CN100426173C - 可切换的线性稳压器 - Google Patents

Abstract

一种可切换的线性稳压器，该线性稳压器包括一定电压源、一差动放大器、一传输晶体管、一第一电阻、第二电阻单元包含多个电阻以及多个开关，差动放大器有一第一输入端耦接至定电压源，并有一第二输入端连接至一第一节点，传输晶体管有一第一端受差动放大器所控制，有一第二端耦接至一供应电压，并有一第三端连接至一第二节点，第一电阻连接于第一与第二节点之间，每一第二电阻包括连接至第一节点的一端，每一开关耦接于对应的第二电阻的另一端与接地端之间。

Description

可切换的线性稳压器

技术领域

本发明是有关于线性稳压器，且特别是有关于具有可选择性的输出电压的线性稳压器。

背景技术

图1为一个传统的线性稳压器的标准架构图，其中带隙参考源(bandgapreference)会输出一个稳定电压V_bg，该信号通常会经由一个芯片上的(on-chip)电阻R_bg跟一芯片外的(off-chip)电容C_bp所构成的低通滤波器(lowpass filter)滤除噪声，滤完之后的定电压V_ref馈入误差放大器(erroramplifier)的第一输入端。在图1的例子中，误差放大器为一操作放大器，且第一输入端为其负极性输入端，操作放大器的第二输入端(正极性输入端)连接至第一节点，一个P型金属氧化物半导体(PMOS)的传输晶体管(passtransistor)M_A受误差放大器的输出所控制。如图1所示，该传输晶体管M_A的漏极端即为线性稳压器的输出端，基于稳定度的考量，一般该输出端也都会外接一个大的外部电容C_out，一第一回授电阻R₁’连接于传输晶体管M_A的漏极端与第一节点之间，一第二回授电阻R₂’连接于第一节点与接地端之间。借由误差放大器两个输入端的虚拟短路(virtual short)特性，可以借由设计回授电阻R₁’跟R₂’的值来得到所需的输出电压值 $V_{\mathrm{OUT}}=V_{\mathrm{ref}}\×(1+\frac{{R_1}^{\′}}{{R_2}^{\′}}).$

针对某些应用，有时会需要两个以上的不同稳压器输出电压。图2绘示一传统的可提供多个输出电压的线性稳压器。如图2所示，一带隙参考电路被两个误差放大器所共享，以节省所需芯片面积。外部电容C_bp也会是共享的以节省脚位跟外部组件数目。一般可运用两组误差放大器A与B以及传输晶体管M_A与M_B，并设计不同的回授电阻比例来提供两组不同的需求电压。依据图2，输出电压V_outA与V_outB分别为 $V_{\mathrm{OUTA}}=V_{\mathrm{ref}}\×(1+\frac{R_{A1}}{R_{A2}})$ 以及 $V_{\mathrm{OUTB}}=V_{\mathrm{ref}}\×(1+\frac{R_{B1}}{R_{B2}}).$

于美国专利6,583,607中，Nicolas Marty等人揭露了一具有可选择输出电压的线性稳压器。如图3所示，该线性稳压器包括一受一差动放大器5所控制的功率金属氧化物半导体晶体管2。差动放大器5有一输入端8，透过可由金属氧化物半导体控制晶体管12与14所控制，并为R₁’、R₂’与R₃’所组成的电阻电路接收一正比于稳压器的输出电压V_out的电压。该稳压器还包含至少两电路以产生控制信号CTRL1与CTRL2，分别控制控制晶体管12与14的栅极，当控制信号CTRL1与CTRL2分别处为低准位与高准位状态时，输出电压V_out等于

；相对的，当控制信号CTRL1与CTRL2分别处为高准位与低准位状态时，输出电压V_out等于。理论上，所需的输出电压值V_out可透过任意的设计电阻R₁’、R₂’与R₃’的值来达成；然而，在考量到布局的匹配以及输出电压的准确度，这些电阻值不可能是任意值。因此在如图3的设计中，电阻的选用变的十分地困难，特别是当输出电压的所需准位超过两种时。

发明内容

本发明的目的是提供一种可切换的线性稳压器，该线性稳压器包括一定电压源；一差动放大器，有一第一输入端耦接至该定电压源，并有一第二输入端连接至一第一节点；一晶体管，有一第一端受该差动放大器所控制，有一第二端耦接至一供应电压，并有一第三端连接至一第二节点；一第一电阻，连接于该第一与第二节点之间；第二电阻单元，包含多个电阻，该第二电阻单元中的每一电阻包括连接至该第一节点的一端；以及多个开关，每一开关耦接于对应的该第二电阻单元中的电阻的另一端与一固定电压之间，且该每一开关受一对应的控制信号所控制选择性地与该固定电位导通；其中，该线性稳压器以依据该控制信号获得的该第二节点的电压作为该可选择的输出电压而输出。

附图说明

图1为一传统的线性稳压器的标准架构图。

图2绘示一传统的可提供数个输出电压的线性稳压器。

图3绘示美国专利6,593,607中，Nicolas Marty等人所揭露的可选择输出电压的线性稳压器。

图4显示依据本发明实施例的可切换的线性稳压器的电路图。

图5绘示图4所示的可切换的线性稳压器的变形的电路图。

图6为由图3所扩充延伸的稳压器。

图7为由依据本发明实施例的图4所示的可切换的线性稳压器所扩充延伸的稳压器。

符号说明：

V_bg～电压；             R_bg～电阻；

C_bp～电容；             V_ref ～定电压；

M_A～传输晶体管；        C_out～外部电容；

R₁’～第一回授电阻；    R₂’～第二回授电阻；

5～差动放大器；         2～功率金属氧化物半导体晶体管；

8～输入端；

12、14～金属氧化物半导体控制晶体管；

CTRL1、CTRL2～控制信号；CVS～定电压源；

DA～差动放大器；        R_b～第一电阻；

R₁、R₂～第二电阻单元；

SW₁～第一开关；        SW₂～第二开关；

A～第一节点；          B～第二节点；

V_IN～供应电压；       V_out～输出端；

S1～第一控制信号；     S2～第二控制信号；

BR～带隙参考电路；     V_bg～电压；

OSU～输出切换单元；

SW’₁～第一输出开关；  SW’₂～第二输出开关；；

V_outA～输出端；        V_outB～输出端。

具体实施方式

为让本发明的上述和其它目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举出较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下：

图4显示依据本发明实施例的可切换的线性稳压器的电路图，可切换的线性稳压器包括一定电压源CVS、一差动放大器DA、一传输晶体管M_A、一第一电阻R_b、第二电阻单元包含两个电阻R₁与R₂以及一第一开关SW₁以及一第二开关SW₂。定电压源CVS提供一定电压V_ref给差动放大器DA的第一输入端，差动放大器DA的第二输入端连接至一第一节点A，传输晶体管M_A的第一端受差动放大器DA所控制，且其第二端与第三端分别耦接至一供应电压V_IN与第二节点B，输出端V_out与第二节点B耦接。较佳而言，传输晶体管M_A为一P型金属氧化物半导体晶体管，且差动放大器DA的第一与第二输入端分别为负极性与正极性输入。第一电阻R_b连接于第一节点A与第二节点B之间，每一第二电阻单元的电阻R₁与R₂分别有一端连接至第一端点A，第一开关SW₁耦接于第二电阻R₁的另一端与固定电压之间，且受第一控制信号S1的控制，第二开关SW₂耦接于第二电阻R₂的另一端与固定电压之间，且受第二控制信号S2的控制。较佳而言，该固定电压为接地电压。

更明确地说，可切换的线性稳压器的定电压源CVS包括一带隙参考电路BR耦接至供应电压V_IN尤有甚者，定电压源CVS可包括一电阻电容低通滤波器(RC low pass filter)，连接于差动放大器DA的第一输入端与带隙参考电路BR之间，带隙参考电路BR提供一稳定的电压V_bg。电压V_bg的噪声可由一电阻R_bg与电容C_bp所组成的低通滤波器所滤除，滤波后的信号V_ref为一定电压且被送至差动放大器DA的第一输入端。

再者，可切换的线性稳压器可包括一电容C_OUT耦接于该输入端与固定电压之间，电容C_OUT可改善可切换的线性稳压器的输出电压V_OUT的稳定性。

图5绘示图4所示的可切换的线性稳压器的变形的电路图。可切换的线性稳压器还包括一输出切换单元OSU，输出切换单元OSU有一输入以及多个输出，输出切换单元OSU受第一控制信号S1与第二控制信号S2所控制，以选择性地将所述的输出端之一连接至输入端，以使得可切换的线性稳压器的输出端可进一步依据控制信号S1与S2作选择。在图5所示的实施例中，输出切换单元OSU的操作使得当第一控制信号S1使第一开关SW₁成为导通状态时，V_outA成为可切换的线性稳压器的主动输出端，当第二控制信号S2使第一开关SW₂成为导通状态时，V_outB成为可切换的线性稳压器的主动输出端。于此实施例中，输出切换单元OSU包括一第一输出开关SW’₁与一第二输出开关SW’₂，两者皆连接至输入端，亦即第二节点B，第一输出开关SW’₁连接于第二节点B与输出端V_outA之间，并受到第一控制信号S1的控制。第一控制信号S1在使第一开关SW₁成为导通状态时，同时也会使第一输出开关SW’₁成为导通状态；第二输出开关SW’₂连接于第二节点B与输出端V_outB之间，并受到第二控制信号S2的控制，第二控制信号S2在使第二开关SW₂成为导通状态时，同时也会使第二输出开关SW’₂成为导通状态。与图2所示的线性稳压器比较，本发明的可切换的线性稳压器节省了一差动放大器与一传输晶体管，因此，芯片面积可以缩小，且可以减少脚位以及外部组件的数目。当第一控制信号S1使开关SW₁与SW’₁成为导通状态且第二控制信号S2使开关SW₂与SW’₂成为关闭状态时，输出电压V_out等于

且可切换的线性稳压器的主动输出端为V_outA。相反地，当第一控制信号S1使开关SW₁与SW’₁成为关闭状态且第二控制信号S2使开关SW₂与SW’₂成为导通状态时，输出电压V_out等于

且可切换的线性稳压器的主动输出端为V_outB。于此实施例中，可切换的线性稳压器提供一可切换的输出电压以及一可切换的输出端，同时，还可缩小芯片面积，并减少脚位以及外部组件的数目。

为了提供一准确的输出电压，回授电阻的匹配在稳压器的设计中为一重要的考量点，使用标准化单元(unit cell)以及指叉式布局(inter-digitizedlayout)可以改善匹配。换言之，为了布局的方便性，所选定的电阻值需有一公因子。以一具有两个可选择的输出电压的线性稳压器为例，在图3中，设计公式分别为 $V_{\mathrm{OUT}}=V_{\mathrm{ref}}\×(1+\frac{{R_1}^{\′}+{R_2}^{\′}}{{R_3}^{\′}})$ 与 $V_{\mathrm{OUT}}=V_{\mathrm{ref}}\×(1+\frac{{R_1}^{\′}}{{R_2}^{\′}+{R_3}^{\′}}),$ 两条公式皆为三个设计参数的函数，且彼此有密切的关连性。然而，在图4中，设计公式分别为 $V_{\mathrm{OUT}}=V_{\mathrm{ref}}\×(1+\frac{R_b}{R_1})$ 与 $V_{\mathrm{OUT}}=V_{\mathrm{ref}}\×(1+\frac{R_b}{R_2}),$ 一旦电阻R_b的值选定后，R₁与R₂便可依据输出电压V_OUT与定电压V_ref决定。因此，稳压器的设计便可简化。

然而，当所需的可切换的输出电压更多时，在设计上，本发明远比传统的稳压器简便得多。假若需要三个输出电压，图3的稳压器便可扩充延伸为如图6所示。而设计公式如下所列：

CTRL1＝低准位，CTRL2＝低准位，CTRL3＝高准位→ $V_{\mathrm{OUT}}=V_{\mathrm{ref}}\×(1+\frac{{R_1}^{\′}+{R_2}^{\′}+{R_3}^{\′}}{{R_4}^{\′}})$

CTRL1＝低准位，CTRL2＝高准位，CTRL3＝低准位→ $V_{\mathrm{OUT}}=V_{\mathrm{ref}}\×(1+\frac{{R_1}^{\′}+{R_2}^{\′}}{{R_3}^{\′}+{R_4}^{\′}})$

CTRL1＝高准位，CTRL2＝低准位，CTRL3＝低准位→ $V_{\mathrm{OUT}}=V_{\mathrm{ref}}\×(1+\frac{{R_1}^{\′}}{{R_2}^{\′}+{R_3}^{\′}+{R_4}^{\′}}).$

当以本发明对相同的输出电压进行设计时，电路图如图7所示，设计公式如下所示：

S1＝高准位，S2＝低准位，S3＝低准位→ $V_{\mathrm{OUT}}=V_{\mathrm{ref}}\×(1+\frac{R_b}{R_1})$

S1＝低准位，S2＝高准位，S3＝低准位→ $V_{\mathrm{OUT}}=V_{\mathrm{ref}}\×(1+\frac{R_b}{R_2})$

S1＝低准位，S2＝低准位，S3＝高准位→ $V_{\mathrm{OUT}}=V_{\mathrm{ref}}\×(1+\frac{R_b}{R_3}).$

很明显地，本发明的设计公式比传统的稳压器要简单得多，虽然本说明书仅举一例来说明本发明的长处，但其在于其它状况的适用性却是显而易见的。假设V_ref为1.2V，且三个输出电压分别为2.8V、2V与1.4V，依据本发明，可以很简单地变得出一个适当的电阻的组合：R_b＝40kΩ、R₁＝30kΩ、R₂＝60kΩ且R₃＝240kΩ。一个10kΩ或20kΩ的标准化单元可被用来实现电阻的布局。相反地，传统的稳压器设计在实际建构时，便显得较为复杂。从其设计公式观之，可得出5R₃’＝2R₄’、9R₁’＝5R₂’且3R₁’＝R₄’，因此，可导出一解为R₁’＝30kΩ、R₂’＝54kΩ、R₃’＝4kΩ且R₄’＝10kΩ，显而易见地，要以一适当的公因子作为布局的标准化单元便十分困难。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此技巧者，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申请专利范围所界定者为准。

Claims (8)

1.一种可切换的线性稳压器，提供可选择的输出电压，该线性稳压器包括：

一定电压源；

一差动放大器，有一第一输入端耦接至该定电压源，并有一第二输入端连接至一第一节点；

一晶体管，有一第一端受该差动放大器所控制，有一第二端耦接至一供应电压，并有一第三端连接至一第二节点；

一第一电阻，连接于该第一与第二节点之间；

第二电阻单元，包含多个电阻，该第二电阻单元中的每一电阻包括连接至该第一节点的一端；以及

多个开关，每一开关耦接于对应的该第二电阻单元中的电阻的另一端与一固定电压之间，且该每一开关受一对应的控制信号所控制选择性地与该固定电位导通；

其中，该线性稳压器以依据该控制信号获得的该第二节点的电压作为该可选择的输出电压而输出。

2.如权利要求1所述的可切换的线性稳压器，其中，该线性稳压器有一输出端耦接至该第二节点，并包括一电容耦接于该输出端与该固定电压之间。

3.如权利要求1所述的可切换的线性稳压器，其中，该固定电压为接地。

4.如权利要求1所述的可切换的线性稳压器，其中，该定电压源包括一带隙参考电路耦接至该供应电压。

5.如权利要求4所述的可切换的线性稳压器，其中，该定电压源还包括一低通滤波器，耦接于该差动放大器的该第一输入端与该带隙参考电路之间。

6.如权利要求1所述的可切换的线性稳压器，还包括一输出开关单元，其中，该输出开关单元有一输入端及多个输出端，该输入端耦接至该第二节点，且受所述的控制信号控制，以选择性地将所述的输出端之一与该输入端连接，且使该选定的输出端作为可切换的该线性稳压器的输出端。

7.如权利要求1所述的可切换的线性稳压器，其中，该晶体管为一P型金属氧化物半导体晶体管。

8.如权利要求1所述的可切换的线性稳压器，其中该第一电阻与该第二电阻单元的电阻，分别由至少一单位电阻所组成。

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