CN115390606B - 电压调节器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电压调节器。电压调节器包括电平移位器、低通滤波器以及稳压电路。电平移位器对参考电压信号的电压值进行移位以产生设定电压信号。低通滤波器对设定电压信号进行滤波以产生经滤波电压信号。稳压电路依据经滤波电压信号来输出输出电压信号，并依据输出电压信号的变动对经滤波电压信号的电压值进行调整以稳定输出电压信号的电压值。

Description

电压调节器
技术领域
本发明涉及一种电源领域，且特别是有关于一种电压调节器。
背景技术
电压调节器是一种电源管理集成电路(power management IC，PMIC)。电压调节器可用于管理主机系统的电源需求。电压调节器可用于电池供电的设备，例如智能型手机、笔记本计算机、平板计算机、可穿戴装置等，以控制设备中电力的流动和方向。为了使电压调节器能够稳定的运行，如何使电压调节器具有快速的负载响应并提供稳定的输出电压信号，是本领域技术人员的研发重点之一。
发明内容
本发明提供一种电压调节器，具有快速的负载响应并且能够提供稳定的输出电压信号。
本发明的电压调节器包括电平移位器、低通滤波器以及稳压电路。电平移位器对参考电压信号的电压值进行移位以产生设定电压信号。低通滤波器耦接于电平移位器。低通滤波器对设定电压信号进行滤波以产生经滤波电压信号。稳压电路耦接于低通滤波器。稳压电路依据经滤波电压信号来输出输出电压信号，并依据输出电压信号的变动对经滤波电压信号的电压值进行调整以稳定输出电压信号的电压值。
基于上述，电压调节器是在将参考电压信号的电压值进行移位后产生设定电压信号，才对被移位后的设定电压信号进行滤波。稳压电路依据经滤波电压信号提供输出电压信号。因此，输出电压信号具有非常低的噪声。此外，稳压电路还依据输出电压信号的变动对经滤波电压信号的电压值进行调整。因此，输出电压信号的电压值得以被稳定。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图式作详细说明如下。
附图说明
图1是依据本发明第一实施例所绘示的电压调节器的示意图。
图2是依据本发明第二实施例所绘示的电压调节器的示意图。
图3是依据本发明第三实施例所绘示的电压调节器的示意图。
图4是依据本发明第四实施例所绘示的电压调节器的示意图。
图5是依据本发明第五实施例所绘示的电压调节器的示意图。
图6是依据本发明一实施例所绘示的第一误差放大器的电路的示意图。
图7是依据本发明一实施例所绘示的第一缓冲器以及第三缓冲器的电路的示意图。
图8是依据本发明一实施例所绘示的第二缓冲器的电路的示意图。
图9是依据本发明一实施例所绘示的第二误差放大器的电路的示意图。
附图标记说明
100、200、300、400、500：电压调节器
110、210、310、410、510：电平移位器
120、220、320、420、520：低通滤波器
130、230、330、430、530：稳压电路
211、411、511：运算放大器
231、431、531：第一误差放大器
232、432、532：第一缓冲器
233、433、533：第二缓冲器
340、440、540：补偿电路
441、541：第二误差放大器
442、542：第三缓冲器
443、543：高通滤波器
550：驱动电压稳压电路
551：驱动电压低通滤波器
552：低压降稳压器
BG：参考电压信号产生器
CX：电容器
IB1、IB2、IB3：电流源
R1：第一可变电阻器
R2：第二可变电阻器
RX：电阻器
T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7、T8、T9、T10、T11：晶体管
V1：第一电压信号
V2：第二电压信号
V3：第三电压信号
V3’：补偿信号
VB：偏压电压
VIN：驱动电压
VIN’：经滤波驱动电压
VOUT：输出电压信号
VREF：参考电压信号
VSET：设定电压信号
VSET’：经滤波电压信号
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。
请参考图1，图1是依据本发明第一实施例所绘示的电压调节器的示意图。在本实施例中，电压调节器100包括电平移位器110、低通滤波器120以及稳压电路130。电平移位器110接收参考电压信号VREF，并对参考电压信号VREF的电压值进行移位以产生设定电压信号VSET。低通滤波器120耦接于电平移位器110。低通滤波器120对设定电压信号VSET进行滤波以产生经滤波电压信号VSET’。在本实施例中，低通滤波器120可用以滤除设定电压信号VSET的中高频噪声，从而产生经滤波电压信号VSET’。进一步地，经滤波电压信号VSET’大致上为直流电压信号。
在本实施例中，稳压电路130耦接于低通滤波器120。稳压电路130依据经滤波电压信号VSET’来输出输出电压信号VOUT。稳压电路130依据输出电压信号VOUT的变动来对经滤波电压信号VSET’的电压值进行调整，从而稳定了输出电压信号VOUT的电压值。输出电压信号VOUT的变动可能是负载发生了改变以致使输出电压信号VOUT的电压值发生了变动。因此，稳压电路130可将输出电压信号VOUT的变动作为回馈信号以调整经滤波电压信号VSET’的电压值。因此，输出电压信号VOUT的电压值可以被稳定在一特定电压值区间内。在本实施例中，稳压电路130可以是由低压降(Low Dropout，LDO)稳压器来实施。
在此值得一提的是，低通滤波器120可以滤除参考电压信号VREF的中高频噪声及/或参考电压信号VREF被移位处理后所衍生出的中高频噪声。稳压电路130依据经滤波电压信号来输出输出电压信号VOUT。如此一来，电压调节器100所提供的输出电压信号VOUT具有非常低的噪声。除此之外，稳压电路130还依据输出电压信号VOUT的变动对VSET’的电压值进行调整。因此，输出电压信号VOUT的电压值得以被稳定。
请参考图2，图2是依据本发明第二实施例所绘示的电压调节器的示意图。在本实施例中，电压调节器200包括参考电压信号产生器BG、电平移位器210、低通滤波器220以及稳压电路230。参考电压信号产生器BG耦接于电平移位器210。参考电压信号产生器BG用以提供参考电压信号VREF。参考电压信号产生器BG可以是由带隙(bandgap)电压产生器来实施。
电平移位器210包括运算放大器211、第一可变电阻器R1以及第二可变电阻器R2。运算放大器211的非反相输入端用以接收参考电压信号VREF。运算放大器211的反相输入端耦接于分压节点。第一可变电阻器R1耦接于运算放大器211的输出端以及分压节点之间。第二可变电阻器R2耦接于分压节点与参考低电压(例如是接地)之间。在本实施例中，第一可变电阻器R1以及第二可变电阻器R2可以被调整以决定设定电压信号VSET的电压值。基于电平移位器210的电路配置，设定电压信号VSET的电压值可基于公式(1)来获得：
v_VSET＝v_VREF×(1+r_R1/r_R2)................公式(1)
其中，v_VSET为设定电压信号VSET的电压值。v_VREF为参考电压信号VREF的电压值。r_R1为第一可变电阻器R1的经调整电阻值。r_R2为第二可变电阻器R2的经调整电阻值。
在本实施例中，低通滤波器220的实施方式相似于第一实施例的低通滤波器120的实施方式。因此恕不在此重述。
在本实施例中，稳压电路230包括第一误差放大器231、第一缓冲器232以及第二缓冲器233。第一误差放大器231、第一缓冲器232以及第二缓冲器233可经由驱动电压VIN被驱动。第一误差放大器231的非反相输入端用以接收经滤波电压信号VSET’。第一误差放大器231的反相输入端用以接收输出电压信号VOUT。第一误差放大器231的输出端用以输出第一电压信号V1。第一缓冲器232耦接于第一误差放大器231的输出端。第一缓冲器232接收第一电压信号V1，并依据第一电压信号V1以提供第二电压信号V2。第一缓冲器232在第一缓冲器232的输出端输出第二电压信号V2。第二缓冲器233耦接于第一缓冲器232的输出端。第二缓冲器233接收第二电压信号，并依据第二电压信号V2以提供输出电压信号VOUT。
请参考图3，图3是依据本发明第三实施例所绘示的电压调节器的示意图。在本实施例中，电压调节器300包括电平移位器310、低通滤波器320、稳压电路330以及补偿电路340。电平移位器310、低通滤波器320以及稳压电路330的实施方式可以在图1以及图2的实施例中获得足够的教示。因此恕不在此重述。在本实施例中，补偿电路340耦接于低通滤波器320以及稳压电路330。补偿电路340依据输出电压信号VOUT以及经滤波电压信号VSET’来提供补偿信号。在本实施例中，补偿电路340可以对稳压电路330的运作进行高频瞬态补偿。
进一步来说明补偿电路的实施细节，请参考图4，图4是依据本发明第四实施例所绘示的电压调节器的示意图。电压调节器400包括参考电压信号产生器BG、电平移位器410、低通滤波器420、稳压电路430以及补偿电路440。电平移位器410包括运算放大器411、第一可变电阻器R1以及第二可变电阻器R2。稳压电路430包括第一误差放大器431、第一缓冲器432以及第二缓冲器433。电平移位器410、低通滤波器420以及稳压电路430的实施方式可以在图2的实施例中获得足够的教示。因此恕不在此重述。
在本实施例中，补偿电路440包括第二误差放大器441、第三缓冲器442以及高通滤波器443。第二误差放大器441的非反相输入端用以接收经滤波电压信号VSET’。第二误差放大器441的反相输入端用以接收输出电压信号VOUT。第二误差放大器441的输出端用以输出第三电压信号V3。第三缓冲器442耦接于第二误差放大器441的输出端与第二缓冲器433的输出端之间。第三缓冲器442依据第三电压信号V3产生补偿信号V3’，并将补偿信号V3’提供至第二缓冲器433的输出端。补偿信号V3’用以补偿第二电压信号V2的电压值。高通滤波器343耦接于第二误差放大器441的输出端与第三缓冲器442的输入端之间。高通滤波器443仅保留第三电压信号V3的高频波动并滤除第三电压信号V3的中低频成分。因此，补偿信号V3’为高频交流信号。
在本实施例中，第二误差放大器441的电流消耗被设计仅为第一误差放大器431的电流消耗的十分之一。因此，第二误差放大器441的功率消耗很小。第二误差放大器441的功率消耗几乎可以被忽略。此外，第二误差放大器441由具有高带宽的跨阻放大器(trans-impedance amplifier，TIA)来实施。因此，第二误差放大器441的响应速度快于第一误差放大器431的响应速度。也因此，第二误差放大器441反应于负载的变动的响应速度会明显快于第一误差放大器431反应于负载的变动的响应速度。
第二误差放大器441以及第三缓冲器442可以形成一低压降(Low Dropout，LDO)稳压器。
在此值得一提的是，由于第二误差放大器441的响应速度快于第一误差放大器431的响应速度并且补偿信号V3’为高频信号。如此一来，补偿电路440能够反应于负载端的高频变动来提供瞬态响应，从而及时地提供对应的高频补偿信号V3’。
在本实施例中，高通滤波器443包括电容器CX以及电阻器RX。电容器CX耦接于第二误差放大器441的输出端与第三缓冲器442的输入端之间。电阻器RX耦接于第三缓冲器442的输入端与偏压电压VB之间。偏压电压VB是使第三缓冲器442作动的参考偏压。
请参考图5，图5是依据本发明第五实施例所绘示的电压调节器的示意图。电压调节器500包括参考电压信号产生器BG、电平移位器510、低通滤波器520、稳压电路530、补偿电路540以及驱动电压稳压电路550。电平移位器510包括运算放大器511、第一可变电阻器R1以及第二可变电阻器R2。稳压电路530包括第一误差放大器531、第一缓冲器532以及第二缓冲器533。补偿电路540包括第二误差放大器541、第三缓冲器542以及高通滤波器543。电平移位器510、低通滤波器520、稳压电路530以及补偿电路540的实施方式可以在图4的实施例中获得足够的教示。因此恕不在此重述。
在本实施例中，驱动电压稳压电路550耦接于补偿电路540。驱动电压稳压电路550稳定驱动电压VIN的电压值。驱动电压VIN为至少用以驱动补偿电路540的第二误差放大器541的电源。因此，第二误差放大器541可基于稳定的驱动电压VIN而运行。应注意的是，第二误差放大器541具有较快的响应速度。第二误差放大器541对驱动电压VIN(如，小于或等于0.3伏特)的起伏较为敏感。因此，第二误差放大器541会基于驱动电压VIN的起伏而起伏。也就是说，第二误差放大器541需要稳定的驱动电压VIN。
在本实施例中，驱动电压稳压电路550包括驱动电压低通滤波器551以及低压降稳压器552。低压降稳压器552接收驱动电压，并对驱动电压进行稳压。驱动电压低通滤波器551耦接于低压降稳压器552。驱动电压低通滤波器551会滤除驱动电压VIN的中高频噪声以提供经滤波驱动电压VIN’。由此可知，驱动电压稳压电路550可以驱动电压VIN进行稳压操作，随后滤除经稳压的驱动电压VIN的中高频噪声以提供经滤波驱动电压VIN’。因此，驱动电压VIN’的电压值是稳定的并且没有中高频噪声。也因此，电压调节器500具有极高的电源抑制比(power supply rejection ratio，PSRR)。
在一些实施例中，经滤波驱动电压VIN’可用以驱动第一误差放大器531、第一缓冲器532以及第二缓冲器533。
下文将说明第一误差放大器、第一缓冲器、第二缓冲器、第二误差放大器以及第三缓冲器的低成本实施方式。
请参考图6，图6是依据本发明一实施例所绘示的第一误差放大器的电路的示意图。在本实施例中，第一误差放大器包括晶体管T1～T4以及电流源IB1。晶体管T1、T2分别为P型金属氧化物半导体场效晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-EffectTransistor，MOSFET)。晶体管T3、T4分别为N型MOSFET。晶体管T1的源极端耦接于驱动电压VIN。晶体管T1的栅极端耦接于晶体管T1的漏极端。晶体管T2的源极端耦接于驱动电压VIN。晶体管T2的栅极端耦接于晶体管T1的栅极端。晶体管T2的漏极端被作为第一误差放大器的输出端。晶体管T3的漏极端耦接于晶体管T1的漏极端。晶体管T3的栅极端作为第一误差放大器的非反相输入端。晶体管T4的漏极端耦接于晶体管T2的漏极端。晶体管T4的栅极端作为第一误差放大器的反相输入端。晶体管T4的源极端耦接于晶体管T3的源极端。电流源IB1耦接于晶体管T3、T4的源极端与参考低电压之间。图6所示的第一误差放大器可适用于图2的第一误差放大器231、图4的第一误差放大器431以及图5的第一误差放大器531。
请参考图7，图7是依据本发明一实施例所绘示的第一缓冲器以及第三缓冲器的电路的示意图。在本实施例中，晶体管T5可作为第一缓冲器。晶体管T6可作为第三缓冲器。晶体管T5可以是P型MOSFET。晶体管T6可以是N型MOSFET。晶体管T5的源极端耦接于驱动电压VIN。晶体管T5的栅极端作为第一缓冲器的输入端以接收第一电压信号V1。晶体管T5的漏极端作为第一缓冲器的输出端以输出第二电压信号V2。晶体管T5可适用以作为图2的第一缓冲器232、图4的第一缓冲器432以及图5的第一缓冲器532。
晶体管T6的漏极端作为第三缓冲器的输出端。晶体管T6的源极端耦接于参考低电压。晶体管T6的栅极端作为第三缓冲器的输入端以接收经滤波后的第三电压信号V3。晶体管T6可适用以作为图4的第三缓冲器442以及图5的第三缓冲器542。
在本实施例中，晶体管T5、T6会被操作以在线性奥姆区中运行。
请参考图8，图8是依据本发明一实施例所绘示的第二缓冲器的电路的示意图。在本实施例中，第二缓冲器包括晶体管T7以及电流源IB2。晶体管T7是P型MOSFET。晶体管T7的源极端以及基极端耦接于驱动电压VIN。晶体管T7的栅极端作为第二缓冲器的输入端以接收第二电压信号V2。晶体管T5的漏极端作为第一缓冲器的输出端以输出输出电压信号VOUT。图8所示的第二缓冲器可适用于图2的第二缓冲器233、图4的第二缓冲器433以及图5的第二缓冲器533。
请参考图9，图9是依据本发明一实施例所绘示的第二误差放大器的电路的示意图。在本实施例中，第二误差放大器包括晶体管T8～T11以及电流源IB3。晶体管T8、T9分别为P型MOSFET。晶体管T10、T11分别为N型MOSFET。晶体管T8的源极端耦接于经滤波驱动电压VIN’。晶体管T8的栅极端耦接于晶体管T8的漏极端。晶体管T9的源极端耦接于经滤波驱动电压VIN’。晶体管T9的栅极端耦接于晶体管T8的栅极端。晶体管T9的漏极端被作为第二误差放大器的输出端。晶体管T10的漏极端耦接于晶体管T8的漏极端。晶体管T10的栅极端作为第二误差放大器的非反相输入端。晶体管T11的漏极端耦接于晶体管T9的漏极端。晶体管T11的栅极端作为第二误差放大器的反相输入端。晶体管T11的源极端耦接于晶体管T10的源极端。电流源IB3耦接于晶体管T10、T11的源极端与参考低电压之间。图9所示的第二误差放大器可适用于图4的第二误差放大器441以及图5的第二误差放大器541。图9的电路尺寸大约为图6的电路尺寸的十分之一。
综上所述，电压调节器会将参考电压信号的电压值进行移位后来产生设定电压信号，随后才对被移位后的设定电压信号进行滤波。稳压电路则依据经滤波电压信号提供输出电压信号。如此一来，输出电压信号具有非常低的噪声。稳压电路还依据输出电压信号的变动对经滤波电压信号的电压值进行调整。因此，输出电压信号的电压值得以被稳定。除此之外，驱动电压的噪声会被滤除以形成经滤波驱动电压。因此，电压调节器具有极高的电源抑制比。
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 (8)

1.一种电压调节器，其特征在于，所述电压调节器包括：
电平移位器，经配置以对参考电压信号的电压值进行移位以产生设定电压信号；
低通滤波器，耦接于所述电平移位器，经配置以对所述设定电压信号进行滤波以产生经滤波电压信号；
稳压电路，耦接于所述低通滤波器，经配置以依据所述经滤波电压信号来输出输出电压信号，并依据所述输出电压信号的变动对所述经滤波电压信号的电压值进行调整以稳定所述输出电压信号的电压值，其中所述稳压电路包括：
第一误差放大器，所述第一误差放大器的非反相输入端接收所述经滤波电压信号，所述第一误差放大器的反相输入端接收所述输出电压信号，所述第一误差放大器的输出端用以输出第一电压信号；
第一缓冲器，耦接于所述第一误差放大器的输出端，经配置以接收所述第一电压信号，依据所述第一电压信号以提供第二电压信号，并在所述第一缓冲器的输出端输出所述第二电压信号；以及
第二缓冲器，耦接于所述第一缓冲器的输出端，经配置以接收所述第二电压信号，并依据所述第二电压信号以提供所述输出电压信号；以及
补偿电路，耦接于所述低通滤波器以及所述稳压电路，经配置以依据所述输出电压信号以及所述经滤波电压信号以提供补偿信号，其中所述补偿信号用以补偿所述第二电压信号的电压值。
2.根据权利要求1所述的电压调节器，其特征在于，所述电平移位器包括：
运算放大器，所述运算放大器的非反相输入端接收所述参考电压信号，所述运算放大器的反相输入端耦接于分压节点；
第一可变电阻器，耦接于所述运算放大器的输出端以及所述分压节点之间；以及
第二可变电阻器，耦接于所述分压节点与参考低电压之间。
3.根据权利要求1所述的电压调节器，其特征在于，所述补偿信号为高频信号。
4.根据权利要求1所述的电压调节器，其特征在于，所述补偿电路包括：
第二误差放大器，所述第二误差放大器的非反相输入端接收所述经滤波电压信号，所述第二误差放大器的反相输入端接收所述输出电压信号，所述第二误差放大器的输出端用以输出第三电压信号；
第三缓冲器，耦接于所述第二误差放大器的输出端与所述第二缓冲器的输出端之间，经配置以依据所述第三电压信号产生所述补偿信号，并将所述补偿信号提供至所述第二缓冲器的输出端；以及
高通滤波器，耦接于所述第二误差放大器的输出端与所述第三缓冲器的输入端之间。
5.根据权利要求4所述的电压调节器，其特征在于，所述高通滤波器包括：
电容器，耦接于所述第二误差放大器的输出端与所述第三缓冲器的输入端之间，
电阻器，耦接于所述第三缓冲器的输入端与偏压电压之间。
6.根据权利要求4所述的电压调节器，其特征在于：
所述第二误差放大器由具有高带宽的跨阻放大器来实施，并且
第二误差放大器的响应速度快于所述第一误差放大器的响应速度。
7.根据权利要求4所述的电压调节器，其特征在于，所述电压调节器还包括：
驱动电压稳压电路，耦接于所述补偿电路，经配置以稳定用以驱动所述第二误差放大器的驱动电压的电压值。
8.根据权利要求7所述的电压调节器，其特征在于，所述驱动电压稳压电路包括：
低压降稳压器，经配置以接收所述驱动电压，并对所述驱动电压进行稳压；以及
驱动电压低通滤波器，耦接于所述低压降稳压器，经配置以滤除所述驱动电压的中高频噪声以提供经滤波驱动电压。
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