CN102915063A

CN102915063A - 具有电荷泵的电压调节器

Info

Publication number: CN102915063A
Application number: CN2012102701878A
Authority: CN
Inventors: 安德·冈瑟; 凯文·马胡提
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2011-08-04
Filing date: 2012-07-31
Publication date: 2013-02-06
Anticipated expiration: 2032-07-31
Also published as: EP2555076A2; EP2555076A3; CN102915063B; US20130033242A1; US8493040B2; EP2555076B1

Abstract

在一个实施例中，提供了一种调节器电路。调节器电路包括控制电路，被配置为响应于指示了经调节输出电压的反馈信号，调节可变频率振荡器的振荡频率。电荷泵与可变频率振荡器的输出耦合，且被配置为响应于可变频率振荡器的输出，对一个或多个能量存储元件充电。调节器电路包括多个输出级，每个输出级的输入由电荷泵的输出驱动，以及每个输出级被配置为驱动经调节输出电压。使能控制电路响应于向输出调节器提供的相应使能信号，选择性地使能或禁用每个输出级。

Description

具有电荷泵的电压调节器

技术领域

本发明涉及一种具有电荷泵的电压调节器。

背景技术

通常在电子设备中使用电压调节器，以从变化的电力供应产生稳定的输出电压。在操作期间，设备的电流负载会动态改变。这种改变会导致输出电压的波动，进而负面影响设备操作。为了保持稳定电压，电压调节器根据负载变化调节供电。

一些电压调节器被配置为呈现低失落(dropout)电压。在这些情况下，术语失落电压一般用于指，在最大输出电流的条件下，向LDO调节器(比如电池或电源总线)输入的未调节电压与从LDO调节器输出的经调节电压之间的最小差。当未调节的电压供应保持在失落电压以上时，线性调节器维持在经调节输出电压。LDO调节器呈现出相对小的失落电压，这有助于延长电池寿命，原因在于在电池放电到经调节电压的相对接近范围(例如，100-500毫伏特)内的值之前，LDO调节器可以持续提供经调节电压。

发明内容

在一个实施例中，提供了一种具有低失落电压的调节器电路。调节器电路包括控制电路，被配置为响应于指示经调节输出电压的反馈信号，调节可变频率振荡器的振荡频率。电荷泵与可变频率振荡器的输出相耦合，被配置为响应于可变频率振荡器的输出，对一个或多个能量存储元件充电。调节器电路包括多个输出级，每个输出级具有由电荷泵的输出驱动的输入，以及每个输出级被配置为驱动经调节输出电压。响应于使能控制电路响向输出调节器提供的相应使能信号，选择性地使能或禁用每个输出级。

在另一实施例中，提供了一种用于产生经调节电压的电路。所述电路包括电荷泵，其具有与固定频率振荡器的输出相耦合的控制输入。电荷泵被配置为响应于可变频率振荡器的输出，对多个能量存储元件充电和放电，以按照受固定频率振荡器控制的速率产生电压信号。调节器包括多个可选择性地使能的输出级，输出级由电压信号进行驱动，并被配置为响应于向输出级提供的相应使能信号，提供相应的经调节输出电压。

在再一实施例中，提供了一种调节器电路。调节器电路包括电荷泵，具有与振荡器的输出相耦合的控制输入。电荷泵被配置为响应于振荡器的输出，对一个或多个能量存储元件充电，以按照受振荡器控制的速率产生电压信号。调节器电路还包括多个输出级。每个输出级具有由电压信号驱动的输入，每个输出级被配置为响应于向输出级提供的相应使能信号，提供一个或多个相应的经调节输出电压。控制电路被配置为响应于所述一个或多个相应经调节输出电压中的一个或多个，经由电荷泵调节电压信号。

附图说明

以上讨论并非旨在描述每种实施例或每种实现。附图和以下描述也是对各种实施例的举例说明。

在结合附图考虑以下详细描述的情况下，可以更完整地理解各种示例实施例，其中：

图1示出了根据一个或多个示例实施例的利用电流控制振荡器和跨导反馈放大器实现的示例LDO调节器电路的电路图；

图2示出了根据一个或多个示例实施例的利用电流控制振荡器和跨导反馈放大器实现的另一示例LDO调节器电路的电路图；

图3示出了根据一个或多个示例实施例的利用电压控制振荡器和电压反馈放大器实现的示例LDO调节器电路的电路图；

图4示出了根据一个或多个示例实施例的利用电压控制振荡器和差分电压反馈放大器实现的示例LDO调节器电路的电路图；以及

图5示出了根据一个或多个示例实施例的利用固定频率振荡器和多个输出电压产生实现的示例LDO调节器电路。

具体实施方式

尽管本公开可以修改为各种修改和备选形式，但是已经在附图中以示例的方式示出了本公开的一些实现，以下将对其进行详细描述。然而，应该理解，本发明没有将公开限于所示出和/或所描述的特定实施例。相反，本发明覆盖了落在本公开的精神和范围内的所有修改、等同物和备选方式。

应认为，所公开实施例可以应用于各种不同类型的过程、设备和布置，与各种调节器电路一起使用。尽管实施例没有必要限于此，但是可以使用该上下文通过对示例的讨论来认识到本公开的各个方面。

一个或多个实施例提供了一种低失落电压的功率高效电压调节器。调节器包括由电荷泵输出加以驱动的多个输出级。电荷泵的使用允许将输出级的输入驱动到电源电压Vdd以上。按照这种方式，获得低失落电压。电荷泵响应于可变频率振荡器的输出，产生用于驱动输出级的电压。响应于反馈控制信号，调节可变频率振荡器的频率。通过将输出电压与参考电压相比较来产生反馈控制信号。随着反馈电压增大并接近参考电压，反馈控制信号降低可变频率振荡器的频率且按照比例减少被电荷泵汲取的电流。按照这种方式，调节器上放置的负载越小时，操作电压调节器所需的功率越少。

反馈电路可以被配置为以多种不同方式控制可变频率振荡器。在一个或多个实施例中，利用电压控制振荡器来实现可变频率振荡器，可变频率振荡器受电压差分放大器的控制，电压差分放大器被配置为将输出电压与参考电压相比较。在一个或多个实施例中，利用电流控制振荡器来实现可变频率振荡器，可变频率振荡器受跨导放大器的控制，跨导放大器被配置为将输出电压与参考电压相比较。在一个或多个实施例中，利用电压控制振荡器来实现可变频率振荡器，电压控制振荡器由根据输出电压与参考电压之差而产生的差分信号控制。

在一个或多个实施例中，使用复制输出级(replica output stage)来产生反馈控制电压，而非从调节器的实际输出产生反馈控制电压。因此，输出级之一上的负载电流的增大将不会导致调节器增大从电荷泵输出的电压信号。这允许同一电压驱动若干输出级而不会在输出级之间传递噪声，并且对于对电源噪声敏感的多种应用而言，这可能是有用的。

在一个或多个实施例种，电压调节器包括多个输出级，可以选择性地使能或禁用这些输出级。输出级可以向电网的不同部分或向分离电路供电。可以对不同的输出级进行不同偏置，以便产生不同的输出电压。通过偏置和/或选择性地使能，可以可编程地调节不同输出级，以产生不同的经调节输出电压。

图1示出了根据一个或多个示例实施例实现的调节器电路100。调节器电路包括由电荷泵104产生的电压信号加以驱动的多个输出级112和113。每个输出级具有由从电荷泵104输出的电压信号加以驱动的输入。每个输出级(例如112)使用以具有电流源118的源极跟随器结构布置的晶体管114来驱动经调节输出电压Vout。电流源118根据参考电流iref偏置晶体管114。

晶体管114的最小电源电压等同于V_DD＞V_O+V_GS+V_DS+R_onI_out，其中，V_O是所需的输出电压，V_GS是输出晶体管的栅极-源极电压(等于V_GS＝V_tn+V_eff)，V_DS是晶体管114的饱和电压，I_out是负载电流，R_on是开关116的“导通电阻”。用于驱动NMOS晶体管栅极的电荷泵的使用允许每个输出级112和113使用较低电源电压进行操作。按照这种方式，获得低失落电压。

本文讨论的各种NMOS晶体管在工作期间可以呈现出低输出阻抗且提供内置反馈。如果输出负载电流需求快速增加，则所伴随的输出电压的下降将自动增大输出晶体管的栅极-源极偏置。由于电压上的这种增大，晶体管可以自动地为负载提供更多电流。因此，反馈环不会限制响应时间，并且输出电压不会暴跌。P-MOS型调节器，也可以用各种实施例加以实现，其依赖于反馈环来增大输出晶体管的栅极-源极电压，并且其需要附加的输出电容来处理负载电流阶跃(load currentstep)，以便补偿环响应时间。控制环速度越快，所采用的去耦合电容器越小，而代价是电流消耗越大。为了方便说明，本文通过使用NMOS晶体管来驱动每个输出级112的经调节输出电压，来说明和描述示例和实施例。然而，包括本文描述的这些实施例的各种实施例并非限于此，而是备选地，可以被配置为使用PMOS晶体管。

响应于使能控制电路(未示出)向输出调节器提供的相应使能信号(En_1，En_n)，通过相应的PMOS晶体管116来选择性地使能或禁用每个输出级，并且每个输出级可以用于独立地使能或禁用至所连接负载的功率。输出级可以向电网(power grid)的不同部分或向分离电路提供功率。使能/禁用机制可以用于通过消除芯片的未使用区域中的泄漏电流来节约功率，或者可以用于在电力网上提供更高效的负载平衡。例如，在一些应用中，使能控制可以被配置为响应于负载电流需求的较大增加或减少，使能或禁用多个输出级112和113中的一个。

调节器电路100包括：控制器电路，被配置为响应于指示了经调节输出电压的反馈信号，调节可变频率振荡器102的振荡频率。电荷泵104与电流控制振荡器102的输出耦合，且被配置为响应于可变频率振荡器102的输出，对电荷泵的一个或多个能量存储元件充电。

控制电路包括复制输出级110，差分放大器106和参考电压发生器108，其中，复制输出级110被配置为与多个输出级112和113相类似。复制输出级110驱动与输出电压Vout成比例的反馈电压Vfb。在该示例中，复制输出级110被实现为除了使能PMOS晶体管116的栅极接地之外，其它均与输出级112和113之一相同。这使得复制输出级110始终是使能的。

差分放大器106将复制输出级的输出Vfb与由参考电压和电流发生器108产生的参考电压Vref相比较，以产生误差信号，误差信号用于控制可变频率振荡器的频率。在该实施例中，使用电流控制振荡器实现可变频率振荡器102，使用跨导放大器106实现差分放大器106。在启动期间，输出电压Vout和反馈电压Vfb两者皆低，跨导放大器106向电流控制振荡器102供应(近似的)最大输入电流。随着输出电压Vout和反馈电压Vfb增大并接近参考电压Vref，跨导放大器106的输出电流减小。因此，电流控制振荡器102的频率降低，并且被振荡器102和电荷泵104汲取的电流也成比例地减小。

因为使用复制反馈级110来提供控制电路的反馈，所以输出级112和113中的一个上的负载电流的增大不会导致调节器增大从电荷泵输出的电压信号。得到的净效果在于，减少了负载调节及输出电压的峰-峰噪声。这允许用相同电压驱动若干输出级而不会在输出级之间传递噪声。这对于以下方面是有用的：将有噪声的耗电的负载与对电源噪声特别敏感的那些负载相隔离。

在一个或多个实施例中，电荷泵包括小泄漏电路，不论可变频率振荡器的频率如何，小泄漏电路都确保稳定性和最小工作频率。在一些其它实施例中，可以在电荷泵的外部实现泄漏电路。图2示出了根据示例实施例的一种调节器，具有在电荷泵的输出处实现泄漏电路。调节器200包括多个输出级212和213、复制级210、电荷泵204、差分放大器206、电流控制振荡器202和参考电压发生器208，这些部件可以按照与图1所示的多个输出级112和113、复制级110、电荷泵104、差分放大器106、可变频率振荡器102和参考电压发生器108的工作方式相同的方式工作。

在该实施例中，调节器200实现了复制反馈级210，以通过耦合NMOS晶体管220的栅极和漏极实现二极管，来在电荷泵的输出处提供泄漏路径。因此，不需要电荷泵内部的泄漏，从而电流消耗更少。假设图1的调节器的泄漏电流与图2的调节器的泄漏电流相等，则所节约的功率近似等于图1所示的复制级110的功耗。

在图1和2所示的调节器电路中，使用跨导放大器实现差分放大器106，其中跨导放大器输出误差电流，以控制用于实现可变频率振荡器的电流控制振荡器的频率。在一些其它实施例中，类似地，电压放大器可以用于输出误差电压，以控制电压控制振荡器的频率。图3示出了根据另一示例实施例的调节器，被配置为使用电压控制信号控制可变频率振荡器。调节器300包括多个输出级312和313、复制级310、电荷泵304、差分放大器306、电压控制振荡器302和参考电压发生器308，这些部件可以按照与图1所示的多个输出级112和113、复制级110、电荷泵104、差分放大器106、可变频率振荡器102和参考电压发生器108的工作方式相同的方式工作。调节器300使用电压控制振荡器302和电压放大器反馈306来产生控制输出晶体管所必需的输出电压依赖频率。

在一些应用中，使用电压信令(voltage signaling)来实现反馈控制的可能会增大噪声的敏感度，并且在设计和布图阶段，可能需要更多关注。对于这些应用而言，调节器可以实现为使用差分信令来控制可变频率振荡器，其中，差分信号可以改善抗噪性。图4示出了一种调节器，被配置为使用差分电压控制信号来控制可变频率振荡器。调节器400包括多个输出级412和413、复制级410、电荷泵404、差分放大器406、电压控制振荡器402和参考电压发生器408，这些部件可以按照与图1所示的多个输出级112和113、复制级110、电荷泵104、差分放大器106、可变频率振荡器102和参考电压发生器108的工作方式相同的方式工作。在该实现中，差分输入/输出放大器406用于使用差分信号驱动可变频率振荡器402。

在一些实施例中，可以在不同输出级112中使用栅极尺寸不同的PMOS116和NMOS114，来实现图1-4所示的调节器的不同输出级(例如，112和113)。因为利用从电荷泵提供的同一电压信号驱动不同输出级的晶体管，所以通过这些晶体管的电流量不相同。因此，由不同输出级(例如，112和113)产生的经调节输出电压是不同的。

在一个或多个实施例中，提供一种调节器电路，其不包括用于向振荡器提供反馈的差分放大器。图5示出了根据示例实施例的调节器电路的电路图，其使用由固定频率振荡器502驱动的电荷泵504。

调节器电路包括由电荷泵504产生的电压信号vhv加以驱动的多个输出级512和513。每个输出级具有由从电荷泵504输出的电压信号加以驱动的输入。每个输出级(例如，513)使用以具有相应电流源55的源极跟随器结构布置的晶体管518来驱动一个或多个经调节输出电压(voutl-voutn)。电流源522根据参考电流iref2偏置晶体管518。

电荷泵504对一个或多个能量存储元件充电，以按照受固定频率振荡器控制的速率产生电压信号。控制电路506被配置为响应于多个输出调节器的一个或多个经调节输出电压，限制向电荷泵504的电源引脚提供的电压。控制电路506是输出级之一的晶体管118的复制。这确保了在不超出技术限制的条件下从电荷泵504输出足够的电压vhv。

每个输出级(例如513)的晶体管516与晶体管510一起工作，以对参考电流/电压发生器508提供的参考电流iref进行镜像。镜像电流iref对复制晶体管520进行偏置，复制晶体管520向NMOS晶体管518提供栅极电压。通过电压参考/电压箝位电路控制复制晶体管器件的源极，从而输出电压相应地改变。因此，可以产生独立可编程的输出电压。

启动(startup)电路向电荷泵提供初始电源电压。例如，可以通过比较器来实现启动电路，该比较器接通用于驱动箝位电路的弱开关(weak switch)。比较器监视内部电压且将其与参考电压之一相比较，以判定内部复制偏置(internal replica bias)何时足够。至此，比较器才使能弱开关，以供电。为了防止电压过冲，使用一种驱动箝位电路的弱开关。箝位电路仅在供电超过最大水平的情况下才汲取电流。在比较器关断开关之后，将不消耗任何电流。

响应于使能控制电路向输出调节器提供的相应使能信号(En_1，En_n)，PMOS晶体管514可以选择性地使能或禁用每个输出级，并且每个输出级可以用于向一个或多个负载供电。如参考图1所描述的，输出级可以向电网的不同部分或者向分离电路供电。也可以用电流/电压发生器508产生的相应参考电压偏置每个输出级的复制晶体管520，以调节输出级512的经调节输出电压。按照这种方式，可以可编程地调节不同输出级，以产生不同经调节输出电压。

应认为，这些实施例可以应用于需要一个或多个经调节电压的多种应用中，比如个人电子设备、手持设备、计算机设备等等。基于上述讨论和说明，本领域技术人员应容易认识到，可以在严格遵照本文所示出和所描述的示例性实施例和应用场景的情况下进行多种修改和改变。此外，可以以各种组合形式实现不同实施例的各个特征。这些修改没有背离本公开的真实精神和范围，本公开的真实精神和范围包括所附权利要求所述的真实精神和范围。

Claims

1.一种用于提供经调节输出电压的电路，所述电路包括：

可变频率振荡器；

控制电路，被配置为响应于指示所述经调节输出电压的反馈信号，调节可变振荡器的振荡频率；

电荷泵，具有与可变频率振荡器的输出耦合的控制输入，电荷泵被配置为响应于可变频率振荡器的输出对一个或多个能量存储元件充电，以产生电压信号；

多个输出级，每个输出级具有由所述电压信号驱动的输入，并且每个输出级被配置为响应于向输出级提供的相应使能信号，在输出节点处驱动所述经调节输出电压；以及

使能控制电路，被配置为提供所述相应使能信号。

2.如权利要求1所述的电路，其中，控制电路包括：

复制输出级，被配置为产生与所述经调节输出电压成比例的反馈电压，复制输出级具有由所述电压信号驱动的输入；以及

差分放大器，具有与复制输出级的输出耦合的第一输入、与参考电压耦合的第二输入以及与可变频率振荡器的控制输入耦合的输出。

3.如权利要求2所述的电路，其中，每个输出级包括以源极跟随器结构布置的NMOS晶体管。

4.如权利要求3所述的电路，其中，每个输出级包括：

NMOS晶体管和串联耦合在Vcc电压与NMOS晶体管之间的使能开关，其中，NMOS晶体管的栅极由所述电压信号驱动，所述开关受对应使能信号的控制；以及

电流源，耦合在输出级的输出与地之间。

5.如权利要求3所述的电路，其中，电流源是可变电流源，具有与偏置参考电流耦合的控制输入。

6.如权利要求2所述的电路，其中：

差分放大器是跨导放大器；以及

可变频率振荡器是电流控制振荡器。

7.如权利要求2所述的电路，其中：

差分放大器是电压放大器；以及

可变频率振荡器是电压控制振荡器。

8.如权利要求2所述的电路，其中，电压放大器是差分电压放大器。

9.如权利要求2所述的电路，其中，通过偏置参考电流偏置差分放大器。

10.如权利要求2所述的电路，其中，复制输出级被配置为泄漏足以保持电压信号在最大值以下的电流。

11.如权利要求1所述的电路，其中，电荷泵、可变频率电路和复制输出级形成自偏置电路，自偏置电路被配置为将电压信号保持在稳定值。

12.如权利要求1所述的电路，其中，输出级彼此并联耦合。

13.一种电路，包括：

振荡器；

电荷泵，具有与振荡器的输出耦合的控制输入，电荷泵被配置为响应于振荡器的输出，对多个能量存储元件充电和放电，以按照受振荡器控制的速率产生电压信号；

多个输出级，每个输出级具有由所述电压信号驱动的输入，每个输出级被配置为响应于向输出级提供的相应使能信号，提供相应的经调节输出电压；以及

控制电路，被配置为响应于多个输出调节器中一个或多个输出调节器的经调节输出电压，限止向电荷泵的电源引脚提供的电流。

14.如权利要求13所述的电路，其中振荡器是固定频率振荡器，所述多个输出级中的第一输出级的相应经调节输出电压与所述多个输出级中的至少第二输出级的相应经调节输出电压不同。

15.如权利要求13所述的电路，其中，每个输出级包括：以源极跟随器结构布置的NMOS晶体管。

16.如权利要求15所述的电路，其中，每个输出级包括：

NMOS晶体管和串联耦合在Vcc电压与输出级的输出之间的使能开关，其中，NMOS晶体管的栅极与电荷泵的输出耦合，开关受对应使能信号的控制；以及

可变电流源，耦合在输出级的输出与地之间，可变电流源具有与偏置参考电流耦合的控制输入。

17.如权利要求13所述的电路，其中，对于所述多个输出级中的每个输出级，低失落调节器电路包括相应的电流镜，电流镜被配置为通过相应参考电压来偏置由电荷泵产生的电压信号，并使用经偏置的电压脉冲驱动对应输出级的输入。

18.一种调节器电路，包括：

振荡器；

电荷泵，具有与振荡器的输出耦合的控制输入，电荷泵被配置为响应于振荡器的输出，对一个或多个能量存储元件充电，以按照受振荡器控制的速率产生电压信号；

多个输出级，每个输出级具有由所述电压信号驱动的输入，每个输出级被配置为响应于向输出级提供的相应使能信号，提供一个或多个相应的经调节输出电压；以及

控制电路，被配置为响应于所述一个或多个相应的经调节输出电压中的一个或多个，经由电荷泵调节电压信号。

19.如权利要求18所述的调节器电路，其中：

振荡器是可变频率振荡器；以及

控制电路被配置为通过响应于对所述一个或多个相应的经调节输出电压中的一个或多个加以指示的反馈信号，调节可变频率振荡器的振荡频率，来经由电荷泵调节电压信号。

20.如权利要求19所述的调节器电路，其中：

振荡器是固定频率振荡器；以及

控制电路被配置为通过响应于所述多个输出调节器中一个或多个输出调节器的经调节输出电压，限制向电荷泵的电源引脚提供的电流，来经由电荷泵调节电压信号。