CN1333512C - 误差放大器和直流电压转换电路及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种误差放大器和直流电压转换电路及其方法，该直流电压转换电路将软启动的功能设于该误差放大器内。由于该软启动的加入，当该直流电压转换电路启动时，该误差放大器的输出电压将追随该缓慢上升的软启动电压。当软启动电压超过该误差放大器的输出电压稳态值后，该软启动即对该误差放大器失去控制，而完全由该误差放大器的输入端控制。如此一来，即可消除或大幅降低该误差放大器和该直流电压转换电路的输出电压的抖动现象。

Description

误差放大器和直流电压转换电路及其方法
技术领域
本发明涉及一种误差放大器和直流电压转换电路(DC-DCconverter)及其方法，特别是关于一种利用软启动(soft start)以降低电压抖动(jitter)的误差放大器和直流电压转换电路及其方法。
背景技术
直流电压转换电路已被广泛地运用于电子产品的开发设计中。对于便携式产品而言，当电池处于放电状态时，其输出电压值亦随之下降。此时在该便携式产品内部需搭配一直流电压转换电路，用以将该输出电压固定于一定值。此外，一般的电子设备内通常需要许多不同的操作电压，该功能也需要靠直流电压转换电路来完成。
现有的直流电压转换电路10，如图1所示，包含一误差放大器11，PWM比较器12和一驱动器13。该误差放大器11的输出电压Verr为放大率(Av)及参考电压(Vref)扣除输入电压(IN或n*Vout)的乘积。为了防止输出级晶体管在启动时产生过大的瞬间电流，当该直流电压转换电路10启动时会在该PWM比较器12的输入端加入一缓慢上升波形作为软启动，使该PWM比较器12的输出脉冲宽度由小逐渐变大，以减少输出级晶体管的瞬间电流并保护输出级晶体管。
图2(a)至2(c)显示该现有直流电压转换电路10的操作时序图。在图2(a)中，曲线22代表该PWM比较器12的输入振荡波形(OSC)，曲线21代表软启动的缓慢上升波形，而曲线23代表该误差放大器11的输出。在图2(b)中，该PWM比较器12的输出脉冲宽度将呈现由小逐渐变大的趋势。在图2(c)中，该直流电压转换电路10的输出Vout曲线24和馈送后的输入n*Vout曲线25将呈现缓慢上升，以减少瞬间电流。
现有直流电压转换电路10的缺点在于软启动无法控制该误差放大器11的输出波形，所以该误差放大器11将在产生较大的瞬时电压后才回到稳态电压，形成一抖动的状态。对于许多电子设备而言，该抖动将造成运行上的困扰，且降低产品的可靠性。
由于直流电压转换电路对于现今许多电子设备而言已属于一类必要的部件，因此如何降低或消除其输出电压的抖动现象，实为一项重要的课题。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种误差放大器和直流电压转换电路及其方法，其主要功能在于降低电源启动时的电压抖动现象，确保电子设备的正常工作及产品可靠性。
为了达到上述目的，本发明的直流电压转换电路将软启动的功能设于一误差放大器内。由于该软启动的加入，当该直流电压转换电路启动时，该误差放大器的输出电压将追随该缓慢上升的软启动电压。当软启动电压超过该误差放大器的输出电压稳态值后，该软启动即对该误差放大器失去控制，而完全由该误差放大器的输入端控制。如此一来，就可消除或大幅降低该误差放大器和该直流电压转换电路输出电压的抖动现象。
本发明揭示的误差放大器包含一软启动信号；一输入信号；一参考电压；一输出信号，其将收敛于一稳态电压；一第一放大级，其输入端连接所述输入信号和参考电压，用于放大所述的参考电压扣除所述的输入信号的差值；一箝位级，其连接所述软启动信号，当所述的软启动信号小于所述的稳态电压时，用于将所述的输出信号箝位至所述的软启动信号；一缓冲级，耦接所述的箝位级，用于驱动所述的输出信号；以及一第二放大级，耦接于所述第一放大级和箝位级之间，所述第二放大级包含一由所述的第一放大级控制的第一晶体管和一由所述的箝位级控制的第二晶体管，所述的第一晶体管和第二晶体管的输出端电连接至所述的缓冲级，并且当所述的软启动信号大于所述的稳态电压时，此误差放大器放大所述参考电压扣除所述输入信号的差值，并输出为所述的输出信号。
本发明的直流电压转换电路，包含一误差放大器、一PWM比较器及一驱动器。该PWM比较器的一输入端连接至该误差放大器，另一输入端连接至一振荡波形。该驱动器连接至该PWM比较器，用于驱动该直流电压转换电路外部的电子元件。
本发明的直流电压转换电路方法，包含步骤(a)至(c)。在步骤(a)，提供一连接至误差放大器的软启动信号和参考电压，该软启动信号在该误差放大器启动时具有逐渐上升的特性，且该误差放大器的输出将收敛于一稳态电压。在步骤(b)，当该软启动信号小于该稳态电压时，该误差放大器的输出将被箝位至该软启动信号。在步骤(c)，当该软启动信号大于该稳态电压时，该误差放大器将放大一差值信号并输出，该差值信号是该参考电压扣除该误差放大器的输入信号的差值。
本发明的误差放大器及其直流电压转换电路具有下列优点：
1.内建软启动功能。
2.可得到平滑上升没有抖动的输出电压。
3.可降低转换电压的抖动现象。
4.可直接控制直流电压转换电路内调变脉冲的最大宽度。
附图说明
本发明将依照附图来说明，其中：
图1是现有的直流电压转换电路；
图2(a)至2(c)是现有直流电压转换电路的时序图；
图3是本发明的直流电压转换电路的一实施例；
图4是本发明的误差放大器的一实施例；
图5是本发明的误差放大器的时序图；
图6(a)至6(c)是本发明的直流电压转换电路的时序图；及
图7是本发明的误差放大器的另一实施例。
图中组件符号说明：10直流电压转换电路、11误差放大器、12PWM比较器、13驱动器、21软启动曲线、22输入振荡波形、23输出曲线、24输出曲线、25输入曲线、30直流电压转换电路、31误差放大器、32 PWM比较器、33驱动器、34软激活、35分压器、41第一放大级、42第二放大级、43箝位级、44缓冲级、45第一放大器、46第一晶体管、47第二晶体管、48第二放大器、49缓冲器、61软启动曲线、62输入振荡波形、63输出曲线、64输出曲线、65输入曲线、71误差放大器
具体实施方式
图3为本发明的直流电压转换电路的一实施例，其中该直流电压转换电路30包含一误差放大器31、一PWM比较器32和一驱动器33。该直流电压转换电路30的输出端经由一分压器35馈送至输入端，因此输入端和输出端的电压比n介于0与1之间。和现有的直流电压转换电路10最大的不同点在于本发明的直流电压转换电路30将软启动34的功能设于一误差放大器31内。由于该软启动34的加入，当该直流电压转换电路30启动时，该误差放大器31的输出电压将追随该缓慢上升的软启动电压。而当软启动电压超过该误差放大器31的输出电压的稳态值Verr后，该软启动34即对该误差放大器31失去控制，而完全由该误差放大器31的输入端控制。如此一来，即可消除或大幅降低该误差放大器31和该直流电压转换电路30输出电压的抖动现象。
图4是本发明的误差放大器的内部电路结构的一实施例。该误差放大器31包含一第一放大级41、一第二放大级42、一箝位级(clampstage)43和一缓冲级44。该第一放大级41包含一第一放大器45，用于放大该参考电压Vref扣除该输入信号IN的差值。该箝位级43包含一第二放大器48，用于放大该软启动34信号扣除该输出信号OUT的差值。当该输入信号IN小于该参考电压Vref时，该箝位级43用于将该输出信号OUT箝位至该软启动34信号。该缓冲级44包含一缓冲器49，用于驱动该输出信号OUT。该第二放大级42包含一由该第一放大级41控制的第一晶体管46和一由该箝位级43控制的第二晶体管47，该第一晶体管46和第二晶体管47的输出端电连接至该缓冲级44。
图5所示为该误差放大器31的操作时序图。在启始状态时，软启动34由0缓缓上升至Vcc，其一并启动该第二放大器48和第二晶体管47。此时VIN小于Vref，因此第一放大器45不动作，其输出VO1为0，并造成该第二放大级42的第一晶体管46关闭。换言之，在起始状态时，该误差放大器31将由箝位级43、第二放大器42和缓冲级44所控制，并形成增益为1的控制回路。该缓冲级44的缓冲器49的输出电压将追随软启动34的电压，直到软启动34的电压超过该误差放大器31的稳态电压Verr。
当软启动34的电压超过稳态电压Verr时，该箝位级43的第二放大器48的输出VO2为0，并将第二晶体管47关闭。此时该误差放大器31由该第一放大级41、第二放大级42和缓冲级44控制，并将输出电压固定于稳态电压Verr。
图6(a)至6(c)是本发明的直流电压转换电路30的操作时序图。在图6(a)中，曲线62代表该PWM比较器32的输入振荡波形(OSC)，曲线61代表软启动34的缓慢上升波形，而曲线63代表该误差放大器31的输出。在图6(b)中，该PWM比较器32的输出脉冲宽度将呈现由小逐渐变大的趋势。在图6(c)中，该直流电压转换电路30的输出Vout曲线64和馈送后的输入n*Vout曲线65将呈现缓慢上升，以减少瞬间电流。最重要的是，该直流电压转换电路30将直接收敛至稳态电压Verr，可大幅降低现有技术中电压抖动的缺点，确保电子设备的正常工作及产品可靠性。
图7是本发明的误差放大器71的内部电路结构的另一实施例。与图4的电路结构不同的是，该第二放大器48的一输入端是电连接至该误差放大器71的输入端IN，而非输出端OUT。然而如前所述，该输入端IN的电压是由该输出端OUT的电压经一分压器35产生，两者具有正比关系。
本发明的另一特点在于可利用软启动34控制该PWM比较器32的输出脉冲宽度。若将软启动34的最高电压设定于该PWM比较器32的输入振荡波形的Vh和V1之间，则该误差放大器31的输出电压便可追随软启动34的电压而箝位于该软启动34的最大电压处，如此便可控制该PWM比较器32的输出脉冲宽度和工作周期(duty cycle)。
本发明的技术内容及技术特点已揭示如上，然而本领域的技术人员可能基于本发明的说明而作种种不背离本发明精神的替换及修改。因此，本发明的保护范围应不限于实施例所揭示的内容，而应包括各种不背离本发明的替换及修改，并为权利要求书所涵盖。

Claims (8)

1.一种误差放大器，包含：
一软启动信号；
一输入信号；
一参考电压；
一输出信号，其将收敛于一稳态电压；
一第一放大级，其输入端连接所述输入信号和参考电压，用于放大所述的参考电压扣除所述的输入信号的差值；
一箝位级，其连接所述软启动信号，当所述的软启动信号小于所述的稳态电压时，用于将所述的输出信号箝位至所述的软启动信号；
一缓冲级，耦接所述的箝位级，用于驱动所述的输出信号；以及
一第二放大级，耦接于所述第一放大级和箝位级之间，所述第二放大级包含一由所述的第一放大级控制的第一晶体管和一由所述的箝位级控制的第二晶体管，所述的第一晶体管和第二晶体管的输出端电连接至所述的缓冲级，并且当所述的软启动信号大于所述的稳态电压时，此误差放大器放大所述参考电压扣除所述输入信号的差值，并输出为所述的输出信号。
2.根据权利要求1所述的误差放大器，其特征在于所述输入信号是经一分压器产生。
3.根据权利要求1所述的误差放大器，其特征在于所述箝位级是利用所述的输入信号或输出信号与所述的软启动信号比较。
4.根据权利要求1所述的误差放大器，其特征在于所述第一晶体管在所述的软启动信号大于所述的稳态电压时被启动，而所述的第二晶体管在所述的软启动信号小于所述的稳态电压时被启动。
5.一种直流电压转换电路，包含：
一如权利要求1所述的误差放大器；
一PWM比较器，其一输入端连接至所述的误差放大器，另一输入端连接至一振荡波形；以及
一驱动器，连接至所述的PWM比较器，用于驱动所述的直流电压转换电路外部的电子元件。
6.根据权利要求5所述的直流电压转换电路，其特征在于所述误差放大器的输出介于所述的振荡波形的高电位和低电位之间，从而调整工作周期。
7.根据权利要求5所述的直流电压转换电路，其特征在于所述驱动器的输出经由一分压器馈送至所述的误差放大器的输入端。
8.一种直流电压转换方法，包含下列步骤：
提供一连接至误差放大器的软启动信号和参考电压，所述的软启动信号在所述的误差放大器启动时具有逐渐上升的特性，且所述的误差放大器的输出将收敛于一稳态电压；
当所述的软启动信号小于所述的稳态电压时，所述的误差放大器的输出将被箝位至所述的软启动信号；及
当所述的软启动信号大于所述的稳态电压时，所述的误差放大器将放大所述的参考电压扣除所述的误差放大器的输入信号的差值并输出。
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