具软启动电路的电压调整器的制作方法与工艺

本发明涉及一种电压调整器，且特别涉及一种具软启动电路的电压调整器。

背景技术：
请参照图1A与图1B，其所绘示为公知电压调整器(voltageregulator)及其相关信号示意图。电压调整器100为一种低压差电压调整器(lowdropoutvoltageregulator，简称LDO电压调整器)，其包括：包括：一参考电压Vref、一晶体管MP、一运算放大器OP、电阻R1与电阻R2。于电压调整器100中，运算放大器OP受控于致能信号EN，其负输入端接收参考电压Vref，正输入端接收反馈电压Vfb，输出端产生一误差信号(errorsignal)Ve。晶体管MP栅极连接至运算放大器OP输出端，源极连接至一电源电压Vcc，漏极接至电压调整器100的输出端O。再者，电阻R1第一端连接至晶体管MP漏极，电阻R1第二端连接至节点a；电阻R2第一端连接至节点a，电阻R2第二端连接至接地电压GND。再者，节点a产生反馈电压Vfb，且节点a连接至运算放大器OP的正输入端。再者，电压调整器100的输出端O连接至一稳压电容器(Bulkcapacitor)Cb与负载110。于电压调整器100正常运作时，误差信号Ve可以控制晶体管Mp产生输出电压Vout。并且，稳压电容器Cb可以稳定地维持电压调整器100产生的输出电压Vout，使得电压调整器100的输出端O产生输出电流Io至负载(load)110。基本上，输出电压Vout＝(1+R1/R2)×Vref。然而，由于稳压电容器(bulkcapacitor)Cb的电容值较大。于公知电压调整器100的启动(startup)瞬间，输出端O会产生较大的输出电流Io，并且可能导致负载110或者晶体管MP的损毁。以下详细介绍各种启动情况下，电压调整器100的输出电压Vout与输出电流Io之间的关系。如图1B所示，电压调整器100于时间点t1启动时，致能信号EN为高电平代表运算放大器OP可正常运作，且电源电压Vcc以斜坡(ramp)的方式上升。很明显地，于电源电压Vcc上升的过程，会使得输出电压Vout产生过冲现象(overshoot)120，并且输出电流Io也会有不稳定的情况。再者，于时间点t2时，电源电压Vcc已经为稳态的3.3V，而致能信号EN由低电平切换为高电平。很明显地，当运算放大器OP开始运作的瞬间，也会使得电压调整器100产生的输出电压Vout有过冲现象122，而此时的输出电流Io为大于2A(2000mA)的冲击电流(rushcurrent)。因此，输出电流Io很可能烧毁负载110或晶体管MP。再者，于时间点t3时，而致能信号EN为高电平，且电源电压Vcc由0V快速上升至3.3V。很明显地，当电压调整器100的启动瞬间，电压调整器100产生的输出电压Vout有过冲现象124，而此时的输出电流Io为大于0.5A(500mA)的冲击电流(rushcurrent)。因此，输出电流Io很可能烧毁负载110或晶体管MP。一般来说，当电压调整器100的启动瞬间时，运算放大器OP的二个输入端之间的电压差(voltagedifference)太大，造成晶体管MP产生大的输出电流Io以及过冲现象的输出电压Vout。而为了防止电压调整器在启动瞬间产生大的冲击电流，美国专利US8,704,506、US7,459,891、US7,619,397与US6,969,977揭露了各种软启动电路(soft-startcircuit)，并将软启动电路运用于电压调整器，用来降低电压调整器在启动瞬间产生的冲击电流。

技术实现要素：
本发明的目的在于提出一种具软启动电路的电压调整器。此软启动电路架构简单，可以有效地消除输出电压Vout的过冲现象与冲击电流。本发明公开了一种电压调整器，包含：一运算放大器，具有一第一输入端接收一控制电压、具有一第二输入端接收一反馈电压，以及具有一输出端产生一误差信号；一晶体管，具有一栅极连接至该运算放大器的该输出端并接收该误差信号，具有一第一端接收一电源电压，以及具有一第二端连接至该电压调整器的一输出端；其中，该电压调整器的该输出端产生一输出电压；一第一电阻，具有一第一端连接至该电压调整器的该输出端，具有一第二端连接至该运算放大器的该第二输入端；一第二电阻，具有一第一端连接至该第一电阻的该第二端，具有一第二端连接一接地电压；其中，该第二电阻的该第一端产生该反馈电压；一输出电压延迟电路，连接至该电压调整器的该输出端用以接收该输出电压，并产生一延迟的输出电压；以及一选择电路，具有一第一输入端接收一参考电压，具有一第二输入端接收该延迟的输出电压，具有一输出端产生该控制电压至该运算放大器的该第一输入端；其中，当该参考电压大于该延迟的输出电压时，该选择电路以该延迟的输出电压作为该控制电压；以及，当该参考电压小于该延迟的输出电压，该选择电路以该参考电压作为该控制电压。为了对本发明的上述及其他方面有更佳的了解，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下：附图说明图1A与图1B所绘示为公知电压调整器及其相关信号示意图。图2A与图2B所绘示为本发明电压调整器及其相关信号示意图。图3A与图3B所绘示为输出电压延迟电路的二种实施例。图4A与图4B所绘示为选择电路的二种实施例。其中，附图标记说明如下：100：电压调整器110：负载120、122、124：过冲现象200：电压调整器210：选择电路212：比较器214：反相器216：第一传输闸218：第二传输闸220：输出电压延迟电路222：单增益缓冲器230：负载具体实施方式请参照图2A与图2B，其所绘示为本发明电压调整器及其相关信号示意图。电压调整器200为电压调整器，其包括：一参考电压Vref、一选择电路(selectingcircuit)210、一晶体管MP、一运算放大器OP、一输出电压延迟电路(outputvoltagedelayingcircuit)220、电阻R1与电阻R2。其中，软启动电路由选择电路210与输出电压延迟电路220所组成。根据本发明的实施例，选择电路210的二输入端接收参考电压Vref以及延迟的输出电压(delayedoutputvoltage)Vss，并在选择电路210的输出端产生一控制电压Vr。当参考电压Vref大于延迟的输出电压Vss时，选择电路210以延迟的输出电压Vss作为控制电压Vr。反之，当参考电压Vref小于延迟的输出电压Vss时，选择电路210以参考电压Vref作为控制电压Vr。再者，于电压调整器200中运算放大器OP受控于致能信号EN，其负输入端接收控制电压Vr，正输入端接收反馈电压Vfb，输出端产生一误差信号Ve。晶体管MP栅极连接至运算放大器OP输出端，源极连接至一电源电压Vcc，漏极接至电压调整器200的输出端O。再者，电阻R1第一端连接至晶体管MP漏极，电阻R1第二端连接至节点a；电阻R2第一端连接至节点a，电阻R2第二端连接至接地电压GND。再者，节点a产生反馈电压Vfb，且节点a连接至运算放大器OP的正输入端。另外，输出电压延迟电路220连接于电压调整器200的输出端O以及选择电路210之间，用以接收输出电压Vout并产生延迟的输出电压Vss至选择电路210。再者，电压调整器200的输出端O连接至一稳压电容器(Bulkcapacitor)Cb与负载230。于电压调整器200正常运作时，误差信号Ve可以控制晶体管Mp产生输出电压Vout。并且，稳压电容器Cb可以稳定地维持电压调整器200产生的输出电压Vout，使得电压调整器200的输出端O产生输出电流Io至负载230。基本上，输出电压Vout＝(1+R1/R2)×Vref。根据本发明的实施例，于电压调整器200的启动瞬间，软启动电路输出的控制电压Vr可使得运算放大器OP的二输入端具备较低的电压差(voltagedifference)，用以降低输出电压Vout的过冲现象。换句话说，于电压调整器200的启动瞬间，由于输出电压Vout与反馈电压Vfb都很小。此时，选择电路210将延迟的输出电压Vss作为控制电压Vr并输入运算放大器OP的负输入端。因此，运算放大器OP的正负二输入端分别接收反馈电压Vfb与延迟的输出电压Vss，由于运算放大器OP的二输入端具备较低的电压差，可以有效地防止输出电压Vout的过冲现象与冲击电流。再者，于电压调整器200的启动瞬间之后，当延迟的输出电压Vss大于参考电压Vref时，选择电路210将参考电压Vref作为控制电压Vr并输入运算放大器OP的负输入端。因此，运算放大器OP的正负二输入端分别接收反馈电压Vfb与参考电压Vref，使得电压调整器200的输出端O产生稳定的输出电压Vout。如图2B所示，电压调整器200于时间点t1启动时，致能信号EN为高电平代表运算放大器OP可正常运作，且电源电压Vcc以斜坡(ramp)的方式上升。很明显地，于电源电压Vcc上升的过程，输出电压Vout已无过冲现象产生。再者，最大的输出电流Io约在90mA。再者，于时间点t2时，电源电压Vcc已经为稳态的3.3V，而致能信号EN由低电平切换为高电平。很明显地，当运算放大器OP开始运作的瞬间，输出电压Vout已无过冲现象产生，且最大的输出电流Io约在90mA。再者，于时间点t3时，而致能信号EN为高电平，且电源电压Vcc由0V快速上升至3.3V。很明显地，当电压调整器200的启动瞬间，输出电压Vout已无过冲现象产生，且最大的输出电流Io约在90mA。由以上的说明可知，本发明利用输出电压延迟电路220搭配选择电路210形成的软启动电路可以有效地降低电压调整器200启动瞬间的输出电流Io并防止输出电压Vout的过冲现象产生。请参照图3A与图3B，其所绘示为输出电压延迟电路的二种实施例。如图3A所示，输出电压延迟电路220包括一电阻R3与一电容器C1，电阻R3第一端接收输出电压Vout，电阻R3第二端连接至电容器C1第一端，电容器C1第二端连接至接地电压GND。再者，电阻R3第二端可产生延迟的输出电压Vss至选择电路210。根据本发明的实施例，时间常数(timeconstant)R3×C1可以决定输出电压延迟电路220的延迟时间。当延迟时间越大时，启动瞬间的输出电压Vout具有较低的上升斜率，以及较小的过冲现象。反之，当延迟时间越小时，启动瞬间的输出电压Vout具有较高的上升斜率，以及较大的过冲现象。如图3B所示，输出电压延迟电路220包括一单增益冲器(unitgainbuffer)222与一电容器C1，单增益冲器222的输入端接收输出电压Vout，单增益冲器222的输出端连接至电容器C1第一端，电容器C1第二端连接至接地电压GND。再者，单增益冲器222的输出端可产生延迟的输出电压Vss至选择电路210。根据本发明的实施例，单增益冲器222的驱动强度(drivingstrength)可以决定输出电压延迟电路220的延迟时间。当驱动强度越弱(weak)时，启动瞬间的输出电压Vout具有较低的上升斜率，以及较小的过冲现象。反之，当驱动强度越强(strong)时，启动瞬间的输出电压Vout具有较高的上升斜率，以及较大的过冲现象。再者，单增益冲器222由运算放大器来实现，运算放大器的负输入端连接至输出端。请参照图4A与图4B，其所绘示为选择电路的二种实施例。如图4A所示，选择电路210包括一比较器212与二开关元件(switchingdevice)Msw1与Msw2。比较器212的正输入端接收参考电压Vref，负输入端接收延迟的输出电压Vss，输出端产生开关信号Csw。开关元件Msw1的控制端接收开关信号Csw，开关元件Msw1的第一端连接至比较器212的正输入端。开关元件Msw2的控制端接收开关信号Csw，开关元件Msw2的第一端连接至比较器212的负输入端，开关元件Msw2的第二端连接至开关元件Msw1的第二端。其中，开关元件Msw1为P型晶体管，且开关元件Msw2为N型晶体管。很明显地，当参考电压Vref大于延迟的输出电压Vss时，开关信号Csw为高电平，开关元件Msw2为闭路状态(closestate)且开关元件Msw1为开路状态(openstate)，因此选择电路210以延迟的输出电压Vss作为控制电压Vr。反之，当参考电压Vref小于延迟的输出电压Vss时，开关信号Csw为低电平，开关元件Msw1为闭路状态且开关元件Msw2为开路状态，因此选择电路210以参考电压Vref作为控制电压Vr。如图4B所示，选择电路210包括一比较器212、一反相器214与二传输闸(transmissiongate)216与218。比较器212的正输入端接收参考电压Vref，负输入端接收延迟的输出电压Vss，输出端产生开关信号Csw。反相器214接收开关信号Csw产生反相开关信号Cswb。第一传输闸216的第一控制端接收开关信号Csw，第一传输闸216的第二控制端接收反相开关信号Cswb，第一传输闸216的第一端连接至比较器212的正输入端。第二传输闸218的第一控制端接收反相开关信号Cswb，第二传输闸218的第二控制端接收开关信号Csw，第二传输闸218第一端连接至比较器212的负输入端，第二传输闸218的第二端连接至第一传输闸216的第二端。很明显地，当参考电压Vref大于延迟的输出电压Vss时，开关信号Csw为高电平且反相开关信号Cswb为低电平，第二传输闸218为闭路状态且第一传输闸216为开路状态，因此选择电路210以延迟的输出电压Vss作为控制电压Vr。反之，当参考电压Vref小于延迟的输出电压Vss时，开关信号Csw为低电平且反相开关信号Cswb为高电平，第一传输闸216为闭路状态且第二传输闸218为开路状态，因此选择电路210以参考电压Vref作为控制电压Vr。再者，本发明并未限定选择电路210中的实际电路结构。举例来说，在此领域的技术人员也可以利用比较器212的正输入端接收延迟的输出电压Vss，负输入端接收参考电压Vref，输出端产生开关信号Csw。并且，修改开关元件或者传输闸的连接关系，也可以达成本发明选择电路210的功能。由以上的说明可知，本发明提出一种具有软启动电路的电压调整器，其可有效地降低电压调整器启动瞬间的输出电流Io并防止输出电压Vout的过冲现象产生。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视所附的权利要求所界定者为准。