CN101676827A

CN101676827A - 转换输入电压至输出电压的方法、电源调节器及电子系统

Info

Publication number: CN101676827A
Application number: CN200910171464A
Authority: CN
Inventors: 黄浩程
Original assignee: O2Micro International Ltd
Current assignee: O2Micro International Ltd
Priority date: 2008-09-16
Filing date: 2009-09-09
Publication date: 2010-03-24
Anticipated expiration: 2029-09-09
Also published as: TW201013357A; CN101676827B; US20100066326A1; TWI403873B

Abstract

本发明公开了一种转换输入电压至输出电压的方法、电源调节器及电子系统，所述电源调节器包括：通路设备用于接收所述输入电压，且提供所述输出电压至所述电源调节器的输出端；以及误差放大器耦合至所述通路设备，其包括第一晶体管，用于接收参考信号和表示所述输出电压的反馈信号，用于比较所述反馈信号和所述参考信号，且用于根据所述比较的结果产生第一控制信号以驱动所述通路设备；与现有技术相比，本发明的电源调节器的成本更低。

Description

转换输入电压至输出电压的方法、电源调节器及电子系统

技术领域

本发明涉及一种转换输入电压至输出电压的方法、电源调节器及电子系统。

背景技术

电子设备或系统，例如，手机、台式电脑、录像机和其他移动的电池供电设备，可包括低压差稳压器(low drop-out voltage regulator)以提供相对精准和稳定的直流电压。

低压差稳压器包括通路设备，误差放大器，反馈电路，其转换输入电压至预设电平的输出电压作为电源供应。通常的，误差放大器包括共模信号驱动的差分放大电路。例如，误差放大器可以为德州仪器公司生产的TL431放大器或μA 7805调节器中的放大器。然而，传统的差分放大器的结构通常比较复杂，成本也比较高，也提高了低压差稳压器的成本。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供一种转换输入电压至输出电压的电源调节器以及方法和电子系统，所述电源调节器以及方法相较与现有技术而言，所述电源调节器的成本更低。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种电源调节器，用于转换输入电压至输出电压。所述电源调节器包括通路设备和误差放大器。所述通路设备用于接收所述输入电压，且提供所述输出电压至所述电源调节器的输出端。所述误差放大器耦合至所述通路设备，其包括第一晶体管，用于接收参考信号和表示所述输出电压的反馈信号，用于比较所述反馈信号和所述参考信号，且用于根据所述比较的结果产生第一控制信号以驱动所述通路设备。

本发明还提供了一种电子系统，所述系统包括负载，处理器和电源调节器。所述处理器，耦合至所述负载，用于控制所述负载。所述电源调节器耦合至所述负载，用于提供输出电压给所述负载供电。所述电源调节器包括通路设备和第一晶体管。所述通路设备，用于接收输入电压，且提供所述输出电压。所述第一晶体管，用于接收参考信号和表示所述输出电压的反馈信号，用于比较所述反馈信号和所述参考信号，且用于根据所述比较的结果产生第一控制信号以驱动所述通路设备。

本发明还提供了一种方法，用于转换输入电压至输出电压，所述方法包括：晶体管接收表示参考电压的第一信号；所述晶体管接收表述所述输出电压的第二信号；所述晶体管感应所述第一信号和所述第二信号的差值；所述晶体管根据所述差值产生第一控制信号；以及根据所述第一控制信号调节所述输出电压。

与现有技术相比，采用本发明的系统以及方法能够降低电源调节器的成本。

附图说明

以下通过对本发明的一些实施例结合其附图的描述，可以进一步理解本发明的目的、具体结构特征和优点。

图1是根据本发明的一个实施例的电源调节器的方框示意图；

图2是根据本发明的一个实施例的误差放大器的原理图；

图3是根据本发明的一个实施例的电源调节器的原理图；

图4是根据本发明的一个实施例的电子系统的原理图；

图5是根据本发明的一个实施例的转化输入电压至输出电压的方法的流程图；

具体实施方式

虽然本发明将结合以下实施例进行阐述，但应理解为这并非意指将本发明限定于这些实施例。相反，本发明旨在涵盖由后附权利要求项所界定的本发明精神和范围内所定义的各种可选项、可修改项和等同项。

此外，在以下对本发明的详细描述中，为了提供针对本发明的完全的理解，阐明了大量的具体细节。然而，本领域技术人员将理解，没有这些具体细节，本发明同样可以实施。在另外的一些实例中，对于大家熟知的方案、流程、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本发明之主旨。

图1为根据本发明的一个实施例的电源调节器100。电源调节器100，例如，低压差稳压器，可以转换输入电压V_IN至输出电压V_OUT。在图1的实施例中，电源调节器100包括通路设备102，误差放大器104和反馈电路108。电源调节器100还可以包括补偿电路130。

通路设备102耦合至调节器100的输入端162，以接收输入端162的输入电压V_IN，且提供输出电压V_OUT至调节器100的输出端168。输出电压V_OUT可用于提供能量至外部负载(图1中未出示)。通路设备102为有源设备，可以被控制以提供输出电压V_OUT。通路设备102可以包括一个或多个功率晶体管。

反馈电路108耦合至输出端168，以产生表示输出电压V_OUT的反馈信号126。误差放大器104耦合至通路设备102，比较反馈信号126和参考信号128，且根据比较的结果产生控制信号122以驱动通路设备102。控制信号122可以控制通路设备102的导纳。例如，控制信号122可以线性地控制通路设备102，使其电阻变化。因此，流过通路设备102的电流变化可以调节输出电压V_OUT。参考信号128可以由电源调节器100中的参考信号电路或一个外部设备提供。在图1的实施例中，误差放大器104由输入信号V_IN供电。或者，误差放大器102由另一个电源供电(图1中未出示)。反馈电路108，误差放大器104和通路设备102可以构成一个负反馈环以在输出端168产生较精确和稳定的输出电压V_OUT。

补偿电路130可以用于补偿输出电压的变化V_OUT，例如，平缓输出电压V_OUT。输出电压V_OUT的变化可以由通路设备102的特性变化而引起，该通路设备102的特性变化是由于输入电压V_IN的变化而引起。

图2为根据本发明的一个实施例的误差放大器200。误差放大器200比较输入电压V₁和V₂，且在输出端208产生放大的误差信号。在图2的实施例中，误差放大器200包括晶体管224和驱动器220。在图2的实施例中，驱动器220包括晶体管244和电阻294。晶体管244的基极耦合至晶体管224的集电极。电阻294耦合至晶体管244的集电极并接地。晶体管244的发射极耦合至供电电源VDD。在晶体管244和电阻294之间的输出端208产生一电压。

晶体管224的基极和发射极分别接收输入电压V₁和V₂。根据输入电压V₁和V2的电压差，产生晶体管224的集电极电流，且该电流传送至驱动器220。在图2的实施例中，晶体管224的集电极电流供给晶体管244的基极。这样，在输出端208相应地产生了表示输入电压V₁和V2的电压差的放大的误差信号。

图3为根据本发明的一个实施例的电源调节器300。与图2标号相同的元件功能相似。在图3的实施例中，电源调节器300包括通路设备，例如，场效应晶体管302，误差放大器304和电容330。在图3的实施例中，误差放大器304包括晶体管224，晶体管334，电阻374和384，以及驱动器320。在一个实施例中，电容330耦合至输出端368，作为补偿电路以平缓输出电压V_OUT，这样，改善了电源调节器300的稳定性。

在电源调节器300的输入端362的第一供电电压V_IN1，被提供至场效应晶体管302。场效应晶体管302提供输出电压V_OUT至电源调节器300的输出端368。电源调节器300的输入端356的第二供电电压V_IN2，提供至误差放大器304。电源调节器300输入端358的参考电压V_REF，提供至误差放大器304。在一实施例中，参考电压V_REF可以由电源调节器300中的参考电压电路(未出示)提供。在一实施例中，输入端356耦合至输入端362，以接收供电电压。在另一实施例中，输入端356耦合至输入端358，以接收供电电压。

电阻374，晶体管334和电阻384相互串联耦合。在一实施例中，在电阻374和晶体管334之间的点352产生一电压，且输入至晶体管224。晶体管224的发射极耦合至电压调节器300的输出端368，以感应输出电压V_OUT。换句话说，在一实施例中，晶体管224的发射极接收表示输出电压V_OUT的反馈信号。在图3的实施例中，晶体管224的发射极直接耦合至输出端368。或者，分压器(图3中未出示)根据输出电压V_OUT产生一成比例的电压，且提供至晶体管224的发射极。这样，晶体管224的基极电压可表示参考电压V_REF，晶体管224的发射极电压可表示输出电压V_OUT。

有利的是，误差放大器304中的晶体管224比较表示输出电压V_OUT的反馈信号和参考电压V_REF，且根据比较的结果产生控制信号以驱动场效应晶体管302。更确切的说，在一实施例中，晶体管224根据其基极电压和发射极电压的电压差产生集电极电流。驱动器320接收晶体管224的集电极电流，且响应于晶体管224的集电极电流产生控制信号以控制场效应晶体管302的导纳。

所以，误差放大器304可以只使用一个晶体管，例如，晶体管224，以比较表示输出电压V_OUT的反馈信号和参考信号V_REF。另外，如图3所示，误差放大器304包括三个晶体管。在应用中，可以使用一些低成本的晶体管，例如，MMBT3904 NPN三极管或MMBT3906 PNP的三极管。这样，和传统的差分放大器相比，误差放大器304的成本较低。

在图3的实施例中，驱动器320包括晶体管244和电阻294。晶体管244的发射极耦合至电源调节器300的输入端356以接收第二供电电压V_IN2。晶体管244的基极耦合至晶体管224的集电极。晶体管244的集电极耦合至电阻294。晶体管244的基极接收晶体管224的集电极电流。这样，晶体管244的集电极电流相应地产生。流过电阻294的电流I₁在电阻294上产生电压降。电阻294耦合至场效应晶体管302的栅极和源极。这样，驱动器320产生控制信号以控制场效应晶体管302的栅极和源极间的电压。换句话说，电阻294上的电压降控制场效应晶体管302的导纳，以提供输出电压V_OUT。电阻294上的电压降可以调节场效应晶体管302的电阻，这样，可以控制流过场效应晶体管302的电流I_OUT和输出电压V_OUT。

电源调节器300可以产生预设电平的输出电压V_OUT。例如，当输出电压V_OUT小于预设电平时(例如，当晶体管224的发射极电压小于基极电压)，晶体管224的集电极电流上升。这样，晶体管244的基极电流上升。相应地，晶体管244的集电极电流上升，流过电阻294的电流I₁上升。这样，电阻294上的电压降上升，场效应晶体管302的栅极和源极间的电压上升。所以，场效应晶体管302的电流I_OUT和输出电压V_OUT上升。

相反的，当输出电压V_OUT大于预设电平时(例如，当晶体管224的发射极电压大于基极电压)，晶体管224的集电极电流下降。这样，晶体管244的集电极电流下降，电流I₁下降。相应的，电阻294上的电压降下降，场效应晶体管302的栅极和源极间的电压下降。所以，流过场效应晶体管302的输出电流I_OUT下降，且输出电压V_OUT下降。

在一实施例中，误差放大器304的晶体管334可以用于温度补偿。在运行中，电源调节器300可以工作在一定的温度范围。如果电源调节器300的温度变化，晶体管334可以帮助维持输出电压V_OUT在预设的电平。例如，如果温度上升，晶体管224基极和发射极间的电压V_be下降，输出电压V_OUT上升，晶体管334的基极电流相应地上升。这样，晶体管334的集电极和发射极间的电压V_ce下降，在点352的电压下降。在一实施例中，点352的电压等于晶体管224基极和发射极间的电压V_be和输出电压V_OUT相加之和。有利的是，随着温度的变化，晶体管334的集电极和发射极间电压V_ce变化，以补偿晶体管224的基极和发射极间的电压V_be的变化。这样，如果温度变化，输出电压V_OUT还是可以维持在预设的电平。

可以使用一个二极管(图3中未出示)代替晶体管334以进行温度补偿。在这一实施例中，二极管的阳极耦合至点352，阴极耦合至电阻384。

电源调节器300可用在需要输入电压和输出电压之间有较小电压差的场合，例如，电池供电系统和开关电源(switching-mode power supply)。

图4为根据本发明的一个实施例的电子系统400。在图4的实施例中，电子系统400包括处理器410，耦合至处理器410的负载420和电源调节器300。图4中的电源调节器300和图3中的电源调节器300相似。电子系统400可以为计算机，个人数字助理，移动电话等等。

处理器410控制负载420。例如，处理器410可以执行计算机可执行的指令，以使负载完成多个功能。处理器410可以为，但不仅限于，中央处理器。负载420可以为，但不仅限于，芯片，内存或存储卡。耦合至负载420的电源调节器300可以转换输入电压V_IN至输出电压V_OUT，且用该输出电压V_OUT给负载420供电。

图5为根据本发明的一个实施例的转换输入电压至输出电压的方法的流程图。结合图3对图5进行描述。

在步骤502，误差放大器304中的晶体管224接收表示参考电压V_REF的第一信号。在一实施例中，电阻374，晶体管334和电阻384相互串联耦合。参考电压V_REF提供至电阻374。电阻384耦合至地。在一实施例中，点352的电压表示参考电压V_REF，输入至晶体管224的基极。

在步骤504，晶体管224接收表示输出电压V_OUT的第二信号。在一实施例中，晶体管224的发射极接收第二信号。在图3的实施例中，晶体管224的发射极直接耦合至输出端368。或者，分压器(图3中未出示)可以根据输出电压V_OUT提供成比例的电压，且提供该成比例的电压至晶体管224的发射极。

在步骤506，晶体管224感应表示参考电压V_REF的第一信号和表示输出电压V_OUT的第二信号的电压差。在图3的实施例中，晶体管224的基极和发射极间的电压V_be表示第一信号和第二信号的电压差。

在步骤508，基于第一信号和第二信号的电压差，晶体管224产生控制信号，例如，晶体管224的集电极电流。

在步骤510，根据晶体管224产生的控制信号，调节输出电压V_OUT。在一实施例中，驱动器320响应于晶体管224产生的控制信号产生控制信号以控制场效应管302的导纳。在图3的实施例中，驱动器320的晶体管244的基极接受晶体管224的集电极电流。相应的，晶体管244的集电极电流产生。这样，产生电阻294的电压降以控制场效应晶体管302的栅极和源极间的电压。这样，根据晶体管224的集电极电流，调节输出电压V_OUT。

上文具体实施方式和附图仅为本发明之常用实施例。显然，在不脱离后附权利要求书所界定的本发明精神和保护范围的前提下可以有各种增补、修改和替换。本领域技术人员应该理解，本发明在实际应用中可根据具体的环境和工作要求在不背离发明准则的前提下在形式、结构、布局、比例、材料、元素、组件及其它方面有所变化。因此，在此披露之实施例仅用于说明而非限制，本发明之范围由后附权利要求及其合法等同物界定，而不限于此前之描述。

Claims

1.一种用于转换输入电压至输出电压的电源调节器，其特征在于，该电源调节器包括：

通路设备，用于接收所述输入电压，且提供所述输出电压至所述电源调节器的输出端以及；

误差放大器，耦合至所述通路设备，所述误差放大器包括：

第一晶体管，用于接收参考信号和表示所述输出电压的反馈信号，用于比较所述反馈

信号和所述参考信号，且用于根据所述比较的结果产生第一控制信号以驱动所述通路设备。

2.根据权利要求1所述的电源调节器，其特征在于，所述误差放大器还包括驱动器，其耦合至所述第一晶体管和所述通路设备，用于响应于所述第一控制信号产生第二控制信号以控制所述通路设备的导纳。

3.根据权利要求2所述的电源调节器，其特征在于，所述通路设备包括第二晶体管，且其特征在于，所述驱动器产生所述第二控制信号以控制所述第二晶体管的栅极和源极间的电压。

4.根据权利要求2所述的电源调节器，其特征在于，所述驱动器包括：

第二晶体管，耦合至所述第一晶体管，用于接收所述第一控制信号；以及

电阻，耦合至所述第二晶体管及通路设备，以提供所述第二控制用于控制所述通路设备的导纳。

5.根据权利要求1所述的电源调节器，其特征在于，所述误差放大器还包括第二晶体管，耦合至所述第一晶体管，用于当所述电源调节器的温度变化时，维持所述输出电压在预设的电平。

6.根据权利要求5所述的电源调节器，其特征在于，所述第二晶体管的集电极和发射极间的电压根据所述电源调节器的温度而变化，以补偿所述第一晶体管的基极和发射极间电压的变化。

7.根据权利要求1所述的电源调节器，其特征在于，所述参考信号和所述反馈信号被分别提供至所述第一晶体管的基极和发射极，并且在所述第一晶体管的集电极产生所述第一控制信号。

8.根据权利要求1所述的电源调节器，其特征在于，所述第一晶体管的集电极电流根据所述反馈信号和所述参考信号之间的差值而变化，所述集电极电流用于控制所述通路设备的导纳。

9.一种电子系统，其特征在于，该系统包括：

负载；

处理器，耦合至所述负载，用于控制所述负载；以及

电源调节器，耦合至所述负载，用于提供输出电压给所述负载供电，所述电源调节器包括：

通路设备，用于接收输入电压，且提供所述输出电压；以及

第一晶体管，用于接收参考信号和表示所述输出电压的反馈信号，用于比较

所述反馈信号和所述参考信号，且用于根据所述比较的结果产生第一控制信号以驱动所述通路设备。

10.根据权利要求9所述的电子系统，其特征在于，所述电源调节器还包括驱动器，耦合至所述第一晶体管和所述通路设备，用于响应于所述第一控制信号产生第二控制信号以控制所述通路设备的导纳。

11.根据权利要求10所述的电源调节器，其特征在于，所述通路设备包括第二晶体管，所述驱动器产生所述第二控制信号以控制所述第二晶体管的栅极和源极间的电压。

12.根据权利要求9所述的电源调节器，其特征在于，所述电源调节器还包括：

第二晶体管，耦合至所述第一晶体管，用于当所述电源调节器的温度变化时，维持所述输出电压在预设的电平。

13.根据权利要求12所述的电源调节器，其特征在于，所述第二晶体管的集电极和发射极间的电压根据所述电源调节器的温度而变化，以补偿所述第一晶体管的基极和发射极间电压的变化。

14.根据权利要求9所述的电源调节器，其特征在于，所述参考信号和所述反馈信号被分别提供至所述第一晶体管的基极和发射极，并且在所述第一晶体管的集电极产生所述第一控制信号。

15.根据权利要求9所述的电源调节器，其特征在于，所述第一晶体管的集电极电流根据所述反馈信号和所述参考信号之间的差值而变化，所述集电极电流用于控制所述通路设备的导纳。

16.一种转换输入电压至输出电压的方法，其特征在于，该方法包括：

晶体管接收表示参考电压的第一信号；

所述晶体管接收表示所述输出电压的第二信号；

所述晶体管感应所述第一信号和所述第二信号的差值；

所述晶体管根据所述差值产生第一控制信号；以及

根据所述第一控制信号调节所述输出电压。

17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

分别提供所述参考信号和所述反馈信号至所述第一晶体管的基极和发射极；以及

在所述晶体管的集电极产生所述控制信号。

18.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

根据所述反馈信号和所述参考信号之间的差值，所述晶体管的集电极电流变化；以及

根据所述集电极电流控制所述通路设备的导纳。

19.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

通路设备接收所述输入电压；

响应于所述第一控制信号，产生第二控制信号，以控制所述通路设备的导纳；以及

所述通路设备提供所述输出电压。

20.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

如果转换所述输入电压至所述输出电压的电源调节器的温度变化，维持所述输出电压在预设的电平。