CN101470453B

CN101470453B - 混合式稳压装置与方法

Info

Publication number: CN101470453B
Application number: CN2007101601477A
Authority: CN
Inventors: 陈宜惠; 李朝政
Original assignee: Realtek Semiconductor Corp
Current assignee: Realtek Semiconductor Corp
Priority date: 2007-12-24
Filing date: 2007-12-24
Publication date: 2011-07-13
Anticipated expiration: 2027-12-24
Also published as: CN101470453A

Abstract

一种混合式稳压装置与方法，包含：第一稳压器，接收输入电压并依据输入电压输出第一电压；第二稳压器，当输入电压到达稳定电压值时，第二稳压器被启动来接收由第一稳压器所提供的第一电压，且依据第一电压与输入电压其中之一而输出第二电压。

Description

混合式稳压装置与方法

技术领域

本发明是有关一种稳压电路，特别是一种混合式稳压装置与方法。

背景技术

请参照图1A为公知技术的开关稳压器框架。传统的开关稳压器有较好的电压转换效率，因此通常被使用在转换大压差及大负载电流。但由于其框架上在输出端需具备一个较大的电感A10，故在电源启动(power on)时会造成过大的涌入电流(rush current)或过冲(overshoot)的输出电压，因此需使用缓启动装置(soft-start)A20及过电流保护(over current protection)装置A30。然而，此方式会造成输出电压爬升速度缓慢，所需的稳定时间过久。

再者，开关稳压器在电源启动初期，由于输出电压过低而造成控制N/PMOS A40(即NMOS与PMOS)启动的工作周期(duty cycle)偏低，可能会造成N/P MOS A40因控制信号错误而被同时打开，如此将产生短路电流。传统技术上通常使用非重迭时钟信号产生器(non-overlap clock generator)A50来控制信号，以确保有足够的非重迭时间(dead time)。

为了避免上述的N/P MOS A40同时启动，而产生短路电流的情形发生，需额外地对工作周期或控制信号的非重迭时间做监视及调整，以避免大电流出现，但如此必须再使用额外的电路，耗费额外的电流。由于芯片(IC)在省电模式(sleep mode；power saving mode)时所要求的电流规格很严苛，加上开关稳压器本身设计较为复杂，也消耗较多静电流，故难以达到省电模式所需的电流规格，若再加上额外的辅助电路，则会在应用上造成更多困难。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的之一是提出一种混合式稳压装置与方法。该混合式稳压装置可加快输出电压稳定的时间，并且能有效改善上述的问题。

本发明提出一种混合式稳压装置，具有输出端，该装置包含：第一稳压器，耦接输出端，用以接收输入电压并输出第一电压；第二稳压器，耦接输出端，当输入电压到达预定电压值时，则第二稳压器用以输出一第二电压。

本发明还提出一种混合式稳压方法，包含下列步骤：由第一稳压器接收输入电压，并依据输入电压而输出第一电压；当输入电压到达预定电压值，启动第二稳压器；由第二稳压器依据输入电压与第一电压中的至少一个而输出第二电压。

有关本发明的较佳实施例及其功效，现配合附图说明如后。

附图说明

图1A：公知技术的开关稳压器框架；

图1B：公知技术的线性稳压器框架；

图2：混合式稳压装置的示意图；

图3：混合式稳压装置运行的电压与时间关系图；

图4：混合式稳压方法的流程图。

【主要元件符号说明】

A10：电感 A20：缓启动装置

A30：过电流保护装置 A40：N/P MOS

A50：非重迭时钟信号产生器 A60：比较器

A70：导通单元 10：第一稳压器

20：第二稳压器 30：输出端

具体实施方式

在解释本发明前，先简单介绍稳压装置的种类。稳压装置的功能是将一输入电压经由转换而输出一稳定的操作电压，可以提供其他的电路使用。而针对输入电压与输出电压的比较，稳压装置又可分为升压型稳压器与降压型稳压器。

再者，针对稳压器的框架与应用，可分为开关稳压器(switch regulator)与线性稳压器(linear regulator)。其中，开关稳压器的框架在图1A中作介绍。线性稳压器的框架请参照图1B所示。由图1B可知线性稳压器包含：比较器A60及导通单元(pass element)A70。其中，导通单元A70可由多种不同的元件所组成，而形成多种不同类型的线性稳压器。

线性稳压器结构比开关稳压器来的简单，因此在电路设计上与电流的消耗上，都比开关稳压性具有优点。然而，线性稳压器的缺点之一在于能量转换效率低。然而，开关稳压器通过低电阻开关和磁能量储存单元实现比线性稳压器高的转换效率，因此降低了转换过程中的功率损失，在此，由于熟知此项技术的人士应可轻易了解其原理、功效及详细的运行方式，故在此省略不再赘述。而且，由上述说明可得知，线性稳压器与开关稳压器各具有其特殊的优缺点。

请参照图2，该图所示为本发明混合式稳压装置的示意图。本发明混合式稳压装置可位于一芯片(IC)之内或之外。混合式稳压装置包含：第一稳压器10及第二稳压器20。

首先，当一输入电压提供在本发明的混合式稳压装置时，在输入电压启动初期，由于输入电压必须由零伏特上升至一稳定电压值，因此需有一段电压爬升的时间。而传统上开关稳压器容易产生问题的时候，便是发生在这段输入电压尚未到达稳定的爬升期间。因此本发明提出，在输入电压启动的初期，先不启动开关稳压器，也就是先将本发明中所称的第二稳压器20禁止(disable)。因此，在输入电压启动初期先启动第一稳压器10。第一稳压器10耦接输出端30，当第一稳压器10接收输入电压后，会输出一第一电压(也可称之为参考电压)。其中，第一稳压器10为线性稳压器。

其中，第一电压小于第二电压(即所谓的操作电压)，而第一电压的电压值会接近最后所希望输出给芯片的第二电压的电压值，下面将有例子做更详细的说明。当输入电压爬升至一预定电压值，也就是输入电压为稳定电压值时，便会启动第二稳压器20，而第二稳压器20同样耦接输出端30，所以第二稳压器20与第一稳压器10为互相并联输出。第二稳压器20接收由第一稳压器10所提供的第一电压，并依据第一电压或输入电压中的一个，而输出稳定的第二电压。其中，第二电压的电压值小于预定电压值。

请参照图3为混合式稳压装置运行的电压与时间关系图。在图3中举例说明本发明混合式稳压装置运行时，各电压在时间上的变化关系。假设输入电压为3.3伏特，第一稳压器10所输出的第一电压设定为1.0伏特，第二稳压器10所输出的第二电压设定为1.2伏特。由图中可看出，当输入电压刚启动位于爬升的这段期间，第二稳压器10并没有动作，而是由第一稳压器10先启动。第一稳压器10接收输入电压而输出一第一电压1.0伏特。当输入电压继续爬升到达稳定电压值3.3伏特时，此时第二稳压器20便被启动，不过由于还启动第二稳压器10，所以装置的整体耗电量便会相对地增加。因此，另一实施例，本发明为了节省电源的消耗，可多增加一个判断的条件，即判断是否即将要进入操作模式(normal mode)。也就是说，虽然输入电压已经到达稳定电压值3.3伏特，但如果经判断后尚无须进入操作模式，那就暂时不启动第二稳压器20，如此即可达到省电的功能。而当输入电压已经到达稳定电压值，且将进入操作模式，此时一控制电路(图中未示)输出一使能信号(enable signal)用以启动第二稳压器20。

将第一稳压器10所输出的第一电压或是已达稳定电压值的输入电压作为第二稳压器20启动时的初始电压，即第二稳压器20被启动前已经有一个接近该第二稳压器20的第二电压值的电压值。如果第二稳压器20启动时的初始电压仍未达到第二电压值，所以仍可能会有额外电流产生，如果要完全压抑而需采用缓启动机制时，然而因为初始电压值已接近该第二稳压器20的第二电压值，所以即便采用缓启动，其到达稳定的时间也会很快。因此当然可以不需要使用缓启动，因此尚省略缓启动机制，也可节省电源的消耗。

此外，第一稳压器10具有第一特性，而第二稳压器20具有第二特性，且第一特性不同于第二特性。第一稳压器10的第一特性具有第一静态电流，第二稳压器20的第二特性具有第二静态电流。在此，第一稳压器10可为线性稳压器，第二稳压器20可为开关稳压器。由于线性稳压器不需负担大电流输出，因此电路可以较简单，而所需要的静态电流也可以很小。因此，上述的第一静态电流小于第二静态电流。如此，当电路进入睡眠模式(sleepmode)时，即将第二稳压器20关闭，可省下不必要的电流浪费，且因线性稳压器的输出小于第二电压，电路具有更小的耗电，因此可以很容易进入电流要求规格，以达到省电模式所需的电流规格的问题。

类似的情形，第一稳压器10的第一特性具有第一驱动电流，第二稳压器20的第二特性具有第二驱动电流，且第二驱动电流会大于第一驱动电流。当进入操作模式时，整个混合式稳压装置是由第二稳压器20所主导，而提供驱动电流。因此，第一稳压器10可在芯片进入操作模式时予以关闭。

本发明所提出的混合式稳压装置不用刻意切换第一稳压器10与第二稳压器20。因第一稳压器10输出的第一电压值小于第二电压值，因此当第二稳压器20开启后，一旦第二稳压器20所输出的第二电压值高过第一稳压器10所输出的第一电压值，整个混和式稳压装置的输出即自动由第二稳压器20所控制，故不需要做切换的动作。如果为更精确的控制混合式稳压装置的操作，当然也可使用开关或是禁使能的方式来进行切换的动作。

再者，因输入电压启动初期，仅使用第一稳压器10，故不会产生额外的瞬间大电流，且因第二稳压器20开启时，已有一个第一电压值，大于零且接近第二电压值。故脉宽调制(PWM)的工作周期(duty cycle)已不会太小，如此不会造成N/P MOS同时被开启(turn on)而产生短路电流。且如果输出的第二电压不是从零开始，瞬间大电流会大量减少，缓启动机制甚至可以省略，或可以减少缓启动的时间，因此可缩短输出一稳定第二电压所需的时间。

在此，只要借助于二个稳压器具有不同的电气特性(例如是：不同的静态电流或/及具有不同的驱动电流)，即可设计出本发明希望达到的目的。例如：上述的第二稳压器20除了可为开关稳压器外，也可采用线性稳压器。也就是说，本发明的混合式稳压装置，可由线性稳压器与开关稳压器组合而成，也可由两个线性稳压器组合而成。

请参照图4，该图所示为本发明混合式稳压方法的流程图，包含下列步骤。

步骤S10：由第一稳压器接收输入电压。在输入电压启动初期，也就是输入电压尚未到达稳定电压值之前，先启动第一稳压器来接收输入电压。第一稳压器在接收输入电压后，依据输入电压输出第一电压。其中，第一电压值小于第二电压值。

步骤S20：当输入电压到达稳定电压值(或可称为预定电压值)，启动与第一稳压器并联的第二稳压器。此外，为了达到省电的效果，可将第二稳压器的启动时间延后，因此除了判断输入电压是否到达稳定电压值之外，再判断芯片是否即将进入操作模式，如果符合上述两个条件，再启动第二稳压器，而启动的方式可借助于一控制电路发送一使能信号给第二稳压器。

步骤S30：第二稳压器启动后接收由第一稳压器所传送的第一电压或者输入电压(因为输入电压已到达稳定电压值)。由于第二稳压器启动时，所接收到的电压值已为较高的电压值(即为第一电压值或是稳定电压值)，因此可以解决传统技术上所产生的诸多问题，例如：缓启动装置所造成的输出第二电压爬升速度慢、稳定时间过久；工作周期过短，从而造成短路电流等。

最后，第二稳压器依据第一电压或者输入电压而输出第二电压。其中，第二稳压器可为开关稳压器或线性稳压器。且第二电压的电压值小于预定电压值。

上述的第一稳压器的第一特性具有第一静态电流，第二稳压器的第二特性具有第二静态电流，且第一静态电流小于第二静态电流。因此，当芯片进入睡眠模式时，关闭第二稳压器，如此可节省电源的消耗。

另一方面，第一稳压器的第一特性具有第一驱动电流，第二稳压器的第二特性具有第二驱动电流，且第二驱动电流大于第一驱动电流。所以，当芯片进入操作模式时，由于第二稳压器的驱动电流较大，借助于第二稳压器提供驱动电流以驱动芯片即可，因此可关闭第一稳压器。

虽然本发明的技术内容已经以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此技术者，在不脱离本发明的精神所作的某些更动与润饰，皆应涵盖在本发明的范畴内，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求所界定的为准。

Claims

1.一种混合式稳压装置，具有一输出端，该装置包含：

一第一稳压器，耦接该输出端，用以接收一输入电压，并输出一第一电压，其中该输入电压是由一初始电压增加至一稳定电压；以及

一第二稳压器，耦接于该第一稳压器与该输出端，用以当该输入电压到达一预定电压值时，则该第二稳压器输出一第二电压，其中该预定电压值介于该初始电压与该稳定电压之间，

其中，该第一稳压器具有一第一特性，该第二稳压器具有一第二特性，该第一特性不同于该第二特性。

2.如权利要求1所述的装置，其中，该第一特性包括有一第一静态电流，该第二特性包括有一第二静态电流，其中该第一静态电流小于该第二静态电流。

3.如权利要求1所述的装置，其中，该第一特性包括有一第一驱动电流，该第二特性包括有一第二驱动电流，其中该第二驱动电流大于该第一驱动电流。

4.如权利要求1所述的装置，其中，该第二稳压器依据该第一电压与该输入电压中的一个来输出该第二电压。

5.如权利要求1所述的装置，其中，该第一稳压器是线性稳压器，且该第二稳压器是开关稳压器或线性稳压器。

6.如权利要求1所述的装置，其中，该第一电压的电压值小于该第二电压的电压值，且该第二电压的电压值小于该预定电压值。

7.如权利要求1所述的装置，其中，在一操作模式下，执行该第二稳压器的启动以及该第一稳压器的关闭两者中的至少一个。

8.如权利要求1所述的装置，其中，在一睡眠模式下，关闭该第二稳压器。

9.一种混合式稳压方法，该方法包含：

由一第一稳压器接收一输入电压，并依据该输入电压输出一第一电压；

当该输入电压到达一预定电压值，启动一第二稳压器；以及

由该第二稳压器依据该输入电压与该第一电压中的至少一个输出一第二电压，

10.如权利要求9所述的方法，其中，该第一特性包含有一第一静态电流，该第二特性该包含有一第二静态电流，其中该第一静态电流小于该第二静态电流。

11.如权利要求10所述的方法，其中，该第一特性包含有一第一驱动电流，该第二特性该包含有一第二驱动电流，其中该第一驱动电流小于该第二驱动电流。

12.如权利要求9所述的方法，其中，该第一稳压器是线性稳压器，且该第二稳压器是开关稳压器或线性稳压器。

13.如权利要求9所述的方法，其中，该第一电压的电压值小于该第二电压的电压值，且该第二电压的电压值小于该预定电压值。

14.如权利要求9所述的方法，其中，启动该第二稳压器还包含有：

在一操作模式下，启动该第二稳压器。

15.如权利要求9所述的方法，还包含有：

在一睡眠模式下，关闭该第二稳压器。

16.如权利要求9所述的方法，还包含有：

在一操作模式下，关闭该第一稳压器。