CN103163925A

CN103163925A - 高效率低压差电压调节器

Info

Publication number: CN103163925A
Application number: CN2011104244209A
Authority: CN
Inventors: 桂文明
Original assignee: Wuxi Vimicro Corp
Current assignee: Wuxi Zhonggan Microelectronics Co Ltd
Priority date: 2011-12-15
Filing date: 2011-12-15
Publication date: 2013-06-19
Anticipated expiration: 2031-12-15
Also published as: CN103163925B

Abstract

本发明提供一种高效率的低压差电压调节器，其包括首选功率管、分压电路和误差放大电路，所述分压电路采样所述首选功率管的输出端的输出电压得到反馈电压，所述误差放大器根据所述反馈电压和一基准电压来控制所述首选功率管的栅极。所述低压差电压调节器还包括控制电路和备用功率管，所述控制电路在首选功率管上的电流大于设定电流阈值时，使能所述备用功率管以使其也为负载提供电流，否则，非使能所述备用功率管以使其不能为负载提供电流。根据负载的改变功率管的有效面积和有效宽度，从而满足不同负载电流情况下的电流需求，提高了使用效率，也避免由于功率管的漏电流过大而导致效率过低的问题。

Description

高效率低压差电压调节器

【技术领域】

本发明涉及电源管理领域，特别是涉及一种低压差电压调节器。

【背景技术】

SOC(片上系统)是目前数字芯片发展的主要方向，越来越多的数字系统中，把电源管理芯片(比如低压差电压调节器)同数字逻辑一起集成到一块单芯片中，形成了一个比较完备的片上系统。

图1示出了一种现有的低压差电压调节器100的电路示意图。所述低压差电压调节器100包括基准电压电路110、误差放大器120、功率管MP、分压电路130、负载电阻RL和电容CL。所述基准电压电路110产生一个不随温度、工艺和电源电压变化的基准电压VREF，分压电路130包括串联在输出电压VOUT和地之间的分压电阻R1和分压电阻R2，其采样输出电压VOUT得到反馈电压VFB，所述误差放大器120比较基准电压VREF和反馈电压VFB，将两者的差值放大后用于调整功率管MP的栅极电压，以确保在不同的电源电压VBAT和负载电流条件下输出电压VOUT都保持与所述基准电压VREF成比例。

当今数字电路工艺已经过渡到主流的0.18um、0.13um或是90nm工艺，器件沟道有效长度的减小，使得器件的漏电流已经不能忽视。MOSFET(MetalOxide Semiconductor Field Effect Transistor)的漏电流随着其沟道长度的减小而增加，同时随着沟道的宽度增加而增加。对于集成到数字系统中的低压差电压调节器，其功能必须满足在各种负载电流条件下输出电压VOUT都在设定的范围内。负载电流的两种极端情况包括：在系统正常工作时候可以抽取最大负载电流和系统待机时可以抽取最小负载电流。增大功率管MP的面积可以保证在负载正常工作时提供最大负载电流，但是系统待机或是低压差电压调节器空载时，由于功率管MP的栅面积带来的漏电流会使输出电压VOUT升高，即使误差放大器120调整使功率管MP的栅电压已经接近电源电压VBAT，也不能使输出电压VOUT回到设定的电压范围内，这样整个反馈回路将处在开路状态。传统的解决办法是减小分压电路中的分压电阻的值，保证在负载电流为空载情况下，功率管MP的漏电流可以被分压电阻吸收，但是这也同时增大了系统的静态电流，降低了电源的使用效率。

因此，有必要提出一种改进的技术方案来解决上述问题。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种高效率低压差电压调节器，其可以在各种负载的情况下保持较高的使用效率。

为了实现上述目的，本发明提出一种，其包括首选功率管、分压电路和误差放大电路，所述分压电路采样所述首选功率管的输出端的输出电压得到反馈电压，所述误差放大器根据所述反馈电压和一基准电压来控制所述首选功率管的栅极。所述低压差电压调节器还包括控制电路和备用功率管，所述控制电路在首选功率管上的电流大于设定电流阈值时，使能所述备用功率管以使其也为负载提供电流，否则，非使能所述备用功率管以使其不能为负载提供电流。

进一步的，所述低压差电压调节器还包括有开关控制管，所述开关控制管串联于所述备用功率管和电源之间，所述控制电路在首选功率管上的电流大于设定电流阈值时，控制所述开关控制管导通，否则，控制所述开关控制管截止。

更进一步的，所述控制电路包括电流采样模块和电流比较模块，所述电流采样模块检测所述首选功率管的电流，所述电流比较模块将所述首选功率管上的电流与设定电流阈值进行比较，在首选功率管上的电流大于设定电流阈值时，输出控制信号至所述开关控制管的控制端以控制所述开关控制管导通，否则，输出控制信号至所述开关控制管的控制端以控制所述开关控制管截止。

再进一步的，所述电流采样模块为与所述首选功率管构成镜像电路的镜像功率管，所述电流比较模块的一个输入端接所述镜像晶体管的漏极，另一个输入端接所述首选功率晶体管的漏极，该首选功率管的漏极为其输出端，其输出端接所述开关控制管的栅极。

再进一步的，所述首选功率管的源级接电源，所述备用功率管的源级通过所述开管控制管接所述电源，漏极接所述首选功率管的漏极，栅极接所述首选功率管的栅极。

再进一步的，所述电流比较模块包括第1晶体管、第10晶体管、第11晶体管、第12晶体管、第13晶体管、第14晶体管、第16晶体管，第1晶体管和第16晶体管串联在电源和地之间，第1晶体管的栅极接所述首选功率管的栅极，第11晶体管和第13晶体管串联在所述首选功率管的漏极和地之间，第10晶体管和第12晶体管串联在镜像晶体管的漏极和地之间，第10晶体管和第11晶体管的栅极互联，第12晶体管、第13晶体管和第14晶体管的栅极互联，第14晶体管的源级接地，漏极接基准电流，第10晶体管和第12晶体管之间的节点接第16晶体管M16的栅极。

进一步的，所述分压电路包括串联于所述首选功率管的输出端和地之间的第一分压电阻和第二分压电阻，第一分压电阻和第二分压电阻的中间节点的电压为所述反馈电压。

进一步的，所述低压差电压调节器还包括串联在首选功率管的输出端和地之间的电容和负载电阻。

与现有技术相比，在本发明中根据负载的改变功率管的有效面积，从而改变功率管的有效宽度，从而满足不同负载电流情况下的电流需求，提高了使用效率，也避免由于功率管的漏电流过大而导致效率过低的问题。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为现有技术中低压差电压调节器的电路图；和

图2为本发明中的高效率低压差电压调节器在一个实施例中的电路图。

【具体实施方式】

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图2为本发明中的高效率低压差电压调节器200在一个实施例中的电路图。如图2所示，所述低压差电压调节器200包括功率管M15(也可以被称为首选功率管)、分压电路210、误差放大电路220、串联在功率管M15的输出端VOUT和地VSS之间的电容CL和负载电阻RL。

所述功率管M15的源级接电源VBAT，栅极接所述误差放大电路220的输出端，其漏极为所述功率管M15的输出端VOUT。所述分压电路210采样所述功率管M15的输出端的输出电压，并得到反映所述输出电压的反馈电压VFB。所述误差放大电路220比较基准电压VREF和反馈电压VFB，将两者的差值放大后用于调整功率管M15的栅极电压，以确保在不同的电源电压VBAT和负载电流条件下输出电压VOUT都与所述基准电压VREF保持设定比例。

为了克服现有技术中的低压差电压调节器的问题，本发明中的低压差电压调节器200还包括有控制电路230、备用功率管M4和开关控制管M3。

所述备用功率管M4的栅极接功率管M15的栅极，漏极接功率管M15的漏极，源级通过所述开关控制管M3接电源VBAT。所述控制电路230的输入端接所述功率管M15的漏极，输出端接所述控制开关管M3的栅极。所述控制电路230检测所述功率管M15上的电流，在检测到的电流大于设定电流阈值时，则控制所述开关控制管M3导通，否则，则控制所述开关控制管M3截止。在所述开关控制管M3导通时，所述备用功率管M4与所述功率管M15并联，共同为负载提供电流，此时相当于增大了功率管的有效面积和有效沟道宽度。在所述开关控制管M3截止时，切断所述备用功率管M4，由所述功率管M15独立负载提供电流，相当于减小了功率管的有效面积和有效沟道宽度。

所述控制电路230包括电流采样模块231和电流比较模块232。所述电流采样模块231检测所述功率管M15的电流，所述电流比较模块232将所述功率管上的电流与设定电流阈值进行比较以输出控制信号。所述电流采样模块为镜像晶体管M2，该镜像晶体管M2的栅极与功率管M15的栅极相连，源级与电源VBAT相连，该镜像晶体管M2与所述功率管M15形成电流镜。所述电流比较模块的一个输入端接所述镜像晶体管M2的漏极A1，另一个输入端接所述功率晶体管的漏极VOUT，该电流比较模块在所述功率管上的电流等于设定电流阈值时翻转，其输出端A3与所述开关控制管M3的栅极(即控制端)。

所述电流比较模块232包括晶体管M1、M10、M11、M12、M13、M14、M16，所述晶体管M1和M16串联在电源VBAT和地VSS之间，所述晶体管M1的栅极接所述功率管M15的栅极。所述晶体管M11和M13串联在输出端VOUT和地VSS之间，所述晶体管M10和M12串联在节点A1和地VSS之间，晶体管M10和M11的栅极互联，晶体管M12、M13和M13的栅极互联，晶体管M14的源级接地VSS，漏极接基准电流IB。晶体管M12、M13和M14构成电流镜。晶体管M10和M12之间的节点A2接所述晶体管M16的栅极。

在提出的电路中，晶体管M1与M15和M2也构成电流镜，当其流过的电流比例关系和其宽长比比例关系相同时，晶体管M1，M2，M15的漏端电压相等。即当I_M15＝K＊I_M2，K为晶体管M15和M2的宽长比之比时，VA1＝VOUT。

所述电流比较模块的平衡态为：I_M2＝I_M12＝IB，I_M15＝K＊I_M2＝K＊IB，其中I_M2为晶体管M2上的电流，IM12为晶体管M12上的电流，IM15为晶体管M15上的电流，此时VA1＝VOUT。

在轻负载时，即Iout＝I_M15＜K＊IB时，VOUT＞VA1，所述电流比较模块的输出端A3为高电平，此时开关控制管M3关断，所述低压差电压调节器200的有效功率管仅为功率管M15，在轻负载下减小功率管的有效面积，可以有效的减小功率管的漏电流，特别是运用于数字电路的短沟道器件尤为有效。

在重负载时，即Iout＝I_M15＞K＊IB时，VOUT＜VA1，所述电流比较模块的输出端A3为低电平，此时开关控制管M3导通，所述低压差电压调节器200的有效功率管为功率管M15加备用功率管M4，增大了功率管的面积，可以提供负载更大的电流。

根据负载的改变功率管的有效面积和有效宽度，从而满足不同负载电流情况下的电流需求，提高了使用效率，也避免由于功率管的漏电流过大而导致效率过低的问题。通过设置合理的参考电流IB，可以精确的设定电路的轻重负载的切换值。这种技术受到工艺参数和温度的影响同样比较小。

本文中的“连接”、“相接”、“接至”等涉及到电性连接的词均可以表示直接或间接电性连接。

上述说明已经充分揭露了本发明的具体实施方式。需要指出的是，熟悉该领域的技术人员对本发明的具体实施方式所做的任何改动均不脱离本发明的权利要求书的范围。相应地，本发明的权利要求的范围也并不仅仅局限于前述具体实施方式。

Claims

1.一种低压差电压调节器，其包括首选功率管、分压电路和误差放大电路，所述分压电路采样所述首选功率管的输出端的输出电压得到反馈电压，所述误差放大器根据所述反馈电压和一基准电压来控制所述首选功率管的栅极，

其特征在于，所述低压差电压调节器还包括控制电路和备用功率管，所述控制电路在首选功率管上的电流大于设定电流阈值时，使能所述备用功率管以使其也为负载提供电流，否则，非使能所述备用功率管以使其不能为负载提供电流。

2.根据权利要求1所述的低压差电压调节器，其特征在于，其还包括有开关控制管，所述开关控制管串联于所述备用功率管和电源之间，所述控制电路在首选功率管上的电流大于设定电流阈值时，控制所述开关控制管导通，否则，控制所述开关控制管截止。

3.根据权利要求2所述的低压差电压调节器，其特征在于，所述控制电路包括电流采样模块和电流比较模块，所述电流采样模块检测所述首选功率管的电流，所述电流比较模块将所述首选功率管上的电流与设定电流阈值进行比较，在首选功率管上的电流大于设定电流阈值时，输出控制信号至所述开关控制管的控制端以控制所述开关控制管导通，否则，输出控制信号至所述开关控制管的控制端以控制所述开关控制管截止。

4.根据权利要求3所述的低压差电压调节器，其特征在于，所述电流采样模块为与所述首选功率管构成镜像电路的镜像功率管，所述电流比较模块的一个输入端接所述镜像晶体管的漏极，另一个输入端接所述首选功率晶体管的漏极，该首选功率管的漏极为其输出端，其输出端接所述开关控制管的栅极。

5.根据权利要求4所述的低压差电压调节器，其特征在于，所述首选功率管的源级接电源，所述备用功率管的源级通过所述开管控制管接所述电源，漏极接所述首选功率管的漏极，栅极接所述首选功率管的栅极。

6.根据权利要求5所述的低压差电压调节器，其特征在于，所述电流比较模块包括第1晶体管、第10晶体管、第11晶体管、第12晶体管、第13晶体管、第14晶体管、第16晶体管，第1晶体管和第16晶体管串联在电源和地之间，第1晶体管的栅极接所述首选功率管的栅极，第11晶体管和第13晶体管串联在所述首选功率管的漏极和地之间，第10晶体管和第12晶体管串联在镜像晶体管的漏极和地之间，第10晶体管和第11晶体管的栅极互联，第12晶体管、第13晶体管和第14晶体管的栅极互联，第14晶体管的源级接地，漏极接基准电流，第10晶体管和第12晶体管之间的节点接第16晶体管M16的栅极。

7.根据权利要求1-6任一所述的低压差电压调节器，其特征在于，所述分压电路包括串联于所述首选功率管的输出端和地之间的第一分压电阻和第二分压电阻，第一分压电阻和第二分压电阻的中间节点的电压为所述反馈电压。

8.根据权利要求1-6任一所述的低压差电压调节器，其特征在于，其还包括串联在首选功率管的输出端和地之间的电容和负载电阻。