CN108733124A - 电源供应器及电源供应器的操作方法 - Google Patents

电源供应器及电源供应器的操作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电源供应器，该电源供应器包含电压稳压器、晶体管、电流‑电压转换电路，及比较器。电压稳压器接收控制信号、电源电压及控制电压，并根据控制电压及控制信号输出供应电压。晶体管的第一端接收电源电压，晶体管的控制端耦接于电压稳压器。电流‑电压转换电路的第一端耦接于晶体管的第二端，电流‑电压转换电路的第二端接收参考电压。比较器的第一输入端接收比较信号，比较器的第二输入端耦接电流‑电压转换电路的第一端，而比较器的输出端输出控制电压。

Description

电源供应器及电源供应器的操作方法
技术领域
本发明是有关于一种电源供应器，尤其是一种能够根据输出电流控制调整输出电压以减少天线总辐射功率变化量的电源供应器。
背景技术
在现有技术中，当射频信号功率放大器于实际操作时，可能会因为天线或线路的特性，使得在射频信号的频率变动时，造成输出阻抗不匹配的情况。在此情况下，整体的总辐射功率(total radiated power，TRP)就会因为阻抗不匹配而随之产生变化。
为了减少总辐射功率的变化以维持功率放大器的输出效率，现有技术会透过定向耦合器(directional coupler)来感测功率放大器的部分输出电流，并根据感测的结果来控制功率放大器，以达到减少总辐射功率变化幅度的效果。然而定向耦合器需要较大的电路面积，且难以内建在功率放大器中。此外，在感测输出电流以控制功率放大器时，还必须确保回授路径的带宽足够大，以使功率放大器能够被有效控制。因此在利用定向耦合器时，不仅使得整体电路面积难以压缩，也让电路间的连线变得更加复杂而不易设计。
发明内容
本发明的一实施例提供一种电源供应器，电源供应器包含电压稳压器、晶体管、电流-电压转换电路及比较器。
电压稳压器接收控制信号、电源电压及控制电压，并根据控制电压及/或控制信号输出供应电压。晶体管具有第一端、第二端及控制端，晶体管的第一端接收电源电压，而晶体管的控制端耦接于电压稳压器。电流-电压转换电路具有第一端及第二端，电流-电压转换电路的第一端耦接于晶体管的第二端，而电流-电压转换电路的第二端耦接参考电压。比较器具有第一输入端、第二输入端及输出端，比较器的第一输入端接收比较信号，比较器的第二输入端耦接电流-电压转换电路的第一端，而比较器的输出端输出控制电压。
本发明的另一实施例提供一种电源供应器的操作方法，电源供应器包含电压稳压器、晶体管、电流-电压转换电路及比较器。电压稳压器包含转换电路。电源供应器的操作方法包含电压稳压器根据控制信号及回馈电压输出供应电压，晶体管根据供应电压输出参考供应电流，电流-电压转换电路接受参考供应电流以产生参考供应电压，比较器根据比较信号及参考供应电压输出控制电压，及转换电路至少根据控制电压及供应电压输出回馈电压。
附图说明
关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及所附图式得到进一步的了解。
图1为本发明一实施例的功率放大器的示意图；
图2为本发明一实施例的电源供应器的示意图；
图3为本发明另一实施例的电源供应器的示意图；
图4为本发明另一实施例的电源供应器的示意图；
图5为图2或图3的电源供应器的操作方法流程图；
图6为图4的电源供应器的操作方法流程图。
主要图示说明：
PA 功率放大器
VCC 集极电压
ICC 集极电流
RFin 无线射频输入信号
RFout 无线射频输出信号
RLOAD 输出阻抗
100、200、300 电源供应器
110 电压稳压器
112、142 放大器
114、350、360 转换电路
120 电流-电压转换电路
130、370 比较器
140 稳压电路
M1、M2、M3 晶体管
SIGRAMP 控制信号
SIGC1、SIGC2 比较信号
V1 电源电压
V2 参考电压
IO、IREF 电流
VO 供应电压
VFB 回馈电压
VREF 参考供应电压
VADJUST、VADJUST1、VADJUST2 控制电压
400、500 方法
S410至S450、S510至S580 步骤
具体实施方式
图1为本发明一实施例的功率放大器PA的示意图。功率放大器PA可将无线射频输入信号RFin放大以产生无线射频输出信号RFout，功率放大器PA可为集极电压控制的功率放大器，也就是说，功率放大器PA的输出功率可由其所接收到的集极电压VCC来控制。一般而言，集极电压控制的功率放大器的总辐射功率P可例如由式(1)表示：
其中VCC表示功率放大器PA所接收到的集极电压，其可透过外部的供电电路所提供；VSAT表示功率放大器PA内部晶体管的最小工作电压，其为固定值，而RLOAD为功率放大器PA的外部输出阻抗。在式(1)中，若不计入定值，则由于此时为集极电压的平方值，即Vcc 2，因此相较于外部输出阻抗RLOAD会具有主导地位。也就是说，总辐射功率P的变化主要会与集极电压VCC的变化相关，因此藉由观察集极电压VCC的变化就能够得知总辐射功率P的变化趋势。
再者，总辐射功率P亦可例如以式(2)表示：
P＝VCC×ICC×η 式(2)
其中ICC表示功率放大器PA所接收到的集极电流，而η则为功率放大器PA的效率值。在假设功率放大器PA的效率值η为固定值的情况下，根据式(1)及式(2)则可得出集极电流ICC与集极电压VCC之间具有接近线性的关系，也就是说，藉由观察集极电流ICC的变化就能够得知集极电压VCC的变化趋势。
在本发明的部分实施例中，用来提供功率放大器PA的集极电压VCC及集极电流ICC的电源供应器可以透过感测其输出的集极电流ICC来调整集极电压VCC，进而调整功率放大器PA以达到减少总辐射功率变化幅度的功效。
图2为本发明一实施例的电源供应器100的示意图。电源供应器100包含电压稳压器110、第一晶体管M1、电流-电压转换电路120及第一比较器130。在本发明的部分实施例中，电压稳压器可例如为低压差稳压器(low dropout regulator，LDO regulator)。
电压稳压器110可接收控制信号SIGRAMP、电源电压V1及第一控制电压VADJUST，并可根据第一控制电压VADJUST及/或控制信号SIGRAMP输出供应电压VO。第一晶体管M1具有第一端、第二端及控制端，第一晶体管M1的第一端接收电源电压V1，而第一晶体管M1的控制端耦接于电压稳压器110。电流-电压转换电路120具有第一端及第二端，电流-电压转换电路120的第二端接收参考电压V2，参考电压V2可例如为系统地电压(ground)、系统公共端(common)的电压或回流端(return)的电压。电流-电压转换电路120可接收第一晶体管M1输出的电流IREF，并将流经的电流IREF转换为电压，在本发明的部分实施例中，电流-电压转换电路120可例如为电阻。第一比较器130具有第一输入端、第二输入端及输出端，第一比较器130的第一输入端可接收第一比较信号SIGC1，第一比较器130的第二输入端耦接电流-电压转换电路120的第一端，而第一比较器130的输出端可输出第一控制电压VADJUST。在本发明的部分实施例中，控制信号SIGRAMP与第一比较信号SIGC1为电位可改变的电压信号。在本发明的部分实施例中，第一比较信号SIGC1可为外部提供的信号，或是实质上与控制信号SIGRAMP相同的信号。在图2中，第一比较器130的第一输入端可耦接于电压稳压器110的输入端，因此第一比较器130的第一输入端实际上可接收控制信号SIGRAMP作为第一比较信号SIGC1。
在图2中，电压稳压器110可包含第一放大器112、第二晶体管M2及第一转换电路114。第一放大器112具有第一输入端、第二输入端及输出端，第一放大器112的第一输入端耦接于第一比较器130的第一输入端并可接收控制信号SIGRAMP。第二晶体管M2具有第一端、第二端及控制端，第二晶体管M2的第一端可接收电源电压V1，第二晶体管M2的第二端可输出供应电压VO，而第二晶体管M2的控制端耦接于第一放大器112的输出端。第一转换电路114耦接于第一放大器112的第二输入端及第一比较器130的输出端，并可根据第一控制电压VADJUST输出回馈电压VFB以调整第一放大器112的第二输入端的电位，进而调整电压稳压器110所输出的供应电压VO。
图3为本发明一实施例的电源供应器200的示意图。电源供应器200与电源供应器100具有相似的结构及操作原理，两者主要的差别在于电源供应器200还可另包含稳压电路140，稳压电路140耦接于第一晶体管M1的第二端及第二晶体管M2的第二端，且第一晶体管M1的第二端可经由稳压电路140耦接至电流-电压转换电路120的第一端。在本发明的部分实施例中，稳压电路140可包含第二放大器142及第三晶体管M3。第二放大器142具有第一输入端、第二输入端及输出端，第二放大器142的第一输入端耦接于第二晶体管M2的第二端，第二放大器142的第二输入端耦接于第一晶体管M1的第二端。第三晶体管M3具有第一端、第二端及控制端，第三晶体管M3的第一端耦接于第一晶体管M1的第二端，第三晶体管M3的第二端耦接于电流-电压转换电路120的第一端，而第三晶体管M3的控制端耦接于第二放大器142的输出端。透过稳压电路140就能够使第一晶体管M1的第二端与第二晶体管M2的第二端处于实质上相同的电位。
然而在本发明的部分实施例中，根据系统的需求，也可如图2的电源供应器100省略稳压电路140，又或是透过其他的电路来使第一晶体管M1的第二端的电压与第二晶体管M2的第二端的电压保持实质上相同。
再者，在图2及图3中，第一晶体管M1的控制端也可耦接于第二晶体管M2的控制端。也就是说，第一晶体管M1的各端可与第二晶体管M2的相对各端接收到相同的电压，因此两者可处于相同的操作状态。换言之，第一晶体管M1的电流IREF可与第二晶体管M2的电流IO同步变化，而藉由感测第一晶体管M1的电流IREF就能够得知第二晶体管M2的电流IO的变化。根据前述的式(1)及式(2)可知，在利用电源供应器100及200输出供应电压VO以作为功率放大器PA的集极电压VCC时，第二晶体管M2的电流IO，亦即功率放大器PA的集极电流ICC，会与供应电压VO有关，因此电流-电压转换电路120根据第一晶体管M1所流经的电流所转换所得的电压信号即为与供应电压VO相关的参考供应电压VREF。
由于第二晶体管M2的输出电流IO主要可用于提供外部电路使用，因此具有较大的电流值，而第一晶体管M1所输出的电流IREF则为感测参考所需，所以仅需较小的电流值。在本发明的部分实施例中，第一晶体管M1的通道宽长比可较第二晶体管M2的通道宽长比小，以减少电源供应器100及200所需的面积。
透过电流-电压转换电路120可将第一晶体管M1所输出的电流转换成适当大小的参考供应电压VREF，使得第一比较器130能够将电流-电压转换电路120的第一端的电位与第一比较信号SIGC1(或控制信号SIGRAMP)所对应的电压相比较，以判定是否需要调整第一控制电压VADJUST。换言之，在本发明的部分实施例中，设计者可以透过模拟或实验得知第一控制电压VADJUST与电流-电压转换电路120所输出的电压之间的关系，并透过第一比较器130比较电流-电压转换电路120的第一端的电位与第一比较信号SIGC1(或控制信号SIGRAMP)所对应的电压两者的电压大小，而可在电流-电压转换电路120的第一端的电位大于或小于第一比较信号SIGC1(或控制信号SIGRAMP)所对应的电压时，输出第一控制电压VADJUST至第一转换电路114以调整供应电压VO。
举例来说，为了避免电源供应器100及200不必要地输出过大的功率，第一比较器130可以在参考供应电压VREF大于第一比较信号SIGC1(或控制信号SIGRAMP)的电压时，输出第一控制电压VADJUST至第一转换电路114以调降供应电压VO。
此外，为使第一比较器130能够根据模拟或实验的结果，精确地比较电流-电压转换电路120的第一端的电位与控制信号SIGRAMP的电压，在本发明的部分实施例中，电源供应器100及200还可另外利用转换电路来调整第一比较器130所接收到的控制信号SIGRAMP的电压，使得第一比较器130的第一输入端及第二输入端的电压能够处于较为接近且合乎比较需求的量值，增加比较结果的精准度。
图4为本发明一实施例的电源供应器300的示意图。电源供应器300与电源供应器200的操作原理相似，并具有相似的结构，然而电源供应器300还包含第二转换电路350、第三转换电路360及第二比较器370。
第二转换电路350耦接于第一比较器130的第一输入端及第一放大器112的第一输入端之间，第二转换电路350可接收并调整控制信号SIGRAMP以输出第一比较信号SIGC1。第一比较器130则可根据电流-电压转换电路120的第一端的电位及第一比较信号SIGC1输出第一控制电压VADJUST1。
第三转换电路360可接收并调整控制信号SIGRAMP以输出第二比较信号SIGC2。第二比较器370具有第一输入端、第二输入端及输出端，第二比较器370的第一输入端耦接于电流-电压转换电路120的第一端，第二比较器370的第二输入端耦接于第三转换电路360以接收第二比较信号SIGC2，而第二比较器370的输出端则可根据电流-电压转换电路120的第一端的电位及第二比较信号SIGC2输出第二控制电压VADJUST2。
此外，第一转换电路114会耦接于第一比较器130及第二比较器370，并可根据第一控制电压VADJUST1及第二控制电压VADJUST2来调整第一放大器112的第二输入端的电位，进而调整电源供应器300所输出的供应电压VO。
在本发明的部分实施例中，第二转换电路350可将控制信号SIGRAMP调升一预定比例以输出第一比较信号SIGC1，而第三转换电路360则可将控制信号SIGRAMP调降一预定比例以输出第二比较信号SIGC2。在此情况下，第一比较器130即可在电流-电压转换电路120的第一端的电位大于控制信号SIGRAMP所对应的上限电压，亦即第一比较信号SIGC1时，输出第一控制电压VADJUST1至第一转换电路114以调降供应电压VO；相反地，第二比较器370则会在电流-电压转换电路120的第一端的电位小于控制信号SIGRAMP所对应的下限电压，亦即第二比较信号SIGC2时，输出第二控制电压VADJUST2至第一转换电路114以提升供应电压VO。如此一来，不论是在电源供应器300不必要地输出过大或过小的功率时，都能够实时地调整第一放大器112的第二输入端的电压，进而调整供应电压的大小。
在本发明的部分实施例中，电源供应器100、200及300所输出的供应电压VO可用以输出至信号放大组件，以使信号放大组件根据供应电压VO放大无线射频输入信号并产生无线射频输出信号。举例来说，电源供应器100、200及300所输出的供应电压VO即可用来提供图1的功率放大器PA所接收到的集极电压VCC。由于电源供应器100、200及300可以透过复制并感测其输出至外部电路的输出电流，以作为是否调整其供应电压的依据，因此无须额外设置定向耦合器，而能够在减少总辐射功率变化量的情况下，减少电路所需的面积，并简化电路设计的复杂度。此外，第一比较器130及第二比较器370可利用场效应晶体管来制作，因此不论其输入及输出的信号皆以电压信号为主，而能够避免产生额外的电流，避免增加耗电。
图5为本发明一实施例的电源供应器100或200的操作方法400的流程图。方法400包含步骤S410至S450。
S410：电压稳压器110根据控制信号SIGRAMP及回馈电压VFB输出供应电压VO；
S420：第一晶体管M1根据供应电压VO输出参考供应电流IREF；
S430：电流-电压转换电路120接受参考供应电流IREF以产生参考供应电压VREF；
S440：第一比较器130根据第一比较信号SIGC1及参考供应电压VREF输出控制电压VADJUST；
S450：第一转换电路114根据控制电压VADJUST及供应电压VO输出回馈电压VFB。
透过方法400，电源供应器100或200就可以透过复制并感测其输出至外部电路的输出电流，以作为是否调整其供应电压的依据，因此无须额外设置定向耦合器，而能够在减少总辐射功率变化量的情况下，减少电路所需的面积，并简化电路设计的复杂度。
图6为本发明一实施例的电源供应器300的操作方法500的流程图。方法500包含步骤S510至S580：
S510：电压稳压器110根据控制信号SIGRAMP及回馈电压VFB输出供应电压VO；
S520：第一晶体管M1根据供应电压VO输出参考供应电流IREF；
S530：电流-电压转换电路120接受参考供应电流IREF以产生参考供应电压VREF；
S540：第二转换电路350调整控制信号SIGRAMP以输出第一比较信号SIGC1；
S550：第一比较器130比较第一比较信号SIGC1及参考供应电压VREF以输出第一控制电压VADJUST1；
S560：第三转换电路360调整控制信号SIGRAMP以输出第二比较信号SIGC2；
S570：第二比较器370比较第二比较信号SIGC2及参考供应电压VREF以输出第二控制电压VADJUST2；及
S580：第一转换电路114根据第一控制电压VADJUST1、第二控制电压VADJUST2及供应电压VO输出回馈电压VFB。
在本发明的部分实施例中，第二转换电路350可透过将控制信号SIGRAMP调升一预定比例以输出第一比较信号SIGC1，而第三转换电路360则可透过将控制信号SIGRAMP调降一预定比例以输出第二比较信号SIGC2。在此情况下，第一比较器130可在参考供应电压VREF大于第一比较信号SIGC1的电压时，输出第一控制电压VADJUST1至电压稳压器110的第一转换电路114以调降供应电压VO，相对地，第二比较器370可在参考供应电压VREF小于第二比较信号SIGC2的电压时，输出第二控制电压VADJUST2至电压稳压器110的第一转换电路114以提升供应电压VO。
透过方法500，电源供应器300就可以透过复制并感测其输出至外部电路的输出电流，以作为是否调整其供应电压的依据，因此无须额外设置定向耦合器，而能够在减少总辐射功率变化量的情况下，减少电路所需的面积，并简化电路设计的复杂度。同时还能够实时地调整供应电压以避免电源供应器300不必要地输出过大或过小的功率。
综上所述，本发明的实施例所提供的电源供应器及电源供应器的操作方法可以透过复制并感测其输出至外部电路的输出电流，以作为是否调整其供应电压的依据，因此无须额外设置定向耦合器，而能够在减少总辐射功率变化量的情况下，减少电路所需的面积，并简化电路设计的复杂度。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求书所做的等同变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (18)

1.一种电源供应器，其特征在于，该电源供应器包含：
一电压稳压器，用以接收一控制信号、一电源电压及一第一控制电压，及根据该第一控制电压及/或该控制信号输出一供应电压；
一第一晶体管，具有一第一端耦接该电源电压，一第二端，及一控制端耦接于该电压稳压器；
一电流-电压转换电路，具有一第一端耦接于该第一晶体管的该第二端，及一第二端耦接一参考电压；及
一第一比较器，具有
一第一输入端，用以接收一第一比较信号；
一第二输入端，耦接该电流-电压转换电路的该第一端；及
一输出端，用以输出该第一控制电压。
2.如权利要求1所述的电源供应器，其特征在于，其中该电压稳压器包含：
一第一放大器，具有一第一输入端用以接收该控制信号，一第二输入端，及一输出端；
一第二晶体管，具有一第一端用以接收该电源电压，一第二端用以输出该供应电压，及一控制端耦接于该第一放大器的该输出端；及
一第一转换电路，耦接于该第一放大器的该第二输入端及该第一比较器的该输出端，用以至少根据该第一控制电压以调整该第一放大器的该第二输入端的电位；
其中该第一晶体管的该控制端耦接于该第二晶体管的该控制端。
3.如权利要求2所述的电源供应器，其特征在于，该电源供应器还包含：
一稳压电路，耦接于该第一晶体管的该第二端及该第二晶体管的该第二端，用以使该第一晶体管的该第二端与该第二晶体管的该第二端处于相同的电位。
4.如权利要求3所述的电源供应器，其特征在于，其中该稳压电路包含：
一第二放大器，具有一第一输入端耦接于该第二晶体管的该第二端，一第二输入端耦接于该第一晶体管的该第二端，及一输出端；及
一第三晶体管，具有一第一端耦接于该第一晶体管的该第二端，一第二端耦接于该电流-电压转换电路的该第一端，及一控制端耦接于该第二放大器的该输出端。
5.如权利要求2所述的电源供应器，其特征在于，该电源供应器还包含：
一第二转换电路，耦接于该第一比较器的该第一输入端及该第一放大器的该第一输入端之间，该第二转换电路用以接收并调整该控制信号以输出该第一比较信号。
6.如权利要求5所述的电源供应器，其特征在于，该电源供应器还包含：
一第三转换电路，用以接收并调整该控制信号以输出一第二比较信号；
一第二比较器，具有一第一输入端耦接于该电流-电压转换电路的该第一端，一第二输入端耦接于该第三转换电路以接收该第二比较信号，及一输出端用以输出一第二控制电压；
其中该第一转换电路，另耦接于该第二比较器，并另用以根据该第二控制电压以调整该第一放大器的该第二输入端的电位。
7.如权利要求6所述的电源供应器，其特征在于，其中该第二转换电路是将该控制信号调升一预定比例以输出该第一比较信号，且该第三转换电路是将该控制信号调降一预定比例以输出该第二比较信号。
8.如权利要求2至4中任一项所述的电源供应器，其特征在于，其中该第一比较器是在该电流-电压转换电路的该第一端的电位大于该控制信号所对应的一上限电压时，输出该第一控制电压至该第一转换电路以调降该供应电压。
9.如权利要求2至4中任一项所述的电源供应器，其特征在于，其中该第二晶体管的一通道宽长比大于该第一晶体管的一通道宽长比。
10.如权利要求2至4中任一项所述的电源供应器，其特征在于，其中该供应电压是用以输出至一信号放大组件，以使该信号放大组件根据该供应电压放大一无线射频输入信号以产生一无线射频输出信号。
11.如权利要求1至7中任一项所述的电源供应器，其特征在于，其中该第一比较器是利用场效应晶体管制作。
12.如权利要求1所述的电源供应器，其特征在于，其中该第一比较器的该第一输入端耦接于该电压稳压器的一输入端，且该第一比较信号与该控制信号是为相同信号。
13.一种电源供应器的操作方法，其特征在于，该电源供应器包含一电压稳压器、一第一晶体管、一电流-电压转换电路及一第一比较器，其中该电压稳压器包含一第一转换电路，该方法包含：
该电压稳压器根据一控制信号及一回馈电压输出一供应电压；
该第一晶体管根据该供应电压输出一参考供应电流；
该电流-电压转换电路接受该参考供应电流以产生一参考供应电压；
该第一比较器根据一第一比较信号及该参考供应电压输出一第一控制电压；及
该第一转换电路至少根据该第一控制电压及该供应电压输出该回馈电压。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，其中该电源供应器还包含一第二转换电路，及该方法还包含：
该第二转换电路调整该控制信号以输出该第一比较信号；
其中该第一比较器是比较该第一比较信号及该参考供应电压以输出该第一控制电压。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，其中该电源供应器还包含一第三转换器及一第二比较器，该方法还包含：
该第三转换电路调整该控制信号以输出一第二比较信号；及
该第二比较器比较该第二比较信号及该参考供应电压以输出一第二控制电压；
其中该第一转换电路是根据该第一控制电压、该第二控制电压及该供应电压输出该回馈电压。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，其中该第二转换电路调整该控制信号以输出该第一比较信号是将该控制信号调升一预定比例以输出该第一比较信号，及该第三转换电路调整该控制信号以输出该第二比较信号是将该控制信号调降一预定比例以输出该第二比较信号。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，其中：
该第一比较器是在该参考供应电压大于该第一比较信号的电压时，输出该第一控制电压至该第一转换电路以调降该供应电压；及
该第二比较器是在该参考供应电压小于该第二比较信号的电压时，输出该第二控制电压至该第一转换电路以提升该供应电压。
18.如权利要求13所述的方法，其特征在于，其中该第一比较信号与该控制信号是为相同信号。
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