专利名称：可调整功率分配的线性稳压电路的制作方法
技术领域：
本发明有关于一种线性稳压电路，特别是一种可弹性调整功率分配的线性稳压电路。
背景技术：
随着半导体制程的不断进步，集成电路一直朝低电压的省电方向来设计，但晶片的复杂度不断增加，所需的电流供应量也到了让人咋舌的地步，以CPU来讲，Pentium II需要14.2A，Pentium w/MMX需要5.7A，AMD K6-233的需求也高达9.5A。从上述可知，虽有低电压的设计，但高电流的工作型态使得功率消耗亦快速增加，传统上的电源供应设计有靠内阻来降压的线性稳压器(linear regulator)，以及借着调整电源电路的开关时间，来得到不同的输出电压与电流的交换式稳压器(switching mode regulator)。虽然交换式稳压器虽有较高的功率转换效率，但由于PC产业中受限于成本价格，再加上主机板上布局(layout)面积的考量之下，因此，在电源供应的设计上大多排除交换式稳压器，而采用线性稳压器。
如第1图所示，为已知线性稳压器(linear regulator)的电路图，包含一分压电路10，一比较器12以及一npn双载子晶体管Q1。其中，分压电路10上的电阻R1、R2利用电压源Vcc产生一预定参考电压Vref，再连接至比较器12的正输入端，其中此预定参考电压值的设定即为预定稳压的输出电压值，而输出电压Vout则回授至比较器12的负输入端，npn晶体管Q1的集电极连接信号输入端Vin，基极是连接比较器12的输出端，而Q1的射极则为信号输出端Vout并连结一负载电容CL。当输出端Vout的输出电压小于参考电压Vref时，比较器12输出一高电位电压导通晶体管Q1，以提供电流使输出端Vout的电压电位提高；若输出端Vout的输出电压大于参考电压Vref时，藉由比较器12输出一低电位电压关闭晶体管Q1，待输出端Vout的输出电压小于参考电压时，才重新导通晶体管Q1，使输出电压Vout维持动态平衡。
不过，线性稳压器的主要缺点即功率转换效率较差，以上述电路计算其功率损耗Ploss＝(Vin-Vout)×Iout，功率的损耗几乎完全消耗于晶体管Q1上，使得晶体管Q1就需选择能承受较大功率的元件规格，但如由于高功率晶体管的费用较高，因此会使成本居高不下。并且，当元件长期处于高负载的情形下，相对的，元件可靠度势必受到影响，而导致元件或线路寿命的减少。此外，由于损耗的功率系转换成热能的形式发散，是以单一区域产生的高热也会影响邻近区域其他元件的操作状态，特别是在使用高功率晶体管时，附近区域的温度上升的幅度往往相当大，是故散热不均匀亦成为线性稳压器不容忽视的问题。
有鉴于上述缺点，传统设计会采串联方式将功率损耗分散于两个或多个功率元件上，如图2所示，增加一二极管D1，藉由跨于二极管D1的功率消耗PD1_loss，以降低晶体管Q1的损耗功率负载，使得线性稳压器的整体功率损耗成为Ploss＝PD1_loss+PQ1_loss，而PD1_loss＝VD1×Iout，PQ1_loss＝(Vin-VD1-Vout)×Iout，如此一来晶体管Q1即可选择较低的功率元件，而达到降低成本的功效。不过，上述做法仍有缺点，即消耗于二极管D1的功率是固定的，因此功率的消耗大部分仍仰赖晶体管Q1来达成，对于分散功率损耗的成效并不显著。有鉴于此，本发明提出一种可弹性调整功率消耗分配的线性稳压装置，进而增加电路布局的弹性且有助于元件可靠度的提升。
发明内容
本发明的目的为提供一种线性稳压电路的设计。
本发明的再一目的为提供一种可弹性调整功率分配的线性稳压电路。
本发明提供了一种可调整功率分配的线性稳压电路，此线性稳压电路连结于一信号输入端与一信号输出端之间，用来将该信号输入端的输入电压调降，并由信号输出端输出稳定的调降电压。此线性稳压电路包含，至少二个串联的线性稳压器，一功率分配电路。其中每一个线性稳压器还包括一功率晶体管与一比较器，比较器根据功率晶体管的输出电压值以及参考电压值的大小，而决定是否导通功率晶体管，当功率晶体管导通时即能以功率消耗方式降低输入电压。功率分配电路亦连结于信号输入端与信号输出端间，由至少二个串联的电阻器构成，其中每一个电阻器对应于一个线性稳压器，用以控制线性稳压器的压降大小，进而控制消耗于线性稳压器功率元件的功率分配比率。
为进一步说明本发明的上述目的、结构特点和效果，以下将结合附图对本发明进行详细的描述。
图1为已知线性稳压器的电路图；图2为另一已知线性稳压器的电路图；图3为根据本发明较佳实施例的稳压电路图；图4为根据本发明较佳实施例的稳压电路区块图；以及图5为根据本发明设计的串联多级稳压元件的电路区块图。
具体实施例方式
本发明的线性稳压电路是以多级线性稳压器串联(cascade)连接，并藉由功率分配电路上的元件，以控制其对应的线性稳压器的压降，达到控制各级线性稳压器的功率消耗的目的。以下兹列举一最佳实施例以说明本发明，然熟悉本领域的技术人员都知此仅为一举例，而并非用以限定发明本身。有关此最佳实施例的内容详述如下。
首先，请参阅图3所示，根据本发明一较佳实施例所揭示的可调整功率分配的线性稳压电路，连结于一信号输入端Vin与一信号输出端Vout之间，用来将输入端的输入电压调降，并由输出端输出稳定的调降电压，此线性稳压电路包含，一分压电路18，第一线性稳压器20，第二线性稳压器22，以及一功率分配电路24。分压电路18包括串联的第一电阻R3与第二电阻R4，其中第一电阻R3的头端连接一定电压源Vcc，第二电阻R4的尾端则接地，而第一电阻R3的尾端与第二电阻R4的头端相接节点处，则产生第一参考电压Vref1，且藉由设定电阻R3、R4的电阻值，将其电压值设定在信号输出端Vout的预定输出电压值。
第一线性稳压器20包括第一比较器201及第一晶体管Q2，其中第一比较器201的正输入端，连接至上述分压电路18以输入第一参考电压Vref1，负输入端则连接至信号输出端Vout，至于其输出端连接至第一晶体管Q2的基极。第一晶体管Q2的发射极连接至信号输出端Vout，其集电极则连接至下一级的第二线性稳压器22的负输入端。因此，当信号输出端Vout的电压电位低于第一参考电压Vref1时，藉由第一比较器201输出一高电位电压导通第一晶体管Q2，以提供电流使信号输出端Vout的电压电位提高；若信号输出端Vout的电压电位高于第一参考电压Vref1时，则关闭第一晶体管Q2，藉以降低信号输出端Vout的电压电位。
功率分配电路24连接于信号输入端Vin与信号输出端Vout之间，由两串联电阻R_Q3及R_Q2所组成，其中电阻R_Q3的头端连接至信号输入端Vin，电阻R_Q2的尾端连接至信号输出端Vout，而两电阻串联节点Vr则连接至第二线性稳压器22的正输入端。另外，第二线性稳压器22则包括第二比较器221及第二晶体管Q3，其中第二比较器221的正输入端连接至上述功率分配电路24的两串联电阻节点处Vr，负输入端则连接至第二晶体管Q3的发射极，而比较器的输出端则连接至第二晶体管Q3的基极，第二晶体管Q3的集电极连接至信号输入端Vin，其发射极则连接至上一级第一线性稳压器20的第一晶体管Q2的集电极。其中第二线性稳压器22藉由第二比较器221比较Vr与Vq的电压，以控制第二晶体管Q3的导通与否，得以将Vr及Vq的电压调整成几近相同。其中上述较佳实施例中采用双载子晶体管，亦可选择金氧半场效晶体管作为上述控制的晶体管，此外，在上述比较器的负输入端与其输出端间，常会加上一组补偿电阻、电容(图中未示)，以避免输出电压的不稳定。
由图4明显可知，功率分配电路24与第二线性稳压器22及第一线性稳压器20并联，再透过第二比较器221使得节点Vr及Vq的电压相等，所以电阻R_Q3与R_Q2上的压降将等同于跨于第二晶体管Q3与第一晶体管Q2上的压降，使得此线性稳压电路的整体功率损耗Ptotal_loss＝(Vin-Vout)×Iout，也因为流经串联电阻R_Q3与R_Q2上的电流很小，使得输出电流Iout几乎等于流经串联的第二晶体管Q3与第一晶体管Q2上的电流，以致电路的整体功率损耗Ptotal_loss＝PQ3_loss+PQ2_loss，而串联的晶体管Q3与Q2的功率损耗则分别为PQ3_loss＝Ptotal_loss×R_Q3/(R_Q3+R_Q2)及PQ2_loss＝Ptotal_loss×R_Q2/(R_Q3+R_Q2)，所以，藉由调整功率分配电路24上的各电阻值，即可达到调整线性稳压电路的损耗功率分配。
图4所示即为根据本发明较佳实施例的电路区块图，此外，如图5所示，亦可于节点1的左侧，配合线性稳压器的搭配，串联(cascade)成更多级的线性稳压器(如图上所示的R_Q4搭配第三线性稳压器26等)，而损耗功率的分配同样根据功率分配电路28上串联的各电阻值，决定各个线性稳压器的功率损耗。
根据本发明的线性稳压电路设计具有如下的优点(1)根据功率分配电路上的压降分配，将可弹性调节稳压器上功率元件的功率分配，以降低单一功率元件的负载值，当元件不经常处于高负载的情形下，元件的可靠度相对可以提升。此外，元件的负载降低，使得设计者将可选择较低功率的元件，降低单一元件的采购成本。
(2)由于线性稳压器的功率损耗是以热能的形式来散逸，当功率元件产生高热时必须透过电路板来散热，藉由本发明的电路设计将可弹性配合其他电路的布局设计，假设分配给稳压电路的布局区域较大时，此区域即可设计较高功率的元件，若布局区域较小时，则可选择多个低功率的元件分散于各处，藉此分散热能的来源，使得电路布局更具弹性，此外，也可避免单一元件产生的高热影响邻近电路元件的操作状态，间接提升整体的可靠度。
虽然本发明已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，在没有脱离本发明精神的情况下还可作出各种等效的变化和修改，因此，只要在本发明的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本发明权利要求书的范围内。
权利要求
1.一种可调整功率分配的线性稳压电路，连结于一信号输入端与一信号输出端之间，用来将该信号输入端的输入电压调降，并由该信号输出端输出稳定的调降电压，该线性稳压电路至少包含至少二个串联的线性稳压器，连结于该信号输入端与该信号输出端之间，能以消耗功率的方式调整输入电压，并提供稳定的输出电压；一功率分配电路，连结于该信号输入端与信号该输出端之间，用以控制上述各个线性稳压器消耗功率的大小。
2.如权利要求1所述的线性稳压电路，其特征在于，还包含一分压电路，连接于靠近该信号输出端的线性稳压器，用以产生第一参考电压。
3.如权利要求2所述的线性稳压电路，其特征在于，上述分压电路还包括依序串联的第一电阻与第二电阻，其中该第一电阻的头端连接至一定电压源，该第二电阻的尾端则连接至接地端，而在该第一电阻与该第二电阻相接的节点处产生该第一参考电压。
4.如权利要求1所述的线性稳压电路，其特征在于，该个线性稳压器还包括一比较器与一功率晶体管，其中该比较器能根据该功率晶体管的输出电压值以及一参考电压值的大小，而决定是否导通该功率晶体管，并藉由该功率晶体管的导通得以消耗功率。
5.如权利要求1所述的线性稳压电路，其特征在于，上述功率分配电路由至少两个电阻器串联形成，其中每一个该电阻器对应于一个该线性稳压器，用以控制该个线性稳压器的压降大小，以便控制该个线性稳压器消耗功率的大小。
6.一种可调整功率分配的线性稳压电路，连结于一信号输入端与一信号输出端之间，用来将该信号输入端的输入电压调降，并由该信号输出端输出稳定的调降电压，该线性稳压电路至少包含至少二个串联的线性稳压器，连结于该信号输入端与该信号输出端之间，能以消耗功率的方式逐步降低输入电压，并提供稳定的输出电压；一功率分配电路，连结于该信号输入端与该信号输出端之间，由至少二个串联的电阻器构成，其中每一个该电阻器对应于一个该线性稳压器，用以控制该个线性稳压器的压降大小，以便控制该个线性稳压器消耗功率的大小。
7.如权利要求6所述的线性稳压电路，其特征在于，还包含一分压电路，连接于靠近该信号输出端的线性稳压器，用以产生第一参考电压。
8.如权利要求7所述的线性稳压电路，其特征在于，上述的分压电路还包括依序串联的第一电阻与第二电阻，其中该第一电阻的头端连接至一定电压源，该第二电阻的尾端则连接至接地端，而在该第一电阻与该第二电阻相接的节点处产生该第一参考电压。
9.如权利要求6所述的线性稳压电路，其特征在于，该个线性稳压器还包括一比较器与一功率晶体管，其中该比较器能根据该功率晶体管的输出电压值以及一参考电压值的大小，而决定是否导通该功率晶体管，并藉由该功率晶体管的导通得以消耗功率。
全文摘要
本发明涉及一种可调整功率分配的线性稳压电路。此线性稳压电路连结于一信号输入端与一信号输出端之间，用来将信号输入端的输入电压调降，并由信号输出端输出稳定的调降电压，而线性稳压电路包含至少二个串联的线性稳压器以及一功率分配电路。其中线性稳压器连结于信号输入端与信号输出端之间，能以消耗功率的方式调整输入电压，并提供稳定的输出电压，功率分配电路亦连结于信号输入端与信号输出端之间，用以控制上述各个线性稳压器消耗功率的大小。
文档编号G05F1/10GK1667536SQ200410039938
公开日2005年9月14日 申请日期2004年3月11日 优先权日2004年3月11日
发明者翁祥宗, 陈开富, 黄圣钟, 许志琬 申请人:华硕电脑股份有限公司