专利名称：低压差稳压器的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及一种低压差稳压器，且特别涉及一种具有快速暂态响应的低压差稳压
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背景技术：
传统常见的电压转换电路有两种交换式稳压器(switching regulator)以及线性稳压器(linear regulator)，其中在降压应用中常使用的线性稳压器为低压降稳压器 (low drop out regulator, LDO regulator)。低压降稳压器具有低生产成本、电路简单和低噪音等特点，能够提供稳定输出电压，因此被广泛地应用于各种便携式电子产品上。其中，响应速度和系统稳定度是评估电压转换电路的重要参数。
发明内容
本发明提供一种具有快速暂态响应的低压差稳压器。本发明提出一种低压差稳压器，包括一误差放大器、一功率晶体管、一第一分压单元、一补偿控制单元以及一补偿偏压电流源。其中误差放大器依据一第一参考电压以及一反馈电压产生一控制电压。功率晶体管的栅极耦接误差放大器，功率晶体管的源极耦接电源电压，功率晶体管依据控制电压而于其漏极产生一输出电压。第一分压单元耦接于功率晶体管的漏极与接地之间，分压输出电压以产生反馈电压。补偿控制单元耦接于功率晶体管的栅极与漏极之间，依据控制电压、输出电压与一补偿偏压产生一补偿控制信号。补偿偏压电流源耦接误差放大器，依据补偿控制信号提供一补偿偏压电流给低压差稳压器。在本发明的一实施例中，还包括一电压及温度补偿模块，其耦接补偿控制单元产生补偿偏压，并依据电源电压以及环境温度的变化调整补偿偏压，其中补偿偏压与电源电压以及环境温度成反比。在本发明的一实施例中，上述的低压差稳压器，还包括一偏压电流源，其耦接误差放大器，提供误差放大器一偏压电流。基于上述，本发明利用补偿控制单元依据功率晶体管栅极的控制电压、低压差稳压器的输出电压与电压及温度补偿模块产生的补偿电压来输出一补偿控制信号，以使补偿偏压电流源提供误差放大器一额外的补偿偏压电流，进而加快低压差稳压器的负载暂态响应，并同时对电源电压以及环境温度的变动进行补偿。为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。
图1为本发明一实施例的低压差稳压器的示意图。图2为本发明另一实施例的低压差稳压器的示意图。图3A为公知低压差稳压器的负载暂态响应的模拟示意图。
图;3B为图2实施例的低压差稳压器的负载暂态响应的模拟示意图。图4为本发明一实施例的电压及温度补偿模块的示意图。图5为图1实施例的低压差稳压器的频率响应波特图。上述附图中的附图标记说明如下100:低压差稳压器102:误差放大器104、408 分压单元106 补偿控制单元108 电压及温度补偿模块110 偏压电流源112:补偿偏压电流源202,204 压降检测单元206 补偿控制信号产生单元402 能隙参考电压产生单元404 电压补偿单元406 温度补偿单元410 解译单元412:电流比例调整单元Pl 功率晶体管Vref:参考电压VDD:电源电压GND 接地Cout 负载电容RL:负载电阻Iload:负载电流Il 偏压电流Vf:反馈电压Vcon:控制电压Vout:输出电压Vc:补偿偏压Sc 补偿控制信号Ic:补偿偏压电流Ql Q6、P型晶体管Ml M6、Ni、N3 :N 型晶体管Rl R4、Rd:电阻VS1、VS2:补偿信号VOPG1、V0PG2 参考电压SV:电压补偿控制信号Al A3 比较单元
T1、T2 补偿晶体管Sffl S3 开关RVl RV3:阻抗单元Pa、Pa，、Po、Po，极点Vd:分压电压Vr 1、Vr2、Vr3 参考电压Ip:正温度补偿电流In:负温度补偿电流It:温度补偿电流
具体实施例方式图1为本发明一实施例的低压差稳压器的示意图。请参照图1，低压差稳压器100 包括一误差放大器102、一功率晶体管P1、一分压单元104、一补偿控制单元106、一电压及温度补偿模块108、偏压电流源110以及补偿偏压电流源112。其中偏压电流源110以及补偿偏压电流源112耦接误差放大器102，误差放大器102的其中一输入端耦接一参考电压 Vref，误差放大器102的输出端耦接功率晶体管Pl的栅极。功率晶体管Pl的源极与漏极分别耦接电源电压VDD与分压单元104。分压单元104耦接于功率晶体管Pl的漏极、误差放大器102的另一输入端与接地GND之间。补偿控制单元106耦接功率晶体管Pl的栅极与漏极、电压及温度补偿模块108以及补偿偏压电流源112。另外，功率晶体管Pl的漏极(也即低压差稳压器100的输出端)耦接一负载电容Cout以及一负载电阻RL，负载电流Iload 经由负载电阻RL流向接地GND。 其中，偏压电流源110用以提供误差放大器102 —偏压电流11。误差放大器102 依据参考电压Vref与一反馈电压Vf于其输出端产生一控制电压Vcon至功率晶体管Pl的栅极，以调整输出电压Vout的电压电平。分压单元104对输出电压Vout进行分压以产生反馈电压Vf。电压及温度补偿模块108用以产生补偿偏压Ne，并依据电源电压VDD以及环境温度的变化调整补偿偏压Vc的电压大小，其中补偿偏压Vc的电压大小与电源电压VDD 的大小以及环境温度的高低成反比。另外，补偿控制单元106用以检测控制电压Vcon以及输出电压Vout的电压电平变化，并依据控制电压Vcon、输出电压Vout以及补偿偏压Vc输出一补偿控制信号Sc至补偿偏压电流源112。补偿偏压电流源112则依据补偿控制信号&而提供一额外的补偿偏压电流Ic给低压差稳压器100，以加快低压差稳压器100的负载暂态响应，使低压差稳压器 100的输出电压Vout可快速地被拉回稳定的状态。进一步来说，图1实施例的低压差稳压器100可以图2实施例的方式来实施。图2 为本发明另一实施例的低压差稳压器的示意图。请参照图2，在本实施例中误差放大器102 包括P型晶体管Q5、Q6以及N型晶体管M5、M6，其中P型晶体管Q5的栅极耦接P型晶体管 Q6的栅极，P型晶体管Q5的源极与漏极分别耦接电源电压VDD以及功率晶体管Pl的栅极。 N型晶体管M5的栅极耦接参考电压Vref，其漏极耦接P型晶体管Q5的漏极，N型晶体管M5 的源极则耦接偏压电流源110与补偿偏压电流源112。P型晶体管Q6的源极与漏极分别耦接电源电压VDD以及N型晶体管M6的漏极，且P型晶体管Q6的栅极与漏极相互耦接。另外，N型晶体管M6的源极耦接至N型晶体管M5的源极，N型晶体管M6的栅极则耦接至分压单元104。误差放大器102利用N型晶体管M5、M6分别接收参考电压Vref与分压单元104 所产生的反馈电压Vf，而于P型晶体管Q5与N型晶体管M5的共同接点输出控制电压Vcon 至功率晶体管Pl的栅极，以控制功率晶体管Pl于其漏极输出输出电压Vout。分压单元104包括电阻Rl以及电阻R2。电阻Rl以及R2串接于功率晶体管Pl的漏极与接地GND之间，且电阻Rl以及R2的共同接点耦接N型晶体管M6的栅极，以输出反馈电压Vf至N型晶体管M6。补偿偏压电流源112则包括一 N型晶体管N3，其漏极与源极分别耦接N型晶体管M5、M6的共同接点与接地GND，N型晶体管N3的栅极则耦接至补偿控制单元106。值得注意的是，上述的误差放大器102、分压单元104、偏压电流源110以及补偿偏压电流源112仅为一示范性的实施例，实际应用上并不以此为限。另外，补偿控制单元106则包括压降检测单元202、压降检测单元204以及补偿控制信号产生单元206。在本实施例中，压降检测单元202包括P型晶体管Q2、Q3以及N型晶体管M2、M3。压降检测单元204包括P型晶体管Q4以及N型晶体管M4。补偿控制信号产生单元206则包括P型晶体管Ql以及N型晶体管Ml。其中P型晶体管Q2的栅极耦接功率晶体管Pl的栅极，P型晶体管Q2的源极与漏极分别耦接电源电压VDD与N型晶体管M2 的漏极。N型晶体管M2的栅极与源极分别耦接N型晶体管M3的栅极与接地GND，且N型晶体管M2的栅极与漏极相互耦接。N型晶体管M3的漏极与源极分别耦接N型晶体管Ml的栅极与接地GND。P型晶体管Q3的源极与漏极分别耦接电源电压VDD与N型晶体管M3的漏极，且P型晶体管Q3的栅极与漏极相互耦接。在补偿控制信号产生单元206中，N型晶体管Ml的栅极耦接，N型晶体管M3的漏极，N型晶体管Ml的漏极与源极分别耦接P型晶体管Ql的漏极与接地GND，P型晶体管Ql 的源极与栅极则分别耦接电源电压VDD以及P型晶体管Q4的栅极。另外在压降检测单元 204的部分，P型晶体管Q4的源极与漏极分别耦接功率晶体管Pl的漏极与N型晶体管M4 的漏极，且P型晶体管Q4的栅极与漏极相互耦接。N型晶体管M4的栅极与源极分别耦接电压及温度补偿模块108以及接地GND。其中压降检测单元202用以检测误差放大器102所输出的控制电压Vcon的电压电平，并据以输出补偿信号VSl。压降检测单元204用以检测输出电压Vout的电压电平，并依据输出电压Vout与补偿偏压Vc输出补偿信号VS2。补偿控制信号产生单元206则依据补偿信号VSl以及VS2输出补偿控制信号，以控制补偿偏压电流源112产生补偿偏压电流 Ic，进而加快低压差稳压器100的负载暂态响应。举例来说，当低压差稳压器100操作在重负载电流时低压差稳压器100为了要能提供大负载电流Iload，所以负载电容Cout必须先开始对负载电阻RL放电，此时输出电压 Vout将会下降，同时功率晶体管Pl的栅极电压(也即控制电压Vcon)电平也会被拉低。输出电压Vout的下降将使得P型晶体管Q4的漏极和栅极电压下降(也即造成补偿信号VS2的电压电平下降)，进而提升P型晶体管Ql的漏极电压电平(也即补偿控制信号&的电压电平)，因此输出电压Vout的下降将造成N型晶体管N3的开启，而于N型晶体管N3的漏极产生补偿偏压电流Ic。另一方面，被拉低的功率晶体管Pl的栅极电压(也即控制电压Vcon)电平将造成补偿控制单元106中N型晶体管M2的漏极电压上升(也即造成N型晶体管M3的栅极电压上升)，进而使得N型晶体管M3的漏极电压和N型晶体管Ml的栅极电压下降(也即造成补偿信号VSl的电压电平下降)。而N型晶体管Ml的栅极电压下降的结果将使得N型晶体管 Ml的漏极电压上升(也即补偿控制信号&的电压电平上升)，进而开启N型晶体管N3，而于N型晶体管N3的漏极产生补偿偏压电流Ic。因此，功率晶体管Pl的栅极电压的降低将成为提高补偿偏压电流Ic的另一推力。如此通过检测功率晶体管Pl的栅极电压(也即控制电压Vcon)以及输出电压Vout电压压降，并据以提高N型晶体管N3栅极的栅极电压(也即补偿控制信号&的电压电平)，便可于N型晶体管N3的漏极提供一额外的补偿偏压电流 Ic，增强低压差稳压器100的负载暂态响应，使误差放大器可快速地降低控制电压Vcon的电压电平，以开启功率晶体管P1，将电流提供给负载电容Cout而达到稳压的效果。图3A为公知低压差稳压器的负载暂态响应的HSPICE模拟示意图。图为图2 实施例的低压差稳压器的负载暂态响应的模拟示意图。请同时参照图3A与图3B，由图3A 与图:3B可明显看出，当负载电流Iload突然由O毫安培(mA)上升至15mA时，公知低压差稳压器的输出电压将下降180毫伏特(mV)，而本发明实施例所提供的低压差稳压器的输出电压仅下降79. lmV。且当负载电流保持在15mA时，公知的低压差稳压器的输出电压下降 70. 5mV，而本发明仅下降21mV，由此可知本实施例的低压差稳压器具有较佳的负载调节率 (load regulation) 0另外当负载电流Iload突然由15mA降回至OmA时，公知低压差稳压器的输出电压将出现高于稳态电压电平67. 5mV的电压突波，而本发明实施例所提供的低压差稳压器的电压突波仅10. 3mV。由此可知，本发明实施例所提供的低压差稳压器确实可大幅地改善负载暂态响应与负载调节率。值得注意的是，为了迅速地增强低压差稳压器100的负载暂态响应，也即使补偿偏压电流源112尽快地提供补偿偏压电流Ic，可设计当低压差稳压器100操作在无负载或轻负载时，N型晶体管N3的栅极偏压略低于N型晶体管N3的导通电压，以使低压差稳压器 100在负载变化时，N型晶体管N3可快速地被导通而提供补偿偏压电流Ic给低压差稳压器 100，增快低压差稳压器100的负载暂态响应。另外，为了避免N型晶体管N3的栅极偏压受到电源电压VDD与环境温度的变化而漂移。例如当电源电压VDD或环境温度上升时，N型晶体管N3的栅极偏压(也即补偿控制信号&的电压电平)将被提高，进而使得低压差稳压器100在无负载时即被导通而产生补偿偏压电流Ic给低压差稳压器100，而使低压差稳压器100产生不必要的功率消耗。另外当电源电压VDD或环境温度下降时，补偿控制信号&的电压电平将被降低，进而使得低压差稳压器100无法达到快速暂态响应。电压及温度补偿模块108所产生的补偿偏压Vc可补偿电源电压VDD与环境温度的变化，以对补偿控制单元106所输出的补偿控制信号Sc(也即N型晶体管N3的栅极偏压)进行电压及温度补偿，减少电源电压VDD与环境温度的变化对N型晶体管N3的栅极偏压的影响。当电源电压VDD或环境温度上升时，电压及温度补偿模块108将降低补偿偏压Vc，以提高N型晶体管M4的漏极电压，进而保持(或设计略微降低)N型晶体管N3的栅极偏压(也即补偿控制信号&的电压电平)，避免N型晶体管N3受到电源电压VDD或环境温度的变化而导通。反之当电源电压VDD或环境温度下降时，则设计N型晶体管N3的栅极偏压保持不变(或略微升高)。详细来说，上述的电压及温度补偿模块108的实施方式可如图4所示，图4绘示为本发明一实施例的电压及温度补偿模块的示意图。请参照图4，电压及温度补偿模块108包括能隙参考电压产生单元402、电压补偿单元404以及温度补偿单元406。其中温度补偿单元406耦接能隙参考电压产生单元402以及电压补偿单元404。能隙参考电压产生单元 402用以产生与电源电压、环境温度成正比的参考电压VOPGl以及参考电压V0PG2，电压补偿单元404用以依据电源电压VDD的变化输出电压补偿控制信号SV0另外温度补偿单元 406则依据参考电压VOPGl、参考电压V0PG2以及电压补偿控制信号SV进行温度补偿与电压补偿，以输出补偿偏压Vc。在本实施例中，电压补偿单元404包括分压单元408、比较单元Al A3以及解译单元410。温度补偿单元406则包括补偿晶体管Tl和T2、电流比例调整单元412、开关 Sffl SW3以及阻抗单元RVl RV3。其中分压单元408耦接于电源电压VDD与接地GND之间，分压单元408可例如以图4的串联于电源电压VDD与接地GND之间的电阻R3、R4来实现。比较单元Al A3分别具有两输入端，其中比较单元Al A3的正输入端耦接至分压单元408以接收分压单元 408所输出的分压电压Vd,比较单元Al A3的负输入端依序耦接参考电压Vr 1、Vr2以及 Vr3,比较单元Al A3的输出端则耦接解译单元410。解译单元410则耦接至温度补偿单元 406。另外，在温度补偿单元406中补偿晶体管Tl的沟道宽度/沟道长度比大于补偿晶体管T2的沟道宽度/沟道长度比，且补偿晶体管T1、T2的栅极耦接能隙参考电压产生单元 402，以分别接收产生参考电压VOPGl与参考电压V0PG2，补偿晶体管Tl、Τ2的源极与漏极则分别耦接电源电压VDD与电流比例调整单元412。另外开关SWl SW3则分别与对应的阻抗单元RVl RV3串接于电流比例调整单元412与接地GND之间，其中阻抗单元RVl RV3可例如以晶体管或电阻来实施，阻抗单元RVl RV3具有不同的阻抗值(在本实施例中假设RVl > RV2 > RV3)。补偿晶体管Τ1、Τ2用以分别于其漏极输出正温度补偿电流Ip与负温度补偿电流In，而电流比例调整单元412可例如为一电阻Rd。通过将晶体管T2的漏极耦接至电阻Rd上不同的位置即可得到不同的输出补偿偏压Vc，调整不同补偿晶体管Tl 比例与补偿晶体管T2比例决定正温度补偿电流Ip与负温度补偿电流^的电流混合比例， 以得到电流值不受温度影响的温度补偿电流It，或与温度成正比的温度补偿电流It，或与温度成反比的温度补偿电流It (在本实施例中温度补偿电流It设计为与温度成反比)。当电源电压VDD下降时，分压单元408分压电源电压VDD而输出的分压电压Vd也随之下降。比较单元Al A3分别将参考电压Vrl、Vr2以及Vr3与分压电压Vd进行比较， 并将比较的结果输出至解译单元410。其中参考电压Vrl、Vr2以及Vr3分别具有不同的电压值(在本实施例中假设Vrl < Vr2 < Vr3)，而比较单元Al A3依据比较的结果于其输出端输出对应的电压逻辑电平。在不同电压值的电源电压VDD的情形下，参考电压Vrl Vr3与分压电压Vd的比较结果可如表1所示
权利要求
1.一种低压差稳压器，包括一误差放大器，依据一第一参考电压以及一反馈电压产生一控制电压； 一功率晶体管，其栅极耦接该误差放大器，该功率晶体管的源极耦接一电源电压，依据该控制电压而于其漏极产生一输出电压；一第一分压单元，耦接于该功率晶体管的漏极与一接地之间，分压该输出电压以产生该反馈电压；一补偿控制单元，耦接于该功率晶体管的栅极与漏极之间，依据该控制电压、该输出电压与一补偿偏压产生一补偿控制信号，其中该补偿偏压与该电源电压以及环境温度成反比；以及一补偿偏压电流源，耦接该误差放大器，依据该补偿控制信号提供一补偿偏压电流给该低压差稳压器。
2.如权利要求1所述的低压差稳压器，还包括一电压及温度补偿模块，耦接该补偿控制单元，产生该补偿偏压，并依据该电源电压以及环境温度的变化调整该补偿偏压。
3.如权利要求1所述的低压差稳压器，还包括一偏压电流源，耦接该误差放大器，提供该误差放大器一偏压电流。
4.如权利要求1所述的低压差稳压器，其中该第一分压单元包括 一第一电阻；以及一第二电阻，与该第一电阻串接于该功率晶体管的漏极与一接地之间，并于该第一电阻与该第二电阻的共同接点上产生该反馈电压。
5.如权利要求1所述的低压差稳压器，其中该补偿控制单元包括一第一压降检测单元，耦接该功率晶体管的栅极，检测该控制电压，并依据该控制电压的电压电平变化输出一第一补偿信号；一第二压降检测单元，耦接该功率晶体管的漏极，检测该输出电压，并依据该输出电压的电压电平变化以及该补偿偏压输出一第二补偿信号；以及一补偿控制信号产生单元，耦接该第一压降检测单元与该第二压降检测单元，依据该第一补偿信号与该第二补偿信号输出该补偿控制信号。
6.如权利要求5所述的低压差稳压器，其中该补偿控制信号产生单元包括一第一 P型晶体管，其栅极耦接该第二压降检测单元，该第一 P型晶体管的源极与漏极分别耦接该电源电压与该偏压电流源；以及一第一 N型晶体管，其栅极耦接该第一压降检测单元，该第一 N型晶体管的漏极与源极分别耦接该第一 P型晶体管的漏极与该接地。
7.如权利要求6所述的低压差稳压器，其中该第一压降检测单元包括一第二 P型晶体管，其栅极耦接该功率晶体管的栅极，该第二 P型晶体管的源极耦接该电源电压；一第二 N型晶体管，其栅极与源极相耦接，该第二 N型晶体管的漏极与源极分别耦接该第二 P型晶体管的漏极与一接地；一第三P型晶体管，其栅极与漏极相耦接，该第三P型晶体管的源极与漏极分别耦接该电源电压与该第一 N型晶体管的栅极；以及一第三N型晶体管，其栅极耦接该第二 N型晶体管的栅极，该第三N型晶体管的漏极与源极分别耦接该第三P型晶体管的漏极与该接地。
8.如权利要求6所述的低压差稳压器，其中该第二压降检测单元包括一第四P型晶体管，其栅极耦接该第一 P型晶体管的栅极，该第四P型晶体管的源极耦接该输出电压，该第四P型晶体管的漏极耦接该第四P型晶体管的栅极；以及一第四N型晶体管，其栅极耦接该补偿偏压，该第四N型晶体管的漏极与源极分别耦接该第四P型晶体管的漏极与该接地。
9.如权利要求1所述的低压差稳压器，其中该补偿偏压电流源包括一第五N型晶体管，其栅极耦接该补偿控制单元，该第五N型晶体管的漏极与源极分别耦接该误差放大器与该接地。
10.如权利要求9所述的低压差稳压器，其中当该低压差稳压器操作在低负载时，该第五N型晶体管的栅极偏压低于该第五N型晶体管的导通电压。
11.如权利要求1所述的低压差稳压器，其中该电压及温度补偿模块包括 一能隙参考电压产生单元，产生一第二参考电压与一第三参考电压；一电压补偿单元，依据该电源电压的变化输出一电压补偿控制信号；以及一温度补偿单元，耦接该能隙参考电压产生单元以及该电压补偿单元，依据该第二参考电压、该第三参考电压以及该电压补偿控制信号进行温度补偿与电压补偿，以输出该补偿偏压。
12.如权利要求11所述的低压差稳压器，其中该电压补偿单元包括 一第二分压单元，分压该电源电压以输出一分压电压；多个比较单元，耦接该第二分压单元，将该分压电压分别与多个第四参考电压进行比较；以及一解译单元，解译所述多个比较单元的比较结果以输出该电压补偿控制信号。
13.如权利要求11所述的低压差稳压器，其中该温度补偿单元包括一第一补偿晶体管，其栅极耦接该第二参考电压，该第一补偿晶体管的源极耦接该电源电压，该第一补偿晶体管于其漏极输出一正温度补偿电流；一第二补偿晶体管，其栅极耦接该第三参考电压，该第二补偿晶体管的源极耦接该电源电压，该第二补偿晶体管于其漏极输出一负温度补偿电流；一电流比例调整单元，耦接该第一补偿晶体管、该第二补偿晶体管与该补偿控制单元， 调整该正温度补偿电流与该负温度补偿电流的比例，以输出一温度补偿电流； 多个阻抗单元，各该阻抗单元具有不同的阻抗值；以及多个开关，各该开关的一端耦接该电流分配单元，各该开关的另一端耦接对应的阻抗单元，所述多个开关受控于该电压补偿控制信号，以于所述多个开关与该电流分配单元的共同接点产生该补偿偏压。
全文摘要
一种低压差稳压器，包括一误差放大器、一功率晶体管、一第一分压单元、一补偿控制单元以及一补偿偏压电流源。其中误差放大器依据一第一参考电压以及一反馈电压产生一控制电压。功率晶体管依据控制电压而于其漏极产生一输出电压。第一分压单元分压输出电压以产生反馈电压。补偿控制单元依据控制电压、输出电压与补偿偏压产生一补偿控制信号至补偿偏压电流源，以使补偿偏压电流源产生一补偿偏压电流，其中补偿偏压与电源电压以及环境温度成反比。本发明可加快低压差稳压器的负载暂态响应，并同时对电源电压以及环境温度的变动进行补偿。
文档编号G05F1/56GK102566633SQ20101058338
公开日2012年7月11日 申请日期2010年12月7日 优先权日2010年12月7日
发明者吴镇宇 申请人:华邦电子股份有限公司