CN102801312B - 电源供应器与降低涟波方法 - Google Patents

Abstract

电源供应器与降低涟波方法。一电源供应器提供一输出电压至一负载，且使该输出电压逼近一目标电压。该方法包含有：比较该输出电压以及该目标电压，以产生一控制信号，其控制该电源供应器的输出电流；以及，依据该控制信号，来改变该目标电压。当该控制信号指出该输出电流增加时，该目标电压被降低。

Description

电源供应器与降低涟波方法

技术领域

本发明是相关于电源供应器以及运用其中的降低涟波方法。

背景技术

对于一些对于供应电压非常敏感的电子装置(像是CPU或是数字相机中的感光元件等)来说，电源供应器所提供的电压变化，往往是必须要被限制在非常小的范围内，否则会造成电子装置的毁损或是误动作。

图1显示一电源供应器10以及一负载12。负载12中，以一电流源14，其汲取的负载电流I_LOAD，代表负载12的轻重，也代表了稳态时，电源供应器10的输出电流I_OUT。

电源供应器10一般是设计的使其输出电压V_OUT可以迅速稳定在一固定的电压值，不论负载12的轻重变化为何。如同图2所示，当负载电流I_LOAD由小变大时，因为输出电流I_OUT没有马上随负载电流I_LOAD增大，输出电压V_OUT暂时的掉下去；但是，随着电源供应器10增加其输出电流I_OUT，输出电压V_OUT很快的就上升回复到电压值V_TAR0。类似的，当负载电流I_LOAD由大变小时，输出电压V_OUT虽然暂时的超过电压值V_TAR0，但是很快地就下降回复到相同的电压值V_TAR0。

只是，有些电子装置非常在乎电源供应器10的电压峰值变化范围(peak-to-peakoutputvoltagevariation)，其在图2中标示为峰值变化ΔV_OUT1。如同图2所示，峰值变化ΔV_OUT1包含了输出电压过高与过低(overshootandundershoot)两个部分。

峰值变化也就是输出电压的涟波(outputvoltageripple)，电路设计者往往困扰于如何降低涟波。

发明内容

本发明的一实施例提供一种降低涟波方法，用于一电源供应器。该电源供应器提供一输出电压至一负载，且使该输出电压逼近一目标电压。该方法包含有：比较该输出电压以及该目标电压，以产生一控制信号；以及，依据该控制信号，来改变该目标电压。当该控制信号指出该输出电流增加时，该目标电压被降低。

本发明的一实施例提供一种电源供应器。该电源供应器提供一输出电压至一负载，且使该输出电压逼近一目标电压。该电源供应器包含有一补偿电路以及一偏移电路。该补偿电路比较该输出电压以及该目标电压，以产生一控制信号。该偏移电路依据该控制信号，改变该目标电压。当该控制信号指出该输出电流增加时，该目标电压被降低。

附图说明

图1显示一电源供应器以及一负载。

图2为一种电源供应器的负载电流与输出电压随时间变化的波形。

图3中的显示两个输出电流I_OUT与目标电压V_TARGET的关系。

图4为另一种电源供应器的负载电流与输出电压随时间变化的波形。

图5A与图5B显示二依据本发明所实施的电流模式升压器。

图6A与图6B显示二依据本发明所实施的LDO。

[主要元件标号说明]

10电源供应器12负载

14电流源16、18线

20a、20b升压器24、26分压电阻

28电感30二极管

32功率开关34电流感测电阻

36补偿电路38误差放大器

40a、40b电压控制电流源42a、42b电阻

46a电源控制器60a、60bLDO

62比较器64误差放大器

66缓冲级70PMOS

72、74NMOSI_LOAD负载电流

I_OFFSET-a、I_OFFSET-b偏移电流I_OFFSET1、I_OFFSET2偏移电流

I_OUT输出电流PN、NN差动输出端

MP0功率元件R1、R2分压电阻

V_COM补偿电压V_CS电流检测电压

V_FB反馈电压V_G控制信号

V_IN输入电压V_OUT输出电压

V_REF参考电压V_TAR0电压值

V_TARGET目标电压ΔV_OUT1、ΔV_OUT2峰值变化

具体实施方式

图3中的两条线显示两个输出电流I_OUT与目标电压V_TARGET的关系。目标电压V_TARGET为电源供应器的输出电压V_OUT所希望达到的目标。线16对应到一传统的电源供应器，其目标电压V_TARGET几乎跟输出电流I_OUT的变化无关，几乎都维持在固定的电压值V_TAR0。线18对应到本发明所实施的一电源供应器，其目标电压V_TARGET随着输出电流I_OUT的增加而下降。图4显示对负载电流I_LOAD的变化所产生的输出电压V_OUT的一种可能的波形，由对应到图3的线18的一电源供应器所产生。从图4与图3可以看出，当负载电流I_LOAD从I_OUT1突然增加到I_OUT2时，目标电压V_TARGET，随着输出电流I_OUT从I_OUT1增加到I_OUT2的过程中，也从V_OUT1降低到V_OUT2。所以，在负载电流I_LOAD为I_OUT2时，输出电压V_OUT便稳定于V_OUT2。相反的，当负载电流I_LOAD从I_OUT2突然下降到I_OUT1时，输出电压V_OUT会从V_OUT2开始变化，最后稳定于V_OUT1。

比较图4与图2后可以发现，如果经过适当的设计，图4中的峰值变化ΔV_OUT2，因为只需要考虑电压过高与过低其中之一就可以了，所以很有可能减少到成为图2中的峰值变化ΔV_OUT1的一半，能够更容易达到一些对电压峰值变化范围敏感的电子装置的要求。

图3中的线18，表示目标电压V_TARGET随着输出电流I_OUT的增加而下降。这样的观念，可以运用各式各样的电源供应器，譬如开关式电源供应器(switchingmodepowersupply，SMPS)或是低压线性稳压器(lowdropout，LDO)。以下将以两个升压器(一种SMPS)以及两个LDO，作为本发明的实施例。但是，本发明不限用于SMPS或是LDO，也可能可以实施于其它没有被举例的电源供应器。

<升压器I>

图5A显示一依据本发明所实施的电流模式(currentmode)升压器20a。电感28、二极管30、功率开关32、电流感测电阻34、分压电阻24与26、以及电源控制器46a彼此的连接方式，为一般的升压架构，此为对于电源供应器为本领域技术人员所能了解，在此不再重述。

电源控制器46a周期性地开关功率开关32，以使输出电压V_OUT的值逼近一目标电压V_TARGET，而这个目标电压V_TARGET是由电源控制器46a决定。在图5A的实施例中，误差放大器38比较其正输入端以及其负输入端的电压。等效上，误差放大器38比较了目标电压V_TARGET与输出电压V_OUT，据以在输出端，也就是补偿电路36的一端，产生补偿电压V_COM。补偿电压V_COM可以视为一控制信号，控制了电流检测电压V_CS的峰值，相对的控制了流经二极管30的输出电流I_OUT。高补偿电压V_COM同时意味了电流检测电压V_CS的高峰值以及高输出电流I_OUT。在一实施例中，补偿电压V_COM越高，电流检测电压V_CS的峰值越高，功率开关32的占空比(dutycycle)也越高。占空比(dutycycle)也就是在一开关周期中，功率开关32为短路的时间百分比。

电源控制器46a有一电压控制电流源(voltage-controlledcurrentsource)40a，其依据补偿电压V_COM，来产生偏移电流I_OFFSET-a，从误差放大器38的正输入端抽取出来。补偿电压V_COM越大，偏移电流I_OFFSET-a越大。电源控制器46a的回馈机制，会调控输出电压V_OUT朝目标电压V_TARGET逼近，使得误差放大器38的正输入端与负输入端虚拟短路(virtuallyshort)，也就是具有相同的电压。所以，目标电压V_TARGET跟固定的参考电压V_REF会有以下公式(I)所示的关系。

V_TARGET*R₂₆/(R₂₄+R₂₆)＝V_REF-I_OFFSET-a*R_42a…(1)

其中，R_X表示电阻X的电阻值。从公式(1)可以发现，当补偿电压V_COM增加，输出电流I_OUT增加，偏移电流I_OFFSET-a就增加，而目标电压V_TARGET就会降低。如此，就可以产生图3中的线18所代表的目标电压V_TARGET与输出电流I_OUT的类似关系，有可能可以降低输出电压的涟波。

<升压器II>

图5B显示一依据本发明所实施的电流模式(currentmode)升压器20b。图5B与图5A相同或类似之处，为对于电源供应器为本领域技术人员所能了解，在此不再重述。图5B与图5A相异之处在于误差放大器38的正负输入端的连接关系。类似地，依据虚拟短路的观念，可以推导出图5B的输出电压V_OUT的目标电压V_TARGET与参考电压V_REF会有以下公式(2)所示的关系。

$\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{TARGET}}*R_{26}/(R_{24}+R_{26})+I_{\mathrm{OFFSET}-b}*(R_{42b}\\ +R_{24}*R_{26}/(R_{24}+R_{26}))=V_{\mathrm{REF}}\end{array}\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\left(2\right)$

从公式(2)中可以推导出，当输出电流I_OUT增加，意味着补偿电压V_COM增加，偏移电流I_OFFSET-b就增加，而目标电压V_TARGET就会降低。

类似图5A的升压器20a，图5B的升压器20b可以产生图3中的线18所代表的目标电压V_TARGET与输出电流I_OUT的类似关系。

图5A中，电压控制电流源40a所产生的偏移电流I_OFFSET-a从误差放大器38的正输入端抽出；在图5B中，电压控制电流源40b所产生的偏移电流I_OFFSET-b从误差放大器38的负输入端注入。在其它实施例中，则可以从误差放大器38的正输入端抽出一偏移电流，并同时从负输入端注入另一偏移电流。

<LDOI>

图6A显示一依据本发明所实施的LDO60a，其中，功率元件PMOSMP0的一输入电源端连接到输入电压V_IN，而一输出电源端提供输出电压V_OUT。分压电阻R1与R2中间的连接点产生反馈电压V_FB，等效上代表了输出电压V_OUT。误差放大器64可以视为一补偿电路，其中具有比较器62以及缓冲级66。比较器62比较参考电压V_REF以及反馈电压V_FB，并从二差动输出端(PN与NN)产生一差动信号。缓冲级66依据差动信号，在功率元件PMOSMP0产生控制信号V_G。控制信号V_G大约决定了输出电流I_OUT。误差放大器64中的电路操作为有一般电路知识者所能了解，在此不再重述。

PMOS70可以视为一偏移电路，其依据控制信号V_G来产生偏移电流I_OFFSET1。PMOS70与PMOSMP0可以大略地视为一电流镜(currentmirror)，所以偏移电流I_OFFSET1大约可以反应输出电流I_OUT。偏移电流I_OFFSET1从差动输出端PN注入。当偏移电流I_OFFSET1为0时，LDO60a会使输出电压V_OUT往一目标电压V_TARGET逼近，而这目标电压V_TARGET会使反馈电压V_FB等于参考电压V_REF。但是，当偏移电流I_OFFSET1为增加时，反馈电压V_FB需要降低，才能维持跟偏移电流I_OFFSET1未增加前一样的差动信号。因此可以推知，偏移电流I_OFFSET1增加时，输出电流I_OUT增加，而目标电压V_TARGET会降低。如此，便可以产生图3中的线18所代表的目标电压V_TARGET与输出电流I_OUT的类似关系，有可能可以降低输出电压的涟波。

<LDOII>

图6B显示一依据本发明所实施的LDO60b。图6B与图6A相同或类似之处，为对于电源供应器有一般电路知识者所能了解，在此不再重述。相异于图6A，图6B中的偏移电路包含有PMOS70、NMOS72以及NMOS74。图6B的偏移电流I_OFFSET1没有注入差动输出端PN，而是再经过由NMOS72与74所构成的电流镜，产生偏移电流I_OFFSET2，由差动输出端NN所抽出。

依据图6A的电路解释，具有一般电路基础者可以推知以下关于图6B的结论。当偏移电流I_OFFSET1为增加时，输出电流I_OUT增加，偏移电流I_OFFSET2增加，而目标电压V_TARGET会降低。所以，LDO60b可以产生图3中的线18所代表的目标电压V_TARGET与输出电流I_OUT的类似关系，有可能可以降低输出电压的涟波。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (6)

1.一种降低涟波方法，用于一电源供应器，该电源供应器提供一输出电压至一负载，且使该输出电压逼近一目标电压，该方法包含有：

比较该输出电压以及该目标电压，以产生一控制信号；以及

依据该控制信号，来改变该目标电压；

其中，当该控制信号指出输出电流增加时，该目标电压被降低，

其中，该电源供应器包含有一误差放大器，具有一正输入端、一负输入端以及一输出端，该方法还包含有：

耦接该正输入端至一参考电压；

耦接该负输入端至该输出电压；

以该输出端的电压作为该控制信号；

依据该输出端的电压，产生一偏移电流；以及

至少进行下列步骤其中之一：

从该负输入端注入该偏移电流；以及

从该正输入端抽出该偏移电流。

2.根据权利要求1所述的降低涟波方法，其中，该电源供应器为一开关式电源供应器，其包含有一功率开关以及一补偿电路，该方法还包含有：

以该补偿电路的一补偿电压作为该控制信号；以及

依据该控制信号，控制该功率开关的占空比。

3.根据权利要求1所述的降低涟波方法，其中，该电源供应器为一低压线性稳压器，其包含有一功率元件，具有一输入电源端、一输出电源端以及一控制端，该输出电源端用以提供该输出电压，该方法包含有：

比较一参考电压以及一反馈电压，并从二差动输出端产生一差动信号，其中，该反馈电压代表该输出电压；

依据该差动信号，于该控制端产生该控制信号；

依据该控制信号来产生一偏移电流；以及

从该二差动输出端至少其中之一，注入或抽出该偏移电流。

4.一种电源供应器，该电源供应器提供一输出电压至一负载，且使该输出电压逼近一目标电压，该电源供应器包含有：

一补偿电路，比较该输出电压以及该目标电压，以产生一控制信号；以及

一偏移电路，依据该控制信号，改变该目标电压；

其中，当该控制信号指出输出电流增加时，该目标电压被降低，其中，该补偿电路包含有一误差放大器，具有一正输入端、一负输入端以及一输出端，其中，该正输入端耦接至一参考电压，该负输入端耦接至该输出电压，该输出端提供该控制信号；以及，该偏移电路依据该控制信号，产生一偏移电流，其注入该负输入端或从该正输入端抽出。

5.根据权利要求4所述的电源供应器，其中，该电源供应器为一开关式电源供应器，其包含有一功率开关以及一补偿电路，该补偿电路的一补偿电压作为该控制信号，其控制该功率开关的占空比。

6.根据权利要求4所述的电源供应器，其中，该电源供应器为一低压线性稳压器，包含有：

一功率元件，具有一输入电源端、一输出电源端以及一控制端，该输出电源端用以提供该输出电压；

该补偿电路包含有：

一比较器，比较一参考电压以及一反馈电压，并从二差动输出端产生一差动信号，其中，该反馈电压代表该输出电压；以及

一缓冲级，依据该差动信号，于该控制端产生该控制信号；以及

该偏移电路，依据该控制信号，产生一偏移电流，并从该二差动输出端至少其中之一，注入或抽出该偏移电流。