避免輸入電壓突降的電壓調節電路與電壓調節方法
2023-04-24 21:52:26 2
專利名稱：避免輸入電壓突降的電壓調節電路與電壓調節方法
技術領域：
本發明涉及一種電壓調節電路及其電壓調節方法，特別是涉及一種避免輸入電壓突降的電壓調節電路與電壓調節方法。
背景技術：
一般而言，電壓調節電路串聯於輸入電壓訊號與輸出電壓訊號的間，其功能類似於一個電壓源，用以將輸入電壓訊號轉換為輸出電壓訊號，並提供輸出電壓訊號一個穩定的電壓電平。
在此請參照圖1，圖1是已知電壓調節器100的電路示意圖。此電壓調節器100包含有一電晶體Q1、一回授電路102、一誤差放大器OP1以及一致能電路110，電晶體Q1可以為N型場效電晶體(N-MOSFET)或P型場效電晶體(P-MOSFET)或雙載子接面電晶體(BJT)。圖1電晶體Q1為P型場效電晶體(P-MOSFET)，其源極(source)與漏極(drain)分別耦接於輸入電壓訊號Vin以及輸出電壓訊號Vout，亦即電晶體Q1串聯於輸入電壓訊號Vin以及輸出電壓訊號Vout的間，另外，電晶體Q1的漏極耦接於回授電路102，藉由電阻R1、R2的分壓電路造成回授電路102產生一回授電壓訊號Vfb，並將回授電壓訊號Vfb送至誤差放大器OP1的非反相輸入端；此外，對於誤差放大器OP1而言，其非反相輸入端耦接於回授電壓訊號Vfb、反相輸入端耦接於參考電壓訊號Vref以及另有一啟動接腳連接於致能電路110，其中致能電路110依據一啟動控制訊號EN來控制控制誤差放大器OP1是否開始運作，亦即控制此電壓調節器100是否啟動，舉例來說，若啟動控制訊號EN由低邏輯電平『0』轉變成高邏輯電平『1』，則致能電路110便會驅使誤差放大器OP1開始運作。誤差放大器OP1的輸出端耦接於電晶體Q1的柵極，藉由此控制電壓訊號Verr以控制電晶體Q1的導通阻抗；因為誤差放大器OP1在整個電路中的角色系作為一誤差放大器，換句話說，控制電壓訊號Verr將反應回授電壓訊號Vfb與參考電壓訊號Vref的間的差異，用以調整電晶體Q1的導通阻抗，因此輸出電壓訊號Vout最後便可以穩壓並且滿足下列方程式(1)
Vout=Vref(R1+R2)R2]]>方程式(1)亦即電壓調節器100藉由上述方程式達到穩定地產生輸出電壓訊號Vout予一負載104的目的。此外，於圖1中，Cin與Cout分別代表輸入電容與輸出電容，用來分別穩定輸入電壓訊號Vin以及輸出電壓訊號Vout，由於其運作與功能為業界所已知，故不另於此贅述。
請參照圖2，圖2為圖1所示電壓調節電路100的操作時序圖。假設輸入電壓訊號Vin為3.3伏特、提供予啟動後的電壓調節電路100的參考電壓訊號Vref為1.25伏特，以及所要的輸出電壓訊號Vout為2.5伏特，因此，便可依據上述參數來決定出電阻R1、R2的阻值以構成所要的回授電路102。如圖2所示，在時間T1時若將啟動控制訊號EN由低邏輯電平轉變成高邏輯電平，則電壓調節電路100將開始運作，其中參考電壓訊號Vref由於需要提供給其它線路使用，所以參考電壓訊號Vref需要很快地到達默認值1.25伏特，另外在時間T1時，輸出電壓訊號Vout的輸出電壓是0伏特，因此回授電壓訊號Vfb亦是0伏特，結果誤差放大器OP1的輸出電壓為低電壓而且電晶體Q1將位於導通區；此時，輸入電壓訊號Vin(對應一輸入電流訊號Iin)通過電晶體Q1的導通電阻對輸出電容Cout充電，由於導通電阻很小(一般大約是100毫歐姆)，輸入電壓訊號Vin的瞬間電流值將會很大並達到電晶體Q1的電流限制Ilimit，進一步說，若電壓調節電路100是應用在手持式產品(例如手機，數字相機等)，其輸入端通常是耦接於電池，由於電池內部亦有其內阻，因此，此一瞬間大電流將造成輸入電壓訊號Vin產生電壓突降(voltagedrop)；另外，若輸入電壓訊號Vin的突降現象過於嚴重，亦可能影響其它與電池連接的系統產生錯誤運作，而雖然為了避免此嚴重的電壓突降現象可在電壓調節電路100的輸入端耦接一較大電容值的輸入電容Cin，但是為了使用具有較大電容值的輸入電容Cin，往往必須佔用較大面積，而且也提高了整體成本。對於應用在手持式產品而言，這是明顯的缺點。
發明內容
因此本發明的主要目的之一在於提供一種避免輸入電壓突降的電壓調節電路與電壓調節方法，且可具有較小的電路面積及較少的成本，以解決以上提到的問題。
本發明的揭露了一種電壓調節電路，用來依據一輸入電壓訊號產生一輸出電壓訊號。該電壓調節電路包含有一軟啟動電路，用來提供一軟啟動電壓訊號；以及一電壓調節器，耦接於該軟啟動電路、該輸入電壓訊號以及一參考電壓訊號，用來選擇性地比較該軟啟動電壓訊號與該參考電壓訊號之一與該輸出電壓訊號所對應的一回授電壓訊號以依據該輸入電壓訊號產生該輸出電壓訊號。
本發明還揭露了一種電壓調節方法，用來依據一輸入電壓訊號產生一輸出電壓訊號。該電壓調節方法包含有(a)提供一軟啟動電壓訊號；以及(b)提供一電壓調節器，並使用該電壓調節器來選擇性地比較該軟啟動電壓訊號與一參考電壓訊號的一與該輸出電壓訊號所對應的一回授電壓訊號以依據該輸入電壓訊號產生該輸出電壓訊號。
圖1為根據已知電壓調節電路的電路示意圖。
圖2為圖1所示的電壓調節電路的操作時序圖。
圖3為本發明電壓調節電路的一實施例的電路示意圖。
圖4為圖3所示的電壓調節電路的操作時序圖。
附圖符號說明
具體實施方式
在此請參照圖3，圖3是本發明電壓調節電路300的一實施例的電路示意圖。如圖3所示，電壓調節電路300包含有一電壓調節器302以及一軟啟動(soft start)電路304，其中電壓調節器302包含有一電晶體Q1、一回授電路303、一致能電路310以及一誤差放大器OP2，其中電晶體Q1、回授電路303與致能電路310的結構與功能分別與圖1所述的電晶體Q1、回授電路102與致能電路110相同，故在此不贅述，此外，於圖3中，Cin與Cout分別代表輸入電容與輸出電容，用來分別穩定輸入電壓訊號Vin以及輸出電壓訊號Vout，由於其運作與功能為業界所已知，亦不另於此贅述。誤差放大器OP2為一具有三輸入端的誤差放大器，其非反相輸入端耦接於回授電壓訊號Vfb，而其兩反相輸入端則分別耦接於軟啟動電壓訊號Vss和參考電壓訊號Vref，於本實施例中，當電壓調節電路300啟動後，誤差放大器OP2可以選擇性使用軟啟動電壓訊號Vss或參考電壓訊號Vref，因此電壓調節器302的工作原理與圖1所示的電壓調節器100的工作原理類似，差別在於電壓調節器302啟動後可以選擇軟啟動電壓訊號Vss或參考電壓訊號Vref其中的一以控制輸出電壓訊號Vout與輸入電壓訊號Vin；因此，本實施例定義一預定範圍，而當軟啟動電壓訊號Vss與參考電壓訊號Vref的電壓差落於該預定範圍內(亦即無論軟啟動電壓訊號Vss小於或超過參考電壓訊號Vref)時，通常預定範圍一般是趨近於0伏特，亦即希望軟啟動電壓訊號Vss在非常靠近參考電壓訊號Vref時，電壓調節電路300便由軟啟動電壓訊號Vss切換至參考電壓訊號Vref來利用參考電壓訊號Vref以控制輸出至一負載305的輸出電壓訊號Vout，請注意，上述預定範圍可依據設計需求而加以設定，舉例來說，於本發明的一實施例中，當軟啟動電壓訊號Vss等於參考電壓訊號Vref時，誤差放大器OP2才會由軟啟動電壓訊號Vss切換至參考電壓訊號Vref。另外，誤差放大器OP2的選擇性耦接功能可利用一多任務器(multiplexer)來加以實現，然而，任何實現選擇性耦接的手段均屬本發明誤差放大器OP2的範疇。
圖3所示的軟啟動電路304還包含有一電源流Iss、一電容Css、一重置電晶體Q2以及一重置控制電路306，根據本發明的一實施例，電源流Iss用來提供一參考電流，而電容Css作為充放電使用，所以，當重置電晶體Q2未導通時，電源流Iss對電容Css充電，因此軟啟動電壓訊號Vss的電壓電平將漸漸由接地電位(亦即0伏特)而增高；若重置電晶體Q2導通時，則電源流Iss無法再對電容Css充電並且電容Css將開始經由重置電晶體Q2而放電，因此軟啟動電壓訊號Vss的電壓電平將漸漸降低直到其電壓電平等於接地電位(亦即0伏特)。此外，重置控制電路306用於決定重置電晶體Q2是否導通，於本實施例中，為了確保軟啟動電壓訊號Vss於每次電壓調節電路300啟動時均對應至接地電位，因此重置電晶體Q2的導通條件如下(一)啟動控制訊號EN由高邏輯電平轉變至低邏輯電平而關閉誤差放大器OP2的運作；或者(二)誤差放大器OP2已由軟啟動電壓訊號Vss切換至參考電壓訊號Vref。
若於誤差放大器OP2由軟啟動電壓訊號Vss切換至參考電壓訊號Vref之前，啟動控制訊號EN由高邏輯電平轉變至低邏輯電平而關閉誤差放大器OP2的運作，則條件(一)可確保軟啟動電壓訊號Vss於下次電壓調節電路300啟動前被重置；另一方面，當誤差放大器OP2已由軟啟動電壓訊號Vss切換至參考電壓訊號Vref，此時，軟啟動電壓訊號Vss不再被誤差放大器OP2所採用，因此重置控制電路306便可允許導通重置電晶體Q2來重置軟啟動電壓訊號Vss，於本發明的較佳實施例中，當誤差放大器OP2由軟啟動電壓訊號Vss切換至參考電壓訊號Vref時，重置控制電路306便立即導通重置電晶體Q2，然而，本發明並不以此為限。另外，當啟動控制訊號EN由低邏輯電平轉變至高邏輯電平時，亦即電壓調節電路300開始啟動時，重置控制電路306則會控制重置電晶體Q2進入非導通狀態。
在此請參照圖4，圖4為圖3所示的電壓調節電路300的操作時序圖。假設輸入電壓訊號Vin為3.3伏特，另外，提供予電壓調節器300的參考電壓訊號Vref為1.25伏特以及所要的輸出電壓訊號Vout為2.5伏特，因此，便可依據上述參數來決定出電阻R1、R2的阻值以構成所要的回授電路303。若在時間T1時將啟動控制訊號EN由低邏輯電平轉換為高邏輯電平，則電壓調節器300便開始運作，其中參考電壓訊號Vref由於需要提供給的其它電路使用，所以參考電壓訊號Vref需要很快地到達1.25伏特，另外，由上述重置電晶體Q2的導通條件可知，在時間T1之前(亦即電壓調節電路300啟動之前)，重置控制電路306將導通重置電晶體Q2，而電容Css經由重置電晶體Q2放電直到軟啟動電壓訊號Vss的電壓電平是0伏特，故當在時間T1時，軟啟動電壓訊號Vss的初始電壓電平是0伏特；此外，因為在時間T1時啟動電壓調節電路300，所以在時間T1時，回授電壓訊號Vfb的電壓電平是0伏特，此時重置控制電路306控制重置電晶體Q2不導通，電流源Iss開始對電容Css充電，而軟啟動電壓訊號Vss的電壓電平便隨充電時間而由0伏特逐漸遞增，於本發明的一實施例中，當軟啟動電壓訊號Vss等於參考電壓訊號Vref(亦即前述的預定範圍為0)時，誤差放大器OP2才會由軟啟動電壓訊號Vss切換至參考電壓訊號Vref，所以，如圖4所示，於時間T2時，軟啟動電壓訊號Vss等於參考電壓訊號Vref，此時，輸出電壓訊號Vout的電壓電平亦呈線性上升到達2.5伏特，如前所述，誤差放大器OP2會選擇使用參考電壓訊號Vref，接著，根據上述條件(二)，重置控制電路306便導通重置電晶體Q2來重置軟啟動電壓訊號Vss至接地電平(亦即0伏特)。
時間T1至時間T2的時段為軟啟動時間Tsoftstart，其計算的方式如下面方程式(2)Tsoftstart=CssVrefIss]]>方程式(2)舉例來說，若電容Css為10nF、電流源Iss提供2uA以及參考電壓訊號Vref的電壓電平為1.25伏特，則軟啟動時間Tsoftstart大約為6.25毫秒；另外，由方程式(2)可知，當參考電壓訊號Vref為一固定電壓時，若想要有較短的軟啟動時間，電源流Iss的大小與電容Css的大小將是控制軟啟動時間Tsoftstart的因子，亦即可藉由設計較小的電流源Iss而使用較小的電容Css，因此可進一步降低電容Css所需佔用的面積。請注意，電容Css可以是一固定電容值的電容，並整合於電壓調節器300的集成電路(晶片)內部；然而，電容Css亦可以獨立於電壓調節器300的集成電路(晶片)外部，因此，使用者可經由設置適當電容值的電容來自由調整軟啟動時間Tsoftstart，其亦屬本發明的範疇。以上軟啟動電壓訊號Vss為線性方式逐漸上升，然而若軟啟動電壓訊號Vss以其它遞增方式上升，亦屬本發明的範疇。
此外，於上述實施例中，電壓調節器300所產生的輸出電壓訊號Vout為正電壓，然而，如本領域的技術人員所知，依據上述的技術披露，可經由適當地改變圖3所示的電壓調節器300的架構即可使電壓調節器300用來產生負電壓的輸出電壓訊號Vout。再者，於上述實施例中，電壓調節器300中的誤差放大器OP2是於啟動控制訊號EN對應高邏輯電平時才啟動，然而，本發明並不以此為限。
相較於已知技術，誤差放大器OP2在電壓調節器300中的角色作為誤差放大器，回授電壓訊號Vfb的電壓電平將跟隨軟啟動電壓訊號Vss而變化，而電晶體Q1將緩慢導通，因此如圖4所示的輸入電壓訊號Vin(對應輸入電流訊號Iin)的瞬間電壓變化值將很小或趨近於0，因而將大大地減輕或去除輸入電壓訊號Vin的電壓突降，使得前述提到的電壓突降問題得以有效解決，而且，本發明電壓調節電路300便不需如已知技術一般地在輸入電壓訊號端設置較大電容值的輸入電容Cin，換言之，相較於已知電壓調節電路，本發明電壓調節電路300的電路面積小，且成本低而更加適用於手持式產品。
以上所述僅為本發明的較佳實施例，凡依本發明權利要求所做的均等變化與修飾，皆應屬本發明的涵蓋範圍。
權利要求
1.一種電壓調節電路，用來依據一輸入電壓訊號產生一輸出電壓訊號，該電壓調節電路包含有一軟啟動電路，用來提供一軟啟動電壓訊號；以及一電壓調節器，耦接於該軟啟動電路、該輸入電壓訊號以及一參考電壓訊號，用來選擇性地比較該軟啟動電壓訊號與該參考電壓訊號之一與該輸出電壓訊號所對應的一回授電壓訊號以依據該輸入電壓訊號產生該輸出電壓訊號。
2.如權利要求1權利要求的電壓調節電路，其中當該電壓調節器啟動時，該電壓調節器先選擇該軟啟動電壓訊號以及該軟啟動電路調整該軟啟動電壓訊號以使該軟啟動電壓訊號的電壓電平朝該參考電壓訊號的電壓電平變動。
3.如權利要求2權利要求的電壓調節電路，其中當該軟啟動電壓訊號與該參考電壓訊號的電壓差落於一預定範圍時，該電壓調節器選擇該參考電壓訊號。
4.如權利要求1權利要求的電壓調節電路，其中該電壓調節器包含有一電晶體，其第一端耦接於該輸入電壓訊號，以及其第二端耦接於該輸出電壓訊號；一回授電路，耦接於該電晶體，用來依據該輸出電壓訊號產生該回授電壓訊號；以及一誤差放大器，其具有三輸入端，分別耦接於該電晶體的控制端、該回授電路以及該軟啟動電路，用來選擇性地比較該軟啟動電壓訊號與該參考電壓訊號之一與該回授電壓訊號以產生一控制電壓訊號至該電晶體的該控制端。
5.如權利要求1權利要求的電壓調節電路，其中該軟啟動電路包含有一電流源，用來提供一參考電流；一電容，其第一端耦接於該電流源以產生該軟啟動電壓訊號，以及其第二端接地；一重置電晶體，其第一端耦接於該電容的該第一端，其第二端接地；以及一重置控制電路，耦接於該重置電晶體的控制端，用來於該電壓調節器關閉或該電壓調節器選擇該參考電壓訊號時導通該重置電晶體以重置該軟啟動電壓訊號之電壓電平。
6.如權利要求5權利要求的電壓調節電路，其中該電壓調節器與該軟啟動電路的該電流源、該重置電晶體與該重置控制電路設置於一晶片內，以及該軟啟動電路的該電容外接於該晶片。
7.一種電壓調節方法，用來依據一輸入電壓訊號產生一輸出電壓訊號，該電壓調節方法包含有(a)提供一軟啟動電壓訊號；以及(b)提供一電壓調節器，並使用該電壓調節器來選擇性地比較該軟啟動電壓訊號與一參考電壓訊號之一與該輸出電壓訊號所對應的一回授電壓訊號以依據該輸入電壓訊號產生該輸出電壓訊號。
8.如權利要求7權利要求之電壓調節方法，其中步驟(b)還包含有當該電壓調節器啟動時，使用該電壓調節器先選擇該軟啟動電壓訊號；以及步驟(a)還包含有當該電壓調節器啟動時，調整該軟啟動電壓訊號以使該軟啟動電壓訊號的電壓電平朝該參考電壓訊號的電壓電平變動。
9.如權利要求8權利要求的電壓調節方法，其中步驟(b)還包含有當該軟啟動電壓訊號與該參考電壓訊號的電壓差落於一預定範圍時，使用該電壓調節器選擇該參考電壓訊號。
全文摘要
本發明提供一種電壓調節電路，用來依據一輸入電壓訊號產生一輸出電壓訊號。該電壓調節電路包含有一軟啟動電路，用來提供一軟啟動電壓訊號；以及一電壓調節器，耦接於該軟啟動電路、該輸入電壓訊號以及一參考電壓訊號，用來選擇性地比較該軟啟動電壓訊號與該參考電壓訊號的一與該輸出電壓訊號所對應的一回授電壓訊號以依據該輸入電壓訊號產生該輸出電壓訊號。
文檔編號G05F1/56GK101051233SQ20061007389
公開日2007年10月10日 申請日期2006年4月5日 優先權日2006年4月5日
發明者朱益杉 申請人:通嘉科技股份有限公司