TWI869023B - 低壓降穩壓器及其操作方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提供低壓降(簡稱LDO)穩壓器及其操作方法。該LDO穩壓器可包含參考電壓產生電路、操作放大器、電晶體以及多階段配置切換控制電路。該操作方法可包含：進行第一配置操作以啟用對應於第一階段的第一專用電流路徑，以容許使用於LDO穩壓模式中之目標參考電壓於進行第一配置操作後達到第一預定範圍；進行第二配置操作以啟用對應於第二階段的第二專用電流路徑，以容許目標參考電壓於進行第二配置操作後達到第二預定範圍；以及進行第三配置操作，以容許目標參考電壓於進行第三配置操作後被使用作為於LDO穩壓模式中輸入至操作放大器的參考電壓。

Description

低壓降穩壓器及其操作方法
本發明係有關於電路設計，尤指一種低壓降(Low-dropout,LDO)穩壓器及其操作方法。
依據相關技術，一電壓調節器(voltage regulator)例如一傳統的低壓降穩壓器(LDO regulator；亦可稱為LDO穩壓器/調節器)可被設置於一電子裝置中，以供依據一來源電壓來產生一穩定的電壓。舉例來說，該來源電壓可以帶有雜訊，而該電子裝置中的某些電路可以使用該穩定的電壓以避免受到上述雜訊的影響。當不需要使用這些電路時，該電子裝置可暫時關閉該傳統的低壓降穩壓器以節省電源。當需要使用這些電路時，該電子裝置可開啟該傳統的低壓降穩壓器。該傳統的低壓降穩壓器達到穩定狀態的時間可以相當長。相關技術中可提出一個或多個建議以嘗試解決這個問題，但看起來沒有確實解決這個問題。舉例來說，該傳統的低壓降穩壓器達到穩定狀態的平均時間可超過10微秒(microseconds,μs)，而該電子裝置可能需要等待更長時間例如20毫秒(milliseconds,ms)以避免由於達到穩定狀態的時間之任何變化所造成的任何錯誤，這對於高速操作的需求而言可能太長。因此，需要一種新穎的方法以及相關架構以在不引入任何副作用的狀況下或藉由不太可能引入副作用的方式解決這個問題。
本發明的目的之一在於提供一種低壓降穩壓器及其操作方法，以解決上述問題以及提升整體效能。
本發明之至少一實施例提供了一種低壓降穩壓器。該低壓降穩壓器可包含一參考電壓產生電路、耦接至該參考電壓產生電路的一操作放大器、耦接至該操作放大器的一電晶體、以及耦接至該參考電壓產生電路、該操作放大器和該電晶體的一多階段配置切換控制電路。該參考電壓產生電路可用來產生至少一參考電壓；該操作放大器可用來於該低壓降穩壓器的一低壓降穩壓模式中透過負反饋來控制該低壓降穩壓器的一輸出電壓；該電晶體可用來於該低壓降穩壓模式中在該操作放大器的控制下產生該低壓降穩壓器的該輸出電壓，以供進一步使用；以及該多階段配置切換控制電路可用來進行多階段配置切換控制以對該低壓降穩壓器的電路架構進行多個配置操作。舉例來說，該多階段配置切換控制電路對該低壓降穩壓器的該電路架構進行一第一配置操作以啟用(enable)對應於一第一階段的一第一專用電流路徑，以容許使用於該低壓降穩壓模式中之一目標參考電壓於進行該第一配置操作後達到一第一預定範圍；該多階段配置切換控制電路對該低壓降穩壓器的該電路架構進行一第二配置操作以啟用對應於一第二階段的一第二專用電流路徑，以容許該目標參考電壓於進行該第二配置操作後達到一第二預定範圍；以及該多階段配置切換控制電路對該低壓降穩壓器的該電路架構進行一第三配置操作，以容許該目標參考電壓於進行該第三配置操作後被使用作為於該低壓降穩壓模式中輸入至該操作放大器的參考電壓。
本發明之至少一實施例提供了一種操作方法，其係可應用於(applicable to)上述低壓降穩壓器。該操作方法可包含：利用該多階段配置切換控制電路對該低壓降穩壓器的該電路架構進行該第一配置操作以啟用對應於該第一階段的該第一專用電流路徑，以容許使用於該低壓降穩壓模式中之該目 標參考電壓於進行該第一配置操作後達到該第一預定範圍；利用該多階段配置切換控制電路對該低壓降穩壓器的該電路架構進行該第二配置操作以啟用對應於該第二階段的該第二專用電流路徑，以容許該目標參考電壓於進行該第二配置操作後達到該第二預定範圍；以及利用該多階段配置切換控制電路對該低壓降穩壓器的該電路架構進行該第三配置操作，以容許該目標參考電壓於進行該第三配置操作後被使用作為於該低壓降穩壓模式中輸入至該操作放大器的參考電壓。
本發明的低壓降穩壓器及其操作方法可透過多階段控制來進行參考電壓初步設定，尤其，加速參考電壓初步設定，以使該目標參考電壓快速達到一預定電壓位準。此外，本發明的低壓降穩壓器及其操作方法可在不引入任何副作用的狀況下或藉由不太可能引入副作用的方式來解決相關技術的問題。
100A,100B:低壓降(LDO)穩壓器
101:參考電壓產生電路
102:參考電壓產生器
103:參考電壓轉換器
104:操作放大器(OPA)
106:電晶體
110:多階段配置切換控制電路
120:自動快速設定(AF)控制電路
130:電流控制電路
BIAS:偏置源
C1~C3:電容
MN1:N型金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)
MP1:P型金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)
PWR:電源線
R1,R2:電阻
SW1~SW4:開關電路
FASTSET:系統控制訊號
I:電流
POW_LDO:電源控制訊號
VA,VB:電壓位準
VDD:電源電壓
VIP,VIN:輸入電壓
VOP,LDO_OUT:輸出電壓
VR1,VR2:參考電壓
VREF:目標參考電壓
VREF_SHORT,VAUTO_FASTSET,VAUTO_FASTSET_B,AF:控制訊號
Phase1~Phase3:階段
Phase3a,Phase3b:子階段
S11~S13:步驟
第1圖為依據本發明一實施例的一種低壓降穩壓器的示意圖。
第2圖為依據本發明另一實施例的一種低壓降穩壓器的示意圖。
第3A圖依據本發明一實施例繪示第1圖所示電路架構於一第一階段中的配置。
第3B圖依據本發明一實施例繪示第2圖所示電路架構於該第一階段中的配置。
第4A圖依據本發明一實施例繪示第1圖所示電路架構於一第二階段中的配置。
第4B圖依據本發明一實施例繪示第2圖所示電路架構於該第二階段中的配置。
第5A圖依據本發明一實施例繪示第1圖所示電路架構於一第三階段中的配置。
第5B圖依據本發明一實施例繪示第2圖所示電路架構於該第三階段中的配置。
第6圖依據本發明一實施例繪示相關訊號的時序圖。
第7圖依據本發明一實施例繪示一種低壓降穩壓器的操作方法之一工作流程。
本發明的多個實施例提供了一種能夠透過多階段控制來進行參考電壓初步設定(preliminary setting)之低壓降穩壓器，以使該低壓降穩壓器於被開啟後立即達到穩定狀態，以容許採用該低壓降穩壓器的一電子裝置立即使用該低壓降穩壓器，以提升整體效能。舉例來說，該低壓降穩壓器的一輸出電壓可快速地達到一預定電壓位準，以容許該電子裝置的至少一內部電路(例如：一個或多個內部電路)依據已經達到該預定電壓位準之該輸出電壓來操作。當不需要使用上述至少一內部電路時，該電子裝置可暫時地關閉該低壓降穩壓器以節省電源。當需要使用上述至少一內部電路時，該電子裝置可再度開啟該低壓降穩壓器。相仿地，該低壓降穩壓器於再度被開啟後可立即達到穩定狀態，以容許該電子裝置(或其內的上述至少一內部電路)立即使用該低壓降穩壓器，以提升整體效能。
第1圖為依據本發明一實施例的一種低壓降穩壓器100A的示意圖，其中低壓降穩壓器100A可作為本發明的上述低壓降穩壓器的例子。低壓降穩壓器100A可包含一參考電壓產生電路101、一操作放大器(operational amplifier)104(標示“OPA”以求簡明)、一電晶體106、一多階段配置切換控制電路110、一自動快速設定(automatic fast-set,AF)控制電路120(標示“AF控制電路”以求簡明)、一電流控制電路130、多個電阻{R1,R2}、多個電容{C1,C2,C3}、多個開關電路{SW1,SW2,SW3,SW4}以及用以提供一電源電壓VDD的一電源線PWR，而上列這些元件可彼此耦接如第1圖所示，其中參考電壓產生電路101可包含一參考電壓產生器102和一參考電壓轉換器103，電晶體106可藉由一金屬氧化物半導體場效電晶體(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，簡稱MOSFET)例如一N型MOSFET MN1來實現，且在操作放大器104的多個輸入端 子中，分別用以接收輸入電壓VIP和VIN的一第一輸入端子和一第二輸入端子可分別代表正輸入端子和負輸入端子(分別標示“+”和“-”於代表該操作放大器的三角形“LDO OP”中以求簡明)，但本發明不限於此。依據某些實施例，第1圖所示的電路架構可予以變化。
第2圖為依據本發明另一實施例的一種低壓降穩壓器100B的示意圖，其中低壓降穩壓器100B可作為本發明的上述低壓降穩壓器的例子。低壓降穩壓器100B可包含參考電壓產生電路101、操作放大器104(標示“OPA”以求簡明)、電晶體106、多階段配置切換控制電路110、自動快速設定控制電路120(標示“AF控制電路”以求簡明)、電流控制電路130、電阻{R1,R2}、電容{C1,C2,C3}、開關電路{SW1,SW2,SW3,SW4}以及電源線PWR，而上列這些元件可彼此耦接如第2圖所示，其中電晶體106可藉由該MOSFET例如一P型MOSFET MP1來實現，且在操作放大器104的該多個輸入端子中，分別用以接收輸入電壓VIP和VIN的該第一輸入端子和該第二輸入端子可分別代表負輸入端子和正輸入端子(分別標示“-”和“+”於代表該操作放大器的三角形“LDO OP”中以求簡明)，但本發明不限於此。依據某些實施例，第2圖所示的電路架構可予以變化。
如第1圖和第2圖中的任一圖所示，本發明的低壓降穩壓器(例如低壓降穩壓器100A或100B)可利用參考電壓產生電路101產生至少一參考電壓，利用操作放大器104於該低壓降穩壓器的一低壓降穩壓模式中透過負反饋來控制該低壓降穩壓器的輸出電壓LDO_OUT，以及利用電晶體106於該低壓降穩壓模式中，在操作放大器104的控制下產生該低壓降穩壓器的輸出電壓LDO_OUT，以供進一步使用。尤其，本發明的低壓降穩壓器(例如低壓降穩壓器100A或100B)可利用多階段配置切換控制電路110進行多階段配置切換控制以對該低壓降穩壓器的電路架構(例如：第1圖或第2圖所示的電路架構)進行多個配置操作。 舉例來說，針對該多階段配置切換控制之相關操作可包含： (1)多階段配置切換控制電路110可對該低壓降穩壓器的該電路架構進行一第一配置操作以啟用對應於一階段Phase1的一第一專用電流路徑(例如：從電源線PWR開始、通過電流控制電路130和開關電路SW3且達到電容C1的上方端子的電流路徑)，以容許使用於該低壓降穩壓模式中之一目標參考電壓VREF於進行該第一配置操作後達到一第一預定範圍； (2)多階段配置切換控制電路110可對該低壓降穩壓器的該電路架構進行一第二配置操作以啟用對應於一階段Phase2的一第二專用電流路徑(例如：從參考電壓轉換器103開始、通過開關電路SW1且達到電容C1的上方端子的電流路徑)，以容許目標參考電壓VREF於進行該第二配置操作後達到一第二預定範圍；以及 (3)多階段配置切換控制電路110可對該低壓降穩壓器的該電路架構進行一第三配置操作，以容許目標參考電壓VREF於進行該第三配置操作後被使用作為於該低壓降穩壓模式中輸入至操作放大器104的參考電壓； 但本發明不限於此。依據某些實施例，針對該多階段配置切換控制之相關操作可予以變化。
另外，達到該第一預定範圍可包含超過一電壓位準VB，以及達到該第二預定範圍可包含趨近一電壓位準VA，其中電壓位準VB小於電壓位準VA，尤其，略小於電壓位準VA。舉例來說，上述至少一參考電壓可包含等於電壓位準VA之一參考電壓VR1以及等於電壓位準VB之一參考電壓VR2。參考電壓產生器102可產生參考電壓VR1，且參考電壓轉換器103可對參考電壓VR1進行電壓轉換以產生參考電壓VR2，並且控制參考電壓VR1和參考電壓VR2之間的差值(VR1-VR2)等於一預定差值(VA-VB)，亦即，電壓位準VA和電壓位準VB之間的差值(VA-VB)，以供多階段配置切換控制電路110加速設定目標參考電壓VREF。
此外，多階段配置切換控制電路110可產生多個控制訊號{VREF_SHORT,VAUTO_FASTSET,VAUTO_FASTSET_B}以控制開關電路{SW1,SW2,SW3,SW4}對該低壓降穩壓器的該電路架構進行該多個配置操作(例如：該第一配置操作、該第二配置操作和該第三配置操作)中的任一配置操作，其中控制訊號VAUTO_FASTSET_B可代表控制訊號VAUTO_FASTSET的反向訊號。如第1圖和第2圖中的任一圖所示，在操作放大器104的該多個輸入端子中，用以接收輸入電壓VIP的該第一輸入端子可透過電阻R1耦接至參考電壓產生器102的輸出端子，而於進行該第二配置操作或該第三配置操作後，用以接收輸入電壓VIN的該第二輸入端子可透過一負反饋路徑(其上設置有開關電路SW4)耦接至電晶體106的一第一端子，例如在電晶體106的多個端子中，用以輸出該低壓降穩壓器的輸出電壓LDO_OUT之下方端子。以第1圖所示的電路架構為例，用以接收輸入電壓VIN的該第二輸入端子可透過該負反饋路徑耦接至該N型MOSFET MN1的源極(source)端子。以第2圖所示的電路架構為例，用以接收輸入電壓VIN的該第二輸入端子可透過該負反饋路徑耦接至該P型MOSFET MP1的汲極(drain)端子。
在該低壓降穩壓器的電路架構(例如：第1圖或第2圖所示的電路架構)中，參考電壓產生器102可藉由帶隙(bandgap)參考電壓產生電路等方式來實施，參考電壓轉換器103可藉由分壓電阻、二極體連接的電晶體(diode-connected transistor)諸如二極體連接的MOSFET(例如：閘極(gate)端子和汲極端子彼此連接的MOSFET)等方式來實施，多階段配置切換控制電路110和自動快速設定控制電路120可藉由邏輯電路等方式來實施，電流控制電路130可藉由各種電晶體諸如MOSFET(例如：N型MOSFET及/或P型MOSFET)、固定電阻值的電阻、可變電阻等方式來實施，且開關電路{SW1,SW2,SW3,SW4}可藉由各種電晶體諸如MOSFET(例如：N型MOSFET及/或P型MOSFET) 等方式來實施，但本發明不限於此。
第3A圖依據本發明一實施例繪示第1圖所示電路架構於階段Phase1中的配置。在第1圖所示的多階段配置切換控制電路110(或其所產生及輸出的控制訊號{VREF_SHORT,VAUTO_FASTSET,VAUTO_FASTSET_B})之控制下，開關電路{SW1,SW2,SW3,SW4}可操作如第3A圖所示，以容許多階段配置切換控制電路110對低壓降穩壓器100A的電路架構進行該第一配置操作。舉例來說，多階段配置切換控制電路110可開啟開關電路SW2和SW3且關閉開關電路SW1和SW4。
第3B圖依據本發明一實施例繪示第2圖所示電路架構於階段Phase1中的配置。在第2圖所示的多階段配置切換控制電路110(或其所產生及輸出的控制訊號{VREF_SHORT,VAUTO_FASTSET,VAUTO_FASTSET_B})之控制下，開關電路{SW1,SW2,SW3,SW4}可操作如第3B圖所示，以容許多階段配置切換控制電路110對低壓降穩壓器100B的電路架構進行該第一配置操作。舉例來說，多階段配置切換控制電路110可開啟開關電路SW2和SW3且關閉開關電路SW1和SW4。
如第3A圖和第3B圖中的任一圖所示，進行該第一配置操作可包含：(1)啟用對應於階段Phase1的該第一專用電流路徑(例如：從電源線PWR開始、通過電流控制電路130和開關電路SW3且達到電容C1的上方端子的電流路徑)，以依據電源電壓VDD對目標參考電壓VREF進行一第一初步設定操作，以供加速目標參考電壓VREF達到該第一預定範圍；(2)將操作放大器104的該多個輸入端子(例如：分別用以接收輸入電壓VIP和VIN的該第一輸入端子和該第二輸入端子)分別耦接至目標參考電壓VREF和參考電壓VR2，以使操作放大器104充當一比較器，以供比較目標參考電壓VREF和參考電壓VR2；以及 (3)斷開連接(disconnect)操作放大器104的該第二輸入端子(例如：用以接收輸入電壓VIN的該第二輸入端子)以及電晶體106的該第一端子(例如：用以輸出該低壓降穩壓器的輸出電壓LDO_OUT之下方端子)之間的該負反饋路徑，以停用(disable)使用於該低壓降穩壓模式中之該負反饋路徑；其中於該低壓降穩壓模式中，電晶體106的該第一端子係用來輸出該低壓降穩壓器的輸出電壓LDO_OUT，但本發明不限於此。另外，自動快速設定控制電路120可耦接至操作放大器104的一輸出端子(例如：用以產生輸出電壓VOP的該輸出端子)，且可從操作放大器104接收目標參考電壓VREF和參考電壓VR2之一比較結果，以根據該比較結果產生一控制訊號AF。電流控制電路130可耦接至自動快速設定控制電路120，且可依據控制訊號AF控制該第一專用電流路徑上的電流I，以供加速目標參考電壓VREF達到該第一預定範圍。
第4A圖依據本發明一實施例繪示第1圖所示電路架構於階段Phase2中的配置。在第1圖所示的多階段配置切換控制電路110(或其所產生及輸出的控制訊號{VREF_SHORT,VAUTO_FASTSET,VAUTO_FASTSET_B})之控制下，開關電路{SW1,SW2,SW3,SW4}可操作如第4A圖所示，以容許多階段配置切換控制電路110對低壓降穩壓器100A的電路架構進行該第二配置操作。舉例來說，多階段配置切換控制電路110可開啟開關電路SW1和SW4且關閉開關電路SW2和SW3。
第4B圖依據本發明一實施例繪示第2圖所示電路架構於階段Phase2中的配置。在第2圖所示的多階段配置切換控制電路110(或其所產生及輸出的控制訊號{VREF_SHORT,VAUTO_FASTSET,VAUTO_FASTSET_B})之控制下，開關電路{SW1,SW2,SW3,SW4}可操作如第4B圖所示，以容許多階段配置切換控制電路110對低壓降穩壓器100B的電路架構進行該第二配置操作。舉例來說，多階段配置切換控制電路110可開啟開關電路SW1和SW4且關閉開關電路 SW2和SW3。
如第4A圖和第4B圖中的任一圖所示，進行該第二配置操作可包含：(1)停止將操作放大器104的該第二輸入端子(例如：用以接收輸入電壓VIN的該第二輸入端子)耦接至參考電壓VR2、且將操作放大器104的該第二輸入端子耦接至電晶體106的該第一端子(例如：用以輸出該低壓降穩壓器的輸出電壓LDO_OUT之下方端子)，以啟用使用於該低壓降穩壓模式中之該負反饋路徑；(2)停用對應於階段Phase1的該第一專用電流路徑(例如：從電源線PWR開始、通過電流控制電路130和開關電路SW3且達到電容C1的上方端子的電流路徑)，其中該第一專用電流路徑於階段Phase1中可耦接於電源線PWR和操作放大器104的該第一輸入端子(例如：用以接收輸入電壓VIP的該第一輸入端子)之間，且於階段Phase2中可不再被耦接於電源線PWR和操作放大器104的該第一輸入端子之間；以及(3)啟用對應於階段Phase2的該第二專用電流路徑(例如：從參考電壓轉換器103開始、通過開關電路SW1且達到電容C1的上方端子的電流路徑)以使操作放大器104的該第一輸入端子(例如：用以接收輸入電壓VIP的該第一輸入端子)耦接至參考電壓VR2，以強制設定目標參考電壓VREF等於參考電壓VR2，以供減少於階段Phase1中產生的目標參考電壓VREF相對於該第二預定範圍之任何偏離以加速目標參考電壓VREF達到該第二預定範圍；但本發明不限於此。另外，啟用對應於階段Phase2的該第二專用電流路徑的時間可包含階段Phase2的至少一部分(例如一部分或全部)。舉例來說，啟用對應於階段Phase2的該第二專用電流路徑的時間可包含階段Phase2的一部分，尤其，達到一預定時間長度(例如：開關電路SW1的最大反應時間)。再舉一例，啟用對應於階段Phase2的該第二專用電流路徑的時間可包含階段Phase2的 全部。
第5A圖依據本發明一實施例繪示第1圖所示電路架構於一階段Phase3中的配置。在第1圖所示的多階段配置切換控制電路110(或其所產生及輸出的控制訊號{VREF_SHORT,VAUTO_FASTSET,VAUTO_FASTSET_B})之控制下，開關電路{SW1,SW2,SW3,SW4}可操作如第5A圖所示，以容許多階段配置切換控制電路110對低壓降穩壓器100A的電路架構進行該第三配置操作。舉例來說，多階段配置切換控制電路110可開啟開關電路SW4且關閉開關電路SW1、SW2和SW3。
第5B圖依據本發明一實施例繪示第2圖所示電路架構於階段Phase3中的配置。在第2圖所示的多階段配置切換控制電路110(或其所產生及輸出的控制訊號{VREF_SHORT,VAUTO_FASTSET,VAUTO_FASTSET_B})之控制下，開關電路{SW1,SW2,SW3,SW4}可操作如第5B圖所示，以容許多階段配置切換控制電路110對低壓降穩壓器100B的電路架構進行該第三配置操作。舉例來說，多階段配置切換控制電路110可開啟開關電路SW4且關閉開關電路SW1、SW2和SW3。
如第5A圖和第5B圖中的任一圖所示，進行該第三配置操作可包含：(1)停用對應於階段Phase2的該第二專用電流路徑(例如：從參考電壓轉換器103開始、通過開關電路SW1且達到電容C1的上方端子的電流路徑)，其中該第二專用電流路徑於階段Phase3中不再被用於將操作放大器104的該第一輸入端子(例如：用以接收輸入電壓VIP的該第一輸入端子)耦接至參考電壓VR2；其中於進行該第二配置操作後，多階段配置切換控制電路110可立即進行該第三配置操作，以使該第三配置操作緊接於該第二配置操作之後，但本發明不限於此。
第6圖依據本發明一實施例繪示相關訊號諸如電源控制訊號POW_LDO、系統控制訊號FASTSET、參考電壓VR1和VR2、目標參考電壓VREF、操作放大器104的輸出電壓VOP、控制訊號VAUTO_FASTSET和VREF_SHORT、以及該低壓降穩壓器的輸出電壓LDO_OUT的時序圖，其中電壓位準VA和VB以及階段Phase1、Phase2和Phase3連同階段Phase3的子階段Phase3a和Phase3b可被繪示於第6圖中以便於理解，但本發明不限於此。依據某些實施例，相關訊號、電壓位準VA和VB、階段Phase1、Phase2和Phase3、及/或子階段Phase3a和Phase3b可予以變化。另外，該電子裝置內的一上層電路(例如：至少一微控制器或處理器)可產生電源控制訊號POW_LDO以控制本發明的低壓降穩壓器(例如低壓降穩壓器100A或100B)的電源，以供於階段Phase1的開始時間點開啟該低壓降穩壓器以透過電源線PWR提供電源電壓VDD，並且可產生系統控制訊號FASTSET以控制上述至少一內部電路於子階段Phase3b使用該低壓降穩壓器。於某些實施例中，在階段Phase2的開始時間點之後，多階段配置切換控制電路110可依據系統控制訊號FASTSET(或其轉態(state transition))控制控制訊號VREF_SHORT對應地進行轉態，這表示階段Phase2可變更長以使階段Phase3等同於子階段Phase3b且子階段Phase3a的長度等於零，但本發明不限於此。如第6圖所示，多階段配置切換控制電路110可控制控制訊號VREF_SHORT的兩個轉態時間點(或其上升邊緣和下降邊緣之各自的時間點)之間的時間差非常小，例如藉由一延遲電路控制這個時間差等於一預定延遲時間(例如：0.3μs)。
舉例來說，階段Phase1的時間長度可小於3μs，其小於該傳統的低壓降穩壓器達到穩定狀態的時間(例如：超過10μs)。於進行該第一配置操作後，多階段配置切換控制電路110可利用該第一專用電流路徑依據電源電壓VDD對目標參考電壓VREF進行該第一初步設定操作，尤其，在階段Phase1中用該第一 專用電流路上的電流I(例如：遠大於參考電壓產生器102的最大輸出電流、且遠大於參考電壓轉換器103的最大輸出電流之大電流)對電容C1充電，以供加速目標參考電壓VREF達到該第一預定範圍(例如：超過電壓位準VB)。另外，於進行該第二配置操作後，多階段配置切換控制電路110可利用該第二專用電流路徑強制設定目標參考電壓VREF等於參考電壓VR2，尤其，在階段Phase2中藉由開啟開關電路SW1達到短路以使VREF=VR2，以供減少於階段Phase1中產生的目標參考電壓VREF相對於該第二預定範圍之任何偏離以加速目標參考電壓VREF達到該第二預定範圍(例如：趨近電壓位準VA)。此外，於進行該第二配置操作後，多階段配置切換控制電路110可立即進行該第三配置操作，尤其，在階段Phase3中藉由關閉開關電路SW1取消短路以容許來自參考電壓產生器102且通過電阻R1的電流對電容C1充電，以供控制目標參考電壓VREF早一點達到該第二預定範圍(例如：趨近電壓位準VA)。
本發明的低壓降穩壓器(例如低壓降穩壓器100A或100B)可於被開啟後極短的時間內備妥以供使用，因此其效能優於傳統的低壓降穩壓器。針對傳統的低壓降穩壓器，系統控制訊號FASTSET的轉態時間(例如其下降邊緣的時間)和電源控制訊號POW_LDO的轉態時間(例如其上升邊緣的時間)之間的時間差可能需要被設定為至少20ms以確保傳統的低壓降穩壓器的輸出電壓變為穩定。針對本發明的低壓降穩壓器，這個時間差可被大幅地縮短。以第6圖所示時序圖為例，階段Phase1的時間長度可小於3μs，階段Phase2的時間長度可遠小於3μs，而階段Phase2和子階段Phase3a的總時間長度可大約等於4.5μs，這表示本發明的低壓降穩壓器可於7.5μs(例如：(3+4.5)μs=7.5μs)或更短的時間內備妥以供使用。由於在階段Phase2內藉由開啟開關電路SW1達到短路以使VREF=VR2能夠控制目標參考電壓VREF非常接近電壓位準VA，故在取消短路後，目標參考電壓VREF可很快地達到電壓位準VA。因此，系統控制訊號FASTSET的 轉態時間(例如其下降邊緣的時間)和電源控制訊號POW_LDO的轉態時間(例如其上升邊緣的時間)之間的時間差可被控制在7.5μs內甚至更短，但本發明不限於此。當採用較保守的控制時，這個時間差可被隨意設定得大一點，例如設定為5ms，仍小於傳統的低壓降穩壓器所需的20ms。
另外，為了節省面積及減少功耗，傳統的低壓降穩壓器內的參考電壓產生器的功耗可以相當受限，且針對較嚴苛產品規格之相關電阻值R/電容值C通常較大且穩定時間也較大，這可造成傳統的低壓降穩壓器無法滿足高速操作的需求。針對相同嚴苛產品規格，本發明的低壓降穩壓器可進行該多階段配置切換控制以輕易地滿足高速操作的需求，例如，在參考電壓產生電路101(或其內的參考電壓產生器102或參考電壓轉換器103)的最大輸出電流可以相當受限、且電阻R1的電阻值R1及/或電容C1的電容值C1可以增加且目標參考電壓VREF的穩定時間可對應地增加之情況下。該低壓降穩壓器可採用已被設計得很小之預定差值(VA-VB)，以使目標參考電壓VREF在快速超過電壓位準VB然後立即回到電壓位準VB之後，立即達到電壓位準VA。
第7圖依據本發明一實施例繪示一種低壓降穩壓器(例如低壓降穩壓器100A或100B)的操作方法之一工作流程。
於步驟S11中，該低壓降穩壓器可利用多階段配置切換控制電路110對該低壓降穩壓器的該電路架構進行該第一配置操作以啟用對應於一第一階段(例如：階段Phase1)的該第一專用電流路徑，以容許使用於該低壓降穩壓模式中之目標參考電壓VREF於進行該第一配置操作後達到該第一預定範圍。
於步驟S12中，該低壓降穩壓器可利用多階段配置切換控制電路110對該低壓降穩壓器的該電路架構進行該第二配置操作以啟用對應於一第二階段(例如：階段Phase2)的該第二專用電流路徑，以容許目標參考電壓VREF於進行該第二配置操作後達到該第二預定範圍。
於步驟S13中，該低壓降穩壓器可利用多階段配置切換控制電路110對該低壓降穩壓器的該電路架構進行該第三配置操作，以容許目標參考電壓VREF於進行該第三配置操作後被使用作為於該低壓降穩壓模式中輸入至操作放大器104的參考電壓。
該低壓降穩壓器可依據第7圖所示之工作流程來操作以大幅地提升該電子裝置的整體效能。為了更好地理解，假設在一實施例中該低壓降穩壓器可被配置成暫時跳過步驟S11及/或S12，但本發明不限於此。舉例來說，在跳過步驟S11及S12的執行而直接進行第5A/5B圖所示配置之情況下，只使用來自參考電壓產生器102且通過電阻R1的電流對電容C1充電需要花很長的時間(例如：對應於時間常數(R1 * C1)的時間)以使目標參考電壓VREF達到電壓位準VA，這是因為電容C1可以很大(例如為了過濾掉雜訊)。再舉一例，在跳過步驟S11的執行而直接進行第4A/4B圖所示配置且接著進行第5A/5B圖所示配置之情況下，由於參考電壓產生電路101(或其內的參考電壓產生器102或參考電壓轉換器103)的最大輸出電流很有限，仍有需要很長充電時間的問題。又舉一例，在跳過步驟S12的執行而先進行第3A/3B圖所示配置且接著進行第5A/5B圖所示配置之情況下，當停用對應於階段Phase1的該第一專用電流路徑時，可能有顯著的配置切換反應時間，這表示目標參考電壓VREF可能繼續增加而顯著地高過電壓位準VA，所以需要額外時間以使目標參考電壓VREF達到電壓位準VA。如第7圖所示，在接續地進行第3A/3B圖所示配置、第4A/4B圖所示配置和第5A/5B圖所示配置之情況下，該低壓降穩壓器可立即達到穩定狀態而沒有任何問題。為了簡明起見，於本實施例中類似的內容在此不重複贅述。
為了更好地理解，該操作方法可用第7圖所示之工作流程來說明，但本發明不限於此。依據某些實施例，一個或多個步驟可於第7圖所示之工作流程中增加、刪除或修改。舉例來說，在階段Phase1中，操作放大器104的輸出電壓 VOP的轉態可指出VREF>VR2、且控制訊號AF可隨著輸出電壓VOP轉態而對應地轉態，這表示控制訊號AF的轉態可指出VREF>VR2。多階段配置切換控制電路110可依據控制訊號AF的轉態來控制其它控制訊號諸如控制訊號VREF_SHORT、VAUTO_FASTSET和VAUTO_FASTSET_B於階段Phase2的開始時間點對應地轉態，以開始進行該第二配置操作以設定VREF=VR2。另外，自動快速設定控制電路120可利用控制訊號AF控制電流控制電路130，尤其，於偵測到VREF>VR2時控制電流控制電路130停止輸出電流I。舉例來說，在不會發生過熱的情況下，電流控制電路130可藉由耦接於電源線PWR和開關電路SW3之間的單一電晶體(例如MOSFET)或並聯的多個電晶體(例如多個MOSFET)來實現，以供充當電流I之開關並依據控制訊號AF選擇性地輸出電流I，其中開關電路SW3可用來於步驟S12和S13中避免電流控制電路130之任何影響。此外，操作放大器104可依據一偏置(biasing)源BIAS(例如電流源或電壓源)來操作。為了簡明起見，於這些實施例中類似的內容在此不重複贅述。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
100A:低壓降(LDO)穩壓器
101:參考電壓產生電路
102:參考電壓產生器
103:參考電壓轉換器
104:操作放大器(OPA)
106:電晶體
110:多階段配置切換控制電路
120:自動快速設定(AF)控制電路
130:電流控制電路
C1~C3:電容
MN1:N型金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)
PWR:電源線
R1,R2:電阻
SW1~SW4:開關電路
VDD:電源電壓
VIP.VIN:輸入電壓
VOP,LDO_OUT:輸出電壓
VR1,VR2:參考電壓
VREF:目標參考電壓
VREF_SHORT,VAUTO_FASTSET,VAUTO_FASTSET_B,AF:控制訊號

Claims (10)

  1. 一種低壓降(Low-dropout，LDO)穩壓器，包含：一參考電壓產生電路，用來產生至少一參考電壓；一操作放大器，耦接至該參考電壓產生電路，用來於該低壓降穩壓器的一低壓降穩壓模式中透過負反饋來控制該低壓降穩壓器的一輸出電壓；一電晶體，耦接至該操作放大器，用來於該低壓降穩壓模式中在該操作放大器的控制下產生該低壓降穩壓器的該輸出電壓，以供進一步使用；以及一多階段配置切換控制電路，耦接至該參考電壓產生電路、該操作放大器和該電晶體，用來進行多階段配置切換控制以對該低壓降穩壓器的電路架構進行多個配置操作；其中：該多階段配置切換控制電路對該低壓降穩壓器的該電路架構進行一第一配置操作以啟用(enable)對應於一第一階段的一第一專用電流路徑，以容許使用於該低壓降穩壓模式中之一目標參考電壓於進行該第一配置操作後達到一第一預定範圍；該多階段配置切換控制電路對該低壓降穩壓器的該電路架構進行一第二配置操作以啟用對應於一第二階段的一第二專用電流路徑，以容許該目標參考電壓於進行該第二配置操作後達到一第二預定範圍；以及該多階段配置切換控制電路對該低壓降穩壓器的該電路架構進行一第三配置操作，以容許該目標參考電壓於進行該第三配置操作後被使用作為於該低壓降穩壓模式中輸入至該操作放大器的參考電 壓。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之低壓降穩壓器，其中達到該第一預定範圍包含超過一第二電壓位準，以及達到該第二預定範圍包含趨近一第一電壓位準，其中該第二電壓位準小於該第一電壓位準。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之低壓降穩壓器，其中該至少一參考電壓包含等於該第一電壓位準之一第一參考電壓以及等於該第二電壓位準之一第二參考電壓。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之低壓降穩壓器，其中進行該第一配置操作包含：啟用對應於該第一階段的該第一專用電流路徑，以依據一電源電壓對該目標參考電壓進行一第一初步設定操作，以供加速該目標參考電壓達到該第一預定範圍。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之低壓降穩壓器，其中達到該第一預定範圍包含超過一第二電壓位準，該至少一參考電壓包含等於該第二電壓位準之一第二參考電壓；以及進行該第一配置操作另包含：將該操作放大器的多個輸入端子分別耦接至該目標參考電壓和該第二參考電壓，以使該操作放大器充當一比較器，以供比較該目標參考電壓和該第二參考電壓；其中該低壓降穩壓器另包含：一自動快速設定控制電路，耦接至該操作放大器的一輸出端子，用來從 該操作放大器接收該目標參考電壓和該第二參考電壓之一比較結果，以根據該比較結果產生一控制訊號；以及一電流控制電路，耦接至該自動快速設定控制電路，用來依據該控制訊號控制該第一專用電流路徑上的電流，以供加速該目標參考電壓達到該第一預定範圍。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之低壓降穩壓器，其中達到該第一預定範圍包含超過一第二電壓位準，該至少一參考電壓包含等於該第二電壓位準之一第二參考電壓；以及進行該第一配置操作包含：將該操作放大器的一第一輸入端子和一第二輸入端子分別耦接至該目標參考電壓和該第二參考電壓，以使該操作放大器充當一比較器，以供比較該目標參考電壓和該第二參考電壓。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之低壓降穩壓器，其中進行該第一配置操作另包含：斷開連接(disconnect)該操作放大器的該第二輸入端子以及該電晶體的一第一端子之間的一負反饋路徑，以停用(disable)使用於該低壓降穩壓模式中之該負反饋路徑，其中於該低壓降穩壓模式中，該電晶體的該第一端子係用來輸出該低壓降穩壓器的該輸出電壓。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之低壓降穩壓器，其中進行該第二配置操作包含：停止將該操作放大器的該第二輸入端子耦接至該第二參考電壓、且將該操作放大器的該第二輸入端子耦接至該電晶體的一第一端子，以 啟用使用於該低壓降穩壓模式中之一負反饋路徑，其中於該低壓降穩壓模式中，該電晶體的該第一端子係用來輸出該低壓降穩壓器的該輸出電壓；停用(disable)對應於該第一階段的該第一專用電流路徑，其中該第一專用電流路徑於該第一階段中係耦接於一電源線和該操作放大器的該第一輸入端子之間，且於該第二階段中不再被耦接於該電源線和該操作放大器的該第一輸入端子之間；以及啟用對應於該第二階段的該第二專用電流路徑以使該操作放大器的該第一輸入端子耦接至該第二參考電壓，以強制設定該目標參考電壓等於該第二參考電壓，以供減少於該第一階段中產生的該目標參考電壓相對於該第二預定範圍之任何偏離以加速該目標參考電壓達到該第二預定範圍。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之低壓降穩壓器，其中進行該第三配置操作包含：停用對應於該第二階段的該第二專用電流路徑，其中該第二專用電流路徑於一第三階段中不再被用於將該操作放大器的該第一輸入端子耦接至該第二參考電壓。
  10. 一種操作方法，該操作方法係可應用於(applicable to)如申請專利範圍第1項所述之低壓降穩壓器，該操作方法包含：利用該多階段配置切換控制電路對該低壓降穩壓器的該電路架構進行該第一配置操作以啟用對應於該第一階段的該第一專用電流路徑，以容許使用於該低壓降穩壓模式中之該目標參考電壓於進行 該第一配置操作後達到該第一預定範圍；利用該多階段配置切換控制電路對該低壓降穩壓器的該電路架構進行該第二配置操作以啟用對應於該第二階段的該第二專用電流路徑，以容許該目標參考電壓於進行該第二配置操作後達到該第二預定範圍；以及利用該多階段配置切換控制電路對該低壓降穩壓器的該電路架構進行該第三配置操作，以容許該目標參考電壓於進行該第三配置操作後被使用作為於該低壓降穩壓模式中輸入至該操作放大器的參考電壓。
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