TWI457742B - 電壓調整器及其操作方法 - Google Patents

Description

電壓調整器及其操作方法

本發明是有關於一種電壓調整器及其操作方法。

圖1繪示為根據一習知技術所繪示之電壓調整器之電路示意圖，包括一誤差放大器OP1、輸出電晶體Pout以及由電阻R11及R12所組成的分壓電路。請參照圖1，在電壓調整器10正常運作時，誤差放大器OP1之正輸入端所接收的電壓VFB會接近於負輸入端所接收的參考電壓VREF。當電壓VFB小於參考電壓VREF時，誤差放大器OP1的輸出電壓OPout將降低，使得輸出電晶體Pout的閘極-源極電壓增大以及接通電阻(on resistance)減小，進而造成輸出電壓Vout增大。反之，當電壓VFB大於參考電壓VREF時，輸出電晶體Pout的接通電阻增大，輸出電壓Vout則因此降低。由於電壓VFB為輸出電壓Vout所分壓之回授信號，電壓調整器10便可利用這樣的回授關係產生固定的輸出電壓Vout。

由於電壓調整器10在剛啟動通電時，誤差放大器OP1的輸出端為浮接(floating)的狀態。加上電路製成及連接方式等因素，電壓調整器10可能會在一啟動時產生許多不可預期之情況，例如在一通電時誤差放大器OP1往往會輸出一震幅極大的突波(Pulse)，這樣的情況可能造成電路短路或電晶體或其他電路元件損毀的問題。因此，如何在 利用電壓調整器提供穩定的電壓輸出的同時，確保此電壓調整器不因為預期外的狀態造成損壞或是輸出預期外的結果，確實為當前所屬領域的重要課題。

本發明提供一種電壓調整器及其操作方法，用於保護電路避免造成預期外的損壞。

本發明提供一種電壓調整器，包括電壓產生單元及電壓比較單元。電壓產生單元具有參考端、回授端及輸出端，電壓產生單元的參考端接收第一參考電壓，其中依據電壓產生單元的參考端與回授端二者電壓的關係，電壓產生單元經由輸出端對應產生輸出電壓至負載。電壓比較單元的輸入端則耦接至電壓產生單元的輸出端，電壓比較單元的輸出端耦接至電壓產生單元的回授端，電壓比較單元比較電壓產生單元的輸出端的電壓與第二參考電壓，其中當電壓產生單元的輸出端的電壓小於第二參考電壓時，電壓比較單元提供回授路徑於電壓產生單元的輸出端與回授端之間，以及當電壓產生單元的輸出端的電壓大於第二參考電壓時，電壓比較單元切斷回授路徑以及提供第三參考電壓至電壓產生單元的回授端。

本發明提供一種電壓調整器的操作方法，包括以下步驟。首先，配置電壓產生單元，其中電壓產生單元具有參考端、回授端及輸出端，而電壓產生單元依據參考端與回授端二者電壓的關係經由輸出端對應產生輸出電壓至負 載。接著，提供第一參考電壓至電壓產生單元的參考端。然後，比較電壓產生單元的輸出端的電壓與第二參考電壓。當電壓產生單元的輸出端的電壓小於第二參考電壓時，提供回授路徑於電壓產生單元的輸出端與回授端之間。另外，當電壓產生單元的輸出端的電壓大於第二參考電壓時，切斷回授路徑以及提供第三參考電壓至電壓產生單元的回授端。

本發明亦提供一種電壓調整器，包括誤差放大器、輸出電晶體及電壓比較單元。誤差放大器具有第一輸入端、第二輸入端與輸出端，其中誤差放大器的第二輸入端耦接第一參考電壓。輸出電晶體具有第一端、第二端與控制端，其中輸出電晶體的控制端耦接至誤差放大器之輸出端，輸出電晶體的第一端耦接至電源電壓，以及輸出電晶體的第二端對應產生輸出電壓至負載。電壓比較單元的輸入端耦接至輸出電晶體的第二端，電壓比較單元的輸出端耦接至誤差放大器的第一輸入端，電壓比較單元提供回授路徑於輸出電晶體的第二端與誤差放大器的第一輸入端之間，以及電壓比較單元比較輸出電晶體的第二端的電壓與第二參考電壓，其中當輸出電晶體的第二端的電壓大於第二參考電壓時，電壓比較單元提供第三參考電壓至輸出電晶體的控制端。

基於上述，本發明提出電壓調整器及其操作方法，當輸出電壓大於第二參考電壓時，限制電壓產生單位的輸 出，使得電壓調整器不因預期外之突波或是大電壓產生預期外之輸入甚至造成電晶體的損壞。

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2為根據本發明第一實施例所繪示之電壓調整器的功能方塊圖。請參照圖2，電壓調整器20包括電壓產生單元110及電壓比較單元120。電壓產生單元110具有參考端RIN、回授端FIN及輸出端OUT。參考端RIN接收第一參考電壓REF1。電壓產生單元110於是根據第一參考電壓REF1及回授端FIN的電壓之關係，經由輸出端OUT對應產生輸出電壓Vout至負載150。

電壓比較單元120的輸入端CIN耦接至電壓產生單元110之輸出端OUT，並接收電壓產生單元110之輸出電壓Vout。電壓比較單元120輸出端COUT則耦接至電壓產生單元110的回授端FIN並提供回授電壓FB。電壓比較單元120比較電壓產生單元110的輸出電壓Vout及第二參考電壓REF2。當輸出電壓Vout小於第二參考電壓REF2時，電壓比較單元120提供回授路徑於電壓產生單元110的輸出端OUT與回授端FIN之間。反之，當電壓產生單元110的輸出電壓Vout大於第二參考電壓REF2時，電壓比較單元120切斷回授路徑以及提供第三參考電壓REF3至電壓產生單元110的回授端FIN。

在不同的實施例中，第一參考電壓REF1、第二參考電壓REF2與第三參考電壓REF3的電壓準位可以彼此相同，也可能彼此不同。上述第一參考電壓REF1、第二參考電壓REF2與第三參考電壓REF3的電壓準位可以視實際產品的設計規格需求而決定之。例如，在此實施例中，第三參考電壓REF3可為一接地電壓或是其他低準位電壓(固定電壓)，可依照實際應用時之情況進行調整，本發明不限定於上述。

圖3為根據本發明第二實施例所繪示之電壓調整器的功能方塊圖。圖3所示實施例可以參照圖2的相關說明。其中相較於圖2，圖3所繪示之第二實施例提供電壓比較單元120一種較為詳細的作法。請參照圖3，電壓比較單元120包括分壓電路121、第一比較器122、第一開關單元123及第二開關單元124。分壓電路121耦接於電壓產生單元110的輸出端OUT與第三參考電壓REF3之間。分壓電路121將電壓產生單元110的輸出電壓Vout分壓，以產生第一回授電壓FB1及第二回授電壓FB2。視實際產品的設計規格需求，第一回授電壓FB1與第二回授電壓FB2的電壓準位可以彼此相同，也可能彼此不同。

第一比較器122具有第一輸入端CIN11、第二輸入端CIN12以及輸出端，其中第一輸入端CIN11接收第二參考電壓REF2，而第二輸入端CIN12則從分壓電路121接收第一回授電壓FB1。第一開關單元123具有第一端S11、第二端S12及控制端S13，而第二開關單元124具有第一 端S21、第二端S22及控制端S23。第一開關單元123的第一端S11及第二開關單元124的第一端S21耦接至電壓產生單元110的回授端FIN，而第一開關單元123及第二開關單元124的控制端S13及S23則耦接至第一比較器122的輸出端。第一開關單元123的第二端S12耦接第三參考電壓REF3，第二開關單元124的第二端S22則接收第二回授電壓FB2。

第一比較器122比較第一回授電壓FB1與第二參考電壓REF2。當第一回授電壓FB1小於第二參考電壓REF2時，第一比較器122使第一開關單元123不導通(turn off)，而使第二開關單元124導通(turn on)，以便將作為回授電壓FB的第二回授電壓FB2傳送至電壓產生單元110之回授端FIN。當第二開關單元124導通時，可視同為電壓比較單元120中存在一回授路徑介於電壓產生單元110的輸出端OUT及回授端FIN之間。相反的，當第一回授電壓FB1大於該第二參考電壓REF2時，第一比較器122使第二開關單元124不導通，而第一開關單元123導通。當第一開關單元123導通時，電壓比較單元120提供第三參考電壓REF3作為回授電壓FB傳送至電壓產生單元110之回授端FIN。第二開關單元124不導通時，則可視為存在於電壓比較單元120中之回授路徑被切斷。

圖4為說明圖3所示第二實施例中電壓調整器的一種實施方式，而圖5為根據本發明一實施例所繪示電壓調整器11的操作方法之方法流程圖。請同時參照圖4及圖5， 步驟S501配置電壓產生單元110於電壓調整器11。於本實施例中，電壓產生單元110包括誤差放大器OP1以及輸出電晶體Pout。誤差放大器OP1具有第一輸入端OPIN1、第二輸入端OPIN2及輸出端OPO。於本實施例中，如圖4所示，第一輸入端OPIN1為正輸入端(非反相輸入端)，而第二輸入端OPIN2為負輸入端(反相輸入端)。於其他實施例中，第一輸入端OPIN1可以是負輸入端，而第二輸入端OPIN2可以是正輸入端。誤差放大器OP1的第二輸入端OPIN2及第一輸入端OPIN1分別與電壓產生單元110之參考端RIN及回授端FIN連接。也就是說，誤差放大器OP1的第一輸入端OPIN1耦接電壓比較單元120的輸出端。於步驟S502時，第一參考電壓REF1被提供至電壓產生單元110的參考端RIN。因此，誤差放大器OP1的第二輸入端OPIN2得以接收第一參考電壓REF1。

輸出電晶體Pout具有第一端、第二端及控制端。在本實施例中，輸出電晶體Pout為P通道金屬氧化物半導體(positive-channel metal oxide semiconductor,PMOS)電晶體。在其他實施例中，輸出電晶體Pout可以是其他類型的電晶體。電晶體Pout的控制端(例如閘極)耦接至誤差放大器OP1的輸出端OPO。電晶體Pout的第一端(例如源極)耦接至電源電壓VCC，而電晶體Pout的第二端(例如汲極)則耦接至電壓產生單元110的輸出端OUT以便對應產生輸出電壓Vout至負載150。

請繼續參照圖4及圖5。在本實施例中，分壓電路121由電阻R1、R2及R3串連而成，但在本發明不限定於此，可根據實際應用時的情況進行更動。第一開關單元123包括一N通道金屬氧化物半導體(negative-channel metal oxide semiconductor,NMOS)電晶體SW1，而第二開關單元124則包括一PMOS電晶體SW2。

於本實施例中，第一比較器122的第一輸入端(例如正輸入端)接收第二參考電壓REF2，而第一比較器122的第二輸入端(例如負輸入端)則從電阻R1與電阻R2之間的共同接點處接收第一回授電壓FB1。步驟S503時，於概念上，第一比較器122比較第二參考電壓REF2及電壓產生單元110的輸出電壓Vout。實際上，第一比較器122可以比較第二參考電壓REF2與代表輸出電壓Vout的第一回授電壓FB1。

若步驟S503判斷第一回授電壓FB1小於第二參考電壓REF2，則進行步驟S504。在步驟S504時，第一比較器122輸出一低準位電壓，使得電晶體SW1為截斷的狀態，而電晶體SW2則是導通的狀態。當電晶體SW2導通而電晶體SW1截斷時，電壓比較單元120提供第二回授電壓FB2作為回授電壓FB傳送至電壓產生單元110之回授端FIN。

若步驟S503判斷第一回授電壓FB1大於第二參考電壓REF2，則進行步驟S505。在步驟S505時，第一比較器122輸出一高準位電壓，使得電晶體SW1為導通的狀態， 而電晶體SW2則是截斷的狀態。當電晶體SW2截斷而電晶體SW1導通時，電壓比較單元120提供第三參考電壓REF3作為回授電壓FB傳送至電壓產生單元110之回授端FIN。值得一提的是，開關單元123及124的實施方式並不限定於此，可依實際應用時之情況配合適當的實施方式，達到相同的目的。

請參照圖2，電壓比較單元120的實現方式不限於圖3與圖4所示方式。在本發明其他實施例中，圖2所示電壓比較單元120所提供於電壓產生單元110的輸出端OUT及回授端FIN間的回授路徑不會因電壓上述電壓比較結果而被切斷。取而代之的是，當電壓產生單元110的輸出端的電壓Vout大於第二參考電壓REF2時，電壓比較單元120提供第三參考電壓REF3至輸出電晶體Pout的控制端。因此，當輸出電壓Vout過大時，電壓調整器11能夠快速且即時的截止輸出電晶體Pout，避免輸出電晶體Pout及/或負載150有損壞的可能。

圖6為根據本發明第三實施例所繪示之電壓調整器的一種實施方式。圖6所示實施例可以參照圖2、圖3與圖4的相關說明。請參照圖6，誤差放大器OP1、輸出電晶體Pout及負載150間之耦接關係與上述實施例相同，在此不贅述。不同於圖4所示實施例之處，在於電壓比較單元120的實現方式。圖6中電壓比較單元120包括分壓電路121、第一比較器122以及開關單元125。分壓電路121由電阻R1、R2及R3組成。電阻R1、R2及R3串聯於輸出電晶 體Pout的第二端及第三參考電壓REF3之間，提供一回授電壓FB至誤差放大器OP1之回授端FIN。第一比較器122之第一輸入端(例如負輸入端)接收第二參考電壓REF2，而第二輸入端(例如正輸入端)自分壓電路121接收回授電壓FB1。於本實施例中，開關單元125包括一NMOS電晶體SW3。電晶體SW3的第一端(例如汲極)連接至輸出電晶體Pout的控制端，電晶體SW3的第二端(例如源極)連接第三參考電壓REF3，以及電晶體SW3的控制端(例如閘極)耦接至第一比較器122之輸出端。

當輸出電壓Vout的分壓(回授電壓FB1)大於第二參考電壓REF2時，第一比較器122輸出一高準位電壓使得電晶體SW3導通，電壓比較單元120則因此提供第三參考電壓REF3(例如接地電壓)至輸出電晶體Pout的控制端，而造成輸出電晶體Pout截止。反之，當輸出電壓Vout的分壓(回授電壓FB1)小於第二參考電壓時，第一比較器122輸出一低準位電壓使得電晶體SW3截止，因此輸出電晶體Pout的作動則不受到影響。開關單元125的實施方式並不限定於此，可依實際應用時之情況配合適當的實施方式，達到相同的目的。

圖7為根據本發明第四實施例所繪示之電壓調整器11的一種之功能示意圖。圖7所示實施例可以參照圖2、圖3、圖4與圖6的相關說明。此實施例中除了在前述諸實施例所述之架構外，增加了電流感測單元130及限流單元140。電流感測單元130感測於電壓產生單元110輸出端的輸出 電流，並將感測得到之電流感測結果傳送至限流單元140。限流單元140比較第一參考電流與該電流感測結果，並依據比較結果限制電壓產生單元110的輸出端的輸出電流。當電壓產生單元110的輸出電流大於預設值時，限流單元140會控制電壓產生單元110，以限制電壓產生單元110的輸出電流。因此，在原先限制輸出電壓的功能外，電壓調整器11更增加了限制最大電流的保護功效。

圖8為根據本發明第五實施例所繪示之電壓調整器11的一種實施方式。圖8所示實施例可以參照圖7的相關說明。請參照圖8，電壓調整器11包括電壓產生單元110、電壓比較單元120、電流感測單元130、限流單元140及溫度感測單元160。其中，電壓產生單元110及電壓比較單元120可以參照前述諸實施例之相關說明而實現之，故在此不再贅述。電流感測單元130包括第一P型電晶體P1，其閘極耦接誤差放大器OP1之輸出端OPO，電晶體P1的第一端(例如源極)耦接電源電壓VCC，以及電晶體P1的第二端(例如汲極)輸出電流感測結果至限流單元140。電流感測單元130根據輸出電流Iout產生感測電流Is(sensing current)。感測電流Is與輸出電流Iout的比例關係，相依於電晶體P1的尺寸(size)與輸出電晶體Pout的尺寸(size)二者之比例關係，例如Iout：Is=K1：1，其中K1為第一比例值，與電晶體P1與輸出電晶體Pout之間的尺寸比例關係正相關。

限流單元140包括第一電流源IS1、第一電流鏡射單元141、第二電流鏡射單元142及上拉單元143。第一電流源IS1產生第一參考電流ir1。第一電流鏡射單元141耦接電流感測單元130以接收電流感測結果並鏡射產生第一鏡射電流im1。第二電流鏡射單元142耦接第一電流鏡射單元141與第一電流源IS1。第二電流鏡射單元142接收第一參考電流ir1並鏡射產生第二鏡射電流im2。上拉單元143耦接第一電流鏡射單元141及第二電流鏡射單元142。根據第一鏡射電流im1及第二鏡射電流im2而決定是否上拉輸出電晶體Pout的閘極電壓。

第一電流鏡射單元141包括第一N型電晶體N1及第二N型電晶體N2。電晶體N1之第一端(例如汲極)接收電流感測結果，也就是感測電流Is，電晶體N1之第二端(例如源極)耦接第三參考電壓REF3，以及電晶體N1之閘極耦接至電晶體N1自身的汲極。電晶體N2的第一端(例如汲極)則輸出第一鏡射電流im1，電晶體N2的第二端(例如源極)耦接第三參考電壓REF3，以及電晶體N2的閘極耦接至電晶體N1的閘極。根據電晶體N1與N2之間的尺寸比例，第一鏡射電流im1與感測電流Is存在一固定比例關係，例如Is：im1=K2：1，其中K2為第二比例值，與電晶體N1與N2之間的尺寸比例正相關。因此，第一鏡射電流im1與輸出電流Iout的關係則為im1=Iout/(K1*K2)。

第二電流鏡射單元142包括第二P型電晶體P2及第三P型電晶體P3。電晶體P2之第一端(例如汲極)耦接第 一電流源IS1以接收第一參考電流ir1，電晶體P2之第二端(例如源極)耦接電源電壓VCC，以及電晶體P2之閘極耦接至電晶體P2自身的汲極。電晶體P3的第一端(例如汲極)輸出第二鏡射電流im2，電晶體P3的第二端(例如源極)耦接電源電壓VCC，以及電晶體P3的閘極耦接至電晶體P2的閘極。根據電晶體P2與P3之間的尺寸比例，第二鏡射電流im2與第一參考電流ir1存在一固定比例關係，例如im2：ir1=K3：1，其中K3為第三比例值，與電晶體P2與P3之間的尺寸比例正相關。因此，第二鏡射電流im2與第一參考電流ir1的關係則為im2=K3*Iout。上述第一電流源IS1所產生的固定電流ir1是為防止輸出電流Iout變化過大時所設定之電流限制。例如，在電壓調整器啟動時，可能有輸出電流Iout過大之情況；或電壓調整器11內部發生短路時可能亦有輸出電流Iout過大或過小的可能。

上拉單元143包括第四P型電晶體P4。電晶體P4的閘極耦接第一鏡射電流im1及第二鏡射電流im2，電晶體P4的第一端(例如源極)耦接電源電壓VCC，以及電晶體P4的第二端(例如汲極)耦接輸出電晶體Pout的閘極。上拉單元143根據第一鏡射電流im1及第二鏡射電流im2的大小來決定是否被啟動。例如，當第一鏡射電流im1小於第二鏡射電流im2時，電晶體P4的閘極電壓上升，使得上拉單元143不被啟動。反之，當第一鏡射電流im1大於第二鏡射電流im2時，電晶體P4的閘極電壓下降，使得上 拉單元143被啟動。被啟動的上拉單元143會將輸出電晶體Pout的閘極電壓上拉至接近電源電壓VCC，以截止輸出電晶體Pout。

另外，第一鏡射電流im1比例於輸出電流Iout，且第二鏡射電流im2比例於第一參考電流ir1。因此，經過適當的設計，當輸出電流Iout未達上限時，也就是第一鏡射電流im1小於第二鏡射電流im2，而上拉單元143不被啟動。反之，當輸出電流Iout高過上限時，使得第一鏡射電流im1大於第二鏡射電流im2。因此，上拉單元143啟動，也就是電晶體P4上拉輸出電晶體Pout的閘極電壓至接近電源電壓VCC，使得輸出電晶體Pout關閉。限流單元140便能以此機制達到限制電流進而保護電路的功效。

溫度感測單元160包括比較器COM2及開關單元161。比較器COM2的正輸入端耦接溫度參考電壓TREF，比較器COM2的負輸入端耦接負載的溫度電壓TV。例如，所述負載包括電池，而溫度電壓TV為電池溫度的對應電壓。開關單元161包括一PMOS電晶體SW4，其第一端(例如源極)耦接電源電壓VCC，其第二端(例如汲極)耦接誤差放大器OP1的輸出端OPO，以及其控制端耦接該比較器COM2之輸出端。溫度參考電壓TREF作為電池溫度電壓TV之一上限，當溫度電壓TV大於溫度參考電壓TREF時，比較器COM2將輸出一低準位電壓使得第四開關單元161導通。第四開關單元161導通時，則將誤差放大器OP1的輸出端OPO之電壓上拉至接近電源電壓VCC，使得輸 出電晶體Pout被截斷。換句話說，當負載150中之電池溫度過高時，溫度感測單元160會截斷電壓產生單元110輸出電壓Vout及電流Iout的輸出，使得負載中的電池的溫度不再持續上升。在本實施例中，溫度感測單元160為一選擇性實施的單元。在溫度感測單元160不實施(移除)的情況下，電壓調整器11中的其他單元及其功能皆不會影響。

圖9為根據本發明第六實施例所繪示之電壓調整器的一種實施方式。圖9所示實施例可以參照圖7與圖8的相關說明。其中各單元之耦接關係與實施方式皆與前述圖7與圖8實施例相同，不同的是，在第一電流源IS1旁增加擴增電流源模組145。

請參照圖9，擴增電流源模組145包括比較器COM3、第二電流源IS2以及開關單元1451。比較器COM3。比較器COM3的正輸入端耦接第四參考電壓REF4，而負輸入端耦接至電壓產生單元110的輸出端。例如，於本實施例中，比較器COM3的負輸入端經由電阻R41耦接至電壓產生單元110的輸出端。電阻R41、R42、R43與R44形成一個分壓電路。此分壓電路接收電壓產生單元110的輸出電壓Vout。比較器COM3的負輸入端接收此分壓電路所輸出的分壓電壓VOS。第二電流源IS2用以產生參考電流ir2。開關單元1451包括一NMOS電晶體SW5，其第一端與第一電流源IS1共同並聯於第二電流鏡射單元142，而 其第二端耦接第二電流源IS2。開關單元1451的控制端則耦接比較器COM3之輸出端。

當輸出分壓電壓VOS小於第四參考電壓REF4時，比較器COM3會於輸出端輸出一高準位電壓，使得開關單元1451被導通。開關單元1451被導通後，第二鏡射單元142中之第二P型電晶體P2的汲極所接收到的電流會變大(第一參考電流ir1及第二參考電流ir2之和)。換句話說，經過適當的設計，當輸出電壓Vout提高，使得輸出電流Iout超過電壓調整器11限制，卻又還不至於使得電路損壞的情況下，擴增電流源模組145可在原有的第一電流源IS1外，增加第二電流源IS2，提高了電壓調整器11對輸出電流Iout的上限。

值得一提的是，於本發明各個實施例所提及之參考電壓REF1~REF4或溫度參考電壓TREF皆在實際應用時經由需要所各自設定，經過適當的設計，例如分壓電路的電阻搭配等手段，亦可使參考電壓REF1~REF4或溫度參考電壓TREF之電壓準位相等，但本發明並不限定於上述。

圖10為根據本發明第七實施例所繪示之限流單元的一種實施方式，本實施例可視為一種較簡化之限流單元140的實施方式。請參照圖10，限流單元140包括第一電阻R71，第二電阻R72、第五P型電晶體P5及第三N型電晶體N3。第一電阻R71的第一端耦接於電流感測單元130，以及第一電阻R71的第二端耦接於第三參考電壓REF3。第二電阻R72的第一端耦接於電源電壓VCC。第 五P型電晶體P5的閘極耦接第二電阻R72的第二端，而第五P型電晶體P5的源極耦接電源電壓VCC，以及第五P型電晶體P5的汲極耦接誤差放大器的輸出端OPO。第三N型電晶體N3的汲極耦接第二電阻R72的第二端，而第三N型電晶體N3的源極耦接第三參考電壓REF3，以及第三N型電晶體N3的閘極耦接第一電阻R71的第一端。

第一電阻R71及第二電阻R72可視為第一電流鏡射單元及第二電流鏡射單元的簡化實施方式，電阻R71接收感測電流Is，因此當感測電流Is高於一下限時，電晶體N3則可運作如一穩定電流源，而當感測電流is低於下限時，電晶體N3則截止。電晶體P5之運作方法如同前述之上拉單元，當電晶體P5之閘極從電阻R72的第二端之電壓低於一下限時，電晶體P5則被導通，並上拉誤差放大器OP1之輸出端的電壓接近電源電壓VCC，而截止電壓產生單元110的輸出。

綜上所述，本發明提出一種電壓調整器，能夠限制輸出電壓能在一預定的範圍以內，以避免在例如電壓調整器啟動時發生的不預期的狀況，而造成輸出電壓過大或電路及其元件損壞的情形。另外，本發明亦提供了限制電流在預定範圍的能力以及負載中之電池溫度過高的保護機制，以期能更全面的保護電路不因外在突發狀況而造成損壞，甚至影響其他連接之構件。

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。

11‧‧‧電壓調整器

110‧‧‧電壓產生單元

120‧‧‧電壓比較單元

121‧‧‧分壓電路

122、COM2~COM3‧‧‧比較器

123、124‧‧‧開關單元

130‧‧‧電流感測單元

140‧‧‧限流單元

141、142‧‧‧電流鏡射單元

143‧‧‧上拉單元

150‧‧‧負載

160‧‧‧溫度感測單元

OP1‧‧‧誤差放大器

SW1、SW3、SW5、P1~P5‧‧‧NMOS電晶體

SW2、SW4、N1~N3‧‧‧PMOS電晶體

R1~R3、R71、R72‧‧‧電阻

IS1、IS2‧‧‧電流源

RIN‧‧‧電壓產生單元參考端

FIN‧‧‧電壓產生單元回授端

CIN‧‧‧電壓比較單元輸入端

OUT‧‧‧電壓產生單元輸出端

CONT‧‧‧電壓比較單元輸出端

OPIN1、OPIN2‧‧‧誤差放大器輸入端

OPO‧‧‧誤差放大器輸出端

CIN11、CIN12‧‧‧第一比較器輸入端

REF1、REF2、REF3、REF4、TREF‧‧‧參考電壓

TV‧‧‧溫度電壓

Vout‧‧‧輸出電壓

OPout‧‧‧誤差放大器輸出電壓

FB、FB1~FB2‧‧‧回授電壓

VOS‧‧‧輸出分壓電壓

Iout‧‧‧輸出電流

Is‧‧‧感測電流

im1‧‧‧第一鏡射電流

im2‧‧‧第二鏡射電流

ir1‧‧‧第一參考電流

ir2‧‧‧第二參考電流

S501~S505‧‧‧步驟

圖1繪示為根據一習知技術所繪示之電壓調整器之電路示意圖。

圖2為根據本發明第一實施例所繪示之電壓調整器的功能方塊圖。

圖3為根據本發明第二實施例所繪示之電壓調整器的功能方塊圖。

圖4為說明圖3所示第二實施例中電壓調整器的一種實施方式。

圖5為根據本發明一實施例所繪示電壓調整器的操作方法之方法流程圖。

圖6為根據本發明第三實施例所繪示之電壓調整器的一種實施方式。

圖7為根據本發明第四實施例所繪示之電壓調整器的一種之功能示意圖。

圖8為根據本發明第五實施例所繪示之電壓調整器的一種實施方式。

圖9為根據本發明第六實施例所繪示之電壓調整器的一種實施方式。

圖10為根據本發明第七實施例所繪示之電流感測單元及限流單元的一種實施方式。

11‧‧‧電壓調整器

110‧‧‧電壓產生單元

120‧‧‧電壓比較單元

150‧‧‧負載

RIN‧‧‧參考端

FIN‧‧‧回授端

CIN‧‧‧輸入端

OUT、COUT‧‧‧輸出端

REF1、REF2、REF3‧‧‧參考電壓

Vout‧‧‧輸出電壓

Claims (17)

1. 一種電壓調整器，包括：一電壓產生單元，具有一參考端、一回授端及一輸出端，該電壓產生單元的該參考端接收一第一參考電壓，其中依據該電壓產生單元的該參考端與該回授端二者電壓的關係，該電壓產生單元經由該輸出端對應產生一輸出電壓至一負載；以及一電壓比較單元，該電壓比較單元的一輸入端耦接至該電壓產生單元的該輸出端，該電壓比較單元的一輸出端耦接至該電壓產生單元的該回授端，該電壓比較單元比較該電壓產生單元的該輸出端的電壓與一第二參考電壓，其中當該電壓產生單元的該輸出端的電壓小於該第二參考電壓時，該電壓比較單元提供一回授路徑於該電壓產生單元的該輸出端與該回授端之間，以及當該電壓產生單元的該輸出端的電壓大於該第二參考電壓時，該電壓比較單元切斷該回授路徑以及提供一第三參考電壓至該電壓產生單元的該回授端。
2. 如申請專利範圍第1項所述之電壓調整器，其中所述電壓比較單元包括：一分壓電路，耦接於該電壓產生單元的該輸出端與該第三參考電壓之間，分壓產生至少一第一回授電壓及一第二回授電壓；一第一比較器，具有一第一輸入端、一第二輸入端及一輸出端，其中該第一比較器的該第一輸入端耦接該第二 參考電壓，該第一比較器的該第二輸入端耦接該第一回授電壓；一第一開關單元，具有一第一端、一第二端及一控制端，其中該第一開關單元的第一端耦接至該電壓產生單元的該回授端，該第一開關單元的第二端耦接至該第三參考電壓，以及該第一開關單元的控制端耦接至該第一比較器的該輸出端；以及一第二開關單元，具有一第一端、一第二端及一控制端，其中該第二開關單元的第一端耦接至該電壓產生單元的該回授端，該第二開關單元的第二端耦接至該第二回授電壓，以及該第二開關單元的控制端耦接至該第一比較器的該輸出端。
3. 如申請專利範圍第1項所述之電壓調整器，其中該電壓產生單元包括：一誤差放大器，具有一第一輸入端及一第二輸入端分別耦接該電壓比較單元的輸出端及該第一參考電壓；以及一輸出電晶體，具有一控制端、一第一端與一第二端，該輸出電晶體的控制端耦接至該誤差放大器之一輸出端，該輸出電晶體的第一端耦接至一電源電壓，以及該輸出電晶體的第二端耦接至該電壓產生單元的該輸出端。
4. 如申請專利範圍第3項所述之電壓調整器，更包括：一電流感測單元，耦接至該電壓產生單元的輸出端，該電流感測單元感測該電壓產生單元的輸出端的輸出電流而產生一電流感測結果；以及 一限流單元，耦接至該電壓產生單元與該電流感測單元，該限流單元比較一第一參考電流與該電流感測結果，並依據比較結果限制該電壓產生單元的輸出端的輸出電流。
5. 如申請專利範圍第4項所述之電壓調整器，其中該電流感測單元包括：一第一P型電晶體，具有一閘極耦接該誤差放大器的該輸出端，一源極耦接該電源電壓，以及一汲極輸出該電流感測結果至該限流單元。
6. 如申請專利範圍第4項所述之電壓調整器，其中該限流單元包括：一第一電流源，產生該第一參考電流；一第一電流鏡射單元，耦接該電流感測單元，接收該電流感測結果並鏡射產生一第一鏡射電流；一第二電流鏡射單元，耦接該第一電流鏡射單元與該第一電流源，接收該第一參考電流並鏡射產生一第二鏡射電流；以及一上拉單元，耦接該第一電流鏡射單元及該第二電流鏡射單元，根據該第一鏡射電流及該第二鏡射電流而決定是否上拉該輸出電晶體的控制端的電壓。
7. 如申請專利範圍第6項所述之電壓調整器，其中該上拉單元包括：一第四P型電晶體，該第四P型電晶體的一閘極耦接該第一鏡射電流及該第二鏡射電流，該第四P型電晶體的 一源極耦接該電源電壓，以及該第四P型電晶體的一汲極耦接該誤差放大器的該輸出端。
8. 如申請專利範圍第6項所述之電壓調整器，其中該限流單元更包括：一第二比較器，具有一正輸入端耦接一第四參考電壓、一負輸入端耦接該電壓產生單元的輸出端；一第二電流源，產生一第二參考電流；以及一第三開關單元，該第三開關單元的一第一端與該第一電流源共同並聯於該第二電流鏡射單元，該第三開關單元的一第二端耦接該第二電流源，以及該第三開關單元的一控制端耦接該第二比較器之輸出端。
9. 如申請專利範圍第3項所述之電壓調整器，其中該負載包括一電池，而所述電壓調整器更包括：一第三比較器，具有一正輸入端耦接一溫度參考電壓、一負輸入端耦接該電池的一溫度電壓；以及一第四開關單元，該第四開關單元的一第一端耦接該電源電壓，該第四開關單元的一第二端耦接該誤差放大器的該輸出端，以及該第四開關單元的一控制端耦接該第三比較器之輸出端。
10. 一種電壓調整器的操作方法，包括：配置一電壓產生單元，其中該電壓產生單元具有一參考端、一回授端及一輸出端，而該電壓產生單元依據該參考端與該回授端二者電壓的關係經由該輸出端對應產生一輸出電壓至一負載； 提供一第一參考電壓至該電壓產生單元的該參考端；比較該電壓產生單元的該輸出端的電壓與一第二參考電壓；當該電壓產生單元的該輸出端的電壓小於該第二參考電壓時，提供一回授路徑於該電壓產生單元的該輸出端與該回授端之間；以及當該電壓產生單元的該輸出端的電壓大於該第二參考電壓時，切斷該回授路徑以及提供一第三參考電壓至該電壓產生單元的該回授端。
11. 一種電壓調整器，包括：一誤差放大器，具有一第一輸入端、一第二輸入端與一輸出端，其中該誤差放大器的第二輸入端耦接一第一參考電壓；一輸出電晶體，具有一第一端、一第二端與一控制端，其中該輸出電晶體的控制端耦接至該誤差放大器之輸出端，該輸出電晶體的第一端耦接至一電源電壓，以及該輸出電晶體的第二端對應產生一輸出電壓至一負載；以及一電壓比較單元，該電壓比較單元的一輸入端耦接至該輸出電晶體的第二端，該電壓比較單元的一輸出端耦接至該誤差放大器的第一輸入端，該電壓比較單元提供一回授路徑於該輸出電晶體的第二端與該誤差放大器的第一輸入端之間，以及該電壓比較單元比較該輸出電晶體的第二端的電壓與一第二參考電壓，其中當該輸出電晶體的第二 端的電壓大於該第二參考電壓時，該電壓比較單元提供一第三參考電壓至該輸出電晶體的控制端。
12. 如申請專利範圍第11項所述之電壓調整器，其中所述電壓比較單元包括：一分壓電路，耦接於該輸出電晶體的第二端與該第三參考電壓之間，分壓產生至少一第一回授電壓及一第二回授電壓；一第一比較器，具有一第一輸入端、一第二輸入端及一輸出端，其中該第一比較器的該第一輸入端耦接該第二參考電壓，該第一比較器的該第二輸入端耦接該第一回授電壓；以及一第一開關單元，具有一第一端、一第二端及一控制端，其中該第一開關單元的第一端耦接至該輸出電晶體的控制端，該第一開關單元的第二端耦接至該第三參考電壓，以及該第一開關單元的控制端耦接至該第一比較器的輸出端。
13. 如申請專利範圍第11項所述之電壓調整器，更包括：一第一P型電晶體，該第一P型電晶體的閘極耦接該誤差放大器之輸出端，該第一P型電晶體的源極耦接一電源電壓；以及一限流單元，耦接至該輸出電晶體的控制端與該第一P型電晶體的汲極，該限流單元比較一第一參考電流與該 第一P型電晶體的汲極電流，並依據比較結果限制該輸出電晶體的輸出電流。
14. 如申請專利範圍第13項所述之電壓調整器，其中該限流單元包括：一第一電流源，產生該第一參考電流；一第一電流鏡射單元，接收該第一P型電晶體的汲極電流並鏡射產生一第一鏡射電流；一第二電流鏡射單元，耦接該第一電流鏡射單元與該第一電流源，接收該第一參考電流並鏡射產生一第二鏡射電流；以及一上拉單元，耦接該第一電流鏡射單元及該第二電流鏡射單元，根據該第一鏡射電流及該第二鏡射電流而決定是否上拉該輸出電晶體的閘極電壓。
15. 如申請專利範圍第14項所述之電壓調整器，其中該上拉單元包括：一第四P型電晶體，該第四P型電晶體的一閘極耦接該第一鏡射電流及該第二鏡射電流，該第四P型電晶體的一源極耦接該電源電壓，以及該第四P型電晶體的一汲極耦接該輸出電晶體的控制端。
16. 如申請專利範圍第14項所述之電壓調整器，其中該限流單元更包括：一第二比較器，具有一正輸入端耦接一第四參考電壓、一負輸入端耦接該輸出電晶體的第二端；一第二電流源，產生一第二參考電流；以及 一第三開關單元，該第三開關單元的一第一端與該第一電流源共同並聯於該第二電流鏡射單元，該第三開關單元的一第二端耦接該第二電流源，以及該第三開關單元的一控制端耦接該第二比較器之輸出端。
17. 如申請專利範圍第11項所述之電壓調整器，其中該負載包括一電池，而所述電壓調整器更包括：一第三比較器，具有一正輸入端耦接一溫度參考電壓、一負輸入端耦接該電池的一溫度電壓；以及一第四開關單元，該第四開關單元的一第一端耦接該電源電壓，該第四開關單元的一第二端耦接該輸出電晶體的控制端，以及該第四開關單元的一控制端耦接該第三比較器之輸出端。