CN101051233A - 避免输入电压突降的电压调节电路与电压调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电压调节电路，用来依据一输入电压讯号产生一输出电压讯号。该电压调节电路包含有：一软启动电路，用来提供一软启动电压讯号；以及一电压调节器，耦接于该软启动电路、该输入电压讯号以及一参考电压讯号，用来选择性地比较该软启动电压讯号与该参考电压讯号的一与该输出电压讯号所对应的一回授电压讯号以依据该输入电压讯号产生该输出电压讯号。

Description

避免输入电压突降的电压调节电路与电压调节方法

技术领域

本发明涉及一种电压调节电路及其电压调节方法，特别是涉及一种避免输入电压突降的电压调节电路与电压调节方法。

背景技术

一般而言，电压调节电路串联于输入电压讯号与输出电压讯号的间，其功能类似于一个电压源，用以将输入电压讯号转换为输出电压讯号，并提供输出电压讯号一个稳定的电压电平。

在此请参照图1，图1是已知电压调节器100的电路示意图。此电压调节器100包含有一晶体管Q1、一回授电路102、一误差放大器OP1以及一致能电路110，晶体管Q1可以为N型场效晶体管(N-MOSFET)或P型场效晶体管(P-MOSFET)或双载子接面晶体管(BJT)。图1晶体管Q1为P型场效晶体管(P-MOSFET)，其源极(source)与漏极(drain)分别耦接于输入电压讯号V_in以及输出电压讯号V_out，亦即晶体管Q1串联于输入电压讯号V_in以及输出电压讯号V_out的间，另外，晶体管Q1的漏极耦接于回授电路102，藉由电阻R1、R2的分压电路造成回授电路102产生一回授电压讯号V_fb，并将回授电压讯号V_fb送至误差放大器OP1的非反相输入端；此外，对于误差放大器OP1而言，其非反相输入端耦接于回授电压讯号V_fb、反相输入端耦接于参考电压讯号V_ref以及另有一启动接脚连接于致能电路110，其中致能电路110依据一启动控制讯号EN来控制控制误差放大器OP1是否开始运作，亦即控制此电压调节器100是否启动，举例来说，若启动控制讯号EN由低逻辑电平‘0’转变成高逻辑电平‘1’，则致能电路110便会驱使误差放大器OP1开始运作。误差放大器OP1的输出端耦接于晶体管Q1的栅极，藉由此控制电压讯号V_err以控制晶体管Q1的导通阻抗；因为误差放大器OP1在整个电路中的角色系作为一误差放大器，换句话说，控制电压讯号V_err将反应回授电压讯号V_fb与参考电压讯号V_ref的间的差异，用以调整晶体管Q1的导通阻抗，因此输出电压讯号V_out最后便可以稳压并且满足下列方程式(1)：

$V_{\mathrm{out}}=V_{\mathrm{ref}}\×\frac{(R1+R2)}{R2}$ 方程式(1)

亦即电压调节器100藉由上述方程式达到稳定地产生输出电压讯号V_out予一负载104的目的。此外，于图1中，C_in与C_out分别代表输入电容与输出电容，用来分别稳定输入电压讯号V_in以及输出电压讯号V_out，由于其运作与功能为业界所已知，故不另于此赘述。

请参照图2，图2为图1所示电压调节电路100的操作时序图。假设输入电压讯号V_in为3.3伏特、提供予启动后的电压调节电路100的参考电压讯号V_ref为1.25伏特，以及所要的输出电压讯号V_out为2.5伏特，因此，便可依据上述参数来决定出电阻R1、R2的阻值以构成所要的回授电路102。如图2所示，在时间T1时若将启动控制讯号EN由低逻辑电平转变成高逻辑电平，则电压调节电路100将开始运作，其中参考电压讯号V_ref由于需要提供给其它线路使用，所以参考电压讯号V_ref需要很快地到达默认值1.25伏特，另外在时间T1时，输出电压讯号V_out的输出电压是0伏特，因此回授电压讯号V_fb亦是0伏特，结果误差放大器OP1的输出电压为低电压而且晶体管Q1将位于导通区；此时，输入电压讯号V_in(对应一输入电流讯号I_in)通过晶体管Q1的导通电阻对输出电容C_out充电，由于导通电阻很小(一般大约是100毫欧姆)，输入电压讯号V_in的瞬间电流值将会很大并达到晶体管Q1的电流限制I_limit，进一步说，若电压调节电路100是应用在手持式产品(例如手机，数字相机等)，其输入端通常是耦接于电池，由于电池内部亦有其内阻，因此，此一瞬间大电流将造成输入电压讯号V_in产生电压突降(voltagedrop)；另外，若输入电压讯号V_in的突降现象过于严重，亦可能影响其它与电池连接的***产生错误运作，而虽然为了避免此严重的电压突降现象可在电压调节电路100的输入端耦接一较大电容值的输入电容C_in，但是为了使用具有较大电容值的输入电容C_in，往往必须占用较大面积，而且也提高了整体成本。对于应用在手持式产品而言，这是明显的缺点。

发明内容

因此本发明的主要目的之一在于提供一种避免输入电压突降的电压调节电路与电压调节方法，且可具有较小的电路面积及较少的成本，以解决以上提到的问题。

本发明的揭露了一种电压调节电路，用来依据一输入电压讯号产生一输出电压讯号。该电压调节电路包含有：一软启动电路，用来提供一软启动电压讯号；以及一电压调节器，耦接于该软启动电路、该输入电压讯号以及一参考电压讯号，用来选择性地比较该软启动电压讯号与该参考电压讯号之一与该输出电压讯号所对应的一回授电压讯号以依据该输入电压讯号产生该输出电压讯号。

本发明还揭露了一种电压调节方法，用来依据一输入电压讯号产生一输出电压讯号。该电压调节方法包含有：(a)提供一软启动电压讯号；以及(b)提供一电压调节器，并使用该电压调节器来选择性地比较该软启动电压讯号与一参考电压讯号的一与该输出电压讯号所对应的一回授电压讯号以依据该输入电压讯号产生该输出电压讯号。

附图说明

图1为根据已知电压调节电路的电路示意图。

图2为图1所示的电压调节电路的操作时序图。

图3为本发明电压调节电路的一实施例的电路示意图。

图4为图3所示的电压调节电路的操作时序图。

附图符号说明

100、302	电压调节器	102、303	回授电路
				104、305	负载	110、310	致能电路
300	电压调节电路	304	软启动电路
				306	重置控制电路

具体实施方式

在此请参照图3，图3是本发明电压调节电路300的一实施例的电路示意图。如图3所示，电压调节电路300包含有一电压调节器302以及一软启动(soft start)电路304，其中电压调节器302包含有一晶体管Q1、一回授电路303、一致能电路310以及一误差放大器OP2，其中晶体管Q1、回授电路303与致能电路310的结构与功能分别与图1所述的晶体管Q1、回授电路102与致能电路110相同，故在此不赘述，此外，于图3中，C_in与C_out分别代表输入电容与输出电容，用来分别稳定输入电压讯号V_in以及输出电压讯号V_out，由于其运作与功能为业界所已知，亦不另于此赘述。误差放大器OP2为一具有三输入端的误差放大器，其非反相输入端耦接于回授电压讯号V_fb，而其两反相输入端则分别耦接于软启动电压讯号V_ss和参考电压讯号V_ref，于本实施例中，当电压调节电路300启动后，误差放大器OP2可以选择性使用软启动电压讯号V_ss或参考电压讯号V_ref，因此电压调节器302的工作原理与图1所示的电压调节器100的工作原理类似，差别在于电压调节器302启动后可以选择软启动电压讯号V_ss或参考电压讯号V_ref其中的一以控制输出电压讯号V_out与输入电压讯号V_in；因此，本实施例定义一预定范围，而当软启动电压讯号V_ss与参考电压讯号V_ref的电压差落于该预定范围内(亦即无论软启动电压讯号V_ss小于或超过参考电压讯号V_ref)时，通常预定范围一般是趋近于0伏特，亦即希望软启动电压讯号V_ss在非常靠近参考电压讯号V_ref时，电压调节电路300便由软启动电压讯号V_ss切换至参考电压讯号V_ref来利用参考电压讯号V_ref以控制输出至一负载305的输出电压讯号V_out，请注意，上述预定范围可依据设计需求而加以设定，举例来说，于本发明的一实施例中，当软启动电压讯号V_ss等于参考电压讯号V_ref时，误差放大器OP2才会由软启动电压讯号V_ss切换至参考电压讯号V_ref。另外，误差放大器OP2的选择性耦接功能可利用一多任务器(multiplexer)来加以实现，然而，任何实现选择性耦接的手段均属本发明误差放大器OP2的范畴。

图3所示的软启动电路304还包含有一电源流I_ss、一电容C_ss、一重置晶体管Q2以及一重置控制电路306，根据本发明的一实施例，电源流I_ss用来提供一参考电流，而电容C_ss作为充放电使用，所以，当重置晶体管Q2未导通时，电源流I_ss对电容C_ss充电，因此软启动电压讯号V_ss的电压电平将渐渐由接地电位(亦即0伏特)而增高；若重置晶体管Q2导通时，则电源流I_ss无法再对电容C_ss充电并且电容C_ss将开始经由重置晶体管Q2而放电，因此软启动电压讯号V_ss的电压电平将渐渐降低直到其电压电平等于接地电位(亦即0伏特)。此外，重置控制电路306用于决定重置晶体管Q2是否导通，于本实施例中，为了确保软启动电压讯号V_ss于每次电压调节电路300启动时均对应至接地电位，因此重置晶体管Q2的导通条件如下：

(一)启动控制讯号EN由高逻辑电平转变至低逻辑电平而关闭误差放大器OP2的运作；或者

(二)误差放大器OP2已由软启动电压讯号V_ss切换至参考电压讯号V_ref。

若于误差放大器OP2由软启动电压讯号V_ss切换至参考电压讯号V_ref之前，启动控制讯号EN由高逻辑电平转变至低逻辑电平而关闭误差放大器OP2的运作，则条件(一)可确保软启动电压讯号V_ss于下次电压调节电路300启动前被重置；另一方面，当误差放大器OP2已由软启动电压讯号V_ss切换至参考电压讯号V_ref，此时，软启动电压讯号V_ss不再被误差放大器OP2所采用，因此重置控制电路306便可允许导通重置晶体管Q2来重置软启动电压讯号V_ss，于本发明的较佳实施例中，当误差放大器OP2由软启动电压讯号V_ss切换至参考电压讯号V_ref时，重置控制电路306便立即导通重置晶体管Q2，然而，本发明并不以此为限。另外，当启动控制讯号EN由低逻辑电平转变至高逻辑电平时，亦即电压调节电路300开始启动时，重置控制电路306则会控制重置晶体管Q2进入非导通状态。

在此请参照图4，图4为图3所示的电压调节电路300的操作时序图。假设输入电压讯号V_in为3.3伏特，另外，提供予电压调节器300的参考电压讯号V_ref为1.25伏特以及所要的输出电压讯号V_out为2.5伏特，因此，便可依据上述参数来决定出电阻R1、R2的阻值以构成所要的回授电路303。若在时间T1时将启动控制讯号EN由低逻辑电平转换为高逻辑电平，则电压调节器300便开始运作，其中参考电压讯号V_ref由于需要提供给的其它电路使用，所以参考电压讯号V_ref需要很快地到达1.25伏特，另外，由上述重置晶体管Q2的导通条件可知，在时间T1之前(亦即电压调节电路300启动之前)，重置控制电路306将导通重置晶体管Q2，而电容C_ss经由重置晶体管Q2放电直到软启动电压讯号V_ss的电压电平是0伏特，故当在时间T1时，软启动电压讯号V_ss的初始电压电平是0伏特；此外，因为在时间T1时启动电压调节电路300，所以在时间T1时，回授电压讯号V_fb的电压电平是0伏特，此时重置控制电路306控制重置晶体管Q2不导通，电流源I_ss开始对电容C_ss充电，而软启动电压讯号V_ss的电压电平便随充电时间而由0伏特逐渐递增，于本发明的一实施例中，当软启动电压讯号V_ss等于参考电压讯号V_ref(亦即前述的预定范围为0)时，误差放大器OP2才会由软启动电压讯号V_ss切换至参考电压讯号V_ref，所以，如图4所示，于时间T2时，软启动电压讯号V_ss等于参考电压讯号V_ref，此时，输出电压讯号V_out的电压电平亦呈线性上升到达2.5伏特，如前所述，误差放大器OP2会选择使用参考电压讯号V_ref，接着，根据上述条件(二)，重置控制电路306便导通重置晶体管Q2来重置软启动电压讯号V_ss至接地电平(亦即0伏特)。

时间T1至时间T2的时段为软启动时间T_softstart，其计算的方式如下面方程式(2)：

$T_{\mathrm{softstart}}=\frac{C_{\mathrm{ss}}\×V_{\mathrm{ref}}}{I_{\mathrm{ss}}}$ 方程式(2)

举例来说，若电容C_ss为10nF、电流源I_ss提供2uA以及参考电压讯号V_ref的电压电平为1.25伏特，则软启动时间T_softstart大约为6.25毫秒；另外，由方程式(2)可知，当参考电压讯号V_ref为一固定电压时，若想要有较短的软启动时间，电源流I_ss的大小与电容C_ss的大小将是控制软启动时间T_softstart的因子，亦即可藉由设计较小的电流源I_ss而使用较小的电容C_ss，因此可进一步降低电容C_ss所需占用的面积。请注意，电容C_ss可以是一固定电容值的电容，并整合于电压调节器300的集成电路(芯片)内部；然而，电容C_ss亦可以独立于电压调节器300的集成电路(芯片)外部，因此，使用者可经由设置适当电容值的电容来自由调整软启动时间T_softstart，其亦属本发明的范畴。以上软启动电压讯号Vss为线性方式逐渐上升，然而若软启动电压讯号Vss以其它递增方式上升，亦属本发明的范畴。

此外，于上述实施例中，电压调节器300所产生的输出电压讯号V_out为正电压，然而，如本领域的技术人员所知，依据上述的技术披露，可经由适当地改变图3所示的电压调节器300的架构即可使电压调节器300用来产生负电压的输出电压讯号V_out。再者，于上述实施例中，电压调节器300中的误差放大器OP2是于启动控制讯号EN对应高逻辑电平时才启动，然而，本发明并不以此为限。

相较于已知技术，误差放大器OP2在电压调节器300中的角色作为误差放大器，回授电压讯号V_fb的电压电平将跟随软启动电压讯号V_ss而变化，而晶体管Q1将缓慢导通，因此如图4所示的输入电压讯号V_in(对应输入电流讯号I_in)的瞬间电压变化值将很小或趋近于0，因而将大大地减轻或去除输入电压讯号V_in的电压突降，使得前述提到的电压突降问题得以有效解决，而且，本发明电压调节电路300便不需如已知技术一般地在输入电压讯号端设置较大电容值的输入电容C_in，换言之，相较于已知电压调节电路，本发明电压调节电路300的电路面积小，且成本低而更加适用于手持式产品。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (9)

1.一种电压调节电路，用来依据一输入电压讯号产生一输出电压讯号，该电压调节电路包含有：

一软启动电路，用来提供一软启动电压讯号；以及

一电压调节器，耦接于该软启动电路、该输入电压讯号以及一参考电压讯号，用来选择性地比较该软启动电压讯号与该参考电压讯号之一与该输出电压讯号所对应的一回授电压讯号以依据该输入电压讯号产生该输出电压讯号。

2.如权利要求1权利要求的电压调节电路，其中当该电压调节器启动时，该电压调节器先选择该软启动电压讯号以及该软启动电路调整该软启动电压讯号以使该软启动电压讯号的电压电平朝该参考电压讯号的电压电平变动。

3.如权利要求2权利要求的电压调节电路，其中当该软启动电压讯号与该参考电压讯号的电压差落于一预定范围时，该电压调节器选择该参考电压讯号。

4.如权利要求1权利要求的电压调节电路，其中该电压调节器包含有：

一晶体管，其第一端耦接于该输入电压讯号，以及其第二端耦接于该输出电压讯号；

一回授电路，耦接于该晶体管，用来依据该输出电压讯号产生该回授电压讯号；以及

一误差放大器，其具有三输入端，分别耦接于该晶体管的控制端、该回授电路以及该软启动电路，用来选择性地比较该软启动电压讯号与该参考电压讯号之一与该回授电压讯号以产生一控制电压讯号至该晶体管的该控制端。

5.如权利要求1权利要求的电压调节电路，其中该软启动电路包含有：

一电流源，用来提供一参考电流；

一电容，其第一端耦接于该电流源以产生该软启动电压讯号，以及其第二端接地；

一重置晶体管，其第一端耦接于该电容的该第一端，其第二端接地；以及

一重置控制电路，耦接于该重置晶体管的控制端，用来于该电压调节器关闭或该电压调节器选择该参考电压讯号时导通该重置晶体管以重置该软启动电压讯号之电压电平。

6.如权利要求5权利要求的电压调节电路，其中该电压调节器与该软启动电路的该电流源、该重置晶体管与该重置控制电路设置于一芯片内，以及该软启动电路的该电容外接于该芯片。

7.一种电压调节方法，用来依据一输入电压讯号产生一输出电压讯号，该电压调节方法包含有：

(a)提供一软启动电压讯号；以及

(b)提供一电压调节器，并使用该电压调节器来选择性地比较该软启动电压讯号与一参考电压讯号之一与该输出电压讯号所对应的一回授电压讯号以依据该输入电压讯号产生该输出电压讯号。

8.如权利要求7权利要求之电压调节方法，其中步骤(b)还包含有：当该电压调节器启动时，使用该电压调节器先选择该软启动电压讯号；以及步骤(a)还包含有：当该电压调节器启动时，调整该软启动电压讯号以使该软启动电压讯号的电压电平朝该参考电压讯号的电压电平变动。

9.如权利要求8权利要求的电压调节方法，其中步骤(b)还包含有：当该软启动电压讯号与该参考电压讯号的电压差落于一预定范围时，使用该电压调节器选择该参考电压讯号。

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