TWI408528B - 調節電壓的方法及其電路 - Google Patents

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Description

調節電壓的方法及其電路
本發明一般涉及電壓調節，特別是經調節的電壓的欠壓保護。
提供AD/DC整流的電壓調節器通常包括全波電壓整流器級，例如二級體電橋、主開關電源("SMPS")級以及在線路和主SMPS之間所插入的功率因數校正("PFC")級。SMPS提供輸出波形的調節，PFC級自線路提取正弦電流並為主SMPS提供直流("DC")電壓。很多系統為了正確工作，希望PFC級的輸出電壓在特定的範圍內。PFC電路發送平方正弦電力(squared sinusoidal power)，其與負載的平均電力需量(average power demand)匹配。因而，當供應給負載的電力比需量低時，PFC級內的輸出電容可透過放電來補償缺少的能量，而當供應給負載的電力比需量高時，電容可儲存超出的能量。因此，在設計者藉由積分該輸出電壓而進行補償的輸出電壓中出現脈動。積分的缺欠在於它降低了電源的動態性能的等級，並使其變慢。例如，負載的突然減少會導致高輸出電壓過衝，而負載的突然增加會導致高輸出電壓下衝。
因此，需要電壓調節器以及改善電壓調節器的動態性能和速率的方法。此外，希望電壓調節器在製造上有成本效率和時間效率。
單一圖式是電壓調節器10的示意圖，其包括一欠壓保護級14，該欠壓保護級具有與一反饋級12相連的一輸入和與一脈寬調變("PWM")調整級16相連的一輸出。PWM調整級16的輸出連接到功率因數校正("PFC")級18的輸入，而PFC級18的輸出20作為電壓調節器10的輸出。輸出20產生輸出電壓VOUT 。負載22連接在輸出20和操作電位源(例如，VSS) 之間。舉例而言，操作電位源VSS 接地。電壓整流器24連接至電壓調整級18的輸入26。
反饋級12也指反饋網路，其與輸出20連接，並可包括例如一對電阻30和32。連接電阻32的一端子以接收操作電位源例如VSS ，電阻32的另一端子在節點34與電阻30的另一端子共同連接。電阻30的另一端子連接至輸出20。在節點34連接的電阻30和32的共同連接端子也連接至欠壓保護級14的輸入。應可瞭解，反饋級12不侷限於是電阻分壓器網路。雖然反饋級12與欠壓保護級14、PWM調整級16和PFC級18可以一起集成在半導體襯底(semiconductor substrate)內，然而其較佳是提供作為晶片外(off－chip)的電路網路。反饋級12也指反饋網路或反饋部分。
根據一個實施方式，欠壓保護級14包括誤差信號放大器38、電流源47、和鏡像電晶體(mirror transistor)49。誤差信號放大器38包括差分輸入級40、差分放大器41、電流源電晶體42、和電流汲取器電晶體44。差分輸入級40具有一個反向輸入和一個非反向輸入，其作為欠壓保護電路14的輸入。差分輸入級40的輸出連接至差分放大器41的輸入。差分放大器41的輸出連接至電晶體42的基極，差分放大器41的另一個輸出連接至電晶體44的基極。誤差信號放大器為本領域具有通常知識者所周知。連接電晶體42的集電極以接收操作電位源，例如VDD 。舉例而言，操作電位源VDD 設為5伏特。電晶體42的發射極在節點46連接至電晶體44的集電極，而連接電晶體44的發射極以接收操作電位源，例如VSS 。節點46作為欠壓保護級14的輸出，並連接至PWM調整級16的輸入。另外，節點46是經由電荷儲存裝置48而連接至差分輸入級40的反向輸入。舉例而言，電荷儲存裝置48是一種補償電容。連接電流源47的一端子以接收操作電位源，例如VDD ，而另一端子連接至節點46和補償電容48的一端子。電流源47提供電流ISOURCE0 至節點46。欠壓保護級14還包括具有基極、集電極和發射極的鏡像電晶體49，其中基極連接至電流源電晶體42的基極，集電極連接至差分輸入級40的反向輸入，且連接其發射極以接收操作電位源，例如VSS 。雖然電晶體42、44和49顯示並描述為雙極電晶體，然而應認識到，這不是本發明的限制。例如，它們可以是具有閘極、源極和汲極的場效應電晶體("FETs")。也應可瞭解，雙極電晶體的基極和FET的閘極也指控制電極，而雙極電晶體的發射極和集電極也指載流電極。同樣，FET的汲極和源極也指載流電極。
諸如電壓整流器24的電壓整流器和諸如PWM調整級16的PWM調整級的電路實施為本領域具有通常知識者所周知。
PFC級18包括FET50，FET具有作為PFC電路18的輸入的閘極、經由感應器52與電壓整流器級24連接的汲極、以及連接以接收操作電位源(例如，VSS )的源極。FET50的源極也連接至襯底(substrate)，FET50係在該襯底中形成。FET50的汲極連接至二極體54的陽極，而二極體54的陰極連接至輸出電容56的一端子。連接輸出電容56的另一端子以接收操作電位源(例如，VSS )。這樣，二極體54的一端子和輸出電容56的一端子共同彼此連接以形成輸出20。較佳地，與電容56並聯連接負載22。
於操作中，PFC級18接收來自電壓整流器24的整流電壓信號、升壓整流電壓信號、並在輸出20產生輸出電壓VOUT 。輸出電壓VOUT 反饋給反饋網路12，反饋網路12產生流經電阻30的電流IR30 和流經電阻32的電流IR32 。由電流IR32 產生的橫跨電阻32的電壓和電壓VSS 的和等於在節點34的電壓，即在節點34的電壓VFB 。反饋信號VFB 出現在差分輸入級40的反向輸入。在穩定狀態操作模式或條件的操作期間，即穩定狀態操作，電壓調節器10保持在反向輸入處的信號或電壓值大致等於誤差信號放大器38的非反向輸入處的信號或電壓，即電壓VREF 。因此，差分輸入級40的輸入處的電壓實質上等於參考電壓VREF 。在此操作模式期間，差分輸入級40產生誤差信號，差分放大器41使用此信號產生接通或啟動電流汲取器電晶體44的控制信號和切斷電流源電晶體42的控制信號。接通電晶體也指開啟電晶體，切斷電晶體也指關閉電晶體。因此，電流汲取器電晶體44自節點46汲取電流ISINK ，電流源47提供電流ISOURCE0 至節點46。電流ISINK 實質上等於電流ISOURCE0 。應該注意，當電流從節點被汲取或傳送出時，該電流係從節點流出，當電流被提供或傳送至節點時，該電流係流向節點。還應注意，在穩定狀態操作中，補償電容48既不活動地充電也不活動地放電，但保持橫跨該補償電容48的標稱電壓。
在輸出電壓VOUT 有小的下衝的操作模式或條件下，分別流經電阻30和32的電流IR30 和IR32 小於其標稱值。舉例而言，標稱輸出電壓VOUT 大約為400伏特，輕微的或小的下衝大約為10伏特或更小。特別是，流經電阻32的電流IR32 將會太低而無法使節點34維持在參考電壓位準VREF 。在這種情況下，電晶體44會減少或降低電流ISINK ，使得在節點46的電流ISOURCE0 和電流ISINK 的和不再是零。應該注意，電流ISINK 減少至非零位準。電流ISOURCE0 和減少的電流ISINK 之間的差，即差分電流，流經補償電容48，並補充流經電阻32的電流IR32 ，因此提升了誤差信號放大器38的反向輸入處的電壓，使得其實質上與參考電壓VREF 相同。
在輸出電壓VOUT 有一個大的下衝的操作模式或條件下，即輸出電壓VOUT 低於標稱值多於大約30伏特，電流源47不能使差分輸入級40的反向輸入處的電壓維持在與參考電壓VREF 實質上相等的值。差分輸入級40產生誤差信號，此信號被差分放大器41放大，其依次產生切斷電流汲取器電晶體44的控制信號和接通電流源電晶體42的控制信號。因此，電流汲取器電晶體44實質上汲取零電流，電流源電晶體42和鏡像電晶體49分別產生電流ISOURCE1 和IMIRROR 。與 ISOURCE1 和IMIRROR 的和實質上相等的電流快速地為補償電容48充電並提供電流給節點34。鏡像電晶體49自節點34汲取電流IMIRROR ，其與源電晶體42提供的電流實質上相等。由於鏡像電晶體49自節點34汲取或去除實質上等於由電流源電晶體42提供給節點34的電流ISOURCE1 的電流，由電流源電晶體42提供的電流ISOURCE1 不流經電阻32，並且不幫助將差分輸入級40的反向輸入處的電壓維持在等於參考電壓VREF 的位準。換言之，由電流源電晶體42提供的電流ISOURCE1 被鏡像電晶體49吸收。
快速為補償電容48充電會導致節點46處的電壓迅速上升。此電壓會被注入PWM級16中以控制由PFC級18所傳送至負載22的電力。因而，快速為電容48充電引起傳送至負載22的電力的增加，並因此迅速減緩可能出現於輸出電壓VOUT 中的任何下衝。
至此，應可瞭解到，已提供了具有欠壓保護級的調節器電路以及調節輸出電壓的方法。在穩定狀態的操作中，輸出電壓VOUT 處於其期望的或標稱的位準，而流經電阻30的電流IR30 和流經電阻32的電流IR32 實質上相等，回應於橫跨電阻32上的參考電壓VREF 。由於參考電壓VREF 出現在差分輸入級40的反向輸入處，實質上上沒有電流流經電容48，而電流ISINK 抵消了由電流源47提供的電流ISOURCE0 。
如果輸出電壓VOUT 下降，電流IR30 也下降。當電壓VOUT 和電流IR30 下降至一位準時，即電流IR30 不足以維持節點34處的電壓與參考電壓VREF 實質上相等時，電流ISINK 下降， 以便等於電流ISOURCE0 和ISINK 之間的差的差分電流提供通過電阻32的額外電流，以使節點34維持與參考電壓VREF 實質上相等的電壓。此電流也為電容48充電，並增加節點46處的電壓，其增加了由PFC級18傳送給負載22的電力，因此減少了出現在輸出電壓VOUT 中的下衝的量。
如果輸出電壓VOUT 中的下衝非常嚴重，以至於由電流源47提供的電流ISOURCE0 不夠大，不足以維持節點34處的電壓與參考電壓VREF 實質上相等，來自電流汲取器44的電流ISINK 降至零，而電流源42提供額外電流ISOURCE1 。當下衝電壓大於電流ISOURCE0 與電阻30的電阻值的乘積時，會發生這種情況。電流ISOURCE1 由鏡像電晶體49鏡像並自節點34取出，因此阻止其維持節點34處的電壓等於參考電壓VREF 。這樣，節點34處的電壓保持低於參考電壓VREF ，誤差信號放大器38使得電流源電晶體42提供其最大電流，以便促使出現在節點34處的電壓等於參考電壓VREF 。鏡像電晶體49藉由吸收電流補償此操作，所吸收的電流實質上等於由電流源電晶體42產生的電流ISOURCE1 。由於鏡像電晶體49吸收ISOURCE1 ，此電流為電容48充電而不提升節點34處的電壓。本發明的一個優點是，電流ISOURCE1 有助於以高速為電容48充電，其增加節點46處的電壓並幫助減少出現在輸出電壓VOUT 中的下衝電壓。一旦下衝電壓小於電流ISOURCE0 與電阻30的電阻值的乘積，輸出電壓VOUT 不再處於嚴重下衝的情況，但可能是輕微下衝或穩定狀態的情況。
雖然在此公開了一些較佳的實施方式和方法，然而，上述公開對本領域具有通常知識者來說，很明顯，可進行這些實施方式和方法的變化和修改而不偏離本發明的實質和範圍。例如，可修改電路以克服出現在輸出電壓中的過衝。實現這些修改的一項技術是以電流汲取器代替電流源47，移去鏡像電晶體49並連接鏡像電晶體到電晶體44。這意味著本發明應僅限於所附申請專利範圍第的所請求的範圍以及可適用的法律的規定和原則。
10 ．．．電壓調節器
12．．．反饋級
14．．．欠壓保護級
16．．．脈寬調變("PWM")調整級
18．．．功率因數校正("PFC")級
20．．．PFC級18的輸出
22．．．負載
24．．．電壓整流器
26．．．電壓調整級18的輸入
30．．．電阻
32．．．電阻
34．．．節點
38．．．誤差信號放大器
40．．．差分輸入級
41．．．差分放大器
42．．．電流源電晶體
44．．．電流汲取器電晶體
46．．．節點
47．．．電流源
48．．．電荷儲存裝置
49．．．鏡像電晶體
50．．．FET
52．．．感應器
54．．．二極體
56．．．輸出電容
透過閱讀下文詳細的闡述並結合所附圖式可以更好地理解本發明，單一圖式是根據本發明的一個實施方式的電壓調節器的示意圖，其具有一個欠壓保護電路。
10 ．．．電壓調節器
12．．．反饋級
14．．．欠壓保護級
16．．．脈寬調變("PWM")調整級
18．．．功率因數校正("PFC")級
20．．．PFC級18的輸出
22．．．負載
24．．．電壓整流器
26．．．電壓調整級18的輸入
30．．．電阻
32．．．電阻
34．．．節點
38．．．誤差信號放大器
40．．．差分輸入級
41．．．差分放大器
42．．．電流源電晶體
44．．．電流汲取器電晶體
46．．．節點
47．．．電流源
48．．．電荷儲存裝置
49．．．鏡像電晶體
50．．．FET
52．．．感應器
54．．．二極體
56．．．輸出電容

Claims (20)

  1. 一種調節電壓的方法，其包括：比較一第一信號和一參考信號以產生一誤差信號；回應於該誤差信號以產生第一及第二控制信號；及在一第一操作模式中：回應於該第一控制信號以產生一第一電流，該第一電流流向一第一節點；回應於該第一控制信號以產生一第二電流，該第二電流從該第一節點流出，其中該第二電流實質上從該第一節點吸收該第一電流並在一第二節點處增加一電壓；及使用該第二控制信號以切斷一電晶體；及在一第二操作模式中：產生一差分電流；及使用該差分電流以增加該第一信號之一位準，使得其實質上與該參考信號相等，且進一步包括回應於比該參考信號大之該第一信號而改變一第三電流以具有一增加的第三電流位準，及使用該差分電流以降低該第一信號至與該參考信號實質上相等，其中該差分電流實質上等於一第四電流和該增加的第三電流位準之間的差。
  2. 如請求項1所述的方法，其中回應於該第一控制信號以產生該第一電流包括啟動一電流源。
  3. 如請求項2所述的方法，其中產生該第一及該第二電流 包括產生與該第一電流實質上相等的該第二電流。
  4. 如請求項2所述的方法，其進一步包括回應於比該參考信號小的該第一信號，降低一第三電流以具有一減少的第三電流，並利用該差分電流增加該第一信號至與該參考信號實質上相等，其中該差分電流實質上等於一第四電流和該減少的第三電流之間的差。
  5. 如請求項1所述的方法，其中一第四電流和該第三電流共同為一電荷儲存裝置充電。
  6. 一種調節電壓的方法，其包括：比較一第一信號和一參考信號以產生一誤差信號；回應於該誤差信號以產生第一及第二控制信號；使用該第一控制信號以產生第一及第二電流；在一第一操作條件下，其中輸出電壓具有一第一下衝位準：提供一第一電流至一第一節點以在一第二節點處增加一電壓；及自該第一節點汲取該第二電流，其中該第二電流實質上等於該第一電流；在一第二操作條件下，其中該輸出電壓具有一第二下衝位準，該第二下衝位準之下衝的量小於該第一下衝位準之下衝的量：使用該第二控制信號以產生一第三電流；提供一第四電流，其中該第四電流流向該第二節點且該第三電流從該第二節點流出；及 提供一差分電流至該第一節點，其中該差分電流實質上等於該第四電流和該第三電流之間的差；在一第三操作條件下，其中該輸出電壓係處於一穩定狀態：切斷該第一及該第二電流；提供該第四電流至該第二節點；及提供該第三電流至該第二節點。
  7. 如請求項6所述的方法，其中提供該差分至該第一節點包括傳送該差分電流通過一電阻。
  8. 如請求項6所述的方法，其中提供該差分電流至該第一節點包括為一電容充電。
  9. 如請求項6所述的方法，其中該第四電流實質上等於在該第三操作條件下之該第三電流。
  10. 如請求項9所述的方法，其中一電荷儲存元件係為一電容。
  11. 如請求項10所述的方法，其中提供該第一電流至該第一節點包括為該電容充電。
  12. 如請求項6所述的方法，其中使用該第一控制信號以產生該第一及該第二電流包括接通第一及第二電晶體。
  13. 如請求項12所述的方法，其中回應於該誤差信號以產生該第一及該第二控制信號包括切斷一第二電晶體。
  14. 如請求項6所述的方法，其中切斷該第一及該第二電流包括切斷一第一電晶體，且其中從該第二節點汲取該第三電流包括使用一電晶體以汲取該第三電流。
  15. 一種電壓調節器，其包括一電壓保護級，其中該電壓保護級包括：一差分輸入級，其包括一非反向輸入和一反向輸入；一控制電路，其連接至該差分輸入級，該控制電路具有一第一輸出和一第二輸出；一第一電晶體，其具有一控制電極和第一及第二載流電極，該控制電極連接至該控制電路的該第一輸出，而該第一載流電極係經連接以用於接收一第一操作電位源；一第二電晶體，其具有一控制電極和第一及第二載流電極，該第二電晶體的該控制電極連接至該控制電路的該第二輸出，該第一載流電極連接至該第一電晶體的該第二載流電極以形成一節點，且該第二電晶體的該第二載流電極係經連接以用於接收一第二操作電位源；及一第三電晶體，其具有一控制電極和第一及第二載流電極，該第三電晶體的該控制電極連接至該第一電晶體的該控制電極，該第三電晶體的該第一載流電極連接至該差分輸入級的該反向輸入，且該第二載流電極係經連接以用於接收該第二操作電位源。
  16. 如請求項15所述的電壓調節器，進一步包括連接至該節點的一電流源。
  17. 如請求項16所述的電壓調節器，進一步包括連接在該節點和該差分輸入級的該反向輸入之間的一電容。
  18. 如請求項17所述的電壓調節器，進一步包括： 一反饋級，其與該差分輸入級的該反向輸入連接；一調整級，其與該節點連接；及一功率因數校正級，其與該調整級連接，其中該功率因數校正級具有與該反饋級連接的一輸出。
  19. 如請求項18所述的電壓調節器，進一步包括與該功率因數校正級連接的一電壓整流器級。
  20. 一種電壓調節器，其包括一電壓保護級，其中該電壓保護級包括：一差分輸入級，其具有一非反向輸入和一反向輸入；一控制電路，其連接至該差分輸入級，該控制電路具有第一輸出和第二輸出；一第一電晶體，其具有一控制電極和第一及第二載流電極，該控制電極連接至該控制電路的該第一輸出，而該第一載流電極係經連接以用於接收一第一操作電位源；一第二電晶體，其具有一控制電極和第一及第二載流電極，該第二電晶體的該控制電極連接至該控制電路的該第二輸出，該第一載流電極連接至該第一電晶體的該第二載流電極以形成節點，且該第二電晶體的該第二載流電極係經連接以用於接收一第二操作電位源；及一電流源，其與該節點連接。
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