TWI535166B - 具軟啟動電路的電壓調整器 - Google Patents

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Description

具軟啟動電路的電壓調整器
本發明是有關於一種電壓調整器，且特別是有關於一種具軟啟動電路的電壓調整器。
請參照第1A與第1B圖，其所繪示為習知電壓調整器(voltage regulator)及其相關信號示意圖。電壓調整器100係為一種低壓差電壓調整器(low dropout voltage regulator，簡稱LDO電壓調整器)，其包括：包括：一參考電壓Vref、一電晶體MP、一運算放大器OP、電阻R1與電阻R2。
於電壓調整器100中，運算放大器OP受控於致能信號EN，其負輸入端接收參考電壓Vref，正輸入端接收回授電壓Vfb，輸出端產生一誤差信號(error signal)Ve。電晶體MP閘極連接至運算放大器OP輸出端，源極連接至一電源電壓Vcc，汲極接至電壓調整器100的輸出端O。再者，電阻R1第一端連接至電晶體MP汲極，電阻R1第二端連接至節點a；電阻R2第一端連接至節點a，電阻R2第二端連接至接地電壓GND。再者，節點a產生回授電壓Vfb，且節點a連接至運算放大器OP的正輸入端。
再者，電壓調整器100的輸出端O連接至一穩壓電容器(Bulk capacitor)Cb與負載110。於電壓調整器100正常運作時，誤差信號Ve可以控制電晶體Mp產生輸出電壓Vout。並且，穩壓電容器Cb可以穩定地維持電壓調整器100產生的輸出電壓 Vout，使得電壓調整器100的輸出端O產生輸出電流Io至負載(load)110。基本上，輸出電壓Vout=(1+R1/R2)×Vref。
然而，由於穩壓電容器(bulk capacitor)Cb的電容值較大。於習知電壓調整器100的啟動(start up)瞬間，輸出端O會產生較大的輸出電流Io，並且可能導致負載110或者電晶體MP的損毀。以下詳細介紹各種啟動情況下，電壓調整器100的輸出電壓Vout與輸出電流Io之間的關係。
如第1B圖所示，電壓調整器100於時間點t1啟動時，致能信號EN為高準位代表運算放大器OP可正常運作，且電源電壓Vcc以斜坡(ramp)的方式上升。很明顯地，於電源電壓Vcc上升的過程，會使得輸出電壓Vout產生過衝現象(overshoot)120，並且輸出電流Io也會有不穩定的情況。
再者，於時間點t2時，電源電壓Vcc已經為穩態的3.3V，而致能信號EN由低準位切換為高準位。很明顯地，當運算放大器OP開始運作的瞬間，也會使得電壓調整器100產生的輸出電壓Vout有過衝現象122，而此時的輸出電流Io為大於2A(2000mA)的衝擊電流(rush current)。因此，輸出電流Io很可能燒毀負載110或電晶體MP。
再者，於時間點t3時，而致能信號EN為高準位，且電源電壓Vcc由0V快速上升至3.3V。很明顯地，當電壓調整器100的啟動瞬間，電壓調整器100產生的輸出電壓Vout有過衝現象124，而此時的輸出電流Io為大於0.5A(500mA)的衝擊電流(rush current)。因此，輸出電流Io很可能燒毀負載110或電晶體MP。
一般來說，當電壓調整器100的啟動瞬間時，運算放大器OP的二個輸入端之間的電壓差(voltage difference)太大，造成電晶體MP產生大的輸出電流Io以及過衝現象的輸出電壓Vout。
而為了防止電壓調整器在啟動瞬間產生大的衝擊電 流，美國專利US 8,704,506、US 7,459,891、US 7,619,397與US 6,969,977揭露了各種軟啟動電路(soft-start circuit)，並將軟啟動電路運用於電壓調整器，用來降低電壓調整器在啟動瞬間產生的衝擊電流。
本發明之目的在於提出一種具軟啟動電路的電壓調整器。此軟啟動電路架構簡單，可以有效地消除輸出電壓Vout的過衝現象與衝擊電流。
本發明係為一種電壓調整器，包含：一運算放大器，具有一第一輸入端接收一控制電壓、具有一第二輸入端接收一回授電壓，以及具有一輸出端產生一誤差信號；一電晶體，具有一閘極連接至該運算放大器的該輸出端並接收該誤差信號，具有一第一端接收一電源電壓，以及具有一第二端連接至該電壓調整器的一輸出端；其中，該電壓調整器的該輸出端產生一輸出電壓；一第一電阻，具有一第一端連接至該電壓調整器的該輸出端，具有一第二端連接至該運算放大器的該第二輸入端；一第二電阻，具有一第一端連接至該第一電阻的該第二端，具有一第二端連接一接地電壓；其中，該第二電阻的該第一端產生該回授電壓；一輸出電壓延遲電路，連接至該電壓調整器的該輸出端用以接收該輸出電壓，並產生一延遲的輸出電壓；以及一選擇電路，具有一第一輸入端接收一參考電壓，具有一第二輸入端接收該延遲的輸出電壓，具有一輸出端產生該控制電壓至該運算放大器的該第一輸入端；其中，當該參考電壓大於該延遲的輸出電壓時，該選擇電路以該延遲的輸出電壓作為該控制電壓；以及，當該參考電壓小於該延遲的輸出電壓，該選擇電路以該參考電壓作為該控制電壓。
為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
100‧‧‧電壓調整器
110‧‧‧負載
120、122、124‧‧‧過衝現象
200‧‧‧電壓調整器
210‧‧‧選擇電路
212‧‧‧比較器
214‧‧‧反相器
216‧‧‧第一傳輸閘
218‧‧‧第二傳輸閘
220‧‧‧輸出電壓延遲電路
222‧‧‧單增益緩衝器
230‧‧‧負載
OP‧‧‧運算放大器
MP‧‧‧電晶體
R1、R2、R3‧‧‧電阻
Vref‧‧‧參考電壓
Ve‧‧‧誤差信號
Vfb‧‧‧回授電壓
GND‧‧‧接地電壓
Cb‧‧‧穩壓電容器
O‧‧‧輸出端
a‧‧‧節點
Io‧‧‧輸出電流
Vout‧‧‧輸出電壓
EN‧‧‧致能信號
Vcc‧‧‧電源電壓
Vss‧‧‧延遲的輸出電壓
Vr‧‧‧控制電壓
C1‧‧‧電容器
Msw1、Msw2‧‧‧開關元件
Csw‧‧‧開關信號
Cswb‧‧‧反相開關信號
第1A與第1B圖所繪示為習知電壓調整器及其相關信號示意圖。
第2A與第2B圖所繪示為本發明電壓調整器及其相關信號示意圖。
第3A圖與第3B圖所繪示為輸出電壓延遲電路的二種實施例。
第4A圖與第4B圖所繪示為選擇電路的二種實施例。
請參照第2A與第2B圖，其所繪示為本發明電壓調整器及其相關信號示意圖。電壓調整器200係為電壓調整器，其包括：一參考電壓Vref、一選擇電路(selecting circuit)210、一電晶體MP、一運算放大器OP、一輸出電壓延遲電路(output voltage delaying circuit)220、電阻R1與電阻R2。其中，軟啟動電路係由選擇電路210與輸出電壓延遲電路220所組成。
根據本發明的實施例，選擇電路210的二輸入端接收參考電壓Vref以及延遲的輸出電壓(delayed output voltage)Vss，並在選擇電路210的輸出端產生一控制電壓Vr。當參考電壓Vref大於延遲的輸出電壓Vss時，選擇電路210以延遲的輸出電壓Vss作為控制電壓Vr。反之，當參考電壓Vref小於延遲的輸出電壓Vss時，選擇電路210以參考電壓Vref作為控制電壓Vr。
再者，於電壓調整器200中運算放大器OP受控於致能信號EN，其負輸入端接收控制電壓Vr，正輸入端接收回授電壓Vfb，輸出端產生一誤差信號Ve。電晶體MP閘極連接至運算放大器OP輸出端，源極連接至一電源電壓Vcc，汲極接至電 壓調整器200的輸出端O。再者，電阻R1第一端連接至電晶體MP汲極，電阻R1第二端連接至節點a；電阻R2第一端連接至節點a，電阻R2第二端連接至接地電壓GND。再者，節點a產生回授電壓Vfb，且節點a連接至運算放大器OP的正輸入端。另外，輸出電壓延遲電路220連接於電壓調整器200的輸出端O以及選擇電路210之間，用以接收輸出電壓Vout並產生延遲的輸出電壓Vss至選擇電路210。
再者，電壓調整器200的輸出端O連接至一穩壓電容器(Bulk capacitor)Cb與負載230。於電壓調整器200正常運作時，誤差信號Ve可以控制電晶體Mp產生輸出電壓Vout。並且，穩壓電容器Cb可以穩定地維持電壓調整器200產生的輸出電壓Vout，使得電壓調整器200的輸出端O產生輸出電流Io至負載230。基本上，輸出電壓Vout=(1+R1/R2)×Vref。
根據本發明的實施例，於電壓調整器200的啟動瞬間，軟啟動電路輸出的控制電壓Vr可使得運算放大器OP的二輸入端具備較低的電壓差(voltage difference)，用以降低輸出電壓Vout的過衝現象。
換句話說，於電壓調整器200的啟動瞬間，由於輸出電壓Vout與回授電壓Vfb都很小。此時，選擇電路210將延遲的輸出電壓Vss作為控制電壓Vr並輸入運算放大器OP的負輸入端。因此，運算放大器OP的正負二輸入端分別接收回授電壓Vfb與延遲的輸出電壓Vss，由於運算放大器OP的二輸入端具備較低的電壓差，可以有效地防止輸出電壓Vout的過衝現象與衝擊電流。
再者，於電壓調整器200的啟動瞬間之後，當延遲的輸出電壓Vss大於參考電壓Vref時，選擇電路210將參考電壓Vref作為控制電壓Vr並輸入運算放大器OP的負輸入端。因此，運算放大器OP的正負二輸入端分別接收回授電壓Vfb與參考電壓Vref，使得電壓調整器200的輸出端O產生穩定的輸出電壓 Vout。
如第2B圖所示，電壓調整器200於時間點t1啟動時，致能信號EN為高準位代表運算放大器OP可正常運作，且電源電壓Vcc以斜坡(ramp)的方式上升。很明顯地，於電源電壓Vcc上升的過程，輸出電壓Vout已無過衝現象產生。再者，最大的輸出電流Io約在90mA。
再者，於時間點t2時，電源電壓Vcc已經為穩態的3.3V，而致能信號EN由低準位切換為高準位。很明顯地，當運算放大器OP開始運作的瞬間，輸出電壓Vout已無過衝現象產生，且最大的輸出電流Io約在90mA。
再者，於時間點t3時，而致能信號EN為高準位，且電源電壓Vcc由0V快速上升至3.3V。很明顯地，當電壓調整器200的啟動瞬間，輸出電壓Vout已無過衝現象產生，且最大的輸出電流Io約在90mA。
由以上的說明可知，本發明利用輸出電壓延遲電路220搭配選擇電路210形成之軟啟動電路可以有效地降低電壓調整器200啟動瞬間的輸出電流Io並防止輸出電壓Vout的過衝現象產生。
請參照第3A圖與第3B圖，其所繪示為輸出電壓延遲電路的二種實施例。如第3A圖所示，輸出電壓延遲電路220包括一電阻R3與一電容器C1，電阻R3第一端接收輸出電壓Vout，電阻R3第二端連接至電容器C1第一端，電容器C1第二端連接至接地電壓GND。再者，電阻R3第二端可產生延遲的輸出電壓Vss至選擇電路210。根據本發明的實施例，時間常數(time constant)R3×C1可以決定輸出電壓延遲電路220的延遲時間。當延遲時間越大時，啟動瞬間的輸出電壓Vout具有較低的上升斜率，以及較小的過衝現象。反之，當延遲時間越小時，啟動瞬間的輸出電壓Vout具有較高的上升斜率，以及較大的過衝現象。
如第3B圖所示，輸出電壓延遲電路220包括一單 增益衝器(unit gain buffer)222與一電容器C1，單增益衝器222的輸入端接收輸出電壓Vout，單增益衝器222的輸出端連接至電容器C1第一端，電容器C1第二端連接至接地電壓GND。再者，單增益衝器222的輸出端可產生延遲的輸出電壓Vss至選擇電路210。根據本發明的實施例，單增益衝器222的驅動強度(driving strength)可以決定輸出電壓延遲電路220的延遲時間。當驅動強度越弱(weak)時，啟動瞬間的輸出電壓Vout具有較低的上升斜率，以及較小的過衝現象。反之，當當驅動強度越強(strong)時，啟動瞬間的輸出電壓Vout具有較高的上升斜率，以及較大的過衝現象。再者，單增益衝器222係由運算放大器來實現，運算放大器的負輸入端連接至輸出端。
請參照第4A圖與第4B圖，其所繪示為選擇電路的二種實施例。如第4A圖所示，選擇電路210包括一比較器212與二開關元件(switching device)Msw1與Msw2。比較器212的正輸入端接收參考電壓Vref，負輸入端接收延遲的輸出電壓Vss，輸出端產生開關信號Csw。開關元件Msw1的控制端接收開關信號Csw，開關元件Msw1的第一端連接至比較器212的正輸入端。 開關元件Msw2的控制端接收開關信號Csw，開關元件Msw2的第一端連接至比較器212的負輸入端，開關元件Msw2的第二端連接至開關元件Msw1的第二端。其中，開關元件Msw1為P型電晶體，且開關元件Msw2為N型電晶體。
很明顯地，當參考電壓Vref大於延遲的輸出電壓Vss時，開關信號Csw為高準位，開關元件Msw2為閉路狀態(close state)且開關元件Msw1為開路狀態(open state)，因此選擇電路210以延遲的輸出電壓Vss作為控制電壓Vr。反之，當參考電壓Vref小於延遲的輸出電壓Vss時，開關信號Csw為低準位，開關元件Msw1為閉路狀態且開關元件Msw2為開路狀態，因此選擇電路210以參考電壓Vref作為控制電壓Vr。
如第4B圖所示，選擇電路210包括一比較器212、 一反相器214與二傳輸閘(transmission gate)216與218。比較器212的正輸入端接收參考電壓Vref，負輸入端接收延遲的輸出電壓Vss，輸出端產生開關信號Csw。反相器214接收開關信號Csw產生反相開關信號Cswb。第一傳輸閘216的第一控制端接收開關信號Csw，第一傳輸閘216的第二控制端接收反相開關信號Cswb，第一傳輸閘216的第一端連接至比較器212的正輸入端。 第二傳輸閘218的第一控制端接收反相開關信號Cswb，第二傳輸閘218的第二控制端接收開關信號Csw，第二傳輸閘218第一端連接至比較器212的負輸入端，第二傳輸閘218的第二端連接至第一傳輸閘216的第二端。
很明顯地，當參考電壓Vref大於延遲的輸出電壓Vss時，開關信號Csw為高準位且反相開關信號Cswb為低準位，第二傳輸閘218為閉路狀態且第一傳輸閘216為開路狀態，因此選擇電路210以延遲的輸出電壓Vss作為控制電壓Vr。反之，當參考電壓Vref小於延遲的輸出電壓Vss時，開關信號Csw為低準位且反相開關信號Cswb為高準位，第一傳輸閘216為閉路狀態且第二傳輸閘218為開路狀態，因此選擇電路210以參考電壓Vref作為控制電壓Vr。
再者，本發明並未限定選擇電路210中的實際電路結構。舉例來說，在此領域的技術人員也可以利用比較器212的正輸入端接收延遲的輸出電壓Vss，負輸入端接收參考電壓Vref，輸出端產生開關信號Csw。並且，修改開關元件或者傳輸閘的連接關係，也可以達成本發明選擇電路210的功能。
由以上的說明可知，本發明提出一種具有軟啟動電路的電壓調整器，其可有效地降低電壓調整器啟動瞬間的輸出電流Io並防止輸出電壓Vout的過衝現象產生。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明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，當可作各種之更動與潤飾。因此，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。
200‧‧‧電壓調整器
210‧‧‧選擇電路
220‧‧‧輸出電壓延遲電路
230‧‧‧負載
OP‧‧‧運算放大器
MP‧‧‧電晶體
R1、R2‧‧‧電阻
Vref‧‧‧參考電壓
Ve‧‧‧誤差信號
Vfb‧‧‧回授電壓
GND‧‧‧接地電壓
Cb‧‧‧穩壓電容器
O‧‧‧輸出端
a‧‧‧節點
Io‧‧‧輸出電流
Vout‧‧‧輸出電壓
EN‧‧‧致能信號
Vcc‧‧‧電源電壓
Vss‧‧‧延遲的輸出電壓
Vr‧‧‧控制電壓

Claims (10)

  1. 一種電壓調整器，包含：一運算放大器，具有一第一輸入端接收一控制電壓、具有一第二輸入端接收一回授電壓，以及具有一輸出端產生一誤差信號；一電晶體，具有一閘極連接至該運算放大器的該輸出端並接收該誤差信號，具有一第一端接收一電源電壓，以及具有一第二端連接至該電壓調整器的一輸出端；其中，該電壓調整器的該輸出端產生一輸出電壓；一第一電阻，具有一第一端連接至該電壓調整器的該輸出端，具有一第二端連接至該運算放大器的該第二輸入端；一第二電阻，具有一第一端連接至該第一電阻的該第二端，具有一第二端連接一接地電壓；其中，該第二電阻的該第一端產生該回授電壓；一輸出電壓延遲電路，連接至該電壓調整器的該輸出端用以接收該輸出電壓，並產生一延遲的輸出電壓；以及一選擇電路，具有一第一輸入端接收一參考電壓，具有一第二輸入端接收該延遲的輸出電壓，具有一輸出端產生該控制電壓至該運算放大器的該第一輸入端；其中，當該參考電壓大於該延遲的輸出電壓時，該選擇電路以該延遲的輸出電壓作為該控制電壓；以及，當該參考電壓小於該延遲的輸出電壓，該選擇電路以該參考電壓作為該控制電壓。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電壓調整器，其中該電壓調整器的該輸出端更連接至一穩壓電容器與一負載。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之電壓調整器，其中該輸出電壓延遲電路包括：一第三電阻，具有一第一端連接至該電壓調整器的該輸出端 用以接收該輸出電壓；以及一第一電容器，具有一第一端連接至該第一電阻的一第二端，具有一第二端連接該接地電壓；其中，該第一電容器的該第一端產生該延遲的輸出電壓。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之電壓調整器，其中該輸出電壓延遲電路包括：一單增益緩衝器，具有一輸入端連接至該電壓調整器的該輸出端用以接收該輸出電壓；以及一第一電容器，具有一第一端連接至該單增益緩衝器一輸出端，具有一第二端連接該接地電壓；其中，該第一電容器的該第一端產生該延遲的輸出電壓。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之電壓調整器，其中該選擇電路包括：一比較器，具有一第一輸入端接收該參考電壓，具有一第二輸入端接收該延遲的輸出電壓，具有一輸出端產生一開關信號；一第一開關元件，具有一控制端接收該開關信號，具有一第一端連接至該比較器的該第一輸入端用以接收該參考電壓；以及一第二開關元件，具有一控制端接收該開關信號，具有一第一端連接至該比較器的該第二輸入端用以接收該延遲的輸出電壓，具有一第二端連接至該第一開關元件的一第二端；其中，該第一開關元件的該第二端產生該控制電壓。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之電壓調整器，其中，當該參考電壓大於該延遲的輸出電壓時，該第一開關元件為一開路狀態且該第二開關元件為一閉路狀態，使得該選擇電路以該延遲的輸出電壓作為該控制電壓；以及，當該參考電壓小於該延遲的輸出電壓時，該第一開關元件為該閉路狀態且該第二開關元件為該開路狀 態，使得該選擇電路以該參考電壓作為該控制電壓。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之電壓調整器，其中，該第一開關元件為P型電晶體，該第二開關元件為N型電晶體。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之電壓調整器，其中該選擇電路包括：一比較器，具有一第一輸入端接收該參考電壓，具有一第二輸入端接收該延遲的輸出電壓，具有一輸出端產生一開關信號；一反相器，具有一輸入端接收該開關信號，具有一輸出端產生一反相的開關信號；一第一傳輸閘，具有一第一控制端接收該開關信號，具有一第二控制端接收該反相的開關信號，具有一第一端連接至該比較器的該第一輸入端用以接收該參考電壓；以及一第二傳輸閘，具有一第一控制端接收該反相的開關信號，具有一第二控制端接收該開關信號，具有一第一端連接至該比較器的該第二輸入端用以接收該延遲的輸出電壓，具有一第二端連接至該第一傳輸閘的一第二端；其中，該第一傳輸閘的該第二端產生該控制電壓。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之電壓調整器，其中，當該參考電壓大於該延遲的輸出電壓時，該第一傳輸閘為一開路狀態且該第二傳輸閘為一閉路狀態，使得該選擇電路以該延遲的輸出電壓作為該控制電壓；以及，當該參考電壓小於該延遲的輸出電壓時，該第一傳輸閘為該閉路狀態且該第二傳輸閘為該開路狀態，使得該選擇電路以該參考電壓作為該控制電壓。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之電壓調整器，其中，該運算放大器更具有一致能端接收一致能信號，使得該運算放大器根據該致能信號來運作。
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