CN102216867A - 低压降(ldo)旁通电压调节器 - Google Patents

低压降(ldo)旁通电压调节器 Download PDF

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Abstract

在低压降(LDO)旁通电压调节器中使用功率元件旁通与电压调节电路关停以在供应输入电压接近所述电压调节电路的经调节输出电压时使所述电压调节器电路所汲取的电流最小化。在所述低压降(LDO)旁通电压调节器中使用两种操作模式。当所述供应输入电压大于参考电压输入时使用调节模式，且在所述供应输入电压低于或约等于所述电压调节电路的所述经调节输出电压时使用追踪模式。可当在所述调节操作模式与所述追踪操作模式之间进行切换时引入滞后。

Description

低压降(LDO)旁通电压调节器
相关申请案交叉参考
此申请案请求由鲁安劳伦斯(Ruan Laurens)、拉斯范安切斯库(RazvanEnachescu)和马奇特犹(Marc Tiu)于2008年11月3日申请的标题为“低压降(LDO)旁通电压调节器(Low Drop Out(LDO)Bypass Voltage Regulator)”的序号为61/110,714的共同拥有美国临时专利申请案的优先权，且所述临时专利申请案出于各种目的以引用的方式并入本文中。
技术领域
本发明涉及芯片上电压调节器，且更明确地说，涉及当处于低压降旁通模式中时具有低电流消耗的低压降(LDO)旁通电压调节器。
背景技术
集成电路装置是以亚微米工艺制作的，不可在高于3.3伏太多的电压下操作。然而，这些集成电路装置可以是在较高电压下运行的电子系统的一部分，因此需要所述装置在有较高电压电源的情况下运行。此可通过使用芯片上电压调节器将电源的较高电压减小到所述亚微米装置的安全操作电压来实现。一些电压调节器需要外部耦合电容器，所述外部耦合电容器需要所述装置的集成电路封装上的外部连接。但少数芯片上电压调节器自含有所述外部连接而不需要用于瞬间稳定性的任何外部连接组件。然而，此类型的芯片上电压调节器将在输入电压低于或等于其输出设计电压时汲取增加量的电流。
发明内容
因此，需要一种板上电压调节器，其将在不比处于正常调节模式中时更多地汲取操作电流的情况下在低输入电压下释放(不经调节而传递电流)且优选地将在不调节供应电压时(例如，处于释放模式中时)汲取更少电流。
根据本发明的教示，通过在源电压(Vin)接近每一设定点时停用芯片上集成电路电压调节器并将输出功率级置于全导电模式中来解决上述问题。另外，不需要用于芯片上电压调节器的瞬间稳定性的外部引脚。
根据本发明的特定示范性实施例，一种在集成电路装置中的低压降(LDO)旁通电压调节器包含：功率传递元件，所述功率传递元件具有功率输入、功率输出和控制输入，其中所述功率输入耦合到电压源且所述功率输出耦合到负载；缓冲器，其具有输入和输出，其中所述缓冲器的所述输出耦合到所述功率传递元件的所述控制输入；误差放大器，其具有正输入、负输入和输出，其中所述误差放大器的所述输出耦合到所述缓冲器的所述输入，所述负输入耦合到电压参考且所述正输入耦合到所述功率传递元件的所述功率输出的经取样电压；以及电压监视与控制电路，其具有第一控制输出、第二控制输出和电压感测输入，其中所述电压感测输入耦合到所述电压源，所述第一控制输出耦合到所述缓冲器且所述第二控制输出耦合到所述功率传递元件，其中当所述电压源高于第一电压值时启用所述缓冲器，且所述功率传递元件、缓冲器和误差放大器调节负载电压，且当所述电压源低于第二电压值时停用所述缓冲器并将所述功率传递元件置于通过状态中使得所述负载电压遵循所述源电压且不被调节。
根据本发明的另一特定示范性实施例，一种用于集成电路装置中的低压降(LDO)旁通电压调节器的方法包含：当源电压高于第一电压值时借助功率传递元件从所述源电压调节负载电压；当所述源电压高于所述第一电压值时借助缓冲器放大器、误差放大器和电压参考来控制所述功率传递元件的操作；当所述源电压低于第二电压值时通过所述功率传递元件将所述负载电压耦合到所述源电压使得所述负载电压遵循输入电压；以及当所述源电压低于所述第二电压值时停用所述缓冲器放大器。
附图说明
结合附图参考下文描述可更全面地理解本发明，在附图中：
图1图解说明现有技术低压降LDO电压调节器的示意图；
图2图解说明可在图1中所展示的LDO电压调节器中使用的典型缓冲器的更详细示意图；
图3图解说明根据本发明的特定示范性实施例的集成电路装置中的LDO旁通电压调节器的示意性框图；
图4和图5图解说明图3中所展示的LDO电压调节器的误差放大器和缓冲器的更详细示意图；
图6图解说明根据本发明的教示的在具有和不具有LDO旁通电流节省特征的情况下电压与电流关系的示意性图表；及
图7图解说明根据本发明的教示的在LDO处于调节或旁通模式中且所述模式之间具有电压滞后的情况下输入与输出电压关系的示意性图表。
尽管本发明易于作出各种修改及替代形式，但在图式中已展示并在本文中详细描述的是本发明的特定示范性实施例。然而，应了解，本文中对特定示范性实施例的描述并非打算将本发明限定于本文中所揭示的特定形式，而是相反，本发明打算涵盖所附权利要求书所界定的所有修改及等效形式。
具体实施方式
现在参考图式，其示意性地图解说明特定示范性实施例的细节。图式中，相同的元件将由相同的编号表示，且相似的元件将由带有不同小写字母后缀的相同编号表示。
参考图1，其描绘现有技术低压降(LDO)电压调节器的示意图。LDO电压调节器的用途是当其处于调节操作模式中时维持节点VOUT处的所要电压。误差放大器106将馈入到误差放大器106的正输入中的VOUT电压的样本与馈入到误差放大器106的负输入中的参考电压(Vbg)作比较。
当VOUT处的电压下降时，进入到误差放大器106的正输入中的对应经取样电压也将降低。现在，正输入电压变得低于误差放大器106的负输入电压。实际上，此将使去往缓冲器放大器104的误差放大器106的输出下降且相同信号将被缓冲到P沟道金属氧化物半导体(PMOS)晶体管功率晶体管102。如果误差放大器106的输入之间的差较大，那么其输出将下降得较快。PMOS功率晶体管102的栅极处所展示的此较低电压更加接通PMOS功率晶体管，因此允许VIN中的电压对VOUT中的电压进行充电。
当VOUT电压接近所要电平时，经取样VOUT电压与带隙电压之间的差变小，借此使PMOS功率晶体管102切断。另一方面，当VOUT处的电压正增加时，馈入到误差放大器106的正输入中的对应经取样电压增加且变得大于馈入到误差放大器106的负输入中的参考电压(Vbg)。此将增加去往缓冲器104的误差放大器106的输出且将被缓冲到PMOS功率晶体管102。如果误差放大器106的输入之间的差较大，那么其输出将增加得较快。PMOS功率晶体管102的栅极处所展示的此较高电压更加关断PMOS功率晶体管102，因此防止VOUT节点处的电压进一步增加。此整个操作将VOUT处的电压维持到所要稳定状态电压值。
VIN为馈入到LDO电压调节器的电压且其可介于从约0伏到5.5伏的范围内。另一方面，VOUT为LDO电压调节器的输出处的电压且用于给集成电路装置的逻辑电路(未展示)供电。图1的LDO电压调节器具有从约3.0伏到约3.6伏的优选输出电压范围。当输入电压VIN高于约3.7伏时，大部分电流是由于集成装置的正常操作(例如，逻辑电路晶体管切换负载)消耗的。此时，电压调节器电流相对于集成电路装置逻辑电路操作电流保持为最小。然而，问题出现在VIN节点处于约3.6伏或低于3.6伏时。图1中所展示的电路必须更努力地工作以使VIN与VOUT的电压相同。由于对此LDO电压调节器的动态要求，优选地，具有二极管连接的缓冲器配置的输出驱动器最适合于替代常规推挽输出级而应用为芯片上电压调节器的一部分。然而，此电路的不合意效应是当二极管连接的缓冲器放大器104朝向功率共用点(例如，接地)驱动PMOS功率晶体管102的栅极时来自所述放大器的高静态电流。此发生在VIN接近VOUT且PMOS功率晶体管102从饱和进入到其三极管区域中时。图6中以虚线展示此效应。此效应极不合意。
图2图解说明图1中所展示的LDO电压调节器的缓冲器104的更详细示意图。图6中以线段654图解说明的潜在高电流问题出现在LDO电压调节器的此部分中。当此电路从调节模式切换到追踪模式时，电压VOUT追踪VIN。如此当处于较低输入电压(例如，VIN低于约3.6伏)时，输出电压VOUT也下降，例如追踪VIN。由于电压VOUT经取样且被馈入到误差放大器106的正输入中，因此此强迫正输入电压低于误差放大器106的负输入电压。此将强迫低电平信号进入到缓冲器104中。缓冲器104的输入节点N1被驱动到接地且同时，缓冲器104的输出节点N2也被驱动到接地。当这些节点为低时，PMOS晶体管M21、M24和M25将剧烈地接通。接通M25将把高电压置于二极管连接的NMOS晶体管M23中并激活电流镜。当所有这些晶体管激活时，缓冲器104的电流消耗将极大地增加，因为所述晶体管是设计为能够汲取大量电流使得缓冲器104能够具有快速响应时间。
在此情景期间强迫缓冲器104上的逻辑为0是将PMOS功率晶体管102的栅极驱动到接地且借此激活所述晶体管(将其剧烈地接通)所必要的。此将使得LDO电压调节器能够进入到追踪模式，例如VOUT将遵循VIN。
参考图3，其描绘根据本发明的特定示范性实施例的集成电路装置中的低压降(LDO)旁通电压调节器的示意性框图。一般来说，所述LDO旁通电压调节器由编号500来表示，包含电压参考508、误差放大器506、缓冲器504、电压监视与控制电路512和功率传递元件502，所有这些元件都制作于集成电路裸片522上。电压监视与控制电路512还可包括电压滞后。功率传递元件502的输出VOUT耦合到集成电路裸片522的功率消耗逻辑电路510。举例来说，电压参考508可以是但不限于带隙电压参考。
举例来说，当输入电压VIN处于但不限于约3.6伏时，电压监视与控制电路512将通过控制信号518强制功率传递元件502(类似于图1的PMOS功率晶体管102)的控制节点(例如，栅极)到达接地。此将致使功率传递元件502剧烈地接通(变为饱和)且有效地将VIN与VOUT节点短接在一起。来自电压监视与控制电路512的控制信号516也将把缓冲器504置于具有最小电流消耗的高阻抗状态中，由此由所述集成电路装置汲取的电流(功率消耗)将主要由逻辑电路510(负载)汲取。当输入电压VIN变低时，电流消耗也变低。此由图6中所展示的虚线656来表示。当电压VIN从较低电压变为约3.65伏时，电压监视与控制512将重新啮合缓冲器504。借此即使VIN变为高于3.6伏也使得调节电路能够将VOUT保持在约3.3伏。电压监视与控制512可进一步具有滞后使得功率传递元件502和缓冲器504将在比回到调节操作模式时略低的电压下进入到追踪模式中。
为了解决此高电流消耗问题，在LDO电压调节器处于追踪模式中时切断缓冲器504。电压监视与控制电路512通过监视输入电压VIN来确定LDO电压调节器500是处于追踪模式中还是处于调节模式中。当LDO电压调节器500处于追踪模式中(连同其它条件一起)时，其启用(接通)功率传递元件502，例如图1中所展示的PMOS功率晶体管102。实际上，此短接LDO电压调节器500的VIN与VOUT网，从而启用追踪模式，例如VIN到VOUT的通过。当此发生时，功率传递元件502不再取决于用以驱动功率传递元件502的缓冲器504的输出514。由于此动作，因此缓冲器504中的电流镜被停用(信号516)以便避免上述不必要的高电流消耗问题。
参考图4和图5，其描绘图3中所展示的LDO电压调节器的误差放大器和缓冲器的更详细示意图。当LDO旁通电压调节器500检测到供应电压为低时，其将转变到追踪模式，此还将发送信号以停用电流缓冲器。当关断电流缓冲器时，晶体管144被关闭以避免偏置共用栅极晶体管157和158。同时，导通晶体管152以完全关停共用栅极晶体管157和158。此实际上关停级联电路并消除正由其供应的电流。
在不实施本发明的教示的情况下，当输入电压低于参考电压且调节器切换到追踪模式时，电流消耗变得极高。图6展示当输入电压低于参考电压时的此快速电流增加，如图表的左半部分中的实线654。当实施上述技术时，电流消耗变为VIN的线性函数(电流主要由集成电路的逻辑电路来汲取)，此描绘为图6中所展示的虚线656。
当VIN变为高于3.6伏时，电压监视与控制512致使LDO旁通电压调节器500回到调节模式中，其中缓冲器504、误差放大器506和功率传递元件502充当闭路电压调节器(如上文所描述)，借此将VOUT保持在约3.3伏下(例如，大约为电压参考508的电压值)。本发明涵盖且在本发明的范围内，可维持VOUT处的任何电压值，只要VIN节点处的电压高得足以使调节电路正常操作就行。
参考图7，其描绘根据本发明的教示的在LDO处于调节或旁通模式中且所述模式之间具有电压滞后的情况下输入与输出电压关系的示意性图表。当处于调节模式中时，输出电压大致保持在调节电压下，例如，3.3伏，大体上由编号766表示。在图7中所展示的图表中，LDO在输入电压降到约3.4伏(762)时保持在调节模式中。一旦输入电压变得低于约3.4伏，LDO便进入到旁通模式且输出电压追踪大体上由编号764表示的输入电压，其中LDO被关停且汲取微小量的电流。LDO保持在关停模式中直到输入电压回到约3.6伏(760)，且接着LDO将切换回到调节模式。因此，滞后可用于在LDO的调节模式与旁通模式之间进行切换。图7中所描绘的电压是用作实例的，但可使用针对滞后功能的高电压与低电压的许多其它组合且这些组合都涵盖在本文中。
虽然已参考本发明的示范性实施例绘示、描述和界定了本发明的实施例，但此些参考并不意味着限制本发明，且不应推断出存在此限制。所揭示的标的物能够在形式和功能上具有大量修改、替代和等效形式，所属领域的技术人员根据本发明将会联想到这些修改、替代及等效形式并受益于本发明。所描绘和所描述的本发明的实施例仅作为实例，而不是对本发明的范围的穷尽性说明。

Claims (13)

1.一种在集成电路装置中的低压降(LDO)旁通电压调节器，其包含：
功率传递元件，所述功率传递元件具有功率输入、功率输出和控制输入，其中所述功率输入耦合到电压源且所述功率输出耦合到负载；
缓冲器，其具有输入和输出，其中所述缓冲器的所述输出耦合到所述功率传递元件的所述控制输入；
误差放大器，其具有正输入、负输入和输出，其中所述误差放大器的所述输出耦合到所述缓冲器的所述输入，所述负输入耦合到电压参考且所述正输入耦合到所述功率传递元件的所述功率输出的经取样电压；以及
电压监视与控制电路，其具有第一控制输出、第二控制输出和电压感测输入，其中所述电压感测输入耦合到所述电压源，所述第一控制输出耦合到所述缓冲器且所述第二控制输出耦合到所述功率传递元件，其中
当所述电压源高于第一电压值时启用所述缓冲器，且所述功率传递元件、缓冲器和误差放大器调节负载电压，且
当所述电压源低于第二电压值时停用所述缓冲器并将所述功率传递元件置于通过状态中，使得所述负载电压遵循源电压且不被调节。
2.根据权利要求1所述的LDO旁通电压调节器，其中所述功率传递元件为P沟道金属氧化物半导体(PMOS)功率晶体管。
3.根据权利要求1所述的LDO旁通电压调节器，其中所述电压监视与控制电路包含滞后电路，其防止重新启用所述缓冲器并将所述功率传递元件保持在所述通过状态中直到所述源电压高于所述第一电压值，所述第一电压值大于所述第二电压值。
4.根据权利要求1所述的LDO旁通电压调节器，其中所述第一电压值约为3.6伏且第二电压约为3.4伏。
5.根据权利要求1所述的LDO旁通电压调节器，其中所述电压参考包含带隙电压参考。
6.根据权利要求1所述的LDO旁通电压调节器，其中当停用所述缓冲器时，其输出为高阻抗。
7.根据权利要求1所述的LDO旁通电压调节器，其中所述缓冲器具有电流镜，其中当停用所述缓冲器时，所述电流镜被停用。
8.根据权利要求1所述的LDO旁通电压调节器，其中所述功率传递元件、所述缓冲器、所述误差放大器、所述电压参考和所述电压监视与控制电路制作于集成电路裸片上。
9.一种用于集成电路装置中的低压降(LDO)旁通电压调节器的方法，其包含以下步骤：
当源电压高于第一电压值时借助功率传递元件从所述源电压来调节负载电压；
当所述源电压高于所述第一电压值时借助缓冲器、误差放大器和电压参考来控制所述功率传递元件的操作；
当所述源电压低于第二电压值时，通过所述功率传递元件将所述负载电压耦合到所述源电压使得所述负载电压遵循输入电压；以及
当所述源电压低于所述第二电压值时停用所述缓冲器。
10.根据权利要求9所述的方法，其进一步包含以下步骤：
防止重新启用所述缓冲器直到所述源电压高于所述第一电压值，所述第一电压值大于所述第二电压值；以及
防止借助所述缓冲器、所述误差放大器和所述电压参考调节所述功率传递元件的操作直到所述源电压高于所述第一电压。
11.根据权利要求9所述的方法，其中所述停用所述缓冲器的步骤进一步包含将所述缓冲器置于低功率模式中的步骤。
12.根据权利要求9所述的方法，其中所述停用所述缓冲器的步骤进一步包含致使所述缓冲器具有高阻抗输出的步骤。
13.根据权利要求9所述的方法，其中所述第一电压值约为3.6伏且所述第二电压约为3.4伏。
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