CN114063692B - 电压调节器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电压调节器，其包括电压控制电路和电流控制电路。电压控制电路被配置为接收电压调节器的输出电压，以产生第一电流至电压调节器的输出端；以及，电流控制电路被配置为根据电压调节器的输出电流产生第二电流至电压调节器的输出端，其中，输出电流是根据第一电流和第二电流产生的。本发明提供的电压调节器具有电压控制电路和电流控制电路的混合控制，从而具有快速的瞬态响应。

Description

电压调节器
技术领域
本公开实施例通常涉及电压调节器(voltage regulator)，以及更具体地，涉及一种混合控制的电压调节器，其具有快速的瞬态响应。
背景技术
电压调节器是被设计成自动保持为恒定输出电压的系统。为了具有恒定的输出电压，设计在电压调节器中的误差放大器被配置为将输出电压与参考电压进行比较以产生控制信号，进而以对输出端进行充电或放电。然而，这种以输出电压作为反馈信号的控制机制响应速度较慢，即电压调节器只有在电压偏离期望电平一段时间后才会对输出端进行充电或放电。
为了提高电压调节器的瞬态响应(transient response)，可以将电压调节器设计成具有较高的静态电流或具有较大的输出电容。然而，更高的静态电流意味着更高的功耗，以及，设计大的输出电容将会增加制造成本。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种利用混合控制(hybrid control)的电压调节器，其具有快速的瞬态响应和较低的制造成本，以解决上述问题。
根据本发明一实施例，公开了一种包括电压控制电路和电流控制电路(两者可视为是混合控制)的电压调节器。电压控制电路用于接收电压调节器的输出电压，以产生第一电流至电压调节器的输出端。电流控制电路用于根据电压调节器的输出电流产生第二电流至电压调节器的输出端，其中，输出电流是根据第一电流和第二电流产生的。
在一实施例中，该第二电流与该输出电流具有固定比率。
在一实施例中，该第二电流等于N乘以该输出电流，以及，该第一电流等于M乘以该输出电流，其中，N和M为介于0到1之间的值，且M+N＝1。
在一实施例中，N大于M。
在一实施例中，该电压控制电路的回路与该电流控制电路的回路彼此是独立的。
在一实施例中，该电压控制电路包括：误差放大器，用于将从该输出电压导出的电压信号与参考电压进行比较，以产生控制信号；以及，电流产生器，用于根据该控制信号产生该第一电流。
在一实施例中，该电流控制电路包括跨导放大器，该跨导放大器被配置为接收根据该输出电流产生的电压信号，以产生该第二电流。
在一实施例中，该电流控制电路包括：电阻，耦接该电压调节器的该输出端，其中，该输出电流流经该电阻，以及，跨导放大器，用于接收该电阻两端的电压信号，以产生该第二电流。
在一实施例中，该电压调节器还包括：输出电容，耦接在该电压调节器的该输出端与参考电压之间；其中，该输出电容和该电压调节器位于单个封装内。
在一实施例中，该电压控制电路还包括分压器，其中，该分压器用于对该输出电压进行分压，以产生从该输出电压导出的该电压信号。
本领域技术人员在阅读附图所示优选实施例的下述详细描述之后，可以毫无疑义地理解本发明的这些目的及其它目的。详细的描述将参考附图在下面的实施例中给出。
附图说明
通过阅读后续的详细描述以及参考附图所给的示例，可以更全面地理解本发明。
图1是根据本发明一实施例示出的电压调节器的示意图。
图2是根据本发明另一实施例示出的电压调节器的示意图。
图3是根据本发明另一实施例示出的电压调节器的示意图。
图4是根据本发明一实施例示出的电压调节器的仿真结果的示意图。
在下面的详细描述中，为了说明的目的，阐述了许多具体细节，以便本领域技术人员能够更透彻地理解本发明实施例。然而，显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实施一个或多个实施例，不同的实施例可根据需求相结合，而并不应当仅限于附图所列举的实施例。
具体实施方式
以下描述为本发明实施的较佳实施例，其仅用来例举阐释本发明的技术特征，而并非用来限制本发明的范畴。在通篇说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定的元件，所属领域技术人员应当理解，制造商可能会使用不同的名称来称呼同样的元件。因此，本说明书及权利要求书并不以名称的差异作为区别元件的方式，而是以元件在功能上的差异作为区别的基准。本发明中使用的术语“元件”、“系统”和“装置”可以是与计算机相关的实体，其中，该计算机可以是硬件、软件、或硬件和软件的结合。在以下描述和权利要求书当中所提及的术语“包含”和“包括”为开放式用语，故应解释成“包含，但不限定于…”的意思。此外，术语“耦接”意指间接或直接的电气连接。因此，若文中描述一个装置耦接于另一装置，则代表该装置可直接电气连接于该另一装置，或者透过其它装置或连接手段间接地电气连接至该另一装置。
其中，除非另有指示，各附图的不同附图中对应的数字和符号通常涉及相应的部分。所绘制的附图清楚地说明了实施例的相关部分且并不一定是按比例绘制。
文中所用术语“基本”或“大致”是指在可接受的范围内，本领域技术人员能够解决所要解决的技术问题，基本达到所要达到的技术效果。举例而言，“大致等于”是指在不影响结果正确性时，技术人员能够接受的与“完全等于”有一定误差的方式。
图1是根据本发明一实施例示出的电压调节器(也可称为稳压器)100的示意图。如图1所示，电压调节器100耦接至装置(device)102，电压调节器100被配置为提供稳定的输出电压Vout至装置102，以及，装置102从电压调节器100汲取(draw)输出电流IL。电压调节器100包括电压控制电路(voltage control circuit)110、电流控制电路(currentcontrol circuit)120和输出电容(output capacitor)CL，其中，电压控制电路110被配置为提供第一电流I1至电压调节器100的输出端Nout，电流控制电路120被配置为提供第二电流I2至输出端Nout，以及，第一电流I1与第二电流I2被组合，以作为输出电流IL，例如，IL＝I1+I2。
在本实施例中，电压控制电路110被配置为接收输出电压Vout以产生第一电流I1，进而使得输出电压Vout保持为恒定电压。具体地，如果输出电压Vout下降(drop)，电压控制电路110能够确定输出电压Vout低于期望电平(desired level)或期望值，以及，电压控制电路110输出较高(higher)的第一电流I1(即增大第一电流I1，例如，将第一电流I1增大预设量或者将第一电流I1增大到第一默认值等等，具体地，本发明不做限制)以增大输出电压Vout。如果输出电压Vout高于(above)期望电平，则电压控制电路110输出较低(lower)的第一电流I1(即减小第一电流I1，例如，将第一电流I1减小预设量或者将第一电流I1减小到第二默认值等等，具体地，本发明不做限制)以降低输出电压Vout。电流控制电路120被配置为利用/根据输出电流IL产生第二电流I2，进而使得电压调节器100在输出电压Vout偏离期望电平时具有较快的响应。例如，若装置102汲取更多(more)的输出电流IL以及输出电压Vout下降，则电流控制电路120能够立即提供较高的第二电流I2(即增大第二电流I2)，以增大输出电压Vout。在本发明实施例中，第二电流I2是根据输出电流IL产生的。特别地，如图2所示，第二电流和输出电流IL呈正比例关系(I2＝Gm*IL*R)，其中，Gm为跨导放大器的跨导。例如，第二电流随输出电流IL的增大而增大，以及，随输出电流IL的减小和减小。
在图1所示的实施例中，通过设计电流控制电路120，以利用输出电流IL产生第二电流I2，输出电压Vout能够被补偿，以使得输出电压Vout在短时间内恢复至期望电平。因此，当输出电压Vout远离期望电平时，电压调节器100具有快速响应。此外，电压控制电路110和电流控制电路120各自均具有自己的反馈回路(feedback loop)，电流控制电路120提供的第二电流I2不超过期望(required)的输出电流IL，以及，电压控制电路110被配置为提供第一电流I1以补充不足的电流(insufficient current)，所以，电压控制电路110与电流控制电路120的回路不冲突。此外，由于电流控制电路120提供输出电流IL的一部分，故瞬态响应较低的电压控制电路110无需提供大电流至输出端Nout，以及，输出电容CL可被设计得更小，也就是说，电压控制电路110具有更容易的环路补偿设计且可以降低制造成本。
在一实施例中，电流控制电路120提供的第二电流I2与输出电流IL具有固定的比例关系，即I2＝N*IL，其中，N可以是任何合适的值，例如80％或90％，具体地，本发明不做限制。另外，由于IL＝I1+I2，因此，电压控制电路110提供的第一电流I1也与输出电流IL具有固定的比例关系，即I1＝M*IL，其中M+N＝100％(即M和N介于0到1之间，且M+N＝1)。在一实施例中，为了具有快速的瞬态响应，N大于M，例如，N等于90％而M等于10％。
图2为本发明一实施例的电压调节器200的示意图。如图2所示，电压调节器200位于一封装(package)内，以及，电压调节器200用于接收输入电压VIN以提供稳定的输出电压Vout，其中，输出电压Vout通过输出电容CL和电阻R提供给装置202，以及，装置202从电压调节器200汲取输出电流IL。电压调节器200包括电压控制电路210和电流控制电路220，其中，电压控制电路210包括误差放大器(error amplifier)212、电流产生器(例如，在图2的示例中，晶体管M1作为电流产生器)和两个电阻R1和R2，在图2的示例中，电流控制电路220由跨导放大器(例如，其具有跨导Gm，从而I2＝Gm*IL*R)实现。电压控制电路210被配置为向电压调节器200的输出端Nout提供第一电流I1，电流控制电路220被配置为向输出端Nout提供第二电流I2，以及，第一电流I1和第二电流I2被组合，以作为输出电流IL。
在本实施例中，电压控制电路210用于接收输出电压Vout以产生第一电流I1，使得输出电压Vout保持为恒定电压。具体地，电阻R1和R2作为分压器对输出电压Vout进行分压以产生分压(divided voltage)Vdiv，误差放大器212将分压Vdiv与参考电压VREF进行比较，以产生控制信号去控制晶体管M1，以提供第一电流I1。此外，输出电流IL流经电阻R并形成跨电压(cross voltage)，以及，电流控制电路220接收电阻R两端的电压以产生第二电流I2(即跨导放大器将电阻R两端之间的电压差转换为第二电流I2)，可见，第二电流I2是根据输出电流IL产生的。
在一实施例中，电阻R可以是布线(例如，PCB布线)的寄生电阻。在另一实施例中，电阻R可以是电压调节器200的预期位置处实际设置的电阻(即，不是寄生电阻)。
在图2所示的实施例中，通过设计电流控制电路220以利用输出电流IL产生第二电流I2，能够补偿输出电压Vout，使得输出电压Vout在短时间内恢复至期望电平。因此，当输出电压Vout远离期望电平时，电压调节器200具有快速的响应。此外，电压控制电路210和电流控制电路220各自均具有自己的反馈回路，电流控制电路220提供的第二电流I2不超过输出电流IL，以及，电压控制电路210被配置为提供第一电流I1以补充不足的电流，因此，电压控制电路210与电流控制电路220的回路不冲突。此外，由于电流控制电路220提供输出电流IL的一部分，因此，具有较低瞬态响应的电压控制电路210无需向输出端Nout提供大电流，且输出电容CL可被设计得更小，也就是说，电压控制电路210具有更容易的环路补偿设计并且可以降低制造成本。
在一实施例中，电流控制电路220提供的第二电流I2与输出电流IL具有固定的比例关系，即I2＝N*IL，其中，N可以是介于0到1之间任何合适的值，例如80％或90％。另外，因为IL＝I1+I2，所以电压控制电路210提供的第一电流I1也与输出电流IL具有固定的比例关系，即I1＝M*IL，其中，M可以是介于0到1之间任何合适的值，M+N＝100％。在一实施例中，为了具有快速的瞬态响应，N大于M。
图3是本发明一实施例示出的电压调节器300的示意图。如图3所示，电压调节器300位于一封装内，电压调节器300被配置为接收输入电压VIN以提供稳定的输出电压Vout给装置302，以及，装置302从电压调节器300汲取输出电流IL。电压调节器300包括电压控制电路310、电流控制电路320和输出电容CL，其中，电压控制电路310包括误差放大器312、电流产生器(例如，在图3的示例中，晶体管M1作为电流产生器)和两个电阻R1和R2，电流控制电路320包括跨导放大器322和电阻R。电压控制电路310被配置为提供第一电流I1至电压调节器300的输出端Nout，电流控制电路320被配置为提供第二电流I2至输出端Nout，第一电流I1与第二电流I2被组合以作为输出电流IL。
在本实施例中，电压控制电路310被配置为接收输出电压Vout以产生第一电流Il，使得输出电压Vout保持为恒定电压。具体地，电阻R1和R2作为分压器将输出电压Vout分压以产生分压Vdiv，误差放大器312将分压Vdiv与参考电压VREF进行比较，以产生控制信号去控制晶体管M1，以提供第一电流I1。此外，输出电流IL流经电阻R并形成跨电压，跨导放大器322转换电阻R两端的电压差，以产生第二电流I2。
在一实施例中，电阻R可以是布线(例如，PCB布线)的寄生电阻。在另一实施例中，电阻R可以是电压调节器300的预期位置(即，不是寄生电阻)。
在图3所示的实施例中，通过设计电流控制电路320来利用输出电流IL产生第二电流I2，能够补偿输出电压Vout，使得输出电压Vout在短时间内恢复至期望电平。因此，当输出电压Vout远离期望电平时，电压调节器300具有快速响应。另外，电压控制电路310和电流控制电路320各自均具有自己的反馈回路，电流控制电路320提供的第二电流I2不超过输出电流IL，以及，电压控制电路310被配置为提供第一电流I1，以补充不足的电流，因此，电压控制电路310与电流控制电路320的回路不冲突。此外，由于电流控制电路320提供输出电流IL的一部分，所以，具有较低瞬态响应的电压控制电路310不需要向输出端Nout提供大电流，因此，电压控制电路310具有更容易的环路补偿设计。此外，由于电流控制电路320的设计可以将输出电容CL设计得更小，因此，输出电容CL可以设计在该封装内(即输出电容CL和电压调节器位于相同的封装内，另外，电阻R也可位于该相同的封装内)而无需定位在印刷电路板上，因此可以降低制造成本。
在一实施例中，电流控制电路320提供的第二电流I2与输出电流IL具有固定的比例关系，即I2＝N*IL，其中，N可以是任何合适的值，例如，80％或90％。另外，因为IL＝I1+I2，所以电压控制电路310提供的第一电流I1也与输出电流IL具有固定的比例关系，即I1＝M*IL，其中，M+N＝100％。在一实施例中，为了具有快速的瞬态响应，N大于M。
在本发明的另一实施例中，缓冲器(buffer)可位于图2所示的电流控制电路220的输出端处，或者可位于图3所示的跨导放大器322的输出端处。
图4是根据本发明一实施例的电压调节器100/200/300的模拟结果的示意图。如图4所示，当装置102/202/302突然汲取大量电流，即输出电流IL迅速增加时，电流控制电路120/220/320能够立即提供第二电流I2来补偿输出电压Vout，进而使得输出电压Vout在短时间内恢复到期望电平。图4还示出了不包括电流控制电路120/220/320的常规电压调节器。与常规的电压调节器相比，图1至图3所示的实施例确实具有更快的响应时间。
虽然本发明已经通过示例的方式以及依据优选实施例进行了描述，但是，应当理解的是，本发明并不限于公开的实施例。相反，它旨在覆盖各种变型和类似的结构(如对于本领域技术人员将是显而易见的)，例如，不同实施例中的不同特征的组合或替换。因此，所附权利要求的范围应被赋予最宽的解释，以涵盖所有的这些变型和类似的结构。

Claims (9)

1.一种电压调节器，其特征在于，包括：
电压控制电路，用于接收该电压调节器的输出电压，以产生第一电流至该电压调节器的输出端；以及，
电流控制电路，用于根据该电压调节器的输出电流产生第二电流至该电压调节器的该输出端，其中，该输出电流是根据该第一电流和该第二电流产生的，该第二电流与该输出电流具有固定比率。
2.如权利要求1所述的电压调节器，其特征在于，该第二电流等于N乘以该输出电流，以及，该第一电流等于M乘以该输出电流，其中，N和M为介于0到1之间的值，且M+N＝1。
3.如权利要求2所述的电压调节器，其特征在于，N大于M。
4.如权利要求1所述的电压调节器，其特征在于，该电压控制电路的回路与该电流控制电路的回路彼此是独立的。
5.如权利要求4所述的电压调节器，其特征在于，该电压控制电路包括：
误差放大器，用于将从该输出电压导出的电压信号与参考电压进行比较，以产生控制信号；以及，
电流产生器，用于根据该控制信号产生该第一电流。
6.如权利要求4所述的电压调节器，其特征在于，该电流控制电路包括跨导放大器，该跨导放大器被配置为接收根据该输出电流产生的电压信号，以产生该第二电流。
7.如权利要求4所述的电压调节器，其特征在于，该电流控制电路包括：
电阻，耦接该电压调节器的该输出端，其中，该输出电流流经该电阻，以及，
跨导放大器，用于接收该电阻两端的电压信号，以产生该第二电流。
8.如权利要求1所述的电压调节器，其特征在于，该电压调节器还包括：
输出电容，耦接在该电压调节器的该输出端与参考电压之间；
其中，该输出电容和该电压调节器位于单个封装内。
9.如权利要求5所述的电压调节器，其特征在于，该电压控制电路还包括分压器，其中，该分压器用于对该输出电压进行分压，以产生从该输出电压导出的该电压信号。
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