TWI424301B - 以序列延遲方式來任意調變輸出電壓之電壓調節器及相關電壓調節方法 - Google Patents

以序列延遲方式來任意調變輸出電壓之電壓調節器及相關電壓調節方法 Download PDF

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Description

以序列延遲方式來任意調變輸出電壓之電壓調節器及相關電壓調節方法
本發明相關於一種電壓調節器及相關電壓調節方法，尤指一種以序列延遲方式來任意來調變電壓之電壓調節器及相關電壓調節方法。
在電子產品中，電壓調節器(voltage regulator)通常設置在電源供應電路與負載電路之間，其作用在於提供一個穩定的輸出電壓和大範圍的輸出電流，使得輸出電壓在負載瞬間產生變化時，仍然可以快速地穩定在原本的電壓位準並提供不同的負載電流，進而提供最有效率的電壓轉換。以手機、個人數位助理(personal digital assistant，PDA)和筆記型電腦等可攜帶式電子產品為例，其電池的電壓會隨使用時間而下降，通常無法維持在穩定電位。若是透過低壓降調節器(low dropout regulator,LDO regulator)，只要電池所提供之輸入電壓和低壓降調節器預計提供之輸出電壓之間的差值大於一壓差電壓(dropout vollage)，電壓調節器便可持續地提供固定之輸出電壓至可攜帶式電子產品之負載電路。
請參考第1圖，第1圖為一種先前技術中一低壓降調節器10的示意圖。低壓降調節器10包含一誤差放大器(error amplifier)110、一功率元件120、一分壓電路130，以及一輸出電容Co。低壓降調節器10可將輸入電壓VIN 轉換為輸出電壓VOUT 以驅動一負載(由電阻RL 來表示)，而負載電流則由IL 來表示。分壓電路130包含電阻R1 和R2 ，可對輸出電壓VOUT 進行分壓以產生對應於輸出電壓VOUT 之回授電壓VFB 。誤差放大器110可比較回授電壓VFB 及參考電壓VREF 之間的差異，並依此產生相對應之控制訊號VSW 。輸出電容Co並聯於負載電阻RL ，當負載電流IL 突然改變時，輸出電容Co可暫時提供負載所需的大量電流，以改善輸出電壓VOUT 的暫態響應(transient response)。功率元件120可為一P通道金氧半導體(P-channel metal oxide semiconductor,PMOS)開關，其於閘極接收誤差放大器110傳來之控制訊號VSW ，於源極接收輸入電壓VIN ，且於汲極接收輸出電壓VOUT 。當回授電壓VFB 低於參考電壓VREF 時，誤差放大器110所產生之控制訊號VSW 會增加功率元件120之輸出電流；當回授電壓VFB 高於參考電壓VREF 時，誤差放大器110所產生之控制訊號VSW 會減少功率元件120之輸出電流。因此，低壓降調節器10可將輸出電壓VOUT 穩定在一預定值VOUT_NOM ，其中輸出電壓VOUT 和參考電壓VREF 之大小關係如下：
VOUT =(R1 +R2 )*VREF /R1
其中(R1 +R2 )/R1 為固定值
在先進之無線通訊收發器(transceiver)中，其接收器(receiver)RX與發送器(transmitter)TX為交互起動，意即接收器RX與發送器TX不會同時起動。發送器TX之起動時間只在通訊之封包(package)要傳出的時間區間(burst)，其餘時間發送器TX為關閉以達到省電之目的。在此發送時間區間(transmitting burst)內的任何時間點，發送器TX輸出之訊號必須維持在恆定的特性(例如相同輸出功率和相位)。但是，發送器TX之電路(例如功率放大器)都具有一定的起使時間響應及關閉時間響應，且往往會因溫度效應而產生改變。為達到全區間恆定的特性，需對發送器TX電路之時間響應進行補償，例如隨著時間來調整發送器TX電路之偏壓(bias voltage)或發送器TX之供應電壓(supply voltage)來補償發送器TX電路之起使時間響應及關閉時間響應。然而，不論是偏壓電路或供應電壓電路，一般皆是由電壓調節器來產生。
請參考第2圖，第2圖為先前技術之無線通訊收發器運作時之示意圖。第2圖所示之波形代表發送器TX和接收器RX之偏壓或供應電壓，由先前技術之低壓降調節器10來提供。發送器TX傳出通訊封包之時間區間由BT1 ～BTn 來表示，而接收器RX接收通訊封包之發送時間區間由BR1 ～BRn 來表示。如前所述，發送器TX和接收器RX之起使時間響應及關閉時間響應往往會因溫度效應而產生改變，先前技術之低壓降調節器10並無法提供補償。因此，在不同收發通訊封包之時間區間內，先前技術之無線通訊收發器可能無法提供恆定特性。
本發明提供一種以序列延遲方式來任意調變輸出電壓之電壓調節器，其包含一放大器，耦接一參考電壓及一回授電壓以產生一控制訊號，該放大器包含一第一輸入端，耦接該參考電壓；一第二輸入端，耦接該回授電壓；以及一輸出端，輸出該控制訊號；一功率元件，包含一第一端，耦接一輸入電壓；一第二端，輸出該輸出電壓；以及一控制端，耦接該控制訊號；一延遲訊號產生器，耦接一電源起始區間訊號以產生具不同延遲時間之複數個序列延遲訊號；以及一電壓產生電路，耦接該輸出電壓以及該些序列延遲訊號以產生該回授電壓。
本發明另提供一種以序列延遲方式來任意調節輸出電壓之方法，其包含依據一外部供應之電源起始區間訊號來產生複數個序列延遲訊號，其中每一個序列延遲訊號和該電源起始區間訊號之間存在著不同長度的延遲時間；依據該複數個序列延遲訊號來調整一等效輸出電阻；依據該等效輸出電阻來對該輸出電壓進行分壓以產生該回授電壓；以及依據該回授電壓來調節該輸出電壓。
本發明另提供一種以序列延遲方式來任意調節一輸出電壓之電壓調節器，其依據一外部供應之電源起始區間訊號來產生具任意延遲時間之複數個序列延遲訊號，再依據該複數個序列延遲訊號來調節該輸出電壓，使得該輸出電壓在每一特定時間能達到一相對應之特定準位。
請參考第3圖，第3圖為本發明中一低壓降調節器30之示意圖。低壓降調節器30包含一誤差放大器310、一功率元件320、一電壓產生電路330、一延遲訊號產生器340，以及一輸出電容Co。低壓降調節器30可將一輸入電壓VIN 轉換為一輸出電壓VOUT 以驅動一負載(由電阻RL 來表示)，而負載電流則由IL 來表示。輸出電容Co並聯於負載電阻RL ，當負載電流IL 突然改變時，輸出電容Co可暫時提供負載所需的大量電流，因此能改善輸出電壓VOUT 的暫態響應。電壓產生電路330可對輸出電壓VOUT 進行分壓以產生對應於輸出電壓VOUT 之回授電壓VFB (VOUT =K*VREF )。誤差放大器310可比較回授電壓VFB 及參考電壓VREF 之間的差異，並依此產生相對應之控制訊號VSW 。功率元件320可為一P通道金氧半導體開關或其它具類似功能的元件，其於閘極接收誤差放大器310傳來之控制訊號VSW ，於源極接收輸入電壓VIN ，且於汲極接收輸出電壓VOUT 。功率元件320依據控制訊號VSW 來運作：當回授電壓VFB 低於參考電壓VREF 時，誤差放大器310所產生之控制訊號VSW 會增加功率元件320之輸出電流；當回授電壓VFB 高於參考電壓VREF 時，誤差放大器310所產生之控制訊號VSW 會減少功率元件320之輸出電流。
延遲訊號產生器340可接收一外部施加之電源起始區間訊號(power on burst signal)POWER_ON_BURST，並依此產生複數個延遲訊號DLY1～DLYn，其中每一延遲訊號和電源起始區間訊號POWER_ON_BURST之間存在著不同長度的延遲時間。電壓產生電路330可依據延遲訊號DLY1～DLYn來改變K值以調整輸出電壓VOUT 在不同時間點之預定值，進而調節輸出電壓VOUT 之波形。
請參考第4圖，第4圖為本發明實施例中電壓產生電路330之示意圖。在此實施例中，電壓產生電路330包含兩電阻電路331和332，可對於節點N1接收到之輸出電壓VOUT 進行分壓，並於節點N2提供相對應之回授電壓VFB 。電阻電路331和332之等效電阻分別由REQ1 和REQ2 來表示，因此輸出電壓VOUT 和參考電壓VREF 之大小關係如下：
VOUT =(REQ1 +REQ2 )*VREF /REQ1 =K*VREF
其中K=(REQ1 +REQ2 )*REQ1
電阻電路331耦接於節點N1和N2之間，其包含一電阻R1 ，因此等效電阻REQ1 之值由電阻R1 來決定；電阻電路332耦接於節點N2和接地電位之間，其包含(n+1)個電阻R20 ~R2n 和n個開關SW1 ～SWn 。開關SW1 ～SWn 分別依據延遲訊號產生器240傳來之延遲訊號DLY1～DLYn來運作，因此等效電阻REQ2 之值由開關SW1 ～SWn 中被導通之開關數目和電阻R20 ～R2n 之值來決定。舉例來說，若開關SW1 ～SWn 皆為關閉(開路)，等效電阻REQ2 之值為無限大；若開關SW1 ～SWn 皆為開啟(短路)，等效電阻REQ2 之值為。因此，本發明可依據延遲訊號DLY1～DLYn來改變K值以調整輸出電壓VOUT 在不同時間點之預定值，進而調節輸出電壓VOUT 之波形。在第4圖所示之實施例中，電阻電路331係提供固定值之等效電阻REQ1 ，而電阻電路332係提供可調整之等效電阻REQ2 。然而在本發明其它實施例中，電阻電路331可提供可調整之等效電阻REQ1 ，而電阻電路332可提供固定值之等效電阻REQ2 ；或者電阻電路331和332皆提供可調整之等效電阻REQ1 和REQ2 。第4圖所示之電路僅為了說明本發明之實施例，並不限定本發明之範疇。
請參考第5圖，第5圖為本發明實施例中延遲訊號產生器340之示意圖。在此實施例中，延遲訊號產生器340包含n個串接之反向器INV1～INVn，可依據電源起始區間訊號POWER_ON_BURST產生具不同延遲時間之n級延遲訊號DLY1～DLYn。第5圖所示之電路僅為了說明本發明之實施例，並不限定本發明之範疇。
請參考第6圖，第6圖為本發明之低壓降調節器30運作時之時序圖。第6圖顯示了電源起始區間訊號POWER_ON_BURST、延遲訊號DLY1～DLYn、等效電阻REQ2 ，以及輸出電壓VOUT 之波形。為了說明方便，延遲訊號DLY1～DLYn中每一級訊號和其前級訊號之間存在著相同長度的延遲時間△T，而電壓產生電路330內所有電阻之值亦相同(由R來表示)。在第6圖所示之實施例中，延遲訊號DLY1～DLYn依序導通開關SW1 ～SWn ：當延遲訊號DLY1由低電位切換至高電位時，REQ2 =2R；當延遲訊號DLY2由低電位切換至高電位時，REQ2 =3R/2；當延遲訊號DLY3由低電位切換至高電位時，REQ2 =4R/3；...；當延遲訊號DLYn由低電位切換至高電位時，REQ2 =(1+1/n)R。換而言之，輸出電壓VOUT 之起始預定值最高，之後再隨著逐漸降低之K值達到一穩定電位，因此可調變不同延遲時間的輸出電壓。
本發明之低壓降調節器依據外部施加之電源起始區間訊號來產生具不同延遲時間之複數級延遲訊號，再依此調整輸出電壓在不同時間點之預定值，因此不但能持續地提供固定之輸出電壓，亦能任意調節輸出電壓之波形。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
130．．．分壓電路
110、310．．．誤差放大器
330．．．電壓產生電路
120、320．．．功率元件
340．．．延遲訊號產生器
331、332．．．電阻電路
10、30．．．低壓降調節器
SW1 ～SWn ．．．開關
Co．．．輸出電容
INV1～INVn．．．反向器
R1 、R2 、RL 、R21 ～R2n ．．．電阻
第1圖為一種先前技術中一低壓降調節器的示意圖。
第2圖為先前技術之無線通訊收發器運作時之示意圖。
第3圖為本發明中一低壓降調節器之示意圖。
第4圖為本發明實施例中電壓產生電路之示意圖。
第5圖為本發明實施例中延遲訊號產生器之示意圖。
第6圖為本發明之低壓降調節器運作時之時序圖。
310．．．誤差放大器
320．．．功率元件
330．．．電壓產生電路
340．．．延遲訊號產生器
30．．．低壓降調節器
RL ．．．電阻
Co．．．輸出電容

Claims (14)

  1. 一種以序列延遲方式來任意調變輸出電壓之電壓調節器，其包含：一放大器，耦接一參考電壓及一回授電壓以產生一控制訊號，該放大器包含：一第一輸入端，耦接該參考電壓；一第二輸入端，耦接接收該回授電壓；以及一輸出端，輸出該控制訊號；一功率元件，其包含：一第一端，耦接一輸入電壓；一第二端，輸出該輸出電壓；以及一控制端，耦接該控制訊號；一延遲訊號產生器，耦接一外部供應之電源起始區間訊號以產生具不同延遲時間之複數個序列延遲訊號；以及一電壓產生電路，耦接該輸出電壓以及該些序列延遲訊號以產生該回授電壓。
  2. 如請求項1所述之電壓調節器，其中該電壓產生電路係包含：一第一節點，用來接收該輸出電壓；一第二節點，用來輸出該回授電壓； 一第一電阻電路，耦接於該電壓產生電路之第一和第二節點之間；以及一第二電阻電路，耦接於該電壓產生電路之第二節點和一偏壓之間，其依據該複數個序列延遲訊號來調整該第二電阻電路之等效電阻。
  3. 如請求項2所述之電壓調節器，其中該第二電阻電路係包含：一第一電阻，其第一端耦接於該電壓產生電路之第二節點；複數個第二電阻，每一該些第二電阻之第一端耦接於該第一電阻之第二端，而每一該些第二電阻之第二端耦接於該偏壓；以及複數個延遲開關，分別串接於相對應該些第二電阻之第二端，且分別依據相對應之該些延遲訊號來控制相對應該些第二電阻和該偏壓之間之訊號傳送路徑。
  4. 如請求項1所述之電壓調節器，其中該電壓產生電路係包含：一第一節點，用來接收該輸出電壓；一第二節點，用來輸出該回授電壓；一第一電阻電路，耦接於該電壓產生電路之第一和第二節點之間，其依據該複數個序列延遲訊號來調整該 第一電阻電路之等效電阻；以及一第二電阻電路，耦接於該電壓產生電路之第二節點和該偏壓之間。
  5. 如請求項4所述之電壓調節器，其中該第一電阻電路係包含：一第一電阻，其第一端耦接於該電壓產生電路之第一節點；複數個第二電阻，每一該些第二電阻之第一端耦接於該第一電阻之第二端；以及複數個延遲開關，分別串接於相對應該些第二電阻之第二端，且分別依據相對應之該些延遲訊號來控制相對應該些第二電阻和該電壓產生電路之第二節點之間的訊號傳送路徑。
  6. 如請求項1所述之電壓調節器，其中該電壓產生電路係包含：一第一節點，用來接收該輸出電壓；一第二節點，用來輸出該回授電壓；一第一電阻電路，耦接於該電壓產生電路之第一和第二節點之間，其依據該複數個序列延遲訊號來調整該第一電阻電路之等效電阻；以及一第二電阻電路，耦接於該電壓產生電路之第二節點和 一偏壓之間，其依據該複數個序列延遲訊號來調整該第二電阻電路之等效電阻。
  7. 如請求項6所述之電壓調節器，其中：該第一電阻電路係包含：一第一電阻，其第一端耦接於該電壓產生電路之第一節點；複數個第二電阻，每一該些第二電阻之第一端耦接於該第一電阻之第二端；以及複數個第一延遲開關，分別串接於相對應該些第二電阻之第二端，且分別依據相對應之該些延遲訊號來控制相對應該些第二電阻和該電壓產生電路之第二節點之間的訊號傳送路徑；且該第二電阻電路係包含：一第三電阻，其第一端耦接於該電壓產生電路之第二節點；複數個第四電阻，每一該些第四電阻之第一端耦接於該第三電阻之第二端，而每一該些第四電阻之第二端耦接於該偏壓；以及複數個第二延遲開關，分別串接於相對應該些第四電阻之第二端，且分別依據相對應之該些延遲訊號來控制相對應該些第四電阻和該偏壓之間之訊號傳送路徑。
  8. 如請求項1所述之電壓調節器，其中該延遲訊號產生器包含複數級串接之反向器。
  9. 如請求項1所述之電壓調節器，其中該功率元件係為一P通道金氧半導體(P-channel metal oxide semiconductor,PMOS)電晶體。
  10. 一種以序列延遲方式來任意調節輸出電壓之方法，其包含：依據一外部供應之電源起始區間訊號來產生複數個序列延遲訊號，其中每一個序列延遲訊號和該電源起始區間訊號之間存在著不同長度的延遲時間；依據該複數個序列延遲訊號來調整一等效輸出電阻；依據該等效輸出電阻來對該輸出電壓進行分壓以產生該回授電壓；以及依據該回授電壓來調節該輸出電壓。
  11. 如請求項10所述之方法，其另包含：比較該回授電壓和一參考電壓之大小。
  12. 如請求項11所述之方法，其另包含：依據該回授電壓和該參考電壓之大小來調節該輸出電 壓。
  13. 如請求項10所述之方法，其中該複數個序列延遲訊號中相鄰兩延遲訊號之間存在著相等長度的延遲時間。
  14. 如請求項10所述之方法，其中依據該回授電壓來調節該輸出電壓之步驟包含：依據該回授電壓來調節該輸出電壓，以使得該輸出電壓在每一特定時間能達到一相對應之特定準位。
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