CN114460992A - 电压调整器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电压调整器包括放大器、启动信号产生器以及功率晶体管。放大器具有第一正输入端、第二正输入端以及负输入端以分别接收启动信号、参考电压以及反馈电压。放大器的输出端产生驱动电压。启动信号产生器耦接至放大器的第一正输入端。启动信号产生器在电压通过模式的启动时间区间中，产生递增的启动信号。功率晶体管基于操作电源，依据驱动电压以产生输出电压。其中，在电压通过模式下，参考电压等于操作电源。电压调整器在电压通过模式下，可有效产生软启动的效果。

Description

电压调整器
技术领域
本发明涉及一种电压调整器，特别是涉及一种具软启动机制的电压调整器。
背景技术
在电压调整器的公知常识中，提供通过模式(bypass mode)以使电压调整器可直接产生接近于操作电源的输出电压，已是一种趋势。然而，在通过模式下，电压调整器的电压输出电路被启动时，所产生的输出电压由0伏特快速上升至操作电源(例如5伏特)。如此一来，电压调整器的输出级上会推出极大的电流，并可能造成线路损毁。因此，使电压调整器在电压通过模式上，可执行软启动机制，是本领域设计者的重要课题。
发明内容
本发明是针对一种电压调整器，可在电压通过模式下的启动时间区间中，执行软启动机制。
根据本发明的实施例，电压调整器包括放大器、启动信号产生器以及功率晶体管。放大器具有第一正输入端、第二正输入端以及负输入端以分别接收启动信号、参考电压以及反馈电压。放大器的输出端产生驱动电压。启动信号产生器耦接至放大器的第一正输入端。启动信号产生器在电压通过模式的启动时间区间中，产生递增的启动信号。功率晶体管基于操作电源，依据驱动电压以产生输出电压。其中，在电压通过模式下，参考电压等于操作电源。
根据上述，本发明实施例的电压调整器，在电压通过模式中的启动时间区间中，使放大器接收的参考电压被设定等于电源电压，并使放大器的另一正输入端接收依时序递增的启动信号，可有效产生软启动的效果。
附图说明
包含附图以便进一步理解本发明，且附图并入本说明书中并构成本说明书的一部分。附图说明本发明的实施例，并与描述一起用于解释本发明的原理。
图1出示本发明一实施例的电压调整器的示意图；
图2出示本发明图1实施例中的电压调整器的启动信号产生器的实施方式示意图；
图3出示本发明另一实施例的电压调整器的示意图；
图4出示本发明图3实施例中的输入级电路的实施方式的示意图；
图5出示本发明实施例的电压调整器的动作波形图。
附图标号说明
100、300：电压调整器；
110、310：启动信号产生器；
120、320：电压设定电路；
130、330：反馈电路；
340：开关；
350：输入级电路；
BYMODE：模式选择信号；
C1：电容；
D1：二极管；
DRV：驱动电压；
ENS：启动信号；
I31：电流源；
IS1：电流源；
M1：功率晶体管；
M41～M43：晶体管；
MS：控制信号；
NI：负输入端；
OP：放大器；
PI1：第一正输入端；
PI2：第二正输入端；
SW1：开关；
VFB：反馈电压；
VH、VL、VO1、VO2：电压；
VOUT：输出电压；
VPP：操作电源；
VREF：参考电压；
VSS：参考接地端。
具体实施方式
现将详细地参考本发明的示范性实施例，示范性实施例的实例说明于附图中。只要有可能，相同组件符号在图式和描述中用来表示相同或相似部分。
请参照图1，图1出示本发明一实施例的电压调整器的示意图。电压调整器100包括放大器OP、启动信号产生器110、电压设定电路120、反馈电路130以及功率晶体管M1。放大器OP具有第一正输入端PI1、第二正输入端PI2以及负输入端NI。放大器OP的第一正输入端PI1、第二正输入端PI2分别接收启动信号ENS以及参考电压VREF，放大器OP的负输入端NI用以接收反馈电压VFB。放大器OP的输出端用以产生驱动电压DRV。启动信号产生器110耦接至放大器OP的第一正输入端PI1，用以提供启动信号ENS。功率晶体管M1的控制端耦接至放大器OP的输出端以接收驱动电压DRV，另外，功率晶体管M1的第一端接收操作电源VPP，功率晶体管M1的第二端产生输出电压VOUT。
在另一面，输出电压VOUT被提供至反馈电路130。反馈电路130并依据分压输出电压VOUT以产生反馈电压VFB。电压设定电路120耦接至放大器OP的输出端。电压设定电路120可在电压通过模式(bypass mode)下被启动，并依据放大器OP的输出端所提供的电流，来拉低驱动电压DRV的电平。
在本发明实施例中，在电压通过模式下，放大器OP接收的参考电压VREF被设定为等于操作电源VPP。在电压通过模式下的启动时间区间中，启动信号产生器110提供依时序递增的启动信号ENS。放大器OP并依据比较启动信号ENS以及反馈电压VFB来调整驱动电压DRV，并驱动功率晶体管M1来产生逐渐上升的输出电压VOUT。在此，通过控制启动信号ENS的上升速率，可以调整输出电压VOUT的提升速率，并达到软启动(soft start)的效果。
此外，在电压通过模式下的启动时间区间中，在本实施例中，当输出电压VOUT上升至一默认电压(例如等于操作电源VPP-VDS，VDS是功率晶体管M1操作在饱和区时的两端电压差)时，放大器OP停止执行启动信号ENS以及反馈电压VFB的比较动作，且电压设定电路120被启动。电压设定电路120并依据放大器OP的输出端提供的电流以拉低驱动电压DRV，并使功率晶体管M1可产生等于操作电源VPP的输出电压VOUT。功率晶体管M1为P型晶体管。
在此请注意，在电压通过模式下，输出电压VOUT可实质上等于操作电源VPP。当然，此时功率晶体管M1可能具有一微小的导通电阻。因此，输出电压VOUT可能略低于操作电源VPP。
附带一提的，在非电压通过模式下的正常模式时，放大器OP的第二输入端PI2所接收的参考电压VREF可以为低于操作电源VPP的输入电压。此时放大器OP的第一输入端PI1所接收的启动信号ENS可以等于操作电源VPP。
以下请参照图2，图2出示本发明图1实施例中的电压调整器的启动信号产生器的实施方式示意图。启动信号产生器110包括电流源IS1以及电容C1。电流源IS1的一端接收操作电源VPP，电流源IS1的另一端耦接至电容C1。电容C1则串接在电流源IS1以及参考接地端VSS间。在电压通过模式的启动时间区间中，电流源IS1提供电流至电容C1，并使启动信号ENS逐渐被抬升。在本实施方式中，通过降低电流源IS1所提供的电流，并提供具有大电容值的电容C1，可以使启动信号ENS的电平在启动时间区间中上升的速率降低，并增加软启动的效果。
在硬件设计上，电流源IS1可通过一个晶体管或多个相互串联的晶体管，经由在饱和区下工作，以提供稳定的电流。在电流源IS1为一固定电流源的条件下，启动信号ENS可以为一斜坡(ramp)信号。此外，电容C1可以为晶体管电容，或也可以由任意半导体材质或组件来建构，没有一定的限制。
以下请参照图3，图3出示本发明另一实施例的电压调整器的示意图。电压调整器300包括放大器OP、启动信号产生器310、电压设定电路320、反馈电路330、开关340以及功率晶体管M1。放大器OP具有输入级电路350以及耦接至输出端的电流源I31。输入级电路350耦接至第一正输入端PI1、第二正输入端PI2以及负输入端NI。输入级电路350通过第一正输入端PI1、第二正输入端PI2以及负输入端NI分别接收启动信号ENS、参考电压VREF以及反馈电压VFB。其中，第一正输入端PI1、第二正输入端PI2并分别耦接至启动信号产生器310以及开关340。启动信号产生器310用以产生启动信号ENS，开关340则依据控制信号MS以选择输入电压VR1或操作电源VPP以作为参考电压VREF。
另外，电压设定电路320包括二极管D1以及开关SW1。二极管D1以及开关SW1串接在放大器OP的输出端以及参考接地端VSS间。二极管D1的阳极耦接至放大器OP的输出端，二极管D1的阴极耦接至开关SW1的一端，开关SW1的另一端耦接至参考接地端VSS。在其他实施例中，电压设定电路320中的二极管D1也可变更为电阻或晶体管。凡可提供一阻抗值，并依据所接收的电流以提升电压的组件，均可用以取代二极管D1。
在电压通过模式下，在启动时间区间中，开关340依据控制信号MS选择操作电源VPP以作为参考电压VREF。此时，电压设定电路320中的开关SW1断开，电压设定电路320被关闭。放大器OP的输入级电路350针对逐渐上升的启动信号ENS以及反馈电压VFB进行比较，以产生驱动电压DRV。此时功率电晶体M1依据驱动电压DRV来产生逐渐上升的输出电压VOUT。接着，当输出电压VOUT上升至一默认值(例如等于操作电源VPP-VDS，VDS是功率晶体管M1操作在饱和区时的两端电压差)时，放大器OP的输入级电路350被关闭，而电压设定电路320中的开关SW1被导通。电压设定电路320被启动并依据电流源I31所提供的电流来拉低驱动电压DRV的电平，并使功率晶体管M1可产生等于操作电源VPP的输出电压VOUT。
在另一方面，若电压调整器300工作在非电压通过模式下(即正常模式下)时，输入级电路350可正常运作，且开关340可选择输入电压VR1以作为参考电压VREF。同时，电压设定电路320被关闭。放大器OP可依据比较输入电压VR1以及反馈电压VFB来产生驱动电压DRV。功率晶体管M1并依据驱动电压DRV以产生小于操作电源VPP的输出电压VOUT。此时，电压调整器300为一低压降(low drop-out,LDO)电压产生器。
关于放大器OP的输入级电路350的实施细节，可参照图4出示的本发明图3实施例中的输入级电路的实施方式的示意图。输入级电路350包括晶体管M41～M43。其中，晶体管M41～M43具有相同耦接的第一端。晶体管M41、M42的第二端可相互耦接，但不与晶体管M43的第三端直接连接。晶体管M41～M43的控制端分别接收启动信号ENS、参考电压VREF以及反馈电压VFB。在本实施方式中，晶体管M41～M43可以为P型晶体管。在当晶体管M41、M42的任一的控制端接收操作电源VPP时，对应的晶体管MP41、MP42会被截止。
附带一提的，在本实施例中，放大器OP为差动放大器，晶体管M41～M43共同耦接的第一端可耦接至放大器OP的内部电流源，晶体管M41、M43的第二端则可分别耦接至放大器OP内部的主动负载的两端。放大器OP的内部电流源以及主动负载皆可应用公知常识所熟知的电流源以及主动负载电路来分别实施，没有一定的限制。
接着请同步参照图3以及图5，其中图5出示本发明实施例的电压调整器的动作波形图。在图5中，电压调整器300的运作可以依据模式选择信号BYMODE来控制。模式选择信号BYMODE可由电压调整器300的外部来进行输入，以操控电压调整器300以进入电压通过模式。
在此，在电压调整器300进入电压通过模式的启动时间区间中，在第一时间区间T51中，模式选择信号BYMODE可由相对高的电压VH切换为相对低的电压VL。在此时，放大器OP的输入级电路350的第二正输入端PI2接收开关340所提供的操作电源VPP以作为参考电压VREF，且电压设定电路320被关闭。并且，放大器OP依据比较负输入端NI上的反馈电压VFB以及第一正输入端PI1上的启动信号ENS来产生驱动电压DRV。在另一方面，启动信号产生器310也对应模式选择信号BYMODE被开启，并产生逐渐上升的启动信号ENS。如此一来，放大器OP可产生逐渐上升的驱动电压DRV，并使功率晶体管M1可依据驱动电压DRV来产生由0V逐渐上升的输出电压VOUT。在时间区间T51中，输出电压VOUT可逐渐上升至电压VO1，其中电压VO1小于操作电源VPP。
接着，在时间区间T52中，模式选择信号BYMODE可由相对低的电压VL切换为相对高的电压VH。此时，放大器OP的输入级电路350被关闭且电压设定电路320被启动。放大器OP的输出端上的驱动电压DRV由电压设定电路320所控制，并依据放大器OP的电流源I31所提供的电流，通过二极管D1来拉低驱动电压DRV的电平。如此一来，功率晶体管M1可依据被拉高的驱动电压DRV来产生等于电压VO2的输出电压VOUT。其中，电压VO2大于电压VO1，且电压VO2可等于操作电源VPP。
根据上述，本发明的电压调整器，在电压通过模式下，通过提供启动信号至放大器的一正输入端，并使放大器的另一正输入端接收操作电源。如此一来，电压调整器在电压通过模式可使所产生的输出电压在启动时间区间中可以缓慢的上升，并达到软启动的目的。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种电压调整器，包括：
放大器，具有第一正输入端、第二正输入端以及负输入端以分别接收启动信号、参考电压以及反馈电压，所述放大器的输出端产生驱动电压；
启动信号产生器，耦接至所述放大器的所述第一正输入端，在电压通过模式的启动时间区间中，产生递增的所述启动信号；以及
功率晶体管，基于操作电源，依据所述驱动电压以产生输出电压，
其中，在所述电压通过模式下，所述参考电压等于所述操作电源。
2.根据权利要求1所述的电压调整器，其中所述启动信号产生器在所述启动时间区间中，使所述启动信号由参考接地电压上升至等于所述操作电源。
3.根据权利要求1所述的电压调整器，其中所述启动信号产生器包括：
电流源，在所述启动时间区间中，基于所述操作电源以提供充电电流；以及
电容，接收所述充电电流以产生所述启动信号。
4.根据权利要求3所述的电压调整器，其中所述启动信号在所述启动时间区间中为斜坡信号。
5.根据权利要求3所述的电压调整器，其中所述电流源包括至少一晶体管，所述至少一晶体管的一端接收所述操作电源，所述至少一晶体管的另一端耦接至所述电容。
6.根据权利要求1所述的电压调整器，更包括：
电压设定电路，耦接在所述输出端以及参考接地电压间，在所述电压通过模式下，所述启动时间区间后，依据所述放大器的输出级电路所提供的电流以提升所述输出端上的所述驱动电压。
7.根据权利要求6所述的电压调整器，所述电压设定电路为二极管、电阻或晶体管。
8.根据权利要求7所述的电压调整器，所述放大器包括：
输入级电路，具有第一晶体管、第二晶体管以及第三晶体管，所述第一晶体管、所述第二晶体管以及所述第三晶体管的闸极分别接收所述启动信号、所述参考电压以及所述反馈电压，在所述电压通过模式中，所述第二晶体管被截止。
9.根据权利要求8所述的电压调整器，其中在所述电压通过模式下，在所述启动时间区间中的第一时间区间中，所述输入级电路被启动，所述放大器依据比较所述启动信号以及所述反馈信号以产生所述驱动电压，在所述第一时间区间后的第二时间区间，所述输入级电路被关闭，所述电压设定电路被启动以依据所述放大器的输出级电路所提供的电流以提升所述驱动电压。
10.根据权利要求1所述的电压调整器，更包括：
开关，耦接至所述放大器，依据控制信号以选择输入电压或所述操作电源以做为所述参考电压。
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