CN104375555B

CN104375555B - 电压调节电路及其方法

Info

Publication number: CN104375555B
Application number: CN201310359218.1A
Authority: CN
Inventors: 章彬
Original assignee: Realtek Semiconductor Corp
Current assignee: Realtek Semiconductor Corp
Priority date: 2013-08-16
Filing date: 2013-08-16
Publication date: 2016-09-07
Anticipated expiration: 2033-08-16
Also published as: CN104375555A; TWI521321B; TW201508437A; US20150050900A1

Abstract

一种电压调节电路及其方法，其中电压调节电路包括：一储能电路、一误差放大器、一输出电路以及一反馈电路。储能电路提供一固定电压。误差放大器根据一参考电压和一反馈电压产生一放大电压。输出电路响应放大电压和固定电压中的至少一个将供应电压转换为输出电压。反馈电路根据输出电压产生反馈电压。

Description

电压调节电路及其方法

技术领域

本发明是关于提供稳定电压的技术，特别是关于一种电压调节电路及其方法。

背景技术

电压调节器（voltage regulator）系用来将一供应电压转换成一稳定输出电压的装置，通常设置在供应电源与负载电路之间。好的电压调节器可提供稳定的输出电压，并能在负载发生变化时，快速地稳定住输出电压，以供应负载所需的负载电流。电压调节器大多是利用一误差放大器（erroramplifier）根据反馈电压与参考电压之间的比较结果，控制功率组件的导通状况，并经由功率组件将供应电压转换成输出电压。

在先进的无线通信收发器（transceiver）中，接收器（receiver；RX）与发送器（transmitter；TX）为交互起动，意即接收器与发送器不会同时起动。发送器的起动时间只在通讯的封包（package）要传出的时间区间（burst）。

也就是说，在信号传输过程中常会有间隙时段，而在此间隙时段中，信号输出端会呈现高阻状态（high impedance；hi-Z），当有数据要开始传输，即信号输出端从hi-Z（即待机模式）突然转成输出「0」、「1」或数据流（即正常工作模式）时，电压调节器需要在极短时间内提供较大的负载电流及稳定的输出电压。但是，由于电压调节器中的死循环带宽（closed-loop bandwidth；CLBW）具有一定的起始时间响应，因而导致初期的输出信号的幅度波动，例如：偏小或偏大。

发明内容

在一实施例中，电压调节电路包括：一储能电路、一误差放大器、一输出电路以及一反馈电路。

误差放大器电性连接储能电路。输出电路电性连接储能电路与误差放大器。

储能电路提供一固定电压。误差放大器根据一参考电压和一反馈电压产生一放大电压。输出电路响应放大电压和固定电压中的至少一个将供应电压转换为输出电压。于此，反馈电压与输出电压相关。

在一实施例中，电压稳压方法包括根据一参考电压和一反馈电压之间的差异产生一放大电压、利用一储能电容提供一固定电压、响应放大电压和固定电压中的至少一个将一供应电压转换为一输出电压、以及根据输出电压产生反馈电压。

在另一实施例中，电压稳压方法应用于一无线传输系统，并且此无线传输系统具有一储能电容、一反馈环路及一信号传输电路。在此电压稳压方法中，在无线传输系统的一默认阶段，将储能电容与反馈环路中的一误差放大器导通，并以误差放大器产生的放大电压对储能电容充电，其中当反馈环路进入稳定态时，将储能电容与误差放大器断开。在无线传输系统的一正常会话，启动反馈环路，并将储能电容与反馈环路的一功率组件的控制端导通，以致使功率组件依据储能电容与误差放大器的控制产生一输出电压给信号传输电路。

综上所述，根据本发明的电压调节电路及其方法，利用储能电路使输出电路的控制端的端电压在第一次启动稳定后，就被保证不再有较大变化。一旦数据信号输出端进入高阻状态，储能电路与输出电路断开，以将储能电路的固定电压锁定在可以供应大电流的电压值。一旦需要数据信号输出，导通储能电路与输出电路，并且启动反馈环路，藉以由储能电路提供令输出级输出大电流的稳定态的电压。如此一来，可缩短或避免反馈环路进入稳定态的响应时间，进而有效地减少数据信号传输初期的幅度的波动。

附图说明

图1为根据本发明的电压调节电路的第一实施例的示意图。

图2为根据本发明的电压调节电路的第二实施例的示意图。

图3为根据本发明的无线传输系统的第一实施例的示意图。

图4为根据本发明的无线传输系统的第二实施例的示意图。

图5为图1或图2中相关信号的时序关系的第一实施例的示意图。

图6为图1或图2中相关信号的时序关系的第二实施例的示意图。

具体实施方式

参照图1及图2，电压调节电路100包括误差放大器110、储能电路150以及输出电路170。

误差放大器110的输出端经由第一接点N1电性连接至输出电路170的控制端及储能电路150。输出电路170的输入端电性连接至电源接点NIN，而输出电路170的输出端电性连接至负载接点NOUT。

在负载接点NOUT与误差放大器110的第一输入端之间具有一反馈路径，以构成一反馈环路。误差放大器110的第二输入端电性连接至参考电压VREF，并且参考电压VREF可由信号产生器102提供。信号产生器102可为电压调节电路100的外部组件，亦可为电压调节电路100的内部组件。

误差放大器110的第一输入端接收反馈电压VFB，并且反馈电压VFB与输出电压VOUT相关。误差放大器110根据反馈电压VFB和参考电压VREF之间的差值，产生一放大电压。

于充电状态下，由放大电压对储能电路150充电，以使储能电路150储存有一固定电压。因此，固定电压相当于放大电压。再者，于放电状态下，储能电路150会提供此固定电压给输出电路170。

输出电路170响应其控制端的电压值（即，第一接点N1的端电压VSW）而产生相应于供应电压VIN的输出电压VOUT。于此，端电压VSW相当于放大电压和固定电压中的至少一个。

在一些实施例中，输出电路170可包括一功率组件M1。功率组件M1具有第一端、第二端及控制端。功率组件M1的控制端电性连接至误差放大器110的输出端及储能电路150。功率组件M1的第一端电性连接至电源接点NIN，并接收电源接点NIN所提供的供应电压VIN。功率组件M1的第二端电性连接至负载接点NOUT。功率组件M1将供应电压VIN转换为输出电压VOUT，以于功率组件M1的第二端提供输出电压VOUT。于此，功率组件M1可为一PMOS晶体管或一NMOS晶体管。

在一些实施例中，储能电路150可包括一储能电容CCAP和一第一开关SW0。储能电容CCAP电性连接在电压源与第一开关SW0之间。第一开关SW0的第一端电性连接至储能电容CCAP，并且第一开关SW0的第二端电性连接至误差放大器110的输出端与输出电路170的控制端（功率组件M1的控制端），即，第一接点N1。第一开关SW0的控制端接收一开关信号SCAP，并根据开关信号SCAP控制储能电容CCAP与第一接点N1的导通与否，藉以决定储能电容CCAP的充放电时间。

于此，反馈路径可以信号走线130或分压电阻电路实现。

在一些实施例中，参照图1，在负载接点NOUT及放大器110的第一输入端之间可耦接一信号走线130，以直接透过信号走线130将输出电压VOUT作为反馈电压VFB而提供给误差放大器110。

在一些实施例中，参照图2，在负载接点NOUT及放大器110的第一输入端之间可耦接一分压电阻电路。于此，分压电阻电路可包括一第一电阻R1和一第二电阻R2。第一电阻R1电性连接在误差放大器110的第一输入端和接地之间。第二电阻R2电性连接在负载接点NOUT（即，输出电路170的输出端）和误差放大器110的第一输入端之间。于此，利用第一电阻R1和第二电阻R2取得输出电压VOUT的分压作为反馈电压VFB，并将反馈电压VFB提供给误差放大器110。

以信号传输系统为例说明电压调节电路100的运作，参照图3，信号传输系统TX包括电压调节电路100和信号传输电路200及数字控制电路300。

数字控制电路300电性连接至电压调节电路100的第一开关SW0的控制端和误差放大器110的控制端。数字控制电路300产生控制第一开关SW0的开关信号SCAP及控制误差放大器110的使能信号EN，以决定第一开关SW0和误差放大器110的运作状态。

信号传输电路200具有一个或多个信号输出端210。各个信号输出端210是电性连接在负载接点NOUT和接地之间。

各个信号输出端210可为差动形式或单端形式。以差动形式为例，各个信号输出端210具有二输出接脚Po1<n:1>、Po2<n:1>及数个输出开关。各个信号输出端210的输出接脚Po1<n:1>经由二输出开关分别连接至负载接点NOUT和接地，并且此二输出开关分别以互补的二开关信号、控制。各个信号输出端210的输出接脚Po2<n:1>则经由另二输出开关分别连接至负载接点NOUT和接地，并且此二输出开关分别以互补的二开关信号、控制。并且，在同一信号输出端210中，当输出接脚Po1<n:1>经由输出开关与负载接点NOUT导通且与接地断开时，输出接脚Po2<n:1>经由输出开关与负载接点NOUT断开但与接地导通。于此，信号传输系统TX是通过信号传输电路200的各输出接脚Po1<n:1>、Po2<n:1>以有线或无线的方式连接另一信号传输系统RX中至少一信号输入端410中所对应的输入接脚Pi1<m:1>、Pi2<m:1>。其中，m跟n均为正整数。

电压调节电路100具有一默认阶段P0、一待机阶段P1及一正常会话P2。于此，默认阶段P0是指信号传输系统TX开机后的初始化阶段。信号传输系统TX完成开机后，信号传输系统TX处理可进行数据信号传输但未发生数据信号传输的状态的期间，即为待机阶段P1。换言的，在待机阶段P1，信号输出端210为高阻状态。信号传输系统TX发生数据信号传输的期间，即为正常会话P2。在一些实施例中，信号传输电路200可以间断性地输出数据信号，即信号传输系统TX间断性地进入正常会话P2。

在一些实施例中，在预设阶段P0，第一开关SW0响应开关信号SW0而将储能电容CCAP与第一接点N1导通。并且，信号输出端210中之一的输出开关分别响应开关信号、而将输出接脚Po1<n:1>、Po2<n:1>分别与负载接点NOUT和接地导通。

信号传输系统TX的控制器产生一测试信号，并且经由输出接脚Po1<n:1>、Po2<n:1>发射此测试信号。于此，不确定信号传输系统TX进行信号传输所消耗的电流，例如：信号输入端410是交流（AC）耦合电路，也就是说直流（DC）输入电阻无穷大。因此，对于信号输出端210而言，耗电和工作频率相关，不同的应用频率需要电压调节电路100提供不同的电流。透过测试信号来仿真在正常会话P2中信号传输系统TX的耗电。换言的，测试信号具有一既定频率，即在测试信号中「1」和「0」出现之间隔频率和/或机率与在正常会话P2中所传输的数据信号近似。

同时，使能信号EN启动误差放大器110，以使反馈环路进行运作。此时，反馈路径根据负载接点NOUT的端电压（即，当下的输出电压VOUT）提供反馈电压VFB给误差放大器110。误差放大器110根据参考电压VREF和反馈电压VFB之间的差异产生一放大电压（即，端电压VSW），并以此放大电压对储能电容CCAP进行充电，藉以在第一接点N1处建立合适的端电压VSW。

于此，合适的端电压VSW是指此端电压VSW的电压值达到足以致使功率组件M1供应外部负载所需的输出电压VOUT。端电压VSW的建立时间通常和反馈环路的带宽成比例。即，带宽越小，建立时间越长。

待电压调节电路100的反馈环路进入稳定态（即，合适的端电压VSW建立完成）后，第一开关SW0响应开关信号SW0而将储能电容CCAP与第一接点N1断开，以致使储能电容CCAP箝住此端电压VSW，即，储能电容CCAP储存有电压值等同于稳定态时的端电压VSW的固定电压。然后，电压调节电路100进入待机阶段P1。

换言的，在待机阶段P1，第一开关SW0为断开（OFF），并且信号传输系统TX停止发射测试信号。误差放大器110亦响应使能信号EN而停止运作。此时，储能电容CCAP储存有固定电压。

信号传输系统TX要发射数据信号时，则进入正常会话P2。在正常会话P2，使能信号EN启动误差放大器110，以使反馈环路进行运作。同时，第一开关SW0响应开关信号SW0而将储能电容CCAP与第一接点N1导通，以使储能电容CCAP进行放电。此时，大电流从负载接点NOUT开始输出给外部负载（即，进行数据信号传输的信号输出端210）。于此，利用储能电容CCAP储存的固定电压将第一接点N1的端电压VSW拉到稳定态所需的电压值，因而从功率组件M1流出的电流和预设阶段P0没有大的差异，以致使电压调节电路100不需要很长时间来追稳定态。如此一来，即可确保数据信号的第一笔数据输出时的电学性能。

换句话说，因为储能电容CCAP的电容值远大于功率组件M1的控制端的寄生电容，因此第一接点N1的端电压VSW不再需要前一级的误差放大器110提供大量的电荷，即具有可令输出级（即，输出电路170）提供大电流的稳定态的电压值。再者，亦可使误差放大器110在启动初期即加大其静态电流，而减小反馈环路的带宽。于电压调节电路100稳定后，在把电流恢复到常态。所以输出的数据信号的电学性能不会在信号传输初期有较大不同。

在另一些实施例中，参照图1及图2，电压调节电路100还可包括一阻抗电路190。此阻抗电路190为一可变电阻数组，以于储能电容CCAP进行充电时提供匹配于正常会话P2的信号输出端210的阻抗。

在一些实施例中，阻抗电路190可包括一个或多个阻抗开关SW<n:1>及一个或多个阻抗组件Rarray，并且阻抗开关SW<n:1>与阻抗组件Rarray相互对应。于此实施例中，阻抗开关SW<n:1>与阻抗组件Rarray一对一对应。阻抗开关SW<n:1>电性连接在对应的阻抗组件Rarray与负载接点NOUT之间。

参照图1、图2及图4，在预设阶段P0，第一开关SW0响应开关信号SW0而将储能电容CCAP与第一接点N1导通。数字控制电路300依据于正常会话P2发生数据信号传输的信号信道（即彼此电性导通的信号输出端210和信号输入端410）产生开关信号SC<n:0>，以致使阻抗开关SW<n:1>响应开关信号SC<n:0>而将对应的阻抗组件Rarray与负载接点NOUT导通。

于此，导通（ON）的阻抗开关SW<n:1>的数量是对应于正常会话P2发生数据信号传输的信号信道，以致使阻抗组件Rarray提供一特定阻抗至负载接点NOUT。其中，此特定阻抗相当于正常会话P2发生数据信号传输的信号信道的阻抗，即发生数据信号传输的信号输出端210的等效阻抗（ROUT）和信号输入端410的阻抗RIN的总和（Rarray=ROUT+RIN）。

在一些实施例中，阻抗组件Rarray的数量可对应于信号输出端210的数量，并且此些阻抗组件Rarray的阻抗一对一匹配于信号输出端210的阻抗。因此，当正常会话P2发生数据信号传输的信号输出端210为第一组信号输出端（即，输出接脚Po1<1>、Po2<1>）时，在对储能电容CCAP充电时，即是导通（ON）的第一阻抗开关SW<1>。同样地，当正常会话P2发生数据信号传输的信号输出端210为第二组信号输出端（即，输出接脚Po1<2>、Po2<2>）时，在对储能电容CCAP充电时，即是导通（ON）的第二阻抗开关SW<2>。以此类推的。

待电压调节电路100的反馈环路进入稳定态（即，合适的端电压VSW建立完成）后，第一开关SW0响应开关信号SW0而将储能电容CCAP与第一接点N1断开，并且阻抗开关SW<n:1>响应开关信号SC<n:0>而将对应的阻抗组件Rarray与负载接点NOUT断开。然后，电压调节电路100进入待机阶段P1。

换言的，在待机阶段P1，第一开关SW0和阻抗开关SW<n:1>为断开。误差放大器110亦响应使能信号EN而停止运作。此时，储能电容CCAP储存有固定电压。

在正常会话P2，使能信号EN启动误差放大器110，以使反馈环路进行运作。同时，第一开关SW0响应开关信号SW0而将储能电容CCAP与第一接点N1导通，以使储能电容CCAP进行放电。此时，阻抗开关SW<n:1>仍维持断开，以使功率组件M1产生的大电流从负载接点NOUT输出给外部负载（即，进行数据信号传输的信号输出端210）。

在一些实施例中，当功率组件M1采用PMOS晶体管，使能信号EN、开关信号SW0、数据信号DATA、开关信号SC<n:0>及第一开关SW0的第一端的端电压VB的时序关系如图5所示。

在一些实施例中，当功率组件M1采用NMOS晶体管，使能信号EN、开关信号SW0、开关信号SC<n:0>及第一开关SW0的第一端的端电压VB的时序关系如图6所示。

针对上述两种充电架构（利用测试信号或利用阻抗电路190），在待机阶段P1和正常会话P2，储能电容CCAP亦有可能进行充电。

在一些实施例中，在预设阶段P0完成后信号传输系统TX会进行计时，每隔一时间间隔ΔT则进入预充电状态，以如同预设阶段P0的架构对储能电容CCAP进行充电。

在一些实施例中，信号传输系统TX会侦测储能电容CCAP所储存的固定电压，即侦测端电压VB的漂移量ΔV。当漂移量ΔV大于一阀值时，则进入预充电状态，以如同预设阶段P0的架构对储能电容CCAP进行充电。

Claims

1.一种电压调节电路，包括：

一储能电路，用以提供一固定电压；

一误差放大器，电性连接所述储能电路，根据一参考电压和一反馈电压产生一放大电压；以及

一输出电路，电性连接所述储能电路与所述误差放大器，以响应所述放大电压和所述固定电压中的至少一个将一供应电压转换为一输出电压，其中所述反馈电压与所述输出电压相关，其中所述储能电路包括：

一储能电容，以储存所述固定电压；以及

一第一开关，电性连接在所述储能电容和所述误差放大器的输出端之间以决定所述储能电容的充放电时间。

2.根据权利要求1所述的电压调节电路，其中所述输出电路包括：

一功率组件，所述功率组件的控制端电性连接至所述误差放大器的输出端，将所述供应电压转换为所述输出电压。

3.根据权利要求2所述的电压调节电路，其中所述储能电容的电容值大于所述功率组件的所述控制端的寄生电容。

4.根据权利要求1所述的电压调节电路，其中所述输出电路包括：

一功率组件，所述功率组件的控制端电性连接至所述误差放大器的输出端，以将所述供应电压转换为所述输出电压。

5.根据权利要求1至4中的任一项所述的电压调节电路，其中所述误差放大器选择性以所述放大电压对所述储能电路充电。

6.根据权利要求1至4中的任一项所述的电压调节电路，还包括：

一阻抗电路，电性连接在与所述输出电路的输出端电性连接的负载接点和接地之间，以选择性提供一阻抗至所述负载接点，其中当所述阻抗电路提供所述阻抗至所述负载接点时，所述误差放大器以所述放大电压对所述储能电路充电。

7.根据权利要求1至4中的任一项所述的电压调节电路，还包括：

8.根据权利要求1至4中的任一项所述的电压调节电路，所述电压调节电路进一步包括反馈电路，其中所述反馈电路为一信号走线，以直接将所述输出电压作为所述反馈电压而提供给所述误差放大器。

9.根据权利要求1至4中的任一项所述的电压调节电路，所述电压调节电路进一步包括反馈电路，其中所述反馈电路包括：

一第一电阻，电性连接至所述误差放大器的输入端；以及

一第二电阻，电性连接在与所述输出电路的输出端电性连接的负载接点和所述第一电阻之间。

10.一种电压调节方法，包括：

由误差放大器根据一参考电压和一反馈电压之间的差异产生一放大电压；

利用一储能电路提供一固定电压；

响应所述放大电压和所述固定电压中的至少一个将一供应电压转换为一输出电压；以及

根据所述输出电压产生所述反馈电压，

其中所述储能电路包括：

一储能电容，以储存所述固定电压；以及

11.根据权利要求10所述的电压调节方法，还包括：

以所述放大电压对所述储能电容充电，以致使所述储能电容储存有所述固定电压。

12.根据权利要求11所述的电压调节方法，其中所述以所述放大电压对所述储能电容充电的步骤包括：

根据一时间间隔间歇性地以所述放大电压对所述储能电容充电。

13.根据权利要求11所述的电压调节方法，其中所述以所述放大电压对所述储能电容充电的步骤包括：

侦测所述固定电压；以及

当所述固定电压的漂移量大于一阀值时，以所述放大电压对所述储能电容充电。

14.根据权利要求11所述的电压调节方法，其中所述以所述放大电压对所述储能电容充电的步骤包括：

电性导通一内部阻抗至输出所述输出电压的一负载接点；以及

电性导通所述储能电容至所述放大电压。

15.根据权利要求11所述的电压调节方法，其中所述以所述放大电压对所述储能电容充电的步骤包括：

经由电性连接所述输出电压的一信号输出端输出一测试信号；以及

电性导通所述储能电容至所述放大电压。

16.一种电压调节方法，应用于一无线传输系统，所述无线传输系统具有一储能电容、一反馈环路及一信号传输电路，所述电压调节方法包括：

在所述无线传输系统的一默认阶段，将所述储能电容与所述反馈环路中的一误差放大器导通并以所述误差放大器产生的一放大电压对所述储能电容充电，其中当所述反馈环路进入稳定状态时，将所述储能电容与所述误差放大器断开；以及

在所述无线传输系统的一正常会话，启动所述反馈环路并将所述储能电容与所述反馈环路的一功率组件的控制端导通，以致使所述功率组件依据所述储能电容与所述误差放大器的控制产生一输出电压给所述信号传输电路，其中，所述正常会话是指所述无线传输系统发生数据信号传输的期间。

17.根据权利要求16所述的电压调节方法，其中在所述默认阶段还包括：

将一阻抗导通至所述功率组件的输出端，其中当所述反馈环路进入稳定状态时，将所述阻抗与所述功率组件断开。

18.根据权利要求16所述的电压调节方法，其中在所述默认阶段还包括：

以所述信号传输电路发射一测试信号。

19.根据权利要求16所述的电压调节方法，其中在所述正常会话还包括：

侦测所述储能电容中储存的固定电压；以及

当所述固定电压的漂移量大于一阀值时，将一阻抗导通至所述功率组件的输出端，以致使所述放大电压对所述储能电容充电。

20.根据权利要求16所述的电压调节方法，其中在所述正常会话还包括：

根据一时间间隔间歇性地将一阻抗导通至所述功率组件的输出端，以致使所述放大电压对所述储能电容充电。