TWM595361U - 電壓調節系統 - Google Patents

Abstract

一種電壓調節系統，具有：一直流-直流轉換器，係用以依一回授信號產生一切換信號以將一輸入電壓轉換成一第一輸出電壓，該回授信號係依該第一輸出電壓之一可調分壓比例而產生，且該直流-直流轉換器係依一比例控制信號決定該可調分壓比例；以及一電壓調節單元，係用以將該第一輸出電壓轉成一第二輸出電壓；其中，該電壓調節單元具有一負載電流狀態檢測單元，用以依一負載電流產生所述的比例控制信號以決定該可調分壓比例，且該可調分壓比例和該負載電流係呈反向變動的關係。

Description

電壓調節系統

本創作係關於電壓調節電路，具體涉及一種可自我調整壓差以提高整體轉換效率的電源系統。

在實際的供電應用中，經常需要在一DC-DC(direct current-direct current；直流-直流)轉換器後級聯一個或多個LDO(low dropout；低調節壓差)線性穩壓器，或者在一DC-DC轉換器後級聯一個或多個電荷泵。請參照圖1a-d，其中，圖1-a繪示由一 DC-DC轉換器10級聯一LDO線性穩壓器11所組成之一電源管理系統；圖1-b繪示由一 DC-DC轉換器10級聯一電荷泵12所組成之一電源管理系統；圖1-c繪示由一 DC-DC轉換器10級聯一LDO線性穩壓器11和一電荷泵12所組成之一電源管理系統；以及圖1-d 繪示由一 DC-DC轉換器10級聯多個LDO線性穩壓器11和多個電荷泵12所組成之一電源管理系統；其中，LDO線性穩壓器11和電荷泵12的輸入電壓均須比輸出電壓高出一預定的調節壓差(headroom 或dropout)才能正常工作。

如圖1-a所示，DC-DC轉換器10係用以將一輸入電壓V _in轉成一第一輸出電壓V _reg，而LDO線性穩壓器11則是用以將第一輸出電壓V _reg轉成一第二輸出電壓V _ldo，其中V _reg須比V _ldo高出一預定的調節壓差；如圖1-b所示，DC-DC轉換器10係用以將一輸入電壓V _in轉成一第一輸出電壓V _reg，而電荷泵12則是用以將第一輸出電壓V _reg轉成一第二輸出電壓V _cp，其中V _reg須比V _cp高出一預定的調節壓差；如圖1-c所示，DC-DC轉換器10係用以將一輸入電壓V _in轉成一第一輸出電壓V _reg，LDO線性穩壓器11是用以將第一輸出電壓V _reg轉成一第二輸出電壓V _ldo，且電荷泵12是用以將第一輸出電壓V _reg轉成一第三輸出電壓V _cp，其中V _reg須比V _ldo高出一預定的第一調節壓差且須比V _cp高出一預定的第二調節壓差；以及如圖1-d所示，DC-DC轉換器10係用以將一輸入電壓V _in轉成一第一輸出電壓V _reg，各LDO線性穩壓器11是用以將第一輸出電壓V _reg轉成一第二輸出電壓V _ldoi，i為介於1到n之正整數，且各電荷泵12是用以將第一輸出電壓V _reg轉成一第三輸出電壓V _cpi，i為介於1到n之正整數，其中V _reg須比各V _ldoi高出一預定的第一調節壓差且須比各V _cpi高出一預定的第二調節壓差，也就是說，V _reg須足夠高以確保各LDO線性穩壓器11及各電荷泵12均能正常工作。

另外，在一電壓調節系統中，所述的調節壓差一般會根據最大負載條件決定，且所述的調節壓差在決定後，在整個工作期間就不會再改變。另外，一電壓調節系統的複合效率等於一DC-DC轉換器的效率乘以一LDO線性穩壓器或者一電荷泵的效率, 而LDO線性穩壓器和電荷泵的理想最大效率η是與所述調節壓差直接相關，該理想最大效率η可表示如下式：

，其中，V _ldo為一LDO線性穩壓器的輸出電壓，V _dropout為該LDO線性穩壓器的調節壓差。

由上述可知，調節壓差V _dropout越大/越小，理想最大效率η就越低/越高。

也就是說，習知技術是根據實際應用中的最大負載要求設定調節壓差V _dropout，且一旦調節壓差V _dropout確定後，其在整個工作期間即保持不變。請參照圖2，其繪示一習知電壓調節系統在各種負載電流I _LOAD下皆以一固定的調節壓差V _dp將V _reg轉成V _ldoi和V _cpi的關係曲線圖。然而，由於該習知電壓調節系統在輕載時只需較小的調節壓差V _dp即可正常操作，因此，該習知電壓調節系統的固定調節壓差V _dp的做法在輕載時會產生較差的電壓轉換效率。

為解決上述的問題，本領域亟需一種新穎的電壓調節系統。

本創作之一目的在於提出一種電壓調節系統，其可根據負載的大小適時地調整調節壓差(dropout)的大小，以優化系統中之LDO及/或電荷泵在輕載時的效率，從而提高整個系統在輕載時的整體複合效率。

本創作之另一目的在於提出一種電壓調節系統，其可在輕載時調高系統中之直流-直流轉換器的電壓回授係數以調降直流-直流轉換器的輸出電壓，從而降低調節壓差(dropout)以優化系統中之LDO及/或電荷泵在輕載時的效率，俾以提高整個系統在輕載時的整體複合效率。

為達成上述目的，一種電壓調節系統乃被提出，其具有：

一直流-直流轉換器，具有一切換式電源轉換單元及一回授網路，該切換式電源轉換單元係用以依一回授信號產生一切換信號以將一輸入電壓轉換成一第一輸出電壓，該回授網路係用以依一可調分壓比例對該第一輸出電壓進行一分壓操作以產生該回授信號，且該回授網路具有一控制端以依一比例控制信號決定該可調分壓比例；以及

一電壓調節單元，其係用以將該第一輸出電壓轉成一第二輸出電壓，該第二輸出電壓低於該第一輸出電壓；

其中，該電壓調節單元具有一負載電流狀態檢測單元，用以依一負載電流產生所述的比例控制信號以決定該可調分壓比例，其中，該可調分壓比例和該負載電流係呈反向變動的關係。

在一實施例中，該電壓調節單元係一LDO電壓調節單元或一電荷泵。

在一實施例中，該回授網路係一電阻式串聯電路。

在一實施例中，該負載電流狀態檢測單元具有一電流鏡單元，該電流鏡單元係用以依該電壓調節單元之一輸出電流產生至少一複製電流，且該負載電流狀態檢測單元係依所述至少一複製電流產生所述的比例控制信號。

在一實施例中，該電流鏡單元係一PMOS電流鏡單元，其包含一輸出PMOS電晶體及至少一PMOS感測電路，該輸出PMOS電晶體係用以產生所述輸出電流，且所述至少一PMOS感測電路係用以產生所述至少一複製電流。

在一實施例中，該PMOS電流鏡單元進一步包含一運算放大器，且該運算放大器係和該輸出PMOS電晶體及一所述PMOS感測電路形成一負回授電路以提升所述至少一複製電流的精確度。

在一實施例中，所述的比例控制信號係一數位代碼或一類比信號。

為使  貴審查委員能進一步瞭解本創作之結構、特徵、目的、與其優點，茲附以圖式及較佳具體實施例之詳細說明如後。

請參照圖3，其繪示本創作之電壓調節系統之一實施例方塊圖。如圖3所示，該電壓調節系統具有一直流-直流轉換器100及一電壓調節單元110，其中，直流-直流轉換器100具有一切換式電源轉換單元101及一回授網路102，電壓調節單元110可為一LDO電壓調節單元或一電荷泵且其具有一電壓調節電路111及一負載電流狀態檢測單元112。

切換式電源轉換單元101係用以依一回授信號FB產生一切換信號以將一輸入電壓V _IN轉換成一第一輸出電壓V _REG，回授網路102係用以依一可調分壓比例對該第一輸出電壓V _REG進行一分壓操作以產生該回授信號FB，且回授網路102具有一控制端以依一比例控制信號S _LD決定該可調分壓比例。

請參照圖4，其繪示圖3之電壓調節系統之切換式電源轉換單元101之一實施例方塊圖。如圖4所示，切換式電源轉換單元101具有一切換信號產生單元101a及一電能傳輸單元101b，其中，切換信號產生單元101a係用以依回授信號FB產生一切換信號SW以驅動電能傳輸單元101b，從而將電能由電能傳輸單元101b的輸入端傳至電能傳輸單元101b的輸出端。

請參照圖5a，其繪示圖3之電壓調節系統之回授網路102之一實施例方塊圖。如圖5a所示，回授網路102具有呈串聯組態之一第一電阻102a、一可變電阻102b及一第二電阻102c，其中，可變電阻102b係依該比例控制信號S _LD的控制決定電阻值：當電壓調節單元110的負載變輕時，該比例控制信號S _LD會使可變電阻102b呈現一較低的電阻值；當電壓調節單元110的負載變重時，該比例控制信號S _LD會使可變電阻102b呈現一較高的電阻值。

請參照圖5b，其繪示圖3之電壓調節系統之回授網路102之另一實施例方塊圖。如圖5b所示，回授網路102具有呈串聯組態之一第一電阻102d、一第二電阻102e及一第三電阻102f，該比例控制信號S _LD會從回授網路102抽出一電流I _CNTL，其中，當電壓調節單元110的負載變輕時，比例控制信號S _LD會使電流I _CNTL呈現一較低的電流值；當電壓調節單元110的負載變重時，比例控制信號S _LD會使電流I _CNTL呈現一較高的電流值。

電壓調節電路111係用以將第一輸出電壓V _REG轉成一第二輸出電壓V _OUT，及依一負載電流I _LOAD產生至少一感測電流I _SEN，其中，第二輸出電壓V _OUT低於第一輸出電壓V _REG，且第一輸出電壓V _REG和第二輸出電壓V _OUT的壓差須大於一預定的調節壓差。

負載電流狀態檢測單元112係用以依所述至少一感測電流I _SEN產生所述的比例控制信號S _LD以決定該可調分壓比例，其中，該可調分壓比例和該負載電流I _LOAD係呈反向變動的關係。

請一併參照圖6a-b，其繪示圖3之電壓調節系統之電壓調節單元110之一實施例電路圖，其中，圖6a繪示電壓調節電路111之一實施例電路圖；以及圖6b繪示負載電流狀態檢測單元112之一實施例電路圖。

如圖6a所示，電壓調節電路111包含一第一運算放大器1111、一NMOS電晶體1112、一第一PMOS電晶體1113、一電流鏡單元1114、一第一電阻1115、一第二電阻1116及一濾波電容1117。

第一運算放大器1111係用以依一參考電壓V _REF和一回授電壓V _X的差值產生一驅動電壓V _G以驅動NMOS電晶體1112，且於穩態時，由於負回授的作用，第一運算放大器1111會產生虛短路現象而使回授電壓V _X逼近參考電壓V _REF。另外，由於第一運算放大器1111的高倍數電壓放大功能，在回授電壓V _X和參考電壓V _REF的差距小於一極小電壓差的情況下，其所產生的驅動電壓V _G還可有大範圍的變化空間，以對應從輕載至重載的各種負載情況下的負載電流I _LOAD。

NMOS電晶體1112係和第一PMOS電晶體1113疊接，且第一PMOS電晶體1113的閘極係和汲極耦接；於穩態時，驅動電壓V _G的電位會使NMOS電晶體1112的通道電流I ₁固定在一電流值並使第一PMOS電晶體1113的閘極產生一電壓V _Y。

電流鏡單元1114具有一第二PMOS電晶體1114a、複數個電流採樣單元(各由一第三PMOS電晶體1114b和一第四PMOS電晶體1114c疊接而成)及一第二運算放大器1114d，其中，第二PMOS電晶體1114a的源極係與第一輸出電壓V _REG耦接，閘極係與電壓V _Y耦接，及汲極係用以提供一輸出電流I _OUT；第i個電流採樣單元的第三PMOS電晶體1114b的源極係與第一輸出電壓V _REG耦接，閘極係與電壓V _Y耦接，及汲極係用以提供感測電流I _SENi，i為介於1至n的整數，n為正整數，且在各個電流採樣單元中，第四PMOS電晶體1114c的源極係與第三PMOS電晶體1114b的汲極耦接，第四PMOS電晶體1114c的閘極係與第二運算放大器1114d的輸出端耦接，及第四PMOS電晶體1114c的汲極係用以輸出感測電流I _SENi，i為介於1至n的整數。

第一電阻1115和第二電阻1116係用以形成一分壓電路以將在濾波電容1117上所建立的輸出電壓V _OUT進行分壓以產生回授電壓V _X。

如圖6b所示，負載電流狀態檢測單元112具有複數個電流比較單元(各包含一電流比較器1121a及一參考電流源1121b)及一編碼電路1122，其中，各所述電流比較單元係用以依一輸出感測電流I _SENi和一參考電流源1121b之定電流I _REFi之差值產生一數位輸出電壓OUT _i，i為介於1至n的整數，且I _REF1至I _REFn係以遞增的方式配置；編碼電路1122則係用以依OUT ₁至OUT _n的數位值產生一編碼結果，並依該編碼結果產生比例控制信號S _LD，俾以決定可變電阻102b的電阻值，其中，當電壓調節單元110的負載由輕變重時，編碼電路1122所產生的比例控制信號S _LD會使可變電阻102b的電阻值階梯式地由低變為高，從而使直流-直流轉換器100的第一輸出電壓V _REG階梯式地由低變為高。請參照圖7，其繪示由圖6a-b之電壓調節單元所產生之調節壓差和負載電流I _LOAD的關係圖。如圖7所示，當負載電流I _LOAD由輕變重而時，第一輸出電壓V _REG係階梯式地在負載電流轉折點(I ₁,I ₂…I _n)由低變為高，同時使調節壓差由V _dp0階梯式地遞增至V _dpn。

請一併參照圖8a-b，其繪示圖3之電壓調節系統之電壓調節單元110之另一實施例電路圖，其中，圖8a繪示電壓調節電路111之另一實施例電路圖；以及圖8b繪示負載電流狀態檢測單元112之另一實施例電路圖。

如圖8a所示，電壓調節電路111包含一第一運算放大器1111、一NMOS電晶體1112、一第一PMOS電晶體1113、一電流鏡單元1114、一第一電阻1115、一第二電阻1116及一濾波電容1117。 第一運算放大器1111係用以依一參考電壓V _REF和一回授電壓V _X的差值產生一驅動電壓V _G以驅動NMOS電晶體1112，且於穩態時，由於負回授的作用，第一運算放大器1111會產生虛短路現象而使回授電壓V _X逼近參考電壓V _REF。另外，由於第一運算放大器1111的高倍數電壓放大功能，在回授電壓V _X和參考電壓V _REF的差距小於一極小電壓差的情況下，其所產生的驅動電壓V _G還可有大範圍的變化空間，以對應從輕載至重載的各種負載情況下的負載電流I _LOAD。

NMOS電晶體1112係和第一PMOS電晶體1113疊接，且第一PMOS電晶體1113的閘極係和汲極耦接；於穩態時，驅動電壓V _G的電位會使NMOS電晶體1112的通道電流I ₁固定在一電流值並使第一PMOS電晶體1113的閘極產生一電壓V _Y。

電流鏡單元1114具有一第二PMOS電晶體1114a、一電流採樣單元(由一第三PMOS電晶體1114b和一第四PMOS電晶體1114c疊接而成)及一第二運算放大器1114d，其中，第二PMOS電晶體1114a的源極係與第一輸出電壓V _REG耦接，閘極係與電壓V _Y耦接，及汲極係用以提供負載電流I _OUT；電流採樣單元的第三PMOS電晶體1114b的源極係與第一輸出電壓V _REG耦接，閘極係與電壓V _Y耦接，及汲極係用以提供感測電流I _SEN，且第四PMOS電晶體1114c的源極係與第三PMOS電晶體1114b的汲極耦接，第四PMOS電晶體1114c的閘極係與第二運算放大器1114d的輸出端耦接，及第四PMOS電晶體1114c的汲極係用以輸出感測電流I _SEN。

第一電阻1115和第二電阻1116係用以形成一分壓電路以將在濾波電容1117上所建立的輸出電壓V _OUT進行分壓以產生回授電壓V _X。

如圖8b所示，負載電流狀態檢測單元112具有一第三運算放大器1123a、一第一NMOS電晶體1123b、一汲極電阻1123c、一源極電阻1123d、一第二NMOS電晶體1123e、一限流電阻1123f、一第三NMOS電晶體1123g及一第四NMOS電晶體1123h，其中，第三運算放大器1123a、第一NMOS電晶體1123b、汲極電阻1123c及源極電阻1123d係用以形成一負回授電路以使源極電阻1123d的跨壓等於一參考電壓V _REF以產生一定電流，從而使第三運算放大器1123a的輸出端產生一固定的限流電壓V _LIM；以及第三NMOS電晶體1123g和第四NMOS電晶體1123h係用以形成一電流鏡以使第三NMOS電晶體1123g能夠依流過第四NMOS電晶體1123h的通道的感測電流I _SEN產生電流I _CNTL，而第二NMOS電晶體1123e和限流電阻1123f則係用以對電流I _CNTL提供一最大電流限制機制，其原理在於：(1)固定的限流電壓V _LIM=第二NMOS電晶體1123e的閘極-源極壓差+限流電阻1123f的跨壓+第三NMOS電晶體1123g的汲極-源極壓差；(2)因此，當電流I _CNTL增加時，限流電阻1123f的跨壓會跟著增加，而當限流電阻1123f的跨壓增加到一極限值以上而使第二NMOS電晶體1123e的閘極-源極壓差或第三NMOS電晶體1123g的汲極-源極壓差無法達到所需的數值時，第二NMOS電晶體1123e或第三NMOS電晶體1123g便無法工作在飽和區(saturation region)。

依此，當電壓調節單元110的負載變輕時，比例控制信號S _LD會使電流I _CNTL呈現一較低的電流值以使回授網路102提供一較高的回授比例以產生較低的第一輸出電壓V _REG；當電壓調節單元110的負載變重時，比例控制信號S _LD會使電流I _CNTL呈現一較高的電流值以使回授網路102提供一較低的回授比例以產生較高的第一輸出電壓V _REG。

請參照圖9，其繪示由圖8a-b之電壓調節單元所產生之調節壓差和負載電流的關係圖。如圖9所示，當負載電流I _LOAD由輕變重而時，第一輸出電壓V _REG係線性地遞增，同時使調節壓差也跟著線性地遞增。

如此，上述係已完整且清楚地說明本創作之電壓調節系統之技術原理及手段，且經由上述可得知本創作具有下列優點：

本創作之電壓調節系統可根據負載的大小適時地調整調節壓差(dropout)的大小，以優化系統中之LDO及/或電荷泵在輕載時的效率，從而提高整個系統在輕載時的整體複合效率。

本創作之電壓調節系統可在輕載時調高系統中之直流-直流轉換器的電壓回授係數以調降直流-直流轉換器的輸出電壓，從而降低調節壓差(dropout)以優化系統中之LDO及/或電荷泵在輕載時的效率，俾以提高整個系統在輕載時的整體複合效率。

必須加以強調的是，前述本案所揭示者乃為較佳實施例，舉凡局部之變更或修飾而源於本案之技術思想而為熟習該項技藝之人所易於推知者，俱不脫本案之專利權範疇。

綜上所陳，本案無論目的、手段與功效，皆顯示其迥異於習知技術，且其首先創作合於實用，確實符合新型之專利要件，懇請  貴審查委員明察，並早日賜予專利俾嘉惠社會，是為至禱。

＜本創作＞ 100:直流-直流轉換器元 101:切換式電源轉換單元 101a:切換信號產生單元 101b:電能傳輸單元 102:回授網路 102a:第一電阻 102b:可變電阻 102c:第二電阻 102d:第一電阻 102e:第二電阻 102f:第三電阻 110:電壓調節單元 111:電壓調節電路 112:負載電流狀態檢測單元 1111:第一運算放大器 1112:NMOS電晶體 1113:第一PMOS電晶體 1114:電流鏡單元 1114a:第二PMOS電晶體 1114b:第三PMOS電晶體 1114c:第四PMOS電晶體 1115:第一電阻 1116:第二電阻 1117:濾波電容 1121a:電流比較器 1121b:參考電流源 1122:編碼電路 1123a:第三運算放大器 1123b:第一NMOS電晶體 1123c:汲極電阻 1123d:源極電阻 1123e:第二NMOS電晶體 1123f:限流電阻 1123g:第三NMOS電晶體 1123h:及一第四NMOS電晶體

＜習知＞ 10:DC-DC轉換器 11:LDO線性穩壓器 12:電荷泵

圖1-a繪示由一 DC-DC轉換器級聯一LDO線性穩壓器所組成之一電源管理系統； 圖1-b繪示由一 DC-DC轉換器級聯一電荷泵所組成之一電源管理系統； 圖1-c繪示由一 DC-DC轉換器級聯一LDO線性穩壓器和一電荷泵所組成之一電源管理系統； 圖1-d 繪示由一 DC-DC轉換器級聯多個LDO線性穩壓器和多個電荷泵所組成之一電源管理系統； 圖2繪示一習知電壓調節系統在各種負載電流下皆以一固定的調節壓差將一第一輸出電壓轉成一第二輸出電壓的關係曲線圖； 圖3繪示本創作之電壓調節系統之一實施例方塊圖； 圖4繪示圖3之電壓調節系統之切換式電源轉換單元之一實施例方塊圖； 圖5a繪示圖3之電壓調節系統之回授網路之一實施例方塊圖； 圖5b繪示圖3之電壓調節系統之回授網路之另一實施例方塊圖； 圖6a-b繪示圖3之電壓調節系統之電壓調節單元之一實施例電路圖； 圖7繪示由圖6a-b之電壓調節單元所產生之調節壓差和負載電流的關係圖； 圖8a-b繪示圖3之電壓調節系統之電壓調節單元110之另一實施例電路圖；以及 圖9繪示由圖8a-b之電壓調節單元所產生之調節壓差和負載電流的關係圖。

100:直流-直流轉換器元

101:切換式電源轉換單元

102:回授網路

110:電壓調節單元

111:電壓調節電路

112:負載電流狀態檢測單元

Claims (7)

1. 一種電壓調節系統，其具有： 一直流-直流轉換器，具有一切換式電源轉換單元及一回授網路，該切換式電源轉換單元係與該回授網路耦接以依一回授信號產生一切換信號以將一輸入電壓轉換成一第一輸出電壓，該回授網路係用以依一可調分壓比例對該第一輸出電壓進行一分壓操作以產生該回授信號，且該回授網路具有一控制端以依一比例控制信號決定該可調分壓比例；以及 一電壓調節單元，其係與該切換式電源轉換單元耦接以將該第一輸出電壓轉成一第二輸出電壓，該第二輸出電壓低於該第一輸出電壓； 其中，該電壓調節單元具有一負載電流狀態檢測單元，用以依一負載電流產生所述的比例控制信號並將所述的比例控制信號傳送至該回授網路之所述控制端以決定該可調分壓比例，其中，該可調分壓比例和該負載電流係呈反向變動的關係。
2. 如申請專利範圍第1項所述之電壓調節系統，其中，該電壓調節單元係一LDO電壓調節單元或一電荷泵。
3. 如申請專利範圍第1項所述之電壓調節系統，其中，該回授網路係一電阻式串聯電路。
4. 如申請專利範圍第1項所述之電壓調節系統，其中，該負載電流狀態檢測單元具有一電流鏡單元，該電流鏡單元係用以依該電壓調節單元之一輸出電流產生至少一複製電流，且該負載電流狀態檢測單元係依所述至少一複製電流產生所述的比例控制信號。
5. 如申請專利範圍第1項所述之電壓調節系統，其中，該電流鏡單元係一PMOS電流鏡單元，其包含一輸出PMOS電晶體及至少一PMOS感測電路，該輸出PMOS電晶體係用以產生所述輸出電流，且所述至少一PMOS感測電路係用以產生所述至少一複製電流。
6. 如申請專利範圍第5項所述之電壓調節系統，其中，該PMOS電流鏡單元進一步包含一運算放大器，且該運算放大器係和該輸出PMOS電晶體及一所述PMOS感測電路形成一負回授電路以提升所述至少一複製電流的精確度。
7. 如申請專利範圍第1項所述之電壓調節系統，其中，所述的比例控制信號係一數位代碼或一類比信號。

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