于区域电路的电源供应。
一理想低压降稳压器提供精准的直流电输出，同时于负载变化以 及输入瞬时时具有快速响应。且因为低压降稳压器广泛地应用于量产 的产品，如计算机与行动电话，故设计简单与低生产成本也是必要的。 传统的稳压器包含有耦接于传递组件的反馈控制回路，其可调变传递 组件的栅极电压而能控制其阻抗(impedance)。根据栅极电压，传递 组件可供应不同等级的电流至电源供应器的输出区。因此，不论负载 的情况与输入的瞬时响应，因为栅极电压被调变，故都会提供稳定的 直流电压输出。如图1所示，系为习知源极随耦稳压器(source follow regulator)的电路图，其包含有N型传输晶体管IO、反馈控 制电路11以及分压器12，分压器12具有分压点FB以及两个电阻121、 122。源极随耦稳压器接收未调整的直流输入电压V^，并输出调整后 的直流输出电压V。。反馈控制电路11包含有误差放大器15以及传输至 误差放大器15的正输入端的参考讯号V,。误差放大器15的输出端连 接至N型传输晶体管10之栅极端G ，而直流输入电压V^传输至N型传输 晶体管10的漏极端D，源极端S则可传递直流输出电压V。。直流输出电压V。系由反馈控制电路11透过分压器12来传递。电阻121、 122串连于 直流输出电压V。与参考地端之间，分压点FB位于两电阻121、 122之间， 并连接回误差放大器l 5的负输入端。
这种源极随耦稳压器的优点在于良好的稳定性，N型传输晶体管 10提供衰减至反馈回路，误差放大器15主要控制回路的增益(gain)， 而可轻易达到足够的增益边限(Gain Margin)和相位边限(Phase Margin)。另 一个优点在于具有高电源拒斥比(Power S叩ply Rejection Ratio; PSRR)， N型传输晶体管10由漏极端D接收直流 输入电压VIN，因此可具有高的阻抗来抵抗由直流输入电压V,、至直流 输出电压V。的噪声。然而，源极随耦稳压器缺点是此种稳压器具有高 的压降电压，栅极至源极电压Vg&高于导通N型传输晶体管10之临 界电压VT。直流输入电压V,、与直流输出电压V。之间的电压差限制了 直流输出电压V。的上限。漏极至源极电压V^乃是当N型传输晶体管 10于截止状态时，位于漏极端D与源极端S的电压降。
请参阅图2，系为低压降稳压器的基本结构，低压降稳压器包含 有P型传输晶体管20，反馈控制电路21与分压器22，分压器22包 含有两个电阻221、 222，反馈控制电路21包含有误差放大器211以 及传输至误差放大器211之负输入端的参考讯号VREF，而误差放大器 211的输出端连接于P型传输晶体管20的栅极端G。
未调整的直流输入电压V^传输至P型传输晶体管20的源极端S， P型传输晶体管20由漏极端D输出调整后的直流输出电压V。，且直 流输出电压V。，透过电阻221、 222，传送至误差放大器211之正输 入端。参考讯号V,传递至误差放大器211的负输入端。此低压降稳 压器的优点是低的压降电压(LD0)。 P型20于栅极至源极电压Vgs2 高于其临界电压VT时导通，误差放大器211的输出端会被连接至接地 端，因此达成一个具有相当低输入至输出电压的低压降稳压器。漏极 至源极电压V^乃是当P型传输晶体管20为截止状态时，位于漏极端 D与源极端S的电压降。
这种低压降稳压器的缺点乃是当直流输入电压L较大时会趋于 不稳定，P型传输晶体管20会提供显著的增益至反馈回路。此外由 于米勒效应，寄生电容(parasitic capacitor) 23将会在误差放大 器211的输出端带来相当大的电容值，而会在反馈循环形成极点，进 而影响稳压器的转换函数，为了回路的稳定性，误差放大器211得具 备有较低的输出阻抗来使极点位移至较高的频率。然而，要使误差放 大^ 211具有较低的输出阻抗相当困难，尤其是当输入直流电压V!、较高时。
低压降稳压器的另外一个问题在于较差的电源拒斥比，直流输入 电压Vw传递至P型传输晶体管20的源极端S乃是低阻抗，直流输入电压VIN的噪声(noise)相当容易干扰P型传输晶体管20的栅极至源 极电压VgS2。因此，发展具高电源拒斥比与大输入电压范围的低压降 稳压器乃是必然趋势。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种低压降稳压器及其稳压 方法，其可于大输入电压范围下操作，并具有高电源拒斥比。
本发明的技术方案是这样的低压降稳压器，包含有N型传输晶 体管、P型传输晶体管、控制电路、分压器、输入端与输出端；N型 传输晶体管供电至输出端，N型传输晶体管的漏极端耦接于输入端， 源极端耦接输出端；而P型传输晶体管与N型传输晶体管以并联方式 连接，P型传输晶体管的源极端耦接于输入端，漏极端耦接至输出端。 参考讯号输入至控制电路，控制电路耦接于输出端且其输出端分别连 接于N型传输晶体管的栅极端与P型传输晶体管的栅极端，并控制N型传输晶体管与P型传输晶体管来根据参考讯号产生第一输出电压 与第二输出电压，其中第一输出电压的设计高于第二输出电压；当输 入电压高于临界电压时，会产生第一输出电压，而当输入电压低于临 界电压时，会产生第二输出电压。
另一方面，低压降稳压器更可包含侦测电路，可于输入电压高于 输入临界电压时，使P型截止，因此，当输入至输出电压过高时，低 压降稳压器可像具有高电源拒斥比与回路稳定性的源极随耦稳压器 一般操作，且当输入至输出电压过低时，其又可具有低的压降电压。
图1为习知源极随耦稳压器的电路示意图。
图2为习知低压降稳压器的电路示意图。
图3为本发明低压降稳压器的较佳实施例的电路示意图。
图4为本发明低压降稳压器的另一较佳实施例的电路示意图。
图5为本发明低压降稳压器具有输入电压侦测电路的较佳实施 例的电路示意图。
具体实施例方式
根据本发明所揭露的低压降稳压器及其稳压方法，如图3所示， 系为本发明低压降稳压器的较佳实施例电路图，低压降稳压器(LD0 regulator)包含有N型传输晶体管(N—type pass transistor) 31、P型传输晶体管(P-type pass transistor) 32、控制电路30、分压 器35、输入端36与输出端37。低压降稳压器由输入端36接收未调 整的直流输入电压V,、，并于调整后由输出端37输出直流输出电压VQ。 N型传输晶体管31由输入端36供电至输出端37。 N型传输晶体管31 包含有漏极端D、源极端S与栅极端G，漏极端D耦接于输入端36， 源极端S耦接于输出端37。 P型传输晶体管32与N型传输晶体管31 以并联方式连接，同样的，P型传输晶体管32也包含有漏极端D、源 极端S与栅极端G，源极端S耦接于输入端36，漏极端D耦接于输出 端37。
如图3中所示，控制电路30包含有两个误差放大器(error amplifier) 33、 34。参考讯号V,传递入控制电路30，误差放大器 33透过分压器35耦接于输出端37。分压器35包含有依次串接于输 出端37与接地端之间的电阻351、 352、 353，电阻352的两端分别 为第一反馈讯号接点和第二反馈讯号接点，并可产生第一反馈讯号 V刚与第二反馈讯号V啦。第一反馈讯号V,B,与第二反馈讯号V印2分别传 送至误差放大器33的反相输入端和误差放大器34的同相输入端，其 中第二反馈讯号V^高于第一反馈讯号VFB1。误差放大器33根据参考 讯号V鹏控制N型传输晶体管31以产生第一输出电压V。1;误差放大 器34透过分压器35耦接于输出端37根据参考讯号V,控制P型传输 晶体管32来产生第二输出电压V(,2，其中第一输出电压Vw与第二输出 电压l系可由方程式(l) 、 (2)来表示
<formula>see original document page 7</formula>1)
<formula>see original document page 7</formula> ( 2)
其中，R351为电阻351的电阻值；
R352为电阻352的电阻值；
R353为电阻353的电阻值； 因此，第一输出电压V,H会略高于第二输出电压Vo2。 N型传输晶体管31供应第一输出电压V ,当其导通并产生第一输 出电压V。,至输出端37时。当输入电压V,、过低而造成N型传输晶体 管31截止时，P型传输晶体管32会导通来产生第二输出电压V。2传送 至输出端37。 N型传输晶体管31与P型传输晶体管32为并联连接于 输出端37，因此，输入电压V^高于临界电压VTH时将产生第一输出电 压VQ1,而输入电压Vw低于临界电压L时将产生第二输出电压V。2至 输出端37，临界电压VTH系可由下列方程式(3)说明VTH=Vo+Vgs (3)
其中，Vgs系为N型传输晶体管31之栅极至源极电压，用以导通N型传输晶体管31，而V。系为调整后的直流输出电压。
因误差放大器33、34之增益很大，当N型传输晶体管31导通时，P型传输晶体管32会截止。第一输出电压V01与第二输出电压V02之电压差△V如下列方程式(4)，且可加以忽略。
△V = Vo1-Vo2 (4)
图4为本发明另一较佳实施例的电路示意图，两个参考讯号，第一参考讯号VR1与第二参考讯号VR2分别传送至误差放大器33的同相 输入端和误差放大器34的反相输入端。在此一实施例中，分压器35 包含有依次串接于输出端37与接地端之间的电阻41、42，误差放大器33、34透过电阻41、42耦接于输出端37。误差放大器33、34分别根据第一参考讯号VR1与第二参考讯号VR2控制N型传输晶体管31与P型传输晶体管32来分别产生第一输出电压V03与第二输出电压V04。其中设计第一输出电压V03时会略高于第二输出电压V03，且满足下列方程式(5)、(6):
<formula>see original document page 8</formula> (5)
<formula>see original document page 8</formula> (6)
其中R41系为电阻41之电阻值；R42系为电阻41之电阻值。
设计第一参考讯号VR1会略高于第二参考讯号VR2，因此N型传输 晶体管31导通时，产生第一输出电压V03，至输出端37，而当输入电 压VIN过低而无法导通N型传输晶体管31时，P型传输晶体管32则 会被导通而产生第二输出电压V04至输出端37。
请参阅图5，系为本发明低压降稳压器更包含有侦测电路50的较佳实施例的电路示意图。当输入电压VIN为高准位时，侦测电路50用来截止P型传输晶体管32不需透过反馈回路，如此提高了输入电压VIN为高准位时的瞬时响应(transient response)。侦测电路50包含有比较器51与两个电阻52、53。比较器51的同相输入端(positive input terminal)用以接收输入临界电压Vm，而反相输入端(negative input terminal)则耦接于输入端36用以透过电阻52、53来侦测输入电压VIN。当输入电压VIN大于输入临界电压VTIN时，比较器51的输出端产生的前馈讯号(feedforward signal)ENB接 于放大器34使P型传输晶体管32截止。
本发明所揭露的低压降稳压器，在输入至输出电压
(input-to-output voltage)过高时，如同习知源极随耦稳压器般 操作，而具有高电源拒斥比与回路稳定性，且当输入至输出电压过低 时，其又可达到低压降。
虽然本发明以前述的较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本 发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作 些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视后附的申请专利范围 所界定者为准。
权利要求
1. 低压降稳压器，其特征在于包含有一输入端，用以接收一输入电压；一输出端，用以将该输入电压调整后的一输出电压加以输出；一N型传输晶体管，用以由该输入端供电至该输出端，该N型传输晶体管的漏极端耦接于该输入端、源极端耦接于该输出端；一P型传输晶体管，用以由该输入端供电至该输出端，该P型传输晶体管的源极端耦接于该输入端、漏极端耦接于该输出端；及一控制电路，该控制电路的输出端分别连接于该N型传输晶体管与该P型传输晶体管的栅极端，用以控制该N型传输晶体管与该P型传输晶体管的栅极端，使该N型传输晶体管与该P型传输晶体管其中之一导通而输出该输出电压。
2、 根据权利要求1所述的低压降稳压器，其特征在于更包含 有一分压器，耦接于该输出端，该分压器设有第一反馈讯号输出接点 与第二反馈讯号输出接点，用以根据该输出电压产生一第一反馈讯号 与第二反馈讯号，其中该控制电路可接收一参考讯号，并根据该参考 讯号与该第一反馈讯号来控制该N型传输晶体管，根据该参考讯号与该第二反馈讯号来控制该P型传输晶体管。
3、 根据权利要求2所述的低压降稳压器，其特征在于其中该 第二反馈讯号高于该第一反馈讯号。
4、 根据权利要求1所述的低压降稳压器，其特征在于更包含有一侦测电路，该侦测电路耦接于该输入端，并在该输入电压大于一 临界电压时，使该p型传输晶体管截止。
5、 根据权利要求4所述的低压降稳压器，其特征在于其中该侦测电路至少包含两个电阻。
6、 根据权利要求1所述的低压降稳压器，其特征在于其中该控制电路包含有两个误差放大器，此两个误差放大器的输出端分别连接于该N型传输晶体管的栅极端和该P型传输晶体管的栅极端，用以 控制该N型传输晶体管产生第一输出电压至该输出端，与控制该P型传输晶体管产生第二输出电压至该输出端。
7、 根据权利要求6所述的低压降稳压器，其特征在于其中该第一输出电压系于该输入电压高于一临界电压时所产生，而该第二输 出电压系于该输入电压低于该临界电压时所产生。
8、 低压降稳压器的稳压方法，其特征在于该低压降稳压器包含一N型传输晶体管、一P型传输晶体管、 一控制电路、 一输入端与一输出端，该方法包含有下列步骤藉由该输入端接收一未调整的直流电压； 当该未调整的直流电压高于一临界电压，透过该N型传输晶体管调整该直流电压而产生一第一输出电压；及当该未调整的直流电压低于该临界电压，透过该P型传输晶体管 调整该直流电压而产生一第二输出电压。
9、 根据权利要求8所述的低压降稳压器的稳压方法，其特征在 于其中该控制电路用以控制该N型传输晶体管产生第一输出电压至该输出端，与控制该P型传输晶体管产生第二输出电压至该输出端。
10、 根据权利要求8所述的低压降稳压器的稳压方法，其特征在于其中该控制电路可接收一参考讯号，而根据该参考讯号与一第一反馈讯号来控制该N型传输晶体管，根据该参考讯号与一第二反馈讯 号来控制该P型传输晶体管。
全文摘要
本发明公开了一种低压降稳压器及其稳压方法，其包含有用以供电至输出端的P型传输晶体管与N型传输晶体管。P型传输晶体管与N型传输晶体管平行设置，并利用两个误差放大器控制P型传输晶体管与N型传输晶体管的栅极，以产生第一输出电压与第二输出电压。因此，当输入电压高于一临界电压时，则会产生第一电压，当输入电压低于临界电压时，则会产生第二电压。
文档编号G05F1/10GK101206491SQ20061015622
公开日2008年6月25日 申请日期2006年12月22日 优先权日2006年12月22日
发明者杨大勇, 林志和 申请人:崇贸科技股份有限公司