CN114460993A - 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、电压设定电路以及功率晶体管。放大器则包括第一电流源以及第二电流源。放大器具有二输入端以分别接收参考电压以及反馈电压。第一电流源耦接在操作电源与放大器的输出端间，对放大器的输出端提供第一电流。第二电流源耦接在放大器的输出端与参考接地端间，对放大器的输出端汲取第二电流。电压设定电路耦接至放大器的输出端，在电压通过模式下依据第一电流以提升输出端上的驱动电压。功率晶体管接收驱动电压，基于操作电源以依据驱动电压来产生输出电压。

Description

电压调整器
技术领域
本发明涉及一种电压调整器，特别是涉及一种可在正常模式以及电压通过模式间切换的电压调整器。
背景技术
在现有技术领域中，低压降的电压调整器需要在正常模式以及电压通过模式下进行切换，并在电压通过模式下产生实质上等于操作电源的输出电压。为了实现这样的功效，现有技术通过设置仿真数字转换电路，以通过检测输出电压的电平，来对应调整输出电压至所需的电平。这种做法，仿真数字转换电路需要占去大量的电路面积，且需要复杂的检测及补偿机制，造成电路成本以及功率消耗的增加。
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输出实质上等于操作电源的输出电压。
根据本发明的实施例，电压调整器包括放大器、电压设定电路以及功率晶体管。放大器则包括第一电流源以及第二电流源。放大器具有二输入端以分别接收参考电压以及反馈电压。第一电流源耦接在操作电源与放大器的输出端间，对放大器的输出端提供第一电流。第二电流源耦接在放大器的输出端与参考接地端间，对放大器的输出端汲取第二电流。电压设定电路耦接至放大器的输出端，在电压通过模式下依据第一电流以设定输出端上的驱动电压。功率晶体管接收驱动电压，基于操作电源以依据驱动电压来产生输出电压。
基于上述，本发明实施例通过电压设定电路以在电压通过模式下，提升放大器的输出端上所产生的驱动电压，以使功率晶体管提供足够低的导通电阻，并使电压调整器可提供等于操作电源的输出电压。
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为本发明一实施例的电压调整器(voltage regulator)的示意图；
图2为本发明另一实施例的电压调整器的示意图；
图3A至图3D分别为本发明实施例的电压设定电路的多个实施方式的示意图；
图4为本发明另一实施例的电压调整器的示意图。
附图标号说明
100、200、400：电压调整器；
110、210、410：放大器；
120、220、310、320、330、340、420：电压设定电路；
221：电压拉低组件
311：二极管
321：电阻
CTR1、CTR2：控制信号
DRV：驱动电压；
I1、I2：电流；
IS1、IS2：电流源；
OT：输出端。
PM1：功率晶体管；
SW1、SW2、SW3、312、322、332、342：开关；
T1、T2：晶体管；
V1：电压
VFB：反馈电压；
VOUT：输出电压；
VPP：操作电源；
VR：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，相同元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为本发明一实施例的电压调整器(voltage regulator)的示意图。电压调整器100包括放大器110、电压设定电路120以及功率晶体管PM1。放大器110具有二输入端以分别接收参考电压VR以及反馈电压VFB，其中，放大器110可通过正输入端以接收参考电压VR，并通过负输入端以接收反馈电压VFB。放大器110另具有电流源IS1以及IS2。其中电流源IS1耦接在操作电源VPP与放大器110的输出端间，用以对放大器110的输出端提供一第一电流I1。电流源IS2则耦接在放大器110的输出端间以及参考接地端VSS间，用以对放大器110的输出端汲取一第二电流I2。另外，电流源IS2耦接至参考接地端VSS的路径间可设置一开关SW1。
电压设定电路120耦接在放大器110的输出端与参考接地端VSS间。电压设定电路120在电压调整器100工作在电压通过模式(bypass mode)时被启动。电压设定电路120在电压通过模式下，可接收第一电流I1，并依据第一电流I1以提升放大器110的输出端上的驱动电压DRV。
功率晶体管PM1的一端接收操作电源VPP，功率晶体管PM1的另一端产生输出电压VOUT。功率晶体管PM1的控制端则耦接至放大器110的输出端以接收驱动电压DRV。在本实施例中，功率晶体管PM1为一P型晶体管。
在动作细节上，电压调整器100可工作在正常模式或电压通过模式。电压调整器100在正常模式时，被组态为低压降(Low drop-out,LDO)电压调整器，并依据参考电压VR来产生一低于操作电源VPP的输出电压VOUT。在正常模式下，开关SW1被导通，且电压设定电路120不被启动。放大器110可依据比较参考电压VR以及反馈电压VFB来使电流源IS1或IS2以产生第一电流I1或第二电流I2。并使驱动电压DRV依据第一电流I1被提升，或依据第二电流I1而被下拉。
此外，在电压通过模式下，开关SW1被断开，且电压设定电路120被启动。在此情况下，电流源IS2停止产生第二电流I2，且电流源IS1所产生的第一电流I1可流至电压设定电路120。电压设定电路120则可通过所接收的第一电流I1以设定放大器110的输出端上的驱动电压DRV的电平给功率晶体管PM1，并使功率晶体管PM1提供一极低的导通电阻。在本实施例中，电压设定电路120在电压通过模式下可拉低驱动电压DRV的电平例如为参考接地电压，并使功率晶体管PM1的导通电阻为极低的状态。在此情况下，功率晶体管PM1可提供操作电源VPP来产生输出电压VOUT。且在功率晶体管PM1的导通电阻极低的条件下，输出电压VOUT实质上等于操作电源VPP。实际上，输出电压VOUT略低于操作电源VPP，其中输出电压VOUT与操作电源VPP间的电压差，可依据功率晶体管PM1的导通电阻及流通的电流来决定。值得注意的，在此时，功率晶体管PM1操作在线性区。
以下请参照图2，图2为本发明另一实施例的电压调整器的示意图。电压调整器200包括放大器210、电压设定电路220以及功率晶体管PM1。电压设定电路220则包括电压拉低组件221以及开关SW2。其中，电压拉低组件221以及开关SW2相互串联耦接在放大器210的输出端与参考接地端VSS间，电压拉低组件221用以提供一默认阻抗。在当电压调整器200工作在正常模式下，开关SW2被切断，并使电压设定电路220不被启动。相对的，在当电压调整器200工作在电压通过模式下，开关SW2被导通，电压设定电路220被启动，且电压拉低组件221可接收电流源IS1所提供的第一电流I1，并依据第一电流I1以及预设阻抗来拉低驱动电压DRV。通过被拉低的驱动电压DRV，功率晶体管PM1可被导通，并提供一极低的导通电阻。如此一来，功率晶体管PM1可产生实质上等同于操作电源VPP的输出电压VOUT。
在此请注意，开关SW1在正常模式下是被导通的，在电压通过模式下则是被切断的。开关SW2在正常模式下是被切断的，而在电压通过模式下则是被导通的。也就是说，开关SW1、SW2的动作是互补的。
关于电压拉低组件的实施方式，可参照图3A至图3D。图3A至图3D分别为本发明实施例的电压设定电路的多个实施方式的示意图。在图3A中，电压设定电路310由相互串联耦接的二极管311以及开关312所构成。二极管311的阳极耦接至放大器的输出端OT，开关312可耦接在二极管311的阴极以及参考接地端VSS间。二极管311用以建构电压拉低组件。在电压通过模式中，开关312被导通，二极管311则对应被导通，并依据由输出端OT所接收的电流，使输出端OT上的电压被拉低。本实施方式中，二极管311的数量不限是一个，或者也可以是多个相互串联。另外，图3A中的二极管311与开关322的位置，在其他实施方式中也可以互换，没有一定的限制。
开关312可应用本领域具通常知识者所熟知的任意开关组件来建构，没有特别的限制。
在图3B中，电压设定电路320由相互串联耦接的电阻321以及开关322所构成。电阻321用以建构电压拉低组件其中。在电压通过模式中，开关322被导通。电阻321可由放大器的输出端OT接收第一电流，并推升输出端OT上的电压。在本实施方式中，电阻321可以利用集成电路中，可做为电阻的任意材质来形成，例如多晶硅层、井区及/或金属层，没有一定的限制。或者，电阻321也可以透过任意电路组件来形成，例如偏压在线性区的晶体管。
在图3C中，电压设定电路330由相互串联耦接的晶体管T1以及开关332所构成。晶体管T1耦接成二极管的组态，并形成电压拉低组件331。在本实施方式中，晶体管T1为P型晶体管。而电压设定电路330的动作方式与电压设定电路310相同，在此不多赘述。
在图3D中，电压设定电路340由相互串联耦接的晶体管T2以及开关342所构成。晶体管T2耦接成二极管的组态，并形成电压拉低组件341。在本实施方式中，晶体管T2为N型晶体管。而电压设定电路340的动作方式与电压设定电路310相同，在此不多赘述。
附带一提的，图3C、3D中的晶体管T1、T2也未必需要耦接成二极管的组态。在本发明其他实施方式中，晶体管T1、T2的闸极，也可通过接收不同的偏压电压，而使晶体管T1、T2等效为一电阻。如此，电压设定电路330、340则可与电压设定电路320进行相同的操作。
请参照图4，图4为本发明另一实施例的电压调整器的示意图。电压调整器400包括放大器410、电压设定电路420、功率晶体管PM1、反馈电路430以及参考电压产生器440。放大器410具有电流源IS1以及IS2以及开关SW1，并具有输入级电路411。开关SW1受控于控制信号CTR1。控制信号CTR1可依据电压调整器400是工作在正常模式或是电压通过模式来产生。其中，当电压调整器400工作在正常模式下时，开关SW1依据控制信号CTR1被导通，当电压调整器400工作在电压通过模式下时，开关SW1被断开。此外，在电压调整器400工作在正常模式下，放大器410可通过输入级电路411以接收参考电压VR以及反馈电压VFB，并依据比较参考电压VR以及反馈电压VFB来在输出端OT产生驱动电压DRV。而在电压调整器400工作在电压通过模式下时，电压调整器400无视参考电压VR以及反馈电压VFB，直接输出实质上等于操作电源VPP的输出电压VOUT。因此，输入级电路411并不需要工作，而可以被关闭，以进一步降低所需的功率消耗。
电压设定电路420包括电压拉低组件421以及开关SW2。电压拉低组件421以及开关SW2相互串接于放大器410的输出端OT与参考接地端VSS间。在本实施例中，电压拉低组件421是一二极管。开关SW2受控于控制信号SW2。同样的，控制信号CTR2可依据电压调整器400是工作在正常模式或是电压通过模式来产生。其中，开关SW1与SW2的导通或断开状态是互补的。
在本实施例中，电压调整器400是工作在正常模式或是电压通过模式可通过外部命令来决定。也就是说，控制信号CTR1、CTR2可依据外部命令来产生。
反馈电路430包括电阻R1以及R2。电阻R1以及R2相互串联于功率晶体管PM1与参考接地端VSS间。反馈电路430用以在正常模式下，针对功率晶体管PM1所产生的输出电压VOUT进行分压，以产生反馈电压VFB。基于反馈电压VFB只需要在正常模式下被产生，因此，本发明其他实施例中，可在电阻R1、R2所形成的电阻串接设置一开关，并在电压调整器400工作在电压通过模式时，切断晶体管PM1与参考接地端VSS间的通路，并有效降低晶体管PM1与参考接地端VSS间所可能产生的直流漏电路径。
此外，在本实施例中，参考电压产生器440用以提供参考电压VR。参考电压产生器440包括电流源I3以及电容C1。电流源I3以及电容C1耦接在电压V1以及参考接地端VSS间。其中，参考电压VR可在启动时，依据电容C1的充电动作，逐渐的上升至等于电压V1的电平。如此一来，可以使参考电压VR的提供，具有软启动(soft start)的效果。
在本发明其他实施例中，参考电压VR也可以通过能带隙(band gap)电压产生电路来提供。
附带一提的，本发明实例中，电压调整器400可动态的在正常模式以及电压通过模式间进行切换。并使电压调整器400所产生的输出电压VOUT可依据实际的需求，在等于操作电源VPP(例如为5伏特)以及低于操作电源VPP(例如为3伏特)间切换。
根据上述的说明，本发明提供电压设定电路以在电压通过模式下，透过拉低功率晶体管所接收的驱动电压，来降低功率晶体管的导通电阻，并使电压调整器可有效的产生实质上等于操作电源的输出电压。本发明透过简单的设置电压设定电路，依据既有的电压调整器架构，在不大幅增加电路面积的情况下，有效建构出可在电压通过模式以及正常模式间动态切换的电压调整器，提升其工作效能。
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，其特征在于，包括：
放大器，具有二输入端以分别接收参考电压以及反馈电压，所述放大器包括：
第一电流源，耦接在操作电源与所述放大器的输出端间，对所述输出端提供第一电流；以及
第二电流源，耦接在所述输出端与参考接地端间，对所述输出端汲取第二电流；
电压设定电路，耦接至所述输出端，在电压通过模式下依据所述第一电流以设定所述输出端上的驱动电压；以及
功率晶体管，接收所述驱动电压，基于所述操作电源以依据所述驱动电压来产生输出电压。
2.根据权利要求1所述的电压调整器，其特征在于，在所述电压通过模式下，所述输出电压实质上等于所述操作电源。
3.根据权利要求1所述的电压调整器，其特征在于，所述电压设定电路在正常模式下所述电压设定电路停止接收所述第一电流。
4.根据权利要求2所述的电压调整器，其特征在于，所述电压设定电路包括：
电压拉低组件，耦接至所述输出端；以及
开关，与所述电压拉低组件耦接在所述输出端与所述参考接地端间，
其中，所述该开关在所述电压通过模式下被导通，所述该开关在所述正常模式下被切断。
5.根据权利要求4所述的电压调整器，其特征在于，所述电压拉低组件为二极管、电阻或晶体管。
6.根据权利要求1所述的电压调整器，其特征在于，在所述电压通过模式下，所述第二电流源停止对所述输出端汲取所述第二电流。
7.根据权利要求1所述的电压调整器，其特征在于，更包括：
反馈电路，耦接在所述功率晶体管与参考接地端的耦接路径间，依据分压所述输出电压以产生所述反馈电压。
8.根据权利要求1所述的电压调整器，其特征在于，所述放大器更包括输入级电路，所述输入级电路在所述电压通过模式下停止工作。
9.根据权利要求1所述的电压调整器，其特征在于，在所述电压通过模式下，所述功率晶体管工作在线性区。
10.根据权利要求1所述的电压调整器，其特征在于，更包括：
参考电压产生器，包括：
第三电流源，提供第三电流；以及
电容，耦接在所述第三电流源与所述参考接地端间，依据所述第三电流以产生所述参考电压。
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