CN109656292B - 电压调节器及片上系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种电压调节器及片上系统。所述电压调节器包括：第一开关、第二开关和第三开关；带隙基准电压产生电路；功率场效应晶体管；分压电路；差分放大电路；第一电容；第二电容。其中，第一开关、第二开关和第三开关依次导通并同时导通第一预定时间，此后依次断开并同时断开第二预定时间。与现有技术相比，本发明采用具有超低漏电流的电压调节器产生实时时钟控制电路的工作电源电压，从而降低功耗。
Description
【技术领域】
本发明涉及电源设计领域，尤其涉及一种电压调节器及采用该嗲压差电压调节器的片上系统。
【背景技术】
一般的片上系统芯片(SOC)都会有一个实时时钟控制电路(RTC)，这一块电路是一个单独供电的模块，电源大部分都是由电池直接供电。该实时时钟控制电路主要的功能是在休眠的状态时继续保持时钟的功能并且在需要的时候能够唤醒整颗片上系统芯片，达到节省功耗的要求。
由于半导体工艺的进步，在实现片上系统芯片的设计时，基本单元器件能够承受的电压越来越低，而锂电池的供电电压基本上都是保持在2.8与4.2V之间，远远超过目前高端工艺基本器件或单元库所能够承载的1.2V或更低的电源电压。因此，在高端工艺的制程上，采用电压转换器(线性稳压器)是必要的，但是目前所用的传统直流静态电压转换漏电流大，比如漏电流可能达到2-3uA，这导致系统主芯片在休眠时的电流过大影响电池寿命。
【发明内容】
本发明的目的之一在于提供一种电压调节器，其具有超低的漏电流，可以大大降低功耗。
本发明的目的之二在于提供一种片上系统，其采用具有超低漏电流的电压调节器产生实时时钟控制电路的工作电源电压，从而降低功耗。
为实现上述目的，根据本发明的一个方面，本发明提供一种电压调节器，其包括：第一开关、第二开关和第三开关；带隙基准电压产生电路，其包括通过第一开关与电源输入端相连的电源端、接地端和输出基准电压的基准电压输出端；功率场效应晶体管，其包括与电压输入端相连的第一连接端、与电压输出端相连的第二连接端，以及控制端；连接于所述电压输出端和接地端之间的分压电路，其包括能够提供反馈电压的输出端；差分放大电路，其包括与带隙基准电压产生电路的基准电压输出端相连的第一信号输入端、与所述分压电路的输出端相连的第二信号输入端、通过第三开关与所述功率场效应晶体管的控制端相连的输出端、通过第二开关与所述电源输入端相连的电源端，以及接地端；连接于所述功率场效应晶体管的控制端和地之间的第一电容；和连接于所述差分放大电路的第一信号输入端和地之间的第二电容，其中，第一开关、第二开关和第三开关依次导通并同时导通第一预定时间，此后依次断开并同时断开第二预定时间。
进一步的，所述电压调节器还包括有时钟逻辑电路，其用于基于输入时钟信号产生用于控制第一开关导通和断开的第一开关控制信号、用于控制第二开关导通和断开的第二开关控制信号和用于控制第三开关导通和断开的第三开关控制信号。
进一步的，第一开关控制信号、第二开关控制信号和第三开关控制信号依次跳变为第一逻辑电平并持续第一预定时间，此后第一开关控制信号、第二开关控制信号和第三开关控制信号依次跳变为第二逻辑电平并持续第二预定时间，其中第二预定时间长与第一预定时间，在第一开关控制信号、第二开关控制信号和第三开关控制信号为第一逻辑电平时，第一开关、第二开关和第三开关导通，在第一开关控制信号、第二开关控制信号和第三开关控制信号为第二逻辑电平时，第一开关、第二开关和第三开关断开。
进一步的，所述时钟逻辑电路包括分频电路、触发器、三个缓冲延迟单元，所述分频电路的输入端与输入时钟信号相连，其用于对输入时钟信号按照分频比例进行分频，通过所述分频电路的输出端输出分频时钟信号，所述分频比例是整数；所述触发器的信号输入端与输入时钟信号相连，其时钟端与所述分频电路的输出端相连，多个缓冲延迟单元依次串联于所述触发器的输出端之后，其中第一个缓冲延迟单元输出的时钟信号为第一开关控制信号，第二个缓冲延迟单元输出的时钟信号为第二开关控制信号，第三个缓冲延迟单元输出的时钟信号为第三开关控制信号。
进一步的，所述分频比例是可调整的。
进一步的，所述功率场效应晶体管为PMOS场效应晶体管，其源极作为第一连接端与电压输入端，其漏极作为第二连接端与电压输出端相连，其栅极作为控制端。
根据本发明的再一个方面，本发明提供一种片上系统，其包括：电压调节器；和实时时钟控制电路；其中所述电压调节器给所述实时时钟控制电路提供电源电压。所述电压调节器包括：第一开关、第二开关和第三开关；带隙基准电压产生电路，其包括通过第一开关与电源输入端相连的电源端、接地端和输出基准电压的基准电压输出端；功率场效应晶体管，其包括与电压输入端相连的第一连接端、与电压输出端相连的第二连接端，以及控制端；连接于所述电压输出端和接地端之间的分压电路，其包括能够提供反馈电压的输出端；差分放大电路，其包括与带隙基准电压产生电路的基准电压输出端相连的第一信号输入端、与所述分压电路的输出端相连的第二信号输入端、通过第三开关与所述功率场效应晶体管的控制端相连的输出端、通过第二开关与所述电源输入端相连的电源端，以及接地端；连接于所述功率场效应晶体管的控制端和地之间的第一电容；和连接于所述差分放大电路的第一信号输入端和地之间的第二电容，其中，第一开关、第二开关和第三开关依次导通并同时导通第一预定时间，此后依次断开并同时断开第二预定时间。
与现有技术相比，在本发明中的电压调节器能够不断的在工作状态和非工作状态之间切换，而在非工作状态时依靠外部电容来保持先前的输出电压，而在非工作状态没有漏电流，不产生功耗，因此可以大幅降低功耗。
【附图说明】
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。其中：
图1为本发明中的电压调节器在一个实施例中的电路原理图；
图2为本发明中的电压调节器中的时钟逻辑电路在一个实施例中的时序原理图；
图3为本发明中的片上系统在一个实施例中的结构框图。
【具体实施方式】
本发明的详细描述主要通过程序、步骤、逻辑块、过程或其他象征性的描述来直接或间接地模拟本发明技术方案的运作。为透彻的理解本发明，在接下来的描述中陈述了很多特定细节。而在没有这些特定细节时，本发明则可能仍可实现。所属领域内的技术人员使用此处的这些描述和陈述向所属领域内的其他技术人员有效的介绍他们的工作本质。换句话说，为避免混淆本发明的目的，由于熟知的方法和程序已经容易理解，因此它们并未被详细描述。
此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
图1为本发明中的电压调节器在一个实施例中的电路原理图。如图1所示的，所述电压调节器100包括第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3、带隙基准电压产生电路110、功率场效应晶体管M1、差分放大电路120、分压电路130、第一电容C1和第二电容C2。所述电压调节器100可以将电源输入端Vdd的电压降压调节器电源输出端Vcc的电压。
所述带隙基准电压产生电路(Band Gap)110包括通过第一开关S1与电源输入端Vdd相连的电源端、接地端和输出基准电压Vr的基准电压输出端。所述功率场效应晶体管M1包括与电压输入端Vdd相连的第一连接端、与电压输出端Vcc相连的第二连接端，以及控制端。在一个实施例中，所述功率场效应晶体管M1为PMOS(positive channel Metal OxideSemiconductor)场效应晶体管，其源极作为第一连接端与电压输入端Vdd，其漏极作为第二连接端与电压输出端Vcc相连，其栅极作为控制端。所述分压电路130连接于所述电压输出端Vcc和接地端之间，其包括能够提供反馈电压Vfb的输出端。所述差分放大电路120包括与带隙基准电压产生电路110的基准电压输出端相连的第一信号输入端、与所述分压电路130的输出端相连的第二信号输入端、通过第三开关S3与所述功率场效应晶体管M1的控制端相连的输出端、通过第二开关S2与所述电源输入端Vdd相连的电源端，以及接地端。所述第一电容C1连接于所述功率场效应晶体管M1的控制端和地之间，所述第二电容C2连接于所述差分放大电路120的第一信号输入端和地之间。
其中，第一开关S1、第二开关S2和第三开关S3依次导通并同时导通第一预定时间，此后依次断开并同时断开第二预定时间。在一个示例中，第二预定时间大于等于第一预定时间。这样，在第一开关S1、第二开关S2和第三开关S3均导通时，所述电压调节器100正常工作，通过输出电压端Vcc向外提供电源电压，同时对外部电容进行充电；而第一开关S1、第二开关S2和第三开关S3均断开时，所述电压调节器100并不工作，此时不产生漏电流，无功耗，通过外部电容对外供电以维持所述输出电压Vcc。可见在较长的时间内，所述电压调节器100并不工作，不产生漏电流，因此整个电压调节器100的功耗可以做的非常低。
所述电压调节器100还包括有时钟逻辑电路140。所述时钟逻辑电路140用于基于输入时钟信号32K clock input产生用于控制第一开关S1导通和断开的第一开关控制信号CK-S1、用于控制第二开关S2导通和断开的第二开关控制信号CK-S2和用于控制第三开关S3导通和断开的第三开关控制信号CK-S3。第一开关控制信号CK-S1、第二开关控制信号CK-S2和第三开关控制信号CK-S3依次跳变为第一逻辑电平并持续第一预定时间，此后第一开关控制信号CK-S1、第二开关控制信号CK-S2和第三开关控制信号CK-S3依次跳变为第二逻辑电平并持续第二预定时间，其中第二预定时间长与第一预定时间，在第一开关控制信号CK-S1、第二开关控制信号CK-S2和第三开关控制信号CK-S3为第一逻辑电平时，第一开关S1、第二开关S2和第三开关S3导通，在第一开关控制信号CK-S1、第二开关控制信号CK-S2和第三开关控制信号CK-S3为第二逻辑电平时，第一开关S1、第二开关S2和第三开关S3断开。
图2为本发明中的电压调节器100中的时钟逻辑电路140在一个实施例中的时序原理图。所述时钟逻辑电路140包括分频电路141、触发器142、三个缓冲延迟单元143。
所述分频电路141的输入端与输入时钟信号32K clock Input相连，其用于对输入时钟信号32K clock Input(比如32KHz的时钟信号)按照分频比例N进行分频，通过所述分频电路的输出端输出分频时钟信号，所述分频比例N是整数，比如可以是2,3或其他整数。在一个优选的实施例中，所述分频比例N是可调整的。所述触发器142的信号输入端DIN与输入时钟信号32K clock Input相连，其时钟端CLK与所述分频电路的输出端DOUT相连。多个缓冲延迟单元143依次串联于所述触发器142的输出端之后，其中第一个缓冲延迟单元输出的时钟信号为第一开关控制信号，第二个缓冲延迟单元输出的时钟信号为第二开关控制信号，第三个缓冲延迟单元输出的时钟信号为第三开关控制信号。第一开关控制信号、第二开关控制信号、第三开关控制信号、分频时钟信号32K/N、输入时钟信号32K clock Input的时序关系请见图2。
在一个示例中，所述电压调节器100可以是低压差电压调节器(LDO)，现有的低压差电压调节器，可以将2.5V至3.6V的直流电压降压转换为0.9V-1.2V的直流电压，产生的漏电流为2-3uA，而采用本发明的低压差电压调节器只有在1/N的时间是打开的,其他的时间均为关闭状态，从而可以将漏电流降低为原来的1/N，N可以为大于2的整数，比如7、8等，可见其本发明中的电压调节器功耗大大的降低。
根据本发明的另一个方面，本发明还提供片上系统SOC。图3为本发明中的片上系统在一个实施例中的结构框图。如图3所示的，所述片上系统包括电压调节器210和实时时钟控制电路(RTC)220。所述电压调节器210可以是图1所示的电压调节器，所述电压调节器210给所述实时时钟控制电路220提供电源电压Vcc。所述实时时钟控制电路220的时钟为输入时钟信号32K clock Input。
所述实时时钟控制电路220的工作电压可以为0.9V至1.2V，其工作电流为1uA，由于所述实时时钟控制电路220的功耗很小，即便是电压调节器210在有的时段不工作，也能给所述实时时钟控制电路220提供何时的电源电压，从而可以解决传统方案中漏电流过高的问题。
本发明中的“连接”、“相连”或“相接”等表示电性连接的词语都表示电性的间接或直接连接。上述说明已经充分揭露了本发明的具体实施方式。需要指出的是，熟悉该领域的技术人员对本发明的具体实施方式所做的任何改动均不脱离本发明的权利要求书的范围。相应地，本发明的权利要求的范围也并不仅仅局限于前述具体实施方式。
Claims (5)
1.一种电压调节器，其特征在于，其包括：
第一开关、第二开关和第三开关；
带隙基准电压产生电路，其包括通过第一开关与电源输入端相连的电源端、接地端和输出基准电压的基准电压输出端；
功率场效应晶体管，其包括与电压输入端相连的第一连接端、与电压输出端相连的第二连接端，以及控制端；
连接于所述电压输出端和接地端之间的分压电路，其包括能够提供反馈电压的输出端；
差分放大电路，其包括与带隙基准电压产生电路的基准电压输出端相连的第一信号输入端、与所述分压电路的输出端相连的第二信号输入端、通过第三开关与所述功率场效应晶体管的控制端相连的输出端、通过第二开关与所述电源输入端相连的电源端，以及接地端；
连接于所述功率场效应晶体管的控制端和地之间的第一电容；和
连接于所述差分放大电路的第一信号输入端和地之间的第二电容，
其中，第一开关、第二开关和第三开关依次导通并同时导通第一预定时间，此后依次断开并同时断开第二预定时间，
所述的电压调节器，其特征在于：其还包括有时钟逻辑电路，其用于基于输入时钟信号产生用于控制第一开关导通和断开的第一开关控制信号、用于控制第二开关导通和断开的第二开关控制信号和用于控制第三开关导通和断开的第三开关控制信号，
所述时钟逻辑电路包括分频电路、触发器、三个缓冲延迟单元，
所述分频电路的输入端与输入时钟信号相连，其用于对输入时钟信号按照分频比例进行分频，通过所述分频电路的输出端输出分频时钟信号，所述分频比例是整数；
所述触发器的信号输入端与输入时钟信号相连，其时钟端与所述分频电路的输出端相连，
多个缓冲延迟单元依次串联于所述触发器的输出端之后，其中第一个缓冲延迟单元输出的时钟信号为第一开关控制信号，第二个缓冲延迟单元输出的时钟信号为第二开关控制信号，第三个缓冲延迟单元输出的时钟信号为第三开关控制信号，
所述分频比例N为大于2的整数。
2.根据权利要求1所述的电压调节器，其特征在于：
第一开关控制信号、第二开关控制信号和第三开关控制信号依次跳变为第一逻辑电平并持续第一预定时间，此后第一开关控制信号、第二开关控制信号和第三开关控制信号依次跳变为第二逻辑电平并持续第二预定时间，其中第二预定时间长与第一预定时间，
在第一开关控制信号、第二开关控制信号和第三开关控制信号为第一逻辑电平时，第一开关、第二开关和第三开关导通，在第一开关控制信号、第二开关控制信号和第三开关控制信号为第二逻辑电平时，第一开关、第二开关和第三开关断开。
3.根据权利要求2所述的电压调节器，其特征在于：所述分频比例是可调整的。
4.根据权利要求1所述的电压调节器，其特征在于：所述功率场效应晶体管为PMOS场效应晶体管，其源极作为第一连接端与电压输入端，其漏极作为第二连接端与电压输出端相连，其栅极作为控制端。
5.一种片上系统，其特征在于，其包括：
如权利要求1-4任一所述的电压调节器；和
实时时钟控制电路；
其中所述电压调节器给所述实时时钟控制电路提供电源电压。
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