TWI503644B - 電壓調節器校正電路 - Google Patents

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    • G05F1/46—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc
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Description

電壓調節器校正電路
本發明是有關於一種校正電路，且特別是有關於一種適用於電壓調節器(voltage regulator)的校正電路。
現代的電路系統經常需要電壓調節器提供一個精確的輸出電壓，做為其他電路運作的基準。有許多電壓調節器是自行產生一個參考電壓，然後利用運算放大器(operational amplifier)和回饋機制，以調節上述的輸出電壓。
不過，自行產生的參考電壓未必精準，通常有誤差(error)。運算放大器本身也可能造成輸出電壓的偏移(offset)。這些因素使電壓調節器的輸出電壓不一定精準。這種電壓調節器需要校正(calibration)才能有精準的輸出電壓。
本發明提供一種電壓調節器校正電路，可以迅速完成校正，補償上述的誤差和偏移，使電壓調節器能提供精確的輸出電壓。
本發明提出一種電壓調節器校正電路，包括電壓調節器和校正單元。電壓調節器根據參考電壓和回饋電壓調節輸出電壓。上述的回饋電壓和輸出電壓成正比。校正單元 耦接電壓調節器，使用二分搜尋法(binary search)根據輸出電壓和目標電壓產生控制碼。此控制碼決定回饋電壓和輸出電壓的比例。
本發明另提出一種電壓調節器校正電路，包括比較器(comparator)和控制單元。比較器根據目標電壓和上述電壓調節器的輸出電壓的比較輸出一位元值。控制單元耦接比較器，根據上述的二分搜尋法和位元值產生上述控制碼。
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1是依照本發明一實施例的一種電壓調節器校正電路100的示意圖，電壓調節器校正電路100包括電壓調節器110和校正單元120，其中校正單元120耦接電壓調節器110。VOUT是電壓調節器110的輸出電壓，VREF是電壓調節器110內部自行產生的參考電壓，VT是來自電壓調節器校正電路100的外部的目標電壓。電壓調節器110的目的是提供和目標電壓VT一致的輸出電壓VOUT，理論上參考電壓VREF應該和目標電壓VT相等，但是參考電壓VREF通常有誤差。目標電壓VT可以在電壓調節器110接受測試或校正時由外部的測試儀器提供，VT是無誤差的精準電壓。但是電壓調節器110在日常運作時不會有目標電壓VT，只能依靠參考電壓REF，因此需要校正單元120來校正電壓調節器110，使電壓調節器110僅根據 參考電壓VREF也能提供和目標電壓VT一致的輸出電壓VOUT。
電壓調節器包括電晶體MP、分壓電路(voltage divider)112、多工器(multiplexer)113、參考電壓電路114、以及運算放大器115。電晶體MP耦接操作電壓VCC。本實施例的電晶體MP是一個金氧半場效電晶體(MOSFET：metal-oxide-semiconductor field-effect transistor)。分壓電路112的一端耦接電晶體MP，另一端接地。分壓電路112根據電晶體MP所供應的電流I，提供輸出電壓VOUT，並提供輸出電壓VOUT的多個分壓。多工器113耦接分壓電路112和校正單元120。多工器113根據校正單元120提供的控制碼CBS提供VOUT的多個分壓其中之一做為回饋電壓VFB。因為分壓電路112的電阻分壓原理，輸出電壓VOUT的每一個分壓都和VOUT成正比，所以回饋電壓VFB必然與輸出電壓VOUT成正比。
參考電壓電路114產生並提供參考電壓VREF。運算放大器115耦接多工器113、參考電壓電路114、以及電晶體MP。運算放大器115放大回饋電壓VFB和參考電壓VREF之間的誤差，用此誤差電壓驅動電晶體MP。也就是說，運算放大器115可根據參考電壓VREF和回饋電壓VFB之間的誤差控制電流I的大小，藉此調節輸出電壓VOUT。
分壓電路112包括n個電阻R1至Rn，n是預設正整數。其中第一個電阻R1耦接電晶體MP並提供輸出電壓 VOUT，其餘每一個電阻耦接前一個電阻並提供輸出電壓VOUT的多個分壓其中之一，最後一個電阻Rn有一端接地。圖1之中，上述每一個電阻各有上下兩端。上述每一個電阻所提供的電壓或分壓，是指該電阻的上端的電壓。
本實施例的控制碼CBS有K個位元(bit)C1 至CK ，K為預設正整數。控制碼CBS的第1個位元C1 為最低有效位元(LSB：least significant bit)，控制碼CBS的第K個位元CK 為最高有效位元(MSB：most significant bit)。分壓電路112的電阻數量n=2K +1。當控制碼CBS的數值為i，則多工器113提供分壓電路112的第n-i個電阻所提供的分壓做為回饋電壓VFB，i為整數而且0<=i<=2K -1。因為控制碼CBS可控制多工器113選擇哪一個分壓做為回饋電壓VFB，所以控制碼CBS可決定回饋電壓VFB和輸出電壓VOUT的比例。
校正單元120使用二分搜尋法根據輸出電壓VOUT和目標電壓VT產生控制碼CBS。校正單元120包括比較器121和控制單元122。比較器121耦接電壓調節器110。比較器121根據輸出電壓VOUT和目標電壓VT的比較輸出位元值CPOUT。當輸出電壓VOUT高於目標電壓VT，位元值CPOUT等於0；當輸出電壓VOUT低於目標電壓VT，位元值CPOUT等於1。控制單元122耦接比較器121和多工器113。控制單元122根據二分搜尋法和位元值CPOUT產生控制碼CBS。
圖2是依照本發明一實施例的控制單元122的示意 圖。控制單元122接收位元值CPOUT、時脈訊號CLK和啟動訊號START。時脈訊號CLK和啟動訊號START可在電壓調節器110接受測試或校正時由外部的測試儀器提供。控制單元122包括K+1個第一資料正反器(data flip-flop)210和K+1個第二資料正反器220。以上兩組資料正反器的編號順序都是從下到上，第0個資料正反器在最下方，第K個資料正反器在最上方。
每一個第一資料正反器210的時脈端CK接收時脈訊號CLK。第j個第一資料正反器210的資料端D耦接第j+1個第一資料正反器210的輸出端O。j為整數而且0<=j<=K-1。第K個第一資料正反器的資料端D接收啟動訊號START。
上述的K+1個第二資料正反器220和上述的K+1個第一資料正反器210一一對應。每一個第二資料正反器220的資料端D接收位元值CPOUT。每一個第二資料正反器220的設定端Set耦接對應的第一資料正反器210的輸出端O。第j個第二資料正反器220的輸出端O耦接第j+1個第二資料正反器220的時脈端CK。控制碼CBS是由第1個第二資料正反器220至第K個第二資料正反器220的輸出所組成。
圖3繪示依照本發明一實施例的控制單元122其中的時脈訊號CLK、啟動訊號START、第一資料正反器210的輸出SK 至S0 、以及控制碼CBS的訊號波形。T1 至TK+1 是啟動訊號START送出脈衝之後的K+1個時脈週期。如 圖3所示，上述K+1個第一資料正反器210組成一個移位暫存器(shift register)，將啟動訊號START逐級向前傳送，以產生SK 至S0 。SK 至S0 的脈衝可將對應的第二資料正反器220的輸出端O強制設定為邏輯高電位，進而觸發後面的一個第二資料正反器220鎖存目前的位元值CPOUT，以產生控制碼CBS。
圖4繪示依照本發明一實施例的電壓調節器校正電路100其中的時脈訊號CLK和輸出電壓VOUT的訊號波形，其中範圍Vs是控制碼CBS的整個數值範圍所對應的輸出電壓VOUT的變動範圍，基準電壓Vini是控制碼CBS等於0時所對應的輸出電壓VOUT。
請參考圖3和圖4。在時脈訊號CLK的第1個週期T1 ，第K個第一資料正反器210鎖存啟動訊號START，使其輸出SK 成為1。SK 將第K個第二資料正反器220的輸出CK 設定為1。此時控制碼CBS的其餘位元CK-1 至C1 皆為0。也就是說，在時脈訊號CLK的第1個週期T1 ，控制單元122將控制碼CBS設定為一個初始值。
這個初始值使輸出電壓VOUT等於Vini+Vs/2。此時的輸出電壓VOUT高於目標電壓VT，比較器121輸出的位元值CPOUT為0。
在時脈訊號CLK的第2個週期T2 ，第K-1個第一資料正反器210鎖存SK ，使其輸出SK-1 成為1。SK-1 將第K-1個第二資料正反器220的輸出CK-1 設定為1，並且觸發第K個第二資料正反器220，使第K個第二資料正反器220 鎖存位元值CPOUT。此時控制碼CBS的位元CK-2 至C1 皆為0，控制碼CBS所對應的輸出電壓VOUT等於Vini+Vs/4。由於此時的輸出電壓VOUT低於目標電壓VT，比較器121輸出的位元值CPOUT為1。
在時脈訊號CLK的第3個週期T3 ，第K-2個第一資料正反器210鎖存SK-1 ，使其輸出SK-2 成為1。SK-2 將第K-2個第二資料正反器220的輸出CK-2 設定為1，並且觸發第K-1個第二資料正反器220，使第K-1個第二資料正反器220鎖存位元值CPOUT。此時控制碼CBS的位元CK-3 至C1 皆為0，控制碼CBS所對應的輸出電壓VOUT等於Vini+Vs＊ 3/8。由於此時的輸出電壓VOUT高於目標電壓VT，比較器121輸出的位元值CPOUT為0。
依此類推，控制單元122在時脈訊號CLK的第i個週期鎖存位元值CPOUT做為控制碼CBS的第K-i+2個位元，i為整數而且2<=i<=K+1。而且當j小於K+1時，控制單元122在時脈訊號CLK的第i個週期將控制碼CBS的第K-i+1個位元設為1。以上述機制，控制單元122可在K+1個時脈週期T1 至TK+1 之內使用二分搜尋法決定控制碼CBS的每一位元，以產生完整的控制碼CBS。在產生完整的控制碼CBS之後，輸出電壓VOUT可表示如下。
VOUT=Vini+CK ＊ Vs/2+CK-1 ＊ Vs/22 +CK-2 ＊ Vs/23 +...+C2 ＊ Vs/2K-1 +C1 ＊ Vs/2K 。
然後啟動訊號START不再送出脈衝，控制單元122鎖存的控制碼CBS可維持不變，持續發揮校正作用。
綜上所述，本發明的電壓調節器校正電路可補償參考電壓的誤差和運算放大器所造成的偏移，得到精確的輸出電壓。本發明的電壓調節器校正電路使用二分搜尋法，可迅速完成校正程序。
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‧‧‧電壓調節器校正電路
110‧‧‧電壓調節器
112‧‧‧分壓電路
113‧‧‧多工器
114‧‧‧參考電壓電路
115‧‧‧運算放大器
120‧‧‧校正單元
121‧‧‧比較器
122‧‧‧控制單元
210、220‧‧‧資料正反器
C1 ~CK 、CBS‧‧‧控制碼
CLK‧‧‧時脈訊號
CPOUT‧‧‧位元值
I‧‧‧電流
MP‧‧‧電晶體
R1~Rn‧‧‧電阻
S0 ~SK ‧‧‧資料正反器的輸出
START‧‧‧啟動訊號
T1 ~TK+1 ‧‧‧時脈週期
VFB‧‧‧回饋電壓
Vini‧‧‧基準電壓
VOUT‧‧‧輸出電壓
VREF‧‧‧參考電壓
Vs‧‧‧電壓範圍
VT‧‧‧目標電壓
圖1是依照本發明一實施例的一種電壓調節器校正電路的示意圖。
圖2是依照本發明一實施例的控制單元的示意圖。
圖3是依照本發明一實施例的控制單元的訊號波形圖。
圖4是依照本發明一實施例的電壓調節器校正電路的訊號波形圖。
100‧‧‧電壓調節器校正電路
110‧‧‧電壓調節器
112‧‧‧分壓電路
113‧‧‧多工器
114‧‧‧參考電壓電路
115‧‧‧運算放大器
120‧‧‧校正單元
121‧‧‧比較器
122‧‧‧控制單元
C1 ~CK 、CBS‧‧‧控制碼
CLK‧‧‧時脈訊號
CPOUT‧‧‧位元值
I‧‧‧電流
MP‧‧‧電晶體
R1~Rn‧‧‧電阻
START‧‧‧啟動訊號
VFB‧‧‧回饋電壓
VOUT‧‧‧輸出電壓
VREF‧‧‧參考電壓
VT‧‧‧目標電壓

Claims (14)

  1. 一種電壓調節器校正電路，包括：一電壓調節器，根據一參考電壓和一回饋電壓調節一輸出電壓，該回饋電壓和該輸出電壓成正比；以及一校正單元，耦接該電壓調節器，使用一二分搜尋法根據該輸出電壓和一目標電壓產生一控制碼，該控制碼決定該回饋電壓和該輸出電壓的比例。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電壓調節器校正電路，其中該電壓調節器包括：一電晶體，耦接一操作電壓；一分壓電路，耦接該電晶體，根據該電晶體所供應的一電流提供該輸出電壓和該輸出電壓的多個分壓；一多工器，耦接該分壓電路和該校正單元，根據該控制碼提供上述多個分壓其中之一做為該回饋電壓；一參考電壓電路，提供該參考電壓；以及一運算放大器，耦接該多工器、該參考電壓電路、以及該電晶體，根據該參考電壓和該回饋電壓之間的誤差控制該電流的大小。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之電壓調節器校正電路，其中該分壓電路包括多個電阻，其中第一個電阻耦接該電晶體並提供該輸出電壓，其餘每一電阻耦接前一電阻並提供上述多個分壓其中之一。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之電壓調節器校正電路，其中該控制碼的位元數為K，K為預設正整數，該分 壓電路包括n個電阻，n=2K +1，當該控制碼的數值為i，則該多工器提供該分壓電路的第n-i個電阻所提供的該分壓做為該回饋電壓，i為整數而且0<=i<=2K -1。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之電壓調節器校正電路，其中該校正單元包括：一比較器，耦接該電壓調節器，根據該輸出電壓和該目標電壓的比較輸出一位元值；以及一控制單元，耦接該比較器和該多工器，根據該二分搜尋法和該位元值產生該控制碼。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之電壓調節器校正電路，其中當該輸出電壓高於該目標電壓，該位元值等於0；當該輸出電壓低於該目標電壓，該位元值等於1。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之電壓調節器校正電路，其中該控制碼的位元數為K，K為預設正整數，該控制碼的第1個位元為最低有效位元，該控制碼的第K個位元為最高有效位元；該控制單元接收一時脈訊號，在該時脈訊號的第1個週期將該控制碼設定為一初始值，在該時脈訊號的第i個週期鎖存該位元值做為該控制碼的第K-i+2個位元，i為整數而且2<=i<=K+1。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之電壓調節器校正電路，其中當i小於K+1，則該控制單元在該時脈訊號的第i個週期將該控制碼的第K-i+1個位元設為1。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之電壓調節器校正電路，其中該控制單元更接收一啟動訊號，而且該控制單元 包括：K+1個第一資料正反器，其中每一上述第一資料正反器的時脈端接收該時脈訊號，第j個第一資料正反器的資料端耦接第j+1個第一資料正反器的輸出端，j為整數而且0<=j<=K-1，第K個第一資料正反器的資料端接收該啟動訊號；以及K+1個第二資料正反器，和上述K+1個第一資料正反器一一對應，其中每一上述第二資料正反器的資料端接收該位元值，每一上述第二資料正反器的設定端耦接對應的該第一資料正反器的輸出端，第j個第二資料正反器的輸出端耦接第j+1個第二資料正反器的時脈端，該控制碼由第1個第二資料正反器至第K個第二資料正反器的輸出組成。
  10. 一種電壓調節器校正電路，包括：一比較器，根據一目標電壓和一電壓調節器的一輸出電壓的比較輸出一位元值；以及一控制單元，耦接該比較器，根據一二分搜尋法和該位元值產生一控制碼，其中該電壓調節器根據一參考電壓和一回饋電壓調節該輸出電壓，該回饋電壓和該輸出電壓成正比，而且該控制碼決定該回饋電壓和該輸出電壓的比例。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之電壓調節器校正電路，其中當該輸出電壓高於該目標電壓，該位元值等於0；當該輸出電壓低於該目標電壓，該位元值等於1。
  12. 如申請專利範圍第10項所述之電壓調節器校正電路，其中該控制碼的位元數為K，K為預設正整數，該控制碼的第1個位元為最低有效位元，該控制碼的第K個位元為最高有效位元；該控制單元接收一時脈訊號，在該時脈訊號的第1個週期將該控制碼設定為一初始值，在該時脈訊號的第i個週期鎖存該位元值做為該控制碼的第K-i+2個位元，i為整數而且2<=i<=K+1。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之電壓調節器校正電路，其中當i小於K+1，則該控制單元在該時脈訊號的第i個週期將該控制碼的第K-i+1個位元設為1。
  14. 如申請專利範圍第12項所述之電壓調節器校正電路，其中該控制單元更接收一啟動訊號，而且該控制單元包括：K+1個第一資料正反器，其中每一上述第一資料正反器的時脈端接收該時脈訊號，第j個第一資料正反器的資料端耦接第j+1個第一資料正反器的輸出端，j為整數而且0<=j<=K-1，第K個第一資料正反器的資料端接收該啟動訊號；以及K+1個第二資料正反器，和上述K+1個第一資料正反器一一對應，其中每一上述第二資料正反器的資料端接收該位元值，每一上述第二資料正反器的設定端耦接對應的該第一資料正反器的輸出端，第j個第二資料正反器的輸出端耦接第j+1個第二資料正反器的時脈端，該控制碼由第1個第二資料正反器至第K個第二資料正反器的輸出組成。
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