TWI693497B - 數位穩壓系統及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提出一種數位穩壓系統，其包含一數位穩壓電路以及一補償電路。數位穩壓電路係輸出一輸出電流以及一輸出電壓，數位穩壓電路係根據至少二個參考電壓以及一回授電壓調整輸出電流，以對輸出電流減少或增加一單位電流。補償電路係接收輸出電壓，並根據輸出電流之變化而對輸出電壓減少或增加一單位電壓，以產生並輸出回授電壓。

Description

數位穩壓系統及其控制方法
本發明係有關於一種數位穩壓系統，特別是有關於一種具有補償機制以提高收斂穩定度的數位穩壓系統，及其控制方法。
近年來，低壓降線性穩壓器(linear dropout,LDO)具有較高的轉換效率，小體積、低雜訊的優點，所以大量地使用在各種由電池供應電源的可攜式系統以及通訊相關的電子產品上。
低壓降線性穩壓器包含類比式低壓降線性穩壓器(analog LDO)以及數位式低壓降線性穩壓器(digital LDO)。數位式低壓降線性穩壓器具有低雜訊以及可調輸出電壓的優點，但是其收斂穩定性低，大大地影響其應用領域。
為了解決上述習知技術的問題，本發明之目的在於提出一種數位穩壓系統及其控制方法，透過與數位穩壓電路之輸出電流相對應地調整回授電壓，可有效提高數位穩壓電路的收斂穩定度。
為了達成上述目的，本發明提出一種數位穩壓系統，其包含一數位穩壓電路以及一補償電路。數位穩壓電路係輸出一輸出電流以及一輸出電壓，數位穩壓電路係根據至少二個參考電壓以及一回授電壓調整輸出電流，以對輸出電流減少或增加一單位電流。補償電路係接收輸出電壓，並根據輸出電流之變化而對輸出電壓減少或增加一單位電壓，以產生並輸出回授電壓。
較佳地，數位穩壓電路更包含一第一比較器、一第二比較器、一控制單元以及複數個電流單元，每一電流單元開啟時係輸出單位電流，控制單元係根據第一比較器以及第二比較器產生的兩個比較結果分別開啟或關閉複數個電流單元，以輸出至少一單位電流以形成輸出電流。
較佳地，控制單元係輸出一電流調整訊號至該補償電路，該補償電路係根據該電流調整訊號對該輸出電壓減少或增加該單位電壓，以產生並輸出該回授電壓，其中該電流調整訊號係表示該控制單元係分別開啟或關閉該複數個電流單元以對該輸出電流增加或減少該單位電流。
較佳地，第一比較器之正輸入端係接收該回授電壓，而該第一比較器之負輸入端接收一第一參考電壓，而該第二比較器之正輸入端係接收該回授電壓，而該第二比較器之負輸入端接收一第二參考電壓，該第一參考電壓係大於該第二參考電壓。
較佳地，單位電壓滿足下列條件：△V>(VREF_H-VREF_R)/2；其中△V係為該單位電壓，VREF_H係為該第一參考電壓，VREF_R為該第二參考電壓。
較佳地，該數位穩壓電路之一輸出端耦接一電容器，該單位電流滿足下列條件：△I>(VREF_H-VREF_R)*Cp*Fsw；其中△I係為該單位電流，VREF_H係為該第一參考電壓，VREF_R為該第二參考電壓，Cp為該電容器之一電容值，Fsw為該數位穩壓電路之一切換頻率。
較佳地，當該輸出電流減少該單位電流，則該補償電路對該輸出電壓減少該單位電壓，以產生並輸出該回授電壓；當該輸出電流係增加該單位電流，則該補償電路對該輸出電壓增加該單位電壓，以產生並輸出該回授電壓。
較佳地，補償電路包含一第一電流源、一第二電流源、一第一開關、一第二開關、一開關控制單元、以及一電阻，該電阻係電性連接於該補償電路之一輸入端以及一輸出端之間，該第一電流源以及該第一開關係串聯於一供電端以及該補償電路之該輸出端之間，該第二開關以及該第二電流源係串聯於該補償電路之該輸出端以及一接地端之間，該開關控制單元係接收該電流調整訊號，並根據該電流調整訊號控制該第一開關以及該第二開關。
較佳地，當該電流調整訊號表示該控制單元分別控制該複數個電流單元以對該輸出電流增加該單位電流，則該開關控制單元控制該第一開關導通以及控制該第二開關截止；當該電流調整訊號表示該控制單元分別控制該複數個電流單元以對該輸出電流減少該單位電流，則該開關控制單元控制該第一開關截止以及控制該第二開關導通。
較佳地，補償電路包含一正電壓源、一負電壓源、一第三開關、一第四開關、以及一開關控制單元，該第三開關係電性連接於該正電壓源與該第一比較器以及該第二比較器之正輸入端之間，該第四開關係電性連接於該負電壓源與第一比較器以及第二比較器之正輸入端之間，第一比較器之負輸入端係接收第一參考電壓，第二比較器之負輸入端係接收第二參考電壓；當電流調整訊號表示控制單元分別控制複數個電流單元以對輸出電流增加單位電流，則開關控制單元控制第三開關導通以及控制第四開關截止；當電流調整訊號表示控制單元分別控制複數個電流單元以對輸出電流減少單位電流，則開關控制單元控制第三開關截止以及控制第四開關導通；正電壓源係提供正的單位電壓，而負電壓源係提供負的單位電壓，該單位電壓滿足下列條件：△V>(VREF_H- VREF_R)/2；其中△V係為該單位電壓，VREF_H係為一第一參考電壓，VREF_R係為一第二參考電壓。
為了達成上述目的，本發明提出一種數位穩壓系統的控制方法，該數位穩壓系統包含一數位穩壓電路以及一補償電路，數位穩壓電路係輸出一輸出電流以及一輸出電壓，數位穩壓電路係根據一第一參考電壓、一第二參考電壓、以及一回授電壓調整輸出電流，以對輸出電流減少或增加一單位電流，此控制方法包含下列步驟：接收輸出電壓，並根據輸出電流之變化而對該輸出電壓減少或增加一單位電壓，以產生並輸出該回授電壓；其中該單位電壓滿足下列條件：△V>(VREF_H-VREF_R)/2；其中△V係為單位電壓，VREF_H係為第一參考電壓，VREF_R為該第二參考電壓，其中第一參考電壓係大於第二參考電壓。
10:數位穩壓電路
20:比較單元
201、211、221:比較結果
21:第一比較器
22:第二比較器
30:控制單元
301:電流調整訊號
40、40A、40B:電流單元
50:補償電路
511:第一電流源
512:第二電流源
521:第一開關
522:第二開關
523:第三開關
524:第四開關
53:開關控制單元
531:第一控制訊號
532:第二控制訊號
541:正電壓源
542:負電壓源
90:負載
VFB:回授電壓
VOUT:輸出電壓
IOUT:輸出電流
C1:電容器
RB:電阻器
GND:接地端
CLK:時脈訊號
N1:輸出端
VREF:參考電壓
VERF_H:第一參考電壓
VREF_R:第二參考電壓
第1圖係為本發明之數位穩壓系統之方塊圖。
第2圖係為本發明之數位穩壓系統之一實施例之電路示意圖。
第3圖係為本發明之數位穩壓系統之另一實施例之電路示意圖。
第4圖係為本發明之數位穩壓系統之控制方法之流程圖。
以下將配合圖式及實施例來詳細說明本發明之實施方式，藉此對本發明如何應用技術手段來解決技術問題並達成技術功效的實現過程能充分理解並據以實施。
請參閱第1圖，其為本發明之數位穩壓系統之方塊圖。如第1圖所示，數位穩壓系統可包含一數位穩壓電路10以及一補償電路50。數位穩壓電路10至少包含一比較單元20、一控制單元30以及複數個電流單元40。每一個電流單元40可提供一單位電流，而控制單元30係控制複數個電流單元40的開啟狀態，使得數位穩壓電路10的輸出端上形成一輸出電流IOUT以及一輸出電壓VOUT。數位穩壓電路10的輸出端更電性連接一電容器C1以及一負載90。
例如，當控制單元30係開啟兩個電流單元40而關閉其他電流單元40，則輸出電流IOUT為兩倍的單位電流；控制單元30係開啟五個電流單元40而關閉其他電流單元40，則輸出電流IOUT為五倍的單位電流，因此輸出電流IOUT的變化是以單位電流為基礎。
補償電路50電性連接數位穩壓電路10的輸出端，且接收輸出電壓VOUT，並根據輸出電流IOUT之變化而對輸出電壓VOUT減少或增加單位電壓，以產生並輸出回授電壓VFB。比較單元20係比較至少二個參考電壓VREF以及回授電壓VFB，以產生一比較結果，而控制單元30可根據比較結果201調整輸出電流IOUT，以對輸出電流IOUT減少或增加單位電流。
例如，單位電壓可為0.5V，當輸出電流IOUT增加一單位電流，則補償電路50則將輸出電壓VOUT加上0.5V，以形成回授電壓VFB；當輸出電流IOUT減少一單位電流，則補償電路50則將輸出電壓VOUT減去0.5V，以形成回授電壓VFB。藉由補償電路50對應輸出電流IOUT的變化而調整回授電壓VFB，可提高數位穩壓電路10的收斂穩定性(convergent stability)。
請參閱第2圖，其為本發明之數位穩壓系統之一實施例之電路示意圖。如第2圖所示，數位穩壓電路可包含一第一比較器21、一第二比較器22、一控制單元30以及複數個電流單元40、40A以及40B。數位穩壓電路之一輸出端N1係耦接一電容器C1以及一負載90。
每一電流單元40A開啟時可輸出單位電流△I。第一比較器21之負輸入端係接收第一參考電壓VREF_H，而正輸入端係接收一回授電壓VFB，第一比較器21係比較第一參考電壓VREF_H以及回授電壓VFB，以產生一比較結果211。第二比較器22之負輸入端係接收第二參考電壓VREF_R，而正輸入端係接收回授電壓VFB。第一參考電壓VREF_H係大於第二參考電壓VREF_R。第二比較器22係比較第二參考電壓VREF_R以及回授電壓VFB，以產生一比較結果221。第一比較器21以及第二比較器22係接收一時脈訊號CLK，並根據時脈訊號CLK週期性地進行比較。
控制單元30可根據比較結果211以及221分別開啟或關閉複數個電流單元40，所有開啟的電流單元40所輸出的單位電流的總和係形成流經數位穩壓電路之輸出端N1的輸出電流IOUT。
控制單元30係輸出一電流調整訊號301，其表示控制單元30分別開啟或關閉複數個電流單元40以對輸出電流IOUT增加或減少單位電流。在此實施例中，補償電路包含一第一電流源511、一第二電流源512、一第一開關521、一第二開關522、一開關控制單元53、以及一電阻器RB。電阻器RB係電性連接於補償電路之一輸入端以及一輸出端N2之間，而補償電路之輸入端係電性連接數位穩壓電路之輸出端N1。
第一電流源511以及第一開關521係串聯於一供電端VDD以及補償電路50之輸出端N2之間，且第一電流源511之電流流出端係電性連接第一開關521，第二開關522以及第二電流源512係串聯於補償電路50之輸出端以及一接地端GND之間，且第二電流源512之電流流出端係電性連接第二開關522。
開關控制單元53係接收電流調整訊號301，並根據電流調整訊號301控制第一開關521以及第二開關522。透過上述架構，補償電路50可根據電流 調整訊號301對輸出電壓VOUT減少或增加一單位電壓△V，以產生並輸出回授電壓VFB。
在一實施例中，當單位電壓△V滿足下列條件：△V>(VREF_H-VREF_R)/2，則可有效地提高數位穩壓電路的收斂穩定度。
在一實施例中，單位電流△I可滿足下列條件：△I>(VREF_H-VREF_R)*Cp*Fsw，其中Cp係為該電容器C1之一電容值，Fsw係為數位穩壓電路10之一切換頻率，藉此，可有效地提高數位穩壓電路的收斂穩定度。
以下說明此實施例之補償電路的詳細操作。當開關控制單元53根據電流調整訊號301判斷控制單元30係決定多開啟一電流電元以使得輸出電流IOUT增加一單位電流△I時，則開關控制單元53開啟(turn on)第一開關521並關閉(turn off)第二開關522，使得第一電流源511之電流流向補償電路的輸出端N2。由於第一比較器21以及第二比較器22的輸入阻抗遠大於電阻器RB，因此第一電流源511之電流係流經電阻器RB，並流向數位穩壓電路之輸出端N1。
由於電流經由電阻器RB從補償電路的輸出端N2流向補償電路的輸入端，所以補償電路之輸出端N2之電壓高於數位穩壓電路之輸出電壓VOUT，換句話說，補償電路50對應地對輸出電壓VOUT增加一單位電壓△V，以產生並輸出回授電壓VFB。單位電壓△V係為電阻器RB的跨壓。
開關控制單元53根據電流調整訊號301判斷控制單元30係決定多關閉一電流電元，使得輸出電流IOUT減少一單位電流△I時，則開關控制單元53開啟(turn on)第二開關522並關閉(turn off)第一開關521，使得第二電流源512之電流從補償電路的輸出端N2流向接地端GND。由於第一比較器21以及第二比較器22的輸入阻抗遠大於電阻器RB，因此第二電流源512之電流係從數位穩壓電路之輸出端N1流經電阻器RB，而流向補償電路的輸出端N2。
由於電流經由電阻器RB從補償電路的輸入端N1流向補償電路的輸出端，所以補償電路之輸出端N1之電壓低於數位穩壓電路之輸出電壓VOUT，換句話說，補償電路50對應地對輸出電壓VOUT減少一單位電壓△V，以產生並輸出回授電壓VFB。
請參閱第3圖，其為本發明之數位穩壓系統之另一實施例之電路示意圖。如第3圖所示，補償電路50包含一正電壓源541、一負電壓源542、一第三開關523、一第四開關524、以及一開關控制單元53。第三開關523係電性連接於正電壓源541與第一比較器21以及第二比較器22之正輸入端之間，第四開關524係電性連接於負電壓源542與第一比較器21以及第二比較器22之正輸入端之間。第一比較器21之負輸入端接收第一參考電壓VREF_H，而第二比較器22之負輸入端接收第二參考電壓VREF_R。正電壓源541一端電性連接第三開關523，而另一端電性連接數位穩壓電路之輸出端N1，並接收輸出電壓VOUT。負電壓源542一端電性連接第四開關524，而另一端電性連接數位穩壓電路之輸出端N1，並接收輸出電壓VOUT。
正電壓源541係提供正的單位電壓△V，而負電壓源542係提供負的單位電壓△V，而單位電壓△V滿足下列條件：△V>(VERF_H-VERF_R)/2。
開關控制單元53用以開啟或關閉第三開關523以及第四開關524。當開關控制單元53根據電流調整訊號301判斷控制單元30係決定多開啟一電流電元以使得輸出電流IOUT增加一單位電流△I時，則開關控制單元53開啟第三開關523以及關閉第四開關524，因此，輸出電壓VOUT加上單位電壓△V而輸入至第一比較器21以及第二比較器22之正輸入端。
當開關控制單元53根據電流調整訊號301判斷控制單元30係決定多關閉一電流電元以使得輸出電流IOUT減少一單位電流△I時，則開關控制單元 53關閉第三開關523以及開啟第四開關524，因此，輸出電壓VOUT減去單位電壓△V而輸入至第一比較器21以及第二比較器22之正輸入端。
因此，當單位電壓△V大於第一參考電壓與第二參考電壓之總和的一半，且回授電壓VFB會對應輸出電流而增加會減少單位電壓△V時，可有效地提高數位穩壓電路的收斂穩定度。
請參閱第4圖，其為本發明之數位穩壓系統之控制方法之流程圖。本發明之控制方法適用於一數位穩壓電路，其輸出一輸出電流以及一輸出電壓，且輸出電流的變化係減少或增加一單位電流。此控制方法包含步驟S41至S43。在步驟S41，使用一補償電路接收輸出電壓。在步驟S42，補償電路根據輸出電流之變化而對輸出電壓VOUT減少或增加一單位電壓，以產生並輸出回授電壓至數位穩壓電路。在步驟S43，數位穩壓電路根據第一參考電壓、第二參考電壓、以及回授電壓調整輸出電流，其中單位電壓大於第一參考電壓與第二參考電壓之和的一半，藉此以提高數位穩壓電路的收斂穩定性。
雖然本發明以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習相像技藝者，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，因此本發明之專利保護範圍須視本說明書所附之申請專利範圍所界定者為準。
10:數位穩壓電路
20:比較單元
201:比較結果
30:控制單元
301:電流調整訊號
40:電流單元
50:補償電路
90:負載
C1:電容器

Claims (11)

  1. 一種數位穩壓系統，包含：一數位穩壓電路，係輸出一輸出電流以及一輸出電壓，該數位穩壓電路係根據至少二個參考電壓以及一回授電壓調整該輸出電流，以對該輸出電流減少或增加一單位電流；以及一補償電路，係接收該輸出電壓，並根據一電流調整訊號而對該輸出電壓減少或增加一單位電壓，以產生並輸出該回授電壓；其中該單位電壓滿足下列條件：△V>(VREF_H-VREF_R)/2；其中△V係為該單位電壓，該單位電壓係為電阻器RB的跨壓，VREF_H係為該第一參考電壓，VREF_R為該第二參考電壓。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之數位穩壓系統，其中該數位穩壓電路更包含一第一比較器、一第二比較器、一控制單元以及複數個電流單元，每一該複數個電流單元開啟時係輸出該單位電流，該控制單元係根據該第一比較器以及該第二比較器產生的兩個比較結果分別開啟或關閉該複數個電流單元，以輸出至少一該單位電流以形成該輸出電流。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之數位穩壓系統，其中該控制單元係輸出該電流調整訊號至該補償電路，該補償電路係根據該電流調整訊號對該輸出電壓減少或增加該單位電壓，以產生並輸出該回授電壓，其中該電流調整訊號係表示該控制單元係分別開啟或關閉該複數個電流單元以對該輸出電流增加或減少該單 位電流。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之數位穩壓系統，其中該第一比較器之正輸入端係接收該回授電壓，而該第一比較器之負輸入端接收一第一參考電壓，而該第二比較器之正輸入端係接收該回授電壓，而該第二比較器之負輸入端接收一第二參考電壓，該第一參考電壓係大於該第二參考電壓。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之數位穩壓系統，其中該單位電壓滿足下列條件：△V>(VREF_H-VREF_R)/2；其中△V係為該單位電壓，VREF_H係為該第一參考電壓，VREF_R為該第二參考電壓。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之數位穩壓系統，其中該數位穩壓電路之一輸出端耦接一電容器，該單位電流滿足下列條件：△I>(VREF_H-VREF_R)*Cp*Fsw；其中△I係為該單位電流，VREF_H係為該第一參考電壓，VREF_R為該第二參考電壓，Cp為該電容器之一電容值，Fsw為該數位穩壓電路之一切換頻率。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之數位穩壓系統，其中當該輸出電流減少該單位電流，則該補償電路對該輸出電壓減少該單位電壓，以產生並輸出該回授電壓；其中當該輸出電流係增加該單位電流，則該補償電路對該輸出電壓增加該單位電壓，以產生並輸出該回授電壓。
  8. 如申請專利範圍第3項所述之數位穩壓系統，其中該補償電路 包含一第一電流源、一第二電流源、一第一開關、一第二開關、一開關控制單元、以及一電阻，該電阻係電性連接於該補償電路之一輸入端以及一輸出端之間，該第一電流源以及該第一開關係串聯於一供電端以及該補償電路之該輸出端之間，該第二開關以及該第二電流源係串聯於該補償電路之該輸出端以及一接地端之間，該開關控制單元係接收該電流調整訊號，並根據該電流調整訊號控制該第一開關以及該第二開關。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之數位穩壓系統，其中當該電流調整訊號表示該控制單元分別控制該複數個電流單元以對該輸出電流增加該單位電流，則該開關控制單元控制該第一開關導通以及控制該第二開關截止；其中當該電流調整訊號表示該控制單元分別控制該複數個電流單元以對該輸出電流減少該單位電流，則該開關控制單元控制該第一開關截止以及控制該第二開關導通。
  10. 如申請專利範圍第7項所述之數位穩壓系統，其中該補償電路包含一正電壓源、一負電壓源、一第三開關、一第四開關、以及一開關控制單元，該第三開關係電性連接於該正電壓源與該第一比較器以及該第二比較器之正輸入端之間，該第四開關係電性連接於該負電壓源與該第一比較器以及該第二比較器之正輸入端之間，該第一比較器之負輸入端係接收該第一參考電壓，該第二比較器之負輸入端係接收該第二參考電壓；其中當該電流調整訊號表示該控制單元分別控制該複數個電流單元以對該輸出電流增加該單位電流，則該開關控制單元控制該第三開關導通以及控制該第四開關截止； 其中當該電流調整訊號表示該控制單元分別控制該複數個電流單元以對該輸出電流減少該單位電流，則該開關控制單元控制該第三開關截止以及控制該第四開關導通；其中該正電壓源係提供正的該單位電壓，而該負電壓源係提供負的該單位電壓，該單位電壓滿足下列條件：△V>(VREF_H-VREF_R)/2；其中△V係為該單位電壓，VREF_H係為一第一參考電壓，VREF_R係為一第二參考電壓。
  11. 一種數位穩壓系統的控制方法，該數位穩壓系統包含一數位穩壓電路以及一補償電路，該數位穩壓電路係輸出一輸出電流以及一輸出電壓，該數位穩壓電路係根據一第一參考電壓、一第二參考電壓、以及一回授電壓調整該輸出電流，以對該輸出電流減少或增加一單位電流，其中該方法包含：接收該輸出電壓，並根據該輸出電流之變化而對該輸出電壓減少或增加一單位電壓，以產生並輸出該回授電壓；其中該單位電壓滿足下列條件：△V>(VREF_H-VREF_R)/2；其中△V係為該單位電壓，VREF_H係為該第一參考電壓，VREF_R為該第二參考電壓，其中該第一參考電壓係大於該第二參考電壓。
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