CN1912791A - 可在负载瞬间变化时防止过电压的电压调节器 - Google Patents
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Abstract
电压转换电路具有一个输出端，用于在一个输出电压下供应一个输出电流至负载。响应于该负载的一瞬间变化，电流排放电路允许一个电流源提供一个排放电流从电压转换电路的输出端流入地面电位。该排放电流有限且稳定。当输出电压下降至临界电压时，电流排放电路允许该电流源继续在一段延长时间内提供该有限且稳定的排放电流，以使输出电压从临界电压下降至调节值。
Description
技术领域
本发明涉及一种电压调节器，尤其涉及一种可在负载瞬间变化时维持稳定的输出电压的电压调节器。
背景技术
图1(A)显示了当前的线性调节器11的第一例子的电路图。线性调节器11将输入电压Vin转换成输出电压Vout并且依据负载Id的需求来供应输出电流Iout。由电阻R1与R2所构成的电阻性分压器产生一个反馈电压Vfb，其代表输出电压Vout。通过比较反馈电压Vfb与一个预定的参考电压Vref，误差放大器13产生并施加一个误差电压Verr至晶体管PQ的栅极。晶体管PQ的漏极源极电流通道连接于输入电压Vin与输出电压Vout之间。通过施加误差电压Verr以控制漏极源极电流通道的电阻值，线性调节器11使输出电压Vout维持于一个调节值且依据负载Id的需求来供应输出电流Iout。设置于输入电压Vin与输出电压Vout之间的作为被动组件的晶体管PQ也可以由NMOS晶体管NQ替代，如图1(B)的当前的线性调节器12的第二例子所示。只不过在此情况下，误差放大器13的非反相输入端变成接收参考电压Vref而其反相输入端则变成接收反馈电压Vfb。
当负载Id瞬间下降，例如突然移除负载Id时，在输出电流Iout响应此瞬间变化而最终降低至等于负载Id之前，输出电流Iout中的多余部分会转而对输出电容Cout充电，导致输出电压Vout上升而脱离原先的调节值。为了解决该问题，当前技术建议一种电流排放电路，用以在负载瞬间变化时对于输出电流Iout中的多余部分提供一条排放路径，从而抑制输出电压Vout的上升。
在图1(A)的第一例子中，电流排放电路14a主要具有电压比较器15与晶体管开关PS。如前所述当负载Id瞬间下降而造成输出电压Vout上升时，误差放大器13也因而产生一个上升的误差电压Verr。一旦误差电压Verr超过预定的触发电压Vtrg时，电压比较器15将导通晶体管开关PS，以形成一条排放路径使输出电流Iout直接流入地面电位。在图1(B)的第二例子中，电流排放电路14b中的电压比较器15则改变成直接比较反馈电压Vfb与参考电压Vref，其中反馈电压Vfb必须先经过预定的补偿电压Vofs的调整。当反馈电压Vfb过大而触发电压比较器15时，晶体管开关NS被导通以形成一条排放路径使输出电流Iout直接流入地面电位。
虽然图1(A)或1(B)所示的当前技术皆可利用电流排放电路14a或14b形成一条排放路径而抑制输出电压Vout的上升，但由于晶体管开关PS或NS导通时，线性调节器11或12的输出端几乎直接短路到地面电位，造成输出电流Iout剧烈地降低。结果，输出电压Vout非常容易发生剧烈地上下震荡，使得电流排放电路14a或14b重复地激活和关闭晶体管开关PS或NS。
发明内容
鉴于前述问题，本发明的目的在于提供一种电压调节器，可在负载瞬间变化时防止过电压与输出震荡，从而提供稳定的输出电压。
依据本发明的电压转换电路包括电压转换电路、事件检测电路、以及电流排放电路。电压转换电路具有一个输出端，用以在一个输出电压下供应一个输出电流至负载。事件检测电路检测该负载的一瞬间变化事件。响应于该负载的该瞬间变化事件，电流排放电路允许一个电流源提供一个排放电流，从该电压转换电路的该输出端流入地面电位。该排放电流有限且稳定。当输出电压下降至预定的临界电压时，电流排放电路允许该电流源继续在一段延长时间内提供该有限且稳定的排放电流，以使输出电压从临界电压下降至调节值。
附图说明
图1(A)显示了当前的线性调节器的第一例子的电路图；
图1(B)显示了当前的线性调节器的第二例子的电路图；
图2(A)显示了依据本发明的电压调节器的电路方框图；
图2(B)显示了依据本发明的电压调节器的操作时序图；
图3显示了依据本发明的电压调节器的例子的详细电路图。
具体实施方式
下文中的说明与附图将使本发明的前述与其它目的、特征、与优点更明显。兹将参照图式详细说明依据本发明的优选实施例。
图2(A)显示依据本发明的电压调节器20的电路方框图。参照图2(A)，电压调节器20主要包括电压转换电路21、事件检测电路22、以及电流排放电路23。电流排放电路23主要包括放电控制电路24与可开关的电流源25。
简单来说，电压转换电路21将输入电压Vin转换成输出电压Vout，并且依据负载Id的需求而在输出端供应输出电流Iout。电压转换电路21可以由图1(A)或1(B)所示的线性调节器11或12所实施，亦即主要包括分压电路、误差放大器、与作为被动组件的晶体管所组成。此外，电压转换电路21还可以由采用脉冲宽度调制(PWM)或脉冲频率调制(PFM)等技术所控制的切换式调节器(Switching Regulator)所实施。又或者，电压转换电路21还可以由电荷泵(Charge Pump)调节器所实施。不论是切换式调节器或电荷泵调节器，均为本领域技术人员所熟悉，故此处省略其电路与操作的详细说明。
事件检测电路22用以检测负载瞬间变化的事件，尤其用以检测负载Id从重负载瞬间变化至轻负载的事件。如前所述，当负载Id从重负载瞬间变化至轻负载时，输出电压Vout会因输出电容Cout的充电而上升，所以事件检测电路22可以由电压比较电路所实施，用以检测输出电压Vout是否超过预定的临界电压Vth。除了直接检测输出电压Vout以外，事件检测电路22还可检测与输出电压Vout有连动性的电路信号，例如误差电压Verr或反馈电压Vfb，此两者皆随着输出电压Vout而变化。举例而言，事件检测电路22可以由图1(A)所示的电压比较器15所实施，通过比较误差电压Verr与触发电压Vtrg而有效地获知负载瞬间变化的事件。同样地，事件检测电路22还可以由图1(B)所示的电压比较器15所实施，通过比较反馈电压Vfb(含补偿电压Vofs)与参考电压Vref而有效地获知负载瞬间变化的事件。
响应于事件检测电路22所检测到的负载瞬间变化，放电控制电路24产生一个放电控制信号DP，用以控制可开关的电流源25。具体而言，当输出电压Vout超过预定的临界电压Vth时，放电控制信号DP激活(或导通)可开关的电流源25，用以允许排放电流Isk从电压转换电路21的输出端排放至地面电位。然而，当输出电压Vout因排放电流Isk的作用而下降至低于临界电压Vth时，放电控制信号DP开始延长一段预定的时间，用以继续允许可开关的电流源25提供排放电流Isk，以便输出电压Vout得以继续下降而恢复至负载瞬间变化前的调节值。请注意可开关的电流源25在激活(或导通)后提供一个有限且稳定的排放电流Isk，而非让电压转换电路21的输出端直接短路于地面电位，因而实现稳定地降低输出电压Vout，避免震荡发生。
图2(B)显示了依据本发明的电压调节器20的操作时序图。在时间T0，负载Id从重负载Ihy瞬间下降至轻负载Ilt，导致输出电流Iout因无法立即反应而转变成电容电流Ic，对输出电容Cout充电。因此，输出电压Vout从时间T0开始上升。输出电压Vout在时间T1达到预定的临界电压Vth后，事件检测电路22受触发而激活电流排放电路23。在经过一小段因实际电路有限的操作速度而造成的时间延迟后，可开关的电流源25在时间T2真正开启(或导通)而提供一个有限且稳定的排放电流Isk。结果，电容电流Ic转变成对输出电容Cout放电，亦即如图所示其电流方向由正(+)转负(-)。在时间T3，输出电压Vout下降至临界电压Vth，但请注意排放电流Isk仍继续由可开关的电流源25提供，并未中止。排放电流Isk从时间T3持续供应至时间T4，使得输出电压Vout得以从临界电压Vth恢复至原先的调节值Vo。换言之，电流排放电路23所提供的排放电流Isk设计成在输出电压Vout恢复至原先的调节值Vo时才结束。现在合理地假设在时间T3至T4间，排放电流Isk主要用于排除输出电容Cout中所储存的多余电荷，亦即此时输出电流Iout已经大致响应于负载瞬间变化而调整到轻负载Ilt。因此，倘若在一个实施例中电流排放电路23提供固定的排放电流Isk，则该延长时间dT可计算如下：dT＝Cout/Isk×(Vth-Vo)。
图3显示了依据本发明的电压调节器的例子30的详细电路图。在电压转换电路31中，晶体管P1与P2以及电流镜M1、M2、与M3共同构成一个差动放大对，用以比较反馈电压Vfb与参考电压Vref，并且产生误差电压Verr来控制设置于输入电压Vin与输出电压Vout之间的晶体管PQ的电流通道的导通电阻。因此，电压转换电路31由一个线性调节器所实施。
在事件检测电路32中，通过电流镜对称设计，透过晶体管N3可产生一个电流Ia，其与流经差动放大对的晶体管P1的电流成线性比例关系，并且透过晶体管P3可产生另一个电流Ib，其与流经差动放大对的晶体管P2的电流成线性比例关系。由于差动放大对依据反馈电压Vfb与参考电压Vref来分配流经晶体管P1与P2的电流，故电流Ia与电流Ib间的差异可适当地反应出反馈电压Vfb与参考电压Vref之间的差异。当电流Ib与电流Ia之间的误差电流Ierr超过预定的补偿电流Iofs时，施密特触发器(Schmidt Trigger)ST1被触发。因此，事件检测电路32可以视为一个电流比较器，利用电流比较方式来检测负载瞬间变化的事件。
在施密特触发器ST1被触发而输出一个低位准(电平)后，放电控制电路34的晶体管P4导通而晶体管N4不导通，因此充电电流经由晶体管P4对电容C3充电。很快地，电容C3上的电压足够大而触发施密特触发器ST2，因而放电控制信号DP进入低位准状态。响应于低位准状态的放电控制信号DP，可开关的电流源35的开关晶体管PS导通，允许电流源CC提供有限且稳定的排放电流Isk。在一个实施例中，电流源CC可设计为固定的电流源，使得排放电流Isk为固定值。当事件检测电路32的施密特触发器ST1的输出从低位准转换回高位准时，亦即输出电压Vout已经因排放电流Isk而下降至临界电压Vth时，放电控制电路34的晶体管P4变成不导通而晶体管N4变成导通。结果，电容C3经由电阻R3与晶体管N4而放电。因为电阻R3的存在造成电容C3的放电速率比先前的充电速率还慢，所以放电控制信号DP会延长一段时间dT后才转态成为高位准而终止可开关的电流源35的排放电流Isk。
虽然本发明已经通过优选实施例作为例示加以说明，应该理解的是：本发明不限于该被揭示的实施例。相反地，本发明意欲涵盖对于本领域技术人员而言明显的各种修改与相似配置。因此，权利要求的范围应根据最广的诠释，以包容所有此类修改与相似配置。
Claims (10)
1.一种电压调节器，包含：
电压转换电路，具有一个输出端，用于在一个输出电压下供应一个输出电流至负载；
事件检测电路，用于检测所述负载的一瞬间变化事件；以及
电流排放电路，用于响应于所述负载的所述瞬间变化事件而允许一个电流源提供一个有限且稳定的排放电流，从所述电压转换电路的所述输出端流入地面电位。
2.如权利要求1所述的电压调节器，其中：
所述有限且稳定的排放电流具有固定电流值。
3.如权利要求1所述的电压调节器，其中：
当所述输出电压下降至预定的临界电压时，所述电流排放电路允许所述电流源继续在预定的延长时间内提供所述有限且稳定的排放电流。
4.如权利要求1所述的电压调节器，其中：
所述电压转换电路具有反馈电路，用于产生一个反馈电压，其代表所述输出电压，并且
所述事件检测电路由一个电压比较器所实施，用于比较所述反馈电压与预定的参考电压。
5.如权利要求1所述的电压调节器，其中：
所述电压转换电路具有：
反馈电路，用于产生一个反馈电压，其代表所述输出电压，以及
误差放大电路，用以产生一个误差电压，其代表所述反馈电压与第一参考电压之间的差异，并且
所述事件检测电路由电压比较器所实施，用以比较所述误差电压与第二参考电压。
6.如权利要求1所述的电压调节器，其中：
所述电压转换电路具有：
反馈电路，用于产生一个反馈电压，其代表所述输出电压，以及
差动放大对，用于依据所述反馈电压与预定的参考电压来分配第一电流与第二电流，并且
所述事件检测电路由电流比较器所实施，用以比较所述第一电流与所述第二电流。
7.如权利要求6所述的电压调节器，其中：
所述事件检测电路在所述第一电流与所述第二电流之间相差预定的补偿电流时被触发。
8.一种防止过电压的方法，应用于电压调节器，所述电压调节器具有一个输出端，用于在一个输出电压下供应一个输出电流至负载，所述方法包含：
当所述输出电压超过预定的临界电压时，允许一个电流源提供一个有限且稳定的排放电流，从所述电压转换电路的所述输出端流入地面电位。
9.如权利要求8所述的防止过电压的方法，还包含：
当所述输出电压下降至所述预定的临界电压时，允许所述电流源继续在预定的延长时间内提供所述有限且稳定的排放电流。
10.如权利要求8所述的防止过电压的方法，其中：
所述有限且稳定的排放电流具有固定电流值。
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