CN107112918A - 低功率理想二极管控制电路 - Google Patents

低功率理想二极管控制电路 Download PDF

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Abstract

在作为低功率理想二极管操作的电路(100)的所描述的示例中，电路(100)包括：p沟道晶体管(102)，其被连接以在第一端子上接收输入电压(VIN)并且在第二端子上提供输出电压(VOUT)；第一放大器(106)，其被连接以接收输入电压和输出电压并且提供第一信号，该第一信号根据p沟道晶体管两端的电压动态地偏置p沟道晶体管(102)的栅极；以及第二放大器(104)，其被连接为接收输入电压和输出电压并且提供第二信号，该第二信号操作以响应于输入电压(VIN)小于输出电压(VOUT)而断开p沟道晶体管(102)的栅极。

Description

低功率理想二极管控制电路
技术领域
本公开总体涉及电路设计的领域，并且更具体地涉及控制晶体管以提供具有快速正向恢复和快速反向恢复两者的理想二极管的功能的电路、芯片和方法。
背景技术
在需要二极管的低功率应用中，二极管的正向电压降可能产生供应余量问题或过度的功率耗散。肖特基二极管可以降低该电压降，但是肖特基二极管在很多半导体工艺中不可用。为了避免这些问题，在控制晶体管的栅极电压以作为理想的二极管操作的情况下，可以使用单个晶体管代替二极管。对于极低功率的应用，所谓的“理想二极管”电路在低电压余量的情况下具有快速正向压降恢复和快速反向恢复。
发明内容
在所描述的示例中，理想二极管电路可以包括低功率、低电压操作、快速反向恢复速度以及快速正向恢复速度。
在作为低功率理想二极管操作的电路的一个示例中，该电路包括：p沟道晶体管，其被连接以在第一端子上接收输入电压并且在第二端子上提供输出电压；第一放大器，其被连接以在第一输入端处接收输入电压并且在第二输入端处接收输出电压并且提供第一信号，该第一信号根据p沟道晶体管两端的电压动态地偏置p沟道晶体管的栅极；以及第二放大器，其被连接以在第一输入端处接收输入电压并且在第二输入端处接收输出电压并且提供第二信号，第二信号操作以响应于输入电压小于输出电压而p沟道晶体管的栅极。
在另一示例中，一种功率管理芯片包括：用于具有第一电压的第一电源的第一连接件；用于具有高于第一电压的第二电压的第二电源的第二连接件；以及用于芯片的内部供电轨。第一电源和第二电源每个均通过一种电路连接到内部供电轨，该电路包括：p沟道晶体管，其被连接以在第一端子上接收输入电压并且在第二端子上提供输出电压；第一放大器，其被连接以在第一输入端处接收输入电压并且在第二输入端处接收输出电压并且提供第一信号，该第一信号根据p沟道晶体管两端的电压动态地偏置p沟道晶体管的栅极；以及第二放大器，其被连接以在第一输入端处接收输入电压并且在第二输入端处接收输出电压并且提供第二信号，该第二信号操作以响应于输入电压小于输出电压而断开p沟道晶体管的栅极。
所公开的电路的优点可以包括下列中的一个或多个：低功率、低电压操作、正向方向上的快速恢复、反向方向上的快速恢复，以及小的面积。所公开的电路的至少一个示例是全互补金属氧化物半导体(CMOS)设计。
附图说明
图1说明根据实施例的作为低功率理想二极管操作的电路的示例。
图2说明根据实施例的图1的电路的具体实施方式。
图3在电压和电流方面描绘图2的电路的二极管特性。
图4描绘图2的电路的瞬时二极管特性。
图5描绘图1的电路的重叠工作区。
图6描绘根据实施例的包含图1的电路的芯片。
具体实施方式
二极管的主要用途是允许单方向上的电流。理想地，这意味着当正向偏置时零正向偏置电压降、零反向电流以及零等效串联电阻。可以通过使用单个晶体管作为开关并且根据该晶体管两端电压控制栅极电压来实现这些理想特征的最接近的近似。在理想二极管的优化操作中，若干时序问题也是重要的。例如，如果二极管正在以正向状态传导并且被立即切换到反向状态，则由于正向电压泄放(bleed off)，二极管将在短时间内在反向方向上传导。在被称为反向恢复时间的该小的恢复时间期间，通过二极管的电流将在反向方向上相当大。在载流子已经齐平并且二极管在反向状态下作为正常阻塞器件操作之后，电流应该下降到漏电流水平。类似地，正向恢复时间是在正向偏置中的大的变化之后电压到达规定值所需要的时间。优选地，反向恢复时间和正向恢复时间被最小化。
图1示出根据实施例的作为低功率理想二极管操作的电路100。晶体管102在第一端子上接收输入电压VIN并且在第二端子上提供输出电压VOUT。晶体管102的主体(如所形成的)包含以相反的方向面向的两个寄生二极管。然而，在图1的示例中，晶体管102的栅极已经被连接到主体以便将寄生二极管中的一个短路，因此仅示出一个二极管。晶体管102是主要的传输晶体管，并且其栅极被控制以作为二极管操作。放大器104被连接以接收VIN和VOUT作为输入并且将输出提供到输出级108。类似地，放大器106也被连接以接收VIN和VOUT作为输入并且将输出提供到输出级108。输出级108然后被连接以控制晶体管102的栅极。在至少一个实施例中，输出级108简单地是组合放大器104和106的输出的节点。在一个示例中，输出级108是电路，该电路以平滑晶体管102的操作的方式接收放大器104和106的输出。为了实现理想放大器的目标，放大器104被配置为每当VOUT变得大于VIN时为晶体管102提供缩短的断开时间，并且放大器106被配置为根据晶体管102两端的电压动态地偏置晶体管102的栅极。因此，如果VOUT下降(例如，由于负载的变化)，则放大器106将调整晶体管106的栅极以遵循变化的需求。
参考图2，电路200是电路100的具体实施方式。在至少一个实施例中，以CMOS技术来实施电路200。然而，它也可以以其他技术来实现，诸如双极结型晶体管。对CMOS技术或组件元件(诸如n沟道MOS(NMOS)和p沟道(PMOS)技术)的引用通常命名不当，因为COMS电路中的“金属”可以用掺杂多晶硅来代替，并且“氧化物”可以用其他钝化层来代替。因此，在本公开中对CMOS、NMOS和PMOS的任何引用更一般地指代任何相关类型的晶体管技术，诸如绝缘栅场效应(IGFET)或金属绝缘体半导体FET(MISFET)。在电路200中，晶体管M5是被控制以作为二极管操作的PMOS晶体管。类似于晶体管102，M5在第一端子处接收VIN并且在第二端子处提供VOUT。如图2所示，M5的源级被连接到VOUT，并且其漏极被连接到VIN。以这种方式示出晶体管，因为VOUT有时可以大于VIN，所以M5作为二极管操作以便防止电流回流。M5的源级和漏极可以被视为可互换的，这取决于VIN更高还是VOUT更高。M5的栅极通过电阻器R1被连接到M5的源级(如图所示)并且还被连接到PMOS晶体管M6的源级。如图1所示，M5的栅极被连接到M5的主体以便将一个寄生二极管短路，使得只有所示出的寄生二极管是有效的。在至少一个实施例中，M5的寄生二极管的阈值电压是大约0.7伏特。该阈值对于在低功率情况(诸如通常操作在3-5伏特上的便携式设备上)中使用是过高的。因此，M5被控制为具有低得多的阈值电压。
M0是二极管连接的PMOS晶体管，其源级连接到VIN并且漏极通过电流源CS1连接到低轨，在本文中被称为地。M0的栅极被关联到(tied to)PMOS晶体管M1和M2的栅极以形成共栅放大器。M1的源级被连接到VOUT并且漏极被连接在M6的源级和M5的栅极之间。M2还具有连接到VOUT的源级。M2的漏极被连接到M6的栅极。晶体管M6的源级被连接到M5，漏极被连接到地，并且栅极从M2、M8和R0接收输入，其中R0被连接在VOUT和NMOS晶体管M8的漏极之间。M8的源级被连接到地。二极管连接的PMOS晶体管M3的源级连接到VOUT并且漏极通过电流源CS2连接到地。PMOS晶体管M4的源级连接到VIN并且漏极连接到二极管连接的NMOS晶体管M9的漏极。M9的源级被连接到地。M3和M4的栅极被连接在一起形成运算跨导放大器(OTA)。M8和M9的栅极被连接用于镜像反映(mirror)从M4输出的电流并且向M6提供电压。
在所公开的实施例中，M0、M1和M2一起形成放大器204，该放大器204(类似于图1的放大器104)操作以当VOUT变得大于VIN时加速断开晶体管M5。同样地，M3、M4和M9形成放大器206，该放大器206(类似于图1的放大器106)操作以根据M5两端的电压动态地偏置M5的栅极。晶体管M6和M8与电阻器R0和R1一起形成输出级208，该输出级208组合放大器204、206的输出以便为M5提供平滑的操作。在一个示例中，M3、M4、M9、M8、R0和M6被限定为正向调节环路的一部分，而M0、M1和M2形成有助于M5的关断速度的反向阻塞加速环路。
在电路200的操作中，参考输出级208，M5的栅极由下列元件控制：(a)M6，当M6导通时其能够将M5的栅极拉向地；以及(B)M1，当M1导通时其能够将M5的栅极向上拉向VOUT。M6导通的程度由三个因素确定，即是：(a)R0，始终将M6的栅极拉向VOUT；(b)M8，当M8导通时其将M6的栅极拉向地；以及(c)M2，当M2导通时其有助于将M6的栅极拉向VOUT。
当VIN大于VOUT并且电流以正向方向流过M5时，放大器206如下操作以确保快速的正向恢复。M3作为用于放大器206的浮动基准电压操作，使得M4实质上了解M5两端的电压。如果VOUT突然变低，则M3的栅极被向下拉并且将对M4的栅极进行下拉。M4然后将具有大的栅极/源级电压VGS，并且将快速地允许增加的电流到M9，其也增加M9的栅极上的电压。M9的栅极将在M8的栅极上镜像反映增加的电压，以便M8将更加完全的导通。导通M8将对M5的栅极进行下拉，因此更加有力地导通M6，这最终更有力地导通M5，从而提供所需的附加功率。当VOUT变得大于VIN时，将发生反转，M4被关断，这进而关断M9和M8。随着M8被断开，R0将最终把M6的栅极拉到VOUT并且断开M6和M5两者，然而通过自身，R0将比所期望的操作得更缓慢。这是放大器204的作用变得有用的时间。
在放大器204中，M0作为浮动基准电压操作，以便M1和M2两者都了解M5两端的电压。如果VOUT大于VIN，则M1和M2两者的源级都变高，而其各自的栅极由于连接到M0的栅极而保持为低。低栅极电压和高源级电压将有力地导通M1和M2两者，从而允许更多的电流流动。M1将M6的源级拉向VOUT，并且M2有助于将M6的栅极拉向VOUT，其操作以断开M6和M5。因为放大器204的作用，M5能够比仅发生R0对栅极进行上拉的情况进行更快速地断开。
在该实施例中，正向调节环路由差分对M3/M4控制，并且负载是R0。通过M6的源级处的低阻抗和R0降低M8的漏极处的有效阻抗，以及VOUT上的大的解耦电容器，可以使该环路输出占主导地位的极点。在该电路中，正向环路的一个特性是到重负载步骤的快速正向恢复。该电路中的反向恢复加速环路在正常的正向偏置状况下不被激活，而是仅当VOUT上的电压增加超过VIN时才被激活。当VOUT大于VIN时，没有电流从VOUT流向地。
图3说明图2的实施例的DC电流-电压(I-V)曲线特性。在曲线的区域D中(其是当VOUT小于VIN时)，对于所有的负电压，通过M5的电流为零。随着VIN变得大于VOUT，电流在区域A中保持为零直到在大约30毫伏处达到阈值电压VTH。通过比较，在该技术中，常规二极管的阈值电压将大约为700毫伏。因此，在关心电压余量的情况中或者关心由于电流流过真实的二极管而导致功率损失的情况中，所公开的电路是有用的。VTH由差分对M3、M4的跨导乘以R0的电阻来确定。超过VTH，电流在区域B中以第一速率上升直到晶体管被完全导通。在晶体管完全导通之后(例如，在区域C中)，I-V曲线的斜率是等于漏极/源级电阻的倒数的第二值(即，1/RDSon)。从输入电流或输出电流获取用来运行所公开的电路的电流并且其可以是非常低的功率。在至少一个实施方式中，电路的静态电流供应(IDDQ)是大约1.25μA。因此，在至少一些实施方式中，静态电流供应在微安范围内。根据设计需求，如果需要，则电路系统甚至可以推得更低(例如，进入纳安范围)。
图4说明通过所公开的实施例实现的理想二极管的瞬时特性。如下部图形所示，图2的实施例的输出电压VOUT大约从3.265V变换到3.33V，同时输入电压VIN保持在3.3V(未示出)。在0.5毫秒后，输出电压下落回到其先前的水平。上部图形中示出了通过理想二极管M5的电流响应。随着反向电压被施加，反向电流出现，在大约42mA处达到峰值，但是在0.020ms内，反向电流降至零。当去除反向电压状况时，电流返回到之前的水平。在恢复期间，电压不发生下冲(undershooting)，即使这是理想二极管电路中的常见问题。
图5说明一个实施例中的放大器204和206两者的工作区500并且绘制这些放大器中的每一个的I-V图形，其中电压被测量为VIN-VOUT。图5没有按比例绘制并且仅被提供以说明这两个放大器电路的工作区将重叠。虚线代表放大器204的曲线，并且实线代表放大器206的曲线。如图5所示，当电压差位于负区域(即，VOUT大于VIN)时，仅放大器204操作。随着电压差变得更加正性，来自放大器204的电流下降，并且来自放大器206的电流开始增长，使得两个放大器同时操作。最终，到达放大器204被完全断开并且仅放大器206有效的点。放大器204和放大器206之间的切换总体上提供电路的平滑操作。每个放大器电路的实际曲线由每个电路中的晶体管的阈值电压和器件的跨导确定。
在示例实施例中，控制电路系统具有多种应用，诸如：(a)零反向电流开关；(b)具有非常小的功率损失的多个电源的理想冗余二极管(diode OR-ing)(在许多低功率电池操作的器件中是重要的)；以及(c)用于阻塞任何反向电流进入低压差(LDO)的供应的低压差反馈环路内部。
图6说明所公开的理想二极管电路在集成电路(IC)芯片600内部的较大电路中的使用。IC芯片600中示出的电路使用基于PMOS的理想二极管602A、602B以形成来自下列中的任一项的单个冗余二极管(diode-ORed)内部电力轨604：(a)VBUS，其连接到电缆(在耗尽的电池的情况下)；或(b)VIN，系统电源电压位于3.3V，给定VIN优先权。显然，所有的低电压元件都可以用于理想二极管602B，因为该二极管出现在LDO调节器606的低压侧上。图6公开两个冗余二极管输入。然而，这并非限制，因为该方式可以被扩展至不限数量的输入供应。
在权利要求的范围内，所描述的实施例中的修改是可能的，并且其他实施例是可能的。

Claims (17)

1.一种电路，其包含：
p沟道晶体管，其被连接以在第一端子上接收输入电压并且在第二端子上提供输出电压；
第一放大器，其被连接以在第一输入端处接收所述输入电压并且在第二输入端处接收所述输出电压，并且提供第一信号，所述第一信号根据所述p沟道晶体管两端的电压动态地偏置所述p沟道晶体管的栅极；以及
第二放大器，其被连接以在第一输入端处接收所述输入电压并且在第二输入端处接收所述输出电压，并且提供第二信号，所述第二信号操作以响应于所述输入电压小于所述输出电压而断开所述p沟道晶体管的所述栅极。
2.根据权利要求1所述的电路，其中所述第一放大器的工作区与所述第二放大器的工作区重叠。
3.根据权利要求2所述的电路，进一步包含共享输出级，所述共享输出级被连接以接收所述第一信号和所述第二信号并且控制所述p沟道晶体管的所述栅极。
4.根据权利要求3所述的电路，其中所述p沟道晶体管是第一p沟道晶体管，并且其中所述共享输出级包括第二p沟道晶体管，所述第二p沟道晶体管被连接以当所述第二p沟道晶体管被导通时将所述第一p沟道晶体管的所述栅极拉向低轨，所述第二p沟道晶体管的所述栅极接收来自所述第一放大器和所述第二放大器的输入。
5.根据权利要求4所述的电路，其中所述第一放大器包括第三p沟道晶体管和第四p沟道晶体管，所述第三p沟道晶体管的源级连接到所述输出电压，所述第四p沟道晶体管的源级连接到所述输入电压，所述第三p沟道晶体管和所述第四p沟道晶体管形成运算跨导放大器即OTA，所述OTA将输出提供到第一n沟道晶体管，所述第一n沟道晶体管将所述第一n沟道晶体管的栅极电压镜像反映到所述输出级。
6.根据权利要求5所述的电路，其中所述第三p沟道晶体管是浮动DC电压基准。
7.根据权利要求5所述的电路，其中所述第二放大器包括形成共栅放大器的第五p沟道晶体管、第六p沟道晶体管和第七p沟道晶体管，所述第五p沟道晶体管的源级被连接到所述输入电压，并且所述第六p沟道晶体管和所述第七p沟道晶体管的源级均被连接到所述输出电压。
8.根据权利要求7所述的电路，其中所述第五p沟道晶体管是浮动DC电压基准。
9.根据权利要求8所述的电路，其中所述第六p沟道晶体管的漏极被连接以当导通时将所述第一p沟道晶体管的所述栅极拉向所述输出电压，并且所述第七p沟道晶体管的漏极被连接以当导通时将所述第二p沟道晶体管的所述栅极拉向所述输出电压。
10.根据权利要求9所述的电路，其中所述共享输出级进一步包括耦接在所述输出电压和第一n沟道晶体管的漏极之间的第一电阻器，所述第一n沟道晶体管的所述源级被关联到所述低轨，其中所述第二p沟道晶体管的所述栅极被连接到所述第一电阻器和所述第一n沟道晶体管之间的点。
11.根据权利要求10所述的电路，其中所述共享输出级进一步包括连接在所述第一p沟道晶体管的所述栅极和所述第二端子之间的第二电阻器。
12.根据权利要求2所述的电路，其中以互补金属氧化物半导体技术即CMOS技术来体现所述电路。
13.根据权利要求2所述的电路，其中所述电路中的静态电流小于大约1.25μA。
14.根据权利要求2所述的电路，其中当VOUT大于VIN时没有电流从VOUT流到所述低轨。
15.根据权利要求1所述的电路，其中所述电路经配置以作为低功率理想二极管操作。
16.一种功率管理芯片，其包含：
用于具有第一电压的第一电源的第一连接件；
用于具有不同于所述第一电压的第二电压的第二电源的第二连接件；以及
用于所述芯片的内部供电轨，其中所述第一电源和所述第二电源每个均通过电路连接到所述内部供电轨，所述电路包括：p沟道晶体管，其被连接以在第一端子上接收输入电压并且在第二端子上提供输出电压；第一放大器，其被连接以在第一输入端处接收所述输入电压并且在第二输入端处接收所述输出电压并且提供第一信号，所述第一信号根据所述p沟道晶体管两端的电压动态地偏置所述p沟道晶体管的栅极；以及第二放大器，其被连接以在第一输入端处接收所述输入电压并且在第二输入端处接收所述输出电压并且提供第二信号，所述第二信号操作以响应于所述输入电压小于所述输出电压而断开所述p沟道晶体管的所述栅极。
17.根据权利要求16所述的功率管理芯片，其中所述功率管理芯片是USB型C和USB-PD端口功率管理芯片。
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