TW202205043A - 電壓調整器 - Google Patents

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Abstract

電壓調整器包括主驅動級電路、第一預驅動電路、多個輔助驅動級電路、第二預驅動電路以及比較及解碼電路。主驅動級電路依據第一控制信號以提供輸出電壓的主驅動電流。各輔助驅動級依據第二控制信號以決定是否提供輸出電壓的輔助驅動電流。第二預驅動電路依據啟動信號以產生第二控制信號。比較及解碼電路產生模擬驅動電流，依據參考電流以及計數碼產生負載電流，比較模擬驅動電流以及負載電流以產生比較結果，並依據解碼比較結果以產生啟動信號。其中計數碼依據比較結果來產生。

Description

電壓調整器
本發明是有關於一種電壓調整器，且特別是有關於一種具有自調整驅動能力的電壓調整器。
在低壓降（low drop-out, LDO）電壓調整器的技術領域中，電壓調整器的驅動級電路可接收一定範圍的電源電壓，並需要提供一預設電壓的輸出電壓。然而，隨著製程參數的漂移、工作溫度的變化、電源電壓的偏移等上述各項因素，電壓調整器的輸出電壓的驅動電流可能會產生不足的現象。對應於此，習知技術領域中，設計者會使電壓調整器的驅動級電路具有一個比期望值更大的驅動能力，而使電壓調整器產生了過度設計（over design）的現象。
在過度設計的條件下，習知的電壓調整器除需要耗去大電路面積外，還可能因為過大的驅動能力，造成不需要的電力消耗，影響電路的整體表現。
本發明提供一種電壓調整器，具有驅動能力的自調整功能。
本發明的電壓調整器包括主驅動級電路、第一預驅動電路、多個輔助驅動級電路、第二預驅動電路以及比較及解碼電路。主驅動級電路耦接至電壓調整器的輸出端，依據第一控制信號以提供輸出電壓的主驅動電流。第一預驅動電路耦接主驅動級，用以產生第一控制信號。輔助驅動級電路耦接至輸出端，分別受控於多個第二控制信號。各輔助驅動級依據對應的各第二控制信號以決定是否提供輸出電壓的輔助驅動電流。第二預驅動電路耦接輔助驅動級，用以依據啟動信號以產生第二控制信號。比較及解碼電路產生模擬驅動電流，依據參考電流以及計數碼產生負載電流，比較模擬驅動電流以及負載電流以產生比較結果，並依據解碼比較結果以產生啟動信號。其中計數碼依據比較結果來產生。
基於上述，本發明透過使電壓調整器的模擬驅動電流與負載電流比較，再依據比較結果來決定啟動輔助驅動級電路的數量。透過調整輔助驅動電流的提供數量，可動態調整電壓調整器的輸出電壓的驅動能力。
請參照圖1，圖1繪示本發明一實施例的電壓調整器的示意圖。電壓調整器100包括主驅動級電路120、預驅動電路110、130、輔助驅動級電路141~14N以及比較及解碼電路150。主驅動級電路120耦接至電壓調整器100的輸出端OE。主驅動級電路120依據控制信號VGAT＜0＞以提供輸出電壓VINT的主驅動電流。預驅動電路110耦接主驅動級120。預驅動電路110接收輸出電壓VINT以及參考電壓VREF_VINT，並依據輸出電壓VINT以及參考電壓VREF_VINT以產生控制信號VGAT＜0＞。在本實施例中，預驅動電路110依據比對輸出電壓VINT以及參考電壓VREF_VINT，來對輸出電壓VINT進行偵測動作，並依據輸出電壓VINT以及參考電壓VREF_VINT的差值來產生控制信號VGAT＜0＞。在此，參考電壓VREF_VINT是一個預先設定的電壓。在本實施例中，主驅動級電路120可接收電源電壓VDD2以作為操作電源，預驅動電路110則可接收電源電壓VPP以作為操作電源。其中電源電壓VDD2不同於電源電壓VPP，例如電源電壓VDD2 ＞電源電壓VPP。
此外，輔助驅動級電路141~14N耦接至輸出端OE，並分別受控於控制信號VGAT＜1＞~VGAT＜N＞（圖示標記為VGAT＜1：N＞）。各輔助驅動級電路141~14N依據所接收的各控制信號VGAT＜1＞~VGAT＜N＞以決定是否被開啟，並提供輔助驅動電流至輸出電壓VINT。輔助驅動級電路141~14N被開啟的數量則可以與輸出電壓VINT提供的驅動能力成正比。
預驅動電路130耦接輔助驅動級電路141~14N，並依據啟動信號EN＜1：N＞以產生控制信號VGAT＜1：N＞。在本實施例中，輔助驅動級電路141~14N可接收電源電壓VDD2以作為操作電源，預驅動電路130則可接收電源電壓VPP以作為操作電源。
啟動信號EN＜1：N＞由比較及解碼電路150所提供。比較及解碼電路150接收參考電壓VREF_VINT以及參考電流IREF，並依據參考電壓VREF_VINT以及參考電流IREF來產生啟動信號EN＜1：N＞。進一步來說明，比較及解碼電路150可基於電源電壓VDD2，依據電源電壓VPP來產生模擬驅動電流。比較及解碼電路150並可依據參考電流IREF以及一計數碼來產生負載電流。比較及解碼電路150透過比較模擬驅動電流與負載電流來產生比較結果，再針對比較結果進行解碼可產生啟動信號EN＜1：N＞。
值得一提的，上述的計數碼可依據比較結果來產生。其中，比較及解碼電路150依時序記錄連續的多個時間點的比較結果，並藉以分別獲得計數碼的多個位元。比較及解碼電路150可在一第一時間點儲存計數碼以獲得一暫存計數碼，並在第一時間點後的一第二時間點使上述的暫存計數碼與目前的計數碼進行比較，並藉以產生啟動信號EN＜1：N＞。
而在本發明一實施例中，負載電流可以為參考電流IREF乘以一個鏡射比，這個鏡射比可依據上述的計數碼來決定。因此，透過本發明實施例的調整機制，可以使輸出電壓VINT的所提供的驅動電流，實質上與模擬驅動電流相等。
請參照圖2，圖2繪示本發明另一實施例的電壓調整器的示意圖。電壓調整器200包括主驅動級電路220、預驅動電路210、230、輔助驅動級電路241~24N以及比較及解碼電路250。主驅動級電路220由電晶體T1所構成。電晶體T1的第一端接收電源電壓VDD2以作為操作電壓，電晶體T1的第二端耦接至輸出端OE，電晶體T1的控制端接收控制信號VGAT＜0＞。預驅動電路210則包括電壓偵測器211、電壓偏移器212以及預驅動器213。電壓偵測器211依據比較輸出電壓VINT以及參考電壓VREF_VINT以產生一偵測信號DET。電壓偏移器212耦接至電壓偵測器211，用以接收偵測信號DET並偏移偵測信號DET的電壓準位來產生偏移後偵測信號DETP。預驅動器213耦接至電壓偏移器212，並依據偏移後偵測信號DETP來產生控制信號VGAT＜0＞。在本實施例中，電壓偏移器212以及預驅動器213接收電源電壓VPP以做為操作電壓。
在另一方面，關於輔助驅動級電路241~24N的電路架構，以輔助驅動級電路241為範例進行說明。輔助驅動級電路241由電晶體T2來建構。電晶體T2的第一端接收電源電壓VDD2以作為操作電壓，電晶體T2的第二端耦接至輸出端OE，電晶體T2的控制端接收控制信號VGAT＜1＞。
此外，預驅動電路230包括多個邏輯閘AN1~ANN。邏輯閘AN1~ANN共同接收偏移後偵測信號DETP，並分別接收啟動信號EN＜1：N＞的多個位元。在本實施例中，邏輯閘AN1~ANN均為及閘（AND gate）。邏輯閘AN1~ANN接收電源電壓VPP以做為操作電壓。邏輯閘AN1~ANN分別對應輔助驅動級電路241~24N，並產生對應的多個控制信號VGAT＜1＞~VGAT＜N＞（圖示中繪記為VGAT＜1：N＞。
比較及解碼電路250包括驅動偵測器251以及邏輯電路252。驅動偵測器251接收參考電壓VREF_VINT、參考電流IREF以及計數碼CNT＜1：N-1＞。邏輯電路252耦接至驅動偵測器251，接收驅動偵測器251產生的比較結果COMP，並依據比較結果COMP產生計數碼CNT＜1：N-1＞，再針對計數碼CNT＜1：N-1＞進行解碼以產生啟動信號EN＜1：N＞。在本實施例中，啟動信號EN＜1：N＞的位元數比計數碼CNT＜1：N-1＞的位元數多一個。
在本實施例中，驅動偵測器251以及邏輯電路252可分別接收不同的時脈信號CLK_T以及CLK_C，並分別基於時脈信號CLK_T以及CLK_C以執行動作。
關於上述驅動偵測器251的實施細節，請參照圖3繪示的本發明圖2實施例的驅動偵測器的實施方式的示意圖。在圖3中，驅動偵測器251包括電晶體T3、電流鏡電路310以及比較器320。電晶體T3接收電源電壓VDD2以做為操作電壓，並依據電源電壓VPP以產生模擬驅動電流IDRV。其中電晶體T3驅使模擬驅動電流IDRV流至節點ND1。在此請注意，電晶體T3可用以複製主驅動級電路（如圖2中的電晶體T1）的行為。電晶體T3以及電晶體T1可以設置為具相同電氣特性的電晶體。
電流鏡電路310包括電晶體T41~T47。其中，電晶體T41的一端接收參考電流IREF，電晶體T43、T45、T47用以鏡射參考電流IREF以產生負載電流ILOAD。另外，電晶體T42、T44以及T46分別耦接至電晶體T43、T45、T47，並共同耦接至節點ND1。電晶體T42的控制端接收時脈信號CLK_T；電晶體T44的控制端耦接至及閘AN31；電晶體T46的控制端則耦接至及閘AN32。此外，及閘AN31接收計數碼CNT＜1：2＞的第一位元CNT＜1＞以及時脈信號CLK_T，及閘AN32則接收計數碼CNT＜1：2＞的第二位元CNT＜2＞以及時脈信號CLK_T。在當時脈信號CLK_T為邏輯準位1時，且計數碼CNT＜1：2＞為0 0時，僅電晶體T42導通，並使電晶體T43鏡射參考電流IREF來產生等於電流I1的負載電流ILOAD。在當時脈信號CLK_T為邏輯準位1，且計數碼CNT＜1：2＞為1 0時，電晶體T42、T44導通而電晶體T46被斷開，並使電晶體T43、T45鏡射參考電流IREF來產生等於電流I1+I2的負載電流ILOAD。在當時脈信號CLK_T為邏輯準位1，且計數碼CNT＜1：2＞為1 1時，電晶體T42、T44、T46均導通，並使電晶體T43、T45、T47鏡射參考電流IREF來產生等於電流I1+I2+I3的負載電流ILOAD。
在本實施例中，透過調整電晶體T43、T45、T47的通道寬長比，可以調整電流I1、I2、I3間的大小關係。例如，若使電晶體T43、T45的通道寬長比相同，電流I1可以等於電流I2，而若使電晶體T47的通道寬長比為電晶體T45的通道寬長比的兩倍時，電流I3可以為電流I2的兩倍。假設電流I1為1微安培，在當計數碼CNT＜1：2＞為0 0時，負載電流ILOAD可以為1微安培；在當計數碼CNT＜1：2＞為1 0時，負載電流ILOAD可以為2微安培；在當計數碼CNT＜1：2＞為1 1時，負載電流ILOAD可以為4微安培。
在此，電流鏡電路310可由節點ND1汲取電流ILOAD至參考接地端GND。如此一來，節點ND1上的電壓VCOMP，可依據模擬驅動電流IDRV是否大於負載電流ILOAD來決定。在細節上，當模擬驅動電流IDRV大於負載電流ILOAD時，節點ND1上的電壓VCOMP被拉高，另外，當模擬驅動電流IDRV小於負載電流ILOAD時，節點ND1上的電壓VCOMP被拉低。若模擬驅動電流IDRV等於負載電流ILOAD時，節點ND1上的電壓VCOMP則不改變。
比較器320可應用運算放大器來實施。比較器320的負輸入端接收電壓VCOMP，比較器320的正輸入端則接收參考電壓VREF_VINT。比較器320使電壓VCOMP與參考電壓VREF_VINT相比較，並藉以產生比較結果COMP。在本實施例中，當電壓VCOMP小於參考電壓VREF_VINT，比較結果COMP可以為邏輯準位1；相對的，當電壓VCOMP大於參考電壓VREF_VINT，比較結果COMP可以為邏輯準位0。
以下請參照圖4，圖4繪示本發明實施例的負載電流與計數碼的關係波形圖。當計數碼CNT＜1：2＞為0 0時，負載電流ILOAD可以等於電流值IV1。在當計數碼CNT＜1：2＞變更為1 0後，負載電流ILOAD可以由電流值IV1上升至電流值IV2。在當計數碼CNT＜1：2＞變更為1 1後，負載電流ILOAD可以由電流值IV2上升至電流值IV3。若值得一提的，若要產生的負載電流ILOAD介於電流值IV2、IV3間時，計數碼CNT＜1：2＞可在1 1以及 1 0間週期性的變更，以使負載電流ILOAD的平均電流值可以介於電流值IV2、IV3間。而透過調整計數碼CNT＜1：2＞等於1 1的第一時間長度，以及計數碼CNT＜1：2＞等於1 0的第二時間長度間的比值，可以調高或調低負載電流ILOAD的平均電流值。
附帶一提的，基於模擬驅動電流IDRV用來產生複製主驅動級電路所提供的驅動電流，而本發明實施例則透過調整計數碼CNT＜1：2＞使負載電流ILOAD等於（趨近於）模擬驅動電流IDRV。因此，當CNT＜1：2＞指示的負載電流ILOAD越大時，表示此時的主驅動級電路所能提供的驅動電流越大，也表示需要被開啟的輔助驅動級電路越少。相對的，當CNT＜1：2＞指示的負載電流ILOAD越小時，表示此時的主驅動級電路所能提供的驅動電流越小，也表示需要被開啟的輔助驅動級電路越多。
以下請參照圖5，圖5繪示本發明圖3實施例的邏輯電路的實施方式的示意圖。邏輯電路252包括移位暫存器510、閂鎖器520以及解碼器530。移位暫存器510接收比較結果COMP，並依據時脈信號CLK_C對比較結果COMP以依據一時序執行移位動作。透過擷取移位暫存器510中的兩個最新的位元，可以獲得計數碼CNT＜1：2＞。閂鎖器520耦接至移位暫存器510並用以接收計數碼CNT＜1：2＞。閂鎖器520依據時脈信號CLK_C來運作，並用以在第一時間點儲存計數碼CNT＜1：2＞以獲得暫存計數碼PRE_CNT＜1：2＞。解碼器530耦接至閂鎖器520，並在第一時間點後的第二時間點接收暫存計數碼PRE_CNT＜1：2＞以及移位暫存器510在第二時間點提供的目前的計數碼CNT＜1：2＞。解碼器530依據暫存計數碼PRE_CNT＜1：2＞、目前的計數碼CNT＜1：2＞來判斷出計數碼CNT＜1：2＞的變化狀態，並依據這個變化狀態來產生啟動信號EN＜1：3＞的多個位元。
舉例來說明，計數碼CNT＜1：2＞的變化狀態與啟動信號EN＜1：3＞的關係可參照表1：
表1：
PRE_CNT＜1：2＞、CNT＜1：2＞ EN＜1：3＞ 啟動率
11、11 000 100%
10/11、11/ 01 100 200%
00/10、10/11 110 300%
00、00 111 400%
在表1中，當暫存計數碼PRE_CNT＜1：2＞以及目前的計數碼CNT＜1：2＞皆為1 1時，解碼器530對應產生等於0 0 0的啟動信號EN＜1：3＞；當暫存計數碼PRE_CNT＜1：2＞以及目前的計數碼CNT＜1：2＞分別為1 0、1 1或暫存計數碼PRE_CNT＜1：2＞以及目前的計數碼CNT＜1：2＞分別為1 1、0 1時，解碼器530對應產生等於1 0 0的啟動信號EN＜1：3＞；當暫存計數碼PRE_CNT＜1：2＞以及目前的計數碼CNT＜1：2＞分別為0 0、1 0或暫存計數碼PRE_CNT＜1：2＞以及目前的計數碼CNT＜1：2＞分別為1 0、1 1時，解碼器530對應產生等於1 1 0的啟動信號EN＜1：3＞；當暫存計數碼PRE_CNT＜1：2＞以及目前的計數碼CNT＜1：2＞皆為0 0時，解碼器530對應產生等於1 1 1的啟動信號EN＜1：3＞。
上述的表1可以以查找表的方式來實施，並設置在邏輯電路252中。查找表可應用記憶體、暫存器或任意的資料儲存元件來實現，用以記錄暫存計數碼PRE_CNT＜1：2＞以及目前的計數碼CNT＜1：2＞的變化狀態，與啟動信號EN＜1：3＞的關係。
附帶一提的，基於本發明實施例中，電壓調整器的輔助驅動級電路被開啟的數量，與啟動信號EN＜1：3＞中的多個位元中，等於邏輯準位1的數量。在主驅動級電路皆會開啟的前提下，在啟動信號EN＜1：3＞ = 0 0 0時，驅動級電路的啟動率是100%；在啟動信號EN＜1：3＞ = 1 0 0時，驅動級電路的啟動率是200%；在啟動信號EN＜1：3＞ = 1 1 0時，驅動級電路的啟動率是300%；在啟動信號EN＜1：3＞ = 1 1 1時，驅動級電路的啟動率則是400%。
綜上所述，本發明透過產生模擬驅動電流，並依據比較模擬驅動電流與負載電流來產生啟動信號。本發明並透過啟動信號以決定啟動輔助驅動級電路的數量，對應不同電源電壓的變化，使電壓調整器可提供有效的驅動能力。
100、200:電壓調整器 110、130、210、230:預驅動電路 120、220:主驅動級電路 141~14N、241~24N:輔助驅動級電路 150、250:比較及解碼電路 211:電壓偵測器 212:電壓偏移器 213:預驅動器 251:驅動偵測器 252:邏輯電路 510:移位暫存器 520:閂鎖器 530:解碼器 AN1~ANN:邏輯閘 CLK_T、CLK_C:時脈信號 CNT＜1：N-1＞:計數碼 COMP:比較結果 DET:偵測信號 DETP:偏移後偵測信號 EN＜1：N＞:啟動信號 GND:參考接地端 I1、I2、I3:電流 IDRV:模擬驅動電流 ILOAD:負載電流 IREF:參考電流 IV1、IV2、IV3:電流值 ND1:節點 OE:輸出端 PRE_CNT＜1：2＞:暫存計數碼 T1、T2、T3、T41~T47電晶體 VCOMP:電壓 VGAT＜0＞、VGAT＜1：N＞:控制信號 VINT:輸出電壓 VPP、VDD2:電源電壓 VREF_VINT:參考電壓
圖1繪示本發明一實施例的電壓調整器的示意圖。 圖2繪示本發明另一實施例的電壓調整器的示意圖。 圖3繪示的本發明圖2實施例的驅動偵測器的實施方式的示意圖。 圖4繪示本發明實施例的負載電流與計數碼的關係波形圖。 圖5繪示本發明圖3實施例的邏輯電路的實施方式的示意圖。
100:電壓調整器
120:主驅動級電路
110、130:預驅動電路
141~14N:輔助驅動級電路
150:比較及解碼電路
OE:輸出端
VGAT<0>、VGAT<1：N>:控制信號
VINT:輸出電壓
VREF_VINT:參考電壓
VPP、VDD2:電源電壓
IREF:參考電流
EN<1：N>:啟動信號

Claims (13)

  1. 一種電壓調整器，包括： 一主驅動級電路，耦接至該電壓調整器的一輸出端，依據一第一控制信號以提供一輸出電壓的一主驅動電流； 一第一預驅動電路，耦接該主驅動級電路，用以產生該第一控制信號； 多個輔助驅動級電路，耦接至該輸出端，分別受控於多個第二控制信號，各該輔助驅動級依據對應的各該第二控制信號以決定是否提供該輸出電壓的一輔助驅動電流； 一第二預驅動電路，耦接該些輔助驅動級電路，用以依據一啟動信號以產生該些第二控制信號；以及 一比較及解碼電路，產生一模擬驅動電流，依據一參考電流以及一計數碼產生一負載電流，比較該模擬驅動電流以及該負載電流以產生一比較結果，並依據解碼該比較結果以產生該啟動信號， 其中該計數碼依據該比較結果來產生。
  2. 如請求項1所述的電壓調整器，其中該主驅動級電路以及該些輔助驅動級電路接收一第一電源電壓以做為操作電壓，該第一預驅動電路以及該第二預驅動電路接收一第二電源電壓以做為操作電壓，該第一電源電壓與該第二電源電壓不相同。
  3. 如請求項2所述的電壓調整器，其中該比較及解碼電路基於該第一電源電壓，並依據該第二電源電壓以產生該模擬驅動電流。
  4. 如請求項1所述的電壓調整器，其中該比較及解碼電路依時序記錄連續的多個時間點的該比較結果，以分別獲得該計數碼的多個位元。
  5. 如請求項1所述的電壓調整器，其中該比較及解碼電路在一第一時間點儲存該計數碼以獲得一暫存計數碼，並在一第二時間點使該暫存計數碼與目前的該計數碼進行比較以產生該啟動信號。
  6. 如請求項1所述的電壓調整器，其中該主驅動電路為一第一電晶體，該第一電晶體的第一端接收一第一電源電壓，該第一電晶體的第二端耦接至該輸出端，該第一電晶體的控制端接收該第一控制信號。
  7. 如請求項6所述的電壓調整器，其中該第一預驅動電路接收包括： 一電壓偵測器，依據比較該輸出電壓以及一參考電壓以產生一偵測信號； 一電壓偏移器，耦接至該電壓偵測器，偏移該偵測信號的電壓準位以產生一偏移後偵測信號；以及 一預驅動器，耦接在該電壓偏移器以及該第一電晶體的控制端間，依據該偏移後偵測電壓以產生該第一控制信號， 其中該電壓偏移器以及該預驅動器接收一第二電源電壓以做為操作電壓，該第一電源電壓與該第二電源電壓不相同。
  8. 如請求項7所述的電壓調整器，其中各該輔助驅動級電路為一第二電晶體，該第二電晶體的第一端接收該第一電源電壓，該第二電晶體的第二端耦接至該輸出端，該第二電晶體的控制端接收各該第二控制信號。
  9. 如請求項8所述的電壓調整器，其中該第二預驅動電路包括： 多個邏輯閘，分別接收該啟動信號的多個位元並共同接收該調整後偵測信號，各該邏輯閘依據對應的該啟動信號的各該位元以及該調整後偵測信號以產生對應的各該第二控制信號。
  10. 如請求項9所述的電壓調整器，其中該比較及解碼電路包括： 一驅動偵測器，包括： 一第三電晶體，接收該第一電源電壓以做為操作電壓，並依據該第二電源電壓以產生該模擬驅動電流以流至一第一節點； 一電流鏡電路，接收該參考電流，依據該計數碼決定一鏡射比，並依據該鏡射比以鏡射該參考電流來由該第一節電汲取出該負載電流；以及 一比較器，耦接至該第一節點，依據比較該參考電壓以及該第一節點上的電壓，來產生該比較結果；以及 一邏輯電路，耦接該比較器，依據該比較結果來產生該啟動信號。
  11. 如請求項10所述的電壓調整器，其中該第三電晶體的電氣特性與該第一電晶體的電氣特性相同。
  12. 如請求項10所述的電壓調整器，其中該邏輯電路包括： 一移位暫存器，接收該比較結果，並依時序位移該比較結果來產生該計數碼； 一閂鎖器，耦接該移位暫存器，儲存在一第一時間點的該計數碼以獲得一暫存計數碼；以及 一解碼器，在該第一時間點後的一第二時間點，依據該暫存計數碼以及目前的該暫存碼間的一變化狀態來產生該啟動信號的多個位元。
  13. 如請求項12所述的電壓調整器，其中該解碼器包括一查找表，該查找表記錄該變化狀態與該啟動信號的該些位元的關係。
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