TWI307997B - Switchable linear regulator - Google Patents

Description

1307997 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於線性穩壓器’且特別是有關於具有 可選擇性的輸出電壓的線性穩壓器。 ' 【先前技術】 第1圖為一個傳統的線性穩壓器的標準架構圖，其 中帶隙參考源（bandgap reference)會輪出一個穩定電壓 φ Vbg，5玄彳§號通常會經由一個晶片上的（〇n_chip)電阻心 跟一晶片外的（off-chip)電容Cbp所構成的低通濾波^ (low pass filter)滤除雜訊，濾完之後的定電壓乂时饋入誤 差放大器（error amplifier)的第—輸入端。在第i圖的例子 中，誤差放大器為一操作放大器，且第一輸入端為其負 極性輸入端，操作放大器的第二輸入端（正極性輪入端） 連接至第一節點，一個P型金氧半（PM〇s)的傳輸電晶體 (pass transistor)MA受誤差放大器的輸出所控制。如第1 _ 圖所示，該傳輸電晶體ma的汲極端即為線性穩壓器的輸 出端，基於穩定度的考量，一般該輸出端也都會外接一 個大的外部電容（：_，一第一回授電阻Ri，連接於傳輸電 晶體Ma的汲極端與第一節點之間，一第二回授電阻 連接於第一節點與接地端之間。藉由誤差放大器兩個輸 入端的虛擬短路（virtual sh〇rt)特性，可以藉由設計回授 電阻’跟R2’的值來得到所需的輸出電壓值 V0UT = VrefX0- + ~) Ο 0758-A31445TWF;MTKI-05-084；Jason 6 1307997 輸出電壓。第兩個以上的不同穩壓器 第2圖所示，-帶隙參考電路被兩個誤 “ 所共用’以節省所需晶片面積。外部電容c ^曰是共料以節省腳位跟外部元件數目。_般可運^ 呀不且^放大器以及傳輸電晶體1與1並設 5十_回授電阻比例來提供兩組不同的需求電I。依 以 據第2圖，輪，電 ν_Α與V_B分別為ne/ x(吟） 反 h/TB = Kef χ 〇 + Λ2 了一呈〜593,6Q7中’ ——ty等人揭露 了八有了選擇輪出電壓的線性穩壓器。如第 該線性穩壓器包括一受一差動放大哭“弟3圖所不’ 氧半m二 所控制的功率金 =㈣體2。絲放大器5有—輪人端8,透過可由金 乳半控制電晶體12與14所控制，並為v、R 、’， 所組成的電阻電路接收—正比於龍器的輸 3 的電壓。該穩屢器更包含至少兩電路以產 :： 田匕紹5號CTRL1與CTRL2分別處為低準位與高準位 狀態時，輸出電壓V〇ut等於⑽相對的 制信號CTRL1WTRL2分別，高準位與低準“= t電等於〜x(1+w。理論上，所需的輸 出電I值可透過任意的設計電阻Ri，、R，與R， 值來達成；然而’在考量到布局的匹配以及輪出、電壓的 0758-A31445TWF;MTKI-05-084;Jason 7 1307997 準確度，這些電阻值不可能是任意值。因此在如第3圖 的設計中，電阻的選用變的十分地困難，特別是當輸出 電壓的所需準位超過兩種時。 【發明内容】 本發明之實施例揭露一種可切換的線性穩壓器，該 線性穩壓器包括一定電壓源、一差動放大器、一傳輸電 晶體、一第一電阻、一第二電阻單元包含複數個電阻以 Φ 及複數個開關，差動放大器有一第一輸入端耦接至定電 • 壓源，並有一第二輸入端連接至一第一節點，傳輸電晶 體有一第一端受差動放大器所控制，有一第二端耦接至 一供應電壓，並有一第三端連接至一第二節點，第一電 阻連接於第一與第二節點之間，每一第二電阻包括連接 至第一節點的一端，每一開關耦接於對應的第二電阻的 另一端與一固定電壓之間。 為讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更 ® 明顯易懂，下文特舉出較佳實施例，並配合所附圖式， 作詳細說明如下： 【實施方式】 第4圖顯示依據本發明實施例之可切換的線性穩壓 器的電路圖，可切換的線性穩壓器包括一定電壓源 CVS、一差動放大器DA、一傳輸電晶體MA、一第一電 阻Rb、第二電阻單元包含兩個電阻R!與R2以及一第一 開關SWi以及一第二開關SW2。定電壓源CVS提供一定 0758-A31445TWF;MTKI-05-084;Jason 8 '1307997 % 電壓Vref給差動放大器DA的第一輸入端，差動放大器 DA的第二輸入端連接至一第一節點A，傳輸電晶體Ma 的第一端受差動放大器DA所控制，且其第二端與第三 端分別耦接至一供應電壓VIN與第二節點B，輸出端V_ 與第二節點B耦接。較佳而言，傳輸電晶體Ma為一 P 型金氧半電晶體，且差動放大器DA的第一與第二輸入 端分別為負極性與正極性輸入。第一電阻Rb連接於第一 節點A與第二節點B之間，每一第二電阻單元的電阻R! ® 與R2分別有一端連接至第一端點A，第一開關SWi耦接 ' 於第二電阻I的另一端與固定電壓之間，且受第一控制 信號S1的控制，第二開關SW2耦接於第二電阻R2的另 一端與固定電壓之間，且受第二控制信號S2的控制。較 佳而言，該固定電壓為接地電壓。 更明確地說，可切換的線性穩壓器之定電壓源CVS 包括一帶隙參考電路BR耦接至供應電壓VIN。尤有甚 _ 者，定電壓源CVS可包括一電阻電容低通濾波器（RC low pass filter)，連接於差動放大器DA的第一輸入端與帶隙 參考電路BR之間，帶隙參考電路BR提供一穩定的電壓 Vbg。電壓Vbg的雜訊可由一電阻Rbg與電容Cbp所組成的 低通濾波器所濾除，濾波後的信號Vref為一定電壓且被 送至差動放大器DA的第一輸入端。 再者，可切換的線性穩壓器可包括一電容C0UT耦接 於該輸入端與固定電廢之間’電容C〇uT可改善可切換的 線性穩壓器的輸出電壓V〇UT的穩定性。 0758-A31445TWF;MTKI-05-084;Jason 9 1307997 形的電弟路4圖所示之可切換的線性穩麗器之變 -=電路圖。可切換的線性_， 輪出协換單 輸出切換早 輪出切施-- 有一輸入以及複數個輪出， :出切換早兀osu受第一控制信號 ：出 端，以使得可等輸出端之一連接至輸入 刀、的線性穩壓器之輪出端可進一牛俨攄 控制信號S1^S2彳m摆如墙 延步依據 輸出切換單元〇=在第5圖所示之實施例中， „n m ςw 9钴作使得當第—控制信號si使第 開關S\^成為導通狀態 使弟 壓器之主動輪出媸一 一 成為可切換的線性穩

ν> κ ^ ' 田弟一控制信號S2使第一開關SW 成為導通狀態時，V D W bW2 輸出端。；=可切㈣線性_器之主動 认山 此員細例中，輸出切換單元OSU包括一笛 輪出開關SW，〗盥—筮-仏山0日s 括弟一 輪入端，亦即笛' _f sw，2，兩者皆連接至 ^亦即第二節點B，笫一鈐 二節輪出開關$'\¥1連接於第 即點B與輸出端v_a之間 的控制。第—控靜梦j弟才工 雖瞎，使弟一開關SWl成為導通狀 :輸出^ s;使第一輸出開關SW,1成為導通狀態；第 門、… 接於弟一即點B與輸出端VoutB之 間，亚受到第二控制作轳 〇utB ^ 在使第HI情 控制，第二控制信號S2 你從弟一開關SW2成A堇诵此吨n士 屮HU UP上、.導通狀態時，同時也會使第二輪 fcL , οη /、弟2圖所不的線性穩壓器 比較，本發明之可切換的線 哭命扪深阻私壓态節省了一差動放大 盎與一傳輸電晶體，因此，晶 片面積可以縮小，且可以 減 >、腳位以及外部元件的數 ^ 〕數目。§苐一控制信號S1使開 0758-A31445TWF;MTKI-05-084;Jason 10 1307997 S:S:與SW、成為導通狀態且第二控制信號S2使開關 ：：：4 V 可切換的線性穩塵器之主動輸出端為 二關當第—控制信號“使開關^與^ 才，匕、且第一控制信號S2使開關SWs與sw、成 (A，且可切換的 為導通狀態時，輸出電壓V_等於 …且，切㈣ 線性穩壓器之主動輪出 換的 換的卿壓哭提t I-。於此實施例中，可切 "°。美供可切換的輸出電壓以及一可切換 的輸出端，同時，摄可給 、 、了縮小日日片面積，並減少腳位以及 外部π件的數目。 汽-U提供一準確的輪出電壓，迴授電阻的匹配在穩 ^中為""重要的考量點，使用標準化單元(unit _)以=指叉式布局（mter_digitized iay〇ut)可以改善匹 ^八換5之’為了布局的方便性，所選定的電阻值需有 △ Q數以具有兩個可選擇的輪出電壓的線性穩壓 器為例，在^ 3圖中，設計公式分別為^W=Qx(i + f)與 ^OUT ~ Kef X (1 +-----) , ^'條么式皆為三個設計參數的函數，

VrefX(l+^) <，一旦電阻Rb的值選 且彼此有密切的1連性。然而，在第4目中，設計公式 .、一 ^our = X Π η—L\ 1/ _ τ/ . ./« Rl ^ 一旦电限K_b的值造 ^ Rl兵尺2便可依據輸出電壓νουτ與定電壓Vref決 疋。因此，穩壓器的設計便可簡化。 然而，當所需的可切換的輪出電壓更多時，在設計 〇758-A31445TWF;MTKI-05-084;Jason 11 '1307997 上，本發明遠比傳統的穩壓器簡便得多。假若需要三個 輸出電壓，第3圖的穩壓器便可擴充延伸為如第6圖所 示。而設計公式如下所列： CTRL1 =低準位，CTRL2=低準位，CTRL3=高準位+ OUT 一 r ref x(l + R^'+Rs' 凡， CTRL卜低準位，CTRL2=高準位，CTRL3 =低準位 W = 〜x(i+|^) CTRL1 =高準位，CTRL2=低準位，CTRL3=低準位

Vrefx(l + R'，、

OUT R2'+R3'+R4' 當以本發明對相同的輸出電壓進行設計時，電路圖 如第7圖所示，設計公式如下所示：

Sl =高準位，S2=低準位，S3=低準位4 V〇UT=KefX(^~) , V〇UT = Kef X (1 + ~)

Sl=低準位，S2=高準位，S3=低準位4 尺2

Sl=低準位，S2=低準位，S3=高準位+ 7〇UT = Vref X (1 + ~) 很明顯地，本發明的設計公式比傳統的穩壓器要簡 單得多，雖然本說明書僅舉一例來說明本發明的長處， 但其在於其他狀況的適用性卻是顯而易見的。假設vref 為1.2V，且三個輸出電壓分別為2_8V、2V與1.4V，依 據本發明，可以很簡單地變得出一個適當的電阻的組 合：Rb=40kQ、心=301^、R2=60kQ 且 R3= 240kn。一個 10kn或20kn的標準化單元可被用來實現電阻的布局。 075B-A31445TWF;MTKI-05-084;Jason 12 1307997 相=地’傳統的㈣㈣計在實際建 複雜。從其設計公式觀 便.4侍杈為 曰 m , 传出 5R3、2R4,、9ΐν=5Κ , 且3Ri =R4, ’因此，可導出一解為 2 R3，=4kQ 日 R，=im^ 1 ~30kQ、R2’=54kQ、 且R4 -10kQ，顯而易見地， —a 數作為布局的標準化單元便十分困難。U勺么因 、雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，^ 以限定本發明，任何熟習此技巧者， ^二w 精神和範圍内，當可作些呼之更叙盘1 本發明之 •之保崎一 一^更動與潤飾，因此本發明 s視後社ί請專利範取界定者為準。 【圖式簡單說明】 ^1圖為-傳統的線性穩壓器的標準架構圖。 壓哭第2 ®傳統的可提供數個輸出電壓的線性穩 第3圖繪示美國專利6,593,607中，Nicolas Μ 荨人所揭露之可選擇輸出電壓的線性穩壓器。 第4圖顯不依據本發明實施例之可切換的線性穩 器的電路圖。 第5圖繪示第4圖所示之可切換的線性穩壓器 形的電路圖。 α〇 、又 第6圖為由第3圖所擴充延伸的穩壓器。 第7圖為由依據本發明實施例之第4圖所示之可切 換的線性穩壓器所擴充延伸的穩壓器。 【主要元件符號說明】 〇758-A31445TWF;MTKl-05-084;Jason 13 1307997 vbg〜電壓； Rbg〜電阻； cbp〜電容； vref〜定電壓； Μα〜傳輸電晶體； 〜外部電容； R!’〜第一回授電阻； R2’〜第二回授電阻； 5〜差動放大器； 2〜功率金氧半電晶體 8〜輸入端； 12、14〜金氧半控制1 CTRL 1、CTRL2〜控制信號； CVS〜定電壓源； DA〜差動放大器； Rb〜第一電阻； R!、R2〜第二電阻單i SWi〜第一開關； sw2〜第二開關； A〜第一節點； B〜第二節點； ViN〜供應電壓， ν_〜輸出端； S1〜第一控制信號； S2〜第二控制信號； BR〜帶隙參考電路； Vbg〜電壓，

OSU〜輸出切換單元；SW、〜第一輸出開關； sw’2〜第二輸出開關；V0UtA〜輸出端； vQUtB〜輸出端。

0758-A31445TWF;MTKI-05-084； Jason 14

Claims (1)

1307997 、申請專利範圍： 壓 i一種可切換的線性穩壓器，提供可選擇 ，該線性穩壓器包括： 輪出電 一定電壓源； 源 :差動放大器’有—第_輸人端⑽至該定 ，亚有一第二輸入端連接至一第一節點； 1晶體’有-第—端受該差動放大器所控制 二供應_ ’並有—第三端連接至—第 :第-電阻’連接於該第一與第二節點之間； ⑽第二電阻單元’包含複數個電阻，該每—第 早疋中的電阻包括連接至第一節點的一端；以及电 一端:驗個：關，每一開_接於對應的第二電阻的另 ^固疋電位之間’且受—對應的控制信號所控制； 選摆·山，該第二節點的電壓依據該等控制信號作為可 選擇的輪出電壓而輪出。 。 哭=申睛專利範圍第1項所述之可切換的線性穩壓 二：：!1!線性制器有一輸出端_該第二節點， w^包谷耦接於該輪出端與該固定電壓之間。 哭專利㈣帛1項所収可切糾線性穩壓 °。，其中，該固定電壓為接地。 薄甘!^5胃專利㈣第1項所敎可域的線性穩塵 應電屢 定電愿源包括一帶隙參考電路減至該供 -084;Jason 0758-A31445TWF；lV[TKI-05 15 1307997 5·如申請專利範圍第4項 器，其中，該定電壓源#勺拓攻之可切換的線性穩壓 差動放大= 低通濾波器，轉接於該 广的該弟一輸入端與該帶隙參考電路之門 6.如申請專利範園第11§所、十、彳虿路之間。 器’更包括-輪出開關單元，並f ::換的線性穩壓 -輪入端及複數個輪出D、/ ’該輪㈣關單元有 _ 出％該輪入端耦接至哕笛-- 點，且受該等控制信號丨 以 ~即 之…靖⑼連接，且使該選定％ 的該線性穩壓器的輪出端。 ，，、、σ刀換 器，第1項所述之可切換的_ 、 Μ电日日體為一 Ρ型金氧半電晶體。 哭，Γ1項所述之可切換的線性穩璧 至少一單位電阻所組成。 刀別由 0758-Α31445TWF;MTKI-05-084;Jason