CN107957770A - 一种电压稳压器及终端设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电压稳压器及终端设备，该电压稳压器包括：相互连接的电荷泵、源跟随器、放电通路、输出电源的反馈电路、及控制电路；控制电路包括用于控制电荷泵的第一比较器、用于控制放电通路的第二比较器；控制电路根据第一反馈电压、第二反馈电压及参考电压形成至少三个状态区间，至少三个状态区间包括充电区间、稳态区间及放电区间。通过本发明的实施，控制电路根据第一反馈电压、第二反馈电压及参考电压形成包括稳态区间的至少三个状态区间，在稳态区间不输出控制信号，此时仅有源跟随器、反馈电路及控制电路工作，而电荷泵及放电通路都不工作，也就不会造成不必要的功耗，可以满足智能卡等终端设备的低功耗需求。

Description

一种电压稳压器及终端设备

技术领域

本发明涉及通信设备领域，尤其涉及一种电压稳压器及终端设备。

背景技术

智能卡(Smart Card)是指内嵌有微芯片的塑料卡(通常是一张信用卡的大小)的通称。智能卡配备有CPU、RAM和I/O，可自行处理数量较多的数据而不会干扰到主机CPU的工作，卡内的集成电路包括中央处理器CPU、可编程只读存储器EEPROM、随机存储器RAM和固化在只读存储器ROM中的卡内操作系统COS(Chip Operating System)。而作为智能卡内部芯片的电源，既要满足对全部模块供电的需求，尤其要求不同工作模式下负载大小的瞬时变化但电压稳定，又要满足智能卡应用环境下的低功耗需求，同时还要尽可能减小模块本身面积。例如，在身份识别时的加解密算法运行、Memory在读、写、擦时的瞬时功耗、待机模式时的低功耗需求等，都要求内部电源稳定输出，不能影响内部算法的运行和存储数据的错乱或丢失。

因此，如何提供一种可以满足智能卡低功耗需求的电源，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明提供了一种电压稳压器及终端设备，以提供一种可以满足智能卡低功耗需求的电源。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案:

本发明提供了一种电压稳压器，包括：相互连接的电荷泵、源跟随器、放电通路、输出电源的反馈电路、及控制电路；控制电路包括用于控制电荷泵的第一比较器、用于控制放电通路的第二比较器；第一比较器用于从反馈电路获取第一反馈电压，比较第一反馈电压与参考电压，判断是否输出第一控制信号控制电荷泵工作，第二比较器用于从反馈电路获取第二反馈电压，比较第二反馈电压与参考电压，判断是否输出第二控制信号控制放电通路工作；控制电路根据第一反馈电压、第二反馈电压及参考电压形成至少三个状态区间，至少三个状态区间包括充电区间、稳态区间及放电区间。

进一步的，源跟随器包括NMOS管。

进一步的，反馈电路包括依次串联的第一电阻、第二电阻、第三电阻，第一电阻的一端接输出电源，第三电阻接地，第一比较器采集第一电阻与第二电阻之间的电压，作为第一反馈电压，第二比较器采集第二电阻与第三电阻之间的电压，作为第二反馈电压。

进一步的，第一比较器与第一比较器使用相同的参考电压；第一比较器用于在第一反馈电压低于参考电压时，输出第一控制信号；第二比较器用于在第二反馈电压高于参考电压时，输出第二控制信号。

进一步的，反馈电路包括依次串联的第一电阻、第二电阻，第一电阻的一端接输出电源，第二电阻接地，第一比较器采集第一电阻与第二电阻之间的电压，作为第一反馈电压，第二比较器采集第一电阻与第二电阻之间的电压，作为第二反馈电压。

进一步的，第一比较器与第一比较器使用不同的参考电压。

进一步的，控制电路在包括第一比较器及第二比较器的同时，还包括至少一个第三比较器。

进一步的，第一比较器、第二比较器及第三比较器均为二输入一输出的比较器，或者第一比较器、第二比较器及第三比较器中的至少两个比较器共用一个多输入多输出的比较器。

本发明提供一种终端设备，其包括本发明提供的电压稳压器。

进一步的，终端设备为智能卡芯片。

通过本发明的实施，控制电路根据第一反馈电压、第二反馈电压及参考电压形成至少三个状态区间，至少三个状态区间包括充电区间、稳态区间及放电区间，在稳态区间不输出控制信号，此时仅有源跟随器、反馈电路及控制电路工作，而电荷泵及放电通路都不工作，也就不会造成不必要的功耗，可以满足智能卡等终端设备的低功耗需求。

附图说明

图1为本发明第一实施例提供的电压稳压器的结构示意图；

图2为本发明第二实施例提供的电压稳压器的第一种电路示意图；

图3为本发明第二实施例中控制电路的第一种示意图；

图4为本发明第二实施例中控制电路的第二种示意图；

图5为本发明第二实施例提供的电压稳压器的第二种示意图；

图6为本发明第二实施例涉及的电压稳压器工作流程图。

具体实施方式

本发明的主要思想是：提供一种自身功耗低、面积小且又能够对负载变化做出快速响应的电源装置，以及在此装置上实现快速响应负载变化的方法，利用电荷泵升压原理和源跟随器的快速响应原理，同时利用至少两个比较器组成反馈环路，形成三个比较区间，产生稳定的稳态区间，来实现低功耗、减面积、快速响应的电压稳压器装置等；本发明中的终端设备是手机、笔记本电脑、掌上电脑PAD、智能卡芯片等终端设备。

下面通过具体实施方式结合附图的方式对本发明做出进一步的诠释说明。

第一实施例：

图1是本发明一实施例提供的电压稳压器的结构示意图；由图1可知，在该实施例中，本发明提供的电压稳压器包括：相互连接的电荷泵11、源跟随器12、放电通路13、输出电源的反馈电路14、及控制电路15；控制电路15包括用于控制电荷泵的第一比较器、用于控制放电通路的第二比较器；第一比较器用于从反馈电路获取第一反馈电压，比较第一反馈电压与参考电压，判断是否输出第一控制信号控制电荷泵工作，第二比较器用于从反馈电路获取第二反馈电压，比较第二反馈电压与参考电压，判断是否输出第二控制信号控制放电通路工作；控制电路15根据第一反馈电压、第二反馈电压及参考电压形成至少三个状态区间，至少三个状态区间包括充电区间、稳态区间及放电区间。

在一些实施例中，第一实施例涉及的源跟随器包括NMOS管。

在一些实施例中，第一实施例涉及的反馈电路包括依次串联的第一电阻、第二电阻、第三电阻，第一电阻的一端接输出电源，第三电阻接地，第一比较器采集第一电阻与第二电阻之间的电压，作为第一反馈电压，第二比较器采集第二电阻与第三电阻之间的电压，作为第二反馈电压。

在一些实施例中，第一实施例涉及的第一比较器与第一比较器使用相同的参考电压；第一比较器用于在第一反馈电压低于参考电压时，输出第一控制信号；第二比较器用于在第二反馈电压高于参考电压时，输出第二控制信号。

在一些实施例中，第一实施例涉及的反馈电路包括依次串联的第一电阻、第二电阻，第一电阻的一端接输出电源，第二电阻接地，第一比较器采集第一电阻与第二电阻之间的电压，作为第一反馈电压，第二比较器采集第一电阻与第二电阻之间的电压，作为第二反馈电压。

在一些实施例中，第一实施例涉及的第一比较器与第一比较器使用不同的参考电压。

在一些实施例中，第一实施例涉及的控制电路在包括第一比较器及第二比较器的同时，还包括至少一个第三比较器。本实施例可以实现更多的状态区间，这样就可以兼容不同的终端设备的工作。

在一些实施例中，第一实施例涉及的第一比较器、第二比较器及第三比较器均为二输入一输出的比较器，或者第一比较器、第二比较器及第三比较器中的至少两个比较器共用一个多输入多输出的比较器。在实际应用中，若第一比较器、第二比较器及第三比较器均为二输入一输出的比较器时，电路连接简单，若第一比较器、第二比较器及第三比较器中的至少两个比较器共用一个多输入多输出的比较器，可以使用最少的比较器实现更多的状态区间，占用的设备涉及空间更少。

在实际应用中，本发明提供了一种终端设备，其包括本发明提供的电压稳压器。在一些实施例中，终端设备为智能卡芯片。

第二实施例：

现结合具体的应用实例对本发明进行详细说明。

本实施例是要在满足负载瞬态响应的基础上，实现较低的功耗和较小的面积。因此，设计的思路是，在CP+NMOS架构上，用两个比较器分别控制CP的充电和放电通路的放电，这样就不会出现CP和放电通路严格的交替工作，从而使得独立增强CP充电和放电电流的想法成为可能，进而能够在控制输出纹波的条件下，实现负载瞬态的快速响应。而且因为两个比较器形成的三个工作区间，使得CP和放电通路在输出稳定时都不工作，从而降低本身模块的平均功耗。同时因为使用了NMOS这种高迁移率的驱动管，使得模块的面积也得到了降低。

具体的，如图2所示，本实施例提供的电压稳压器主要包括功率管NMOS，反馈电阻R1、R2、R3，比较器COMP1、COMP2，控制时钟的“与门”，电荷泵CP，VG节点电容CG，放电通路I1及其控制开关N1、I2及其控制开关N2，负载电阻RL，负载电容CL，其中，VCC为外部电源，VDD为输出的稳压电源，驱动管为NMOS，驱动管的栅极由CP升压得到，其工作原理为：

输入电源VCC通过NMOS连接到输出节点VDD；NMOS管的栅端VG节点与电荷泵CP、节点电容CG、放电电路I1连接；VDD通过R1、R2、R3的电阻分压，产生比较器COMP1、COMP2的检测电压点DET_C、DET_D，VREF为外部偏置电压点，也就是比较点，一般由BandGap产生；比较器COMP1的输出EN_C连接到“与门”控制CLK时钟的使能；“与门”输出CK控制电荷泵CP，CK周期时钟输入CP工作充电，若CK一直为低电位，则CP不工作不充电；比较器COMP2的输出EN_D连接到放电通路I 1、I2的控制开关N1、N2，EN_D为高电平时N1、N2导通放电，否则不导通不放电。

负载电阻RL是模拟输出VDD的阻性负载，其可以是固定量，也可以是变化量，固定量代表负载电流稳定，变化量代表负载电流波动；负载电容CL起稳定输出电压的作用，但要比传统PMOS LDO做频率特性补偿的uF级容值要小，一般几个nF。CP的充电时钟由比较器比较VDD分压电阻反馈点VFB和外部偏置VREF比较结果控制，同时比较结果还控制VG点以及VDD输出的放电通路。在稳定状态，VFB和VREF是虚短连接，即VFB＝VREF，故输出VDD＝R2*VREF/(R1+R2)，是一个稳定的电压。

本实施例在反馈端设置多个检测点，例如两个检测点DET_C和DET_D，分别接两个比较器的负端和正端。这样，由两个比较器和CP+放电通路的组合，就产生三个状态区间：

1.稳态区间：当VDD输出稳定在设计值时，两个检测点DET_C电压高于VREF、DET_D点电压低于VREF，检测结果EN_C＝EN_D＝低电平，CP和放电通路都不工作，此时模块处于“不充/不放”的稳定状态；

2.充电区间：当VDD输出端负载电流增大、VDD电压降低时，DET_C、DET_D点电压随之降低，当DET_C降低到VREF以下时，EN_C＝高电平，EN_D＝低电平，CP的时钟被使能输入，CP工作给VG点充电，NMOS驱动管VGS增加，输出电流增大，VDD输出被拉高；

3.放电区间：当VDD输出端负载电流减小、VDD电压升高时，DET_C、DET_D点电压随之升高，当DET_D升高到VREF以上时，EN_C＝低电平，EN_D＝高电平，放电通路I1、I2工作，I1对VG点放电、I2对VDD输出点放电，NMOS驱动管VGS减小，输出电流减小，VDD输出被拉低；

在实际应用中，稳态时，电荷泵CP和放电通路均不工作，整个模块只有比较器和反馈电阻的静态功耗，加上驱动管和逻辑电路的漏电。功耗很小，一般能够控制在10uA左右，优化设计后甚至更低。“充电”模式CP工作，存在动态功耗，但在长时间周期内的平均功耗可以控制的很小。“放电”模式由于放的是前一状态多出的电量，故不增加新的功耗进去。

环路的响应速度主要取决于比较器响应速度、CP充电速度、I1/I2放电速度，由于我们有“不充/不放”的稳态区间，适当选取边届值，可以让我们有效地加强CP充电速度，以及I1/I2放电速度。

增强CP的充电速度，可以通过增加CLK时钟频率、CP电容比例、CP内驱动管宽长比等方式实现。

增强I1/I2放电速度，可以通过增大放电电流、减小VG点电容的方式实现。

VG节点电容和CP充电速度也相关，因此充电步长、放电电流、比较窗口的设定需要统一的综合考虑。调节的思路是VG电容适当、CP电容较小、CLK时钟较快、放电电流适当、比较窗口稍大，以实现“小步快跑”的充/放电策略。

非理想因素中，VG节点电容的漏电很重要，由于这个漏电，“不充/不放”的稳态中的VG点电压缓慢下降，使得NMOS驱动管VGS减小，VDD输出电压降低，自动进入“充电”模式。不过只要调节策略满足“小步快跑”的方式，系统就能自动地很快充好而进入稳态。

通过本实施例的实施，至少具备这样的优点：源跟随器的NMOS管迁移率高，相同驱动能力下尺寸较小；应用双比较器检测窗口，产生不充/不放的中间稳态模式，动态功耗减小；比较器控制的放电通路，能够有效控制瞬态响应中的输出过冲；静态纹波和负载瞬态调节相对独立，充/放电可以分别加强；利用时钟控制，分别独立控制充放电，实现快速响应。

现结合图6对本发明提供的电源稳压器的工作流程进行说明。

工作模式可以分为：

上电模式：上电时，外部电压VCC输入上电，比较器等模块工作电压建立，偏置电压VREF、时钟CLK外部输入就绪，功率管栅极电压开始上升，输出VDD启动。

充电模式：比较器COMP1检测DET_C点低于VREF，EN_C输出高电平，CLK时钟输入到电荷泵CP，电荷泵CP开始给VG节点充电。

放电模式：比较器COMP2检测DET_D点高于VREF，EN_D输出高电平，放电通路控制开关N1、N2闭合，I1、I2开始对VG和VDD节点放电。

稳态模式：比较器COMP1检测DET_C点高于VREF、COMP2检测DET_D低于VREF，输出EN_C＝EN_D＝低电平，电荷泵CP和放电通路I1、I2均不工作，输出稳定。

如图6所示，本发明提供的源稳压器的工作流程包括以下步骤：

步骤S301：上电。外部VCC上电，比较器等模块工作点建立，外部偏置VREF和时钟CLK输入，此时功率管NMOS截止，VDD输出较低。

步骤S302：充电模式。电荷泵CP开始工作，开始给VG节点充电。

步骤S303：判断阶段。比较器COMP2检测DET_D是否高于VREF，若是，进入放电模式(S304)；若不是，进入稳态模式(S306)。

步骤S304：放电模式。放电通路控制开关N1、N2闭合，放电通路I1、I2开始放电。

步骤S305：判断阶段。比较器COMP1检测DET_C是否低于VREF，若是，进入充电模式(S302)，若不是，进入稳态模式(S306)。

步骤S306：稳态模式。输出电压VDD进入比较窗口范围，DET_C和DET_D检测值分别高于、低于VREF，电荷泵CP和放电通路I1、I2都不工作，整个模块处于稳定状态。

图2给出了控制电路的一种实现方式，第一及第二比较器连接不同的采样点，使用相同的参考电压；现结合图3及4给出另外两种实现方式。

如图3所示，控制电路采用一个3输出2输出的比较器来实现第一比较器及第二比较器的功能，其中，第一输入端接DET-C，第二输入端接DET-D，第三输入端接参考电压VREF，第一输入端与第三输入端的比较结果控制信号EN-C的输出，第二输入端与第三输入端的比较结果控制信号EN-D的输出。

如图4所示，第一比较器及第二比较器同时连接相同的电压采样点(detection ofvoltage)，使用同一个输出电压DET-V，参考电压使用不同的参考电压VREF1及VREF2，这样可以简化反馈电路的电阻个数，在实际应用中，VREF1及VREF2根据经验进行设置。

图2给出了电压稳压器的一种实现电路，在该电路中由于仅有一个电荷泵及放电通路，充电速度及放电速度虽然可以通过各自工作电流的微调进行调整，但是最大的充电速度及放电速度会受到限制。为此，本实施例还提供了如图5所示的电压稳压器的实现电路，该电路包括2个电荷泵及2个放电通路，这2个电荷泵及2个放电通路分别并联，以提供更快的充电及放电，具体的实现如下：

2个电荷泵分别记为CP1及CP2，控制信号分别为EN_C1及EN_C2；2个放电通路分别记为N1a及N1b，控制信号分别为EN_D1及EN_D2；控制电路为实现5输入4输出的电路，其可以由控制芯片编程实现，也可以是简单的4个比较器来实现，其5个输出信号包括4个采样信号及1个基准信号，控制电路的输出信号如下表1所示；当然在本发明其他实施例中，控制电路可以如图4那样，5个输出信号还可以是包括4个基准信号及1个采样信号，具体电路连接如图5所示，不再赘述。

表1

在工作时，包括以下工作模式：

2倍充电模式：控制电路在DET_C点低于VREF时，认为电路需要快速充电，EN_C1及EN_C2输出高电平1，CLK时钟输入到电荷泵CP1及CP2，电荷泵CP1及CP2开始给VG节点充电。

1倍充电模式：控制电路在DET_C点高于VREF、DET_D点低于VREF时，认为电路需要慢速充电即可，EN_C1输出低电平0、EN_C2输出高电平1，CLK时钟输入到电荷泵CP2，电荷泵CP1停止工作，电荷泵CP2继续给VG节点充电。

稳态模式：控制电路在DET_D点高于VREF、DET_E点低于VREF时，认为电路处于稳定区间，不需要充电也不需要放电，EN_C1、EN_C2、EN_D1及EN_D2都输出低电平0，电荷泵及放电通路都停止工作，不产生额外功耗。

1被放电模式：控制电路在DET_E点高于VREF、DET_F点低于VREF时，认为电路需要缓慢放电，EN_D1输出高电平1、EN_D2输出低电平0，放电通路N1a工作，放电通路N1b保持不工作，整个电路开始对VG和VDD节点缓慢放电。

2被放电模式：控制电路在DET_F点高于VREF时，认为电路需要快速放电，EN_D1及EN_D2都输出高电平1，放电通路N1a及N1b同时工作，整个电路开始对VG和VDD节点快速放电。

在实际应用中，对比图2及图5可知，本领域技术人员可以基于本发明实施例任意的增加电荷泵及放电通路的个数，实现不同充放电速度倍数。

在实际应用中，控制电路可以包括很多个比较器，根据电源应用场景的不同，来激活对应的比较器，也可以同时激活多个比较器，形成多个状态区间，兼容不同设备。

通过本发明的实施，可获得以下的有益效果：

通过本发明的实施，控制电路根据第一反馈电压、第二反馈电压及参考电压形成至少三个状态区间，至少三个状态区间包括充电区间、稳态区间及放电区间，在稳态区间不输出控制信号，此时仅有控制电路工作，而电荷泵、源跟随器、放电通路都不工作，也就不会造成不必要的功耗，可以满足智能卡等终端设备的低功耗需求。

以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种电压稳压器，其特征在于，包括：相互连接的电荷泵、源跟随器、放电通路、输出电源的反馈电路、及控制电路；所述控制电路包括用于控制所述电荷泵的第一比较器、用于控制所述放电通路的第二比较器；所述第一比较器用于从所述反馈电路获取第一反馈电压，比较所述第一反馈电压与参考电压，判断是否输出第一控制信号控制所述电荷泵工作，所述第二比较器用于从所述反馈电路获取第二反馈电压，比较所述第二反馈电压与参考电压，判断是否输出第二控制信号控制所述放电通路工作；所述控制电路根据所述第一反馈电压、第二反馈电压及参考电压形成至少三个状态区间，所述至少三个状态区间包括充电区间、稳态区间及放电区间。

2.如权利要求1所述的电压稳压器，其特征在于，所述源跟随器包括NMOS管。

3.如权利要求1所述的电压稳压器，其特征在于，所述反馈电路包括依次串联的第一电阻、第二电阻、第三电阻，所述第一电阻的一端接输出电源，所述第三电阻接地，所述第一比较器采集所述第一电阻与所述第二电阻之间的电压，作为所述第一反馈电压，所述第二比较器采集所述第二电阻与所述第三电阻之间的电压，作为所述第二反馈电压。

4.如权利要求3所述的电压稳压器，其特征在于，所述第一比较器与所述第一比较器使用相同的参考电压；所述第一比较器用于在第一反馈电压低于所述参考电压时，输出所述第一控制信号；所述第二比较器用于在第二反馈电压高于所述参考电压时，输出所述第二控制信号。

5.如权利要求1所述的电压稳压器，其特征在于，所述反馈电路包括依次串联的第一电阻、第二电阻，所述第一电阻的一端接输出电源，所述第二电阻接地，所述第一比较器采集所述第一电阻与所述第二电阻之间的电压，作为所述第一反馈电压，所述第二比较器采集所述第一电阻与所述第二电阻之间的电压，作为所述第二反馈电压。

6.如权利要求5所述的电压稳压器，其特征在于，所述第一比较器与所述第一比较器使用不同的参考电压。

7.如权利要求1至6任一项所述的电压稳压器，其特征在于，所述控制电路在包括第一比较器及第二比较器的同时，还包括至少一个第三比较器。

8.如权利要求7所述的电压稳压器，其特征在于，所述第一比较器、第二比较器及第三比较器均为二输入一输出的比较器，或者所述第一比较器、第二比较器及第三比较器中的至少两个比较器共用一个多输入多输出的比较器。

9.一种终端设备，其特征在于，包括如权利要求1至8任一项所述的电压稳压器。

10.如权利要求9所述的终端设备，其特征在于，所述终端设备为智能卡芯片。