專利名稱：超低壓降型電壓調節器的制作方法
技術領域：
本發明涉及的是一種電壓調節器，尤其是一種可以另外供應內部電路的動 作電源且控制上述動作電源以處理芯片動作，從而減少備用電源的消耗并且在 設計時盡量縮小芯片尺寸，可以對芯片的過負荷或過電壓做出快速反應并穩定
而確實地加以中止，即使在低電壓輸出時也具有超低壓降特性(Ultra Low Dropout,以下簡稱"ULDO")的超低壓降型電壓調節器。
背景技術：
近來，各種電子設備的動作電壓維持著持續降低的態勢，最近出現的可以 在0.9~1 .OV的電壓范圍內動作的MCU與Main Chip產品可以說是典型例子。
隨著電子設備的動作電壓持續低電壓化，驅動上述設備的電壓調節器的輸 出電壓也要相應地持續降低。也就是說，隨著驅動上述MCU與Main Chip的電 源電壓的低電壓化，我們需要電壓調節器穩定地輸出較低的電壓。
圖1是現有低電壓變換型電壓調節器的方塊圖，圖2是現有低電壓變換型 電壓調節器的超低壓降特性(ULDO)圖。
如圖l所示，現有低電壓變換型電壓調節器(l)包括芯片驅動單元(IO)、基 準電壓生成單元(20)、誤差電壓放大器(30)、過負荷保護單元(40)、柵極驅動器 (50)、旁路元件(60)與電壓分配電路(70)。
上述芯片驅動單元(10)可以輸出動作信號以便直接向個別功能塊供應電源。
上述基準電壓生成單元(20)接收初始電壓信號后將其分配給相關的電路單 元，并且把電壓與電流設定為輸出范圍內的基準電壓，上述基準電壓生成單元(20) 生成的基準電壓可以比較輸入電壓和由晶體管與修調反饋電阻組成的電壓分配 電路(70)所分配并輸出的分配電壓。
壓與電壓分配電路(70)分配的分配電壓，然后把輸出信號的誤差電壓部分加以放 大。 上述過負荷保護單元(40)包括過熱保護器(41)、啟停控制器(43)與過電流保 護器(42),上述過熱保護器(41)含有多個晶體管、二極管、電阻并把上述基準電 壓生成單元(20)所生成的信號與輸出電壓加以比較，平時不動作，但出現過負荷 或超過一定溫度時就采取動作并降低輸出電壓；上述啟停控制器(43)把上述過熱 保護器(41)的信號加以穩定化后傳輸到輸出接口 。
上述旁路元件(60)通過選定接口只允許穩定電壓經過，被上述柵極驅動器 (50)穩定化后調整到 一定電平。
(IO)向個別功能塊供應電源，在芯片驅動被中止了的禁止(Disable)狀態下 單純地由芯片的Logic Off切斷，因此繼續消耗備用電源。
口妙 乂人月匕
基準電壓時，由于內部的反饋電壓非常低，因此為了使差分放大器輸入端的晶 體管具有較低的膝點電壓(Knee Voltage)(Vt)而需要為低端場效應管(Low Vt MOSFET)另行準備相關工序或者需要進行0.18pm以下的deep sub-micron制造 工序。
而且，現有低電壓變換型電壓調節器的上述電壓分配電路(70)是由修調器 (Trimming Pad)組成的電阻結構，導致芯片尺寸過大而增加了生產成本。 如二
芯片溫度，％a叫吧/工夂伏^B/工》月7森日'、J工H^貝 器(41)需要迅速中斷芯片動作并穩定而確實地加以中止；如果溫度重新下降，則 開始正常動作。
必須大于電路正常動作所需的最低輸入電壓(VIN, MIN)才能發揮超低壓降特性 (ULDO)。也就是說，輸出電壓(VOUTPUT)大于最低輸入電壓(VIN, MIN)與超 低壓降(VDROPOUT)的差時才能正常發揮出超低壓降特性(ULDO)。
然而，為了向低電壓化的MCU與Main Chip供應電源電壓而需要較低的輸 出電壓時，也就是說把小于最低輸入電壓(VIN, MIN)的低電壓輸入轉換成低電 壓輸出(VOl, V02)時，其壓降會大于超低壓降(VDROPOUT)。
發明內容
述超低壓降型電壓調節器可以另外供應，并控制電路所需電源與所需變換后傳 達的輸入電壓，從而盡量減少了備用電源的消耗。
本發明的另一個目的是提供一種超低壓降型電壓調節器，上述超低壓降型 電壓調節器不必為了得到較低的反饋電壓而針對基準電壓生成單元的差分放大
器的輸入端晶體管另外增加相關工序制成低端場效應管或另外增加deep sub-micron制造工序，也能實現具有較低輸出電壓的基準電壓生成單元，從而降 低生產成本。
本發明的另一個目的是提供一種超低壓降型電壓調節器，上述超低壓降型
有修調器也能實現其功能，不僅大幅減少電壓調節器的芯片尺寸，還能降低生 產成本。
本發明的另一個目的是提供一種超低壓降型電壓調節器，其構造簡單的過
過熱電路不僅可以還快地中止系統動作而確保了堅實性與穩定性，還可以節約 費用。
本發明的另一個目的是提供一種超低壓降型電壓調節器，其超低壓降特性 (ULDO)即使輸入的低電壓低在電路正常動作所需要的最低輸入電壓(VIN ， MIN),也能輸出低電壓。
為了實現上述目的，本發明采用的技術方案在于，提供一種超低壓降型電 壓調節器作為低電壓變換型電壓調節器，其包括下列單元芯片驅動單元，可
以控制為了驅動芯片之內部電路而供應的偏置(Bias)電壓；低電壓基準電壓生成 單元，由上述芯片驅動單元控制，可以在一定范圍內生成電壓與電流或設定在 上述范圍內；旁路元件，輸入待轉換電源后只允許穩定電壓通過并加以輸出； 反饋電阻，可以分配上述旁路元件的輸出電壓并反饋到誤差電壓放大器；誤差 電壓放大器，受到上述芯片驅動單元的控制，可以比較上述低電壓基準電壓生
誤差電壓部分進行差分放大而使輸出平滑；柵極驅動器，受到上述芯片驅動單 元的控制，可以通過防過熱控制邏輯電路的控制信號比較上述誤差電壓放大器 的輸出信號與上述輸出電壓，然后輸出針對上述旁路元件的控制信號；防過熱 電路，受到上述芯片驅動單元的控制，檢測芯片的過負荷或過熱與否后輸出可 以對輸出電壓進行切換控制的信號；過電流保護器，受到上述芯片驅動單元的
控制，接受輸入電源后通過邏輯接口把輸出電流控制在一定范圍內；以及防過 熱控制邏輯電路，受到上述芯片驅動單元的控制，接受上述防過熱電路的輸出 信號與上述過電流保護器的輸出信號后控制上述柵極驅動器的輸出信號。
本發明上述芯片驅動單元包括電源供應端，可以供應并控制芯片內部電 路的驅動用偏置電壓；以及禁止(Disable)端，可以向上述防過熱控制邏輯電路發 送過負荷控制信號。
本發明上述低電壓基準電壓生成單元包括偏置單元，接受上述芯片驅動 單元的偏置電壓后通過電流鏡供應偏置電壓；第一電流生成單元，以電流鏡連 接上述偏置單元并接受偏置(Bias)，可以生成與雙極晶體管的基極-發射極之間的 電壓成比例的第一電流；第一 PMOS晶體管放大單元，接受來自上述第一電流 生成單元的輸出電壓信號后加以放大并輸出；第二電流生成單元，以電流鏡連 接上述偏置單元并接受偏置，可以生成與熱電壓成比例的第二電流；第二PMOS 晶體管放大單元，接受來自上述第二電流生成單的輸出電壓信號后加以放大并 輸出；以及差分放大單元，以電流鏡連接上述偏置單元并接受偏置，分別接受 上述第一與第二PMOS晶體管放大單元所放大的信號，然后對于溫度與電源電 壓的變化而輸出 一定基準電壓。
上述第一PMOS晶體管放大單元包括第一PMOS晶體管，在柵極接受上 述第 一電流生成單元的輸出信號后把放大的信號輸出到漏極端；以及有功負載， 連接到上述第一 PMOS晶體管的漏極端并使柵極接地。
上述第二PMOS晶體管放大單元包括第二PMOS晶體管，在柵極接受上 述第二電流生成單元的輸出信號后把放大的信號輸出到漏極端；以及有功負載， 連接到上述第二 PMOS晶體管的漏極端并使柵極接地。
上述差分放大單元包括差分放大輸入端，由分別接收上述第一與第二 PMOS晶體管放大單元的輸出信號的第一與第二NMOS晶體管所組成；電流源， 連接到上述差分放大輸入端的源極端，由可以通過上述偏置單元接受偏置電壓 后生成正電流的NMOS晶體管所構成；有功負載，連接到上述差分放大輸入端 的第二NMOS晶體管的漏極端，以電流鏡連接上述偏置單元并接受偏置；以及 輸出端，連接到上述差分放大輸入端的第一NMOS晶體管的漏極端，通過上述 偏置單元被電流鏡偏置而輸出基準電壓。
上述有功負載由兩個PMOS晶體管級聯連接而成。
本發明的上述反饋電阻可以進行修調。
本發明的上述反饋電阻包括排列成多個固定圖案的金屬配線與連接上述金 屬配線并使其電氣激活導電性金屬配線圖案，形成了不需修調的免修調反饋電 阻。
上述金屬配線采取了可以達到輸出電壓范圍內的所有電阻值的配置方式。 上述金屬配線圖案在一定部分配置接點，從而可以根據所需要的輸出電壓 而選擇性地連接上述金屬配線的一定部分。
本發明上述防過熱電路包括電流生成單元，通過上述芯片驅動單元輸入 偏置電壓后生成一定電流；過熱檢測單元，連接上述電流生成單元"l妄受一定電 流后檢測溫度變化并允許在特定溫度以上時采取動作；以及輸出單元，可以輸 出防過熱信號，上述防過熱信號可以通過和上述電流生成單元連接成第 一 電流 鏡后所生成的輸出電流與來自上述偏置電路的驅動電壓來確定。
本發明上述防過熱電路包括電流生成單元，通過上述芯片驅動單元輸入 偏置電壓后生成一定電流；過熱檢測單元，連接上述電流生成單元接受一定電 流后檢測溫度變化并允許在特定溫度以上時采取動作；輸出單元，可以輸出防 過熱信號，上述防過熱信號可以通過和上述電流生成單元連接成第一電流鏡后 所生成的輸出電流與來自上述偏置電路的驅動電壓來確定；觸發信號生成單元， 接受上述輸出單元的防過熱信號后向上述過熱檢測單元反饋可以控制動作的觸 發偏置信號，同時作為輸出控制信號加以輸出；以及電流放大單元，可以通過 和上述電流生成單元連接而成的第二電流鏡生成輸出電流，接受上述觸發信號 生成單元所反饋的觸發偏置信號后，控制上述輸出電流并加以放大。
上述過熱檢測單元包括偏置電阻，根據上述電流生成單元所生成的一定 電流而固定在特定電壓上；以及過熱檢測晶體管，把基極與發射極端子分別連 接到上述偏置電阻的兩個端子，使隨著溫度而變化的驅動電壓能與上述偏置電 阻的兩端電壓維持一致。
上述觸發信號生成單元由施密特觸發電路(Schmitt Trigger Circuit)構成。
上述觸發信號生成單元是由PMOS晶體管與NMOS晶體管所組成的逆變器 構成的。
上述觸發信號生成單元還包括了可以決定輸出控制信號的輸出控制用逆變器。
與現有技術比較本發明的有益效果
把內部電路所需要的驅動電源與待轉換的輸入電源加以分離后輸入并使其
動作，因此可以在芯片處在禁止(Disable)狀態時盡量減少備用電源的消耗。
本發明不必為了得到較低的反饋電壓而針對基準電壓生成單元的差分放大 器的輸入端晶體管另外增加相關工序制成低端場效應管或另外增加deep sub-micron制造工序，也能實現具有較低輸出電壓的基準電壓生成單元，從而降 低了生產成本。
有修調器也能實現其功能，不僅減少電壓調節器的芯片尺寸，還能降低生產成 本。
而可以在過負荷或過熱時還快地中止系統動作，不僅確保了堅實性與穩定性， 還可以節約費用。
要的最低輸入電壓(VIN， MIN)，也能輸出低電壓,
圖1是現有低電壓變換型電壓調節器的方塊圖2是現有低電壓變換型電壓調節器的超低壓降特性(ULDO)圖3是本發明超低壓降型電壓調節器的概略結構方塊動單元的 一 實施例的電路圖。
圖5是本發明超低壓降型電壓調節器的超低壓降特性(ULDO)圖； 圖6是本發明超低壓降型電壓調節器的 一 實施例的電路方塊例的電路圖8A到圖8E是本發明超低壓降型電壓調節器的反饋電阻的一較佳實施例 并顯示了不需修調的反饋電阻的結構圖9是本發明超低壓降型電壓調節器的防過熱電路的 一 實施例的電路圖。 附圖標記說明lOO-電壓調節器；10-芯片驅動單元；120-防過熱控制邏輯 電路；30-過電流保護器；150-誤差電壓放大器；60-柵極驅動器；170-旁路元件； 200-防過熱電路；230-過熱檢測單元；250-觸發信號生成單元；260-電流放大單
元；300-低電壓基準電壓生成單元；331-第一 PMOS晶體管放大單元；332-第二 PMOS晶體管放大單元；400-反饋電阻，免修調反饋電阻402-金屬配線；404-金屬配線圖案。
具體實施例方式
以下結合附圖，對本發明上述的和另外的技術特征和優點作更詳細的說明。 圖3是本發明超低壓降型電壓調節器的概略結構方塊圖。
如圖所示，本發明超低壓降型電壓調節器(100)包括芯片驅動單元(110)、 防過熱電路(200)、防過熱控制邏輯電路(120)、過電流保護器(130)、低電壓基準 電壓生成單元(300)、反饋電阻(400)、誤差電壓放大器(150)、柵極驅動器(160) 與旁路元件(170)。
上述芯片驅動單元(IIO)、防過熱電路(200)、低電壓基準電壓生成單元(300) 與反饋電阻(400)將在下文結合各相關附圖做進一步說明。
上述過電流保護器(130)受到上述芯片驅動單元(110)的控制，接受待轉換輸 入電源(Vin)后通過由 一般電路結構組成的邏輯接口把輸出電流控制在一定范圍 內。
上述防過熱控制邏輯電路(120)受到上述芯片驅動單元(110)的控制，接受上 述防過熱電路(200)的輸出信號與上述過電流保護器(130)的輸出信號后向可以控 制輸出電壓的柵極驅動器(160)發送信號。
上述誤差電壓放大器(150)受到上述芯片驅動單元(110)的控制，可以比較上 述低電壓基準電壓生成單元(300)的輸出基準電壓(Vref)與上述反饋電阻(400)所 反饋的輸出電壓，在各輸出信號中對誤差電壓部分進行差分放大而使輸出平滑。
上述柵極驅動器(160)受到上述芯片驅動單元(110)的控制與上述防過熱控制 邏輯電路(120)的控制信號的控制，接受上述誤差電壓放大器(150)的輸出信號后 控制上述輸入電壓(Vin)的輸出。
上述旁路元件(170)接受待轉換電源(Vin)后，根據上述柵極驅動器的輸出信 號而只允許穩定電壓通過并輸出電壓(Vout)。
動單元的一實施例的電路圖。
如圖所示，上述芯片驅動單元(110)包括電源供應端(VEN—BUFF),可以供 應并控制芯片內部電路的驅動用偏置電壓(Vbias);以及禁止端(VDIS),可以為
上述防過熱控制邏輯電路(120)供應過負荷控制信號。
上述電源供應端(VEN—BUFF)接受偏置電壓(V bias)后通過具有分流晶體管 功能的PMOS晶體管(M28)使其成為驅使各內部電路動作的電源而輸出。
也就是說，上述芯片驅動單元(110)對于所輸入的芯片使能(Enable)信號而使 用作為同 一信號并可以驅動內部電路的使能信號(VEN—BUFF)來供應偏置電壓 (Vbias)。也就是說，可以輸出經過緩存的信號。
然而，對于輸入到上述芯片驅動單元(110)的芯片禁止(Disable)信號，具有 上述分流晶體管功能的PMOS晶體管(M28)將關閉(OFF)供內部電路動作的電源 本身。也就是說，對于輸入到上述芯片驅動單元(110)的芯片禁止(Disable)信號， 使用作為同 一信號且可以中止內部電路驅動(Driving)的禁止信號(VEN_BUFF) 來遮蔽作為驅動電壓的偏置電壓(Vbias)。
上述狀態可以在手機的液晶在經過一定時間后處在關閉狀態或LCD顯示器 處在省電狀態，而關閉屏幕或MP3雖然進行播放動作但液晶卻處在關閉狀態的 類的待機狀態時，盡量降低各系統的備用電源，不是允許數個到數十個mA的 電流流通的簡單Logic Off,它可以切斷電源本身而使整個電路只流通nA的電
流o
上述禁止端(VDIS)將具有相反在上述電源供應端(VEN—BUFF)的輸出信號。 也就是說，對于輸入的芯片使能(Enable)信號或芯片禁止(Disable)信號，上
上述防過熱控制邏輯電路(120)以作為控制信號使用。
(Disable)端配置在上述電源供應端(VEN—BUFF)的前面，從而可以還快地中止內 部電路。
圖5是本發明超低壓降型電壓調節器的超低壓降特性(ULDO)圖。
常動作所需的最低輸入電壓(VIN, MIN)而使相應的輸出電壓(VOUTPUT)較低 時，超低壓降特性(ULDO)也能對(Vl, V2)起作用。
上述超低壓降特性(ULDO)另外具備了電路所需電源，因此可以把需要變換 并傳達的輸入輸出電力加以分離。因此，不受輸出電壓大小的影響而對所有的 輸出電壓發揮出超低壓降特性(ULDO)。
圖6是本發明超低壓降型電壓調節器一實施例的電路方塊圖。 置生成器(115)、防過熱電路(200)、防過熱控制邏輯電路(120)、過電流保護器 (130)、低電壓基準電壓生成單元(300)、反饋電阻(400)、誤差電壓》文大器(150)、 柵極驅動器(160)與旁路元件(170)。
下面對各構成要素的功能做進一步說明。
首先，輸入電壓(Vin)可以直接傳達給上述旁路元件(170)并由上述柵極驅動 器(160)控制而輸出電壓。
本發明超低壓降型電壓調節器(100)內部各電路的驅動用偏置電壓(Vbias)被 輸入到上述芯片驅動單元(IIO),而且針對芯片動作的使能(Enable)或禁止 (Disable)信號也同時被輸入到上述芯片驅動單元(110)。
.上述芯片驅動單元(110)把芯片動作用控制信號(VEN一BUFF)與可以驅動芯 片內部各電路的驅動電壓(Vbias)供應給偏置生成器(115)、防過熱電路(200)、過 電流保護器(130)、低電壓基準電壓生成單元(300)、誤差電壓放大器(150)與柵極 驅動器(160)。
上述芯片驅動單元(110)把芯片的禁止信號(VDIS)輸出到防過熱控制邏輯電 路(120)。
上述低電壓基準電壓生成單元(300)輸出基準電壓(V ref)以使上述誤差電壓 放大器(150)進行比較；上述誤差電壓放大器(150)比較上述低電壓基準電壓生成 單元(300)的輸出基準電壓(Vref)與上述反饋電阻(400)所反饋的輸出電壓后，把 誤差電壓部分加以差分放大而使輸出平滑；上述柵極驅動器(160)則比較上述誤 差電壓放大器(150)的輸出信號，與本發明超低壓降型電壓調節器(100)的輸出電 壓(V out)后，輸出可以控制上述旁路元件(170)的信號。
在一較佳實施例中，上述反饋電阻(400)可以分配輸出電壓并加以反饋，其 包括設計電路時被排列成具有多個電阻功能的金屬配線、修調器、以及可以 使上述修調器形成電氣短路(Short Circuit)多個保險絲。此時，上述修調器并聯 連接到上述金屬配線的各電阻并把選定電阻激活而調節上述電壓分配比例，上 述多個保險絲則為了可以使上述修整器中相鄰的修整器形成電氣短路而配置多 個保險絲。
在另一較佳實施例中，上述反饋電阻(400)不需要進行修調并包括電路設 計時排列成多個固定圖案的金屬配線、連接上述金屬配線并是其激活的導電性 金屬配線圖案。下面將結合圖8對此做進一步說明。
上述過電流保護器(130)受到上述芯片驅動單元(110)的控制，輸入待轉換輸 入電源(Vin)后通過由一般電路結構組成的邏輯接口把輸出電流控制在一定范圍 內；上述防過熱控制邏輯電路(120)受到上述芯片驅動單元(110)的控制，接受上 述防過熱電路(200)的輸出信號與上述過電流保護器(130)的輸出信號后向可以控 制本發明超低壓降型電壓調節器(100)的輸出電壓(V out)的柵極驅動器(160)發送 信號以進行控制。
上述旁路元件(170)接受待轉換電源(Vin)后，根據上述柵極驅動器(l60)的輸 出信號而只允許穩定電壓通過。 圖7
一實施例的電路圖
.如圖所示，適用在本發明超低壓降型 元(300)包括偏置單元(310)、第一電流生成單元(321)、第一PMOS晶體管放大單 元(331)、第二電流生成單元(322)、第二 PMOS晶體管放大單元(332)與差分放大 單元(340)。
上述偏置單元(310)包括了使用PMOS晶體管(Mpll, Mpl3)的電流鏡與使用 NMOS晶體管(Mn4, Mn5)的電流鏡。
此時，由上述PMOS晶體管(Mpll, Mpl3)組成的電流鏡可以偏置(Bias)上 述第一電流生成單元(321)、第二電流生成單元(322)與差分放大單元(340)的輸出 端(341)，由上述NMOS晶體管(Mn4, Mn5)組成的電流鏡可以偏置上述差分放 大單元(340)的電流源(Mn3)。上述第一電流生成單元(321)包括電阻(R2)、雙極晶體管(Q1)、以及和上述 偏置單元(310)形成電流鏡的PMOS晶體管(Mpl5)，在PMOS晶體管(Mpl5)的柵 極通過上述偏置單元(310)接受電壓(VA)后，在電阻(R2)與雙極晶體管(Q 1 )生成 與基極-發射極電壓成比例的電流。
上述第二電流生成單元(322)包括電阻(R1)、電阻(RO)、晶體管(QO)、以及和 上述偏置單元(310)形成電流鏡的PMOS晶體管(MplO),上述第二電流生成單元 (322)在PMOS晶體管(MplO)的柵極通過上述偏置單元(310)接受電壓(VA)后，在 電阻(R1)、電阻(RO)與晶體管(QO)生成與熱電壓成比例的電流。
前文所述針對電流生成的相關動作和現有的低電壓基準電壓生成器是相似的。
上述第一PMOS晶體管放大單元(331)包括PMOS晶體管(Mp8)、以及使柵
極端接地后形成有功負載的PMOS晶體管(Mp6),上述第二 PMOS晶體管放大 單元(332)包括PMOS晶體管(Mp7)、以及4吏柵極端接地后形成有功負載的PMOS 晶體管(Mp5)。
上述差分》文大單元(340)包括差分i文大輸入端，由NMOS晶體管(Mnl， Mn2)組成；電流源，可以驅動上述差分i文大輸入端的NMOS晶體管(Mnl, Mn2), 由于上述差分放大輸入端的源極端接受上述偏置單元(310)的偏置電壓后生成正 電流的NMOS晶體管(Mn3)組成；有功負載，在上述差分放大輸入端的NMOS 晶體管(Mnl,以下簡稱"第二NMOS晶體管，，)的漏極端級聯(cascode)連接PMOS 晶體管(Mpl， Mpp2)并接受上述偏置單元(310)的偏置電壓；以及輸出端(341)， 連接到上述差分放大輸入端的NMOS晶體管(Mn2,以下筒稱"第一 NMOS晶體 管")的漏極端與PMOS晶體管(Mp3， Mp4)之間，.由上述偏置單元(310)的電流鏡 (Mpl9)偏置并輸出基準電壓(Vref)。
此時，上述第一電流生成單元(321)與第二電流生成單元(322)所生成電流的 電壓過低，而無法驅動上述差分放大輸入端的第一與第二NMOS晶體管(Mnl， Mn2),為了提高上述差分放大輸入端的第一與第二NMOS晶體管(Mnl, Mn2) 的驅動用柵極電壓(V1， V2),使用了可以在較低的輸入電壓下驅動的PMOS晶 體管(Mp7, Mp8)組成，上述第一 PMOS晶體管放大單元(331)與第二 PMOS晶 體管放大單元(332)。
把上述差分放大輸入端的第二 NMOS晶體管(Mnl)的漏極端的有功負載 PMOS晶體管(Mpl， Mp2)加以級聯(cascode)連接。
這為了有效地解決實際電路上由短通道(short channel)而來的同 一縱橫比 (W/L， Aspect Ratio)結構中由于通道長度調制(Channel Length Modulation)效應隨 著電源電壓而增強并使電流增加而降低電流穩定性的現象。
圖8A到圖8E是本發明超低壓降型電壓調節器的反饋電阻的一較佳實施例 并顯示了不需要修調(Trimming)的反饋電阻(以下簡稱"免修調(Trimming free)反 ^t電阻")的結構圖。
如圖所示，適用在本發明超低壓降型電壓調節器的免修調反饋電阻(400)包 括金屬配線(402)，在電路結構上被排列成多個固定圖案；以及導電性金屬配 線圖案(404),可以連接上述金屬配線(402)并使其電氣激活。
也就是說，圖8A將分配上述輸出電壓并加以反饋的反饋電阻(400)設計成不 需修調的免修調反饋電阻(400),并且作為上述免修調反饋電阻(400)的 一 個簡單
結構實施例而列出了第一到第九電阻(R1 R9)。
上述第一到第九電阻(R1 R9)可以根據上述金屬配線圖案(404)的形狀而激 活上述第 一 到第九電阻(Rl R9)的 一 部分或全部。
而且，上述實施例雖然只列出了上述第一到第九電阻(R1 R9),但是在實際 元件上通常會包含還多的電阻以實現電壓調節器的輸出電壓范圍(例5V)內的所 有電阻值。
圖8A所示由金屬配線(402)排列的電阻中被激活的電阻(405)等于上述第一 電阻(R1)與上述并聯的第四到第六電阻(R4 R6)與第八電阻(R8)之和，即 RT=R1+(R4||R5||R6)+R8。
此時，金屬配線圖案(404)連接旁路元件(170)的漏極端與第一電阻(R1)，連 接上述第 一 電阻(R1)與上述第四到第六電阻(R4 R6),連接上述第四到第六電阻 (R4 R6)與上述第八電阻(R8),還使上述第八電阻(R8)與連接到接地的反饋電阻 (未圖示)形成電氣連接。
圖8B到圖8E是本發明超低壓降型電壓調節器的反饋電阻(400)的一實施 例，顯示了利用金屬配線圖案(404)選擇性地連接了金屬配線(402)的實施例。
需要進行修調工序，并由有規則地排列的多個金屬配線(402)與為了形成符合超
的金屬配線圖案(404)加以確定。
在實際電路上，上述金屬配線(402)與旁路元件(170)應所述的通過接點(403) 連接。
圖9是適用在本發明超低壓降型電壓調節器的防過熱電路的一實施例的電 路圖。
電路(210)、電流生成單元(220)、過熱才全測單元(230)、輸出單元(240)、觸發信號 生成單元(250)、電流;故大單元(260)與輸出控制用逆變器(251),下面針對防過熱 電路的各構成元件之間的動作功能做進一步說明。
首先，偏置電路(210)通過PMOS晶體管(MP23)接受偏置電壓后分別對電流 生成單元(220)的NMOS晶體管(M45, M47)與輸出單元(240)的NMOS晶體管 (M53, M52)供應驅動電壓(VA， VB)。
因此，上述電流生成單元(220)的NMOS晶體管(M45， M47)可以使PMOS
晶體管(M 4 3)的漏極生成 一 定的電流(11)，在上述過熱檢測單元(23 0)的偏置電阻 (231)上形成固定電壓。此時，待固定的電壓大小可以通過偏置電路(210)所供應 的驅動電壓(VA, VB)進行調節。
在正常狀態下，上述過熱檢測單元(230)的偏置電阻(231)的兩端連接發射極 與基極端子并具有固定驅動電壓(VBE)的過熱檢測晶體管(232)不采取動作，由連 接上述電流生成單元(220)的PMOS晶體管(M43)后形成第一電流鏡的PMOS晶 體管(M42)的漏極端所生成的輸出電流(12)以及由上述偏置電路(210)輸入的驅動 電壓(VA, VB)所確定后，NMOS晶體管(M5S)的漏極端電壓(Vout),即輸出單 元(240)的輸出信號將作為低電平電壓(V out)的防過熱信號而輸出到上述觸發信 號生成單元(250)。
.上述低電平防過熱信號(Vout)在由一般PMOS晶體管(M55, M56， M58, M59， M60)與NMOS晶體管(M66, M67, M68， M69, M70)組成的施密特觸發 電路所構成的觸發信號生成單元(250)變成高電平觸發偏置信號(Tout)并反饋到 上述電流放大單元(260)的PMOS晶體管(M49),上述反饋的觸發偏置信號(Tout) 可以把連4矣上述電流生成單元(220)的PMOS晶體管(M43)后形成第二電流鏡的 PMOS晶體管(M48)的漏極端所生成的輸出電流(I3)加以控制。也就是說，將其 切斷。
而且，上述低電平防過熱信號(V out)通過上述觸發信號生成單元(250)把高 電平觸發偏置信號(Tout)的類的信號作為輸出控制信號(Tout)后輸出，上述輸出 控制信號(Tout)可以使電壓調節器正常動作。
此時，上述輸出控制信號(Tout)隨著電壓調節器的功率晶體管種類與防過熱 控制邏輯電路的動作形態而不同，因此防過熱電路需要再包括輸出控制用逆變 器(251)以輸出上述輸出控制信號(Tout),上述輸出控制用逆變器(251)為了決定 上述輸出控制信號(Tout)，而由PMOS晶體管(M57)與NMOS晶體管(M71)組成。
溫度上升并達到過熱狀態時，上述過熱檢測單元(220)的驅動電壓(VBE)固定 的過熱檢測晶體管(232)開始動作并形成電流(ICE)，在PMOS晶體管(M43)的漏 極上流通的電流(I1)將增加相當在上述電流(ICE)的電流。
連接上述電流生成單元(220)的PMOS晶體管(M43)并構成第一電流鏡的 PMOS晶體管(M42)的漏極端所生成的輸出電流(I2)也將增加。
而且，由于驅動電壓(VA， VB)維持一定值而使上述輸出單元(240)的NMOS 晶體管(M52, M53)的電阻維持一定值，根據歐姆法則，隨著構成上述第一電流
鏡的PMOS晶體管(M42)的漏極端所生成的輸出電流(I2)增加，上述輸出單元(240) 的NMOS晶體管(M45)漏極端上的電壓(V out)也將相應地增加。
也就是說，輸出單元(240)的輸出信號現在變成高電平電壓(V out)并作為防 過熱信號而被輸出到上述觸發信號生成單元(250)。
上述高電平防過熱信號(Vout)在由一般PMOS晶體管(M55， M56， M58， M59, M60)與NMOS晶體管(M66, M67, M68， M69， M70)組成的施密特觸發 電路所構成的觸發信號生成單元(250)變成低電平觸發偏置信號(Tout)并反饋到 上述電流放大單元(260)的PMOS晶體管(M49),上述反饋的觸發偏置信號(Tout) 可以把連接上述電流生成單元(220)的PMOS晶體管(M43)后形成第二電流鏡的 PMOS晶體管(M48)的漏極端所生成的輸出電流(I3)加以控制。
. 從上述PMOS晶體管(M48)的漏極端生成的輸出電流(I3)將與流經過熱檢測 單元(230)的電流(I1)結合后輸入并使得還多的電流進入，從而使過熱檢測晶體管 (232)在中止(shutdown)電壓調節器的時候得以還快而確實地動作。
而且，上述高電平防過熱信號(Vout)將通過上述觸發信號生成單元(250)把低 電平觸發偏置信號(Tout)的類的信號作為輸出控制信號(Tout)后輸出，上述輸出 控制信號(Tout)將驅使電壓調節器中止(shutdown)以防止過熱。
此時，上述輸出控制信號(Tout)將隨著電壓調節器上的功率晶體管種類與防 過熱控制邏輯電路的動作形態而不同，因此需要通過由可以決定上述輸出控制 信號(Tout)的PMOS晶體管(M57)與NMOS晶體管(M71)組成的輸出控制用逆變 器(251)輸出。
以上所述僅為本發明的較佳實施例，對本發明而言僅僅是說明性的，而非 限制性的。本專業技術人員理解，在本發明權利要求所限定的精神和范圍內可 對其進行許多改變，修改，甚至等效，但都將落入本發明的保護范圍內。
權利要求
1.一種超低壓降型電壓調節器，作為低電壓變換型電壓調節器，其特征在于其包括下列單元芯片驅動單元，其控制用以驅動所述芯片內部電路而供應的偏置電壓；低電壓基準電壓生成單元，由上述芯片驅動單元控制，在一定范圍內生成電壓與電流或設定在上述范圍內；旁路元件，輸入待轉換電源后只允許穩定電壓通過并加以輸出；反饋電阻，分配上述旁路元件的輸出電壓并反饋到誤差電壓放大器；所述誤差電壓放大器受到上述芯片驅動單元的控制，比較上述低電壓基準電壓生成單元所輸出的基準電壓與上述反饋電阻所反饋的輸出電壓，在輸出信號中對誤差電壓部分進行差分放大而使輸出平滑； 柵極驅動器，受到上述芯片驅動單元的控制，通過防過熱控制邏輯電路的控制信號比較上述誤差電壓放大器的輸出信號與上述輸出電壓，然后輸出針對上述旁路元件的控制信號；防過熱電路，受到上述芯片驅動單元的控制，檢測芯片的過負荷或過熱與否后輸出對輸出電壓進行切換控制的信號；過電流保護器，受到上述芯片驅動單元的控制，接受輸入電源后通過邏輯接口把輸出電流控制在一定范圍內；以及所述防過熱控制邏輯電路受到上述芯片驅動單元的控制，接受上述防過熱電路的輸出信號與上述過電流保護器的輸出信號后控制上述柵極驅動器的輸出信號。
2. 根據權利要求1所述的超低壓降型電壓調節器，其特征在于 上述芯片驅動單元包括電源供應端，供應并控制芯片內部電路的驅動用偏置電壓；以及禁止端，向上述防過熱控制邏輯電路發送過負荷控制信號。
3. 根據權利要求1所述的超低壓降型電壓調節器，其特征在于 上述低電壓基準電壓生成單元包括偏置單元，接受上述芯片驅動單元的偏置電壓后通過電流鏡供應偏置電壓； 第一電流生成單元，以電流鏡連接上述偏置單元并接受偏置，生成與雙極 晶體管的基極-發射極之間的電壓成比例的第 一電流；第一PMOS晶體管放大單元，接受來自上述第一電流生成單元的輸出電壓 信號后加以;故大并輸出；第二電流生成單元，以電流鏡連接上述偏置單元并接受偏置，生成與熱電 壓成比例的第二電流；第二PMOS晶體管放大單元，接受來自上述第二電流生成單元的輸出電壓 信號后加以放大并輸出；以及差分放大單元，以電流鏡連接上述偏置單元并接受偏置，分別接受上述第 一與第二PMOS晶體管放大單元所放大的信號，然后對于溫度與電源電壓的變 化而輸出一定基準電壓。
4. 根據權利要求3所述的超低壓降型電壓調節器，其特征在于 上述第一PMOS晶體管放大單元包括第一PMOS晶體管，在柵極接受上述第一電流生成單元的輸出信號后把放 大的信號輸出到漏極端；以及有功負載，連接到上述第一PMOS晶體管的漏極 端并橫^冊極接地。
5. 根據權利要求3所述的超低壓降型電壓調節器，其特征在于 上述第二 PMOS晶體管i丈大單元包括第二PMOS晶體管，在柵極接受上述第二電流生成單元的輸出信號后把放 大的信號輸出到漏極端；以及有功負載，連接到上述第二PMOS晶體管的漏極 端并4吏柵極接地。
6. 根據權利要求3所述的超低壓降型電壓調節器，其特征在于 上述差分放大單元包括差分放大輸入端，由分別接收上述第一與第二PMOS晶體管放大單元的輸 出信號的第一與第二NMOS晶體管所組成；電流源，連接到上述差分放大輸入端的源極端，由通過上述偏置單元接受 偏置電壓后生成正電流的NMOS晶體管所構成；有功負載，連接到上述差分放大輸入端的第二NMOS晶體管的漏極端，以 電流鏡連接上述偏置單元并接受偏置；以及輸出端，連接到上述差分放大輸入端的第一NMOS晶體管的漏極端，通過 上述偏置單元被電流鏡偏置而輸出基準電壓。
7. 根據權利要求6所述的超低壓降型電壓調節器，其特征在于 上述有功負載是由兩個PMOS晶體管級聯連接而成的。
8. 根據權利要求1所述的超低壓降型電壓調節器，其特征在于 上述反饋電阻能夠進行修調。
9. 根據權利要求1所述的超低壓降型電壓調節器，其特征在于上述反饋電阻包括排列成多個固定圖案的金屬配線與連接上述金屬配線并 使其電氣激活導電性金屬配線圖案，形成了不需修調的免修調反饋電阻。
10. 根據權利要求9所述的超低壓降型電壓調節器，其特征在于 上述金屬配線采取了達到輸出電壓范圍內的所有電阻值的配置方式。
11. 根據權利要求9所述的超低壓降型電壓調節器，其特征在于 上述金屬配線圖案配置接點，從而根據所需要的輸出電壓而選擇性地連接上述金屬配線的一部分。
12. 根據權利要求1所述的超低壓降型電壓調節器，其特征在于 上述防過熱電路包括電流生成單元，通過上述芯片驅動單元輸入偏置電壓后生成一定電流； 過熱檢測單元，連接上述電流生成單元接受一定電流后檢測溫度變化并允許在特定溫度以上時采取動作；以及輸出單元，輸出防過熱信號，上述防過熱信號通過和上述電流生成單元連接成第 一 電流鏡后所生成的輸出電流，與來自上述偏置電路的驅動電壓來確定。
13. 根據權利要求1所述的超低壓降型電壓調節器，其特征在于 上述防過熱電路包括電流生成單元，通過上述芯片驅動單元輸入偏置電壓后生成一定電流；過熱檢測單元，連接上述電流生成單元接受一定電流后檢測溫度變化并允 許在特定溫度以上時采取動作；輸出單元，輸出防過熱信號，上述防過熱信號通過和上述電流生成單元連 接成第 一 電流鏡后所生成的輸出電流，與來自上述偏置電路的驅動電壓來確定;觸發信號生成單元，接受上述輸出單元的防過熱信號后向上述過熱檢測單 元反饋控制動作的觸發偏置信號，同時作為輸出控制信號加以輸出；以及電流放大單元，通過和上述電流生成單元連接而成的第二電流鏡生成輸出 電流，接受上述觸發信號生成單元所反饋的觸發偏置信號后，控制上述輸出電 流并加以;改大。
14. 根據權利要求12或13所述的超低壓降型電壓調節器，其特征在于 上述過熱檢測單元包括偏置電阻，根據上述電流生成單元所生成的一定電流而固定在特定電壓上;以及過熱檢測晶體管，把基極與發射極端子分別連接到上述偏置電阻的兩個端 子，使隨著溫度而變化的驅動電壓能與上述偏置電阻的兩端電壓維持一致。
15. 根據權利要求13所述的超低壓降型電壓調節器，其特征在于 上述觸發信號生成單元由施密特觸發電路構成。
16. 根據權利要求13所述的超低壓降型電壓調節器，其特征在于 上述觸發信號生成單元是由PMOS晶體管與NMOS晶體管所組成的逆變器構成的。
17. 根據權利要求13所述的超低壓降型電壓調節器，其特征在于 上述觸發信號生成單元還包括了決定輸出控制信號的輸出控制用逆變器。
全文摘要
本發明涉及一種電壓調節器，尤其是一種可以另外供應內部電路的動作電源且控制上述動作電源以處理芯片動作，從而減少備用電源的消耗并且在設計時盡量縮小芯片尺寸，可以對芯片的過負荷或過電壓做出快速反應并穩定而確實地加以中止，即使在低電壓輸出時也具有超低壓降特性(Ultra Low Dropout)的超低壓降型電壓調節器。
文檔編號H02H7/20GK101364136SQ20081012660
公開日2009年2月11日 申請日期2008年6月17日 優先權日2007年8月6日
發明者張起碩 申請人:泰金技術株式會社