TWI411902B

TWI411902B - 電壓調節電路

Info

Publication number: TWI411902B
Application number: TW99132632A
Authority: TW
Inventors: Shih Hsien Hsu; Yaw Guang Chang
Original assignee: Himax Tech Ltd
Priority date: 2010-09-27
Filing date: 2010-09-27
Publication date: 2013-10-11
Also published as: TW201214076A

Description

電壓調節電路

本發明是有關於一種電壓調節電路，且特別是有關於一種具有源極隨耦器的電壓調節電路。

電源供應是可攜式裝置(例如：手機)在使用上非常重要的一環。一般來說，可攜式裝置的電源電壓通常是由電池所提供。此外，對於系統內部的數位電路而言，為了避免功率消耗以及提升系統的穩定度，可攜式裝置通常會透過一電壓調節電路來對電池所提供的電源電壓進行電壓準位的調整，進而致使數位電路的操作電壓固定在一預設值。

電壓調節電路是將電源供應器所輸出的電源電壓穩定在某一個定值的電壓值後，再提供給內部電路運用。傳統的電壓調整電路會在電路外部外掛一顆穩壓電容，以避免數位電路在瞬間暫態反應上電流過大的情況，並且同時達到穩定度的需求。然而，外掛的穩壓電容往往會增加系統的硬體體積以及生產成本。

因此，如何實現不需外掛穩壓電容的電壓調整器，以降低系統的硬體體積以及生產成本，已是可攜式裝置在電源設計上所欲解決的一項課題。

本發明提供一種電壓調節電路，利用源極隨耦器提供較快速的穩定速度，以降低系統電壓的變動。

本發明提供一種電壓調節電路，可在不外加穩壓電容的情況下，抑制瞬間暫態電流。

本發明提出一種電壓調節電路，包括差動輸入單元、源極隨耦器以及驅動單元。差動輸入單元具有第一輸入端與第二輸入端，以各自接收參考電壓與系統電壓。此外，差動輸入單元比較參考電壓與系統電壓，以產生控制電壓。源極隨耦器電性連接差動輸入單元，並依據控制電壓來產生調整電壓。驅動單元電性連接源極隨耦器與差動輸入單元的第二輸入端，以形成回授迴路。此外，驅動單元依據調整電壓將電源電壓穩定至系統電壓。

在本發明之一實施例中，上述之差動輸入單元與源極隨耦器操作在預設電壓下，且預設電壓大於或是等於電源電壓。

在本發明之一實施例中，上述之電壓調節電路更包括電壓轉換器。其中，電壓轉換器電性連接差動輸入單元與源極隨耦器，並將電源電壓轉換成預設電壓。此外，差動輸入單元與源極隨耦器操作在預設電壓下。

本發明另提出一種電壓調節電路，包括差動輸入單元、源極隨耦器、驅動單元以及回授單元。差動輸入單元具有第一輸入端與第二輸入端，以各自接收參考電壓與回授電壓。此外，差動輸入單元比較參考電壓與回授電壓，以產生控制電壓。源極隨耦器電性連接差動輸入單元，並依據控制電壓來產生調整電壓。驅動單元電性連接源極隨耦器，並依據調整電壓將電源電壓穩定至系統電壓。回授單元電性連接驅動單元與差動輸入單元的第二輸入端，以形成一回授迴路。此外，回授單元依據系統電壓產生回授電壓。

基於上述，本發明是在差動輸入單元與驅動單元之間設置一源極隨耦器。藉此，當有較大的瞬間暫態電流產生時，源極隨耦器將可提供較快速的穩定速度，進而降低系統電壓的變動。藉此，本發明之電壓調節電路可在不外加穩壓電容的情況下，抑制瞬間暫態電流。相對地，與傳統電壓調節電路相較之下，本發明之電壓調節電路將有助於降低可攜式裝置的硬體體積與生產成本。

為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

圖1A為依據本發明之一實施例之電壓調節電路的方塊示意圖。參照圖1A，電壓調節電路100是用以將電源電壓VC1穩定至系統電壓VS1。藉此，當電壓調節電路100應用在可攜式裝置(例如：手機)時，電池所提供的電源電壓VC1將可透過電壓調節電路100轉換成數位電路所需的系統電壓VS1，進而提昇可攜式裝置的系統穩定度。

電壓調節電路100包括差動輸入單元110、源極隨耦器(source follower)120、以及驅動單元130。其中，差動輸入單元110與源極隨耦器120操作在一預設電壓VP1下。此外，差動輸入單元110具有第一輸入端TM11與第二輸入端TM12，以各自接收參考電壓VR1與系統電壓VS1。在操作上，差動輸入單元110將比較參考電壓VR1與系統電壓VS1，並依據比較結果產生控制電壓V11。再者，源極隨耦器120電性連接差動輸入單元110。此外，源極隨耦器120接收控制電壓V11，並據以產生調整電壓V12。

另一方面，驅動單元130電性連接源極隨耦器120與差動輸入單元110的第二輸入端TM12。藉此，差動輸入單元110、源極隨耦器120與驅動單元130將形成一回授迴路。透過此回授迴路，驅動單元130會依據調整電壓V12將電源電壓VC1穩定至系統電壓VS1。此外，當電壓調節電路100所驅動的負載(未繪示出)有較大的瞬間暫態電流產生時，源極隨耦器120將提供較快速的穩定速度，進而降低系統電壓VS1的變動。換言之，電壓調節電路100可在不外加穩壓電容的情況下，抑制瞬間暫態電流。藉此，電壓調節電路100將有助於降低可攜式裝置的硬體體積與生產成本。

舉例來說，圖1B為用以說明系統電壓因應瞬間暫態電流所形成的變動曲線圖。其中，圖1B的上半部為負載電流隨時間變化的曲線圖，圖1B的下半部為系統電壓隨時間變化的曲線圖，且曲線S2與曲線S1分別為傳統電壓調節電路與本發明之電壓調節電路100所產生的系統電壓。

如圖1B所示，負載電流於時間點t1產生較大的電流變化。此時，對於傳統電壓調節電路來說，其可透過外部的穩壓電容來抑制這瞬間暫態電流。但是，一但穩壓電容被拔除時，如曲線S2所示，傳統電壓調節電路所產生的系統電壓將產生劇烈的變化，進而導致電路的輸出不穩定。然而，對於圖1實施例之電壓調節電路100來說，如曲線S1所示，當瞬間暫態電流產生時，源極隨耦器120將提供較快速的穩定速度，進而抑制瞬間暫態電流對系統電壓所造成的影響。

為了致使本領域具有通常知識者能更加了解本發明，圖2為依據本發明之一實施例之電壓調節電路的電路圖，以下請參照圖2來看差動輸入單元110、源極隨耦器120以及驅動單元130的細部架構。

參照圖2，差動輸入單元110包括P型電晶體MP21與MP22、N型電晶體MN21與MN22、以及電流源210。其中，P型電晶體MP21與MP22的源極用以接收預設電壓VP1，以致使差動輸入單元110操作在預設電壓VP1下。此外，P型電晶體MP21的汲極與閘極電性相連，且P型電晶體MP21與MP22的閘極電性相連。藉此，P型電晶體MP21與MP22將形成一電流鏡，且P型電晶體MP22的汲極將用以產生控制電壓V11。

再者，N型電晶體MN21與MN22的汲極分別電性連接且P型電晶體MP21與MP22的汲極，且N型電晶體MN21與MN22的閘極各自用以接收參考電壓VR1與系統電壓VS1。此外，電流源210的第一端電性連接至N型電晶體MN21與MN22的源極，且電流源210的第二端電性連接至一接地端。藉此，差動輸入單元110將相當於單級運算放大器，故可針對參考電壓VR1與系統電壓VS1進行比較，並據以產生控制電壓V11。

請繼續參照圖2，源極隨耦器120包括電流源220與P型電晶體MP23。其中，電流源220的第一端接收預設電壓VP1，以致使源極隨耦器120操作在預設電壓VP1下。電流源220的第二端用以產生調整電壓V12。P型電晶體MP23的源極電性連接電流源220的第二端，P型電晶體MP23的閘極接收控制電壓V11，且P型電晶體MP23的汲極電性連接至接地端。藉此，源極隨耦器120將可檢測控制電壓V11的準位，並據以產生調整電壓V12。

驅動單元130包括N型電晶體NM23與電流源230。其中，N型電晶體NM23的汲極接收電源電壓VC1，N型電晶體NM23的閘極接收調整電壓V12，且N型電晶體NM23的源極用以產生系統電壓VS1。再者，電流源230的第一端電性連接N型電晶體NM23的源極，且電流源230的第二端電性連接至接地端。透過差動輸入單元110、源極隨耦器120與驅動單元130所形成的回授迴路，控制電壓V11與調整電壓V12將隨著系統電壓VS1產生相應的變動。相對地，N型電晶體NM23在調整電壓V12的控制下，電源電壓VC1將可穩定至系統電壓VS1，且系統電壓VS1相等於參考電壓VR1。

值得一提的是，在上述各實施例中，所述的預設電壓 VP1大於或是等於電源電壓VC1。其中，當預設電壓VP1等於電源電壓VC1時，差動輸入單元110與源極隨耦器120將可直接操作在電源電壓VC1下。另一方面，當預設電壓VP1大於電源電壓VC1時，電壓調節電路100將更包括一電壓轉換器，以產生差動輸入單元110與源極隨耦器120所需的預設電壓VP1。

舉例來說，圖3為依據本發明之一實施例之電壓轉換器的電路圖。參照圖3，電壓轉換器300是用以將電源電壓VC1轉換成預設電壓VP1。此外，電壓轉換器300電性連接差動輸入單元110與源極隨耦器120，以供應預設電壓VP1至差動輸入單元110與源極隨耦器120。再者，電壓轉換器300包括開關SW31~SW34、電容C31以及電容C32。開關SW31的第一端接收電源電壓VC1，且開關SW31的第二端電性連接開關SW32的第一端以及電容C31的第一端。開關SW32的第二端用以產生預設電壓VP1。電容C31的第二端電性連接開關SW33與SW34的第一端。開關SW33的第二端電性連接至接地端，且開關SW34的第二端接收電源電壓VC1。電容C32的第一端電性連接開關SW32的第二端，且電容C32的第二端連接至接地端。

在操作上，一開始，開關SW31與開關SW33將導通(turn on)，以致使電容C31充電至電源電壓VC1。之後，使開關SW31與開關SW33斷路，並使開關SW32與開關SW34導通，以致使電容C31與C32串接，且電容C32將充電至2倍的電源電壓VC1。換言之，透過開關 SW31~SW34的切換，流經電容C31與C32的電流將產生相應的變化，進而致使電壓轉換器300所產生的預設電壓VP1為電源電壓VC1的2倍。

圖4為依據本發明之另一實施例之電壓調節電路的方塊示意圖。參照圖4，電壓調節電路400是用以將電源電壓VC4穩定至系統電壓VS4，並包括差動輸入單元410、源極隨耦器420、驅動單元430、以及回授單元440。其中，差動輸入單元410具有第一輸入端TM41與第二輸入端TM42，以各自接收參考電壓VR4與回授電壓VF4。此外，差動輸入單元410的第二輸入端TM42電性連接回授單元440。源極隨耦器420電性連接差動輸入單元410。驅動單元430電性連接源極隨耦器420以及回授單元440。

差動輸入單元410與源極隨耦器420操作在一預設電壓VP4下。此外，在整體操作上，差動輸入單元410會對參考電壓VR4與系統電壓VS4進行比較，並依據比較結果產生控制電壓V41。再者，源極隨耦器420將接收控制電壓V41，並據以產生調整電壓V42。另一方面，驅動單元430會依據調整電壓V42將電源電壓VC4轉換至系統電壓VS4，並將系統電壓VS4傳送至回授單元440。此時，回授單元440會依據系統電壓VS4產生回授電壓VF4，並將回授電壓VF4回授至差動輸入單元410。

藉此，差動輸入單元410、源極隨耦器420、驅動單元430與回授單元440將形成一回授迴路，且透過此回授迴路，驅動單元430會將電源電壓VC4穩定至系統電壓 VS4。值得一提的是，當電壓調節電路400所驅動的負載(未繪示出)有較大的瞬間暫態電流產生時，源極隨耦器420將提供較快速的穩定速度，進而降低系統電壓VS4的變動。換言之，電壓調節電路400可在不外加穩壓電容的情況下，抑制瞬間暫態電流。藉此，電壓調節電路400將有助於降低可攜式裝置的硬體體積與生產成本。

為了致使本領域具有通常知識者能更加了解本發明，圖5為依據本發明之另一實施例之電壓調節電路的電路圖，以下請參照圖5來看差動輸入單元410、源極隨耦器420、驅動單元430以及回授單元440的細部架構。

參照圖5，差動輸入單元410包括P型電晶體MP51與MP52、N型電晶體MN51與MN52、以及電流源510。其中，P型電晶體MP51與MP52的源極用以接收預設電壓VP4，以致使差動輸入單元410操作在預設電壓VP4下。此外，P型電晶體MP51的汲極與閘極電性相連，且P型電晶體MP51與MP52的閘極電性相連。藉此，P型電晶體MP51與MP52將構成一電流鏡，且P型電晶體MP52的汲極將用以產生控制電壓V41。

再者，N型電晶體MN51與MN52的汲極分別電性連接且P型電晶體MP51與MP52的汲極，且N型電晶體MN51與MN52的閘極各自用以接收參考電壓VR4與回授電壓VF4。再者，N型電晶體MN51與MN52透過電流源510電性連接至接地端。藉此，差動輸入單元410將相當於單級運算放大器，因此可針對參考電壓VR4與回授電壓 VF4進行比較，並據以產生控制電壓V41。

請繼續參照圖5，源極隨耦器420包括電流源520與P型電晶體MP53。在此，電流源520的第一端接收預設電壓VP4，且電流源520的第二端電性連接P型電晶體MP53的源極。此外，P型電晶體MP53的閘極接收控制電壓V41，且P型電晶體MP53的汲極電性連接至接地端。藉此，源極隨耦器420將可檢測控制電壓V41的準位，並據以產生調整電壓V42。

另一方面，驅動單元430包括N型電晶體NM53，且回授單元440包括電阻R51與電阻R52。其中，N型電晶體NM53的汲極接收電源電壓VC4，N型電晶體NM53的閘極接收調整電壓V42，且N型電晶體NM53的源極用以產生系統電壓VS4。此外，電阻R51的第一端接收系統電壓VS4，且電阻R51的第二端用以產生回授電壓VF4。電阻R52的第一端電性連接電阻R51的第二端，且電阻R52的第二端電性連接至接地端。在作動上，N型電晶體NM53會依據調整電壓V42調整其電流大小，進而將電源電壓VC4穩定至系統電壓VS4。其中，系統電壓VS4可由下列等式表示之：VS4=VR4*(R51+R52)/R52。此外，傳送至回授單元440的系統電壓VS4將透過電阻R51與R52產生一分壓，進而形成回授電壓VF4。

值得一提的是，在上述各實施例中，所述的預設電壓VP4大於或是等於電源電壓VC4。其中，當預設電壓VP4等於電源電壓VC4時，差動輸入單元410與源極隨耦器 420將可直接操作在電源電壓VC4下。另一方面，當預設電壓VP4大於電源電壓VC4時，電壓調節電路400將更包括一電壓轉換器，以產生差動輸入單元410與源極隨耦器420所需的預設電壓VP4。其中，所述的電壓轉換器可例如是圖3所列舉的電壓轉換器300，但其並非用以限定本發明。

綜上所述，本發明是在差動輸入單元與驅動單元之間設置一源極隨耦器。藉此，當有較大的瞬間暫態電流產生時，源極隨耦器將可提供較快速的穩定速度，進而降低系統電壓的變動。藉此，本發明之電壓調節電路可在不外加穩壓電容的情況下，抑制瞬間暫態電流，進而有助於降低可攜式裝置的硬體體積與生產成本。

雖然本發明已以實施例揭露如上，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，故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。

100、400‧‧‧電壓調節電路

110、410‧‧‧差動輸入單元

120、420‧‧‧源極隨耦器

130、430‧‧‧驅動單元

TM11、TM12、TM41、TM42‧‧‧差動輸入單元的輸入端

VP1、VP4‧‧‧預設電壓

VR1、VR4‧‧‧參考電壓

VC1、VC4‧‧‧電源電壓

VS1、VS4‧‧‧系統電壓

V11、V41‧‧‧控制電壓

V12、V42‧‧‧調整電壓

MP21~MP23、MP51~MP53‧‧‧P型電晶體

MN21~MN23、MN51~MN53‧‧‧N型電晶體

210~230、510、520‧‧‧電流源

300‧‧‧電壓轉換器

SW31~SW34‧‧‧開關

C31、C32‧‧‧電容

440‧‧‧回授單元

VF4‧‧‧回授電壓

R51、R52‧‧‧電阻

圖1A為依據本發明之一實施例之電壓調節電路的方塊示意圖。

圖1B為用以說明系統電壓因應瞬間暫態電流所形成的變動曲線圖。

圖2為依據本發明之一實施例之電壓調節電路的電路圖。

圖3為依據本發明之一實施例之電壓轉換器的電路圖。

圖4為依據本發明之另一實施例之電壓調節電路的方塊示意圖。

圖5為依據本發明之另一實施例之電壓調節電路的電路圖。

100‧‧‧電壓調節電路

110‧‧‧差動輸入單元

120‧‧‧源極隨耦器

130‧‧‧驅動單元

TM11、TM12‧‧‧差動輸入單元的輸入端

VP1‧‧‧預設電壓

VR1‧‧‧參考電壓

VC1‧‧‧電源電壓

VS1‧‧‧系統電壓

Claims

一種電壓調節電路，包括：一差動輸入單元，具有一第一輸入端與一第二輸入端，以各自接收一參考電壓與一系統電壓，且該差動輸入單元比較該參考電壓與該系統電壓，以產生一控制電壓；一源極隨耦器，電性連接該差動輸入單元，該源極隨耦器接收該控制電壓，並產生一調整電壓；以及一驅動單元，電性連接該源極隨耦器與該差動輸入單元的該第二輸入端，以形成一回授迴路，且該驅動單元依據該調整電壓將一電源電壓穩定至該系統電壓；其中該驅動單元電性連接至該電源電壓，該差動輸入單元與該源極隨耦器操作在一預設電壓下，該預設電壓及該電源電壓是兩個獨立電壓源，且該預設電壓大於該電源電壓。
如申請專利範圍第1項所述之電壓調節電路，其中該差動輸入單元包括：一第一P型電晶體，其源極接收該預設電壓，且該第一P型電晶體的汲極與閘極彼此電性相連；一第二P型電晶體，其源極接收該預設電壓，該第二P型電晶體的閘極電性連接該第一P型電晶體的閘極，且該第二P型電晶體的汲極產生該控制電壓；一第一N型電晶體，其汲極電性連接該第一P型電晶體的汲極，且該第一N型電晶體的閘極接收該參考電壓；一第二N型電晶體，其汲極電性連接該第二P型電晶體的汲極，且該第二N型電晶體的閘極接收該系統電壓；以及一第一電流源，其第一端電性連接該第一N型電晶體的源極與該第二N型電晶體的源極，且該第一電流源的第二端電性連接至一接地端。
如申請專利範圍第1項所述之電壓調節電路，其中該源極隨耦器包括：一第二電流源，其第一端接收該預設電壓，且該第二電流源的第二端產生該調整電壓；以及一第三P型電晶體，其源極電性連接該第二電流源的第二端，該第三P型電晶體的閘極接收該控制電壓，且該第三P型電晶體的汲極電性連接至一接地端。
如申請專利範圍第1項所述之電壓調節電路，更包括：一電壓轉換器，電性連接該差動輸入單元與該源極隨耦器，並將該電源電壓轉換成一預設電壓，其中該差動輸入單元與該源極隨耦器操作在該預設電壓下。
如申請專利範圍第4項所述之電壓調節電路，其中該預設電壓為該電源電壓的2倍，且該電壓轉換器包括：一第一開關，其第一端接收該電源電壓；一第二開關，其第一端電性連接該第一開關的第二端，且該第二開關的第二端用以產生該預設電壓；一第一電容，其第一端電性連接該第一開關的第二端；一第三開關，其第一端電性連接該第一電容的第二端，且該第三開關的第二端電性連接至一接地端；一第四開關，其第一端電性連接該第一電容的第二端，且該第四開關的第二端接收該電源電壓；以及一第二電容，其第一端電性連接該第二開關的第二端，且該第二電容的第二端電性連接至該接地端。
如申請專利範圍第1項所述之電壓調節電路，其中該驅動單元包括：一第三N型電晶體，其汲極接收該電源電壓，該第三N型電晶體的閘極接收該調整電壓，且該第三N型電晶體的源極用以產生該系統電壓；以及一第三電流源，其第一端電性連接該第三N型電晶體的源極，且該第三電流源的第二端電性連接至一接地端。
一種電壓調節電路，包括：一差動輸入單元，具有一第一輸入端與一第二輸入端，以各自接收一參考電壓與一回授電壓，且該差動輸入單元比較該參考電壓與該回授電壓，以產生一控制電壓；一源極隨耦器，電性連接該差動輸入單元，該源極隨耦器接收該控制電壓，並產生一調整電壓；一驅動單元，電性連接該源極隨耦器，並依據該調整電壓將一電源電壓穩定至一系統電壓；以及一回授單元，電性連接該驅動單元與該差動輸入單元的該第二輸入端，以形成一回授迴路，且該回授單元依據該系統電壓產生該回授電壓；其中該驅動單元電性連接至該電源電壓，該差動輸入單元與該源極隨耦器操作在一預設電壓下，該預設電壓及該電源電壓是兩個獨立電壓源，且該預設電壓大於該電源電壓。
如申請專利範圍第7項所述之電壓調節電路，其中該差動輸入單元包括：一第一P型電晶體，其源極接收該預設電壓，且該第一P型電晶體的汲極與閘極彼此電性相連；一第二P型電晶體，其源極接收該預設電壓，該第二P型電晶體的閘極電性連接該第一P型電晶體的閘極，且該第二P型電晶體的汲極產生該控制電壓；一第一N型電晶體，其汲極電性連接該第一P型電晶體的汲極，且該第一N型電晶體的閘極接收該參考電壓；一第二N型電晶體，其汲極電性連接該第二P型電晶體的汲極，且該第二N型電晶體的閘極接收該回授電壓；以及一第一電流源，其第一端電性連接該第一N型電晶體的源極與該第二N型電晶體的源極，且該第一電流源的第二端電性連接至一接地端。
如申請專利範圍第7項所述之電壓調節電路，其中該源極隨耦器包括：一第二電流源，其第一端接收該預設電壓，且該第二電流源的第二端產生該調整電壓；以及一第三P型電晶體，其源極電性連接該第二電流源的第二端，該第三P型電晶體的閘極接收該控制電壓，且該第三P型電晶體的汲極電性連接至一接地端。
如申請專利範圍第7項所述之電壓調節電路，更包括：一電壓轉換器，電性連接該差動輸入單元與該源極隨耦器，並將該電源電壓轉換成一預設電壓，其中該差動輸入單元與該源極隨耦器操作在該預設電壓下。
如申請專利範圍第10項所述之電壓調節電路，其中該預設電壓為該電源電壓的2倍，且該電壓轉換器包括：一第一開關，其第一端接收該電源電壓；一第二開關，其第一端電性連接該第一開關的第二端，且該第二開關的第二端用以產生該預設電壓；一第一電容，其第一端電性連接該第一開關的第二端；一第三開關，其第一端電性連接該第一電容的第二端，且該第三開關的第二端電性連接至一接地端；一第四開關，其第一端電性連接該第一電容的第二端，且該第四開關的第二端接收該電源電壓；以及一第二電容，其第一端電性連接該第二開關的第二端，且該第二電容的第二端電性連接至該接地端。
如申請專利範圍第7項所述之電壓調節電路，其中該驅動單元包括一第三N型電晶體，且該第三N型電晶體的汲極接收該電源電壓，該第三N型電晶體的閘極接收該調整電壓，該第三N型電晶體的源極產生該系統電壓。
如申請專利範圍第7項所述之電壓調節電路，其中該回授單元包括：一第一電阻，其第一端接收該系統電壓，且該第一電阻的第二端產生該回授電壓；以及一第二電阻，其第一端電性連接該第一電阻的第二端，且該第二電阻的第二端電性連接一接地端。