CN102681577B

CN102681577B - 具有交换式及线性电压调节模式的电压调节装置

Info

Publication number: CN102681577B
Application number: CN201110062584.1A
Authority: CN
Inventors: 林志宝; 林瑞哲; 蔡宗谚
Original assignee: Realtek Semiconductor Corp
Current assignee: Realtek Semiconductor Corp
Priority date: 2011-03-15
Filing date: 2011-03-15
Publication date: 2014-06-11
Anticipated expiration: 2031-03-15
Also published as: CN102681577A

Abstract

本发明披露了具有交换式及线性电压调节模式的电压调节装置，该电压调节装置包括：一输出级单元，提供该电压调节装置的一输出电压，并产生该输出电压的一分压；一误差放大器，耦接该输出级单元，比较该分压及一参考电压，并产生一第一电压；一脉冲宽度调制单元，耦接该误差放大器，比较该第一电压及一电压信号，并产生一第二电压及一第三电压；一选择单元，耦接该误差放大器及该脉冲宽度调制单元，并输出一第四电压，该第四电压为该第一电压及第二电压二者其中之一；一第一功率晶体管，耦接该选择单元，并接收该第四电压及一直流电压；及一第二功率晶体管，耦接该脉冲宽度调制单元、该第一功率晶体管及一接地端，该第二功率晶体管接收该第三电压。

Description

具有交换式及线性电压调节模式的电压调节装置

技术领域

本发明涉及一种电压调节装置，特别是指一种具有交换式及线性电压调节模式的电压调节装置。

背景技术

电压调节器(Voltage regulator)用以将未经调节的电压转变为特定电压的稳定直流电压，通常有二类电压调节模式：线性的(Linear)电压调节及交换式(Switching)电压调节。线性电压调节器通常提供较小的输出电流量，适合于轻负载或无负载的使用状况，且在轻负载时效率较佳；而交换式电压调节器则通常提供较大的输出电流量，适用于重负载的需求，且在重负载时效率较佳。

虽然这二类电压调节器的应用面不尽相同，但在大量生产以降低成本的产业趋势下，生产者开发出具有线性及交换式双模式的电压调节器，能使用相同的集成电路芯片而又适用于多样使用者。然而，在考虑成本下，该技术领域的发展朝向新的电路设计及技术，以使二类模式的电压调节器能共用更多的电路构件，而达到降低成本又能满足使用者对电性效能的要求。

发明内容

有鉴于此，在本发明的一方面，第一实施例提供一种电压调节装置，其包括：一输出级单元，其提供该电压调节装置的一输出电压，并产生该输出电压的一分压；一误差放大器，耦接该输出级单元，比较该分压及一参考电压，并产生一第一电压；一脉冲宽度调制单元，耦接该误差放大器，比较该第一电压及一电压信号，并产生一第二电压及一第三电压；一选择单元，耦接该误差放大器及该脉冲宽度调制单元，并输出一第四电压为该第一电压及第二电压二者其中之一；一第一功率晶体管，耦接该选择单元，并接收该第四电压及一直流电压；及一第二功率晶体管，耦接该脉冲宽度调制单元、该第一功率晶体管及一接地端，该第二功率晶体管接收该第三电压；其中，该第一功率晶体管及第二功率晶体管的连接点又连接至该输出级单元。

在本发明的另一方面，第二实施例提供一种电压调节装置，其包括：一输出级单元，其提供该电压调节装置的一输出电压，并产生该输出电压的一分压；一第一误差放大器，耦接该输出级单元，比较该分压及一第一参考电压，并产生一第一电压；一第二误差放大器，耦接该输出级单元，比较该分压及一第二参考电压，并产生一第二电压；一脉冲宽度调制单元，耦接该第二误差放大器，比较该第二电压及一电压信号，并产生一第三电压及一第四电压；一选择单元，耦接该第一误差放大器及该脉冲宽度调制单元，并输出一第五电压为该第一电压及第三电压二者其中之一；一第一功率晶体管，耦接该选择单元，并接收该第五电压及一直流电压；及一第二功率晶体管，耦接该脉冲宽度调制单元、该第一功率晶体管及一接地端，该第二功率晶体管接收该第四电压；其中，该第一功率晶体管及第二功率晶体管的连接点又连接至该输出级单元。

附图说明

图1为根据本发明第一实施例的电压调节装置的电路示意图。

图2A为第一实施例的电压调节装置操作于线性模式的电路示意图。

图2B为第一实施例的电压调节装置操作于交换式模式的电路示意图。

图3为多个晶体管并联的实施例，以实现电流可调式晶体管的电路示意图。

图4为根据本发明第二实施例的电压调节装置的电路示意图。

主要元件符号说明

100/200 电压调节装置 110 输出级单元

120 误差放大器 130 脉冲宽度调制单元

132 比较器 134 前置驱动器

140 选择单元 150 (P型)功率晶体管

160 (N型)功率晶体管 170 控制单元

151～158晶体管 S_m 切换器

S₁～S₈ 开关 C_S/C_L 滤波电容

L 电感

具体实施方式

以下将参照随附的图式详细描述及说明本发明的特征、目的、功能，及其达成所使用的技术手段；但所列举的实施例仅为辅助说明，以利于对本发明有更进一步的认知何了解，并不因此限制本发明的范围及技术手段。

请参照图1，其为根据本发明第一实施例的电压调节装置的电路示意图。本实施例的电压调节装置100包含一输出级单元110、一误差放大器120、一脉冲宽度调制单元130、一选择单元140以及多个功率晶体管150/160；该电压调节装置100可以依实际需求而提供交换式或线性的电压调节模式，上述二者模式共用相同的输出级及功率晶体管，以适用于多样的使用者需求。

该输出级单元110作为该电压调节装置100的输出级，用以提供稳定的输出电压V_out。本实施例的输出级单元110由一分压电路及一低通滤波电路所构成，该分压电路由多个电阻串接构成，而利用电阻分压的方式产生该输出电压V_out的分压V_d，以提供给交换式及线性电压调节模式的误差放大器120作为输入电压。该低通滤波电路由电容或电感所构成，若电压调节装置100选择线性电压调节模式，则该低通滤波电路由第一电容构成；若电压调节装置100选择交换式电压调节模式，则该低通滤波电路由第二电容及电感构成。在该实施例中，构成该低通滤波电路的电容及/或电感，并未整合于该电压调节装置100本身的集成电路芯片中，而是分离的(Discrete)元件，该低通滤波电路的电容及/或电感依据设计规格而选用及安装；但不限于此，该低通滤波电路也可以由包含第一电容的第一滤波电路以及包含第二电容及电感的第二滤波电路所构成，并将上述的低通滤波电路整合于该电压调节装置100的集成电路芯片中，而依据其为线性或交换式的工作模式，选用第一滤波电路或第二滤波电路来输出适当的电压。

本实施例的该误差放大器120为交换式及线性电压调节模式二者共用，其耦接该输出级单元110且接收该分压V_d，并比较该分压V_d及一参考电压V_ref以产生误差信号并加以放大，而输出第一电压V₁，以供本实施例操作于线性电压调节模式。该脉冲宽度调制单元130提供交换式电压调节模式的电压调节，其在本实施例中进一步包括一比较器132及一前置驱动器134。该比较器132耦接该误差放大器120且接收该第一电压V₁，并比较该第一电压V₁及一三角波或锯齿波电压信号V_tri，而产生一比较信号V_comp，该比较信号V_comp传送至该前置驱动器134进行驱动放大，而输出脉冲宽度调制的驱动信号：第二电压V₂及第三电压V₃。该误差放大器120、比较器132、及前置驱动器134的串接组合即是为了产生脉冲宽度调制驱动信号，以供本实施例操作于交换式电压调节模式。

该选择单元140用以使该电压调节装置100选择线性或交换式的电压调节模式，其耦接该误差放大器120及该脉冲宽度调制单元130，并依据所选择的线性或交换式电压调节模式，输出一第四电压V₄为该第一电压V₁及第二电压V₂二者其中之一，当然仍必须依据所选择的线性或交换式电压调节模式，设置该低通滤波电路如前所述的电容或电感组成。

此外，本实施例也可以是智能型芯片的设计，加上一控制单元170，其耦接该脉冲宽度调制单元130、该选择单元140及该输出级单元110。该控制单元170可以判断该电压调节装置的工作模式，倘若该电压调节装置为线性模式，则输出控制信号使该脉冲宽度调制单元130关闭、该选择单元的第四电压V₄输出为该第一电压V₁、及该输出级单元110的低通滤波电路选用该第一电容，以为该电压调节装置100提供适当的输出电压；倘若该电压调节装置为交换式模式，则输出控制信号使该脉冲宽度调制单元130开启、该选择单元的第四电压V₄输出为该第二电压V₂、及该输出级单元110的低通滤波电路选用该第二电容及电感。

本实施例的功率晶体管包含一P型金氧半场效晶体管150及一N型金氧半场效晶体管160。该P型金氧半场效晶体管150本身可以与该误差放大器120及相对应的输出级单元110，构成一线性的电压调节器。在此情况下，该P型金氧半场效晶体管150的栅极耦接该选择单元140并接收该第四电压V₄，其源级连接至一直流电压V_DD，且其漏极连接至该输出级单元110。另一方面，该P型及N型金氧半场效晶体管150/160所组成的互补式场效晶体管(CMOS)可以与该误差放大器120、该脉冲宽度调制单元130、及相对应的输出级单元110，构成一交换式的电压调节器。在此情况下，进一步连接该N型金氧半场效晶体管160的漏极至该P型金氧半场效晶体管150的漏极(当然也会同时连接至该输出级单元110)；且该N型金氧半场效晶体管160的栅极耦接该脉冲宽度调制单元130以接收该第三电压V₃，其源级连接至一接地端。

为了使该电压调节装置100能选择或切换线性与交换式操作模式，本实施例在该N型金氧半场效晶体管160的栅极前加上一切换器S_m，其也受该选择单元140的控制：若选择线性电压调节模式，则该选择单元140的输出为第一电压V₁，且该切换器S_m使该N型金氧半场效晶体管160的栅极连接至接地端，该晶体管160因此被截至；若选择交换式电压调节模式，则该选择单元140的输出为第二电压V₂，且该切换器S_m使该N型金氧半场效晶体管160的栅极连接至该脉冲宽度调制单元130输出的该第三电压V₃，从而受第三电压V₃的调控来操作。上述的结果分别在图2A及图2B中重新绘示出电路。如图所示，本实施例的确能提供线性及交换式电压调节模式，并共用相同的功率晶体管及输出级分压电路。其中，对于图2A的线性操作模式，所选用的滤波电容C_L通常较小，在本实施例中选用1μF；而对于图2B的交换式操作模式，所选用的滤波电容C_S通常较大，在本实施例中选用22μF，且该电感L选用6.8μH；但不以此为限，该电容及电感值的选用视实际的使用需求而定。

值得注意的是，线性电压调节器通常提供较小的输出电流量，适合于轻负载或无负载的使用状况，且在轻负载时效率较佳；而交换式电压调节器则通常提供较大的输出电流量，适用于重负载的需求，且在重负载时效率较佳。本实施例的线性及交换式电压调节模式共用该P型金氧半场效晶体管150，但二模式对该P型金氧半场效晶体管150的操作电流需求却不一致；因此，在本实施例的集成电路芯片设计上，该P型金氧半场效晶体管150由多个晶体管并联所构成，也就是说，这些晶体管的源极彼此相连接，漏极也彼此相连接，栅极则依据所需的输出电流量，选用适当数量的栅极彼此相连接，凭借晶体管并联的结构，使该P型金氧半场效晶体管150的操作电流可因实际需求而调整。此外，由于该N型金氧半场效晶体管160串联至晶体管并联的P型金氧半场效晶体管150，而且只操作于交换式的工作模式，因而须选用较大的操作电流规格。

举例来说，图3为上述多个晶体管151～158并联的P型金氧半场效晶体管150的实施例，这些晶体管151～158的栅极各分别连接至一开关S₁～S₈，这些开关S₁～S₈的另一端均耦接该选择单元140以接收该第四电压V₄；且该选择单元140还包括多个开关控制信号，分别耦接该等开关S₁～S₈以控制开关的导通(On)或关闭(Off)，由此可选用适当数量的栅极彼此相连接，以提供该电压调节装置100输出级适当的操作电流。例如，若该电压调节装置100为线性的电压调节模式，该P型金氧半场效晶体管150所需的操作电流较小，则可使开关S₁～S₂导通且开关S₃～S₈关闭；另一方面，若该电压调节装置100为交换式的电压调节模式，该P型金氧半场效晶体管150所需的操作电流较大，则可使开关S₁～S₈全部导通。如此即可实现具有线性及交换式双模式的电压调节装置共用功率晶体管，又能解决二模式对操作电流需求不一致的问题；但不以此为限，该P型金氧半场效晶体管150亦可以选用其他电流可调式的晶体管。

在上述的第一实施例中，该电压调节装置100为交换式及线性电压调节模式，二者共用该误差放大器120；但不以此为限，也可以设置该二模式各自的误差放大器，如以下实施例的说明。请参照图4，其为根据本发明第二实施例的电压调节装置200的电路示意图。本实施例包含一输出级单元110、二个误差放大器120/122、一脉冲宽度调制单元130、一选择单元140以及多个功率晶体管150/160。如图4所示，该误差放大器120提供线性电压调节模式的使用，其耦接该输出级单元110且接收该分压V_d，并比较该分压V_d及一参考电压V_ref1以产生误差信号并加以放大，而输出第一电压V₁，以供本实施例操作于线性电压调节模式；而另一误差放大器122提供交换式电压调节模式的使用，其耦接该输出级单元110且接收该分压V_d，并比较该分压V_d及另一参考电压V_ref2以产生误差信号并加以放大，而输出第五电压V₅，以供本实施例操作于交换式电压调节模式。该电压调节装置200的其他部分的电路及构件均与第一实施例所述相同，请参照上述说明，在此不再赘述。

以上所述者包含特征、结构、及其他类似的效果，它们仅为本发明的较佳实施例，但不能以此限制本发明的范围。此外，上述各实施例所展示的特征、结构、及其他类似的效果，也可为该领域所属的技艺人士在依本发明申请专利范围进行均等变化及修饰，仍将不失本发明的要义所在，也不脱离本发明的精神和范围，故都应视为本发明的进一步实施状况。

此外，上述所描述的各实施例只能算是实施范例，并不能因此限制本发明的范围。例如，各实施例所使用的元件或单元，可为该领域所属的技艺人士进行修改及实现，仍将不失本发明的要义。

Claims

1.一种电压调节装置，包括：

一输出级单元，其提供所述电压调节装置的一输出电压，并产生所述输出电压的一分压；

一误差放大器，耦接所述输出级单元，比较所述分压及一参考电压，并产生一第一电压；

一脉冲宽度调制单元，耦接所述误差放大器，比较所述第一电压及一电压信号，并产生一第二电压及一第三电压；

一选择单元，耦接所述误差放大器及所述脉冲宽度调制单元，并输出一第四电压，所述第四电压为所述第一电压及第二电压二者其中之一；

一第一功率晶体管，耦接所述选择单元，并接收所述第四电压及一直流电压；及

一第二功率晶体管，耦接所述脉冲宽度调制单元、所述第一功率晶体管及一接地端，所述第二功率晶体管接收所述第三电压；其中，所述第一功率晶体管及所述第二功率晶体管的连接点连接至所述输出级单元。

2.根据权利要求1所述的电压调节装置，其可操作于线性及交换式的工作模式，并且还包括一控制单元，耦接所述脉冲宽度调制单元、所述选择单元、及所述输出级单元；所述控制单元判断所述电压调节装置的工作模式，并输出控制信号控制所述脉冲宽度调制单元的开启或关闭、控制所述选择单元的所述第四电压输出为所述第一电压或所述第二电压、及控制所述输出级单元提供所述电压调节装置适当的输出电压。

3.根据权利要求1所述的电压调节装置，其中，所述第一功率晶体管为电流可调式的晶体管。

4.根据权利要求1所述的电压调节装置，其中，所述第一功率晶体管为P型金属氧化物半导体场效应晶体管，其栅极连接至所述第四电压，其源极连接至所述直流电压，且其漏极连接至所述第二功率晶体管。

5.根据权利要求4所述的电压调节装置，其中，所述第一功率晶体管进一步包括多个并联的P型金属氧化物半导体场效应晶体管。

6.根据权利要求1所述的电压调节装置，其中，所述第二功率晶体管为N型金属氧化物半导体场效应晶体管，其栅极连接至所述第三电压，其源极连接至所述接地端，且其漏极连接至所述第一功率晶体管。

7.根据权利要求1所述的电压调节装置，其中，所述输出级单元包括一分压电路及一低通滤波电路。

8.根据权利要求7所述的电压调节装置，其中，若所述选择单元选择所述第二电压，所述低通滤波电路进一步包括一电感。

9.根据权利要求7所述的电压调节装置，其中，所述低通滤波电路还包括：

一第一滤波电路，包括一第一电容；及

一第二滤波电路，包括一第二电容及一电感。

10.一种电压调节装置，包括：

一第一误差放大器，耦接所述输出级单元，比较所述分压及一第一参考电压，并产生一第一电压；

一第二误差放大器，耦接所述输出级单元，比较所述分压及一第二参考电压，并产生一第二电压；

一脉冲宽度调制单元，耦接所述第二误差放大器，比较所述第二电压及一电压信号，并产生一第三电压及一第四电压；

一选择单元，耦接所述第一误差放大器及所述脉冲宽度调制单元，并输出一第五电压为所述第一电压及第三电压二者其中之一；

一第一功率晶体管，耦接所述选择单元，并接收所述第五电压及一直流电压；及

一第二功率晶体管，耦接所述脉冲宽度调制单元、所述第一功率晶体管及一接地端，所述第二功率晶体管接收所述第四电压；其中，所述第一功率晶体管及所述第二功率晶体管的连接点又连接至所述输出级单元。

11.根据权利要求10所述的电压调节装置，其可操作于线性及交换式的工作模式，并且还包括一控制单元，耦接所述脉冲宽度调制单元、所述选择单元、及所述输出级单元；所述控制单元判断所述电压调节装置的工作模式，并输出控制信号控制所述脉冲宽度调制单元的开启或关闭、控制所述选择单元的所述第五电压输出为所述第一电压或第三电压、以及控制所述输出级单元提供所述电压调节装置适当的输出电压。

12.根据权利要求10所述的电压调节装置，其中，所述第一功率晶体管为P型金属氧化物半导体场效应晶体管，其栅极连接至所述第五电压，其源极连接至所述直流电压，且其漏极连接至所述第二功率晶体管。

13.根据权利要求12所述的电压调节装置，其中，所述第一功率晶体管进一步包括多个并联的P型金属氧化物半导体场效应晶体管。

14.根据权利要求10所述的电压调节装置，其中，所述第二功率晶体管为N型金属氧化物半导体场效应晶体管，其栅极连接至所述第四电压，其源极连接至所述接地端，且其漏极连接至所述第一功率晶体管。

15.根据权利要求10所述的电压调节装置，其中，所述输出级单元进一步包括：

一分压电路及一低通滤波电路。

16.根据权利要求15所述的电压调节装置，其中，所述低通滤波电路还包括：

一第一滤波电路，包括一第一电容；及

一第二滤波电路，包括一第二电容及一电感。