CN104426384A - 电压转换装置及其电子系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有自参考特性的电压转换装置，用于一电子系统中，包含有一差动电流产生模组，实现于一互补式金属氧化物半导体制程，用来根据一转换电压产生一差动电流对；以及一电压转换模组，耦接于该差动电流产生模组及该电子系统的一第一供应电压以及一第二供应电压，用来根据该差动电流对、该第一供应电压及该第二供应电压，产生该转换电压。

Description

电压转换装置及其电子系统

技术领域

本发明涉及一种电压转换装置，尤其涉及一种具有自参考特性且以互补式金属氧化物半导体（CMOS）实现的电压转换装置。

背景技术

在集成电路中，电压调整器（Voltage Regulator），如直流对直流转换器（DC-DC converter），是常用于产生准确且稳定电压的电路。电压调整器所输出的电压通常会作为集成电路中其他电路的参考电压或是供应电压。依据不同的电压需求及集成电路中元件的特性，集成电路通常需要多个电压调整器，以产生不同的供应电压。

请参考图1，图1为现有一电子系统10的示意图。电子系统10可为一集成电路，其包括一供应电压产生单元100、一正电压电路102、一电压范围转换单元104以及一负电压电路106。电子系统10主要利用工作在正供应电压VDDP1～地端电压GND之间的正电压电路102与工作在地端电压GND～负供应电压VDDN1的负电压电路106，分别产生相互对应的正输出信号VOUTP与负输出信号VOUTN。由于当集成电路中电子元件的跨压过大时，会造成电子元件损坏，因此电子系统10需要利用电压范围转换单元104作为缓冲，以进行电压与信号的转换。电压范围转换单元104工作于正供应电压VDDP2与负供应电压VDDN2之间，其中正供应电压VDDP1大于正供应电压VDDP2且负供应电压VDDN1小于负供应电压VDDN2。换言之，电压范围转换单元104的工作电压范围横跨正负电压范围，且分别与正电压电路102及负电压电路106的工作电压范围重叠。

在实际应用中，电子系统10通常仅拥有一外部系统电压VDDE作为电源来源。电子系统10需要通过供应电压产生单元100，来产生正电压电路102、电压范围转换单元104以及负电压电路106所需要的供应电压。因此，供应电压产生单元100需要至少四个电压调整器，以分别产生正供应电压VDDP1、正供应电压VDDP2、负供应电压VDDN1以及负供应电压VDDN2。随着电子系统10所需达成的功能增加，电子系统10内部电路所需的供应电压的数目也随之上升。电子系统10需要使用更多的电压调整器，来提供足够数量的供应电压。然而，电压调整器通常需要使用外部电感或是外部电容，以提供稳定且准确的供应电压。电子系统10的制造成本将会随着电压调整器的数量上升而大幅增加。更甚者，当外部系统电压VDDE开启电子系统10的瞬间，各供应电压（如正供应电压VDDP1、正供应电压VDDP2、负供应电压VDDN1以及负供应电压VDDN2）的产生时间之间将会产生时间差，这些时间差可能会使得电子系统10中产生闩锁（latch-up）现象。

另一方面，由于电子系统10内供应电压通常会与外部系统电压VDDE间呈现倍数关系（如正供应电压VDDP1可为外部系统电压VDDE的1.5倍，而正供应电压VDDP2可为外部系统电压VDDE的一半），电子系统10内供应电压将会随着外部系统电压VDDE而变动，从而可能造成供应电压偏离原始设计值的状况。举例来说，当外部系统电压VDDE由电池所提供时，外部系统电压VDDE将会随着电池的电荷存储程度而变动。因此，电子系统10需要加入一参考电路，以提供不随外部系统电压VDDE变动的参考电压，并通过回授机制将各供应电压控制在原始设计值。

一般而言，用来提供稳定参考电压的参考电路是通过带隙（bandgap）电路所实现，其可由实现于互补式金属氧化物半导体（CMOS）制程的双极性晶体管（BJT）或是互补式金属氧化物半导体所组成。由双极性晶体管实现的带隙电路虽有不易随制程飘移影响的优点，然而实现于互补式金属氧化物半导体的双极性晶体管容易在电源启动时产生闩锁现象。并且，实现于互补式金属氧化物半导体制程的双极性晶体管的元件特性也会造成设计上的限制。另一方面，带隙电路虽可利用工作在次临界（sub-threshold）区的金氧半场效晶体管（MOSFET）替代双极性晶体管，然而，工作在次临界区的金氧半场效晶体管的温度系数容易受到制程飘移的影响，造成参考电压与设计产生偏差。

此外，带隙电路仅能产生一固定的参考电压，且其输出的参考电压不具备推动负载的能力。在此状况下，带隙电路产生的参考电压必须通过额外的电压调节器，才可产生具有不同电压值且具备推动负载能力的参考电压，从而增加了电子系统10的制造成本且使电子系统10的设计更为复杂。因此，如何简化电子系统中用来产生供应电压的电路，便成为目前产业中一重要的课题。

发明内容

因此，本发明提出一种具有自参考特性的电压转换装置，其可产生不随温度变化且具有推动能力的供应电压。

本发明公开一种具有自参考特性的电压转换装置，用于一电子系统中，包括一差动电流产生模组，实现于互补式金属氧化物半导体制程，用来根据一转换电压产生一差动电流对；以及一电压转换模组，耦接于该差动电流产生模组及该电子系统的一第一供应电压以及一第二供应电压，用来根据该差动电流对、该第一供应电压及该第二供应电压，产生该转换电压。

本发明还公开一种电子系统，包括一供应电压转换模组，用来产生一第一供应电压及一第二供应电压；至少一具有自参考特性的电压转换装置，用来产生至少一转换电压，每一电压转换装置包括：一差动电流产生模组，实现于互补式金属氧化物半导体制程，用来根据该至少一转换电压中一第一转换电压，产生一对差动电流；以及一电压转换模组，耦接于该差动电流产生模组、该第一供应电压及该第二供应电压，用来根据该对差动电流、该第一供应电压及该第二供应电压，产生该至少一转换电压其中之一以及该第一转换电压。

附图说明

图1为一现有电子系统的示意图。

图2为本发明实施例一电压转换装置的示意图。

图3为本发明实施例另一电压转换装置的示意图。

图4为图2所示的电压转换装置另一实现方式的示意图。

图5为图3所示的电压转换装置另一实现方式的示意图。

第6图为本发明实施例一电子系统的示意图。

其中，附图标记说明如下：

10、60                            电子系统

100、600                          供应电压产生单元

102、602                          正电压电路

104、604                          电压范围转换电路

106、606                          负电压电路

20、30、40、50、608、610          电压转换装置

200、300、400、500                差动电流产生模组

202、302、402、502                电压转换模组

204、304、404、504                回授电压产生单元

GND                               地端

I_D1～I_D4                          差动电流

I_REG1、I_REG2                      电流

MN1～MN12、MP1～MP12              晶体管

R1～R8                            电阻

V_REG1～V_REG4                      转换电压

V_FB1、V_FB2                        回授电压

具体实施方式

请参考图2，图2为本发明实施例一电压转换装置20的示意图。电压转换装置20用于一电子系统中，其具有自参考特性，且可根据电子系统提供的供应电压产生电子系统中其余电路的供应电压。如图2所示，电压转换装置20是由一差动电流产生模组200以及一电压转换模组202所组成。差动电流产生模组200用来根据一转换电压V_REG1，产生相对应的差动电流I_D1、I_D2。电压转换模组202耦接于差动电流产生模组200及供应电压VDDH、VDDL，用来根据差动电流I_D1、I_D2及供应电压VDDH、VDDL，产生转换电压V_REG1。值得注意的是，由于电压转换模组202具有推动能力，因此转换电压V_REG1不需利用额外的电压转换器即可作为电子系统中其余电路的供应电压。通过电压转换装置20，电子系统所需的电压调整器的数量可大幅降低，从而减低电子系统的制造成本。

详细来说，差动电流产生模组200包括回授电压产生单元204、晶体管MN1、MN2以及电阻R1、R2。回授电压产生单元204包括电阻R3、R4，用来根据转换电压V_REG1及电阻R3、R4间的比例，产生回授电压V_FB1。晶体管MN1、MN2为N型金氧半场效晶体管（NMOS），其形成一差动对，以分别产生差动电流I_D1、I_D2。其中，晶体管MN1的长宽比为晶体管MN2的长宽比的K₁倍，且晶体管MN1与晶体管MN2都操作于次临界（sub-threshold）区。晶体管MN1、MN2以及电阻R1、R2的耦接关系如下所述，晶体管MN1、MN2的栅极都耦接于回授电压V_FB1，电阻R1的两端分别耦接于晶体管MN1、MN2的源极，电阻R2的两端则分别耦接于晶体管MN2的源极与地端GND。需注意的是，电阻R2、R4耦接于地端GND的端点可改为耦接于其他位于供应电压VDDH与供应电压VDDL之间的电压准位，而不限于耦接于地端GND。通过差动电流产生模组200与电压转换模组202组成的负回授路径，当电压转换装置20进入稳态时，差动电流I_D1会等同于差动电流I_D2。因此，回授电压V_FB1可表示为：

V_FB1=V_GS2+2×I_D1×R2   （1）

其中，V_GS2为晶体管MN2栅极与源极间的电压差。接下来，通过计算流经电阻R1的电流（即电流I_D1），可将公式（1）修改为：

$V_{\mathrm{FB}1}=V_{\mathrm{GS}2}+2\×\frac{V_{\mathrm{GS}2}-V_{\mathrm{GS}1}}{R1}\×R2---\left(2\right)$

其中，V_GS1为晶体管MN1栅极与源极间的电压差。由于晶体管MN1与晶体管MN2都操作于次临界区，且假设电阻R2为电阻R1的L₁/2倍（即），公式（2）可被修改为：

V_FB1=V_GS2+V_T×L₁×ln(K₁)   （3）

其中，V_T为晶体管MN1、MN2的热电压（thermal voltage）。值得注意的是，由于电压V_GS2与温度成反比（即具有负的温度系数），且热电压V_T与温度成正比（即具有正的温度系数），因此回授电压V_FB1具有不随温度变化的特性。接下来，根据回授电压V_FB1与转换电压V_REG1间的比例关系，转换电压V_REG1可被表示为：

$V_{\mathrm{REG}1}=\frac{R3+R4}{R3}(V_{\mathrm{GS}2}+V_T\×L_1\×\ln \left(K_1\right))---\left(4\right)$

如此一来，上述实施例的差动电流产生模组200不需使用双极性晶体管（BJT），即可产生不随温度变化的电压。换言之，差动电流产生模组200可完全以互补式金属氧化物半导体（CMOS）实现，而不受以互补式金属氧化物半导体制程形成的双极性晶体管的元件特性所限制。此外，由公式（4）可得知，差动电流产生模组202在产生差动电流I_D1、I_D2时，也同时定义了转换电压V_REG1。也就是说，通过调整电阻R1与电阻R2间的比例（即L₁）、电阻R3与电阻R4间的比例，以及晶体管MN1与晶体管MN2间长宽比的比例（即K₁），电压转换装置20可改变转换电压V_REG1的电压值。

接下来，电压转换模组202可根据差动电流产生模组200产生的差动电流I_D1、I_D2以及电子系统提供的供应电压VDDH、VDDL，产生转换电压V_REG1。举例来说，供应电压VDDH、VDDL可分别为电子系统的最高电压及最低电压，但不限于此。在此实施例中，电压转换模组202是由晶体管MP1～MP5、MN3～MN6所组成。其中，晶体管MP1～MP4、MN3～MN6组成一迭接式（cascode）电流镜（current mirror），其根据差动电流I_D1、I_D2以及供应电压VDDH、VDDL产生适当的电压予晶体管MP5的栅极，从而让晶体管MP5产生转换电压V_REG1。迭接式电流镜的工作原理应为本领域的技术人员所熟知，为求简洁，在此不赘述。然后，通过回授路径，转换电压V_REG1不会随着用来推动后级负载的电流I_REG1而变化。也就是说，流经晶体管MP5的电流I_REG1可根据差动电流I_D1、I_D2作调整，以推动后级负载。如此一来，电压转换装置20仅需电子系统提供的供应电压VDDH、VDDL，即可根据其本身的自参考特性，产生不随温度变化的转换电压V_REG1，作为电子系统中其余电路的供应电压。

请参考图3，图3为本发明实施例一电压转换装置30的示意图。电压转换装置30为图2所示的电压转换装置20另一实现方式，其组成架构类似于电压转换装置20。如图3所示，电压转换装置30包括差动电流产生模组300及电压转换模组302。差动电流产生模组300包括回授电压产生单元304、晶体管MP6、MP7以及电阻R5、R6。回授电压产生单元204包括电阻R7、R8，用来根据转换电压V_REG2及电阻R7、R8间的比例，产生回授电压V_FB2。晶体管MP6、MP7形成一差动对，分别用来产生差动电流I_D3、I_D4。其中，晶体管MP6的长宽比为晶体管MP7的长宽比的K₂倍，且晶体管MP6与晶体管MP7都操作于次临界区。晶体管MP6、MP7以及电阻R5、R6的耦接关系如下所述，晶体管MP6、MP7的栅极都耦接于回授电压V_FB2，电阻R5的两端分别耦接于晶体管MP6、MP7的源极，电阻R6的两端则分别耦接于晶体管MP7的源极与地端GND。需注意的是，电阻R6、R8耦接于地端GND的端点可改为耦接于其他位于供应电压VDDH与供应电压VDDL之间的电压准位，而不限于耦接于地端GND。通过差动电流产生模组300与电压转换模组302组成的回授路径，当电压转换装置30进入稳态时，差动电流I_D3会等同于差动电流I_D4。因此，回授电压V_FB2可表示为：

V_FB2=-(V_SG7+2×I_D3×R6)   （5）

其中，V_SG7为晶体管MP7源极与栅极间的电压差。接下来，通过计算流经电阻R5的电流（即电流I_D3），可将公式（1）修改为：

$V_{\mathrm{FB}2}=-(V_{\mathrm{SG}7}+2\×\frac{V_{\mathrm{SG}7}-V_{\mathrm{SG}6}}{R5}\×R6)---\left(6\right)$

其中，V_SG6为晶体管MP6源极与栅极间的电压差。由于晶体管MP6与晶体管MP7都操作于次临界区，且假设电阻R6为电阻R5的L₂/2倍（即），公式（2）可被修改为：

V_FB2=-(V_SG7+V_T×L₂×ln(K₂))   （7）

其中，V_T为晶体管MP6、MP7的热电压。值得注意的是，由于电压V_SG7与温度成反比（即具有负的温度系数），且热电压V_T与温度成正比（即具有正的温度系数），因此回授电压V_FB2具有不随温度变化的特性。接下来，根据回授电压V_FB2与转换电压V_REG2间的比例关系，转换电压V_REG2可被表示为：

$V_{\mathrm{REG}2}=-\left[\frac{R7+R8}{R7}(V_{\mathrm{SG}7}+V_T\×L_2\×\ln \left(K_2\right))\right]---\left(8\right)$

如此一来，上述实施例所述的差动电流产生模组300不需使用双极性晶体管，即可产生不随温度变化的转换电压V_REG2。换言之，差动电流产生模组300可完全以互补式金属氧化物半导体实现，而不受以互补式金属氧化物半导体制程形成的双极性晶体管的元件特性所限制。此外，由公式（8）可得知，差动电流产生模组302在产生差动电流I_D3、I_D4时，也同时定义了转换电压V_REG2。也就是说，通过改变电阻R5与电阻R6间的比例（即L₂）、电阻R7与电阻R8间的比例以及晶体管MP5与晶体管MP6间长宽比的比例（即K₂），电压转换装置30可轻易调整转换电压V_REG2。

接下来，电压转换模组302即可根据差动电流产生模组300产生的差动电流I_D3、I_D4以及电子系统提供的供应电压VDDH、VDDL，产生转换电压V_REG2。在此实施例中，电压转换模组302由晶体管MP8～MP11、MN7～MN11所组成。其中，晶体管MP8～MP11、MN7～MN10组成一迭接式电流镜，以根据差动电流I_D3、I_D4以及供应电压VDDH、VDDL产生适当的电压予晶体管MN11的栅极，从而让晶体管MN11产生转换电压V_REG2。换言之，流经晶体管MN11的电流I_REG2可根据差动电流I_D3、I_D4作调整，以推动后级负载。并且，通过回授，转换电压V_REG2不会随着用来推动后级负载的电流I_REG2而变化。并且，相较于电压转换装置20，电压转换装置30产生的电流I_REG2的方向与电压转换装置20产生的电流IREG1的方向不同。如此一来，电压转换装置30仅需电子系统提供的供应电压VDDH、VDDL，即可根据其本身的自参考特性，产生不随温度变化的转换电压V_REG2，作为电子系统中其余电路的供应电压。

值得注意的是，上述实施例提出的电压转换装置通过自参考特性，产生具有推动能力且不随温度变化的转换电压。根据不同应用，本领域技术人员应可据以实施合适的变化及更动。举例来说，请参考图4及图5，其分别为图2所示的电压转换装置20及图3所示的电压转换装置30其余实现方式的示意图。如图4所示，电压转换装置40包括差动电流转换装置400及电压转换装置402。差动电流转换装置400及电压转换装置402的组成架构分别类似于电压转换模组20的差动电流转换装置200及电压转换装置202类似，因此，具有相同功能的元件及信号使用相同的符号表示。与电压转换模组20不同的是，电压转换模组402是通过晶体管MN12，产生转换电压V_REG1，并改变电流I_REG1的方向，从而提供不同方向的推动负载的能力。电压转换装置40的运作原理可参照电压转换装置20，为求简洁，在此不赘述。

类似地，请参考图5，电压转换装置50包括差动电流转换装置500及电压转换装置502。差动电流转换装置500及电压转换装置502的组成架构分别类似于电压转换模组30的差动电流转换装置300及电压转换装置302类似，因此，具有相同功能的元件及信号使用相同的符号表示。与电压转换模组30不同的是，电压转换模组302是通过晶体管MP12，产生转换电压V_REG2，并改变电流I_REG2的方向，从而提供具有不同方向的推动负载的能力。电压转换装置50的运作原理可参照电压转换装置30，为求简洁，在此不赘述。

请参考第6图，第6图为本发明实施例一电子系统60的示意图。电子系统60可为一集成电路，且包括一供应电压产生单元600、一正电压电路602、一电压范围转换单元604、一负电压电路606以及电压转换装置608、610。供应电压产生单元600包括2个电压调整器，分别用来产生电子系统60的最高供应电压VDDH及最低的供应电压VDDL。正电压电路602工作在供应电压VDDH～地端电压GND之间，用来产生正输出信号VOUTP。电压范围转换单元604工作于供应电压V_REG3与供应电压V_REG4之间。负电压电路606工作在地端电压GND～负供应电压VDDL之间，用来产生负输出信号VOUTN。电压转换装置608、610可为上述实施例所提出的电压转换装置20、30、40、50其中之一。举例来说，电压转换装置608可为电压转换装置20，而电压转换装置610则可为电压转换装置30。如此一来，电压范围转换单元604所需的供应电压可由电压转换装置608、610所产生的转换电压V_REG3、V_REG4所提供。相较于图1所示的电子系统10，电子系统60可省去2个成本昂贵的电压调整器，转而利用电压转换装置608、610来产生所需的供应电压。若电子系统60还需要其余的供应电压，此些供应电压可利用上述实施例的电压转换装置根据供应电压VDDH、VDDL所提供。也就是说，电子系统60仅需2个电压调整器来产生电子系统60中最高的供应电压VDDH及最低的供应电压VDDL，而电子系统60中其余的供应电压则可通过上述实施例的电压转换装置产生，从而降低电子系统60的成本。此外，由于电压转换装置608、610须在供应电压VDDH与供应电压VDDL产生后，才可产生转换电压V_REG3、V_REG4，因此由各供应电压的产生时间之间的时间差所产生的闩锁（latch-up）现象可获得解决。

综上所述，上述实施例提供的电压转换装置具有自参考特性，其可根据电子系统中的供应电压，产生不随温度变化且具有推动负载能力的转换电压。据此，电子系统可减少成本昂贵的电压调整器的数量，并可避免由不同电压调整器产生供应电压的时间之间的时间差所造成的闩锁（latch-up）现象。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种具有自参考特性的电压转换装置，用于一电子系统中，包括：

一差动电流产生模组，实现于一互补式金属氧化物半导体制程，用来根据一转换电压产生一差动电流对；以及

一电压转换模组，耦接于该差动电流产生模组及该电子系统的一第一供应电压以及一第二供应电压，用来根据该差动电流对、该第一供应电压及该第二供应电压，产生该转换电压。

2.如权利要求1所述的电压转换装置，其特征在于该第一供应电压为该电子系统的一最高电压。

3.如权利要求1所述的电压转换装置，其特征在于该第一供应电压为该电子系统的一最低电压。

4.如权利要求1所述的电压转换装置，其特征在于该差动电流产生模组包括：

一回授电压产生单元，用来根据该转换电压，产生一回授电压；

一第一晶体管，包括一栅极耦接于该回授电压，一源极耦接于一第一节点，以及一漏极耦接于一第一输出端，用来根据该回授电压，产生该差动电流对的一第一差动电流；

一第二晶体管，包括一栅极耦接于该回授电压，一源极耦接于一第二节点，以及一漏极耦接于一第二输出端，用来根据该回授电压，产生该差动电流对的一第二差动电流；

一第一电阻，耦接于该第一节点与该第二节点之间；以及

一第二电阻，耦接于该第二节点与该电子系统中一第三供应电压之间。

5.如权利要求4所述的电压转换装置，其特征在于该第三供应电压为地端电压。

6.如权利要求4所述的电压转换装置，其特征在于该第一晶体管与该第二晶体管为金属氧化物半导体场效晶体管，且运作于次临界区。

7.一种电子系统，包括：

一供应电压转换模组，用来产生一第一供应电压及一第二供应电压；以及

至少一具有自参考特性的电压转换装置，用来产生至少一转换电压，每一电压转换装置包括：

一差动电流产生模组，实现于一互补式金属氧化物半导体制程，用来根据该至少一转换电压中一第一转换电压，产生一对差动电流；以及

一电压转换模组，耦接于该差动电流产生模组、该第一供应电压及该第二供应电压，用来根据该对差动电流、该第一供应电压及该第二供应电压，产生该至少一转换电压其中之一以及该第一转换电压。

8.如权利要求7所述的电子系统，其特征在于该第一供应电压为该电子系统的一最高电压。

9.如权利要求7所述的电子系统，其特征在于该第一供应电压为该电子系统的一最低电压。

10.如权利要求7所述的电子系统，其特征在于该差动电流产生模组包括：一回授电压产生单元，用来根据该转换电压，产生一回授电压；

一第一晶体管，包括一栅极耦接于该回授电压，一源极耦接于一第一节点，以及一漏极耦接于一第一输出端，用来根据该回授电压，产生该差动电流对的一第一差动电流；

一第二晶体管，包括一栅极耦接于该回授电压，一源极耦接于一第二节点，以及一漏极耦接于一第二输出端，用来根据该回授电压，产生该差动电流对的一第二差动电流；

一第一电阻，耦接于该第一节点与该第二节点之间；以及

一第二电阻，耦接于该第二节点与该电子系统中一第三供应电压之间。

11.如权利要求10所述的电子系统，其特征在于该第三供应电压为地端电压。

12.如权利要求10所述的电子系统，其特征在于该第一晶体管及该第二晶体管为金属氧化物半导体场效晶体管且工作于次临界区。