專利名稱：電壓調節器的制作方法
技術領域：
實施例涉及被配置成提供輸出電壓以用于對連接到其輸出端的負載進行操作的電子電路，并且更具體地涉及被配置成提供已調節的輸出電壓的電壓調節器電路以及用于提供已調節的輸出電壓的方法。
背景技術：
即使連接到電壓調節器電路的輸出端子的負載消耗變化的能量數量，即存儲在負載中的能量發生變化，電壓調節器電路也可以提供預定的輸出電壓。電壓調節器電路在由電壓調節器電路的操作環境確定的供電電壓(VDD)下進行操作。電壓調節器電路的操作環境可以是移動電話、筆記本計算機、個人計算機等等。在正常操作中，電壓調節器電路的供電電壓(VDD)超過由電壓調節器電路提供的輸出電壓。供電電壓和電壓調節器電路的輸出電壓之間大的差可能導致電壓調節器電路內增加的功率耗散，這又導致減少的電池操作時間，尤其是對于移動設備。為了使供電電壓適應期望的輸出電壓，即為了提供供電電壓和輸出電壓之間預定的電壓差，使用了不同供電電壓的電壓調節器電路的操作可以減少包括電壓調節器電路的電子設備的總的功率消耗。因此，使用具有低的芯片面積消耗的電子電路來以高效的方式在不同供電電壓之間進行切換是個問題。

發明內容
本文所描述的實施例尤其涉及一種被配置成提供已調節的輸出電壓的電壓調節器電路。該電壓調節器電路包括誤差放大器，該誤差放大器被配置成基于反饋輸出電壓和參考電壓的至少一部分來提供控制信號。第一輸出級可以在第一供電電壓下進行操作，以及基于所述控制信號來提供已調節的輸出電壓。至少一個第二輸出級可以在第二供電電壓下進行操作，第二供電電壓不同于第一供電電壓。此外，第二輸出級基于所述控制信號來提供已調節的輸出電壓。切換單元被配置成在第一輸出級(此時該調節器電路在第一供電電壓下進行操作)和第二輸出級(此時該電壓調節器電路在第二供電電壓下進行操作)之間切換控制信號。另外，本文所描述的實施例尤其涉及一種被配置成提供輸出電壓的電子電路，其中該電子電路包括被配置成由控制信號進行控制的輸出電路。該輸出電路包括第一輸出級，其可以在第一供電電壓下進行操作以及基于該控制信號提供輸出電壓；以及至少一個第二輸出級，其可以在不同于第一供電電壓的第二供電電壓下進行操作以及基于該控制信號來提供輸出電壓。該電子電路可以包括切換單元，該切換單元被配置成在第一輸出級和第二輸出級之間切換控制信號。根據本文所描述的又一個實施例，一種用于提供已調節的輸出電壓的方法包括 提供參考電壓，提供第一供電電壓，基于參考電壓和第一供電電壓來調節輸出電壓，從第一供電電壓切換到不同于第一供電電壓的至少一個第二供電電壓，以及基于參考電壓和第二供電電壓來調節輸出電壓。根據本文所描述的實施例的電壓調節器包括可以在不同供電電壓下進行操作的至少兩個輸出級。可以基于由誤差放大器生成的控制信號來提供在輸出級中的至少一個處的已調節的輸出電壓。該誤差放大器基于反饋輸出電壓和參考電壓的至少一部分來提供控制信號。在閱讀了下面的詳細描述以及查看了附圖之后，本領域技術人員將認識到附加的特征和優點。


附圖中的組件不一定是按比例的，而是將重點放在說明本發明的原理上。此外，在附圖中，相似的附圖標記表示對應的部分。在附圖中
圖I示出根據一個實施例的具備兩個不同供電電壓的電壓調節器電路的框圖2是根據一個實施例的具有切換單元的電壓調節器電路的詳細框圖3是在圖2中描繪的電壓調節器電路的詳細電路圖4是示出根據一個實施例的在其輸出級處具有電流反射鏡的電壓調節器電路的詳細電路圖5是示出根據一個實施例的具備NMOS晶體管的電壓調節器電路的電路圖；以及圖6是示出根據一個實施例的用于提供已調節的輸出電壓的方法的流程圖。
具體實施例方式現在將詳細參考各種實施例，所述實施例的一個或多個實例被示出在附圖中。在附圖的下面的描述中，相同的附圖標記指代相同的組件。一般來說，僅僅描述關于各個實施例的差異。每個實例通過解釋的方式被提供并且不打算作為限制。例如，作為一個實施例的部分而示出或描述的特征可以被用在其他實施例上或者與其他實施例一起被使用以產生又一個實施例。圖I示出根據一個實施例的包括電壓調節器電路100的電路布置(arrangement) 的框圖。電壓調節器電路100被配置成提供輸出電壓405和輸出電流410，所述輸出電壓 405可以被調節到期望的恒定值，所述輸出電流410可以基于為外部負載204提供的功率來改變。調節輸出電壓405是基于作為到電壓調節器電路100中的輸入而提供的參考電壓 403。參考電壓403由參考電壓源103來生成，所述參考電壓源103被連接在電壓調節器電路100的輸入端子和地110之間。根據一個實施例，調節器供電電壓可以直接經由供電電壓源(例如電池)或者經由至少一個第二供電電壓源來提供，其中第二供電電壓源可以由第一供電電壓源來操作。選擇信號404被輸入到電壓調節器電路100中，該選擇信號404確定被用來操作調節器電路 100的電壓域。在下文中參考圖4和圖5描述經由由電壓調節器電路100所接收的選擇信號404在不同電壓域和操作之間的切換。在圖I所示的電路布置中，可以以不同方式來提供用于電壓調節器電路100的供電電壓。提供生成第一供電電壓401 (VDDl)的第一供電電壓源101。可以直接在電壓調節器電路100處施加第一供電電壓401。特別地，在移動設備中，DC-DC轉換器108可以被串聯連接到第一供電電壓源101，其中在DC-DC轉換器108的輸出端子處生成第二供電電壓 402 (VDD2)。在DC-DC轉換器108的輸出端子和地110之間提供的第二供電電壓402還可以被提供以用于電壓調節器電路100。選擇信號404現在可以被用來在第一供電電壓401和第二供電電壓402之間切換。DC-DC轉換器108被用來將第一供電電壓401減小差電壓406的數量，以便提供第二供電電壓402。如果第二供電電壓402足以對電壓調節器電路100進行操作，則第一供電電壓401的減小是有利的。用于電壓調節器電路100的減小的供電電壓導致電壓調節器電路 100內的減小的功率耗散，并且因此導致電池供電的設備的增加的操作時間。舉例來說，第一供電電壓源101可以作為鋰離子電池(Li+電池)來提供，其通常提供4. 2V的輸出電壓。在許多電池供電的設備中，電壓調節器電路100的期望輸出電壓405 是例如
B. Uqut — 3 V ο在4. 2V的輸入電壓下操作的DC-DC轉換器108可以將4. 2V的輸入電壓減小到
3.3V的值。因此，通過切換到第二輸出電壓402，調節器供電電壓和輸出電壓405之間的差電壓406可以減小到四分之一，例如，用于第二供電電壓402的操作的電壓差是
a. (3. 3V-3V) = 300mV,
而在第一供電電壓402的操作期間電壓差是
a.(4. 2V-3V) = 1200mV。電壓差406的這種減小可以導致電壓調節器電路100內耗散的功率的大的減小。于是，如果電池(例如鋰離子電池)被放電到一個電平以使得DC-DC轉換器108的輸出電壓下降到3V以下，則可以執行切換。在這種情況下，電壓調節器電路100不能提供 3V的已調節的輸出電壓405。于是,第一供電電壓源101由鋰離子電池來表不,使得第一供電電壓401被提供以用于電壓調節器電路100。現在已經減小了第一供電電壓401和電壓調節器電路100的輸出電壓405之間的差，因為電池已經被放電到某一量。因此，提供了電池功率的高效使用。圖2是用于示出電壓調節器電路100的操作的框圖。電壓調節器電路100被連接到參考電壓源103，所述參考電壓源103提供參考電壓403 (參見圖I)以作為用于調節輸出電壓405的基礎。輸出電壓405被不出為被施加于外部負載204兩端。如圖2中所示，電壓調節器電路100包括誤差放大器104，所述誤差放大器104在其非反相輸入端(“十”輸入端)處從參考電壓源103接收參考電壓403。誤差放大器104的反相輸入端輸入端)從在電壓調節器電路100的輸出端處的反饋節點203接收反饋信號408。反饋節點203被連接到向外部負載204提供連接的輸出端子111。電壓調節器電路100的輸出電流410從輸出端子111經過外部節點204流向地110。在輸出端子111和地110之間，連接緩沖電容器109。緩沖電容器109提供對輸出電壓405的平滑以及減小的波紋失真，所述波紋失真可能發生在不同供電電壓401、402的切換期間。基于在誤差放大器104的輸入端處提供的反饋信號408和參考電壓403，誤差放大器104生成控制信號413，該控制信號413被提供以用于經由切換單元300和輸出電路 200調節輸出電壓405。
輸出電路200包括兩個輸出級,例如具備第一供電電壓401 (VDDl)的第一輸出級 201和具備第二供電電壓402 (VDD2)的第二輸出級202。基于選擇信號404，切換單元300 將控制信號413引導到在電壓調節器電路100中提供的輸出電路200的第一輸出級201或第二輸出級202。本申請不限于具有兩個輸出級201、202的輸出電路200，而是可以提供三個或更多個輸出級，其可以在相互不同的供電電壓下進行操作。例如，如果為了操作電壓調節器電路100而提供多于兩個的不同供電電壓401、402，則可以提供多于兩個的輸出級
201,202ο在下文中參考圖3解釋基于由參考電壓源103提供的參考電壓403和反饋信號 408在電壓調節器電路100內電壓控制的操作。即使存在從在第一供電電壓401下操作的第一輸出級201到在第二供電電壓402下操作的第二輸出級202的切換，在外部負載204 兩端提供的輸出電壓405也被連續地控制。通過切換輸出級201、202，與當用于整個電壓調節器電路100的供電電壓被改變時的情況相比，更少的芯片面積消耗是必要的。此外，對于輸出電壓405的失真是低的。第一輸出級201可以在第一供電電壓401下進行操作，并且可以基于控制信號413 來提供輸出電壓405。另一方面，在輸出電路200中提供的至少一個第二輸出級202可以在不同于第一供電電壓401的第二供電電壓402下進行操作，并且可以基于控制信號413提供與第一輸出級401相同的輸出電壓405。在電壓調節器電路100中，提供切換單元300，所述切換單元300在下文中被詳細地解釋，并且可以被看作是由選擇信號404操作的開關。切換單元300可以將控制信號413 引導到在電壓調節器電路100的輸出電路200中提供的輸出級201、202中的一個。可以通過向第一輸出級201供應第一供電電壓401并且基于控制信號413提供已調節的輸出電壓405,或者通過向第二輸出級202供應不同于第一供電電壓401的第二供電電壓402并且基于控制信號113提供已調節的輸出電壓405，來操作電壓調節器電路100。圖3是圖2中所示的電路布置的詳細框圖，其中更詳細地給出反饋信號408的生成和輸出電路200的建立。反饋信號408被提供以作為在反饋節點203和地110之間測量的電壓，使得誤差放大器104能夠將參考電壓403和反饋信號408進行比較。因此，可以控制電壓調節器電路100的輸出電壓405。第一輸出級201和第二輸出級202都可以包括PMOS晶體管。PMOS晶體管的各自的柵極經由切換單元300接收控制信號413。第一輸出級201或第二輸出級202 (取決于選擇信號404)被用來控制在反饋節點203處的電壓電位，例如被用來控制施加在外部負載 204兩端的輸出電壓405。輸出電流410的一部分流過連接在反饋節點203和地110之間的分壓器電路105。 在圖3中所示的電路布置中，分壓器電路105包括串聯連接的兩個電阻器，例如第一分壓器電阻器106和第二分壓器電阻器107。因此，根據由分壓器電路105提供的分壓器比來劃分輸出電壓405。在誤差放大器104的反相輸入端處提供輸出電壓405的一部分,例如反饋信號408。反饋信號408對應于在分壓器電路105的第二分壓器電阻器107兩端施加的電壓。當從在第一供電電壓401下操作的第一輸出級201切換到在第二供電電壓402下操作的第二輸出級202時，輸出電壓405保持恒定或接近恒定，并且控制回路經由輸出電壓反饋而閉合，反饋電壓是由分壓器電路105提供的。不同的供電電壓401、402可以被提供以用于輸出電路的輸出級201、202 (參見圖 2)，而剩余的電路組件(例如誤差放大器104和切換單元300)在供電電壓401、402中的較高供電電壓下進行操作，所述較高的供電電壓在這種情況下對應于供電電壓401 (VDDl)0 即使用于除了第二輸出級202之外的電路組件的供電電壓在較高的供電電壓401下進行操作，也可以獲得整個電壓調節器電路100的高效率，這是因為供電電壓401、402和輸出電壓 405之間的電壓差可以被減小，使得獲得輸出電路200內減小的功率耗散。根據圖3中所示的電路布置，兩個輸出級201、202可以可替換地以單個反饋回路來操作。該單個反饋回路由分壓器電路105以及連接串聯分壓器電阻器106、107的連接點和誤差放大器104的反相輸入端的線路來提供。分壓器電路105的分壓器比可以通過改變第一分壓器電阻器106和第二分壓器電阻器107中的至少一個來改變。由于反饋回路，分壓器比的改變改變了輸出電壓405。圖4是根據又一個典型實施例的電壓調節器電路的詳細電路圖。如圖4所示，電壓調節器電路的輸出級包括電流反射鏡電路，例如第一電流反射鏡電路501和第二電流反射鏡電路502。電流反射鏡電路由PMOS晶體管建立。電流反射鏡電路501、502內PMOS晶體管中的一個被連接，以用于作為反射鏡二極管來操作，例如在第一電流反射鏡電路501 中提供第一反射鏡二極管506，以及在第二電流反射鏡電路502中提供第二反射鏡二極管 507。輸出電流410的控制由各自的反射鏡晶體管來提供，例如如果第一供電電壓401被用于電壓調節器電路100的操作，則輸出電流410的控制由第一電流反射鏡電路501的第一反射鏡晶體管508來提供，以及如果第二供電電壓402被用于電壓調節器電路100的操作， 則輸出電流410的控制由第二電流反射鏡電路502的第二反射鏡晶體管509來提供。誤差放大器104的輸出信號(例如控制信號413)由驅動器晶體管503的柵極來接收。此外，第一和第二共源共柵(cascode)晶體管504、505接收切換單元304的輸出信號。 切換單元304由選擇信號404控制，并且輸出第一切換電壓411或第二切換電壓412以用于控制各自的共源共柵晶體管504或505。如果第一共源共柵晶體管504由選擇信號404 選擇，則第一共源共柵晶體管504和驅動器晶體管503形成共源共柵電路。另一方面，如果第二共源共柵晶體管505由選擇信號404選擇，則第二共源共柵晶體管505和驅動器晶體管503形成不同的共源共柵電路。用于控制電壓調節器電路100的輸出電壓405的反饋回路包括分壓器電路105以及將第一分壓器電阻器106和第二分壓器電阻器107的連接點連接到誤差放大器104的反相輸入端的線路。因此，所獲得的對應于參考電壓403和反饋信號408之間的差的控制信號413被用于控制第一電流反射鏡電路501或第二電流反射鏡電路502。圖4中所示的電壓調節器電路100以三個級來建立，其中第一級由誤差放大器104 形成，在第一輸出級被選擇的情況下第二級由第一反射鏡二極管506和驅動器晶體管503 的組合形成，以及在第二輸出級被選擇的情況下第二級由第二電流反射鏡電路502的第二反射鏡二極管507和驅動器晶體管503的組合形成，并且在第一輸出級被選擇的情況下第三級由第一反射鏡晶體管508表示，或者在第二輸出級被選擇的情況下第三級由第二反射鏡晶體管509表示。流過驅動器晶體管503的驅動器電流409近似地分別獨立于供電電壓401和402，這是因為驅動器電流409取決于由第一電流反射鏡電路501或第二電流反射鏡電路502提供的電流反射鏡比而被反映到輸出電流410中。按照這種方式，如果執行了通過選擇信號 404的切換，則驅動器電流409被從第一電流反射鏡電路501傳送到第二電流反射鏡電路 502，或者反之亦然。圖5是根據又一個實施例的電壓調節器電路的詳細電路圖。圖5中所示的電路布置包括兩個級，其分別由誤差放大器104 (第一級)和輸出晶體管510和511 (第二級)建立。如在圖4中所示的建立中的那樣，提供切換單元300，以便將由誤差放大器104輸出的控制信號413切換到第一輸出級(例如第一輸出晶體管510)或切換到第二輸出級(例如第二輸出晶體管511)。如圖5中所示，輸出級的晶體管510、511作為NMOS晶體管被提供，其中在圖4所示的建立中所使用的晶體管作為PMOS晶體管被提供。這里沒有描述已經參考圖I一圖4描述的組件，以便避免冗余的描述。在圖I一圖3中示出的布置的電壓調節器電路中使用的切換單元300在圖5中被詳述。如圖5中所示，切換單元300由兩個開關建立，所述兩個開關提供誤差放大器104的輸出端子到第一輸出晶體管510的柵極或第二輸出晶體管511的柵極的連接。未用于操作的輸出晶體管510、511被切換單元300中所包括的第二開關閉鎖(block)。切換單元300 可以由至少兩個MOS開關形成，其中MOS開關中的每一個可以包括與NMOS晶體管并聯連接的PMOS晶體管。選擇信號404再次被用于對包括在切換單元300中的開關進行操作。在圖5中未不出負載,但是要理解,輸出端子111被用于將輸出電流410輸出到外部負載。因此，圖5是在NMOS配置中圖2的電壓調節器電路的實施，以及圖4是在PMOS實施中圖2的電壓調節器電路的實施。因此，當從第一供電電壓401切換到不同于第一供電電壓401的第二供電電壓402時,執行控制信號413從第一輸出晶體管510到第二輸出晶體管511的切換。圖6是示出用于基于參考電壓403來提供已調節的輸出電壓405的方法的流程圖，其中使用兩個不同的供電電壓401、402。該過程開始(步驟601)。提供參考電壓403(步驟602)。在上文中描述的電壓調節器電路然后被提供第一供電電壓401 (步驟603)。然后通過基于參考電壓403和第一供電電壓401調節輸出電壓405來執行對輸出電壓405的控制(步驟604)。如果確定用于電壓調節器電路(特別是用于電壓調節器電路的輸出電路)的另一供電電壓是期望的，則電壓調節器電路從第一供電電壓401被切換到不同于第一供電電壓 401的至少一個第二供電電壓402(步驟605)。再次，在上文中描述的電壓調節器電路基于參考電壓103和供電電壓來控制輸出電壓405，所述供電電壓在這種情況下是第二供電電壓402 (步驟606)。然后該過程結束(607)。通過提供在上文中描述的電壓調節方法，可以減小芯片面積消耗。可以獲得從輸出電路200的一個輸出級到另一個輸出級的平滑轉換。因此，可以提供例如在移動電子設備中電壓源的能量的高效使用。諸如“第一”、“第二”等等之類的術語也被用來描述各種元件、區域、部分等等，并且也不意圖進行限制。相似的術語在整個說明書中指代相似的元件。本文中所用的術語“具有”、“包含”、“包括”等等是開放式術語，其指示所述的元件或特征的存在但是不排除附加的元件或特征。冠詞“一”、“一個”和“該”意圖包括復數以
及單數，除非上下文另有清楚地指示。考慮到上述范圍的變化和應用，應該理解，本發明不由前述描述限制，也不由附圖限制。代之以，本發明僅由后面的權利要求書及其法律等同物來限制。
權利要求
1.一種用于提供已調節的輸出電壓的電壓調節器電路，包括誤差放大器，其被配置成基于反饋輸出電壓和參考電壓的至少一部分來提供控制信號;第一輸出級，其被配置成在第一供電電壓下進行操作，以及基于所述控制信號來提供已調節的輸出電壓；至少一個第二輸出級，其被配置成在不同于第一供電電壓的第二供電電壓下進行操作，以及基于所述控制信號來提供已調節的輸出電壓；以及切換單元，其被配置成在第一輸出級和第二輸出級之間切換所述控制信號。
2.根據權利要求I所述的電壓調節器電路，還包括參考電壓源，其被配置成提供所述參考電壓。
3.根據權利要求I所述的電壓調節器電路，還包括第一供電電壓源，其被配置成提供第一供電電壓。
4.根據權利要求I所述的電壓調節器電路，還包括=DC-DC轉換器，其被配置成基于第一供電電壓來提供第二供電電壓，其中第二供電電壓低于第一供電電壓。
5.根據權利要求I所述的電壓調節器電路，其中，第一輸出級和至少一個第二輸出級均包括電流反射鏡電路。
6.根據權利要求5所述的電壓調節器電路，其中，每個電流反射鏡電路由PMOS晶體管形成。
7.根據權利要求I所述的電壓調節器電路，其中，所述切換單元包括至少兩個MOS開關。
8.根據權利要求7所述的電壓調節器電路，其中，每個MOS開關包括與NMOS晶體管并聯連接的PMOS晶體管。
9.一種用于提供輸出電壓的電子電路，包括輸出電路，其被配置成由控制信號來控制，所述輸出電路包括第一輸出級，其被配置成在第一供電電壓下進行操作，以及基于所述控制信號來提供輸出電壓；以及至少一個第二輸出級，其被配置成在不同于第一供電電壓的第二供電電壓下進行操作，以及基于所述控制信號來提供輸出電壓；以及切換單元，其被配置成在第一輸出級和第二輸出級之間切換所述控制信號。
10.根據權利要求9所述的電子電路，還包括第一供電電壓源，其被配置成提供第一供電電壓。
11.根據權利要求9所述的電子電路，還包括=DC-DC轉換器，其被配置成基于第一供電電壓來提供第二供電電壓，其中第二供電電壓低于第一供電電壓。
12.根據權利要求9所述的電子電路，其中，第一輸出級和至少一個第二輸出級均包括電流反射鏡電路。
13.根據權利要求12所述的電子電路，其中，每個電流反射鏡電路由PMOS晶體管形成。
14.根據權利要求9所述的電子電路，其中，所述切換單元包括至少兩個MOS晶體管。
15.根據權利要求14所述的電子電路，其中，每個MOS開關包括與NMOS晶體管并聯連接的PMOS晶體管。
16.一種用于提供已調節的輸出電壓的方法，包括提供參考電壓；提供第一供電電壓；基于所述參考電壓和第一供電電壓來調節輸出電壓；從第一供電電壓切換到不同于第一供電電壓的至少一個第二供電電壓；以及基于所述參考電壓和第二供電電壓來調節輸出電壓。
17.根據權利要求16所述的方法，其中，基于反饋輸出電壓和所述參考電壓的至少一部分來提供控制信號，所述控制信號控制第一輸出級和第二輸出級中的至少一個。
18.根據權利要求17所述的方法，還包括在第一供電電壓下對第一輸出級進行操作，以及基于所述控制信號來提供已調節的輸出電壓。
19.根據權利要求17所述的方法，還包括在不同于第一供電電壓的至少一個第二供電電壓下對第二輸出級進行操作；以及基于所述控制信號來提供已調節的輸出電壓。
20.根據權利要求16所述的方法，其中，從第一供電電壓切換到不同于第一供電電壓的至少一個第二供電電壓包括將所述控制信號從第一輸出級切換到第二輸出級。
全文摘要
本發明公開了電壓調節器。一種用于提供已調節的輸出電壓的電壓調節器電路被提供。該電壓調節器電路包括被配置成基于反饋輸出電壓和參考電壓的至少一部分來提供控制信號的誤差放大器。第一輸出級被配置成在第一供電電壓下進行操作，以及基于控制信號來提供已調節的輸出電壓。至少一個第二輸出級被配置成在不同于第一供電電壓的第二供電電壓下進行操作，以及基于控制信號來提供已調節的輸出電壓。切換單元被配置成在第一輸出級和第二輸出級之間切換控制信號。
文檔編號G05F1/56GK102591391SQ201210005849
公開日2012年7月18日 申請日期2012年1月10日 優先權日2011年1月10日
發明者R.里德雷爾 申請人:英飛凌科技股份有限公司