CN109308087A - 一种低成本、超低功耗稳压器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种低成本、超低功耗稳压器。包括电压基准电路和输出缓冲级，所述电压基准电路与启动电路连接，所述输出缓冲级连接在所述电压基准电路的输出端，所述输出缓冲级输出端接负载，所述电压基准电路产生的基准电压是正温度系数电压和负温度系数电压之和，所述输出缓冲级包括两个MOS管MNAT0和MNAT1；功耗与面积通常是模拟集成电路设计中的一对矛盾体，而本发明通过使用电压基准电路和输出缓冲级构成的稳压器，取消传统低功耗低压差线性稳压器结构中的误差放大器、电阻反馈网络电路及环路补偿电路，降低了设计的复杂性，以超低的功耗、较小的芯片面积实现了适用于SoC休眠模式下供电的稳压器。
Description
技术领域
本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种低成本、超低功耗稳压器。
背景技术
随着CMOS工艺技术的不断进步，将微处理器、模拟IP核、数字IP核、存储器及各种接口集成在单一芯片上的SoC，因其在性能、成本、功耗、可靠性等方面的优势，取得了快速的发展。在实际应用中，运行不同的工作模式，SoC中的功能模块对电源的要求有所不同，因此根据不同的工作要求实时动态地管理SoC芯片内部电源系统的供电状态可以减少不必要的功耗，提高系统的能源利用率。
SoC系统进入休眠模式后可能只有微安级的电流消耗，这要求在休眠模式为SoC系统供电的稳压器具有超低功耗，通常的方案为低功耗低压差线性稳压器，其由电压基准电路、误差放大器、串联调整管及电阻反馈网络构成。为了实现超低功耗，电路具有很低的偏置电流，这增加了实现稳压器环路稳定的难度，而所需较大的补偿电容又会增加芯片的面积、降低稳压器的负载瞬态响应。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低成本、超低功耗稳压器，以解决上述背景技术中提出的传统结构具有的较高的电路复杂性、较大的芯片面积及功耗等问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种低成本、超低功耗稳压器，包括电压基准电路和输出缓冲级，所述电压基准电路与启动电路连接，所述输出缓冲级连接在所述电压基准电路的输出端，所述输出缓冲级输出端接负载。
优选的，所述电压基准电路产生的基准电压是正温度系数电压和负温度系数电压之和。
优选的，所述负温度系数电压由两个MOS管MN3和MN4提供，所述MOS管MN4的栅极和漏极相连，其源极连接在所述MOS管MN3的栅极和漏极上，所述MOS管MN3的源极接地。
优选的，基准电压
其中VPTAT为正温度系数电压，VCTAT为负温度系数电压，m为MOS管MP5、MP6与MOS管MP1、MP3构成Cascode电流镜的比例系数，即m＝(W/L)MP5/(W/L)MP1＝(W/L)MP6/(W/L)MP3,ΔVGS为MOS管MN0的栅源电压与MOS管MN1的栅源电压的差值，即ΔVGS＝VGS，MN0-VGS，MN1，R0、R1为电阻阻值，VGS,MN3为MOS管MN3的栅源电压，VGS,MN4为MOS管MN4的栅源电压。
优选的，所述负温度系数电压由两个MOS管MP7和MN3提供，所述MOS管MP7的栅极和漏极与所述MOS管MN3的栅极和漏极连接在一起，所述MOS管MP7的源极与R1连接，所述MOS管MN3的源极接地。
优选的，基准电压
其中VPTAT为正温度系数电压，VCTAT为负温度系数电压，m为MOS管MP5、MP6与MOS管MP1、MP3构成Cascode电流镜的比例系数，即m＝(W/L)MP5/(W/L)MP1＝(W/L)MP6/(W/L)MP3,ΔVGS为MOS管MN0的栅源电压与MOS管MN1的栅源电压的差值，即ΔVGS＝VGS，MN0-VGS，MN1，R0、R1为电阻阻值，VGS,MN3为MOS管MN3的栅源电压，VGS,MP7为MOS管MP7的栅源电压。
优选的，所述输出缓冲级包括两个MOS管MNAT0和MNAT1，且两个MOS管的栅极相连，其中MOS管MNAT0的漏极和栅极相连，并连接在MOS管MP6的漏极，其源极通过R1与所述负温度系数电压模块连接，MOS管MNAT1的漏极接电源电压，其源极接负载。
优选的，自所述输出缓冲级输出的输出电压VOUT等于基准电压VREF加上MOS管MNAT0的栅源电压减去MOS管MNAT1的栅源电压。
优选的，所述负温度系数电压由不同尺寸MOS管的栅源电压构成，以便进行微调，包括MN10、MN11、MN12、MN13、MN14、MN15、MN16及MN17构成VCTAT的微调电路，MN10、MN11、MN12及MN13提供负温度系数的栅源电压，MN14、MN15、MN16及MN17是开关管，控制MN10、MN11、MN12及MN13支路的通断，微调控制信号VTRIM<1>、VTRIM<1>_、VTRIM<0>及VTRIM<0>_分别连接至所述MN14、MN15、MN16及MN17的栅极。
优选的，所述负温度系数电压由不同尺寸MOS管的栅源电压构成，以便进行微调，包括MN20、MN21、MN22、MN23、MN24、MN25、MN26、MN27、MP20、MP21、MP22及MP23构成VCTAT的微调电路，MN20、MN21、MN22、MN23、MP20、MP21、MP22及MP23提供负温度系数的栅源电压，MN24、MN25、MN26及MN27是开关管，控制MN20、MN21、MN22、MN23、MP20、MP21、MP22、MP23支路的通断，微调控制信号VTRIM_11、VTRIM_10、VTRIM_01、VTRIM_00分别连接至所述MN27、MN26、MN25及MN24的栅极。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：功耗与面积通常是模拟集成电路设计中的一对矛盾体，而本发明通过使用电压基准电路和输出缓冲级构成的稳压器，取消传统低功耗低压差线性稳压器结构中的误差放大器、电阻反馈网络电路及环路补偿电路，降低了设计的复杂性，以超低的功耗、较小的芯片面积实现了适用于SoC休眠模式下供电的稳压器。
附图说明
图1为现有的传统低压差线性稳压器原理图；
图2为本发明的整体结构示意图；
图3为本发明的实施例1电路示意图；
图4为本发明的实施例2电路示意图；
图5为本发明的实施例1中VCTAT微调电路的电路原理图；
图6为本发明的实施例2中VCTAT微调电路的电路原理图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在下面实施例中，器件名称可以以英文和数值示出，并具备本领域中的普遍认知，例如MN*表示为第*NMOS管，MP*表示为第*PMOS管，R*表示第*电阻等。
实施例1
请参阅图2、图3和图5，本发明提供一种技术方案：一种低成本、超低功耗稳压器，包括电压基准电路和输出缓冲级，电压基准电路与启动电路连接，输出缓冲级连接在电压基准电路的输出端，输出缓冲级输出端接负载。
本实施例中，通过使用电压基准电路和输出缓冲级构成的稳压器，取消传统低功耗低压差线性稳压器结构中的误差放大器、电阻反馈网络电路及环路补偿电路，降低了设计的复杂性，以超低的功耗、较小的芯片面积实现了适用于SoC休眠模式下供电的稳压器。本实施例中，包括MN0、MN1、MN2、MP0、MP1、MP2、MP3、MP4及R0构成PTAT(Proportional toAbsolute Temperature,与绝对温度成正比)电流产生电路，电路中的正温度系数电流：
IPTAT＝ΔVGS/R0
此电流可以在几十纳安范围内，例如10nA～100nA范围内，如：20nA、30nA、40nA、50nA、60nA、70nA、80nA、90nA等。
进一步的，MP5、MP6与MP1、MP3构成Cascode(共源共栅)电流镜，流过MOS管MP5、MP6的电流为：
IDS,MP5＝m*IDS,MP1＝m*IPTAT
其中m为Cascode电流镜的比例系数，
进一步的，正温度系数电流流过电阻R1产生正温度系数电压，MN3的栅源电压与MN4的栅源电压相加产生负温度系数电压，电路中的基准电压等于正温度系数电压与负温度系数电压之和：
通过上述表达式可知，利用VPTAT与VCTAT相加进行温度补偿，获得低温漂基准电压VREF。进一步的，输出电压VOUT等于基准电压VREF加上MNAT0的栅源电压减去MNAT1的栅源电压，即
VOUT＝VREF+VGS,MNAT0-VGS,MNAT1
通过上述表达式可知，输出电压稳定在基准电压值附近，输出缓冲级的MOS管MNAT0与基准电压输出支路串联，MOS管MNAT1直接连接负载，因此输出缓冲级不增加整体静态功耗。
本实施例中，包括MN10、MN11、MN12、MN13、MN14、MN15、MN16及MN17构成VCTAT的微调电路，MN10、MN11、MN12及MN13提供负温度系数的栅源电压，MN14、MN15、MN16及MN17是开关管，控制MN10、MN11、MN12及MN13支路的通断；微调控制信号VTRIM<1>、VTRIM<1>_、VTRIM<0>、VTRIM<0>_分别连接至所述MN14、MN15、MN16及MN17的栅极，可以通过选择不同的VTRIM<1>、VTRIM<1>_、VTRIM<0>、VTRIM<0>_，选择不同尺寸的MOS管的栅源电压构成VCTAT，从而微调VCTAT的温度系数及绝对值，达到获得低温漂基准电压VREF的目的，进而获得稳定的输出电压。
实施例2
请参阅图2、图4和图6，本发明提供一种技术方案：一种低成本、超低功耗稳压器，包括电压基准电路和输出缓冲级，电压基准电路与启动电路连接，输出缓冲级连接在电压基准电路的输出端，输出缓冲级输出端接负载。
本实施例中，通过使用电压基准电路和输出缓冲级构成的稳压器，取消传统低功耗低压差线性稳压器结构中的误差放大器、电阻反馈网络电路及环路补偿电路，降低了设计的复杂性，以超低的功耗、较小的芯片面积实现了适用于SoC休眠模式下供电的稳压器。
进一步的，包括MN0、MN1、MN2、MP0、MP1、MP2、MP3、MP4及R0构成PTAT(Proportionalto Absolute Temperature,与绝对温度成正比)电流产生电路，电路中的正温度系数电流：
IPTAT＝ΔVGS/R0
此电流可以在几十纳安范围内，例如是10nA～100nA范围内。如：20nA、30nA、40nA、50nA、60nA、70nA、80nA、90nA等。
MP5、MP6与MP1、MP3构成Cascode(共源共栅)电流镜，流过MOS管MP5、MP6的电流为：
IDS,MP5＝m*IDS,MP1＝m*IPTAT
其中m为Cascode电流镜的比例系数，
正温度系数电流流过电阻R1产生正温度系数电压，电路中的基准电压等于正温度系数电压与负温度系数电压之和：
通过上述表达式可知，利用VCTAT与IPTAT*R相加进行温度补偿，获得低温漂基准电压VREF。
进一步的，所述输出缓冲级包括两个MOS管MNAT0和MNAT1，且两个MOS管的栅极相连，其中MOS管MNAT0的漏极和栅极相连，并连接在MOS管MP6的漏极，其源极通过R1与所述负温度系数电压模块连接，MOS管MNAT1的漏极接电源电压，其源极接负载。
进一步的，输出电压VOUT等于基准电压VREF加上MNAT0的栅源电压减去MNAT1的栅源电压，即
VOUT＝VREF+VGS,MNAT0-VGS,MNAT1
通过上述表达式可知，输出电压稳定在基准电压值附近，输出缓冲级的MOS管MNAT0与基准电压输出支路串联，MOS管MNAT1直接连接负载，因此输出缓冲级不增加整体静态功耗。
本实施例中，包括MN20、MN21、MN22、MN23、MN24、MN25、MN26及MN27和MP20、MP21、MP22及MP23构成VCTAT的微调电路，MN20、MN21、MN22及MN23和MP20、MP21、MP22及MP23提供负温度系数的栅源电压，MN24、MN25、MN26及MN27是开关管，控制MN20、MN21、MN22及MN23和MP20、MP21、MP22及MP23支路的通断；微调控制信号VTRIM_11、VTRIM_10、VTRIM_01、VTRIM_00分别连接至所述MN27、MN26、MN25及MN24的栅极。可以通过选择不同的VTRIM_11、VTRIM_10、VTRIM_01和VTRIM_00，选择不同尺寸的MOS管构成VCTAT，从而微调VCTAT的温度系数及绝对值，达到获得低温漂VREF的目的，进而获得稳定的输出电压。
如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种低成本、超低功耗稳压器，其特征在于：包括电压基准电路和输出缓冲级，所述电压基准电路与启动电路连接，所述输出缓冲级连接在所述电压基准电路的输出端，所述输出缓冲级输出端接负载。
2.根据权利要求1所述的一种低成本、超低功耗稳压器，其特征在于：所述电压基准电路产生的基准电压是正温度系数电压和负温度系数电压之和。
3.根据权利要求2所述的一种低成本、超低功耗稳压器，其特征在于：所述负温度系数电压由两个MOS管MN3和MN4提供，所述MOS管MN4的栅极和漏极相连，其源极连接在所述MOS管MN3的栅极和漏极上，所述MOS管MN3的源极接地。
4.根据权利要求3所述的一种低成本、超低功耗稳压器，其特征在于：
基准电压
其中VPTAT为正温度系数电压，VCTAT为负温度系数电压，m为MOS管MP5、MP6与MOS管MP1、MP3构成Cascode电流镜的比例系数，即m＝(W/L)MP5/(W/L)MP1＝(W/L)MP6/(W/L)MP3,ΔVGS为MOS管MN0的栅源电压与MOS管MN1的栅源电压的差值，即ΔVGS＝VGS，MN0-VGS，MN1，R0、R1为电阻阻值，VGS,MN3为MOS管MN3的栅源电压，VGS,MN4为MOS管MN4的栅源电压。
5.根据权利要求2所述的一种低成本、超低功耗稳压器，其特征在于：所述负温度系数电压由两个MOS管MP7和MN3提供，所述MOS管MP7的栅极和漏极与所述MOS管MN3的栅极和漏极连接在一起，所述MOS管MP7的源极与R1连接，所述MOS管MN3的源极接地。
6.根据权利要求5所述的一种低成本、超低功耗稳压器，其特征在于：
基准电压
其中VPTAT为正温度系数电压，VCTAT为负温度系数电压，m为MOS管MP5、MP6与MOS管MP1、MP3构成Cascode电流镜的比例系数，即m＝(W/L)MP5/(W/L)MP1＝(W/L)MP6/(W/L)MP3,ΔVGS为MOS管MN0的栅源电压与MOS管MN1的栅源电压的差值，即ΔVGS＝VGS，MN0-VGS，MN1，R0、R1为电阻阻值，VGS,MN3为MOS管MN3的栅源电压，VGS,MP7为MOS管MP7的栅源电压。
7.根据权利要求1所述的一种低成本、超低功耗稳压器，其特征在于：所述输出缓冲级包括两个MOS管MNAT0和MNAT1，且两个MOS管的栅极相连，其中MOS管MNAT0的漏极和栅极相连，并连接在MOS管MP6的漏极，其源极通过R1与所述负温度系数电压模块连接，MOS管MNAT1的漏极接电源电压，其源极接负载。
8.根据权利要求6所述的一种低成本、超低功耗稳压器，其特征在于：自所述输出缓冲级输出的输出电压VOUT等于基准电压VREF加上MOS管MNAT0的栅源电压减去MOS管MNAT1的栅源电压。
9.根据权利要求4所述的一种低成本、超低功耗稳压器，其特征在于：所述负温度系数电压由不同尺寸MOS管的栅源电压构成，以便进行微调，包括MN10、MN11、MN12、MN13、MN14、MN15、MN16及MN17构成VCTAT的微调电路，MN10、MN11、MN12及MN13提供负温度系数的栅源电压，MN14、MN15、MN16及MN17是开关管，控制MN10、MN11、MN12及MN13支路的通断，微调控制信号VTRIM<1>、VTRIM<1>_、VTRIM<0>及VTRIM<0>_分别连接至所述MN14、MN15、MN16及MN17的栅极。
10.根据权利要求6所述的一种低成本、超低功耗稳压器，其特征在于：所述负温度系数电压由不同尺寸MOS管的栅源电压构成，以便进行微调，包括MN20、MN21、MN22、MN23、MN24、MN25、MN26、MN27、MP20、MP21、MP22及MP23构成VCTAT的微调电路，包括MN20、MN21、MN22、MN23、MP20、MP21、MP22及MP23提供负温度系数的栅源电压，MN24、MN25、MN26及MN27是开关管，控制MN20、MN21、MN22、MN23、MP20、MP21、MP22、MP23支路的通断，微调控制信号VTRIM_11、VTRIM_10、VTRIM_01、VTRIM_00分别连接至所述MN27、MN26、MN25及MN24的栅极。
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