TWI437407B - 具有交換式及線性電壓調節模式的電壓調節裝置 - Google Patents

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Jui Tse Lin
Tsung Yen Tsai
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Description

具有交換式及線性電壓調節模式的電壓調節裝置
本發明係關於一種電壓調節裝置，特別是指一種具有交換式及線性電壓調節模式的電壓調節裝置。
電壓調節器(Voltage regulator)用以將未經調節的電壓轉變為特定電壓的穩定直流電壓，通常有二類電壓調節模式：線性的(Linear)電壓調節及交換式(Switching)電壓調節。線性電壓調節器通常提供較小的輸出電流量，適合於輕負載或無負載的使用狀況，且在輕負載時效率較佳；而交換式電壓調節器則通常提供較大的輸出電流量，適用於重負載的需求，且在重負載時效率較佳。
雖然此二類電壓調節器的應用面不盡相同，但在大量生產以降低成本的產業趨勢下，生產業者開發出具有線性及交換式雙模式的電壓調節器，能以相同的積體電路晶片而又適用於多樣的使用者。然而，在成本的考量下，該技術領域的發展朝向新的電路設計及技術，以使二類模式的電壓調節器能共用更多的電路構件，而達到降低成本又能滿足使用者對電性效能的要求。
有鑑於此，在本發明的一方面，第一實施例提供一種電壓調節裝置，其包括：一輸出級單元，其提供該電壓調節裝置的一輸出電壓，並產生該輸出電壓的一分壓；一誤差放大器，耦接該輸出級單元，比較該分壓及一參考電壓，並產生一第一電壓；一脈波寬度調變單元，耦接該誤差放大器，比較該第一電壓及一電壓信號，並產生一第二及一第三電壓；一選擇單元，耦接該誤差放大器及該脈波寬度調變單元，並輸出一第四電壓為該第一及第二電壓二者其中之一；一第一功率電晶體，耦接該選擇單元，並接收該第四電壓及一直流電壓；及一第二功率電晶體，耦接該脈波寬度調變單元、該第一功率電晶體及一接地端，該第二功率電晶體接收該第三電壓；其中，該第一及第二功率電晶體的連接點又連接至該輸出級單元。
在本發明的另一方面，第二實施例提供一種一種電壓調節裝置，其包括：一輸出級單元，其提供該電壓調節裝置的一輸出電壓，並產生該輸出電壓的一分壓；一第一誤差放大器，耦接該輸出級單元，比較該分壓及一第一參考電壓，並產生一第一電壓；一第二誤差放大器，耦接該輸出級單元，比較該分壓及一第二參考電壓，並產生一第二電壓；一脈波寬度調變單元，耦接該第二誤差放大器，比較該第二電壓及一電壓信號，並產生一第三及一第四電壓；一選擇單元，耦接該第一誤差放大器及該脈波寬度調變單元，並輸出一第五電壓為該第一及第三電壓二者其中之一；一第一功率電晶體，耦接該選擇單元，並接收該第五電壓及一直流電壓；及一第二功率電晶體，耦接該脈波寬度調變單元、該第一功率電晶體及一接地端，該第二功率電晶體接收該第四電壓；其中，該第一及第二功率電晶體的連接點又連接至該輸出級單元。
以下將參照隨附之圖式詳細描述及說明本發明之特徵、目的、功能，及其達成所使用的技術手段；但所列舉之實施例僅為輔助說明，以利對本發明有更進一步的認知與瞭解，並不因此限制本發明的範圍及技術手段。
請參照圖一，為根據本發明第一實施例之電壓調節裝置的電路示意圖。本實施例的電壓調節裝置100包含：一輸出級單元110，一誤差放大器120，一脈波寬度調變單元130，一選擇單元140，及複數個功率電晶體150/160；該電壓調節裝置100可以依實際需求而提供交換式或線性的電壓調節模式，上述二者模式共用相同的輸出級及功率電晶體，以適用於多樣的使用者需求。
該輸出級單元110作為該電壓調節裝置100的輸出級，用以提供穩定的輸出電壓Vout 。本實施例的輸出級單元110係由一分壓電路及一低通濾波電路所構成，該分壓電路係由複數個電阻串接構成，而利用電阻分壓的方式產生該輸出電壓Vout 的分壓Vd ，以提供予交換式及線性電壓調節模式的誤差放大器120作為輸入電壓。該低通濾波電路係由電容或電感所構成，若電壓調節裝置100選擇線性電壓調節模式，則該低通濾波電路係由第一電容構成；若電壓調節裝置100選擇交換式電壓調節模式，則該低通濾波電路係由第二電容及電感構成。在此實施例中，構成該低通濾波電路的電容及/或電感，並未整合於該電壓調節裝置100本身的積體電路晶片中，而是分離的(Discrete)元件，該低通濾波電路的電容及/或電感依據設計規格而選用及安裝；但不以此為限，該低通濾波電路亦可以是包含第一電容的第一濾波電路以及包含第二電容及電感的第二濾波電路所構成，並將上述的低通濾波電路整合於該電壓調節裝置100的積體電路晶片中，而依據其為線性或交換式的工作模式，選用第一或第二濾波電路而輸出適當的電壓。
本實施例的該誤差放大器120提供交換式及線性電壓調節模式二者共用，其耦接該輸出級單元110且接收該分壓Vd ，並比較該分壓Vd 及一參考電壓Vref 以產生誤差信號並加以放大，而輸出第一電壓V1 ，以供本實施例操作於線性電壓調節模式。該脈波寬度調變單元130提供交換式電壓調節模式的電壓調節，其在本實施例中進一步包括一比較器132及一前置驅動器134。該比較器132耦接該誤差放大器120且接收該第一電壓V1 ，並比較該第一電壓V1 及一三角波或鋸齒波電壓信號Vtri ，而產生一比較信號Vcomp ，該比較信號Vcomp 傳送至該前置驅動器134進行驅動放大，而輸出脈波寬度調變的驅動信號：第二電壓V2 及第三電壓V3 。該誤差放大器120、比較器132、及前置驅動器134的串接組合即是為了產生脈波寬度調變驅動信號，以供本實施例操作於交換式電壓調節模式。
該選擇單元140用以提供該電壓調節裝置100選擇線性或交換式的電壓調節模式，其耦接該誤差放大器120及該脈波寬度調變單元130，並依據所選擇的線性或交換式電壓調節模式，輸出一第四電壓V4 為該第一電壓V1 及第二電壓V2 二者其中之一，當然仍必須依據所選擇的線性或交換式電壓調節模式，設置該低通濾波電路如前所述的電容或電感組成。
此外，本實施例亦可以是智慧型晶片的設計，加上一控制單元170，耦接該脈波寬度調變單元130、該選擇單元140、及該輸出級單元110。該控制單元170可以判斷該電壓調節裝置的工作模式，倘若該電壓調節裝置為線性模式，則輸出控制訊號使該脈波寬度調變單元130關閉、該選擇單元的第四電壓V4 輸出為該第一電壓V1 、及該輸出級單元110的低通濾波電路選用該第一電容以提供該電壓調節裝置100適當的輸出電壓；倘若該電壓調節裝置為交換式模式，則輸出控制訊號使該脈波寬度調變單元130開啟、該選擇單元的第四電壓V4 輸出為該第二電壓V2 、及該輸出級單元110的低通濾波電路選用該第二電容及電感。
本實施例的功率電晶體包含一P型金氧半場效電晶體150及一N型金氧半場效電晶體160。該P型金氧半場效電晶體150本身可以與該誤差放大器120及相對應的輸出級單元110，構成一線性的電壓調節器。在此情況下，該P型金氧半場效電晶體150的閘級耦接該選擇單元140並接收該第四電壓V4 ，其源級連接至一直流電壓VDD ，且其汲級連接至該輸出級單元110。另一方面，該P型及N型金氧半場效電晶體150/160所組成的互補式場效電晶體(CMOS)則可以與該誤差放大器120、該脈波寬度調變單元130、及相對應的輸出級單元110，構成一交換式的電壓調節器。在此情況下，進一步連接該N型金氧半場效電晶體160的汲級至該P型金氧半場效電晶體150的汲級(當然也會同時連接至該輸出級單元110)；且該N型金氧半場效電晶體160的閘級耦接該脈波寬度調變單元130接收該第三電壓V3 ，其源級連接至一接地端。
為了使該電壓調節裝置100能選擇或切換線性與交換式操作模式，本實施例在該N型金氧半場效電晶體160的閘級前加上一切換器Sm ，其亦受該選擇單元140的控制：若選擇線性電壓調節模式，則該選擇單元140的輸出為第一電壓V1 ，且該切換器Sm 使該N型金氧半場效電晶體160的閘級連接至接地端，該電晶體160因而被關閉；若選擇交換式電壓調節模式，則該選擇單元140的輸出為第二電壓V2 ，且該切換器Sm 使該N型金氧半場效電晶體160的閘級連接至該脈波寬度調變單元130輸出的該第三電壓V3 而受第三電壓V3 的調控操作。上述的結果分別重新繪示電路於圖二A及二B。如圖所示，本實施例確能提供線性及交換式電壓調節模式，並共用相同的功率電晶體及輸出級分壓電路。其中，對於圖二A的線性操作模式，所選用的濾波電容CL 通常較小，在本實施例中選用1μF；而對於圖二B的交換式操作模式，所選用的濾波電容CS 通常較大，在本實施例中選用22μF，且該電感L選用6.8μH；但不以此為限，該電容及電感值的選用端視實際的使用需求而定。
值得注意的是，線性電壓調節器通常提供較小的輸出電流量，適合於輕負載或無負載的使用狀況，且在輕負載時效率較佳；而交換式電壓調節器則通常提供較大的輸出電流量，適用於重負載的需求，且在重負載時效率較佳。在本實施例的線性及交換式電壓調節模式係共用該P型金氧半場效電晶體150，但二模式對該P型金氧半場效電晶體150的操作電流需求卻不一致；因此，本實施例的積體電路晶片設計上，該P型金氧半場效電晶體150係為複數個電晶體並聯所構成，也就是說，該等電晶體的源極彼此相連接、汲極亦彼此相連接、閘極則依據所需的輸出電流量，選用適當數量的閘極彼此相連接，藉由電晶體並聯的結構，使該P型金氧半場效電晶體150的操作電流可因實際需求而調整。此外，由於該N型金氧半場效電晶體160係串聯至該等並聯的P型金氧半場效電晶體150，而且只操作於交換式的工作模式，因而須選用較大的操作電流規格。
舉例來說，圖三為上述複數個電晶體151～158並聯的P型金氧半場效電晶體150的實施例，該等電晶體151～158的閘極各分別連接至一開關S1 ～S8 ，該等開關S1 ～S8 的另一端皆耦接該選擇單元140以接收該第四電壓V4 ；且該選擇單元140更包括複數個開關控制信號，分別耦接該等開關S1 ～S8 以控制開關的導通(On)或關閉(Off)，藉此可選用適當數量的閘極彼此相連接，以提供該電壓調節裝置100輸出級適當的操作電流。例如，若該電壓調節裝置100為線性的電壓調節模式，該P型金氧半場效電晶體150所需的操作電流較小，則可使開關S1 ～S2 導通且開關S3 ～S8 關閉；另一方面，若該電壓調節裝置100為交換式的電壓調節模式，該P型金氧半場效電晶體150所需的操作電流較大，則可使開關S1 ～S8 全部導通。如此即可達成具線性及交換式雙模式的電壓調節裝置可共用功率電晶體，又能解決二模式對操作電流需求不一致的問題；但不以此為限，該P型金氧半場效電晶體150亦可以選用其他電流可調式的電晶體。
在上述的第一實施例中，該電壓調節裝置100於交換式及線性電壓調節模式，二者共用該誤差放大器120；但不以此為限，亦可以設置該二模式各自的誤差放大器，如以下實施例的說明。請參照圖四，為根據本發明第二實施例之電壓調節裝置200的電路示意圖。本實施例的包含：一輸出級單元110，二誤差放大器120/122，一脈波寬度調變單元130，一選擇單元140，及複數個功率電晶體150/160。如圖四所示，該誤差放大器120提供線性電壓調節模式的使用，其耦接該輸出級單元110且接收該分壓Vd ，並比較該分壓Vd 及一參考電壓Vref1 以產生誤差信號並加以放大，而輸出第一電壓V1 ，以供本實施例操作於線性電壓調節模式；而另一誤差放大器122提供交換式電壓調節模式的使用，其耦接該輸出級單元110且接收該分壓Vd ，並比較該分壓Vd 及另一參考電壓Vref2 以產生誤差信號並加以放大，而輸出第五電壓V5 ，以供本實施例操作於交換式電壓調節模式。該電壓調節裝置200其他部分的電路及構件皆與第一實施例所述相同，請參照上述說明，在此不再贅述。
唯以上所述者，包含：特徵、結構、及其它類似的效果，僅為本發明之較佳實施例，當不能以之限制本發明的範圍。此外，上述各實施例所展示的特徵、結構、及其它類似的效果，亦可為該領域所屬的技藝人士在依本發明申請專利範圍進行均等變化及修飾，仍將不失本發明之要義所在，亦不脫離本發明之精神和範圍，故都應視為本發明的進一步實施狀況。
此外，上述各實施例所描述者只能算是實施範例，並不能因此限制本發明的範圍。例如，各實施例所使用的元件或單元，可為該領域所屬的技藝人士進行修改及實現，仍將不失本發明之要義。
100/200．．．電壓調節裝置
110．．．輸出級單元
120．．．誤差放大器
130．．．脈波寬度調變單元
132．．．比較器
134．．．前置驅動器
140．．．選擇單元
150．．．(P型)功率電晶體
160．．．(N型)功率電晶體
170．．．控制單元
151～158．．．電晶體
Sm ．．．切換器
S1 ～S8 ．．．開關
CS /CL ．．．濾波電容
L．．．電感
圖一為根據本發明第一實施例之電壓調節裝置的電路示意圖。
圖二A為第一實施例之電壓調節裝置操作於線性模式的電路示意圖。
圖二B為第一實施例之電壓調節裝置操作於交換式模式的電路示意圖。
圖三為複數個電晶體並聯的實施例，以實現電流可調式電晶體的電路示意圖。
圖四為根據本發明第二實施例之電壓調節裝置的電路示意圖。
100．．．電壓調節裝置
110．．．輸出級單元
120．．．誤差放大器
130．．．脈波寬度調變單元
132．．．比較器
134．．．前置驅動器
140．．．選擇單元
150．．．(P型)功率電晶體
160．．．(N型)功率電晶體
170．．．控制單元
Sm ．．．切換器

Claims (12)

  1. 一種可操作於線性及交換式之工作模式的電壓調節裝置，其包括：一輸出級單元，其提供該電壓調節裝置的一輸出電壓，並產生該輸出電壓的一分壓，且該輸出級單元包括一分壓電路及一低通濾波電路；一誤差放大器，耦接該輸出級單元，比較該分壓及一參考電壓，並產生一第一電壓；一脈波寬度調變單元，耦接該誤差放大器，比較該第一電壓及一電壓信號，並產生一第二及一第三電壓；一選擇單元，耦接該誤差放大器及該脈波寬度調變單元，並輸出一第四電壓，該第四電壓為該第一及第二電壓二者其中之一；一第一功率電晶體，耦接該選擇單元，並接收該第四電壓及一直流電壓；一第二功率電晶體，耦接該脈波寬度調變單元、該第一功率電晶體及一接地端，該第二功率電晶體接收該第三電壓；其中，該第一及第二功率電晶體的連接點連接至該輸出級單元；以及一控制單元，耦接該脈波寬度調變單元、該選擇單元、及該輸出級單元；該控制單元判斷該電壓調節裝置的工作模式，並輸出控制訊號控制該脈波寬度調變單元的開啟或關閉、控制該選擇單元的第四電壓輸出為該第一或第二電壓、及控制該輸出級單元提供該電壓調節裝置適當的輸出電壓； 其中，若該電壓調節裝置為線性之工作模式，則該低通濾波電路係包括單一個第一電容；若該電壓調節裝置為交換式之工作模式，則該低通濾波電路係包括一第二電容及單一個電感。
  2. 如申請專利範圍第1項之電壓調節裝置，其中該第一功率電晶體為電流可調式的電晶體，其輸出電流依照該電壓調節裝置選用的工作模式而調整。
  3. 如申請專利範圍第1項之電壓調節裝置，其中該第一功率電晶體為P型金氧半場效電晶體，其閘級連接至該第四電壓，其源級連接至該直流電壓，且其汲級連接至該第二功率電晶體。
  4. 如申請專利範圍第3項之電壓調節裝置，其中該第一功率電晶體進一步包括：複數個並聯的P型金氧半場效電晶體。
  5. 如申請專利範圍第1項之電壓調節裝置，其中該第二功率電晶體為N型金氧半場效電晶體，其閘級連接至該第三電壓，其源級連接至該接地端，且其汲級連接至該第一功率電晶體。
  6. 如申請專利範圍第1項之電壓調節裝置，其中該分壓電路係由複數個電阻串接組成。
  7. 一種可操作於線性及交換式之工作模式的電壓調節裝置，其包括：一輸出級單元，其提供該電壓調節裝置的一輸出電壓，並產生該輸出電壓的一分壓；一第一誤差放大器，耦接該輸出級單元，比較該分壓及 一第一參考電壓，並產生一第一電壓；一第二誤差放大器，耦接該輸出級單元，比較該分壓及一第二參考電壓，並產生一第二電壓；一脈波寬度調變單元，耦接該第二誤差放大器，比較該第二電壓及一電壓信號，並產生一第三及一第四電壓；一選擇單元，耦接該第一誤差放大器及該脈波寬度調變單元，並輸出一第五電壓為該第一及第三電壓二者其中之一；一第一功率電晶體，耦接該選擇單元，並接收該第五電壓及一直流電壓；一第二功率電晶體，耦接該脈波寬度調變單元、該第一功率電晶體及一接地端，該第二功率電晶體接收該第四電壓；其中，該第一及第二功率電晶體的連接點又連接至該輸出級單元；以及一控制單元，耦接該脈波寬度調變單元、該選擇單元、及該輸出級單元；該控制單元判斷該電壓調節裝置的工作模式，並輸出控制訊號控制該脈波寬度調變單元的開啟或關閉、控制該選擇單元的該第五電壓輸出為該第一或第三電壓、及控制該輸出級單元提供該電壓調節裝置適當的輸出電壓；其中，若該電壓調節裝置為線性之工作模式，則該低通濾波電路係包括單一個第一電容；若該電壓調節裝置為交換式之工作模式，則該低通濾波電路係包括一第二電容及單一個電感。
  8. 如申請專利範圍第7項之電壓調節裝置，其中該第一功 率電晶體為電流可調式的電晶體，其輸出電流依照該電壓調節裝置選用的工作模式而調整。
  9. 如申請專利範圍第7項之電壓調節裝置，其中該第一功率電晶體為P型金氧半場效電晶體，其閘級連接至該第五電壓，其源級連接至該直流電壓，且其汲級連接至該第二功率電晶體。
  10. 如申請專利範圍第9項之電壓調節裝置，其中該第一功率電晶體進一步包括：複數個並聯的P型金氧半場效電晶體。
  11. 如申請專利範圍第7項之電壓調節裝置，其中該第二功率電晶體為N型金氧半場效電晶體，其閘級連接至該第四電壓，其源級連接至該接地端，且其汲級連接至該第一功率電晶體。
  12. 如申請專利範圍第7項之電壓調節裝置，其中該分壓電路係由複數個電阻串接組成。
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