TW201344387A - 一種具暫態響應增強機制的電壓調節裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明揭示一種電壓調節裝置，其包括：一功率電晶體，具有一控制端、一用以接收一供應電壓之第一端、及一用以提供一輸出電壓之第二端；一回授電路，耦接該第二端，用以根據該輸出電壓產生一回授電壓；一放大器，用以依據一參考電壓與該回授電壓，透過該放大器之一源電流單元及一沉電流單元來驅動該控制端；以及一暫態增強單元，用以偵測該源電流單元及該沉電流單元，並依據該偵測結果來調整該控制端之一電壓。

Description

一種具暫態響應增強機制的電壓調節裝置
本發明係關於一種電壓調節裝置，特別是指一種具暫態響應增強機制的電壓調節裝置。
電壓調節器(Voltage regulator)用以將未經調節的電壓轉變為特定電壓的穩定直流電壓，廣泛應用於可攜式的電子產品中，例如行動電話、筆記型電腦、及個人數位助理(PDA)等。由於可攜式的行動設備對於低功率耗損和高可靠性的高規格要求，使得電壓調節器的設計與製造極具挑戰性。
當電壓調節器所輸出供電的電路從一種負載狀態切換到另一種負載狀態時，電壓調節器的負載可能會產生快速的變化，而這種負載的快速變化將使電壓調節器的輸出電壓產生暫態的尖峰脈衝。大部份的數位電路對此類的電壓遽變會有不良的反應。因此，有必要改善電壓調節器的負載暫態響應，同時亦能抑制其內部之靜態電流，以期電壓調節器具有更彈性的應用與良好的操作性能，並進而延長可攜式行動裝置的電池使用時間。
有鑑於此，本發明的目的之一即在提供一種具有快速負載暫態響應且在靜態時亦能降低內部電流消耗之電壓調節裝置，以改善習知技術之問題。
根據本發明之一實施例，其提供一種電壓調節裝置，包括：一功率電晶體，具有一控制端、一用以接收一供應電壓之第一端、及一用以提供一輸出電壓之第二端；一回授電路，耦接該第二端，用以根據該輸出電壓產生一回授電壓；一放大器，用以依據一參考電壓與該回授電壓，透過該放大器之一源電流單元及一沉電流單元來驅動該控制端；以及一暫態增強單元，用以偵測該源電流單元及該沉電流單元，並依據該偵測結果來調整該控制端之一電壓。該暫態增強單元可包括：一控制單元，包含一比較器，用以根據該源電流單元之一源電流與該沉電流單元之一沉電流進行比較以產生該偵測結果；以及一電流源，包含一第一電流單元及一第二電流單元，用以依據該偵測結果來調整該控制端之該電壓。
根據本發明之另一實施例，其提供一種電壓調節裝置，包括：一功率電晶體，具有一控制端、一用以接收一供應電壓之第一端、及一用以提供一輸出電壓之第二端；一回授電路，用以根據該輸出電壓產生一回授電壓；一放大器，用以接收一參考電壓與該回授電壓，並透過該放大器之一源電流單元及一沉電流單元來驅動該控制端；以及一暫態增強單元，用以偵測該源電流單元及該沉電流單元，並依據該偵測結果來對該控制端充電或使該控制端放電。該暫態增強單元可包括：一控制單元，用以根據該源電流單元之一源電流與該沉電流單元之一沉電流進行比較以產生該偵測結果；或更包括一電流源，用以當該源電流大於該沉電流之一預設倍數時，流入電流至該控制端。
請參考圖1，其為根據本發明實施例之電壓調節裝置的電路示意圖，用以說明具暫態響應(Transient Response)增強機制的電壓調節裝置之電路操作。由於電壓調節器(Voltage regulator)又稱為穩壓器，或簡稱為調節器(Regulator)，因此在本說明書的上下文中，電壓調節器、穩壓器、及調節器皆屬於本發明所指稱的電壓調節裝置。本實施例可適用於各種線性穩壓器(Linear regulator)或切換式穩壓器(Switching regulator)的電路設計，而圖1係以低壓差(Low drop out,LDO)線性穩壓器為例。
如圖1所示，本實施例的電壓調節裝置100包含一功率電晶體110、一回授電路120、一放大器130、以及一暫態增強單元140。該功率電晶體110具有三個端埠，分別是控制端、第一端、及第二端，該第一端接收該電壓調節裝置100的供應電壓VS，而該第二端提供該電壓調節裝置100一輸出電壓VO；也就是說，該電壓調節裝置100在該功率電晶體110的第二端處輸出其輸出電壓VO，以供電給外部的電路或裝置使用。此外，該功率電晶體110可藉由一金氧半電晶體(MOS)來實現，本實施例採用P通道的金氧半電晶體(PMOS)，其控制端為閘極，且其第一端及第二端分別為源極及汲極。
為了形成線性穩壓器的輸出電壓調節機制，該回授電路120連接該第二端以接收該輸出電壓VO，並利用該輸出電壓VO的電壓值，將部分的輸出電壓值回授供予該放大器130，以作為其非反向(Non-inverting)輸入端的輸入信號。該回授電路120包含一分壓電路，該分壓電路可由二個電阻R1及R2串接而成，並在該等電阻R1及R2的連接點，利用電阻分壓方式而取出該輸出電壓Vo的分壓Vd，作為如上所述的回授電壓，但回授電路120之回授方式不以此為限。請參考圖1，該輸出電壓Vo之輸出端點上可能會具有一環境電容C、一等效的串聯電阻RESR、及接受供電之外部電路所形成的等效負載(未圖示)。
該放大器130對其非反向輸入端及反向(Inverting)輸入端的輸入信號差值進行放大，以驅動該功率電晶體110。該放大器130的非反向輸入端及反向輸入端分別接受來自該輸出級120的分壓Vd之回授電壓信號以及一參考電壓信號Vramp，且其輸出電壓連接至該功率電晶體110的控制端。該放大器130的輸出級具有一源電流(Source Current)單元IP與一沉電流(Sink Current)單元IN，其電流分別為源電流IP及沉電流IN。該放大器130的輸出端連接至該功率電晶體110的控制端，其輸出電流為該源電流IP與該沉電流IN的差值，用以驅動該功率電晶體110。該功率電晶體110藉由該源電流IP或沉電流IN來充電或放電，以使其閘極電壓Vg升高或降低。其中，該源電流單元可以由PMOS來實現，該沉電流單元可以由NMOS實現。
該暫態增強單元140用以偵測該放大器130的源電流IP及沉電流IN，藉以判別該電壓調節裝置100的操作狀態是處於第一狀態(例如，穩態)或是第二狀態(例如，暫態)，並依據其偵測結果來調整該功率電晶體110之閘極電壓Vg或依據該偵測結果來對該閘極充電或使該閘極放電。
在本實施例中，當該電壓調節裝置100處於穩態時，亦即輸出電壓Vo穩定或僅緩慢變化，而該功率電晶體110之閘極電壓Vg亦為穩定或緩慢變化，該源電流IP大致上與該沉電流IN相等或兩者相差不大(例如，源電流IP在小於兩倍的沉電流IN之範圍內，或沉電流IN在小於兩倍的源電流IP之範圍內)，此時該放大器130沒有或僅緩慢地透過該源電流IP或沉電流IN來對該功率電晶體110之閘極充電或放電以調整其電壓。
另一方面，若當該電壓調節裝置100之輸出供電的電路從一種負載狀態切換到另一種負載狀態時，該電壓調節裝置100之負載電流或其輸出電流可能會產生快速變化，而這種快速變化將使其輸出電壓Vo產生暫態的尖峰脈衝，此時因為回授的機制將亦使得該功率電晶體110之閘極電壓Vg產生較大的變化。若Vg的變化太大，因為功率電晶體110的面積相當大，使得源電流IP或沉電流IN需以其一電流較另一電流相對大很多(例如，源電流IP大於兩倍的沉電流IN，或沉電流IN大於兩倍的源電流IP)來對該功率電晶體110之閘極充電或放電。在沒有暫態增強單元140的情況下，需花相當長的時間才能將閘極電壓Vg充電或放電至所需電位；若為了讓閘極電壓Vg得以快速調整，則須使源電流IP或沉電流IN以大電流來實現，但如此一來於穩態時其所消耗的電流亦會隨之變大。而本發明之暫態增強單元140將藉由其對該放大器130的源電流IP及沉電流IN的偵測，透過其內部電路之設計，例如利用一切換遲滯性，在當該源電流IP大於該沉電流IN一預設倍數(例如，兩倍)或該沉電流IN大於該源電流IP一預設倍數(例如，兩倍)，判斷壓調節裝置100操作於第二狀態(例如，暫態)，而利用一較大的電流源使該功率電晶體110的控制端電壓Vg快速升高或降低，以快速驅動該功率電晶體110來提供接受供電之外部電路所需要的負載電流與較為穩定的輸出電壓。
該暫態增強單元140可包括一控制單元142及一電流源145。該控制單元142連接至該放大器130，用以根據該源電流IP與該沉電流IN進行比較以產生一偵測結果，當該源電流IP大於該沉電流IN一預設倍數時，該控制單元142使該電流源145流入電流至該控制端(閘極電壓Vg)，以使該控制端之電壓Vg升高；而當該沉電流IN大於該源電流IP一預設倍數時，該控制單元142接收該控制端流出之電流，以使該控制端之電壓Vg降低。例如，當該沉電流IN大於兩倍的該源電流IP或是該源電流IP大於兩倍的該沉電流IN時，該控制單元142可將該電流源145連接至該功率電晶體110的控制端(閘極電壓Vg)，藉由對該功率電晶體110之閘極的充電或放電，以回應此操作狀態的變動。而該電流源IE的電流驅動能力例如可為該源電流IP或該沉電流IN的5倍，而此倍數係依據不同系統的穩定度與速度之實際應用考量而定，本發明不以此為限。
以下說明本實施例的電壓調節裝置100之電路操作。請參考圖1，當負載電流緩慢地變大時(第一狀態)，該電壓調節裝置100的輸出電壓Vo緩慢降低，而連帶造成該放大器130非反向輸入端的回授電壓緩慢降低，此時該沉電流IN會大於該源電流IP，而將該功率電晶體110的控制端電壓Vg緩慢地往下拉，使得該功率電晶體110可緩慢地提高其輸出端的負載電流，以回應負載電流緩慢變大的狀況。當負載電流急遽或瞬間地變大時(第二狀態)，該暫態增強單元140會對該源電流IP及該沉電流IN的變化進行遲滯性(Hysteresis)的比較，當該沉電流IN遠大於該源電流IP，或是本實施例所設定的該沉電流IN大於兩倍的該源電流IP時，該暫態增強單元140將會提供該電流源145的輸出電流ID作為放電電流，以回應此暫態負載變動的增強電流，並藉由放電作用而將該功率電晶體110控制端電壓Vg迅速下拉至所需的電壓位準，使該功率電晶體110可以最短的時間提高其輸出端的負載電流，以回應負載電流急遽變大的狀況。以上所述為穩壓器的向上追蹤負載電流(Up Tracking Load Current)之電路操作狀況。
另一方面，以下則為向下追蹤負載電流(Down Tracking Load Current)之電路操作。當負載電流緩慢地變小時(第一狀態)，該電壓調節裝置100的輸出電壓Vo緩慢上升，而連帶造成該放大器130非反向輸入端的回授電壓緩慢上升，此時該源電流IP會大於該沉電流IN，而將該功率電晶體110的控制端電壓Vg緩慢地往上拉，使得該功率電晶體110可緩慢地降低其輸出端的負載電流，以回應負載電流緩慢變小的狀況。當負載電流急遽或瞬間地變小時(第二狀態)，該暫態增強單元140會對該源電流IP及該沉電流IN的變化進行遲滯性的比較，當該源電流IP遠大於該沉電流IN，或是本實施例所設定的該源電流IP大於兩倍的該沉電流IN時，該暫態增強單元140將會提供該電流源145的輸出電流IC作為充電電流，以回應此暫態負載變動的增強電流，並藉由充電作用而將該功率電晶體110的控制端電壓Vg迅速上拉至所需的電壓位準，使該功率電晶體110可以最短的時間降低其輸出端的負載電流，以回應負載電流急遽變小的狀況。
此外，圖2為根據本發明另一實施例之電壓調節裝置200的電路示意圖，其電路結構大致上相同於如圖1的實施例，其中該暫態增強單元140所提供的電流採用類似該放大器130的源電流IP及沉電流IN的對稱結構，而使電流源包含一第一電流源IPE及一第二電流源INE，用以依據該控制單元142的偵測結果來調整該控制端電壓Vg。此時可搭配二個開關，包含一第一開關248連接該第一電流源IPE，及一第二開關249連接該第二電流源INE。當該放大器130的源電流IP大於該沉電流IN一預設倍數時，該控制單元142利用該第一電流單元IPE使該控制端電壓Vg升高。在本實施例中，該控制單元142可藉由一比較器來實現，該比較器利用電流鏡等比例複製該源電流IP及該沉電流IN並進行比較以產生一控制訊號，藉以控制該第一開關248及該第二開關249的打開或關閉。此外，該比較器具有切換遲滯性，藉以實現對該第一及第二開關248及249的控制；例如，倘若該沉電流IN大於兩倍的該源電流IP，則該控制單元142導通該第二開關249，以提供該第二電流源INE的電流來驅動該功率電晶體110；另倘若該源電流IP大於兩倍的該沉電流IN，則該控制單元142導通該第一開關248，以提供該第一電流源IPE的電流來驅動該功率電晶體110。本實施例的其他元素或組件同於如圖1的實施例，在此不再贅述。
接著舉例說明第二實施例中該暫態增強單元的電路實施案例。圖3為根據本實施案例之暫態增強單元的電路結構圖，其中，VS為該電壓調節裝置的供應電壓，且該暫態增強單元包含六個P通道的金氧半電晶體(以下簡稱PMOS)及六個N通道的金氧半電晶體(以下簡稱NMOS)。PMOS 330的閘極接收來自該放大器130的源電流IP之偏壓信號，而NMOS 331的閘極接收來自該放大器130的沉電流IN之偏壓信號，兩者分別結合NMOS 341及PMOS 340而組成電流鏡(Current mirror)的架構，用以複製與該源電流IP及該沉電流IN等比例的電流。該等PMOS 330、340、380及390以及該等NMOS 331、341、381及391的組合可用以實現第二實施例所述的控制單元或比較器，其可根據該源電流IP與該沉電流IN進行比較並產生對應之控制訊號來控制PMOS 370與NMOS 371的打開或關閉。
PMOS 310的源級連接該供應電壓VS，汲級連接該第一開關，且閘極被提供以一第一預設電壓VBP，以使該PMOS 310能提供一固定的電流，因而可作為第二實施例所述的第一電流源。NMOS 311的源級接地，汲級連接該第二開關，且閘極被提供以一第一預設電壓VBN，以使該NMOS 311能提供另一固定的電流，因而可作為第二實施例所述的第二電流源。PMOS 370可作為第二實施例所述的第一開關，其閘極連接至該PMOS 390的汲極，且NMOS 371可作為第二實施例所述的第二開關，其閘極連接至NMOS 391的汲極，以分別接受前級的控制單元或比較器所產生的控制訊號。
當本實施例的電壓調節裝置處於穩態時，該放大器130的源電流IP大致上會等於沉電流IN；或是例如，源電流IP在小於兩倍的沉電流IN之範圍內，或沉電流IN在小於兩倍的源電流IP之範圍內。因此，圖3之實施案例的PMOS 370(作為第一開關)及NMOS 371(作為第二開關)會被關閉(off)，則本實施例的暫態增強單元將不會提供該功率電晶體110暫態增強用的電流。然而，當本實施例的電壓調節裝置處於暫態時，例如，該放大器130的源電流IP大於兩倍的沉電流IN，則PMOS 370會被打開(on)，而使PMOS 310(作為第一電流源IPE)的電流對該功率電晶體110之控制端充電以提高其電壓，以增強其負載變動時的暫態響應，而此時NMOS 371為關閉(off)；另外，倘若該放大器130的沉電流IN大於兩倍的源電流IP，則NMOS 371會被打開(on)，而使NMOS 311(作為第二電流源INE)的電流能提供給該功率電晶體110之控制端放電以降低其電壓，以增強其負載變動時的暫態響應，而此時PMOS 370為關閉(off)。其中，PMOS 310或NMOS 371的電流驅動能力例如可大於源電流IP或沉電流IN的5倍。
綜上所述，本發明可利用暫態增強單元來加速電壓調節裝置對暫態負載狀況改變時的響應，且不會在穩態負載時消耗額外的電流，因此亦可保持很小的靜態電流。唯以上所述者，僅為本發明之較佳實施例，當不能以之限制本發明的範圍。
100/200．．．電壓調節裝置
110．．．功率電晶體
120．．．回授電路
130．．．放大器
IP．．．源電流(單元)
IN．．．沉電流(單元)
140．．．暫態增強單元
142．．．控制單元
143．．．比較器
145．．．電流源
248．．．第一開關
249．．．第二開關
IPE．．．第一電流源
INE．．．第二電流源
IC．．．充電電流
ID．．．放電電流
VS．．．供應電壓
Vo．．．輸出電壓
Vd．．．分壓
Vramp．．．參考電壓信號
Vg．．．閘極電壓
R1及R2．．．電阻
C．．．電容
RESR．．．等效串聯電阻
310/330/340/370/380/390．．．P通道的金氧半電晶體(PMOS)
311/331/341/371/381/391．．．N通道的金氧半電晶體(NMOS)
圖1為根據本發明實施例之電壓調節裝置的電路示意圖。
圖2為根據本發明另一實施例之電壓調節裝置的電路示意圖。
圖3為根據本實施案例之暫態增強單元的電路結構圖。
100．．．電壓調節裝置
110．．．功率電晶體
120．．．回授電路
130．．．放大器
IP．．．源電流單元
IN．．．沉電流單元
140．．．暫態增強單元
142．．．控制單元
143．．．比較器
145．．．電流源
VS．．．供應電壓
Vo．．．輸出電壓
Vd．．．分壓
Vramp．．．參考電壓信號
Vg．．．閘極電壓
IC．．．充電電流
ID．．．放電電流
R1及R2．．．電阻
C．．．電容
RESR．．．等效串聯電阻

Claims (12)

  1. 一種電壓調節裝置，其包括：一功率電晶體，具有一控制端、一用以接收一供應電壓之第一端、及一用以提供一輸出電壓之第二端；一回授電路，耦接該第二端，用以根據該輸出電壓產生一回授電壓；一放大器，用以依據一參考電壓與該回授電壓，透過該放大器之一源電流單元及一沉電流單元來驅動該控制端；以及一暫態增強單元，用以偵測該源電流單元及該沉電流單元，並依據該偵測結果來調整該控制端之一電壓。
  2. 如申請專利範圍第1項之電壓調節裝置，其中該暫態增強單元包括：一控制單元，包含一比較器，用以根據該源電流單元之一源電流與該沉電流單元之一沉電流進行比較以產生該偵測結果；以及一電流源，包含一第一電流單元及一第二電流單元，用以依據該偵測結果來調整該控制端之該電壓。
  3. 如申請專利範圍第2項之電壓調節裝置，其中當該源電流大於該沉電流一預設倍數時，該控制單元利用該第一電流單元使該控制端之該電壓升高。
  4. 如申請專利範圍第2項之電壓調節裝置，其中當該沉電流大於該源電流一預設倍數時，該控制單元利用該第二電流單元使該控制端之該電壓降低。
  5. 如申請專利範圍第2項之電壓調節裝置，其中該比較器具有一切換遲滯性，當該源電流大於該沉電流超過二倍時，該控制單元控制該第一電流單元流入電流至該控制端以使該控制端之該電壓升高。
  6. 如申請專利範圍第2項之電壓調節裝置，其中該比較器具有一切換遲滯性，當該沉電流大於該源電流超過二倍時，該控制單元使該控制端經由該第二電流單元流出電流以使該控制端之該電壓降低。
  7. 如申請專利範圍第2項之電壓調節裝置，其中該第一電流單元之電流驅動能力大於該源電流單元之電流驅動能力的五倍。
  8. 如申請專利範圍第2項之電壓調節裝置，其中該第二電流單元之電流驅動能力大於該沉電流單元之電流驅動能力的五倍。
  9. 一種電壓調節裝置，其包括：一功率電晶體，具有一控制端、一用以接收一供應電壓之第一端、及一用以提供一輸出電壓之第二端；一回授電路，用以根據該輸出電壓產生一回授電壓；一放大器，用以接收一參考電壓與該回授電壓，並透過該放大器之一源電流單元及一沉電流單元來驅動該控制端；以及一暫態增強單元，用以偵測該源電流單元及該沉電流單元，並依據該偵測結果來對該控制端充電或使該控制端放電。
  10. 如申請專利範圍第9項之電壓調節裝置，其中該暫態增強單元包括：一控制單元，用以根據該源電流單元之一源電流與該沉電流單元之一沉電流進行比較以產生該偵測結果。
  11. 如申請專利範圍第10項之電壓調節裝置，其中該暫態增強單元進一步包括：一電流源，用以當該源電流大於該沉電流之一預設倍數時，流入電流至該控制端。
  12. 如申請專利範圍第10項之電壓調節裝置，其中該暫態增強單元進一步包括：一電流源，用以當該沉電流大於該源電流一預設倍數時，接收該控制端流出之電流。
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