CN108762359B - 高电源抑制比的超低功耗电源结构 - Google Patents

高电源抑制比的超低功耗电源结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高电源抑制比的超低功耗电源结构，包括：第一LDO电路、第二LDO电路、第一Bandgap模块、第二Bandgap模块以及切换电路；其中，第一LDO电路用于在大驱动模式下提供LDO输出电压，第二LDO电路用于为超低功耗模式下提供LDO输出电压；第一Bandgap模块工作在主电源电压下，第二Bandgap模块是工作在LDO输出电压VDD下的基准源，切换电路包括上下电复位电路、振荡器电路、延迟电路以及第一电平转换电路，切换电路能够将上电启动时由第一Bandgap模块输出第一参考电压的模式切换为上电启动完成后由第二Bandgap模块输出第二参考电压的模式。本发明的超低功耗电源结构的结构简单、鲁棒性好，从结构上优化了PSRR性能，并且显著降低了系统的功耗，实现了低功耗目标值。

Description

高电源抑制比的超低功耗电源结构
技术领域
本发明属于芯片技术领域，涉及一种高电源抑制比的超低功耗电源结构。
背景技术
对于大部分SOC系统来说，通常包括很多种工作模式，例如正常工作模式、低功耗模式等。在不同的工作模式下芯片的功耗需求是不同的。其中，电源模块用来将主电源电压转换到内部核心电压，并为内部电路提供电源。一般电源模块的工作电流在μA级，当芯片处于正常工作模式时，电源模块能够提供较大的电流驱动，此时由于数字电路本身的功耗在mA级，因此电源模块消耗的电流可以忽略。然而当芯片处于低功耗工作模式时，由于数字时钟被关闭或者运行在一个较低的时钟频率下，数字电路的功耗也较小，而作为不能被关闭的电源模块本身消耗的电流在低功耗模式下占比便大大提升，其电流也决定了SOC芯片在低功耗模式下的电流水平。如果为了实现SOC芯片低功耗模式电流在1～2μA量级，势必要求电源模块的功耗在nA级。因此，电源模块需要兼顾正常工作模式和超低功耗工作模式，电源模块的一个重要指标就是电源抑制比(PSRR)，在超低功耗模式下，电源的抖动很容易造成电路输出的抖动，因此PSRR性能很差。
一般电源模块至少由LDO(低压差线性稳压器)以及给LDO提供参考电压的Bandgap(基准源)组成。有一些专利设计了两种工作模式下的LDO结构，通常通过一个控制信号控制电流偏置的大小来达到两种模式的切换。其中，专利CN105549673公开了一种双模切换式LDO电路，提出了由两个LDO电路组成，一个LDO用于大驱动模式。然而，该专利并没有涉及如果提高PSRR性能。而在提高电源模块的PSRR性能方面，最常见的做法是优化LDO以及Bandgap的电源抑制能力。其中提高LDO和Bandgap的电源抑制比的方法包括提高内部节点摆率、内置高通滤波和电源纹波预处理等。专利US2015015224A1公开了Bandgap可切换到LDO输出后的方案，其切换机理通过检测Bandgap的电压值高过一定阈值或者LDO的输出高过一定阈值的之后，就进行切换，将Bandgap工作于LDO下面，以提供PSRR。
在低功耗的前提下，给LDO提供参考电压的Bandgap的PSRR是导致整个电源系统PSRR较差的原因，因此，Bandgap的PSRR性能直接影响了电源系统的PSRR性能。目前有很多专利给出了提高Bandgap的PSRR的方法，通常是使用预稳压技术、补偿技术等，需要在传统的Bandgap里面加入新的电流通路，这一点不利于低功耗设计，并且当电源模块工作电流限制在nA级时，提高Bandgap的PSRR的效果并不好。由于专利US2015015224A1需要一个电压检测电路，该电压检测电路需要消耗静态电流，不利于低功耗的设计。另外一方面，该检测电路的电压裕量和噪声之间的关系都需要仔细协调，当检测电路实际精度出现偏差，或者电路内部噪声较大时，会存在无法切换或者频繁切换的后果，从而造成电源系统无法正常工作。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高电源抑制比的超低功耗电源结构，从而通过采用新的电源结构达到超低功耗模式下的高PSRR性能，并实现大驱动的正常工作模式和低功耗模式的兼容。
为实现上述目的，本发明提供了一种高电源抑制比的超低功耗电源结构，包括：第一LDO电路、第二LDO电路、第一Bandgap模块、第二Bandgap模块以及切换电路；其中，第一LDO电路用于在大驱动模式下提供LDO输出电压，并为SOC芯片的正常工作模式提供电流输出，第二LDO电路用于为超低功耗模式下提供所述LDO输出电压，并为SOC芯片的低功耗模式提供电流输出，第二LDO电路的电流输出小于第一LDO电路的电流输出；第一Bandgap模块工作在主电源电压下，用于在上电启动时为第一LDO电路提供第一参考电压，第二Bandgap模块是工作在LDO输出电压下的基准源，用于在上电启动完成后为第二LDO电路提供第二参考电压。切换电路包括上下电复位电路、振荡器电路、延迟电路以及第一电平转换电路，切换电路能够将上电启动时由第一Bandgap模块输出第一参考电压的模式切换为上电启动完成后由第二Bandgap模块输出第二参考电压的模式。
优选地，上述技术方案中，切换电路还包括电平选择模块，上下电复位电路包括POR模块，延迟电路包括延时模块，POR模块产生复位信号控制延时模块，延时模块控制电平选择模块，电平选择模块用于选择为第一LDO电路和第二LDO电路提供第一参考电压或者提供第二参考电压。
优选地，上述技术方案中，振荡器电路包括OSC振荡器，OSC振荡器能够输出时钟信号，第一电平转换电路包括三个信号输入端：EN1、EN2和POR信号输入端，以及两个信号输出端：ENH1信号输出端和ENH2信号输出端。
优选地，上述技术方案中，EN1和EN2信号输入端分别用来输入由SOC芯片发出的EN1和EN2控制信号，POR信号输入端用来输入POR复位信号，ENH1和ENH2信号输出端分别用来输出ENH1和ENH2信号，ENH1信号和ENH2信号分别控制第一LDO电路的第一LDO模块和第二LDO电路的第二LDO模块的开启和关闭。
优选地，上述技术方案中，当电源结构处于所述上电启动时，通过POR复位信号的控制，OSC振荡器能够为延时模块提供时钟，延时模块控制电平选择模块将第一Bandgap模块的使能打开，并选择为第一LDO电路提供第一参考电压，第一电平转换电路在POR复位信号的控制下打开第一LDO模块并关闭第二LDO模块。
优选地，上述技术方案中，当电源结构的处于上电过程中时，第二Bandgap模块启动，OSC振荡器由LDO输出电压提供电源，并由第二Bandgap模块提供偏置电流，OSC振荡器输出的时钟信号能够提供给延时模块，POR复位信号放开，当计满一定数量的OSC时钟延迟后，控制电平选择模块将第一Bandgap模块的使能关闭，并选择为第一LDO电路和第二LDO电路提供所述第二参考电压。
优选地，上述技术方案中，当电源结构完成上电启动时，当SOC芯片为低功耗模式时，通过关闭EN1控制信号和开启EN2控制信号来控制第一LDO模块的关闭和第二LDO模块的开启，从而通过超低功耗的所述第二Bandgap模块和第二LDO电路为SOC芯片的低功耗模式供电。
优选地，上述技术方案中，当电源结构完成上电启动时，通过SOC芯片的控制，将POR模块和OSC振荡器设置为关闭状态。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)结构设计简单，从结构上优化了PSRR性能，本发明的电源结构的各个子模块均可以采用传统结构，并不需要提高PSRR性能的特殊设计。
(2)子模块不需要增加电路来提高PSRR性能，在超低功耗模式下，只有低功耗的第二LDO模块和嵌套在其下的低功耗第二Bandgap模块在消耗电流，因此显著降低了系统的功耗，很容易实现低功耗目标值。
(3)电源结构的鲁棒性好，该电源结构在启动时采用POR复位信号复位，保证了第二LDO模块能够被顺利启动，用于切换延时的振荡器由于采用LDO输出电压供电，第二LDO电路下的第二Bandgap模块提供电流。因此，其振荡频率的大小直接反映了第二LDO电路上电和第二Bandgap模块的建立情况，产生了第二Bandgap模块切换时间与第二LDO电路上电速度以及第二Bandgap模块建立速度的自适应性结果，进而提高了电源结构启动的鲁棒性。同时由于工作时，第二Bandgap模块位于第二LDO电路下面，第二Bandgap模块与第二LDO电路自成一个环路，不容易受到供电电源的影响。因此该电源结构的鲁棒性很好。
(4)本电源结构包括切换电路，并通过受控于LDO输出电压和第二Bandgap模块输出电流的振荡器来计时切换。
附图说明
图1是根据本发明的高电源抑制比的超低功耗电源结构的示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
如图1所示，为根据本发明具体实施方式的高电源抑制比的超低功耗电源结构，包括：第一LDO电路、第二LDO电路、第一Bandgap模块(图1中简写为第一BG模块)、第二Bandgap模块(图1中简写为第二BG模块)以及切换电路。切换电路包括：上下电复位电路、振荡器电路、延迟电路以及第一电平转换电路，切换电路能够将上电启动时由第一Bandgap模块输出第一参考电压(图1中所述的VREF1)的模式切换为上电启动完成后由第二Bandgap模块输出第二参考电压(图1中所述的VREF2)的模式。其中，第一LDO电路用于在大驱动模式下提供LDO输出电压，并为SOC芯片的正常工作模式提供电流输出，第二LDO电路用于为超低功耗模式下提供所述LDO输出电压，并为SOC芯片的低功耗模式提供电流输出。第二LDO电路的电流输出小于第一LDO电路的电流输出，由于第二LDO电路是超低功耗LDO，其本身工作电流很小，因而最大驱动电流值也较小，但能满足SOC芯片在低功耗模式下的驱动电流需求。第一Bandgap模块工作在主电源电压下，用于在上电启动时为第一LDO电路提供第一参考电压，其使能受到延时模块的控制。第二Bandgap模块是工作在LDO输出电压VDD下的基准源，用于在上电启动完成后为第二LDO电路提供第二参考电压。
切换电路还包括电平选择模块，上下电复位电路包括POR模块，POR模块产生POR复位信号控制延时模块，延时模块控制电平选择模块，电平选择模块用于选择为第一LDO电路和第二LDO电路提供第一参考电压或者提供第二参考电压。POR模块在上电启动时控制延时模块以及第一LDO模块的使能，电平转换电路为固定状态。延迟电路包括延时模块，延时模块工作在主电源电压下，在POR模块复位阶段，控制第一Bandgap模块的使能开启，电平选择模块选择第一Bandgap模块，在POR复位放开后，经过一定个数的OSC输出时钟计时后，关闭第一Bandgap模块的使能，电平选择模块选择第二Bandgap模块，同时给出电源切换标志FLAG信号。电平选择模块则在延时模块的控制下选择上电启动时第一LDO电路和第二LDO电路的参考电压来源于第一Bandgap模块，上电启动完成后选择第一LDO电路和第二LDO电路的参考电压来源来源于第二Bandgap模块。OSC振荡器能够输出时钟信号，振荡器电路和延迟电路之间还设置有第二电平转换电路。第一电平转换电路包括三个信号输入端：EN1、EN2和POR信号输入端，以及两个信号输出端：ENH1信号输出端和ENH2信号输出端。EN1和EN2信号输入端分别用来输入由SOC芯片发出的EN1和EN2控制信号，POR信号输入端用来输入POR复位信号，ENH1和ENH2信号输出端分别用来输出ENH1和ENH2信号，ENH1信号和ENH2信号分别控制第一LDO电路的第一LDO模块和第二LDO电路的第二LDO模块的开启和关闭。
本发明的电源结构的上电过程如下：
当电源结构处于所述上电启动时，POR模块产生POR复位信号，通过POR复位信号的控制，OSC振荡器能够为延时模块提供时钟，延时模块控制电平选择模块将第一Bandgap模块的使能打开，并选择为第一LDO电路和第二LDO电路提供第一参考电压，第一电平转换电路在POR复位信号的控制下打开第一LDO模块并关闭第二LDO模块，确保上电启动时第一LDO电路能提供较大的电流输出。
当电源结构的处于上电过程中时，即当LDO输出电压VDD上升到一定程度后，第二Bandgap模块启动并开始输出第二参考电压以及偏置电流，OSC振荡器由LDO输出电压VDD提供电源，并由第二Bandgap模块提供偏置电流，当VDD电压高到OSC振荡器启动电压，并且接受到来自于第二Bandgap模块的偏置电流后，OSC振荡器输出时钟信号，OSC振荡器输出的时钟，并将时钟信号转换为主电源电压下的时钟信号提供给延时模块，当主电源上升到足够高时，POR复位信号放开，延时模块在POR复位信号放开后，在计满一定数量的OSC时钟延迟后，可以认为第二Bandgap模块已经建立稳定，从而将第一Bandgap模块的使能关闭，选择第二参考电压作为第一LDO电路和第二LDO电路的参考电压，并给出Bandgap模块切换完成的标志信号，经过电平转换电路变为VDD域下的FLAG标志信号并提供给数字电路使用。虽然上电时需要POR模块和OSC振荡器的参与，但是这两个模块是绝大多数SOC芯片必不可少的模块，因此并没有额外增加电路开销。
当电源结构完成上电启动时，可以通过SOC芯片给出相应的EN1和EN2控制信号来控制LDO模块的使能，当POR模块复位完成后，第一LDO模块和第二LDO模块的开启和关闭由EN1和EN2控制信号来控制，如果SOC芯片进入低功耗模式则需要关闭EN1控制信号，开启EN2控制信号。从而通过超低功耗的第二Bandgap模块和第二LDO电路为SOC芯片的低功耗模式供电。当电源结构完成上电启动时，可以通过SOC芯片的控制，根据需要将POR模块和OSC振荡器设置为关闭状态，当POR模块和OSC振荡器被设置为关闭状态时，总体功耗极低。由于第二Bandgap模块嵌套在第二LDO电路的下面，因此该系统的电源抑制比性能较好，在这两个子模块电路设计时不需要为了高电源抑制比设计花费额外的电流开销，并且该第二LDO电路不需要提供大驱动电流，因此电路设计上容易做到极低功耗。
本发明的超低功耗电源结构在不同的电源上电情况时，POR模块能保证在上电过程中内部控制电路处于固定的高电压的第一Bandgap模块和大功耗的第一LDO电路启动状态，只有在LDO输出电压到足够高的水平，第二Bandgap模块开始工作之后，才能给OSC振荡器提供相应的电源电压和工作电流，因此OSC振荡器的振荡频率体现了LDO输出电压的水平，造成第一参考电压和第二参考电压切换的延时时间也与LDO电路建立的电压水平有关。当主电源上电较慢时，LDO输出电压跟随电源电压上升也较慢时，OSC振荡器在此建立过程中由于电源电压较低造成频率较慢，延时时间也跟随增加，从而延迟了第一参考电压和第二参考电压的切换时间，使得参考电压能在LDO输出电压也较高时才切换到内部第二Bandgap模块上，从而产生了Bandgap模块切换时间与电源上电速度的自适应性结果，进而提高了该电源系统应对不同电源上电情况的稳定性。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (7)

1.一种高电源抑制比的超低功耗电源结构，其特征在于，包括：第一LDO电路、第二LDO电路、第一Bandgap模块、第二Bandgap模块以及切换电路；其中，
所述第一LDO电路用于在大驱动模式下提供LDO输出电压，并为SOC芯片的正常工作模式提供电流输出，所述第二LDO电路用于为超低功耗模式下提供所述LDO输出电压，并为所述SOC芯片的低功耗模式提供电流输出，所述第二LDO电路的电流输出小于所述第一LDO电路的电流输出；
所述第一Bandgap模块工作在主电源电压下，用于在上电启动时为所述第一LDO电路提供第一参考电压，所述第二Bandgap模块是工作在所述LDO输出电压下的基准源，用于在所述上电启动完成后为所述第二LDO电路提供第二参考电压；
所述切换电路包括上下电复位电路、振荡器电路、延迟电路以及第一电平转换电路，所述切换电路能够将所述上电启动时由所述第一Bandgap模块输出所述第一参考电压的模式切换为所述上电启动完成后由所述第二Bandgap模块输出所述第二参考电压的模式；
所述切换电路还包括电平选择模块，所述上下电复位电路包括POR模块，所述延迟电路包括延时模块，所述POR模块产生POR复位信号控制所述延时模块，所述延时模块控制所述电平选择模块，所述电平选择模块用于选择为所述第一LDO电路和所述第二LDO电路提供所述第一参考电压或者提供所述第二参考电压。
2.根据权利要求1所述的超低功耗电源结构，其特征在于，所述振荡器电路包括OSC振荡器，所述OSC振荡器能够输出时钟信号，所述第一电平转换电路包括三个信号输入端：EN1、EN2和POR信号输入端，以及两个信号输出端：ENH1信号输出端和ENH2信号输出端。
3.根据权利要求2所述的超低功耗电源结构，其特征在于，所述EN1和EN2信号输入端分别用来输入由所述SOC芯片发出的EN1和EN2控制信号，所述POR信号输入端用来输入所述POR复位信号，ENH1和ENH2信号输出端分别用来输出ENH1和ENH2信号，所述ENH1信号和ENH2信号分别控制所述第一LDO电路的第一LDO模块和所述第二LDO电路的第二LDO模块的开启和关闭。
4.根据权利要求3所述的超低功耗电源结构，其特征在于，当所述电源结构处于所述上电启动时，通过所述POR复位信号的控制，所述OSC振荡器能够为所述延时模块提供时钟，所述延时模块控制所述电平选择模块将所述第一Bandgap模块的使能打开，并选择为所述第一LDO电路提供所述第一参考电压，所述第一电平转换电路在所述POR复位信号的控制下打开所述第一LDO模块并关闭所述第二LDO模块。
5.根据权利要求2所述的超低功耗电源结构，其特征在于，当所述电源结构的处于上电过程中时，所述第二Bandgap模块启动，所述OSC振荡器由所述LDO输出电压提供电源，并由所述第二Bandgap模块提供偏置电流，所述OSC振荡器输出的时钟信号能够提供给所述延时模块，所述POR复位信号放开，当计满一定数量的OSC时钟延迟后，控制所述电平选择模块将所述第一Bandgap模块的使能关闭，并选择为所述第一LDO电路和所述第二LDO电路提供所述第二参考电压。
6.根据权利要求3所述的超低功耗电源结构，其特征在于，当所述电源结构完成所述上电启动时，当所述SOC芯片为低功耗模式时，通过关闭所述EN1控制信号和开启EN2控制信号来控制所述第一LDO模块的关闭和所述第二LDO模块的开启，从而通过超低功耗的所述第二Bandgap模块和所述第二LDO电路为所述SOC芯片的低功耗模式供电。
7.根据权利要求5所述的超低功耗电源结构，其特征在于，当所述电源结构完成所述上电启动时，通过所述SOC芯片的控制，将所述POR模块和所述OSC振荡器设置为关闭状态。
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Assignor: BEIJING SMARTCHIP MICROELECTRONICS TECHNOLOGY Co.,Ltd.

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Denomination of invention: Ultra low power structure with high PSRR

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License type: Common License

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