TWI825726B - 線性穩壓器與穩壓方法 - Google Patents

Abstract

一種線性穩壓器，包含開關元件、誤差放大電路、回授電路及觸發元件。開關元件之第一端用以接收輸入電壓，且用以於第二端輸出輸出電壓至負載。誤差放大電路的第一輸入端用以接收參考電壓，誤差放大電路之輸出端電性連接於開關元件的控制端。回授電路電性連接於第二端及誤差放大電路之第二輸入端之間。觸發元件電性連接於控制端及負載，用以自負載接收觸發訊號。觸發元件用以根據觸發訊號輸出觸發電壓至控制端，且開關元件用以根據觸發電壓改變輸出電壓。

Description

線性穩壓器與穩壓方法

本揭示內容係關於一種根據需求輸出對應電壓至負載之技術，特別是一種線性穩壓器及線性穩壓方法。

線性穩壓器（Linear regulator，LDO）係一種用於保持電壓穩定之裝置。線性穩壓器可應用於電源供應器，用以提供輸出電壓至負載。然而，若負載的用電需求突然提昇，線性穩壓器將無法快速地做出應對，致使線性穩壓器的輸出端電壓值會急遽下降，而影響了電壓穩定性。有鑑於此，乃需要提供一種可根據負載需求即時調整之線性穩壓器。

本揭示內容之一態樣為一種線性穩壓器，包含開關元件、誤差放大電路、回授電路及觸發元件。開關元件包含第一端、第二端及控制端。開關元件用以透過第一端接收輸入電壓，且用以透過第二端輸出輸出電壓至負載。誤差放大電路包含第一輸入端、第二輸入端及輸出端。第一輸入端用以接收參考電壓，且輸出端電性連接於控制端。回授電路電性連接於開關元件的第二端及誤差放大電路之第二輸入端之間。觸發元件電性連接於控制端及負載之間，用以自負載接收觸發訊號。觸發元件用以根據觸發訊號輸出觸發電壓至控制端，且開關元件用以根據觸發電壓改變輸出電壓。

本揭示內容之另一態樣為一種線性穩壓方法，包含下列步驟：透過開關元件的第一端接收輸入電壓，且透過開關元件的第二端輸出輸出電壓至負載；透過回授電路，根據輸出電壓傳送回授電壓至誤差放大電路；透過誤差放大電路，比較參考電壓與回授電壓以控制開關元件的控制端的電壓值；透過觸發元件，接收觸發訊號且在控制端上產生觸發電壓，其中觸發訊號用以控制負載驅動負載內之電路；以及根據觸發電壓改變輸出電壓。

本揭示內容之另一態樣為一種線性穩壓器，包含控制電路、開關元件、誤差放大電路、回授電路及觸發元件。控制電路用以提供觸發訊號至負載，以驅動負載內之電路。開關元件包含第一端、第二端及控制端。開關元件用以透過第一端接收輸入電壓，且透過第二端輸出輸出電壓至負載。誤差放大電路包含第一輸入端、第二輸入端及輸出端。第一輸入端用以接收參考電壓，且輸出端電性連接於開關元件的控制端。回授電路電性連接於開關元件的第二端及誤差放大電路之第二輸入端之間。觸發元件電性連接於控制端及控制電路之間，用以自控制電路接收觸發訊號。觸發元件用以根據觸發訊號輸出觸發電壓至控制端，且開關元件用以根據觸發電壓改變輸出電壓。

本揭示內容透過觸發元件，在負載的用電需求即將發生變化時，即時接收觸發訊號，並在控制端上產生觸發電壓，以使開關元件輸出的輸出電壓可隨之變化，以確保供電穩定性。

以下將以圖式揭露本發明之複數個實施方式，為明確說明起見，許多實務上的細節將在以下敘述中一併說明。然而，應瞭解到，這些實務上的細節不應用以限制本發明。也就是說，在本發明部分實施方式中，這些實務上的細節是非必要的。此外，為簡化圖式起見，一些習知慣用的結構與元件在圖式中將以簡單示意的方式繪示之。

於本文中，當一元件被稱為「連接」或「耦接」時，可指「電性連接」或「電性耦接」。「連接」或「耦接」亦可用以表示二或多個元件間相互搭配操作或互動。此外，雖然本文中使用「第一」、「第二」、…等用語描述不同元件，該用語僅是用以區別以相同技術用語描述的元件或操作。除非上下文清楚指明，否則該用語並非特別指稱或暗示次序或順位，亦非用以限定本發明。

第1圖所示為根據本揭示內容之部份實施例的線性穩壓器100示意圖。線性穩壓器100包含開關元件T1、誤差放大電路110、回授電路120及觸發元件C1。開關元件T1包含第一端Na、第二端Nb及控制端Nc。第一端Na電性連接至輸入電壓Vin，使開關元件T1透過第一端Na接收輸入電壓Vin。開關元件T1會根據輸入電壓Vin及控制端Nc的電壓值產生輸出電壓Vout，並透過第二端Nb，將輸出電壓提供至負載200。

在部份實施例中，開關元件T1係由N型金屬氧化物半導體場效電晶體（NMOS）實現，但並不以此為限。開關元件T1亦可由多個彼此連接的NMOS實現。此外，在其他部份實施例中，開關元件T1可由P型金屬氧化物半導體場效電晶體(PMOS)、雙極性電晶體(bipolar junction transistor,BJT)、薄膜電晶體(TFT)或其他不同類型的開關元件實現。由於本領域人士能理解開關元件T1根據輸入電壓Vin產生輸出電壓Vout的方式，故在此不另贅述。

誤差放大電路110包含第一輸入端N1、第二輸入端N2及輸出端N3。在部份實施例中，誤差放大電路110可由運算放大器實現。第一輸入端N1電性連接至參考電壓Vref。第二輸入端N2電性連接至開關元件T1的第二端Nb。輸出端N3則電性連接於開關元件T1之控制端Nc。

回授電路120電性連接於開關元件T1之第二端Nb及誤差放大電路110的第二輸入端N2之間。回授電路120用以根據輸出電壓Vout傳送回授電壓Vfb至誤差放大電路110。在部份實施例中，誤差放大電路110用以比較參考電壓Vref及回授電壓Vfb，並放大參考電壓Vref及回授電壓Vfb的差值，以輸出對應的電壓值至控制端Nc，例如將放大後的差值提供至控制端Nc。

具體而言，在一實施例中，回授電路120包含第一電阻R1及第二電阻R2。第一電阻R1電性連接至開關元件T1之第二端Nb，第二電阻R2則連接至第一電阻R1、第二輸入端N2及另一參考電壓（如：圖中所示的接地）。換言之，誤差放大電路110之第二輸入端N2電性連接於第一電阻R1及第二電阻R2之間。因此，回授電路120會根據第一電阻R1及第二電阻R2的阻抗值，將輸出電壓Vout分壓，以產生回授電壓Vfb。

在部份實施例中，該回授電路之阻抗值介於1千～3千歐姆（ohm）之間。意即，第一電阻R1及第二電阻R2的阻抗值總和為1千～3千歐姆（如：2.2千歐姆）。第一電阻R1及第二電阻R2之阻抗比例可根據需求調整，在此不另贅述。

在一般情況下，若負載200所需的電壓或電流並未發生變化，則回授電路120提供給誤差放大電路110之回授電壓Vfb會大致上與參考電壓Vref相同。因此，誤差放大電路110輸出至控制端Nc的電壓值會大致相同，且開關元件T1輸出的輸出電壓Vout也會維持穩定。

相對地，若負載200所需的電壓或電流在短時間內突然變化（如：電流需求瞬間提昇）。此時，誤差放大電路110輸出至控制端Nc的電壓值會相應提昇，開關元件T1輸出的輸出電壓Vout將會因應控制端的電壓值提昇而相應提高，確保在提供大電流至負載200時，開關元件T1之第二端Nb的電壓不會劇烈地下降。

觸發元件C1電性連接於開關元件T1之控制端Nc及負載200之間。在本實施例中觸發元件C1為電容器，且能從負載200接收觸發訊號St。觸發訊號St係為一種用以控制負載200驅動負載200內的特定電路（或特定模組）的訊號，或負載200內的特定電路（或特定模組）被驅動時產生的訊號。當特定電路被驅動時，將會使負載200本身的用電需求發生改變，且負載200會從線性穩壓器100取得對應變化的電能（例如：更高電流的需求）。

在另一實施例中，觸發訊號St可由線性穩壓器100產生。如第1圖所示，線性穩壓器100可包含控制電路130，用以提供觸發訊號St至負載200。控制電路130可為中央處理器(central processing unit, CPU)、系統單晶片(System on Chip, SoC)、應用處理器、音訊處理器、數位訊號處理器(digital signal processor)或特定功能的處理晶片或控制器。

觸發元件C1電性連接於控制端Nc及觸發端Nt之間。觸發端Nt在一些實施例中僅電性連接於負載200。在另一些實施例中，觸發端Nt同時電性連接於負載200及控制電路130，以能根據不同情況，從負載200或控制電路130接收觸發訊號St。

在接收到觸發訊號St後，觸發元件C1將根據觸發訊號St輸出觸發電壓Vg至控制端Nc。此時，開關元件T1將根據控制端Nc的電壓值（即，觸發電壓Vg）改變提供給負載200之輸出電壓Vout。在一實施例中，觸發元件C1為電容器，且觸發訊號St屬於一種脈衝控制訊號。由於電容器傾向維持其兩端的電壓差（亦即電容耦合（capacitive coupling）現象），因此，當觸發元件C1的一端因為觸發訊號St的脈衝訊號而改變電壓時，其另一端的電壓將會相應改變，從而在控制端Nc產生觸發電壓Vg。

在部份實施例中，觸發電壓Vg用以提昇控制端Nc之電壓值，且開關元件T1用以根據觸發電壓Vg提昇輸出電壓Vout。具體而言，當負載200的用電需求突然提昇時（例如：由輕載突然轉變至重載），負載200會從第二端Nb擷取大電流，此時，僅憑回授電路120可能無法快速地將第二端Nb的電壓（輸出電壓Vout）變化傳遞至誤差放大電路110，亦即誤差放大電路110可能無法即時地對應調節第二端Nb的電壓。因此，透過觸發元件C1偵測觸發訊號St，即可快速地將電壓變化反應至第二端Nb，從而讓開關元件T1能即時改變輸出電壓Vout。

第2圖所示為根據本揭示內容之線性穩壓方法的流程圖，在步驟S201中，開關元件T1透過第一端Na接收輸入電壓Vin，且根據輸入電壓Vin在第二端Nb輸出輸出電壓Vout。

在步驟S202中，回授電路120根據輸出電壓Vout，傳送回授電壓Vfb至誤差放大電路110。在步驟S203中，誤差放大電路110比對參考電壓Vref與回授電壓Vfb，並據以控制開關元件T1之控制端Nc的電壓值。

在步驟S204中，當負載200即將被啟動、或者需要驅動內部某個特定電路、特定模組時，負載200會根據觸發訊號St來執行此一動作，或在執行動作前產生觸發訊號St。此時，觸發元件C1會透過觸發端Nt，接收來自負載200或控制電路130的觸發訊號St（如：脈衝訊號）。

在步驟S205中，觸發元件C1會根據觸發訊號St在控制端Nc上產生觸發電壓Vg，使開關元件T1可根據輸入電壓Vin及觸發電壓Vg（即，此時控制端Nc的電壓值）改變輸出電壓Vout的電壓值。

前述各實施例中的各項元件、方法步驟或技術特徵，係可相互結合，而不以本揭示內容中的文字描述順序或圖式呈現順序為限。

雖然本揭示內容已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本揭示內容，任何熟習此技藝者，在不脫離本揭示內容之精神和範圍內，當可作各種更動與潤飾，因此本揭示內容之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100:線性穩壓器 110:誤差放大電路 120:回授電路 130:控制電路 200:負載 T1:開關元件 C1:觸發元件 R1:第一電阻 R2:第二電阻 N1:第一輸入端 N2:第二輸入端 N3:輸出端 Na:第一端 Nb:第二端 Nc:控制端 Nt:觸發端

St:觸發訊號

Vin:輸入電壓

Vout:輸出電壓

Vref:參考電壓

Vfb:回授電壓

Vg:觸發電壓

S201-S205:步驟

第1圖所示為根據本揭示內容之部份實施例的線性穩壓器示意圖。 第2圖所示為根據本揭示內容之部份實施例的線性穩壓方法的流程示意圖。

100:線性穩壓器 110:誤差放大電路 120:回授電路 130:控制電路 200:負載 T1:開關元件 C1:觸發元件 R1:第一電阻 R2:第二電阻 N1:第一輸入端 N2:第二輸入端 N3:輸出端 Nt:觸發端 Na:第一端 Nb:第二端 Nc:控制端

St:觸發訊號

Vin:輸入電壓

Vout:輸出電壓

Vref:參考電壓

Vfb:回授電壓

Vg:觸發電壓

Claims (10)

1. 一種線性穩壓器，包含：一開關元件，包含一第一端、一第二端及一控制端，其中該開關元件用以透過該第一端接收一輸入電壓，且用以透過該第二端輸出一輸出電壓至一負載； 一誤差放大電路，包含一第一輸入端、一第二輸入端及一輸出端，其中該第一輸入端用以接收一參考電壓，且該輸出端電性連接於該控制端； 一回授電路，電性連接於該開關元件的該第二端及該誤差放大電路的該第二輸入端之間；以及 一觸發元件，電性連接於該控制端及該負載之間，用以自該負載接收一觸發訊號，其中該觸發元件用以根據該觸發訊號輸出一觸發電壓至該控制端，且該開關元件用以根據該觸發電壓改變該輸出電壓。
2. 如請求項1所述之線性穩壓器，其中該觸發元件為一電容器。
3. 如請求項1所述之線性穩壓器，其中該觸發電壓用以提昇該控制端的電壓值，且該開關元件用以根據該觸發電壓提昇該輸出電壓。
4. 如請求項1所述之線性穩壓器，其中該回授電路包含一第一電阻及一第二電阻，該誤差放大電路的該第二輸入端電性連接於該第一電阻及該第二電阻之間，且該回授電路的阻抗值介於1千～3千歐姆之間。
5. 一種線性穩壓方法，包含： 透過一開關元件的一第一端接收一輸入電壓，且透過該開關元件的一第二端輸出一輸出電壓至一負載； 透過一回授電路，根據該輸出電壓傳送一回授電壓至一誤差放大電路； 透過該誤差放大電路，比較一參考電壓與該回授電壓以控制該開關元件之一控制端的電壓值； 透過一觸發元件，接收一觸發訊號且在該控制端上產生一觸發電壓，其中該觸發訊號用以控制該負載驅動該負載內的一電路；以及 根據該觸發電壓改變該輸出電壓。
6. 如請求項5所述之線性穩壓方法，其中該觸發元件為一電容器，該電容器透過該負載或一控制電路接收該觸發訊號。
7. 如請求項5所述之線性穩壓方法，其中該觸發電壓用以提昇該控制端的電壓值，且該線性穩壓方法還包含： 透過該開關元件，根據該觸發電壓提昇該輸出電壓。
8. 一種線性穩壓器，包含： 一控制電路，用以提供一觸發訊號至一負載，以驅動該負載內的一電路； 一開關元件，包含一第一端、一第二端及一控制端，其中該開關元件用以透過該第一端接收一輸入電壓，且透過該第二端輸出一輸出電壓至該負載； 一誤差放大電路，包含一第一輸入端、一第二輸入端及一輸出端，其中該第一輸入端用以接收一參考電壓，且該輸出端電性連接於該開關元件的一控制端； 一回授電路，電性連接於該開關元件的該第二端及該誤差放大電路之該第二輸入端之間；以及 一觸發元件，電性連接於該控制端及該控制電路之間，用以自該控制電路接收一觸發訊號，其中該觸發元件用以根據該觸發訊號輸出一觸發電壓至該控制端，且該開關元件用以根據該觸發電壓改變該輸出電壓。
9. 如請求項8所述之線性穩壓器，其中該觸發元件為一電容器，該觸發電壓用以提昇該控制端的電壓值，且該開關元件用以根據該觸發電壓提昇該輸出電壓。
10. 如請求項8所述之線性穩壓器，其中該回授電路包含一第一電阻及一第二電阻，該誤差放大電路的該第二輸入端電性連接於該第一電阻及該第二電阻之間，且該回授電路的阻抗值介於1千～3千歐姆之間。

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