TWI829272B - 電壓產生裝置 - Google Patents
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Abstract
電壓產生裝置包括低壓降電壓調整器以及控制信號產生器。低壓降電壓調整器提供輸出電壓至電源分佈網路。低壓降電壓調整器具有回授電路，回授電路根據分壓比來分壓輸出電壓以產生回授電壓，其中回授電路根據多個控制信號以設定分壓比。控制信號產生器耦接回授電路以及電源分佈網路，使電源分佈網路的參考點上的感測電壓與多個閾值電壓比較以產生控制信號。
Description
本發明是有關於一種電壓產生裝置，且特別是有關於一種可針對負載狀態與電源網路進行補償的電壓產生裝置。
在習知技術中，常透過低壓降電壓調整器來提供輸出電壓至電源分佈網路，並使連接至電源分佈網路的多個電路可以進行運作。而由於電源分佈網路中的內部電阻所產生的電阻電壓降（IR-drop），在不同程度的抽載狀態下，電源分佈網路上的電壓可能產生大幅度的變化，並可能造成電源分佈網路上的電路產生誤動作的可能。因此，如何提供合適的電壓產生裝置，可穩定提供電源分佈網路穩定的電壓，是本領域技術人員的重要課題。
本發明提供一種電壓產生裝置，可因應電源分佈網路的負載電流來調整所產生的輸出電壓。
本發明的電壓產生裝置包括低壓降電壓調整器以及控制信號產生器。低壓降電壓調整器提供輸出電壓至電源分佈網路，低壓降電壓調整器具有回授電路，回授電路根據分壓比來分壓輸出電壓以產生回授電壓，其中回授電路根據多個控制信號以設定分壓比。控制信號產生器耦接回授電路以及電源分佈網路，使電源分佈網路的參考點上的感測電壓與多個閾值電壓比較以產生控制信號。
基於上述，本發明的電壓產生裝置可根據電源分佈網路的參考點上的感測電壓來調整低壓降電壓調整器中回授電路用以產生輸出電壓的分壓比。如此一來，電壓產生裝置的輸出電壓可動態的根據電源分佈網路的抽載狀態來調整輸出電壓的電壓值，有效提升輸出電壓的穩定性，維持系統的正常運作。
請參照圖1，圖1繪示本發明一實施例的電壓產生裝置的示意圖。電壓產生裝置100耦接至電源分佈網路PDN，並用以提供所產生的輸出電壓VLDO至電源分佈網路PDN提供其電源VDD。電壓產生裝置100包括低壓降電壓調整器110以及控制信號產生器120。控制信號產生器120耦接至低壓降電壓調整器110以及電源分佈網路PDN。其中，低壓降電壓調整器110具有一回授電路（未繪示），回授電路用以根據一分壓比來分壓輸出電壓VLDO並產生回授電壓，低壓降電壓調整器110則可根據回授分壓比來調整所產生的輸出電壓VLDO的電壓值。
在本實施例中，控制信號產生器120耦接至電源分佈網路PDN的一參考點RT，並接收電源分佈網路PDN的參考點RT上的感測電壓VSEN。控制信號產生器120接收多個閾值電壓VTHx，並使感測電壓VSEN與多個閾值電壓VTHx進行比較，以分別產生多個控制信號CTx。進一步的，控制信號產生器120可提供控制信號CTx至低壓降電壓調整器110。低壓降電壓調整器110則可根據控制信號CTx來調整回授電路所提供的分壓比。
在細節上，當電源分佈網路PDN由輕負載變更為重負載時，電源分佈網路PDN的參考點RT上的感測電壓VSEN對應降低。控制信號產生器120則可透過感測電壓VSEN與閾值電壓VTHx的比較結果，以產生控制信號CTx，並透過控制信號CTx來調整回授電路所提供的分壓比以使輸出電壓VLDO的電壓值被調高來因應電源分佈網路PDN上的負載變化。相對的，當電源分佈網路PDN由重負載變更為輕負載時，電源分佈網路PDN的參考點RT上的感測電壓VSEN對應升高。控制信號產生器120可透過感測電壓VSEN與閾值電壓VTHx的比較結果，以產生控制信號CTx，並透過控制信號CTx來調整回授電路所提供的分壓比以使輸出電壓VLDO的電壓值被調低來因應電源分佈網路PDN上的負載變化。
附帶一提的，本發明實施例中的閾值電壓VTHx可以根據因電源分佈網路PDN的負載變化所可能產生的感測電壓VSEN的變化範圍來設置。此外，電源分佈網路PDN的參考點RT可以被設置在電源分佈網路PDN具有最重負載的端點。
以下請參照圖2，圖2繪示本發明另一實施例的電壓產生裝置的電路圖。電壓產生裝置200耦接至電源分佈網路PDN，並用以提供所產生的輸出電壓VLDO至電源分佈網路PDN。電壓產生裝置200包括低壓降電壓調整器210以及控制信號產生器220。其中，低壓降電壓調整器210包括放大器AMP1、功率電晶體M1以及回授電路211。回授電路211包括電阻R1以及R2。電阻R1以及R2依序串聯耦接在電晶體M1以及參考接地端GND間。回授電路211用以分壓輸出電壓VLDO以產生回授電壓VFB。
放大器AMP1的負輸入端接收參考電壓REF，放大器AMP1的正輸入端則接收回授電壓VFB。放大器AMP1的輸出端耦接至電晶體M1的控制端。另外，電晶體M1的第一端接收輸入電壓VIN，電晶體M1的第二端作為電壓產生裝置200的輸出端，用以產生輸出電壓VLDO，並耦接至回授電路211。
值得一提的，電阻R2為可變電阻。其中，電阻R2的電阻值可根據控制信號CT1、CT2來進行電阻值的調整。控制信號CT1、CT2由控制信號產生器220來產生。控制信號產生器220包括比較器CMP1以及CMP2。比較器CMP1使閾值電壓VTH1與電源分佈網路PDN的參考點RT上的感測電壓VSEN比較並產生控制信號CT1。比較器CMP2則使閾值電壓VTH2與電源分佈網路PDN的參考點RT上的感測電壓VSEN比較並產生控制信號CT2。以閾值電壓VTH1大於VTH2為範例。當感測電壓VSEN大於閾值電壓VTH1時，控制信號產生器220可產生皆為禁能的控制信號CT1、CT2以使電阻R2等於一第一電阻；當感測電壓VSEN介於閾值電壓VTH1以及VTH2時，控制信號產生器220可產生分別為致能及禁能的控制信號CT1、CT2以使電阻R2等於一第二電阻；當感測電壓VSEN小於閾值電壓VTH2時，控制信號產生器220則可產生皆為致能的控制信號CT1、CT2以使電阻R2等於一第三電阻，其中第一電阻大於第二電阻，第二電阻則大於第三電阻。
值得注意的，控制信號產生器220中也可建構兩個以上的比較器，並據以產生兩個以上的控制信號。如此一來，可針對電阻R2進行多段式的調整，提升分壓比在調整上的解析度。
由上述的說明不難得知，電壓產生裝置200所產生的輸出電壓VLDO可以根據電源分佈網路PDN的負載狀態來適應性的調整，減低輸出電壓VLDO因負載狀態變化所產生的不穩定時間，餅提升系統的工作的穩定度。
以下請參照圖3，圖3繪示本發明另一實施例的電壓產生裝置的電路圖。電壓產生裝置300耦接至電源分佈網路PDN，並用以提供所產生的輸出電壓VLDO至電源分佈網路PDN。電壓產生裝置300包括低壓降電壓調整器310、控制信號產生器320、閾值電壓產生器330以及偏壓電流產生器340。低壓降電壓調整器310以及控制信號產生器320的實施細節與前述實施例的低壓降電壓調整器210以及控制信號產生器220的實施細節相類似，此處不多贅述。
在本實施例中，閾值電壓產生器330包括放大器AMP2、功率電晶體M2以及電阻R3、R4。放大器AMP2、功率電晶體M2以及電阻R3、R4建構另一低壓降電壓調整器。放大器AMP2的負輸入端接收參考電壓VREF；放大器AMP2的正輸入端耦接至電阻R3以及R4相耦接的端點；放大器AMP2的輸出端耦接至功率電晶體M2的控制端。功率電晶體M2的第一端接收輸入電壓VIN，功率電晶體M2的第二端則耦接至電阻R3的第一端。電阻R3、R4依序串接在功率電晶體M2的第二端以及參考接地端GND間。其中參考電壓VREF可以等於參考電壓REF。
在本實施例中，針對使電源分佈網路PDN的參考點RT上的感測電壓VSEN的目標電壓VCORE進行設定，在使電阻R3與電阻R1相同的前提下，目標電壓VCORE =
。在當電源分佈網路PDN的參考點RT上具有負載電流IL時，目標電壓VCORE與電壓產生裝置300的輸出電壓VLDO間的關係可以寫成VCORE =
，其中Req等於電壓產生裝置300的輸出端與參考點RT間的等校等阻。
進一步來分析，目標電壓VCORE可以等於
，所以可以獲得R2 =
。如此一來，可以根據負載電流IL的變化，來針對電阻R2進行調整。
附帶一提的，當負載電流IL等於0時，電阻R2與R4相等。
在另一方面，與前述實施例不相同的，本實施例的電壓產生裝置300另設置偏壓電流產生器340。偏壓電流產生器340耦接至放大器AMP1以及控制號產生器320。偏壓電流產生器340接收控制號產生器320所產生的控制信號CT1、CT2，並根據控制信號CT1、CT2來提供偏壓電流至放大器AMP1。其中，偏壓電流產生器340所提供的偏壓電流的大小，可以與控制信號CT1、CT2被致能的數量正相關。
請注意，當電源分佈網路PDN上發生大的負載變化，偏壓電流產生器340可提供相對大的偏壓電流至放大器AMP1，以使放大器AMP1可提升反應速度，以使所產生的輸出電壓VLDO趨於穩定的狀態，提升系統的穩定性。
以下請參照圖4，圖4繪示本發明實施例的偏壓電流產生器的實施方式的示意圖。偏壓電流產生器400包括多個由電晶體建構的開關SW1~SWN，以及多個由電晶體MB1~MBN所建構的電流源。開關SW1~SWN分別於電晶體MB1~MBN串聯耦接。開關SW1~SWN彼此間相互並聯，電晶體MB1~MBN彼此間也相互並聯。開關SW1~SWN分別接收控制信號CT1~CTN。其中，各個開關SW1~SWN根據對應的各個控制信號CT1~CTN以被導通或斷開。以控制信號CT1為例，當控制信號CT1為致能時，對應的開關SW1被導通。相對的，當控制信號CT1為禁能時，對應的開關SW1被斷開。控制信號CT1~CTN可由如圖3所示的控制信號產生器320所提供。控制信號CT1~CTN的數量可以是2個或大於2個，沒有一定的限制。
電晶體MB1~MBN的控制端接收相同的偏壓電壓VBIAS。在對應的開關SW1~SWN導通時，各個電晶體MB1~MBN所形成的電流源可根據偏壓電壓VBIAS來提供偏壓電流IB。當開關SW1~SWN被導通的數量越多時，偏壓電流產生器400所提供的偏壓電流IB越大。
電晶體MB1~MBN彼此間可以具有相同的通道長寬比，或者也可以具有不相同的通道長寬比，沒有一定的限定。例如，電晶體MB1~MBN的通道長寬比也可以是1：2：…：2
N-1。
以下請同時參照圖3、圖5A以及圖5B，圖5A以及圖5B分別繪示本發明實施例的電壓產生裝置在不同負載狀態下的動作波形圖。在圖5A中，負載電流IL的波形可以為一單位步階（unit step）。基於負載電流IL的電流值足夠大，比較器CMP1、CMP2可同時產生被致能的控制信號CT1、CT2。相對應的，習知技術未進行補償的低壓降電壓調整器可產生的輸出電壓VLDO可以為電壓波形501。電壓波形501具有相對長的穩定時間，電壓波形501的過衝（overshoot）以及下衝（undershoot）的幅度最高，且電壓波形501最終的穩定電壓值也低於目標電壓。
另外，僅透過調整回授電路311的分壓比的補償動作，電壓產生裝置300所可以產生的輸出電壓VLDO可以為電壓波形502。可以清楚發現，透過調整回授電路311的分壓比的補償動作，輸出電壓VLDO的電壓波形502的最終的穩定電壓值可以接近於於目標電壓。
若僅透過偏壓電流產生器340的補償動作，電壓產生裝置300所可以產生的輸出電壓VLDO可以為電壓波形503。其中，電壓波形503可以具有相對短的穩定時間，且其過衝以及下衝的幅度可有效被減低。
若同時透過調整回授電路311的分壓比的補償動作，以及透過偏壓電流產生器340的補償動作，電壓產生裝置300所可以產生的輸出電壓VLDO則可以為電壓波形504。其中，電壓波形504可以具有相對短的穩定時間，其過衝以及下衝的幅度可有效被減低，且電壓波形504的最終的穩定電壓值可以接近於於目標電壓。
在圖5B中，負載電流IL的波形可以為連續性的脈波。對應於此，比較器CMP1、CMP2可同時產生被交錯致能以及禁能的控制信號CT1、CT2。其中，習知技術未進行補償的低壓降電壓調整器可產生的輸出電壓VLDO可以為電壓波形511。電壓波形511具有相對長的穩定時間，電壓波形511的過衝以及下衝的幅度最高，且電壓波形511最終的穩定電壓值也低於目標電壓。而本發明圖3實施例的電壓產生裝置300則可產生相對短的穩定時間；實施例電壓波形512具有相對低過衝以及下衝幅度；且最終的穩定電壓值也接近於目標電壓的電壓波形。
綜上所述，本發明的電壓產生裝置透過接收電源分佈網路上的感測電壓，並透過使感測電壓與多個閾值電壓進行比較，來進行低壓降電壓調整器的回授電路的分壓比的調整動作。因應負載量的大小，電壓產生裝置可適應性的調整所產生的輸出電壓的電壓值，可有效提升輸出電壓的穩定性，並維持系統的正常運作。
100、200、300:電壓產生裝置
110、210、310:低壓降電壓調整器
120、220、320:控制信號產生器
211、321:回授電路
330:閾值電壓產生器
340、400:偏壓電流產生器
501~504、511、512:電壓波形
AMP1、AMP2:放大器
CMP1、CMP2:比較器
CTx、CT1~CTN:控制信號
GND:參考接地端
IB:偏壓電流
IL:負載電流
M1、M2:功率電晶體
MB1~MBN:電晶體
PDN:電源分佈網路
R1~R4:電阻
RT:參考點
SW1~SWN:開關
VBIAS:偏壓電壓
VDD:電源
VIN:輸入電壓
VFB:回授電壓
VLDO:輸出電壓
VREF、REF:參考電壓
VSEN:感測電壓
VTHx、VTH1、VTH2:閾值電壓
圖1繪示本發明一實施例的電壓產生裝置的示意圖。
圖2繪示本發明另一實施例的電壓產生裝置的電路圖。
圖3繪示本發明另一實施例的電壓產生裝置的電路圖。
圖4繪示本發明實施例的偏壓電流產生器的實施方式的示意圖。
圖5A以及圖5B分別繪示本發明實施例的電壓產生裝置在不同負載狀態下的動作波形圖。
100:電壓產生裝置
110:低壓降電壓調整器
120:控制信號產生器
CTx:控制信號
PDN:電源分佈網路
RT:參考點
VDD:電源電壓
VIN:輸入電壓
VLDO:輸出電壓
VSEN:感測電壓
VTHx:閾值電壓
Claims (10)
- 一種電壓產生裝置，包括：一低壓降電壓調整器，提供一輸出電壓至一電源分佈網路，該低壓降電壓調整器具有一回授電路，該回授電路根據一分壓比來分壓該輸出電壓以產生一回授電壓，其中該回授電路根據多個控制信號以設定該分壓比；以及一控制信號產生器，耦接該回授電路以及該電源分佈網路，使該電源分佈網路的一參考點上的一感測電壓與多個閾值電壓比較以產生該些控制信號。
- 如請求項1所述的電壓產生裝置，其中該回授電路包括一第一電阻以及一第二電阻，該第一電阻與該第二電阻依序串接在該電壓產生裝置的輸出端與一參考接地端間。
- 如請求項2所述的電壓產生裝置，其中該第二電阻為一可變電阻，該回授電路根據該些控制信號以調整該第二電阻的電阻值。
- 如請求項1所述的電壓產生裝置，其中該控制信號產生器包括一第一比較器以及一第二比較器，該第一比較器使該感測電壓與一第一閾值電壓比較以產生一第一控制信號，該第二比較器使該感測電壓與一第二閾值電壓比較以產生一第二控制信號，其中該第一閾值電壓與該第二閾值電壓不相同，其中該第一比較器在該感測電壓小於該第一閾值電壓時使該第一控制信號被致 能，該第二比較器在該感測電壓小於該第二閾值電壓時使該第二控制信號被致能。
- 如請求項1所述的電壓產生裝置，其中該參考點為該電源分佈網路上具有最重負載的端點。
- 如請求項1所述的電壓產生裝置，其中該低壓降電壓調整器更包括：一放大器，具有負輸入端以接收一參考電壓，該放大器的正輸入端接收該回授電壓；以及一功率電晶體，具有第一端接收一輸入電壓，該功率電晶體的控制端耦接至該放大器的輸出端，該功率電晶體的第二端耦接至該回授電路並用以產生該輸出電壓，其中該功率電晶體的第一端為源極端，該功率電晶體的第二端為汲極端。
- 如請求項6所述的電壓產生裝置，更包括：一偏壓電流產生器，耦接至該功率電晶體以及該控制信號產生器，根據該些控制信號以調整提供至該功率電晶體的一偏壓電流的電流值。
- 如請求項7所述的電壓產生裝置，其中該偏壓電流產生器包括：多個開關，其中該些開關的第一端共同耦接至該放大器，各該開關受控於各該控制信號以被導通或斷開；以及多個電流源，分別與該些開關串聯耦接，根據一偏壓電壓以分別產生多個子偏壓電流。
- 請求項8所述的電壓產生裝置，其中各該電流源包括：一電晶體，串聯耦接在對應的各該開關與一參考接地端間，該電晶體在對應的各該開關導通時，根據該偏壓電壓以產生各該子偏壓電流。
- 請求項1所述的電壓產生裝置，更包括：一閾值電壓產生器，用以產生一第一閾值電壓，並提供一電阻串以分壓該第一閾值電壓來產生至少一第二閾值電壓，其中該閾值電壓產生器為一低壓降電壓調整器。
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