CN105652949A - 具软启动电路的电压调整器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具软启动电路的电压调整器，包括：运算放大器，具有第一输入端接收控制电压、一第二输入端接收反馈电压，输出端产生误差信号；晶体管，具有栅极接收误差信号，第一端接收电源电压，以及第二端连接至电压调整器的输出端；其中，电压调整器的输出端产生输出电压；第一电阻，具有第一端连接至电压调整器输出端，第二端连接至运算放大器的第二输入端；第二电阻，具有第一端连接至第一电阻的第二端，第二端连接接地电压；其中，第二电阻的第一端产生反馈电压；输出电压延迟电路，接收该输出电压并产生一延迟的输出电压；以及选择电路，具有第一输入端接收参考电压，第二输入端接收延迟的输出电压，输出端产生控制电压。

Description

具软启动电路的电压调整器
技术领域
本发明涉及一种电压调整器，且特别涉及一种具软启动电路的电压调整器。
背景技术
请参照图1A与图1B，其所绘示为公知电压调整器(voltageregulator)及其相关信号示意图。电压调整器100为一种低压差电压调整器(lowdropoutvoltageregulator，简称LDO电压调整器)，其包括：包括：一参考电压Vref、一晶体管MP、一运算放大器OP、电阻R1与电阻R2。
于电压调整器100中，运算放大器OP受控于致能信号EN，其负输入端接收参考电压Vref，正输入端接收反馈电压Vfb，输出端产生一误差信号(errorsignal)Ve。晶体管MP栅极连接至运算放大器OP输出端，源极连接至一电源电压Vcc，漏极接至电压调整器100的输出端O。再者，电阻R1第一端连接至晶体管MP漏极，电阻R1第二端连接至节点a；电阻R2第一端连接至节点a，电阻R2第二端连接至接地电压GND。再者，节点a产生反馈电压Vfb，且节点a连接至运算放大器OP的正输入端。
再者，电压调整器100的输出端O连接至一稳压电容器(Bulkcapacitor)Cb与负载110。于电压调整器100正常运作时，误差信号Ve可以控制晶体管Mp产生输出电压Vout。并且，稳压电容器Cb可以稳定地维持电压调整器100产生的输出电压Vout，使得电压调整器100的输出端O产生输出电流Io至负载(load)110。基本上，输出电压Vout＝(1+R1/R2)×Vref。
然而，由于稳压电容器(bulkcapacitor)Cb的电容值较大。于公知电压调整器100的启动(startup)瞬间，输出端O会产生较大的输出电流Io，并且可能导致负载110或者晶体管MP的损毁。以下详细介绍各种启动情况下，电压调整器100的输出电压Vout与输出电流Io之间的关系。
如图1B所示，电压调整器100于时间点t1启动时，致能信号EN为高电平代表运算放大器OP可正常运作，且电源电压Vcc以斜坡(ramp)的方式上升。很明显地，于电源电压Vcc上升的过程，会使得输出电压Vout产生过冲现象(overshoot)120，并且输出电流Io也会有不稳定的情况。
再者，于时间点t2时，电源电压Vcc已经为稳态的3.3V，而致能信号EN由低电平切换为高电平。很明显地，当运算放大器OP开始运作的瞬间，也会使得电压调整器100产生的输出电压Vout有过冲现象122，而此时的输出电流Io为大于2A(2000mA)的冲击电流(rushcurrent)。因此，输出电流Io很可能烧毁负载110或晶体管MP。
再者，于时间点t3时，而致能信号EN为高电平，且电源电压Vcc由0V快速上升至3.3V。很明显地，当电压调整器100的启动瞬间，电压调整器100产生的输出电压Vout有过冲现象124，而此时的输出电流Io为大于0.5A(500mA)的冲击电流(rushcurrent)。因此，输出电流Io很可能烧毁负载110或晶体管MP。
一般来说，当电压调整器100的启动瞬间时，运算放大器OP的二个输入端之间的电压差(voltagedifference)太大，造成晶体管MP产生大的输出电流Io以及过冲现象的输出电压Vout。
而为了防止电压调整器在启动瞬间产生大的冲击电流，美国专利US8,704,506、US7,459,891、US7,619,397与US6,969,977揭露了各种软启动电路(soft-startcircuit)，并将软启动电路运用于电压调整器，用来降低电压调整器在启动瞬间产生的冲击电流。
发明内容
本发明的目的在于提出一种具软启动电路的电压调整器。此软启动电路架构简单，可以有效地消除输出电压Vout的过冲现象与冲击电流。
本发明公开了一种电压调整器，包含：一运算放大器，具有一第一输入端接收一控制电压、具有一第二输入端接收一反馈电压，以及具有一输出端产生一误差信号；一晶体管，具有一栅极连接至该运算放大器的该输出端并接收该误差信号，具有一第一端接收一电源电压，以及具有一第二端连接至该电压调整器的一输出端；其中，该电压调整器的该输出端产生一输出电压；一第一电阻，具有一第一端连接至该电压调整器的该输出端，具有一第二端连接至该运算放大器的该第二输入端；一第二电阻，具有一第一端连接至该第一电阻的该第二端，具有一第二端连接一接地电压；其中，该第二电阻的该第一端产生该反馈电压；一输出电压延迟电路，连接至该电压调整器的该输出端用以接收该输出电压，并产生一延迟的输出电压；以及一选择电路，具有一第一输入端接收一参考电压，具有一第二输入端接收该延迟的输出电压，具有一输出端产生该控制电压至该运算放大器的该第一输入端；其中，当该参考电压大于该延迟的输出电压时，该选择电路以该延迟的输出电压作为该控制电压；以及，当该参考电压小于该延迟的输出电压，该选择电路以该参考电压作为该控制电压。
为了对本发明的上述及其他方面有更佳的了解，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下：
附图说明
图1A与图1B所绘示为公知电压调整器及其相关信号示意图。
图2A与图2B所绘示为本发明电压调整器及其相关信号示意图。
图3A与图3B所绘示为输出电压延迟电路的二种实施例。
图4A与图4B所绘示为选择电路的二种实施例。
其中，附图标记说明如下：
100：电压调整器
110：负载
120、122、124：过冲现象
200：电压调整器
210：选择电路
212：比较器
214：反相器
216：第一传输闸
218：第二传输闸
220：输出电压延迟电路
222：单增益缓冲器
230：负载
具体实施方式
请参照图2A与图2B，其所绘示为本发明电压调整器及其相关信号示意图。电压调整器200为电压调整器，其包括：一参考电压Vref、一选择电路(selectingcircuit)210、一晶体管MP、一运算放大器OP、一输出电压延迟电路(outputvoltagedelayingcircuit)220、电阻R1与电阻R2。其中，软启动电路由选择电路210与输出电压延迟电路220所组成。
根据本发明的实施例，选择电路210的二输入端接收参考电压Vref以及延迟的输出电压(delayedoutputvoltage)Vss，并在选择电路210的输出端产生一控制电压Vr。当参考电压Vref大于延迟的输出电压Vss时，选择电路210以延迟的输出电压Vss作为控制电压Vr。反之，当参考电压Vref小于延迟的输出电压Vss时，选择电路210以参考电压Vref作为控制电压Vr。
再者，于电压调整器200中运算放大器OP受控于致能信号EN，其负输入端接收控制电压Vr，正输入端接收反馈电压Vfb，输出端产生一误差信号Ve。晶体管MP栅极连接至运算放大器OP输出端，源极连接至一电源电压Vcc，漏极接至电压调整器200的输出端O。再者，电阻R1第一端连接至晶体管MP漏极，电阻R1第二端连接至节点a；电阻R2第一端连接至节点a，电阻R2第二端连接至接地电压GND。再者，节点a产生反馈电压Vfb，且节点a连接至运算放大器OP的正输入端。另外，输出电压延迟电路220连接于电压调整器200的输出端O以及选择电路210之间，用以接收输出电压Vout并产生延迟的输出电压Vss至选择电路210。
再者，电压调整器200的输出端O连接至一稳压电容器(Bulkcapacitor)Cb与负载230。于电压调整器200正常运作时，误差信号Ve可以控制晶体管Mp产生输出电压Vout。并且，稳压电容器Cb可以稳定地维持电压调整器200产生的输出电压Vout，使得电压调整器200的输出端O产生输出电流Io至负载230。基本上，输出电压Vout＝(1+R1/R2)×Vref。
根据本发明的实施例，于电压调整器200的启动瞬间，软启动电路输出的控制电压Vr可使得运算放大器OP的二输入端具备较低的电压差(voltagedifference)，用以降低输出电压Vout的过冲现象。
换句话说，于电压调整器200的启动瞬间，由于输出电压Vout与反馈电压Vfb都很小。此时，选择电路210将延迟的输出电压Vss作为控制电压Vr并输入运算放大器OP的负输入端。因此，运算放大器OP的正负二输入端分别接收反馈电压Vfb与延迟的输出电压Vss，由于运算放大器OP的二输入端具备较低的电压差，可以有效地防止输出电压Vout的过冲现象与冲击电流。
再者，于电压调整器200的启动瞬间之后，当延迟的输出电压Vss大于参考电压Vref时，选择电路210将参考电压Vref作为控制电压Vr并输入运算放大器OP的负输入端。因此，运算放大器OP的正负二输入端分别接收反馈电压Vfb与参考电压Vref，使得电压调整器200的输出端O产生稳定的输出电压Vout。
如图2B所示，电压调整器200于时间点t1启动时，致能信号EN为高电平代表运算放大器OP可正常运作，且电源电压Vcc以斜坡(ramp)的方式上升。很明显地，于电源电压Vcc上升的过程，输出电压Vout已无过冲现象产生。再者，最大的输出电流Io约在90mA。
再者，于时间点t2时，电源电压Vcc已经为稳态的3.3V，而致能信号EN由低电平切换为高电平。很明显地，当运算放大器OP开始运作的瞬间，输出电压Vout已无过冲现象产生，且最大的输出电流Io约在90mA。
再者，于时间点t3时，而致能信号EN为高电平，且电源电压Vcc由0V快速上升至3.3V。很明显地，当电压调整器200的启动瞬间，输出电压Vout已无过冲现象产生，且最大的输出电流Io约在90mA。
由以上的说明可知，本发明利用输出电压延迟电路220搭配选择电路210形成的软启动电路可以有效地降低电压调整器200启动瞬间的输出电流Io并防止输出电压Vout的过冲现象产生。
请参照图3A与图3B，其所绘示为输出电压延迟电路的二种实施例。如图3A所示，输出电压延迟电路220包括一电阻R3与一电容器C1，电阻R3第一端接收输出电压Vout，电阻R3第二端连接至电容器C1第一端，电容器C1第二端连接至接地电压GND。再者，电阻R3第二端可产生延迟的输出电压Vss至选择电路210。根据本发明的实施例，时间常数(timeconstant)R3×C1可以决定输出电压延迟电路220的延迟时间。当延迟时间越大时，启动瞬间的输出电压Vout具有较低的上升斜率，以及较小的过冲现象。反之，当延迟时间越小时，启动瞬间的输出电压Vout具有较高的上升斜率，以及较大的过冲现象。
如图3B所示，输出电压延迟电路220包括一单增益冲器(unitgainbuffer)222与一电容器C1，单增益冲器222的输入端接收输出电压Vout，单增益冲器222的输出端连接至电容器C1第一端，电容器C1第二端连接至接地电压GND。再者，单增益冲器222的输出端可产生延迟的输出电压Vss至选择电路210。根据本发明的实施例，单增益冲器222的驱动强度(drivingstrength)可以决定输出电压延迟电路220的延迟时间。当驱动强度越弱(weak)时，启动瞬间的输出电压Vout具有较低的上升斜率，以及较小的过冲现象。反之，当驱动强度越强(strong)时，启动瞬间的输出电压Vout具有较高的上升斜率，以及较大的过冲现象。再者，单增益冲器222由运算放大器来实现，运算放大器的负输入端连接至输出端。
请参照图4A与图4B，其所绘示为选择电路的二种实施例。如图4A所示，选择电路210包括一比较器212与二开关元件(switchingdevice)Msw1与Msw2。比较器212的正输入端接收参考电压Vref，负输入端接收延迟的输出电压Vss，输出端产生开关信号Csw。开关元件Msw1的控制端接收开关信号Csw，开关元件Msw1的第一端连接至比较器212的正输入端。开关元件Msw2的控制端接收开关信号Csw，开关元件Msw2的第一端连接至比较器212的负输入端，开关元件Msw2的第二端连接至开关元件Msw1的第二端。其中，开关元件Msw1为P型晶体管，且开关元件Msw2为N型晶体管。
很明显地，当参考电压Vref大于延迟的输出电压Vss时，开关信号Csw为高电平，开关元件Msw2为闭路状态(closestate)且开关元件Msw1为开路状态(openstate)，因此选择电路210以延迟的输出电压Vss作为控制电压Vr。反之，当参考电压Vref小于延迟的输出电压Vss时，开关信号Csw为低电平，开关元件Msw1为闭路状态且开关元件Msw2为开路状态，因此选择电路210以参考电压Vref作为控制电压Vr。
如图4B所示，选择电路210包括一比较器212、一反相器214与二传输闸(transmissiongate)216与218。比较器212的正输入端接收参考电压Vref，负输入端接收延迟的输出电压Vss，输出端产生开关信号Csw。反相器214接收开关信号Csw产生反相开关信号Cswb。第一传输闸216的第一控制端接收开关信号Csw，第一传输闸216的第二控制端接收反相开关信号Cswb，第一传输闸216的第一端连接至比较器212的正输入端。第二传输闸218的第一控制端接收反相开关信号Cswb，第二传输闸218的第二控制端接收开关信号Csw，第二传输闸218第一端连接至比较器212的负输入端，第二传输闸218的第二端连接至第一传输闸216的第二端。
很明显地，当参考电压Vref大于延迟的输出电压Vss时，开关信号Csw为高电平且反相开关信号Cswb为低电平，第二传输闸218为闭路状态且第一传输闸216为开路状态，因此选择电路210以延迟的输出电压Vss作为控制电压Vr。反之，当参考电压Vref小于延迟的输出电压Vss时，开关信号Csw为低电平且反相开关信号Cswb为高电平，第一传输闸216为闭路状态且第二传输闸218为开路状态，因此选择电路210以参考电压Vref作为控制电压Vr。
再者，本发明并未限定选择电路210中的实际电路结构。举例来说，在此领域的技术人员也可以利用比较器212的正输入端接收延迟的输出电压Vss，负输入端接收参考电压Vref，输出端产生开关信号Csw。并且，修改开关元件或者传输闸的连接关系，也可以达成本发明选择电路210的功能。
由以上的说明可知，本发明提出一种具有软启动电路的电压调整器，其可有效地降低电压调整器启动瞬间的输出电流Io并防止输出电压Vout的过冲现象产生。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视所附的权利要求所界定者为准。

Claims (10)

1.一种电压调整器，包含：
一运算放大器，具有一第一输入端接收一控制电压、具有一第二输入端接收一反馈电压，以及具有一输出端产生一误差信号；
一晶体管，具有一栅极连接至该运算放大器的该输出端并接收该误差信号，具有一第一端接收一电源电压，以及具有一第二端连接至该电压调整器的一输出端；其中，该电压调整器的该输出端产生一输出电压；
一第一电阻，具有一第一端连接至该电压调整器的该输出端，具有一第二端连接至该运算放大器的该第二输入端；
一第二电阻，具有一第一端连接至该第一电阻的该第二端，具有一第二端连接一接地电压；其中，该第二电阻的该第一端产生该反馈电压；
一输出电压延迟电路，连接至该电压调整器的该输出端用以接收该输出电压，并产生一延迟的输出电压；以及
一选择电路，具有一第一输入端接收一参考电压，具有一第二输入端接收该延迟的输出电压，具有一输出端产生该控制电压至该运算放大器的该第一输入端；
其中，当该参考电压大于该延迟的输出电压时，该选择电路以该延迟的输出电压作为该控制电压；以及，当该参考电压小于该延迟的输出电压，该选择电路以该参考电压作为该控制电压。
2.如权利要求1所述的电压调整器，其中该电压调整器的该输出端更连接至一稳压电容器与一负载。
3.如权利要求1所述的电压调整器，其中该输出电压延迟电路包括：
一第三电阻，具有一第一端连接至该电压调整器的该输出端用以接收该输出电压；以及
一第一电容器，具有一第一端连接至该第一电阻的一第二端，具有一第二端连接该接地电压；其中，该第一电容器的该第一端产生该延迟的输出电压。
4.如权利要求1所述的电压调整器，其中该输出电压延迟电路包括：
一单增益缓冲器，具有一输入端连接至该电压调整器的该输出端用以接收该输出电压；以及
一第一电容器，具有一第一端连接至该单增益缓冲器一输出端，具有一第二端连接该接地电压；其中，该第一电容器的该第一端产生该延迟的输出电压。
5.如权利要求1所述的电压调整器，其中该选择电路包括：
一比较器，具有一第一输入端接收该参考电压，具有一第二输入端接收该延迟的输出电压，具有一输出端产生一开关信号；
一第一开关元件，具有一控制端接收该开关信号，具有一第一端连接至该比较器的该第一输入端用以接收该参考电压；以及
一第二开关元件，具有一控制端接收该开关信号，具有一第一端连接至该比较器的该第二输入端用以接收该延迟的输出电压，具有一第二端连接至该第一开关元件的一第二端；
其中，该第一开关元件的该第二端产生该控制电压。
6.如权利要求5所述的电压调整器，其中，当该参考电压大于该延迟的输出电压时，该第一开关元件为一开路状态且该第二开关元件为一闭路状态，使得该选择电路以该延迟的输出电压作为该控制电压；以及，当该参考电压小于该延迟的输出电压时，该第一开关元件为该闭路状态且该第二开关元件为该开路状态，使得该选择电路以该参考电压作为该控制电压。
7.如权利要求5所述的电压调整器，其中，该第一开关元件为P型晶体管，该第二开关元件为N型晶体管。
8.如权利要求1所述的电压调整器，其中该选择电路包括：
一比较器，具有一第一输入端接收该参考电压，具有一第二输入端接收该延迟的输出电压，具有一输出端产生一开关信号；
一反相器，具有一输入端接收该开关信号，具有一输出端产生一反相的开关信号；
一第一传输闸，具有一第一控制端接收该开关信号，具有一第二控制端接收该反相的开关信号，具有一第一端连接至该比较器的该第一输入端用以接收该参考电压；以及
一第二传输闸，具有一第一控制端接收该反相的开关信号，具有一第二控制端接收该开关信号，具有一第一端连接至该比较器的该第二输入端用以接收该延迟的输出电压，具有一第二端连接至该第一传输闸的一第二端；
其中，该第一传输闸的该第二端产生该控制电压。
9.如权利要求8所述的电压调整器，其中，当该参考电压大于该延迟的输出电压时，该第一传输闸为一开路状态且该第二传输闸为一闭路状态，使得该选择电路以该延迟的输出电压作为该控制电压；以及，当该参考电压小于该延迟的输出电压时，该第一传输闸为该闭路状态且该第二传输闸为该开路状态，使得该选择电路以该参考电压作为该控制电压。
10.如权利要求1所述的电压调整器，其中，该运算放大器还具有一致能端接收一致能信号，使得该运算放大器根据该致能信号来运作。
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