CN102591391A

CN102591391A - 电压调节器

Info

Publication number: CN102591391A
Application number: CN2012100058499A
Authority: CN
Inventors: R.里德雷尔
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2011-01-10
Filing date: 2012-01-10
Publication date: 2012-07-18
Also published as: US8866341B2; US20120176109A1; DE102012100146A1

Abstract

本发明公开了电压调节器。一种用于提供已调节的输出电压的电压调节器电路被提供。该电压调节器电路包括被配置成基于反馈输出电压和参考电压的至少一部分来提供控制信号的误差放大器。第一输出级被配置成在第一供电电压下进行操作，以及基于控制信号来提供已调节的输出电压。至少一个第二输出级被配置成在不同于第一供电电压的第二供电电压下进行操作，以及基于控制信号来提供已调节的输出电压。切换单元被配置成在第一输出级和第二输出级之间切换控制信号。

Description

电压调节器

技术领域

实施例涉及被配置成提供输出电压以用于对连接到其输出端的负载进行操作的电子电路，并且更具体地涉及被配置成提供已调节的输出电压的电压调节器电路以及用于提供已调节的输出电压的方法。

背景技术

即使连接到电压调节器电路的输出端子的负载消耗变化的能量数量，即存储在负载中的能量发生变化，电压调节器电路也可以提供预定的输出电压。电压调节器电路在由电压调节器电路的操作环境确定的供电电压（VDD）下进行操作。电压调节器电路的操作环境可以是移动电话、笔记本计算机、个人计算机等等。

在正常操作中，电压调节器电路的供电电压（VDD）超过由电压调节器电路提供的输出电压。供电电压和电压调节器电路的输出电压之间大的差可能导致电压调节器电路内增加的功率耗散，这又导致减少的电池操作时间，尤其是对于移动设备。

为了使供电电压适应期望的输出电压，即为了提供供电电压和输出电压之间预定的电压差，使用了不同供电电压的电压调节器电路的操作可以减少包括电压调节器电路的电子设备的总的功率消耗。因此，使用具有低的芯片面积消耗的电子电路来以高效的方式在不同供电电压之间进行切换是个问题。

发明内容

本文所描述的实施例尤其涉及一种被配置成提供已调节的输出电压的电压调节器电路。该电压调节器电路包括误差放大器，该误差放大器被配置成基于反馈输出电压和参考电压的至少一部分来提供控制信号。第一输出级可以在第一供电电压下进行操作，以及基于所述控制信号来提供已调节的输出电压。至少一个第二输出级可以在第二供电电压下进行操作，第二供电电压不同于第一供电电压。

此外，第二输出级基于所述控制信号来提供已调节的输出电压。切换单元被配置成在第一输出级（此时该调节器电路在第一供电电压下进行操作）和第二输出级（此时该电压调节器电路在第二供电电压下进行操作）之间切换控制信号。

另外，本文所描述的实施例尤其涉及一种被配置成提供输出电压的电子电路，其中该电子电路包括被配置成由控制信号进行控制的输出电路。该输出电路包括：第一输出级，其可以在第一供电电压下进行操作以及基于该控制信号提供输出电压；以及至少一个第二输出级，其可以在不同于第一供电电压的第二供电电压下进行操作以及基于该控制信号来提供输出电压。该电子电路可以包括切换单元，该切换单元被配置成在第一输出级和第二输出级之间切换控制信号。

根据本文所描述的又一个实施例，一种用于提供已调节的输出电压的方法包括：提供参考电压，提供第一供电电压，基于参考电压和第一供电电压来调节输出电压，从第一供电电压切换到不同于第一供电电压的至少一个第二供电电压，以及基于参考电压和第二供电电压来调节输出电压。

根据本文所描述的实施例的电压调节器包括可以在不同供电电压下进行操作的至少两个输出级。可以基于由误差放大器生成的控制信号来提供在输出级中的至少一个处的已调节的输出电压。该误差放大器基于反馈输出电压和参考电压的至少一部分来提供控制信号。

在阅读了下面的详细描述以及查看了附图之后，本领域技术人员将认识到附加的特征和优点。

附图说明

附图中的组件不一定是按比例的，而是将重点放在说明本发明的原理上。此外，在附图中，相似的附图标记表示对应的部分。在附图中：

图1示出根据一个实施例的具备两个不同供电电压的电压调节器电路的框图；

图2是根据一个实施例的具有切换单元的电压调节器电路的详细框图；

图3是在图2中描绘的电压调节器电路的详细电路图；

图4是示出根据一个实施例的在其输出级处具有电流反射镜的电压调节器电路的详细电路图；

图5是示出根据一个实施例的具备NMOS晶体管的电压调节器电路的电路图；以及

图6是示出根据一个实施例的用于提供已调节的输出电压的方法的流程图。

具体实施方式

现在将详细参考各种实施例，所述实施例的一个或多个实例被示出在附图中。在附图的下面的描述中，相同的附图标记指代相同的组件。一般来说，仅仅描述关于各个实施例的差异。每个实例通过解释的方式被提供并且不打算作为限制。例如，作为一个实施例的部分而示出或描述的特征可以被用在其他实施例上或者与其他实施例一起被使用以产生又一个实施例。

图1示出根据一个实施例的包括电压调节器电路100的电路布置（arrangement）的框图。电压调节器电路100被配置成提供输出电压405和输出电流410，所述输出电压405可以被调节到期望的恒定值，所述输出电流410可以基于为外部负载204提供的功率来改变。调节输出电压405是基于作为到电压调节器电路100中的输入而提供的参考电压403。参考电压403由参考电压源103来生成，所述参考电压源103被连接在电压调节器电路100的输入端子和地110之间。

根据一个实施例，调节器供电电压可以直接经由供电电压源（例如电池）或者经由至少一个第二供电电压源来提供，其中第二供电电压源可以由第一供电电压源来操作。选择信号404被输入到电压调节器电路100中，该选择信号404确定被用来操作调节器电路100的电压域。在下文中参考图4和图5描述经由由电压调节器电路100所接收的选择信号404在不同电压域和操作之间的切换。

在图1所示的电路布置中，可以以不同方式来提供用于电压调节器电路100的供电电压。提供生成第一供电电压401（VDD1）的第一供电电压源101。可以直接在电压调节器电路100处施加第一供电电压401。特别地，在移动设备中，DC-DC转换器108可以被串联连接到第一供电电压源101，其中在DC-DC转换器108的输出端子处生成第二供电电压402（VDD2）。在DC-DC转换器108的输出端子和地110之间提供的第二供电电压402还可以被提供以用于电压调节器电路100。

选择信号404现在可以被用来在第一供电电压401和第二供电电压402之间切换。DC-DC转换器108被用来将第一供电电压401减小差电压406的数量，以便提供第二供电电压402。如果第二供电电压402足以对电压调节器电路100进行操作，则第一供电电压401的减小是有利的。用于电压调节器电路100的减小的供电电压导致电压调节器电路100内的减小的功率耗散，并且因此导致电池供电的设备的增加的操作时间。

举例来说，第一供电电压源101可以作为锂离子电池（Li^＋电池）来提供，其通常提供4.2V的输出电压。在许多电池供电的设备中，电压调节器电路100的期望输出电压405是例如：

a. U_OUT＝3V。

在4.2V的输入电压下操作的DC-DC转换器108可以将4.2V的输入电压减小到3.3V的值。

因此，通过切换到第二输出电压402，调节器供电电压和输出电压405之间的差电压406可以减小到四分之一，例如，用于第二供电电压402的操作的电压差是：

a.（3.3V-3V）＝300mV，

而在第一供电电压402的操作期间电压差是：

a.（4.2V-3V）＝1200mV。

电压差406的这种减小可以导致电压调节器电路100内耗散的功率的大的减小。

于是，如果电池（例如锂离子电池）被放电到一个电平以使得DC-DC转换器108的输出电压下降到3V以下，则可以执行切换。在这种情况下，电压调节器电路100不能提供3V的已调节的输出电压405。于是，第一供电电压源101由锂离子电池来表示，使得第一供电电压401被提供以用于电压调节器电路100。现在已经减小了第一供电电压401和电压调节器电路100的输出电压405之间的差，因为电池已经被放电到某一量。因此，提供了电池功率的高效使用。

图2是用于示出电压调节器电路100的操作的框图。电压调节器电路100被连接到参考电压源103，所述参考电压源103提供参考电压403（参见图1）以作为用于调节输出电压405的基础。输出电压405被示出为被施加于外部负载204两端。

如图2中所示，电压调节器电路100包括误差放大器104，所述误差放大器104在其非反相输入端（“＋”输入端）处从参考电压源103接收参考电压403。误差放大器104的反相输入端（“-”输入端）从在电压调节器电路100的输出端处的反馈节点203接收反馈信号408。反馈节点203被连接到向外部负载204提供连接的输出端子111。电压调节器电路100的输出电流410从输出端子111经过外部节点204流向地110。

在输出端子111和地110之间，连接缓冲电容器109。缓冲电容器109提供对输出电压405的平滑以及减小的波纹失真，所述波纹失真可能发生在不同供电电压401、402的切换期间。基于在误差放大器104的输入端处提供的反馈信号408和参考电压403，误差放大器104生成控制信号413，该控制信号413被提供以用于经由切换单元300和输出电路200调节输出电压405。

输出电路200包括两个输出级，例如具备第一供电电压401（VDD1）的第一输出级201和具备第二供电电压402（VDD2）的第二输出级202。基于选择信号404，切换单元300将控制信号413引导到在电压调节器电路100中提供的输出电路200的第一输出级201或第二输出级202。本申请不限于具有两个输出级201、202的输出电路200，而是可以提供三个或更多个输出级，其可以在相互不同的供电电压下进行操作。例如，如果为了操作电压调节器电路100而提供多于两个的不同供电电压401、402，则可以提供多于两个的输出级201、202。

在下文中参考图3解释基于由参考电压源103提供的参考电压403和反馈信号408在电压调节器电路100内电压控制的操作。即使存在从在第一供电电压401下操作的第一输出级201到在第二供电电压402下操作的第二输出级202的切换，在外部负载204两端提供的输出电压405也被连续地控制。通过切换输出级201、202，与当用于整个电压调节器电路100的供电电压被改变时的情况相比，更少的芯片面积消耗是必要的。此外，对于输出电压405的失真是低的。

第一输出级201可以在第一供电电压401下进行操作，并且可以基于控制信号413来提供输出电压405。另一方面，在输出电路200中提供的至少一个第二输出级202可以在不同于第一供电电压401的第二供电电压402下进行操作，并且可以基于控制信号413提供与第一输出级401相同的输出电压405。

在电压调节器电路100中，提供切换单元300，所述切换单元300在下文中被详细地解释，并且可以被看作是由选择信号404操作的开关。切换单元300可以将控制信号413引导到在电压调节器电路100的输出电路200中提供的输出级201、202中的一个。

可以通过向第一输出级201供应第一供电电压401并且基于控制信号413提供已调节的输出电压405，或者通过向第二输出级202供应不同于第一供电电压401的第二供电电压402并且基于控制信号113提供已调节的输出电压405，来操作电压调节器电路100。

图3是图2中所示的电路布置的详细框图，其中更详细地给出反馈信号408的生成和输出电路200的建立。反馈信号408被提供以作为在反馈节点203和地110之间测量的电压，使得误差放大器104能够将参考电压403和反馈信号408进行比较。因此，可以控制电压调节器电路100的输出电压405。

第一输出级201和第二输出级202都可以包括PMOS晶体管。PMOS晶体管的各自的栅极经由切换单元300接收控制信号413。第一输出级201或第二输出级202（取决于选择信号404）被用来控制在反馈节点203处的电压电位，例如被用来控制施加在外部负载204两端的输出电压405。

输出电流410的一部分流过连接在反馈节点203和地110之间的分压器电路105。在图3中所示的电路布置中，分压器电路105包括串联连接的两个电阻器，例如第一分压器电阻器106和第二分压器电阻器107。因此，根据由分压器电路105提供的分压器比来划分输出电压405。在误差放大器104的反相输入端（“-”）处提供输出电压405的一部分，例如反馈信号408。反馈信号408对应于在分压器电路105的第二分压器电阻器107两端施加的电压。

当从在第一供电电压401下操作的第一输出级201切换到在第二供电电压402下操作的第二输出级202时，输出电压405保持恒定或接近恒定，并且控制回路经由输出电压反馈而闭合，反馈电压是由分压器电路105提供的。

不同的供电电压401、402可以被提供以用于输出电路的输出级201、202（参见图2），而剩余的电路组件（例如误差放大器104和切换单元300）在供电电压401、402中的较高供电电压下进行操作，所述较高的供电电压在这种情况下对应于供电电压401（VDD1）。即使用于除了第二输出级202之外的电路组件的供电电压在较高的供电电压401下进行操作，也可以获得整个电压调节器电路100的高效率，这是因为供电电压401、402和输出电压405之间的电压差可以被减小，使得获得输出电路200内减小的功率耗散。

根据图3中所示的电路布置，两个输出级201、202可以可替换地以单个反馈回路来操作。该单个反馈回路由分压器电路105以及连接串联分压器电阻器106、107的连接点和误差放大器104的反相输入端的线路来提供。分压器电路105的分压器比可以通过改变第一分压器电阻器106和第二分压器电阻器107中的至少一个来改变。由于反馈回路，分压器比的改变改变了输出电压405。

图4是根据又一个典型实施例的电压调节器电路的详细电路图。如图4所示，电压调节器电路的输出级包括电流反射镜电路，例如第一电流反射镜电路501和第二电流反射镜电路502。电流反射镜电路由PMOS晶体管建立。电流反射镜电路501、502内PMOS晶体管中的一个被连接，以用于作为反射镜二极管来操作，例如在第一电流反射镜电路501中提供第一反射镜二极管506，以及在第二电流反射镜电路502中提供第二反射镜二极管507。输出电流410的控制由各自的反射镜晶体管来提供，例如如果第一供电电压401被用于电压调节器电路100的操作，则输出电流410的控制由第一电流反射镜电路501的第一反射镜晶体管508来提供，以及如果第二供电电压402被用于电压调节器电路100的操作，则输出电流410的控制由第二电流反射镜电路502的第二反射镜晶体管509来提供。

误差放大器104的输出信号（例如控制信号413）由驱动器晶体管503的栅极来接收。此外，第一和第二共源共栅（cascode）晶体管504、505接收切换单元304的输出信号。切换单元304由选择信号404控制，并且输出第一切换电压411或第二切换电压412以用于控制各自的共源共栅晶体管504或505。如果第一共源共栅晶体管504由选择信号404选择，则第一共源共栅晶体管504和驱动器晶体管503形成共源共栅电路。另一方面，如果第二共源共栅晶体管505由选择信号404选择，则第二共源共栅晶体管505和驱动器晶体管503形成不同的共源共栅电路。

用于控制电压调节器电路100的输出电压405的反馈回路包括分压器电路105以及将第一分压器电阻器106和第二分压器电阻器107的连接点连接到误差放大器104的反相输入端（“-”）的线路。因此，所获得的对应于参考电压403和反馈信号408之间的差的控制信号413被用于控制第一电流反射镜电路501或第二电流反射镜电路502。

图4中所示的电压调节器电路100以三个级来建立，其中第一级由误差放大器104形成，在第一输出级被选择的情况下第二级由第一反射镜二极管506和驱动器晶体管503的组合形成，以及在第二输出级被选择的情况下第二级由第二电流反射镜电路502的第二反射镜二极管507和驱动器晶体管503的组合形成，并且在第一输出级被选择的情况下第三级由第一反射镜晶体管508表示，或者在第二输出级被选择的情况下第三级由第二反射镜晶体管509表示。

流过驱动器晶体管503的驱动器电流409近似地分别独立于供电电压401和402，这是因为驱动器电流409取决于由第一电流反射镜电路501或第二电流反射镜电路502提供的电流反射镜比而被反映到输出电流410中。按照这种方式，如果执行了通过选择信号404的切换，则驱动器电流409被从第一电流反射镜电路501传送到第二电流反射镜电路502，或者反之亦然。

图5是根据又一个实施例的电压调节器电路的详细电路图。图5中所示的电路布置包括两个级，其分别由误差放大器104（第一级）和输出晶体管510和511（第二级）建立。如在图4中所示的建立中的那样，提供切换单元300，以便将由误差放大器104输出的控制信号413切换到第一输出级（例如第一输出晶体管510）或切换到第二输出级（例如第二输出晶体管511）。

如图5中所示，输出级的晶体管510、511作为NMOS晶体管被提供，其中在图4所示的建立中所使用的晶体管作为PMOS晶体管被提供。这里没有描述已经参考图1—图4描述的组件，以便避免冗余的描述。

在图1—图3中示出的布置的电压调节器电路中使用的切换单元300在图5中被详述。如图5中所示，切换单元300由两个开关建立，所述两个开关提供误差放大器104的输出端子到第一输出晶体管510的栅极或第二输出晶体管511的栅极的连接。未用于操作的输出晶体管510、511被切换单元300中所包括的第二开关闭锁（block）。切换单元300可以由至少两个MOS开关形成，其中MOS开关中的每一个可以包括与NMOS晶体管并联连接的PMOS晶体管。选择信号404再次被用于对包括在切换单元300中的开关进行操作。

在图5中未示出负载，但是要理解，输出端子111被用于将输出电流410输出到外部负载。因此，图5是在NMOS配置中图2的电压调节器电路的实施，以及图4是在PMOS实施中图2的电压调节器电路的实施。因此，当从第一供电电压401切换到不同于第一供电电压401的第二供电电压402时，执行控制信号413从第一输出晶体管510到第二输出晶体管511的切换。

图6是示出用于基于参考电压403来提供已调节的输出电压405的方法的流程图，其中使用两个不同的供电电压401、402。该过程开始（步骤601）。提供参考电压403（步骤602）。在上文中描述的电压调节器电路然后被提供第一供电电压401（步骤603）。然后通过基于参考电压403和第一供电电压401调节输出电压405来执行对输出电压405的控制（步骤604）。

如果确定用于电压调节器电路（特别是用于电压调节器电路的输出电路）的另一供电电压是期望的，则电压调节器电路从第一供电电压401被切换到不同于第一供电电压401的至少一个第二供电电压402（步骤605）。再次，在上文中描述的电压调节器电路基于参考电压103和供电电压来控制输出电压405，所述供电电压在这种情况下是第二供电电压402（步骤606）。然后该过程结束（607）。

通过提供在上文中描述的电压调节方法，可以减小芯片面积消耗。可以获得从输出电路200的一个输出级到另一个输出级的平滑转换。因此，可以提供例如在移动电子设备中电压源的能量的高效使用。

诸如“第一”、“第二”等等之类的术语也被用来描述各种元件、区域、部分等等，并且也不意图进行限制。相似的术语在整个说明书中指代相似的元件。

本文中所用的术语“具有”、“包含”、“包括”等等是开放式术语，其指示所述的元件或特征的存在但是不排除附加的元件或特征。冠词“一”、“一个”和“该”意图包括复数以及单数，除非上下文另有清楚地指示。

考虑到上述范围的变化和应用，应该理解，本发明不由前述描述限制，也不由附图限制。代之以，本发明仅由后面的权利要求书及其法律等同物来限制。

Claims

1. 一种用于提供已调节的输出电压的电压调节器电路，包括：

误差放大器，其被配置成基于反馈输出电压和参考电压的至少一部分来提供控制信号；

第一输出级，其被配置成在第一供电电压下进行操作，以及基于所述控制信号来提供已调节的输出电压；

至少一个第二输出级，其被配置成在不同于第一供电电压的第二供电电压下进行操作，以及基于所述控制信号来提供已调节的输出电压；以及

切换单元，其被配置成在第一输出级和第二输出级之间切换所述控制信号。

2. 根据权利要求1所述的电压调节器电路，还包括：参考电压源，其被配置成提供所述参考电压。

3. 根据权利要求1所述的电压调节器电路，还包括：第一供电电压源，其被配置成提供第一供电电压。

4. 根据权利要求1所述的电压调节器电路，还包括：DC-DC转换器，其被配置成基于第一供电电压来提供第二供电电压，其中第二供电电压低于第一供电电压。

5. 根据权利要求1所述的电压调节器电路，其中，第一输出级和至少一个第二输出级均包括电流反射镜电路。

6. 根据权利要求5所述的电压调节器电路，其中，每个电流反射镜电路由PMOS晶体管形成。

7. 根据权利要求1所述的电压调节器电路，其中，所述切换单元包括至少两个MOS开关。

8. 根据权利要求7所述的电压调节器电路，其中，每个MOS开关包括与NMOS晶体管并联连接的PMOS晶体管。

9. 一种用于提供输出电压的电子电路，包括：

输出电路，其被配置成由控制信号来控制，所述输出电路包括：

第一输出级，其被配置成在第一供电电压下进行操作，以及基于所述控制信号来提供输出电压；以及

至少一个第二输出级，其被配置成在不同于第一供电电压的第二供电电压下进行操作，以及基于所述控制信号来提供输出电压；以及

10. 根据权利要求9所述的电子电路，还包括：第一供电电压源，其被配置成提供第一供电电压。

11. 根据权利要求9所述的电子电路，还包括：DC-DC转换器，其被配置成基于第一供电电压来提供第二供电电压，其中第二供电电压低于第一供电电压。

12. 根据权利要求9所述的电子电路，其中，第一输出级和至少一个第二输出级均包括电流反射镜电路。

13. 根据权利要求12所述的电子电路，其中，每个电流反射镜电路由PMOS晶体管形成。

14. 根据权利要求9所述的电子电路，其中，所述切换单元包括至少两个MOS晶体管。

15. 根据权利要求14所述的电子电路，其中，每个MOS开关包括与NMOS晶体管并联连接的PMOS晶体管。

16. 一种用于提供已调节的输出电压的方法，包括：

提供参考电压；

提供第一供电电压；

基于所述参考电压和第一供电电压来调节输出电压；

从第一供电电压切换到不同于第一供电电压的至少一个第二供电电压；以及

基于所述参考电压和第二供电电压来调节输出电压。

17. 根据权利要求16所述的方法，其中，基于反馈输出电压和所述参考电压的至少一部分来提供控制信号，所述控制信号控制第一输出级和第二输出级中的至少一个。

18. 根据权利要求17所述的方法，还包括：在第一供电电压下对第一输出级进行操作，以及基于所述控制信号来提供已调节的输出电压。

19. 根据权利要求17所述的方法，还包括：

在不同于第一供电电压的至少一个第二供电电压下对第二输出级进行操作；以及

基于所述控制信号来提供已调节的输出电压。

20. 根据权利要求16所述的方法，其中，从第一供电电压切换到不同于第一供电电压的至少一个第二供电电压包括：将所述控制信号从第一输出级切换到第二输出级。