TW202142986A - 電壓產生裝置 - Google Patents

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Abstract

一種電壓產生裝置，包括一控制電路、一第一電容、一處理電路以及一第二電容。控制電路具有一輸出端以及一反饋端。輸出端耦接一輸出節點。反饋端接收一回授信號。第一電容耦接輸出節點。處理電路處理輸出節點的電壓，用以產生回授信號。第二電容耦接於輸出端與反饋端之間。控制電路解碼回授信號，用以產生一輸出信號予輸出端。

Description

電壓產生裝置
本發明係有關於一種電壓產生裝置，特別是有關於一種根據一回授信號調整一輸出信號的電壓產生裝置。
隨著科技的進步，電子產品的種類及功能愈來愈多。電子產品內部具有許多電子元件。每一電子元件所需的操作電壓並不相同。因此，電子產生內部具有許多電壓產生電路，用以產生不同的輸出電壓予不同的電子元件。然而，當電壓產生電路所產生的輸出電壓的抖動現象(jitter)過大時，將影響電子元件的動作。
本發明之一實施例提供一種電壓產生裝置，包括一控制電路、一第一電容、一處理電路以及一第二電容。控制電路具有一輸出端以及一反饋端。輸出端耦接一輸出節點。反饋端接收一回授信號。第一電容耦接輸出節點。處理電路處理輸出節點的電壓，用以產生回授信號。第二電容耦接於輸出端與反饋端之間。控制電路解碼回授信號，用以產生一輸出信號予輸出端。
為讓本發明之目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉出實施例，並配合所附圖式，做詳細之說明。本發明說明書提供不同的實施例來說明本發明不同實施方式的技術特徵。其中，實施例中的各元件之配置係為說明之用，並非用以限制本發明。另外，實施例中圖式標號之部分重覆，係為了簡化說明，並非意指不同實施例之間的關聯性。
第1A圖為本發明之電壓產生裝置的示意圖。如圖所示，電壓產生裝置100A包括一控制電路102、電容104、106以及一處理電路108。控制電路102具有一輸出端OUT以及一反饋端FB。輸出端OUT用以輸出一輸出信號SO。反饋端FB用以接收一回授信號VFB。在本實施例中，控制電路102解碼回授信號VFB，用以產生輸出信號SO予輸出端OUT。本發明並不限定控制電路102的種類。在一可能實施例中，控制電路102係為一線性穩壓器(linear regulator)，如一低壓差穩壓器(Low Dropout Regulator；LDO)。在其它實施例中，控制電路102更具有一輸入端VIN，用以接收一輸入電壓VBAT。在此例中，控制電路102根據回授信號VFB，調整輸入電壓VBAT，並將調整後的電壓作為輸出信號SO。
電容104耦接於輸出端OUT與反饋端FB之間。在本實施例中，電容104係為一注入紋波電容(ripple injection capacitor)，用以製造出極微小的聲噪訊號於回授信號VFB中，以利於控制電路102從反饋端FB能載取到較佳的波形。
電容106耦接於輸出節點110與一接地端PGND之間。在本實施例中，電容106係為一聚合物鋁電解電容(polymer aluminum capacitor)。由於聚合物鋁電解電容具有較低的等效串連電阻(Equivalent Series Resistance；ESR)，故電容106具有較佳的濾波功能，用以濾除輸出節點110的電壓的紋波(ripple)。因此，當一負載耦接輸出節點110時，該負載可接收到低雜訊的電壓。
處理電路108處理輸出節點110的電壓，用以產生回授信號VFB予反饋端FB。在本實施例中，處理電路108係為一分壓電路，耦接於輸出節點110與一接地端GND之間。如圖所示，處理電路108包括電阻112及114。電阻112耦接於輸出節點110與反饋端FB之間。電阻114耦接於反饋端FB與接地端GND之間。
在一可能實施例中，控制電路102根據回授信號VFB，調整輸出信號SO，用以維持輸出節點110的電壓等於一臨界值。舉例而言，當回授信號VFB低於一基準電壓時，表示輸出節點110的電壓過低。因此，控制電路102藉由輸出信號SO，提升輸出節點110的電壓。相反地，當回授信號VFB高於基準電壓時，表示輸出節點110的電壓過高。因此，控制電路102藉由輸出信號SO，減少輸出節點110的電壓。
第1B圖為本發明之電壓產生裝置的示意圖。第1B圖相似第1A圖，不同之處在於第1B圖的處理電路108更包括一電容116。電容116並聯電阻112。在本實施例中，藉由電容116，回授信號VFB上的紋波的波峰更加明顯。在一可能實施例中，回授信號VFB上的紋波近似一三角波。
第2A圖為本發明之電壓產生裝置的另一實施例。如圖所示，電壓產生裝置200A包括一控制電路202、電容204、206、一處理電路208以及一電感218。控制電路202具有一輸出端OUT以及一反饋端FB。輸出端OUT用以提供一輸出信號SO。反饋端FB用以接收一回授信號VFB。在本實施例中，控制電路102解碼回授信號VFB，用以產生輸出信號SO。
本發明並不限定控制電路102的種類。在一可能實施例中，控制電路102係為一開關模式電源(Switch Mode Power Supply；SMPS)轉換電路，如一降壓轉換器(buck converter)、一升壓轉換器(boost converter)或是一降-升壓轉換器(buck-boost converter)。在其它實施例中，控制電路102更具有一輸入端VIN，用以接收一輸入電壓VBAT。控制電路102根據回授信號VFB，調整輸入電壓VBAT，並將調整後的電壓作為輸出信號SO。控制電路202藉由輸出信號SO，控制流過電感218的電流，進而調整輸出節點110的電壓。
電感218耦接於輸出節點210與輸出端OUT之間。在本實施例中，電感218與電容204串聯於輸出端OUT與反饋端FB之間。電容206耦接於輸出節點210與接地端PGND之間。處理電路208耦接於輸出節點與反饋端FB之間。由於電容204、206及處理電路208的特性與第1A圖的電容104、106及處理電路108的特性相似，故不再贅述。在其它實施例中，處理電路208更包括一電容216。在此例中，電容216並聯電阻212。由於電容216的特性與第1B圖的電容116的特性相似，故不再贅述。
第2B圖為本發明之電壓產生裝置的另一示意圖。第2B圖相似第2A圖，不同之處在於，電壓產生裝置200B更包括一感測電路220。感測電路220耦接於輸出節點210與電感218之間，用偵測流入輸出節點210的電流。在一可能實施例中，感測電路220係為一電流偵測器。
在本實施例中，感測電路220具有一輸入端IN、一負載端LD以及輸出端OT1及OT2。輸入端IN耦接電容204及電感218。負載端LD耦接電容206及輸出節點210。輸出端OT1提供輸入端IN的電壓VIN予控制電路202的感測端CSP。輸出端OT2提供負載端LD的電壓VLD予控制電路202的感測端CSN。控制電路202根據電壓VIN及VLD的差值，計算得知流入輸出節點210的電流。在其它實施例中，電壓產生裝置200B更包括一電阻222及一電容224。電阻222耦接於輸出端OT1與感測端CSP之間。電容224耦接於感測端CSP與CSN之間。
第3圖為本發明之感測電路220的一可能實施例。在本實施例中，感測電路220具有一分流電阻302。分流電阻302具有一第一端304以及一第二端306。第一端304作為輸入端IN及輸出端OT1。第二端306作為負載端LD及輸出端OT2。
走線308用以電性連接第一端304、電感218及電容204。走線310用以電性連接第二端306、輸出節點210及電容206。走線312用以電性連接第一端304與感測端CSP。走線314用以電性連接第二端306與感測端CSN。
在本實施例中，感測電路220係為一開爾文連接(Kelvin connection)電路。在此例中，第2B圖的電容204係耦接於開爾文連接電路的前端(即第一端304)與電感218之間。因此，控制電路202可辨識出反饋端FB的回授信號VFB，也使得輸出節點110的抖動現象(jitter)變小。
第4A圖為本發明之電壓產生裝置的另一實施例。電壓產生裝置400A包括一控制電路402、電晶體418、420、電容404、406、一處理電路408以及一電感422。控制電路402具有一輸出端OUT、一反饋端FB、驅動端DRVH及DRVL。輸出端OUT用以提供一輸出信號SO。反饋端FB用以接收一回授信號VFB。驅動端DRVH用以輸出一控制信號SC1。驅動端DRVL用以輸出一控制信號SC2。
本發明並不限定控制電路402的架構。在一可能實施例中，控制電路402係為一脈寬調變(PWM)電路。在此例中，控制電路402根據回授信號VFB，產生控制信號SC1及SC2，用以控制流過電感422的電流，進而調整輸出節點410的電壓。舉例而言，控制電路402具有一比較器(未顯示)，比較回授信號VFB和一基準電壓，用以產生一差異信號。在此例中，一波寬調整電路(未顯示)根據差異信號改變輸出信號SO的脈波寬度。在一可能實施例中，該比較器係為一誤差放大器(error amplifier)。
電晶體418接收一操作電壓VBAT並耦接電感422。如圖所示，電晶體418的汲極接收操作電壓VBAT，其源極耦接輸出端OUT及電感422，其閘極接收控制信號SC1。在本實施例中，電晶體418係為一N型電晶體，但並非用以限制本發明。在其它實施例中，電晶體418係為一P型電晶體。
電晶體420耦接一接地端PGND並耦接電感422。如圖所示，電晶體420的汲極耦接電晶體418的源極、輸出端OUT及電感422。另外，電晶體420的源極耦接接地端PGND，其閘極接收控制信號SC2。在本實施例中，電晶體420係為一N型電晶體，但並非用以限制本發明。在其它實施例中，電晶體420係為一P型電晶體。
電感422耦接於輸出端OUT與輸出節點410之間。由於電感422的特性與第2A圖的電感218的特性相似，故不再贅述。另外，電容404耦接於電感422與反饋端FB之間。在本實施例中，電感422與電容404串聯於輸出端OUT與反饋端FB之間。電容406耦接於輸出節點410與接地端PGND之間。處理電路408耦接於輸出節點410與接地端GND之間，並耦接反饋端FB。處理電路408根據輸出節點410的電壓，產生回授信號VFB。由於電容404、406及處理電路408的特性與第1A圖的電容104、106及處理電路108的特性相似，故不再贅述。
第4B圖為本發明之電壓產生裝置的另一示意圖。第4B圖相似第4A圖，不同之處在於第4B圖的電壓產生裝置400B更包括一感測電路424。感測電路424用以感測流經電感422的電流。本發明並不限定感測電路422的架構。在本實施例中，感測電路422具有一分流電阻426。分流電阻426耦接於電感422與輸出節點410之間，並耦接控制電路402的感測端CSP及CSN。在此例中，感測電路422使用開爾文連接。由於感測電路424的特性與第2B圖的感測電路220的特性相似，故不再贅述。
第5圖為本發明之輸出節點的波形與習知波形的比較示意圖。以第1A圖為例，符號502為輸出節點110的波形。由於電容106的等效串連電阻較低，故可減小波形502的紋波(ripple)。如圖所示，輸出節點110的波形的最大電壓與最小電壓之間的差異約為0.35V。
符號504為習知輸出節點的波形。在習知技術中，由於耦接輸出節點的電容為一般電容，如積層陶瓷電容器(Multi-layer Ceramic Capacitor；MLCC)，其具有較高的等效串連電阻。因此，波形504的紋波較大，其最大電壓與最小電壓之間的差異約為0.8V。
第6圖為本發明之回授信號與習知回授信號的比較示意圖。以本案第1B圖為例，符號602係為回授信號VFB的波形。如圖所示，回授信號VFB近似一三角波，其振幅約為7V。在本實施例中，由於電容104注入紋波，故回授信號VFB具有清楚明顯的波峰。因此，控制電路102可輕易地監測到回授信號的脈衝。
當控制電路102的輸出端OUT與反饋端FB之間不具有電容104時，回授信號VFB的波形如符號604所示。如圖所示，波形604的振幅約為1V，並且具有許多毛刺(glitch)。由於波形604的波峰不明顯，故控制電路102可能將毛刺誤認為波峰，因而產生錯誤的輸出信號SO。
第7圖為本發明之輸出信號與習知輸出信號的比較示意圖。以本案第4B圖為例，符號702係為500個輸出信號SO的重疊波形。在本實施例中，由於回授信號VFB具有清楚明顯的波峰，故控制電路402可輕易地監測到回授信號VFB的脈衝，並根據回授信號VFB，產生輸出信號SO。如圖所示，500個輸出信號SO的下降邊緣構成一抖動區間704。
當控制電路402的輸出端OUT及反饋端FB之間不具有電容404時，由於回授信號VFB的波形不明顯(如第6圖的波形604所示)，故控制電路402無法正確地辨識出回授信號VFB。因此，習知的輸出信號(如符號706所示)的抖動區間708比本發明的輸出信號(如符號702所示)的抖動區間704大。
另外，雖然本案的輸出信號SO(如符號702所示)具有抖動現象，但此抖動現象並不代表信號不穩定。事實上，抖動現象是控制迴路中的正常行為，它可防止因任何意外事件(如噪聲或消隱時間)而導致的時序偏差。少量的抖動並不會影響控制電路的動作。
除非另作定義，在此所有詞彙(包含技術與科學詞彙)均屬本發明所屬技術領域中具有通常知識者之一般理解。此外，除非明白表示，詞彙於一般字典中之定義應解釋為與其相關技術領域之文章中意義一致，而不應解釋為理想狀態或過分正式之語態。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾。舉例來說，本發明實施例所述之系統、裝置或是方法可以硬體、軟體或硬體以及軟體的組合的實體實施例加以實現。因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100A,100B,200A,200B,400A,400B:電壓產生裝置 102,202,402:控制電路 104,106,116,204,206,216,224,404,406,416:電容 108,208,408:處理電路 110,210,410:輸出節點 112,114,212,214,222,302,412,414,426:電阻 218,422:電感 220,424:感測電路 308,310,312,314:走線 418,420:電晶體 OUT,OT1,OT2,:輸出端 FB:反饋端 GND,PGND:接地端 VIN,IN:輸入端 VBAT:操作電壓 LD:負載端 VI,VL:電壓 CSP,CSN:感測端 DRVH,DRVL:驅動端 SC1,SC2:控制信號
第1A圖為本發明之電壓產生裝置的示意圖。 第1B圖為本發明之電壓產生裝置的另一示意圖。 第2A圖為本發明之電壓產生裝置的另一示意圖。 第2B圖為本發明之電壓產生裝置的另一示意圖。 第3圖為本發明之感測電路的示意圖。 第4A圖為本發明之電壓產生裝置的另一示意圖。 第4B圖為本發明之電壓產生裝置的另一示意圖。 第5圖為本發明之輸出節點的波形與習知波形的比較示意圖。 第6圖為本發明之回授信號與習知回授信號的比較示意圖。 第7圖為本發明之輸出信號與習知輸出信號的比較示意圖。
100A:電壓產生裝置
102:控制電路
104,106:電容
108:處理電路
110:輸出節點
112,114:電阻
OUT:輸出端
FB:反饋端
GND,PGND:接地端
VIN:輸入端
VBAT:操作電壓

Claims (10)

  1. 一種電壓產生裝置，包括： 一控制電路，具有一輸出端以及一反饋端，該輸出端耦接一輸出節點，該反饋端接收一回授信號； 一第一電容，耦接該輸出節點； 一處理電路，處理該輸出節點的電壓，用以產生該回授信號；以及 一第二電容，耦接於該輸出端與該反饋端之間， 其中該控制電路解碼該回授信號，用以產生一輸出信號予該輸出端。
  2. 如請求項1之電壓產生裝置，其中該第一電容係為一聚合物鋁電解電容。
  3. 如請求項1之電壓產生裝置，其中該控制電路係為一低壓差線性穩壓器。
  4. 如請求項1之電壓產生裝置，更包括： 一電感，耦接於該輸出節點與該輸出端之間。
  5. 如請求項4之電壓產生裝置，其中該控制電路係為一電源轉換器。
  6. 如請求項4之電壓產生裝置，更包括： 一第一電晶體，接收一第一操作電壓並耦接該電感；以及 一第二電晶體，耦接一接地端及該電感。
  7. 如請求項6之電壓產生裝置，其中該第一電晶體的汲極接收該第一操作電壓，該第一電晶體的源極耦接該輸出端，該第一電晶體的閘極接收一第一控制信號，該第二電晶體的汲極耦接該輸出端，該第二電晶體的源極耦接該接地端，該第二電晶體的閘極接收一第二控制信號。
  8. 如請求項7之電壓產生裝置，其中該控制電路根據該反饋端的信號，產生該第一及第二控制信號。
  9. 如請求項6之電壓產生裝置，更包括： 一感測電路，耦接於該輸出節點與該電感之間，用偵測流入該輸出節點的電流。
  10. 如請求項9之電壓產生裝置，其中該感測電路係為一開爾文連接電路。
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