TWI435199B - 電源供應電路以及電源供應方法 - Google Patents

電源供應電路以及電源供應方法 Download PDF

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Description

電源供應電路以及電源供應方法
本發明有關於一種電源供應電路以及電源供應方法，特別有關於可抑制雜訊的電源供應電路以及電源供應方法。
高整合度的系統單晶片(System-on-a-chip,SoC)經常包含了類比電路與數位電路，而數位電路在晶片中對電源產生的雜訊(Noise)，經常會降低類比電路的特性表現。此外，晶片中內建的功率放大器或是交換式穩壓器(Switching Regulator)，對電源造成的雜訊也會影響其他電路。為了使系統單晶片整體達到最佳的表現，電壓源的穩定性便相當的重要。因此，系統單晶片中的子電路經常需要使用電壓調整器來對抗電源雜訊的干擾。綜上所述，如何在晶片內實現一個低壓降高電源雜訊抑制的電壓調整器便顯得十分重要。
為了滿足前述需求，有許多方案被發展出來，但都具有難以克服的缺點。舉例來說，在美國專利案US5162668中，利用電壓泵來提高電壓調整器的電源供應，藉此提高電源供應與輸出電壓之間的壓降，但額外的電路不但造成額外的耗電與面積，額外使用的時脈訊號也會對其他電路產生干擾。又如在美國專利案US6541946B1中，係利用一個高通濾波器將電源供應雜訊加入到電壓調整器的控制迴路中，但因為低頻雜訊無法反應到電壓調整器的控制迴路中，導致無法改善低頻部分的電源雜訊抑制，若要達到這樣的目的，電路可能需要佔據相當大的面積。而在美國專利案US6897637B2與S.K. HOON的IEEE 2005論文中，係利用一個電壓減法器到電壓調整器迴路中，直接將電源雜訊回饋到功率電晶體，但這樣的做法，經由理論推導與實際量測數據都可以發現，對於電源雜訊抑制改善幅度十分有限，對於現今晶片高雜訊抑制的要求恐不敷使用。又如，在Mohamed E1-Nozahi的IEEE 2010論文中，係利用前饋控制放大器(Feed-forward Amplifier)，在電壓調整器的迴路中加入一個電源雜訊抵銷路徑，其主要缺點是必須使用外掛電容，將迴路的主極點(Domain Pole)做在晶片外以維持迴路穩定，這不但提升成本，也增加了印刷電路板上的面積，不符合現今低成本高整合度考量的系統單晶片之需求。
因此，本發明之一目的為提供一種具有雜訊抑制能力的電源供應電路和電源供應方法。
本發明之一實施例揭露了一種電源供應電路，用以產生一輸出電壓，包含：一雜訊偵測電路，用以接收一第一參考電壓，並根據該輸出電壓以及該第一參考電壓來產生一第二參考電壓，其中該第二參考電壓之雜訊部份與該輸出電壓的雜訊部份相關；一控制電壓產生單元，用以接收一回饋電壓以及該第二參考電壓，並根據該回饋電壓以及該第二參考電壓產生一控制電壓；一電壓供應元件，用以根據該控制電壓以及一輸入電壓來產生該輸出電壓；以及一回饋網路，用以根據該輸出電壓產生該回饋電壓。
本發明之另一實施例揭露了一種電源供應方法，使用在一電源供應電路上，用以產生一輸出電壓，包含：根據該輸出電壓產生一回饋電壓；根據該輸出電壓以及該第一參考電壓來產生一第二參考電壓，其中該第二參考電壓之雜訊部份與該輸出電壓的雜訊部份相關；根據該回饋電壓以及該第二參考電壓產生一控制電壓；以及根據該控制電壓以及一輸入電壓來產生該輸出電壓。
藉由前述之實施例，本發明可以使用簡單的機制來抑制輸出電壓的雜訊，以提供穩定的輸出電壓。
請參考第1圖，其繪示了根據本發明之實施例的電源供應電路100之方塊圖。如第1圖所示，電源供應電路100包含了雜訊偵測電路101、控制電壓產生單元103、電壓供應元件105以及回饋網路107。雜訊偵測電路101用以接收一第一參考電壓VREF 以及輸出電壓Vout ，並根據輸出電壓Vout 以及第一參考電壓VREF 來產生一第二參考電壓VREF’ ，其中第二參考電壓VREF’ 之雜訊部份與輸出電壓Vout 的雜訊部份相關，亦即第二參考電壓VREF’ 之雜訊部份帶有輸出電壓Vout 的雜訊資訊(以下將另舉例詳細說明)。於此實施例中，雜訊資訊係包含漣波(ripple)雜訊。控制電壓產生單元103用以接收一回饋電壓VFB 以及第二參考電壓VREF’ ，並根據回饋電壓VFB 以及第二參考電壓VREF’ 產生一控制電壓CS。電壓供應元件105用以根據控制電壓CS以及一輸入電壓Vin 來產生輸出電壓Vout 。回饋網路107用以根據輸出電壓Vout 產生回饋電壓VFB 。而且，雜訊偵測電路101以及控制電壓產生單元103亦可接收輸入電壓Vin 來作為工作電壓(或電源供應電壓)。
根據前述之實施例，可了解Vin 具有雜訊部份Rin ，故透過電壓供應元件105會產生跟Vin 相關的輸出電壓部份Vout1 。Vout1 具有跟雜訊部份Rin 相對應的雜訊部份。雜訊偵測電路101偵測Vout 後，會據以產生跟Vout 反相的第二參考電壓VREF’ 。控制電壓產生單元103根據第二參考電壓VREF’ 和回饋電壓VFB 會產生控制電壓CS，來透過電壓供應元件105產生跟第二參考電壓VREF’ 相關的輸出電壓部份Vout2 。由於第二參考電壓VREF’ 亦具有雜訊部份RREF’ ，因此輸出電壓部份Vout2 亦會具有相對應的雜訊部份。但輸出電壓部份Vout2 的雜訊部份會跟輸出電壓部份Vout1 反相，因此會互相抵消。如此，便可得到理論上沒有雜訊的輸出訊號Vout 。
第2(a)圖繪示了根據本發明第1圖的電源供應電路之詳細電路圖。須注意的是，下列詳細電路圖僅用以舉例，並非用以限定本發明，熟知此項技藝者當可根據本發明之教示更改電路而達到相同之功效。此類變化應在本發明的範圍之內。在第2(a)圖所示的電源供應電路200中。雜訊偵測電路101包含了單位增益放大器(unit gain buffer)201以及反相放大器203。控制電壓產生單元103係作為一誤差放大器。電壓供應元件105係為一N型金氧半導體電晶體，但不以此為限。回饋網路107係為一電阻網路，但不以此為限。此外，第一參考電壓VREF 係由一參考電壓產生電路223所產生。除此之外，電源供應電路200更包含一電容210，其一端耦接於控制電壓產生單元103的一輸出端220以及電壓供應元件105的閘極228另一端耦接於一預定電壓位準(此例中為一地電位)。電容210的主要功用係作為一主極點(dominant pole)電容，用以產生主極點，以進一步在晶片內增進整個迴路的穩定度，但維持整個迴路的穩定度的方式不以此為限。亦即，雜訊偵測電路101、控制電壓產生單元103、電壓供應元件105、回饋網路107、以及電容210可以設置在同一晶片中。
單位增益放大器201包含一運算放大器214，其一輸入端215接收輸出電壓Vout ，而其另一輸入端216接至本身的輸出端217。單位增益放大器201，用以緩衝輸入端215的訊號，其於輸入端215的訊號和輸出端217輸出的訊號實質上是一樣的，單位增益放大器201之主要作用是為了隔絕反相放大器203中的電阻與回饋網路107中的電阻之交互影響。因此其可被省略或是由其他電路取代。舉例來說，第2(b)圖中的電路亦可達成相當的功效，其包含一開關元件229和一電流源231。開關元件229具有一控制端233以及一輸出端235，其中控制端233接收輸出電壓Vout ，而輸出端235耦接反相放大器203的第二輸入端221。電流源231之一端耦接開關元件229的輸出端235，而另一端則接至一預定電位(此例中為地電位)。
在此實施例中，反相放大器203具有一第一輸入端219以及一第二輸入端221，第一輸入端219接收第一參考電壓VREF ，而第二輸入端221接收單位增益放大器201之輸出端217所輸出的訊號(理論上與輸出電壓Vout 相同)，並據以產生第二參考電壓VREF ’。在一實施例中，反相放大器203包含兩電阻205、207以及一運算放大器209，其中，電阻205串接於單位增益放大器201之輸出端217與第二輸入端221之間，電阻207串接於第二輸入端221以及輸出端222之間。但其他類型的反相放大器亦可運用在本發明當中，不以此為限。
控制電壓產生單元103在此例中係作為一誤差放大器，其兩輸入端分別接收第二參考訊號VREF ’以及回饋電壓VFB ，並根據第二參考訊號VREF ’以及回饋電壓VFB 的誤差來產生控制電壓CS。電壓供應元件105係為一N型金氧半導體電晶體，其閘極228收控制電壓CS，其汲極224接收輸入電壓Vin ，且其源極輸出前述輸出電壓Vout 。回饋網路107包含了電阻211和213，且電阻211和213之間的接點用以輸出回饋電壓VFB 。參考電壓產生電路223包含一定電流源225以及電阻227，且定電流源225以及電阻227間的接點用以輸出第一參考電壓VREF 。
第3圖繪示了第2(a)圖所繪示之實施例的變化型。在第2(a)圖 中，電壓供應元件105係為一N型金氧半導體電晶體，而第3圖中的電源供應電路300中，電壓供應元件105則為一P型金氧半導體，其閘極243接收控制電壓CS，其源極241接收輸入電壓Vin ，且其汲極245輸出前述輸出電壓Vout 。此外，第3圖所示的實施例中，主極點電容的位置和第2(a)圖之實施例中的主極點電容位置不同。第3圖中的電容247係作為主極點電容使用，其一端耦接於控制電壓產生單元103的一輸出端220以及電壓供應元件105的閘極243，另一端則耦接於電壓供應元件105的源極241(或輸入電壓Vin )。第3圖所示之實施例的詳細運作方式與第2(a)圖相同，故在此不再贅述。此外，第3圖中的單位增益放大器201亦可被第2(b)圖中的電路所取代。
第4圖繪示了根據本發明之另一實施例的電源供應電路400之方塊圖，其係為第1圖所示之實施例的變化型。第4圖所示之電源供應電路400和第1圖所示之電源供應電路100都一樣具有雜訊偵測電路101、控制電壓產生單元103、電壓供應元件105以及回饋網路107。兩實施例的主要差別在於第1圖中的雜訊偵測電路101係接收輸出電壓Vout ，然而第4圖中的雜訊偵測電路101係接收回饋電壓VFB 。也因此，第4圖中的雜訊偵測電路101係根據回饋電壓VFB 以及第一參考電壓VREF 來產生第二參考電壓VREF’ 。第4圖的實施例中，產生第二參考電壓VREF’ 之後，後續的處理動作與第1圖的實施例一致，故在此不再贅述。
第5圖和第6圖繪示了根據本發明第4圖的電源供應電路之詳細電路圖。其中第5圖的電源供應電路500與第2(a)圖之電源供應電路200大致相同，主要的差別在於第2(a)圖中的雜訊偵測電路101係接收輸出電壓Vout ，然而第5圖中的雜訊偵測電路101係接收回饋電壓VFB 。也因此，第5圖中的單位增益放大器201係接收回饋電壓VFB 並緩衝輸出回饋電壓VFB ，而非輸出電壓Vout 。同樣的，第6圖的電源供應電路600與第3圖之電源供應電路300大致相同，主要的差別在於第3圖中的雜訊偵測電路101係接收輸出電壓Vout ，然而第6圖中的雜訊偵測電路101係接收回饋電壓VFB 。也因此，第6圖中的單位增益放大器201係接收回饋電壓VFB 並緩衝輸出回饋電壓VFB ，而非輸出電壓Vout 。除此之外，第5圖和第6圖所示之實施例的詳細結構、動作模式以及其他特徵和第2(a)圖和第3圖所示之實施例的詳細結構和動作模式大致上相同，故在此不再贅述。
根據前述之實施例，可得到一電源供應方法。第7圖繪示了根據本發明之實施例的電源供應方法之流程圖，其包含了下列步驟：
步驟701
根據輸出電壓Vout 產生一回饋電壓VFB 。
步驟703
接收輸出電壓Vout (或接收回饋電壓VFB )以及第一參考電壓VREF 來 產生第二參考電壓VREF’ ，其中第二參考電壓VREF’ 之雜訊部份與該輸出電壓的雜訊部份相關。
步驟705
根據回饋電壓VFB (或輸出電壓Vout )以及第二參考電壓VREF’ 產生一控制電壓CS。
步驟707
根據控制電壓CS以及輸入電壓Vin 來產生該輸出電壓Vout 。
第7圖所示之電源供應方法的其他詳細技術特徵，可由前述實施例輕易推得，故在此不再贅述。
藉由前述之實施例，本發明可以使用簡單的機制來抑制輸出電壓的雜訊，以提供穩定的輸出電壓。
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。
100、200、300、400、500、600‧‧‧電源供應電路
101‧‧‧雜訊偵測電路
103‧‧‧控制電壓產生單元
105‧‧‧電壓供應元件
107‧‧‧回饋網路
201‧‧‧單位增益放大器
203‧‧‧反相放大器
205、207、211、213、227‧‧‧電阻
209、214‧‧‧運算放大器
210、247‧‧‧電容
215、216‧‧‧輸入端
217、220、222‧‧‧輸出端
219‧‧‧第一輸入端
221‧‧‧第二輸入端
223‧‧‧參考電壓產生電路
224、245‧‧‧汲極
225‧‧‧定電流源
228、243‧‧‧閘極
233‧‧‧控制端
235‧‧‧輸出端
229‧‧‧開關元件
231‧‧‧電流源
241‧‧‧源極
第1圖繪示了根據本發明之實施例的電源供應電路之方塊圖。
第2圖和第3圖繪示了根據本發明第1圖的電源供應電路之詳細電路圖。
第4圖繪示了根據本發明之另一實施例的電源供應電路之方塊圖。
第5圖和第6圖繪示了根據本發明第4圖的電源供應電路之詳細電路圖。
第7圖繪示了根據本發明之實施例的電源供應方法之流程圖。
100．．．電源供應電路
101．．．雜訊偵測電路
103．．．控制電壓產生單元
105．．．電壓供應元件
107．．．回饋網路

Claims (15)

  1. 一種電源供應電路，用以產生一輸出電壓，包含：一雜訊偵測電路，用以接收一第一參考電壓，並根據該輸出電壓以及該第一參考電壓來產生一第二參考電壓，其中該第二參考電壓之雜訊部份與該輸出電壓的雜訊部份相關；一控制電壓產生單元，用以接收一回饋電壓以及該第二參考電壓，並根據該回饋電壓以及該第二參考電壓產生一控制電壓；一電壓供應元件，用以根據該控制電壓以及一輸入電壓來產生該輸出電壓；以及一回饋網路，用以根據該輸出電壓產生該回饋電壓。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電源供應電路，其中該第二參考電壓之雜訊部份與該輸入電壓對該輸出電壓造成的雜訊部份反相。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之電源供應電路，其中該雜訊偵測電路包含：一反相放大器，具有一第一輸入端以及一第二輸入端，該第一輸入端接收該第一參考電壓，而該第二輸入端接收該輸出電壓，並據以產生該第二參考電壓。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之電源供應電路，其中該雜訊偵測電路另包含： 一單位增益放大器，用以接收該輸出電壓並緩衝輸出該輸出電壓至該第二輸入端。
  5. 如申請專利範圍第3項所述之電源供應電路，其中該雜訊偵測電路另包含：一開關元件，具有一控制端以及一輸出端，其中該控制端接收該輸出電壓，而該輸出端耦接該第二輸入端；以及一電流源，一端耦接該開關元件的該輸出端，而另一端耦接一預定電位。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之電源供應電路，其中該雜訊偵測電路根據該回饋電壓以及該第一參考電壓來產生該第二參考電壓。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之電源供應電路，其中該雜訊偵測電路包含：一反相放大器，具有一第一輸入端以及一第二輸入端，該第一輸入端接收該第一參考電壓，而該第二輸入端接收該回饋電壓，並據以產生該第二參考電壓。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之電源供應電路，其中該雜訊偵測電路另包含：一單位增益放大器，用以接收該回饋電壓並緩衝輸出該回饋電壓至該第二輸入端。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之電源供應電路，其中該雜訊偵測電路另包含：一開關元件，具有一控制端以及一輸出端，其中該控制端接收該回饋電壓，而該輸出端耦接該第二輸入端；以及一定電流源，一端耦接該開關元件的該輸出端，而另一端耦接一預定電位。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之電源供應電路，其中該電壓供應元件包含一N型金氧半導體電晶體，其閘極接收該控制電壓，其汲極接收該輸入電壓，且其源極輸出該輸出電壓。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之電源供應電路，更包含一電容，其一端耦接於該控制電壓產生單元的一輸出端，另一端耦接於一預定電壓位準，用以產生一主極點(dominant pole)，其中該雜訊偵測電路、該控制電壓產生單元、以及該電容設置在一晶片中。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之電源供應電路，其中該雜訊偵測電路以及該控制電壓產生單元接收該輸入電壓來作為一工作電壓。
  13. 一種電源供應方法，使用在一電源供應電路上，用以產生一輸出電壓，包含： 根據該輸出電壓產生一回饋電壓；根據該輸出電壓以及一第一參考電壓來產生一第二參考電壓，其中該第二參考電壓之雜訊部份與該輸出電壓的雜訊部份相關；根據該回饋電壓以及該第二參考電壓產生一控制電壓；以及根據該控制電壓以及一輸入電壓來產生該輸出電壓。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之電源供應方法，其中該第二參考電壓之雜訊部份與該輸入電壓對該輸出電壓造成的雜訊部份反相。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之電源供應方法，其中根據該輸出電壓以及一第一參考電壓來產生一第二參考電壓的步驟係根據該回饋電壓以及該第一參考電壓來產生該第二參考電壓。
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