CN103383581A

CN103383581A - 一种具暂态响应增强机制的电压调节装置

Info

Publication number: CN103383581A
Application number: CN2012101374417A
Authority: CN
Inventors: 王士伟
Original assignee: Realtek Semiconductor Corp
Current assignee: Realtek Semiconductor Corp
Priority date: 2012-05-04
Filing date: 2012-05-04
Publication date: 2013-11-06
Anticipated expiration: 2032-05-04
Also published as: CN103383581B

Abstract

本发明涉及一种电压调节装置，其包括：一功率晶体管，具有一控制端、一用以接收一供应电压的第一端、及一用以提供一输出电压的第二端；一反馈电路，耦接该第二端，用以根据该输出电压产生一反馈电压；一放大器，用以依据一参考电压与该反馈电压，通过该放大器的一源电流单元及一沉电流单元来驱动该控制端；以及一暂态增强单元，用以检测该源电流单元及该沉电流单元，并依据该检测结果来调整该控制端的一电压。

Description

一种具暂态响应增强机制的电压调节装置

技术领域

本发明关于一种电压调节装置，尤其是关于一种具暂态响应增强机制的电压调节装置。

背景技术

电压调节器(Voltage regulator)用以将未经调节的电压转变为特定电压的稳定直流电压，广泛应用于便携式的电子产品中，例如移动电话、笔记本电脑、及个人数字助理(PDA)等。由于便携式的移动设备对于低功率耗损和高可靠性的高规格要求，使得电压调节器的设计与制造极具挑战性。

当电压调节器所输出供电的电路从一种负载状态切换到另一种负载状态时，电压调节器的负载可能会产生快速的变化，而这种负载的快速变化将使电压调节器的输出电压产生暂态的尖峰脉冲。大部份的数字电路对此类的电压遽变会有不良的反应。因此，有必要改善电压调节器的负载暂态响应，同时也能抑制其内部的静态电流，以期电压调节器具有更弹性的应用与良好的操作性能，并进而延长便携式移动装置的电池使用时间。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种具有快速负载暂态响应且在静态时也能降低内部电流消耗的电压调节装置，以改善现有技术的问题。

根据本发明的一实施例，其提供一种电压调节装置，包括：一功率晶体管，具有一控制端、一用以接收一供应电压的第一端、及一用以提供一输出电压的第二端；一反馈电路，耦接该第二端，用以根据该输出电压产生一反馈电压；一放大器，用以依据一参考电压与该反馈电压，通过该放大器的一源电流单元及一沉电流单元来驱动该控制端；以及一暂态增强单元，用以检测该源电流单元及该沉电流单元，并依据该检测结果来调整该控制端的一电压。该暂态增强单元可包括：一控制单元，包含一比较器，用以根据该源电流单元的一源电流与该沉电流单元的一沉电流进行比较以产生该检测结果；以及一电流源，包含一第一电流单元及一第二电流单元，用以依据该检测结果来调整该控制端的该电压。

根据本发明的另一实施例，其提供一种电压调节装置，包括：一功率晶体管，具有一控制端、一用以接收一供应电压的第一端、及一用以提供一输出电压的第二端；一反馈电路，用以根据该输出电压产生一反馈电压；一放大器，用以接收一参考电压与该反馈电压，并通过该放大器的一源电流单元及一沉电流单元来驱动该控制端；以及一暂态增强单元，用以检测该源电流单元及该沉电流单元，并依据该检测结果来对该控制端充电或使该控制端放电。该暂态增强单元可包括：一控制单元，用以根据该源电流单元的一源电流与该沉电流单元的一沉电流进行比较以产生该检测结果；或更包括一电流源，用以当该源电流大于该沉电流的一预设倍数时，流入电流至该控制端。

附图说明

图1为根据本发明实施例的电压调节装置的电路示意图。

图2为根据本发明另一实施例的电压调节装置的电路示意图。

图3为根据本实施案例的暂态增强单元的电路结构图。

其中，附图标记说明如下：

100/200 电压调节装置

110 功率晶体管

120 反馈电路

130 放大器

I_P 源电流(单元)

I_N 沉电流(单元)

140 暂态增强单元

142 控制单元

143 比较器

145 电流源

248 第一开关

249 第二开关

IPE 第一电流源

INE 第二电流源

IC 充电电流

ID 放电电流

VS 供应电压

Vo 输出电压

Vd 分压

Vramp 参考电压信号

Vg 栅极电压

R1、R2 电阻及

C 电容

RESR 等效串联电阻

310/330/340/370/380/390 P沟道的金氧半导体(PMOS)

311/331/341/371/381/391 N沟道的金氧半导体(NMOS)

具体实施方式

请参考图1，其为根据本发明实施例的电压调节装置的电路示意图，用以说明具暂态响应(Transient Response)增强机制的电压调节装置的电路操作。由于电压调节器(Voltage regulator)又称为稳压器，或简称为调节器(Regulator)，因此在本说明书的上下文中，电压调节器、稳压器、及调节器皆属于本发明所指称的电压调节装置。本实施例可适用于各种线性稳压器(Linear regulator)或切换式稳压器(Switching regulator)的电路设计，而图1以低压差(Low drop out,LDO)线性稳压器为例。

如图1所示，本实施例的电压调节装置100包含一功率晶体管110、一反馈电路120、一放大器130、以及一暂态增强单元140。该功率晶体管110具有三个端埠，分别是控制端、第一端、及第二端，该第一端接收该电压调节装置100的供应电压VS，而该第二端提供该电压调节装置100一输出电压VO；也就是说，该电压调节装置100在该功率晶体管110的第二端处输出其输出电压V_O，以供电给外部的电路或装置使用。此外，该功率晶体管110可藉由一金氧半导体(MOS)来实现，本实施例采用P沟道的金氧半导体(PMOS)，其控制端为栅极，且其第一端及第二端分别为源极及漏极。

为了形成线性稳压器的输出电压调节机制，该反馈电路120连接该第二端以接收该输出电压V_o，并利用该输出电压V_o的电压值，将部分的输出电压值反馈供予该放大器130，以作为其非反向(Non-inverting)输入端的输入信号。该反馈电路120包含一分压电路，该分压电路可由二个电阻R₁及R₂串接而成，并在该等电阻R₁及R₂的连接点，利用电阻分压方式而取出该输出电压V_o的分压V_d，作为如上所述的反馈电压，但反馈电路120的反馈方式不以此为限。请参考图1，该输出电压V_o的输出端点上可能会具有一环境电容C、一等效的串联电阻R_ESR、及接受供电的外部电路所形成的等效负载(未图示)。

该放大器130对其非反向输入端及反向(Inverting)输入端的输入信号差值进行放大，以驱动该功率晶体管110。该放大器130的非反向输入端及反向输入端分别接受来自该输出级120的分压V_d的反馈电压信号以及一参考电压信号V_ramp，且其输出电压连接至该功率晶体管110的控制端。该放大器130的输出级具有一源电流(Source Current)单元I_P与一沉电流(Sink Current)单元I_N，其电流分别为源电流I_P及沉电流I_N。该放大器130的输岀端连接至该功率晶体管110的控制端，其输出电流为该源电流I_P与该沉电流I_N的差值，用以驱动该功率晶体管110。该功率晶体管110藉由该源电流I_P或沉电流I_N来充电或放电，以使其栅极电压V_g升高或降低。其中，该源电流单元可以由PMOS来实现，该沉电流单元可以由NMOS实现。

该暂态增强单元140用以检测该放大器130的源电流I_P及沉电流I_N，藉以判别该电压调节装置100的操作状态是处于第一状态(例如，稳态)或是第二状态(例如，暂态)，并依据其检测结果来调整该功率晶体管110的栅极电压V_g或依据该检测结果来对该栅极充电或使该栅极放电。

在本实施例中，当该电压调节装置100处于稳态时，亦即输出电压V_o稳定或仅缓慢变化，而该功率晶体管110的栅极电压V_g也为稳定或缓慢变化，该源电流I_P大致上与该沉电流I_N相等或两者相差不大(例如，源电流I_P在小于两倍的沉电流I_N的范围内，或沉电流I_N在小于两倍的源电流I_P的范围内)，此时该放大器130没有或仅缓慢地通过该源电流I_P或沉电流I_N来对该功率晶体管110的栅极充电或放电以调整其电压。

另一方面，若当该电压调节装置100的输出供电的电路从一种负载状态切换到另一种负载状态时，该电压调节装置100的负载电流或其输出电流可能会产生快速变化，而这种快速变化将使其输出电压V_o产生暂态的尖峰脉冲，此时因为反馈的机制将亦使得该功率晶体管110的栅极电压V_g产生较大的变化。若V_g的变化太大，因为功率晶体管110的面积相当大，使得源电流I_P或沉电流I_N需以其一电流较另一电流相对大很多(例如，源电流I_P大于两倍的沉电流I_N，或沉电流I_N大于两倍的源电流I_P)来对该功率晶体管110的栅极充电或放电。在没有暂态增强单元140的情况下，需花相当长的时间才能将栅极电压V_g充电或放电至所需电位；若为了让栅极电压V_g得以快速调整，则须使源电流I_P或沉电流I_N以大电流来实现，但如此一来于稳态时其所消耗的电流也会随之变大。而本发明的暂态增强单元140将藉由其对该放大器130的源电流I_P及沉电流I_N的检测，通过其内部电路的设计，例如利用一切换迟滞性，在当该源电流I_P大于该沉电流I_N一预设倍数(例如，两倍)或该沉电流I_N大于该源电流I_P一预设倍数(例如，两倍)，判断压调节装置100操作于第二状态(例如，暂态)，而利用一较大的电流源使该功率晶体管110的控制端电压V_g快速升高或降低，以快速驱动该功率晶体管110来提供接受供电的外部电路所需要的负载电流与较为稳定的输出电压。

该暂态增强单元140可包括一控制单元142及一电流源145。该控制单元142连接至该放大器130，用以根据该源电流I_P与该沉电流I_N进行比较以产生一检测结果，当该源电流I_P大于该沉电流I_N一预设倍数时，该控制单元142使该电流源145流入电流至该控制端(栅极电压V_g)，以使该控制端的电压V_g升高；而当该沉电流I_N大于该源电流I_P一预设倍数时，该控制单元142接收该控制端流出的电流，以使该控制端的电压V_g降低。例如，当该沉电流I_N大于两倍的该源电流I_P或是该源电流I_P大于两倍的该沉电流I_N时，该控制单元142可将该电流源145连接至该功率晶体管110的控制端(栅极电压V_g)，藉由对该功率晶体管110的栅极的充电或放电，以回应此操作状态的变动。而该电流源I_E的电流驱动能力例如可为该源电流I_P或该沉电流I_N的5倍，而此倍数依据不同系统的稳定度与速度的实际应用考量而定，本发明不以此为限。

以下说明本实施例的电压调节装置100的电路操作。请参考图1，当负载电流缓慢地变大时(第一状态)，该电压调节装置100的输出电压V_o缓慢降低，而连带造成该放大器130非反向输入端的反馈电压缓慢降低，此时该沉电流IN会大于该源电流I_P，而将该功率晶体管110的控制端电压V_g缓慢地往下拉，使得该功率晶体管110可缓慢地提高其输出端的负载电流，以回应负载电流缓慢变大的状况。当负载电流急遽或瞬间地变大时(第二状态)，该暂态增强单元140会对该源电流IP及该沉电流IN的变化进行迟滞性(Hysteresis)的比较，当该沉电流I_N远大于该源电流I_P，或是本实施例所设定的该沉电流I_N大于两倍的该源电流I_P时，该暂态增强单元140将会提供该电流源145的输出电流I_D作为放电电流，以回应此暂态负载变动的增强电流，并藉由放电作用而将该功率晶体管110控制端电压V_g迅速下拉至所需的电压，使该功率晶体管110可以最短的时间提高其输出端的负载电流，以回应负载电流急遽变大的状况。以上所述为稳压器的向上追踪负载电流(UpTracking Load Current)的电路操作状况。

另一方面，以下则为向下追踪负载电流(Down Tracking Load Current)的电路操作。当负载电流缓慢地变小时(第一状态)，该电压调节装置100的输出电压V_o缓慢上升，而连带造成该放大器130非反向输入端的反馈电压缓慢上升，此时该源电流I_P会大于该沉电流I_N，而将该功率晶体管110的控制端电压V_g缓慢地往上拉，使得该功率晶体管110可缓慢地降低其输出端的负载电流，以回应负载电流缓慢变小的状况。当负载电流急遽或瞬间地变小时(第二状态)，该暂态增强单元140会对该源电流I_P及该沉电流I_N的变化进行迟滞性的比较，当该源电流I_P远大于该沉电流I_N，或是本实施例所设定的该源电流I_P大于两倍的该沉电流I_N时，该暂态增强单元140将会提供该电流源145的输出电流I_C作为充电电流，以回应此暂态负载变动的增强电流，并藉由充电作用而将该功率晶体管110的控制端电压V_g迅速上拉至所需的电压位准，使该功率晶体管110可以最短的时间降低其输出端的负载电流，以回应负载电流急遽变小的状况。

此外，图2为根据本发明另一实施例的电压调节装置200的电路示意图，其电路结构大致上相同于如图1的实施例，其中该暂态增强单元140所提供的电流采用类似该放大器130的源电流I_P及沉电流I_N的对称结构，而使电流源包含一第一电流源I_PE及一第二电流源I_NE，用以依据该控制单元142的检测结果来调整该控制端电压V_g。此时可搭配二个开关，包含一第一开关248连接该第一电流源I_PE，及一第二开关249连接该第二电流源I_NE。当该放大器130的源电流I_P大于该沉电流I_N一预设倍数时，该控制单元142利用该第一电流单元I_PE使该控制端电压V_g升高。在本实施例中，该控制单元142可藉由一比较器来实现，该比较器利用电流镜等比例复制该源电流I_P及该沉电流I_N并进行比较以产生一控制信号，藉以控制该第一开关248及该第二开关249的打开或关闭。此外，该比较器具有切换迟滞性，藉以实现对该第一及第二开关248及249的控制；例如，倘若该沉电流I_N大于两倍的该源电流I_P，则该控制单元142导通该第二开关249，以提供该第二电流源I_NE的电流来驱动该功率晶体管110；另倘若该源电流I_P大于两倍的该沉电流I_N，则该控制单元142导通该第一开关248，以提供该第一电流源I_PE的电流来驱动该功率晶体管110。本实施例的其他元素或组件同于如图1的实施例，在此不再赘述。

接着举例说明第二实施例中该暂态增强单元的电路实施案例。图3为根据本实施案例的暂态增强单元的电路结构图，其中，V_S为该电压调节装置的供应电压，且该暂态增强单元包含六个P沟道的金氧半导体(以下简称PMOS)及六个N沟道的金氧半导体(以下简称NMOS)。PMOS 330的栅极接收来自该放大器130的源电流I_P的偏压信号，而NMOS 331的栅极接收来自该放大器130的沉电流I_N的偏压信号，两者分别结合NMOS 341及PMOS 340而组成电流镜(Current mirror)的架构，用以复制与该源电流I_P及该沉电流I_N等比例的电流。该等PMOS 330、340、380及390以及该等NMOS 331、341、381及391的组合可用以实现第二实施例所述的控制单元或比较器，其可根据该源电流I_P与该沉电流I_N进行比较并产生对应的控制信号来控制PMOS 370与NMOS 371的打开或关闭。

PMOS 310的源级连接该供应电压V_S，汲级连接该第一开关，且栅极被提供以一第一预设电压V_BP，以使该PMOS 310能提供一固定的电流，因而可作为第二实施例所述的第一电流源。NMOS 311的源级接地，汲级连接该第二开关，且栅极被提供以一第一预设电压V_BN，以使该NMOS 311能提供另一固定的电流，因而可作为第二实施例所述的第二电流源。PMOS 370可作为第二实施例所述的第一开关，其栅极连接至该PMOS 390的漏极，且NMOS 371可作为第二实施例所述的第二开关，其栅极连接至NMOS 391的漏极，以分别接受前级的控制单元或比较器所产生的控制信号。

当本实施例的电压调节装置处于稳态时，该放大器130的源电流I_P大致上会等于沉电流I_N；或是例如，源电流I_P在小于两倍的沉电流I_N的范围内，或沉电流I_N在小于两倍的源电流I_P的范围内。因此，图3的实施例的PMOS370(作为第一开关)及NMOS 371(作为第二开关)会被关闭(off)，则本实施例的暂态增强单元将不会提供该功率晶体管110暂态增强用的电流。然而，当本实施例的电压调节装置处于暂态时，例如，该放大器130的源电流I_P大于两倍的沉电流I_N，则PMOS 370会被打开(on)，而使PMOS 310(作为第一电流源I_PE)的电流对该功率晶体管110的控制端充电以提高其电压，以增强其负载变动时的暂态响应，而此时NMOS 371为关闭(off)；另外，倘若该放大器130的沉电流I_N大于两倍的源电流I_P，则NMOS 371会被打开(on)，而使NMOS 311(作为第二电流源I_NE)的电流能提供给该功率晶体管110的控制端放电以降低其电压，以增强其负载变动时的暂态响应，而此时PMOS 370为关闭(off)。其中，PMOS 310或NMOS 371的电流驱动能力例如可大于源电流I_P或沉电流I_N的5倍。

综上所述，本发明可利用暂态增强单元来加速电压调节装置对暂态负载状况改变时的响应，且不会在稳态负载时消耗额外的电流，因此也可保持很小的静态电流。唯以上所述者，仅为本发明的较佳实施例，当不能以之限制本发明的范围。

Claims

1.一种电压调节装置，其包括：

一功率晶体管，具有一控制端、一用以接收一供应电压的第一端、及一用以提供一输出电压的第二端；

一反馈电路，耦接该第二端，用以根据该输出电压产生一反馈电压；

一放大器，用以依据一参考电压与该反馈电压，通过该放大器的一源电流单元及一沉电流单元来驱动该控制端；以及

一暂态增强单元，用以检测该源电流单元及该沉电流单元，并依据该检测结果来调整该控制端的一电压。

2.如权利要求1的电压调节装置，其中该暂态增强单元包括：

一控制单元，包含一比较器，用以根据该源电流单元的一源电流与该沉电流单元的一沉电流进行比较以产生该检测结果；以及

一电流源，包含一第一电流单元及一第二电流单元，用以依据该检测结果来调整该控制端的该电压。

3.如权利要求2的电压调节装置，其中当该源电流大于该沉电流一预设倍数时，该控制单元利用该第一电流单元使该控制端的该电压升高。

4.如权利要求2的电压调节装置，其中当该沉电流大于该源电流一预设倍数时，该控制单元利用该第二电流单元使该控制端的该电压降低。

5.如权利要求2的电压调节装置，其中该比较器具有一切换迟滞性，当该源电流大于该沉电流超过二倍时，该控制单元控制该第一电流单元流入电流至该控制端以使该控制端的该电压升高。

6.如权利要求2的电压调节装置，其中该比较器具有一切换迟滞性，当该沉电流大于该源电流超过二倍时，该控制单元使该控制端经由该第二电流单元流出电流以使该控制端的该电压降低。

7.如权利要求2的电压调节装置，其中该第一电流单元的电流驱动能力大于该源电流单元的电流驱动能力的五倍。

8.如权利要求2的电压调节装置，其中该第二电流单元的电流驱动能力大于该沉电流单元的电流驱动能力的五倍。

9.一种电压调节装置，其包括：

一反馈电路，用以根据该输出电压产生一反馈电压；

一放大器，用以接收一参考电压与该反馈电压，并通过该放大器的一源电流单元及一沉电流单元来驱动该控制端；以及

一暂态增强单元，用以检测该源电流单元及该沉电流单元，并依据该检测结果来对该控制端充电或使该控制端放电。

10.如权利要求9的电压调节装置，其中该暂态增强单元包括：

一控制单元，用以根据该源电流单元的一源电流与该沉电流单元的一沉电流进行比较以产生该检测结果。

11.如权利要求10的电压调节装置，其中该暂态增强单元进一步包括：

一电流源，用以当该源电流大于该沉电流的一预设倍数时，流入电流至该控制端。

12.如权利要求10的电压调节装置，其中该暂态增强单元进一步包括：

一电流源，用以当该沉电流大于该源电流一预设倍数时，接收该控制端流出的电流。