CN102681578B

CN102681578B - 电压调节装置

Info

Publication number: CN102681578B
Application number: CN201110062635.0A
Authority: CN
Inventors: 蔡宗谚; 林盈熙
Original assignee: Realtek Semiconductor Corp
Current assignee: Realtek Semiconductor Corp
Priority date: 2011-03-15
Filing date: 2011-03-15
Publication date: 2014-12-17
Anticipated expiration: 2031-03-15
Also published as: CN102681578A

Abstract

本发明公开一种电压调节装置，其包含：一线性调节单元，其产生一第一误差信号；一交换调节单元，其产生一第一及一第二脉冲宽度调变信号；一选择单元，耦接该线性调节单元及该交换调节单元，接收该第一误差信号及该第二脉冲宽度调变信号，并输出一调节信号；一第一功率晶体管，耦接该交换调节单元，并接收该第一脉冲宽度调变信号；及一第二功率晶体管，耦接该选择单元，并接收该调节信号；其中，该电压调节装置的操作状态选自：线性调节模式，则该选择单元选择该第一误差信号为该调节信号；或一交换调节模式，则该选择单元选择该第二脉冲宽度调变信号为该调节信号。

Description

电压调节装置

技术领域

本发明涉及一种电压调节装置，尤其涉及一种具有线性电压调节功能的交换式电压调节装置。

背景技术

稳压器或电压调节器用以将未经调节的电压转变为特定输出电压的稳定直流电压，通常有二类电压调节模式：线性电压调节及交换式电压调节；前者以低压差(Low Drop Out，LDO)稳压器为代表，后者则以脉冲宽度调变(Pulse-width modulation，PWM)稳压器为代表。线性电压调节器通常提供较小的输出电流量，适合于轻负载或无负载的使用状况，且在轻负载时效率较佳；而交换式电压调节器则通常提供较大的输出电流量，适用于重负载的需求，且在重负载时效率较佳。

此二类电压调节器各有其适用的应用面，然而在量产以降低成本的产业趋势下，生产者开发出具有线性及交换式的双模式电压调节器，能以单一的集成电路芯片即可提供多样而少量的利基产品之使用。然而，在成本的考虑下，该技术领域的发展朝向新的电路设计及技术，以使此类电压调节装置能进一步共享或减少更多的电路构件，而达到制作成本降低的目的。

发明内容

有鉴于此，在本发明的一方面，一实施例提供一种电压调节装置，其包含一线性调节单元、一交换调节单元、一选择单元、以及一第一及一第二功率晶体管。其中，该线性调节单元包括：一第一输出级单元，其提供该电压调节装置的一第一输出电压，并产生该第一输出电压的一第一分压；及一第一误差放大器，比较该第一分压及一第一参考电压，并产生一第一误差信号。该交换调节单元包括：一第二输出级单元，其提供该电压调节装置的一第二输出电压，并产生该第二输出电压的一第二分压；及一脉冲宽度调变单元，依据该第二电压及一第二参考电压，产生一第一及一第二脉冲宽度调变信号。该选择单元耦接该线性调节单元及该交换调节单元，接收该第一误差信号及该第二脉冲宽度调变信号，并输出一调节信号选自：该第一误差信号及该第二脉冲宽度调变信号。该第一功率晶体管耦接该交换调节单元，并接收该第一脉冲宽度调变信号；及该第二功率晶体管耦接该选择单元、该第一功率晶体管及一接线点，该第二功率晶体管接收该调节信号；其中，该第一及第二功率晶体管的连接点又连接至该第二输出级单元。其中，若该电压调节装置的操作状态为线性调节模式时，则该选择单元选择该第一误差信号为该调节信号，且该接线点又连接至该第一输出级单元；而若该电压调节装置为交换调节模式时，则该选择单元选择该第二脉冲宽度调变信号为该调节信号，且该接线点又连接至一接地端。

在本发明的另一方面，另一实施例提供一种电压调节装置，其包含一线性调节单元、一交换调节单元、一选择单元、以及一第一及一第二功率晶体管。其中，该线性调节单元包括：一第一输出级单元，其提供该电压调节装置的一第一输出电压，并产生该第一输出电压的一第一分压；及一第一误差放大器，比较该第一分压及一第一参考电压，并产生一第一误差信号。该交换调节单元包括：一第二输出级单元，其提供该电压调节装置的一第二输出电压，并产生该第二输出电压的一第二分压；及一脉冲宽度调变单元，依据该第二电压及一第二参考电压，产生一第一及一第二脉冲宽度调变信号。该选择单元耦接该线性调节单元及该交换调节单元，接收该第一误差信号及该第二脉冲宽度调变信号，并输出一调节信号选自：该第一误差信号及该第二脉冲宽度调变信号。该第一功率晶体管耦接该交换调节单元，并接收该第一脉冲宽度调变信号；及该第二功率晶体管耦接该选择单元、该第一功率晶体管及一接地开关，该第二功率晶体管接收该调节信号；其中，该第一及第二功率晶体管的连接点又连接至该第二输出级单元，且该接地开关及该第二功率晶体管的连接点又连接至该第一输出级单元。其中，若该电压调节装置为线性调节模式，则该选择单元选择该第一误差信号为该调节信号，且该接地开关为切断(OFF)；而若该电压调节装置为交换调节模式，则该选择单元选择该第二脉冲宽度调变信号为该调节信号，且该接地开关为导通(ON)。

附图说明

图1是根据本发明实施例之电压调节装置的电路示意图。

图2A是本实施例的电压调节装置操作于交换式调节模式时的电路示意图。

图2B是本实施例的电压调节装置操作于线性调节模式时的电路示意图。

图3是本实施例范例2的电压调节装置的电路示意图。

图4是多个晶体管结合熔丝开关以实现电流可调式晶体管的实施范例之电路示意图。

主要组件符号说明

100/300 电压调节装置 110 线性调节单元

112 第一输出级单元 114 第一误差放大器

120 交换调节单元 122 第二输出级单元

124 脉冲宽度调变单元 126 第二误差放大器

127 比较器 128 前置驱动器

130 选择单元 140 P型功率晶体管

150 N型功率晶体管 151～158 晶体管

F₁～F₈ 熔丝开关 161 接线点

163 接地开关 C 电容

L 电感

具体实施方式

以下将参照随附的图式详细描述及说明本发明的特征、目的、功能，及其达成所使用的技术手段；但所列举的实施例仅为辅助说明，以利于对本发明有更进一步的认知与了解，并不因此限制本发明的范围及技术手段。

请参照图1，为根据本发明实施例的电压调节装置的电路示意图。本实施例的电压调节装置100包含：一线性调节单元110、一交换调节单元120、一选择单元130、及多个功率晶体管140/150；该电压调节装置100是以交换式电压调节模式为操作的主体，但亦可以依实际需求而提供线性电压调节模式，其特征在于：本实施例两者模式的操作是共享功率晶体管，尤其当选用线性电压调节模式时，无须外挂输出电容，可节省成本及增加其应用性。

该线性调节单元110包括一第一输出级单元112及一第一误差放大器114。本实施例的第一输出级单元112提供该电压调节装置100的一第一输出电压V_out1，其由一分压电路所构成，该分压电路由多个电阻串接构成，而利用电阻分压的方式产生该第一输出电压V_out1的第一分压V_d1，以提供该第一误差放大器114作为输入电压。该第一误差放大器114，比较该第一分压V_d1及一第一参考电压V_ref1，以产生误差信号并加以放大，而输出一第一误差信号V_LDO，以供本实施例操作于线性电压调节模式。

该交换调节单元120包括一第二输出级单元122及一脉冲宽度调变单元124。该第二输出级单元122提供该电压调节装置100的一第二输出电压V_out2，其由另一分压电路及一低通滤波电路所构成，该分压电路亦由多个电阻串接构成，而利用电阻分压的方式产生该第二输出电压V_out2的第二分压V_d2，以提供交换式电压调节模式的该脉冲宽度调变单元124作为输入电压。该低通滤波电路由一电容C及一电感L构成。值得注意的是，构成该低通滤波电路的电容C及电感L，并未集成于该电压调节装置100本身的集成电路芯片中，而是属于分离(Discrete)组件，该低通滤波电路的电容和/或电感依据设计规格而选用及安装。该脉冲宽度调变单元124提供交换式电压调节模式的电压调节，本实施例以一第二误差放大器126、一比较器127、及一前置驱动器128串接而成。该第二误差放大器126耦接该第二输出级单元124，比较该第二分压V_d2及一第二参考电压V_ref2，以产生误差信号并加以放大，而输出一第二误差信号；该比较器127耦接该第二误差放大器126，比较该第二误差信号及一三角波或锯齿波的电压信号V_tri，并产生一比较信号；该前置驱动器128耦接该比较器127，对该比较信号进行驱动放大，并产生该第一及一第二脉冲宽度调变信号V_PWM1/V_PWM2，以供本实施例操作于交换式电压调节模式。

该选择单元130用以提供该电压调节装置100选择线性或交换式电压调节模式，其耦接该线性调节单元110及该交换调节单元120，接收该第一误差信号V_LDO及该第二脉冲宽度调变信号V_PWM2。若选择线性调节模式，则该选择单元130输出的调节信号为该第一误差信号V_LDO；若选择交换调节模式，则该选择单元130输出的调节信号为该第二脉冲宽度调变信号V_PWM2。

另外，为了使该电压调节装置100能正常切换于线性或交换式电压调节模式，在如图3所示的实施例中，选择单元130还负责控制一接地开关163的操作，该接地开关163连接该功率晶体管150与一接地端，此将说明于后文中。

考虑交换式电压调节模式的电路设计，本实施例的功率晶体管采用一对的P型及N型金氧半场效晶体管140/150所组成的互补式场效晶体管(CMOS)。该P型金氧半场效晶体管140的栅极耦接该交换调节单元120，并接收该第一脉冲宽度调变信号V_PWM1，其源极连接至一直流电压V_DD，且其漏极连接至该N型金氧半场效晶体管150。该N型金氧半场效晶体管150的栅极耦接该选择单元130以接收该调节信号，且其漏极连接至该P型金氧半场效晶体管140。

为了使该电压调节装置100能正常操作及选用线性或交换式电压调节模式，本实施例提供二种实施范例如下。范例1为如图1所示电路图的电压调节装置100，该N型金氧半场效晶体管150的源极连接至一接线点(Bonding pad)161或芯片封装后的接脚，并通过该接线点161，当该电压调节装置100选用交换调节的操作模式，则该调节信号为该第二脉冲宽度调变信号V_PWM2，且该接线点161连接至一接地端；上述结果的电路图重新绘示于图2A；如图所示，可实现交换式电压调节器的操作。另一方面，若该电压调节装置100选择线性调节的操作模式，则该调节信号为该第一误差信号V_LDO，且该接线点161连接该第一输出级单元114，而输出该第一输出电压V_out1；上述结果的电路图亦重新绘示于图2B；如图所示，可实现线性电压调节器的操作。

范例2则为如图3所示电路图的电压调节装置300，该N型金氧半场效晶体管150的源极连接至一接地开关163，该接地开关163又连接至一接地端，并受该选择单元130的控制。通过该接地开关163及该选择单元130，当该电压调节装置300选择交换式的电压调节模式，则该调节信号为该第二脉冲宽度调变信号V_PWM2，且该接地开关为导通(ON)，使该N型金氧半场效晶体管150的源极连接至接地端；上述结果的电路图亦如图2A所示，为交换式电压调节器的操作。另一方面，当该电压调节装置300选择线性的电压调节模式，则该调节信号为该第一误差信号V_LDO，且该接地开关为切断(OFF)，使该N型金氧半场效晶体管150的源极连接至该第一输出级单元112，而输出该第一输出电压V_out1；上述结果的电路图亦重新绘示如图2B，为线性电压调节器的操作。

请注意，现有技术的线性电压调节器采用P型金氧半场效晶体管作为输出端的功率晶体管，其输出阻抗大而通常需要加上具有低通滤波作用的电容(大约1μF或10μF)；而本实施例以N型金氧半场效晶体管作为功率晶体管，其源极端的输出阻抗小，故无须再外加滤波电容，而可节省组件成本。此外，线性电压调节器通常提供较小的输出电流量，适合于轻负载或无负载的使用状况，且在轻负载时效率较佳；而交换式电压调节器则通常提供较大的输出电流量，适用于重负载的需求，且在重负载时效率较佳。在本实施例的线性及交换式电压调节模式是共享该N型金氧半场效晶体管150，但二模式对该N型金氧半场效晶体管150的操作电流需求却不一致；因此，本实施例的N型金氧半场效晶体管150可为电流可调式的晶体管。在其集成电路芯片设计上，该N型金氧半场效晶体管150为多个晶体管并联所构成，也就是说，这些晶体管的源极彼此相连接，漏极亦彼此相连接，栅极则依据所需的输出电流量，选用适当数量的栅极彼此相连接，通过晶体管并联的结构，使该N型金氧半场效晶体管150的操作电流可因实际需求而调整。

举例来说，图4为上述多个晶体管151～158并联的N型金氧半场效晶体管150的实施例，这些晶体管151～158的栅极各分别连接至一开关，这些开关的另一端皆耦接该选择单元130以接收该调节电压。在本实施例中，这些开关可以现有的集成电路技术所制作熔丝(fuse)开关来实现，而根据该电压调节装置100应用于线性或交换式调节模式、或其输出级所需的操作电流，进行这些熔丝开关F₁～F₈导通(On)或关闭(Off)的设定，通过此可选用适当数量的N型金氧半场效晶体管150彼此并联，以提供该电压调节装置100输出级适当的操作电流。例如，若该电压调节装置100为线性电压调节模式，该N型金氧半场效晶体管150所需的操作电流较小，则可使熔丝开关F₁导通且F₂～F₈切断；另一方面，若该电压调节装置100为交换式电压调节模式，该N型金氧半场效晶体管150所需的操作电流较大，则可使熔丝开关F₁～F₈全部导通。如此即可达成具线性及交换式双模式的电压调节装置可共享功率晶体管，又能解决两者模式对操作电流需求不一致的问题；但不以此为限，该N型金氧半场效晶体管150亦可以选用其它电流可调式的晶体管。如上述说明可知，本实施例的电压调节装置100确能提供线性及交换式电压调节模式的选择、二者模式可共享相同的功率晶体管、且当选用线性的电压调节模式时，无须外挂输出电容，可进一步减少制作成本。

唯以上所述者，包含：特征、结构、及其它类似的效果，仅为本发明之较佳实施例，当不能以之限制本发明的范围。此外，上述各实施例所展示的特征、结构、及其它类似的效果，亦可为该领域所属的技术人员在依本发明权利要求进行均等变化及修饰，仍将不失本发明之要义所在，亦不脱离本发明之精神和范围，故都应视为本发明的进一步实施状况。

此外，上述各实施例所描述者只能算是实施范例，并不能因此限制本发明的范围。例如，各实施例所使用的组件或单元，可为该领域所属的技术人员进行修改及实现，仍将不失本发明之要义。

Claims

1.一种电压调节装置，其包括：

一线性调节单元，其包括

一第一输出级单元，其提供所述电压调节装置的一第一输出电压，并产生所述第一输出电压的一第一分压；及

一第一误差放大器，耦接所述第一输出级单元，所述第一误差放大器比较所述第一分压及一第一参考电压，并产生一第一误差信号；

一交换调节单元，其包括

一第二输出级单元，其提供所述电压调节装置的一第二输出电压，并产生所述第二输出电压的一第二分压；及

一脉冲宽度调变单元，耦接所述第二输出级单元，所述脉冲宽度调变单元依据所述第二分压及一第二参考电压，产生一第一及一第二脉冲宽度调变信号；

一选择单元，耦接所述线性调节单元及所述交换调节单元，接收所述第一误差信号及所述第二脉冲宽度调变信号，并输出一调节信号选自所述第一误差信号及所述第二脉冲宽度调变信号二者其中之一；

一第一功率晶体管，耦接所述交换调节单元，并接收所述第一脉冲宽度调变信号；及

一第二功率晶体管，耦接所述选择单元及所述第一功率晶体管，所述第二功率晶体管为N型金氧半场效晶体管并且接收所述调节信号；其中，所述第一及第二功率晶体管的连接点又连接至所述第二输出级单元；

其中，所述电压调节装置的操作状态选自：

一线性调节模式，则所述选择单元选择所述第一误差信号为所述调节信号；及

一交换调节模式，则所述选择单元选择所述第二脉冲宽度调变信号为所述调节信号。

2.根据权利要求第1项所述之电压调节装置，还包括一接地开关，耦接所述第二功率晶体管，且所述接地开关及所述第二功率晶体管的连接点又连接至所述第一输出级单元。

3.根据权利要求2所述的电压调节装置，其中，所述接地开关耦接一接地端，且若所述电压调节装置的操作状态为所述线性调节模式时，则所述接地开关为切断(OFF)；而若所述电压调节装置为所述交换调节模式时，则所述接地开关为导通(ON)。

4.根据权利要求1所述的电压调节装置，还包括一接线点(Bondingpad)，耦接所述第二功率晶体管；其中，若所述电压调节装置的操作状态为所述线性调节模式时，则所述接线点又连接至所述第一输出级单元；而若所述电压调节装置为所述交换调节模式时，则所述接线点又连接至一接地端。

5.根据权利要求1所述的电压调节装置，其中，所述第一功率晶体管为P型金氧半场效晶体管，其栅极接收所述第一脉冲宽度调变信号，其源极被施加一直流电压，且其漏极连接至所述第二功率晶体管。

6.根据权利要求1所述的电压调节装置，其中，所述第二功率晶体管为电流可调式的晶体管。

7.根据权利要求1所述的电压调节装置，其中，所述第二功率晶体管进一步包括：多个并联的N型金氧半场效晶体管。

8.根据权利要求7所述的电压调节装置，其中，所述N型金氧半场效晶体管的栅极接收所述调节信号，且其漏极连接至所述第一功率晶体管。

9.根据权利要求1所述的电压调节装置，其中，所述脉冲宽度调变单元进一步包括：

一第二误差放大器，耦接所述第二输出级单元，比较所述第二分压及所述第二参考电压，并产生一第二误差信号；

一比较器，耦接所述第二误差放大器，比较所述第二误差信号及一三角波或锯齿波的电压信号，并产生一比较信号；及

一前置驱动器，耦接所述比较器，放大所述比较信号，并产生所述第一及一第二脉冲宽度调变信号。

10.根据权利要求1所述的电压调节装置，其中，所述第一输出级单元由多个电阻串接的一第一分压电路所组成。

11.根据权利要求1所述的电压调节装置，其中，所述第二输出级单元由一第二分压电路及一低通滤波电路所组成。

12.根据权利要求11所述的电压调节装置，其中，所述第二分压电路由多个电阻串接组成。

13.根据权利要求11所述的电压调节装置，其中，所述低通滤波电路包括一电容及一电感。