CN105573394A - 具有高负载电流能力的低静默电流电压调节器 - Google Patents

具有高负载电流能力的低静默电流电压调节器 Download PDF

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Abstract

描述了电压调节器与运行电压调节器的方法的实施方式。在一种实施方式中,电压调节器包括一组电流镜电路,配置为将输入电压转换为输出电压;以及包括电压缓冲电路,配置为该组电流镜电路而缓冲参考电压。该组电流镜电路形成正反馈回路。还描述了其他实施方式。

Description

具有高负载电流能力的低静默电流电压调节器
技术领域
本发明涉及一种电压调节器及其运行方法。特别地,本发明一种具有高负载电流能力的低静默电流电压调节器以及其运行方法。
背景技术
电压调节器将输入电压转换为输出电压,并可用来为集成电路(IntegratedCircuit,IC)的元件提供稳定的工作电压。例如,一些集成电路使用低压差(LowDropout,LDO)稳压器来将3.3伏(V)电压轨转换为1.8V电压轨,以提供给数字逻辑单元。由于LDO稳压器是反馈型电压调节器,LDO稳压器的输出电压是经过良好调节的。然而,为使得LDO稳压器在一定范围内的输出电容及负载电流上保持稳定,LDO稳压器的静默/待命电流,即LDO稳压器内部拉取的电流,应当在数十微安级别。但是,大的静默电流将导致待命模式下的运行具有高功耗。
发明内容
描述了电压调节器与运行电压调节器的方法的实施方式。在一种实施方式中,电压调节器包括一组电流镜电路,配置为将输入电压转换为输出电压;以及包括电压缓冲电路,配置为为该组电流镜电路而缓冲参考电压。该组电流镜电路形成正反馈回路。相比于现有的电压调节器,例如LDO稳压器,该电压调节器将由电流镜电路形成的正反馈回路用于电压转换。因此,相比于现有的电压调节器,在待命模式下运行时,该电压调节器可以具有低静默电流或待命电流,以及低功耗。还描述了其他实施方式。
在一种实施方式中,电压调节器包括一组电流镜电路,配置为将输入电压转换为输出电压;以及包括电压缓冲电路,配置为为该组电流镜电路而缓冲参考电压。该组电流镜电路形成正反馈回路。
在一种实施方式中,电压调节器包括一组电流镜电路,配置为将输入直流(DC)电压转换为输出DC电压;以及包括电压缓冲电路,配置为为该组电流镜电路而缓冲参考DC电压。该组电流镜电路形成环路增益小于1的正反馈回路,以及输出电压小于输入电压。
在一种实施方式中,一种运行电压调节器的方法涉及:为一组电流镜电路缓冲参考电压,以及使用该组电流镜电路来将输入电压转换为输出电压。该组电流镜电路形成正反馈回路。
本发明的实施方式的其他方面和优点可以通过以下作为本发明原理的示例而示出的结合附图的详细描述得以显现。
附图说明
图1为根据本发明一种实施方式的电压调节器的示意性框图。
图2示出了图1中的电压调节器的实施方式。
图3示出了一种封装的IC器件的引脚配置的实施方式。
图4所示的是根据本发明一种实施方式的运行电压调节器的方法的流程图。
在本说明中,相似的参考标号可以用来指向相似的元件。
具体实施方式
应当理解的是,本发明各实施方式中所提及的并在后附的图形中展示的各元件可以在更广范围内以不同的设置方式进行布置和设计。从而,以下关于各实施方式所描述的以及附图中所表示的本发明的细节,仅表示各实施方式的代表,但并不表示对本发明范围的限制。同时,本发明实施方式的各部分在附图中有所展示,但除非特别说明,附图并不必然依特定的比例尺绘制。
以下所述的各实施方式在任何情况下都应当仅理解为示例性地而非限制性地。因此,本发明的范围应当由后述的权利要求书而不是本实施方式说明来标示。任何在权利要求的意述和等同范围内的变化,都应当认为是包含于本发明的权利要求之内。
本说明书中,对于特征、优点或相似语言的指代并不意味着本发明所可能实现的所有的特征或优点都应当在本发明的单个实施方式中出现。相反,对于特征和优点的指代性语言应当理解为表明至少一个本发明的实施方式中包括了通过本发明某一实施方式所描述了的特定的特征、优点或特性。因此,本说明书中对于特征、优点或类似语言的描述可能但不必然地指向相同的实施方式。
进一步地,所描述的本发明的各特征、优点和特点在一个或多个实施方式中可以以任意合适的方式进行组合。所属技术领域的技术人员可以意识到,通过以下描述,本发明可以实现为不具备某个特定实施方式中的一个或多个特定的特征或优点。在其他例子中,也可以意识到其具有未被各实施方式所描述的其他特征或优点。
在本说明书中,对于“实施方式”或相似表述的指代,意味着与所指的实施方式相关描述的特定的特征、结构或优点是包括在本发明的至少一个实施方式中。因此,本说明书中对于“在一个实施方式中”或类似语言的描述可能但不必然地指向相同的实施方式。
图1为根据本发明一种实施方式的电压调节器100的示意性框图。在图1所示的实施方式中,电压调节器100包括两个电流镜电路102-1、102-2,以及电压缓冲电路104。电压调节器将输入电压转换为输出电压。该输入电压和输出电压可以是任何合适类型的电压。在一些实施方式中,输入电压和输出电压为直流(DirectCurrent,DC)电压。该电压调节器可用来为IC的元件提供工作电压。在一些实施方式中,电压调节器将大约(如±30%)为3.3伏特(V)的输入电压转换为大约(如±30%)为1.8V的输出电压;在其他实施方式中,电压调节器将大约5V的输入电压转换为大约1.5V的输出电压。然而,该电压调节器的输入电压和输出电压并不限于上述示例的电压。尽管图1中的电压调节器显示为包括特定元件,在其他实施方式中,该电压调节器包括更少的或更多的元件,以实现更少的或更多的功能。例如,在一些实施方式中,电压调节器包括启动电路,以用来生成启动电流。
电压调节器100的电流镜电路102-1、102-2配置为将输入电压转换为转出电压。电压调节器的输出电压可以低于电压调节器的参考电压,或者高于电压调节器的参考电压。在图1所示的实施方式中,电流镜电路形成正反馈回路106。如图1所示,电流镜电路102-1的输入端“IN”连接到电流镜电路102-2的输出端“OUT”,电流镜电路102-1的输出端“OUT”连接到电流镜电路102-2的输入端“IN”。正反馈回路是具有正环路增益的反馈回路。在正反馈回路中,反馈是与反馈回路的输入同相的,从而输入的增大引起反馈的变化,进而导致输入的更大增加。由于电流镜电路形成正反馈回路,该电压调节器可以从基于小的静默电流或待命电流的低功耗的待命模式中启动。该电压调节器中的静默电流是在电压调节器中内部拉取的电流。在一些实施方式中,电压调节器中的静默电流测量为该电压调节器没有连接负载时的输入电流。在一些实施方式中,正反馈回路106具有大于0但小于1的环路增益。通常地,如果反馈回路的环路增益大于1,该反馈回路可具有指数级增长,这将导致反馈回路变得不稳定。
电压调节器100的电压缓冲电路104配置为,为电流镜电路102-1、102-2缓冲参考电压。参考电压通常低于电压调节器的输入电压。例如,参考电压可以是电压调节器的输入电压的大约(例如±30%)一半。在一些实施方式中,电压缓冲电路用来将电压从具有高输出阻抗的第一电路(如产生参考电压的参考发生电路)传送到低输入阻抗的第二电路(如电流镜电路102-2)。电压缓冲电路可以阻止其输入端的电路干扰其输出端的电路的正常运行。在一些实施方式中,电压缓冲电路包括源极跟随器电路。
IC通常使用电压调节器电路来在出现大的负载电流变化时实现良好的输出电压调节。通常地,LDO稳压器被用于IC,以将输入电压转换为IC元件所要的合适的运行电压。然而,由于LDO稳压器具有需要在负载电流及旁路电容器的值的范围内保持稳定的反馈回路,其需要一个最低的静默电流以保证LDO稳压器的单位增益频率(UnityGainFrequency,UGF)高于特定的阈值,或者保证LDO稳压器的次极点频率处在可接受范围。相比于现有的电压调节器,例如LDO稳压器,图1中所示的该电压调节器100将由电流镜电路102-1、102-2形成的正反馈回路106用于电压转换。由于形成该正反馈回路的电流镜电路实现起来较为简单,该电压调节器可以使用简化的电路结构来实现。因此,相比于现有的电压调节器,该电压调节器可以具有低静默电流或待命电流。例如,该电压调节器可以具有等于或小于1微安(μA)的静默电流。由电流镜电路形成的正反馈回路在环路增益小于1时通常是稳定的。因此,该电压调节器的输出电压可以得到相当良好的调节。
图2示出了图1中的电压调节器100的实施方式。在图2所示的实施方式中,直流电压调节器200包括启动电路210、形成正回路206的两个电流镜电路202-1和202-2、电压缓冲电路204、以及电阻212。该图2所示的电压调节器200是图1中的电压调节器100的一种可能的实施方式。然而,图1中的电压调节器并不限于该图2中所示的实施方式。
该电压调节器200可以具有低的待命功耗、高的负载电流能力、以及合理的输出电压合格范围。例如,该电压调节器可以具有1μA级的静默电流,且支持范围为数百微安的负载。因此,该电压调节器可以提供足够的处理功耗,以检测到退出低功率模式及启动全功能LDO的需求。尽管在一些情况下,该电压调节器的输出电压没有被良好地调节(例如,在低负载时,输出电压较低),以及该电压调节器可能不能实现低压差(例如输入电压可能高于2.9V),但在低功耗模式下该电压调节器可以用来取代LDO。
在一种实施方式中,电压调节器200将输入电压“VDD3V3”转换为输出电压“VDD1V8”。系统供电电压通常可以是3.3V,而数字逻辑单元的工作电压通常是1.8V。在图2所示的实施方式中,电压调节器接收3.3V的输入电压,并输出1.8V的输出电压。然而,在其他实施方式中,电压调节器的输入和输出电压可以是其他值。
在一种实施方式中,由于电压调节器200使用正反馈回路206,启动电路210被用来生成初始启动电流,因为“无电流”也是一种稳定状态。在一些实施方式中,启动电路实现为具有大阻值(如10-20兆欧)的电阻210。具有大阻值的电阻器可以利于得到低静默电流。在图2所示的实施方式中,启动电流连接到输入端232,输入电压“VDD3V3”也从这里输入进入电压调节器。
电压调节器200的电流镜电路202-1、202-2配置为执行降压变换。电流镜电路202-1包括PMOS晶体管“MP1”、“MP2”,而电流镜电路202-2包括NMOS晶体管“MN0”、“MN3”。在电流镜电路202-1中,PMOS晶体管“MP1”、“MP2”的栅极端“G”彼此连接,PMOS晶体管“MP2”的栅极端“G”连接到PMOS晶体管“MP2”的漏极端“D”。在电流镜电路202-2中,NMOS晶体管“MN0”、“MN3”的栅极端“G”彼此连接,NMOS晶体管“MN0”的栅极端“G”连接到NMOS晶体管“MN0”的漏极端“D”。电流镜电路202-1、202-2形成正反馈回路206,其环路增益大于0但小于1。由于正反馈回路的环路增益小于1,该电压调节器在闭环中运行为高增益结构,从而提供优良的负载调节。在图2所示的实施方式中,PMOS晶体管“MP1”的漏极端“D”连接到NMOS晶体管“MN0”的漏极端“D”,PMOS晶体管“MP2”的漏极端“D”连接到NMOS晶体管“MN3”的漏极端“D”。
电压调节器200的电压缓冲电路204配置为,为电流镜电路202-1、202-2而缓冲参考电压“Vref”。根据一种实施方式,参考电压“Vref”被设置为低于1.5V(如1.25V)。在图2所示的实施方式中,电压缓冲电路204实现为源极跟随器PMOS晶体管“MP0”,其输出(如PMOS晶体管“MP0”的源极端“S”处的信号)连接到由电流镜电路202-1、202-2所形成的正反馈回路206。在一些实施方式中,电压调节器的输出电压大约比参考电压“Vref”高出一个PMOS电压阈值。如图2所示,源极跟随器晶体管“MP0”的栅极端“G”连接到参考端236,参考电压“Vref”由此输入到电压调节器中;源极跟随器晶体管“MP0”的漏极端“D”连接到接地端238“GND”;源极跟随器晶体管“MP0”的源极端“S”连接到电流镜电路202-2的晶体管“MN0”的源极端“S”。
电压调节器200的电阻212在一些实施方式中是可选的,其用来保证电流镜电路202-1、202-2中的最小电流。在图2所示的实施方式中,电阻212连接到由电流镜电路202-1、202-2所形成的正反馈回路206,以及连接到输出端234,电压调节器的输出电压“VDD1V8”自输出端234被输出。在一些实施方式中,该电阻具有大阻值(如10-20兆欧)。
电压调节器200的运行的一个示例如下所述。当负载电路(图未示)自电压调节器的输出端234拉取电流时,NMOS晶体管“MN3”的源极电压即刻下降。NMOS晶体管“MN3”源极电压的降低(从而增大其栅源电压VGS)使得NMOS晶体管“MN3”可以供给增大的负载需求。输出端234处增大的负载电流还流出由PMOS晶体管“MP1”、“MP2”所形成的电流镜电路202-1。从而,该增大的负载电流(由于晶体管“MP2”、“MN3”通常大于晶体管“MP1”、“MN0”而被成比例地缩小)流入NMOS晶体管“MN0”,导致NMOS晶体管“MN0”的VGS由于漏极电流增大而增大,并导致NMOS晶体管“MN0”的源极电压由于源极跟随器“MP0”的非零输出阻抗而增大。进而,NMOS晶体管“MN3”的栅极电压增大,NMOS晶体管“MN3”的源极电压恢复为相应于可接受的电压调节的值。
在一些实施方式中,图2所示的电压调节器200可以实现在封装的IC器件中。图3示出了一种封装的IC器件330的实施方式。在图3所示的实施方式中,该封装的IC器件的配置包括:输入电压引脚332、输出电压引脚334、参考电压引脚336、以及接地引脚338。图3中所示的封装的IC器件是图2中所示的电压调节器的一种可能的封装IC器件。然而,电压调节器的封装IC器件并不限于图3中所示的该实施方式。
图4所示的是根据本发明一种实施方式的运行电压调节器的方法的流程图。该电压调节器可以是与图1中的电压调节器100或图2中的电压调节器200相似或相同。模块402,为一组电流镜电路而缓冲参考电压。模块404,使用该组电流镜电路而将输入电压转换为输出电压,其中该组电流镜电路形成正反馈回路。
尽管此处的方法的执行以特定的顺序进行显示和表述,该方法的执行顺序可以调整,以便特定的操作可以以相反的顺序执行,或者特定的操作可以至少部分地与其他操作同时执行。在其他实施方式中,指令或不同运行的子运行可以间歇性地和/或交互地运行。
此外,尽管所描述或显示的本发明的特定实施方式中包括了此处所述或所示的数个元件,本发明的其他实施方式可以包括较小或较多的元件,以实现较小或较多的特征。
进一步地,尽管已经描述和显示了本发明的特定实施方式,本发明并不限于所描述和展示的该特定的形式或部件安排。本发明的范围由所附的权利要求书及其等同所定义。

Claims (20)

1.一种电压调节器,其特征在于,包括:
一组电流镜电路,配置为将输入电压转换为输出电压,其中该组电流镜电路形成正反馈回路;以及
电压缓冲电路,配置为为该组电流镜电路而缓冲参考电压。
2.根据权利要求1所述的电压调节器,其特征在于:所述正反馈回路的环路增益小于1。
3.根据权利要求1所述的电压调节器,其特征在于:输出电压小于输入电压。
4.根据权利要求1所述的电压调节器,其特征在于:输入电压与输出电压为直流(DC)电压。
5.根据权利要求1所述的电压调节器,其特征在于:该组电流镜电路包括第一电流镜电路与第二电流镜电路,其中第一电流镜电路的输入端连接到第二电流镜电路的输出端,以及第一电流镜电路的输出端连接到第二电流镜电路的输入端。
6.根据权利要求5所述的电压调节器,其特征在于:第一电流镜电路包括第一PMOS晶体管与第二PMOS晶体管,以及其中第二电流镜电路包括第一NMOS晶体管与第二NMOS晶体管。
7.根据权利要求5所述的电压调节器,其特征在于:第一、第二PMOS晶体管的栅极端互相连接,以及第二PMOS晶体管的栅极端连接到第二PMOS晶体管的漏极端。
8.根据权利要求7所述的电压调节器,其特征在于:第一、第二NMOS晶体管的栅极端互相连接,以及其中第二NMOS晶体管的栅极端连接到第二NMOS晶体管的漏极端。
9.根据权利要求8所述的电压调节器,其特征在于:第一PMOS晶体管的漏极端连接到第一NMOS晶体管的漏极端,以及第二PMOS晶体管的漏极端连接到第二NMOS晶体管的漏极端。
10.根据权利要求1所述的电压调节器,其特征在于:所述电压缓冲电路包括连接在参考电压与该组电流镜电路之间的源极跟随器晶体管。
11.根据权利要求1所述的电压调节器,其特征在于:所述参考电压低于所述输入电压与所述输出电压。
12.根据权利要求1所述的电压调节器,其特征在于:进一步包括启动电路,配置为为该组电流镜电路而生成启动电流。
13.根据权利要求12所述的电压调节器,其特征在于:所述启动电路包括连接至输入端的电阻,输入电压自所述电阻而被输入进入所述电压调节器而至该组电流镜电路。
14.根据权利要求1所述的电压调节器,其特征在于:进一步包括连接到输出端的电阻,输出电压自所述电阻而从所述电压调节器被输出至该组电流镜电路。
15.根据权利要求1所述的电压调节器,其特征在于:输入电压约为3.3V,输出电压约为1.8V。
16.一种电压调节器,其特征在于,包括:
一组电流镜电路,配置为将输入直流(DC)电压转换为输出DC电压,其中该组电流镜电路形成环路增益小于1的正反馈回路,以及其中输出电压低于输入电压;以及
电压缓冲电路,配置为为该组电流镜电路而缓冲参考DC电压。
17.根据权利要求16所述的电压调节器,其特征在于:该组电流镜电路包括第一电流镜电路与第二电流镜电路,其中第一电流镜电路包括第一PMOS晶体管与第二PMOS晶体管,第二电流镜电路包括第一NMOS晶体管与第二NMOS晶体管;其中第一、第二PMOS晶体管的栅极端互相连接,第二PMOS晶体管的栅极端连接到第二PMOS晶体管的漏极端;第一、第二NMOS晶体管的栅极端互相连接,第二NMOS晶体管的栅极端连接到第二NMOS晶体管的漏极端;第一PMOS晶体管的漏极端连接到第一NMOS晶体管的漏极端,第二PMOS晶体管的漏极端连接到第二NMOS晶体管的漏极端。
18.根据权利要求17所述的电压调节器,其特征在于:进一步包括启动电路,配置为为该组电流镜电路而生成启动电流,以及其中所述启动电路包括连接到输入端的电阻,输入电压自所述电阻而被输入进入所述电压调节器而至该组电流镜电路。
19.根据权利要求17所述的电压调节器,其特征在于:所述输入电压约为3.3V,所述输出电压约为1.8V。
20.一种运行电压调节器的方法,其特征在于,所述方法包括:
为一组电流镜电路而缓冲参考电压;以及
使用该组电流镜电路而将输入电压转换为输出电压,其中该组电流镜电路形成正反馈回路。
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