低壓差調節器及提升其電源抑制比的方法

專利名稱：低壓差調節器及提升其電源抑制比的方法
技術領域：
本發明有關于電壓調節器，尤其有關于具有高電源抑制比(Power Supply Rejection Ratio, PSRR)的低壓差(low voltage drop out,以下簡稱為 LD0)調節器。
背景技術：
電壓調節器用來為其他電子電路提供穩定的電壓源。由于當前電子設備的操作電 壓相較于外部供電電壓變得越來越低，因此LDO調節器被廣泛用于當前應用中。圖1是現 有技術的LDO調節器100的通用架構示意圖。例如將4. 3V的電池電壓(即外部供電電壓) Vbat作為輸入電壓給LDO調節器100供電。LDO調節器100包括多個子LDO(sub-LDO)調節
器110、120...... 190。每個子LDO提供特定輸出電壓(例如VQUT1、VQUT2......或Vqutn)。以
子LDO調節器110為例，子LDO調節器110具有控制級112、輸出級114和補償塊113 (耦 接于控制級112和輸出級114之間)。外部供電電壓Vbat提供給控制級112和輸出級114。 其他子LDO調節器與此相似。由于整個LDO調節器100維持高電壓，因此必須要利用大尺 寸的元件(如晶體管)。或者，必須利用級聯結構。為了節省LDO調節器的設計面積，增加 如圖2所示的預調節器(pre-regulator)。圖2是現有技術的LDO調節器200的通用架構示意圖。圖1和圖2中的相似標
號表示相同的元件，例如圖2中的多個子LDO調節器210、220...... 290和圖1中的多個
子LDO調節器110、120...... 190相同，控制級212、222...... 292和圖1中的控制級112、
122...... 192相同，輸出級214、224...... 294和圖1中的控制級114、124...... 194相同，
補償塊213、223...... 293和圖1中的補償塊113、123...... 193相同。圖1的LDO調節器
100和圖2的LDO調節器200的差異在于LDO調節器200還具有高電壓(High Voltage, HV)調節器205。HV調節器205將高輸入電壓Vbat (如4. 3V)轉換為較低電壓(如2. 8V或 3. 3V)。接著將來自HV調節器205的較低電壓提供給子LDO調節器210的控制級212。電 池電壓Vbat仍提供給輸出級214。其他子LDO調節器220至290與此相似，不再贅述。在此例中，除4. 3V的直流(Direct Current, DC)分量外，電池電壓(即外部 供電電壓)Vbat通常包括大約200mV峰-峰值的交流(Altemating Current，AC)擾動 (perturbation)。例如，當通過HV調節器205將電池電壓Vbat轉換為已轉換電壓Vra時， DC分量則由4.3V轉換為2.8V或3.3V。此外，AC擾動將被過濾出。圖2節點A處的電信 號(即Vbat)包括DC分量和AC擾動，而節點B處的電信號(即Vcqn)僅包括已轉換DC電壓。 因此，不能抑制AC擾動的影響，這會導致LDO調節器200的PSRR特性的退化。此外，HV調 節器205的利用需要額外的電力損耗及額外的占用設計面積。

發明內容
有鑒于此，本發明提供低壓差調節器及提升其電源抑制比的方法。依據本發明一個實施例提供一種低壓差調節器，包括電壓緩沖器，用于接收輸入 電壓，輸入電壓包含第一電平的DC分量和AC分量，且電壓緩沖器將輸入電壓轉換后輸出已轉換電壓，已轉換電壓具有低于第一電平的第二電平的DC分量和跟隨輸入電壓的AC分量 的AC分量；控制級，具有由已轉換電壓供電的第一放大器；以及輸出級，具有與控制級的第 一放大器的輸出端連接的功率晶體管，功率晶體管由輸入電壓供電且由控制級控制以輸出 具有第三電平的輸出電壓。依據本發明另一個實施例提供一種提升低壓差調節器的電源抑制比的方法，低壓 差調節器具有控制級和輸出級，控制級具有第一放大器，輸出級具有功率晶體管，功率晶體 管與控制級的第一放大器的輸出端相連，提升低壓差調節器的電源抑制比的方法包括步 驟將輸入電壓轉換為已轉換電壓，輸入電壓包含第一電平的DC分量和AC分量，已轉換電 壓具有第二電平的DC分量和跟隨輸入電壓的AC分量的AC分量；將已轉換電壓施加到控制 級且將輸入電壓施加至輸出級；以及將參考電壓施加到控制級，以便控制級控制輸出級輸 出具有第三電平的輸出電壓。由于輸入電壓和已轉換電壓均包含AC分量，因此消除了 AC擾動，提升了電源抑制 比。以下根據多個圖式對本發明的較佳實施例進行詳細描述，所屬領域技術人員閱讀 后可明確了解本發明的目的。


圖1是現有技術的LDO調節器的通用架構示意圖。圖2是現有技術的LDO調節器的通用架構示意圖。圖3是根據本發明實施例的LDO調節器的通用架構示意圖。圖4是電壓緩沖器的實現示例圖。圖5是電壓緩沖器的另一實現示例圖。圖6是電壓緩沖器的進一步實現示例圖。圖7是根據本發明另一實施例的LDO調節器的通用架構示意圖。
具體實施例方式在權利要求書及說明書當中使用了某些詞匯來指稱特定的元件。所屬領域中的 普通技術人員應可理解，硬件制造商可能會用不同的名詞來稱呼同一個元件。本發明的權 利要求書及說明書并不以名稱的差異來作為區分元件的方式，而是以元件在功能上的差異 來作為區分的準則。在通篇說明書及后續的請求項當中所提及的“包含”為開放式的用語， 故應解釋成“包含但不限定于”。以外，“耦接”一詞在此包含任何直接及間接的電氣連接手 段。因此，若文中描述第一裝置耦接于第二裝置，則代表該第一裝置可直接電氣連接于該第 二裝置，或通過其他裝置或連接手段間接地電氣連接至該第二裝置。圖3是根據本發明實施例的LDO調節器300的通用架構示意圖。LDO調節器300包 括電壓緩沖器305、控制級320、補償塊330和輸出級340。根據本發明，電壓緩沖器305將 具有第一電平的高輸入電壓(例如4. 3V的電池電壓)Vbat的DC分量轉換為較低電平(即第 二電平，例如3.3V或2.8V)的電壓VCQN。同時，約200mV峰-峰值的AC分量(即AC擾動) 通過電壓緩沖器305而未被過濾掉。也就是說，電壓緩沖器305的輸出νωΝ(即節點B處的 信號)包含較低的DC電壓和AC分量(跟隨Vbat的AC分量)。通過利用電壓緩沖器305，用于控制級320和輸出級340的電壓均包含AC分量。后續將進一步詳述。控制級320包括放大器321和電流模式處理(current mode approach)塊325。 用期望的參考電壓Vref給放大器321的反相輸入端供電。放大器321的非反相輸入端連接 至輸出級340的電阻器343和345所構成的分壓器。節點C產生的電壓反饋至放大器321 的非反相輸入端。放大器321的輸出端連接至電流模式處理塊325。電流模式處理塊325 用于將放大器321的輸出從較低電壓電平轉變為一較高電壓電平，從而防止LDO調節器300 受到電壓應力(voltage stress)的影響。輸出級340包括功率晶體管341以及由電阻器 343和345構成的分壓器，其中本實施例中功率晶體管341由功率PMOS晶體管實現。功率 晶體管341是通路元件(path element) 0電池電壓Vbat連接至功率晶體管341的源極。電 流模式處理塊325的輸出連接至功率晶體管341的柵極。功率晶體管341的漏極連接至分 壓器以作為LDO調節器300的輸出，用于輸出具有第三電平的已調節電壓VOT。根據參考電 壓和節點C的反饋電壓之間的差異，放大器321控制功率晶體管341的柵極電壓，以便 功率晶體管341輸出具有特定電平的已調節輸出電壓，該特定電平實質上由參考電壓Vref 決定。將電壓緩沖器305轉換的較低電壓Vra提供至控制級320。也就是說，控制級320 在低功率域內。因此，在控制級320中可利用更小尺寸的元件。相比之下，輸出級340直接 由電池電壓Vbat所供電，因此輸出級340在高功率域內。補償塊330連接在這兩個不同的 功率域之間。補償塊330連接于放大器321的輸出端和功率晶體管341的柵極之間。補償 塊330用于實現米勒(Miller)補償，也就是引起極點分離(pole splitting)的現象，這是 所屬領域技術人員所熟知的內容，不再贅述。補償塊330在低功率域一側產生主要極點，且 排除高功率域的極點，由此提升LDO調節器300的穩定性。可以看到，圖3的節點A處的信號是電池電壓Vbat，其包含DC分量和AC分量(即 AC擾動)。此外，如上所述，通過將輸入電池電壓Vbat轉換為已轉換電壓Vcon而未濾除AC分 量，節點B處的信號(即VcJ包含DC分量(低于Vbat的DC分量)及AC分量(跟隨Vbat的 AC分量)。因此，AC擾動會出現在功率晶體管341的源極和柵極。可以看到，由于消除了 AC擾動，因此功率晶體管341的柵極至源極(gate-to-source)電壓Ves為常數。于是，LDO 調節器300的PSRR得以提升。因此，提升低壓差調節器的電源抑制比的方法包括將輸入電壓Vbat轉換為已轉 換電壓Vra，輸入電壓Vbat包含第一電平的DC分量和AC分量，已轉換電壓Vew具有第二電 平的DC分量和AC分量(跟隨輸入電壓Vbat的AC分量)；將已轉換電壓Vra施加到控制級 320且將輸入電壓Vbat施加至輸出級340 ；以及將參考電壓Vref施加到控制級320，以便控制 級320控制輸出級340輸出具有第三電平的輸出電壓VQUT。電壓緩沖器305可由任何其他合適的電路元件或電路實現，以便當實質上維持輸 入信號的AC分量時達到下轉換DC分量的功能。圖4是電壓緩沖器305的實現示例圖。電 壓緩沖器305能夠簡單地由放大器405實現。當包括DC分量和AC分量的電池電壓Vbat輸 入到放大器405時，放大器405輸出電壓信號Vew，相較于Vbat，電壓信號Vra的DC分量被調 節到一個較低電平，而AC分量跟隨Vbat的AC分量。圖5是電壓緩沖器305的另一實現示例圖。電壓緩沖器305可簡單地由PMOS晶 體管505實現。晶體管505的源極和本體(bulk)由包含DC分量和AC分量的電池電壓Vbat
6供電，晶體管505的柵極和漏極連接在一起。晶體管505的漏極處的輸出Vra包含相較于 Vbat被調節到較低電平的DC分量和AC分量(跟隨Vbat的AC分量)。或者，電壓緩沖器305可由圖6所示的電路605實現。圖6是電壓緩沖器305的進 一步實現示例圖。電路605包括HV調節器611、電阻器624 (與HV調節器611串聯)、電容 器633 (與HV調節器611和電阻器624的連接并聯)。HV調節器611與圖2中的HV調節 器205相同。HV調節器611和電阻器624減少電池電壓Vbat的DC分量。在HV調節器611 和電阻器624的通路中，AC分量被濾除。另一通路具有電容器633，Vbat的DC分量被阻隔， AC分量得以通過。因此，電路605的輸出Vra是此兩個通路的輸出的結合，其相較于Vbat具 有減少的DC分量和AC分量(跟隨Vbat的AC分量)。圖7是根據本發明另一個實施例的LDO調節器700的通用架構示意圖。本實施例 中的LDO調節器700相似于圖3中的LDO調節器300。相似的標號表示相同的元件，如圖7 中的電壓緩沖器705、控制級720、輸出級740、電流模式處理塊725、補償塊730、功率晶體管 741、電阻器743及745和圖3中的電壓緩沖器305、控制級320、輸出級340、電流模式處理 塊325、補償塊330、功率晶體管341、電阻器343及345相同，此處為簡潔，不再贅述。圖7 和圖3的大致區別是本實施例的LDO調節器700的控制級720中有兩個放大器721和722 級聯。也就是說，LDO調節器700具有兩個放大級。高電池電壓Vbat(如4. 3V)輸入到LDO 調節器700。通過電壓緩沖器705 (與先前實施例中的電壓緩沖器305相同)將輸入電壓 Vbat下轉換為已轉換電壓Vra (如3. 3V或2. 8V)。電池電壓Vbat的AC分量未被過濾，因此已 轉換電壓Vew也具有AC分量(跟隨Vbat的AC分量)。已轉換電壓Vra給兩個放大器721 和722供電。第一放大器721具有接收參考電壓VMf的輸入端和連結于分壓器(由電阻器 743與745構成)的另一輸入端。第一放大器721的輸出連接至第二放大器722及補償塊 730 (與先前實施例中的補償塊330相同)。第二放大器722的輸出連接至電流模式處理塊 725(與先前實施例中的電流模式處理塊325相同)。可以看到，給放大級和輸出級供電的 電壓均包含AC分量。鑒于實際上的需要，根據本發明的實施例，LDO調節器的控制級可包括多于兩個的 級聯放大器。也就是說，會有多于兩個的放大級。無論控制級中有多少放大級，這些放大級 均由具有AC分量(跟隨輸入電池電壓Vbat的AC分量)的已轉換電壓供電。由此，在輸出 級的功率晶體管的源極和柵極均可看到AC分量，因此功率晶體管的柵極至源極電壓Ves實 質上保持常數。于是，本發明的LDO調節器的具有高PSRR。雖然本發明已就較佳實施例揭露如上，然其并非用以限定本發明。本發明所屬技 術領域中普通技術人員，在不脫離本發明的精神和范圍內，當可作各種的變更和潤飾。
權利要求
一種低壓差調節器，其特征在于，包括電壓緩沖器，用于接收輸入電壓，所述輸入電壓包含第一電平的DC分量和AC分量，且所述電壓緩沖器將所述輸入電壓轉換后輸出已轉換電壓，所述已轉換電壓具有低于所述第一電平的第二電平的DC分量和跟隨所述輸入電壓的AC分量的一個AC分量；控制級，具有由所述已轉換電壓供電的第一放大器；以及輸出級，具有與所述第一放大器的輸出端連接的功率晶體管，所述功率晶體管由所述輸入電壓供電且由所述控制級控制以輸出具有第三電平的輸出電壓。
2.如權利要求1所述的低壓差調節器，其特征在于，進一步包括補償塊，所述補償塊連 接于所述控制級和所述輸出級之間，用于引起極點分離。
3.如權利要求1所述的低壓差調節器，其特征在于，所述控制級進一步具有電流模式 處理塊，所述電流模式處理塊連接于所述第一放大器和所述功率晶體管之間，用于將所述 第一放大器的輸出從較低電平轉變為較高電平。
4.如權利要求1所述的低壓差調節器，其特征在于，所述控制級進一步具有與所述第 一放大器級聯的第二放大器，且所述第二放大器連接于所述第一放大器和所述功率晶體管 之間，所述第二放大器也由所述已轉換電壓供電。
5.如權利要求4所述的低壓差調節器，其特征在于，所述控制級進一步具有電流模式 處理塊，所述電流模式處理塊連接于所述第二放大器和所述功率晶體管之間，用于將所述 第二放大器的輸出從較低電平轉變為較高電平。
6.如權利要求1所述的低壓差調節器，其特征在于，所述電壓緩沖器包括放大器，用于 接收所述輸入電壓，并將所述輸入電壓轉換為所述已轉換電壓以及輸出所述已轉換電壓。
7.如權利要求1所述的低壓差調節器，其特征在于，所述電壓緩沖器包括晶體管，所述 晶體管的源極和本體由所述輸入電壓供電，且所述晶體管的柵極和漏極連接以用于輸出所 述已轉換電壓。
8.如權利要求1所述的低壓差調節器，其特征在于，所述電壓緩沖器包括高電壓調節器，用于接收所述輸入電壓以將所述輸入電壓的所述DC分量轉換為較低 電平，并濾除所述輸入電壓的所述AC分量；電阻器，與所述高電壓調節器串聯形成連接；以及電容器，與所述高電壓調節器和所述電阻器的所述連接并聯，以阻隔所述輸入電壓的 所述DC分量，而允許所述輸入電壓的所述AC分量通過。
9.如權利要求1所述的低壓差調節器，其特征在于，所述輸出級進一步包括由多個電 阻器構成的分壓器，所述分壓器與所述功率晶體管相連。
10.如權利要求1所述的低壓差調節器，其特征在于，所述功率晶體管具有用于接收所 述輸入電壓的源極、與所述控制級相連的柵極和用于輸出所述輸出電壓的漏極。
11.如權利要求10所述的低壓差調節器，其特征在于，所述功率晶體管是PMOS晶體管。
12.一種提升低壓差調節器的電源抑制比的方法，其特征在于，所述低壓差調節器具有 控制級和輸出級，所述控制級具有第一放大器，所述輸出級具有功率晶體管，所述功率晶體 管與所述控制級的所述第一放大器的輸出端相連，所述提升低壓差調節器的電源抑制比的 方法包括將輸入電壓轉換為已轉換電壓，所述輸入電壓包含第一電平的DC分量和AC分量，所述已轉換電壓具有第二電平的DC分量和跟隨所述輸入電壓的AC分量的一個AC分量； 將所述已轉換電壓施加到所述控制級且將所述輸入電壓施加至所述輸出級；以及 將參考電壓施加到所述控制級，以便所述控制級控制所述輸出級輸出具有第三電平的 輸出電壓。
13.如權利要求12所述的提升低壓差調節器的電源抑制比的方法，其特征在于，進一 步包括提供補償塊，用于在所述控制級和所述輸出級之間引起極點分離。
全文摘要
本發明提供低壓差調節器及提升其電源抑制比的方法，其中低壓差調節器，包括電壓緩沖器，用于接收輸入電壓，輸入電壓包含第一電平的DC分量和AC分量，且電壓緩沖器將輸入電壓轉換后輸出已轉換電壓，已轉換電壓具有低于第一電平的第二電平的DC分量和跟隨輸入電壓的AC分量的AC分量；控制級具有由已轉換電壓供電的第一放大器；以及輸出級，具有與第一放大器的輸出端連接的功率晶體管，由輸入電壓供電且由控制級控制以輸出具有第三電平的輸出電壓。由于輸入電壓和已轉換電壓均包含AC分量，因此消除了AC擾動，提升了電源抑制比。
文檔編號G05F1/46GK101930244SQ200910171589
公開日2010年12月29日 申請日期2009年8月28日 優先權日2009年6月25日
發明者徐研訓, 管建葳 申請人:聯發科技股份有限公司