CN110703838A - 具有可调输出电压的稳压器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开具有可调输出电压的稳压器，包括第一反馈环路和第二反馈环路。该第一反馈环路包括：输出第一输出电压的电荷泵；第一晶体管梯形网络；以及控制电路。该第一晶体管梯形网络通过对所述第一输出电压进行分压而生成第一反馈电压。所述控制电路接收该第一反馈电压，并根据该第一反馈电压和参考电压，控制所述第一输出电压的水平。所述第二反馈环路包括功率晶体管，第二晶体管梯形网络和运算放大器。该功率晶体管通过接收所述第一输出电压而输出第二输出电压。该第二晶体管梯形网络通过对所述第二输出电压分压而生成第二反馈电压。所述运算放大器通过接收所述第二反馈电压和从多个电压水平中的一个选出的参考电压，向功率晶体管输出控制信号。

Description

具有可调输出电压的稳压器
技术领域
本发明涉及一种稳压器，尤其涉及一种能够输出具有各种不同电压水平的可调输出电压的稳压器。
背景技术
稳压器广泛用在电路系统中，以为电路系统中的器件或模块提供稳定的可调供电电压。为了生成所需的电压水平，稳压器通常包括由电阻器梯形网络形成的反馈环路，该环路通过将输出电压除以预设比率而生成反馈电压，从而实现输出电压的反馈控制。
由于电阻器梯形网络中始终存在电流，因此为了最大程度地降低电流消耗，各电阻器需要设置较大的电阻值。然而，这又使得这些电阻器在电路布局中占据较大的面积。另一方面，如果想要将电阻器梯形网络限制于所需的面积之内，则将不可避免地导致更大的电流消耗。因此，降低功耗和减小面积无法同时实现。
此外，随着各种电子系统越来越多地得到应用，许多类型电路的运行要求输入具有大电压范围的供电电压。例如，闪存可能要求2.3V～10V的供电电压范围，以实现编程、读取和擦除等不同操作。然而，现有稳压器仅能提供低于其输入电压的供电电压。为了输出10V等更高的电压，常常还需要加入升压或泵压电路，从而增大了电路设计的复杂性。因此，现有技术需要进一步的改进。
发明内容
本发明的目的在于提供一种无需使用电阻器便可输出可调输出电压的稳压器。
本发明的一种实施方式公开一种稳压器，包括第一反馈环路和第二反馈环路。该第一反馈环路包括电荷泵，第一晶体管梯形网络和控制电路。该电荷泵用于输出第一输出电压。所述第一晶体管梯形网络与该电荷泵连接，用于对所述第一输出电压进行分压，以生成第一反馈电压。所述控制电路与该第一晶体管梯形网络相连接，用于接收所述第一反馈电压，并根据该第一反馈电压和第一参考电压，控制该第一输出电压的水平。所述第二反馈环路与所述第一反馈环路相连接，并包括功率晶体管，第二晶体管梯形网络和运算放大器。该功率晶体管用于通过接收所述第一输出电压而输出第二输出电压。所述第二晶体管梯形网络与该功率晶体管相连接，用于对所述第二输出电压进行分压，以生成第二反馈电压。所述运算放大器与所述第二晶体管梯形网络和所述功率晶体管相连接，用于通过接收所述第二反馈电压和第二参考电压，向所述功率晶体管输出控制信号，所述第二参考电压为一个固定电压或从多个电压水平中选择的电压。
对于本领域普通技术人员而言，毋庸置疑的是，通过阅读下文中对附图所示优选实施方式的具体描述，本发明的上述和其他目的将变得容易理解。
附图说明
图1为根据本发明一种实施方式的稳压器示意图。
图2为该稳压器的具体实现方式示意图。
具体实施方式
参考图1，该图为根据本发明一种实施方式的稳压器10的示意图。如图1所示，稳压器10由两个反馈环路组成。第一反馈环路包括电荷泵102、晶体管梯形网络104以及控制电路106。第二反馈环路包括功率晶体管112、晶体管梯形网络114以及运算放大器116。在本实施方式中，第一反馈环路输出输出电压VPPI，功率晶体管112接收该输出电压VPPI，并由此生成输出电压VPPI_R。稳压器10还包括输出选择器120，用于选择性地输出输出电压VPPI和VPPI_R当中的一种。当然，本领域技术人员也应该认识到，输出选择器120并不是必须具备的，因为稳压器可以直接输出两个电压以提供给不同的后续电路。
具体而言，在第一反馈环路中，电荷泵102用于生成和输出输出电压VPPI。晶体管梯形网络104与电荷泵102连接，并用于通过对输出电压VPPI进行分压而生成反馈电压VFB1。控制电路106与晶体管梯形网络104连接，用于接收反馈电压VFB1，并根据反馈电压VFB1和参考电压，对输出电压VPPI的水平进行控制。第一反馈环路旨在提供具有更高电平的输出电压VPPI。
在第二反馈环路中，功率晶体管112接收输出电压VPPI，以生成输出电压VPPI_R。晶体管梯形网络114与功率晶体管112连接，并用于通过对输出电压VPPI_R进行分压而生成反馈电压VFB2。运算放大器116与功率晶体管112和晶体管梯形网络114连接，并用于通过接收反馈电压VFB2和参考电压而向功率晶体管112输出控制信号CT。控制信号CT可输出至功率晶体管112的栅极，以对功率晶体管112的漏极电流进行控制，从而将输出电压VPPI_R调节并控制于所需的水平。
在本实施方式中，以晶体管梯形网络104和114代替现有稳压器中常用的电阻器梯形网络。每一晶体管梯形网络104和114均可包括多个串联晶体管，以无需任何电阻器便可实现分压。与常用的电阻器梯形网络相比，晶体管梯形网络104和114可消耗较小的功率，且占用更小的电路面积。
参考图2，该图为稳压器10的详细实现方式示意图。在第一反馈环路中，晶体管梯形网络104包括12个以二极管连接的PMOS晶体管。晶体管梯形网络104自最底层晶体管的源极输出反馈电压VFB1。最顶层晶体管的源极和漏极之间连有开关SW1。控制电路106包括比较器202和压控振荡器(VCO)204。比较器202经其反相输入端接收反馈电压VFB1，经其正向输入端接收参考电压VREF，并通过将反馈电压VFB1与参考电压VREF相比较而生成比较信号TO_NG。比较信号TO_NG作为电压信号，对VCO 204输出时钟信号CLK的频率进行控制，而时钟信号CLK又进一步对经电荷泵102升压后的输出电压VPPI的水平进行控制。第一反馈环路的反馈控制使得反馈电压VFB1与参考电压VREF相等。在一种实施方式中，参考电压VREF等于0.8V，输出电压VPPI根据开关SW1的状态，可等于0.8V×11＝8.8V或0.8V×12＝9.6V。
在第二反馈环路中，晶体管梯形网络114包括9个以二极管连接的PMOS晶体管。晶体管梯形网络114自最底层晶体管的源极输出反馈电压VFB2。不同晶体管的源极分别连接多个开关SW2，以在开关SW2的控制下生成具有不同水平的输出电压VPPI_R。为了实现输出电压VPPI_R的自适应水平控制，稳压器10进一步包括参考选择器210和比率选择器220。比率选择器220用于通过控制开关SW2的状态而选择晶体管梯形网络114的分压比率或倍压比率。此外，运算放大器116所接收的参考电压VREFx可以自多个电压水平中选出。在本实施方式中，共有4个电压水平VREF1～VREF4可供选择，参考选择器210可从电压水平VREF1～VREF4当中选出一个参考电压VREFx。如此，第二反馈环路的反馈控制使得反馈电压VFB2与所选参考电压VREFx相等，而输出电压VPPI_R根据开关SW2的状态，可等于参考电压VREFx与倍压比率的乘积。
在该情形中，输出电压VPPI_R的水平可由参考选择器210(用于选择参考电压VREFx水平)和比率选择器220(用于选择晶体管梯形网络114的倍压或分压比率)共同确定。在本实施方式中，参考选择器210从所述四个候选电压水平VREF1～VREF4中选出一个，而开关SW2可将输出电压VPPI_R控制为使其等于反馈电压VFB2的3至8倍。由此可见，上述组合可最多生成24种不同的输出电压VPPI_R水平。
在晶体管梯形网络114中，输出水平控制由晶体管数目，晶体管连线方式以及开关的设置方式决定。为了成功实现分压和倍压，每一晶体管的栅源电压应大于该晶体管的阈值电压，而该阈值电压可接近0.7V～0.8V。因此，为了保证晶体管梯形网络114能够正确运行，反馈电压VFB2应大于晶体管的阈值电压。在该情形中，出于上述阈值电压的原因，作为反馈电压VFB2的倍数，所生成的输出电压VPPI_R限制于特定水平。在本发明中，通过将晶体管梯形网络114的比率选择与参考电压VREFx的参考水平选择相结合，可实现更为可调输出电压水平控制，从而可生成更多的输出电压VPPI_R水平。因此，本发明稳压器更为灵活，并能用于需要各种电压水平的各种应用。
需要注意的是，第一反馈环路所生成的输出电压VPPI在电荷泵102的升压作用下达到更高的电压水平。输出电压VPPI用作第二反馈环路中功率晶体管112的供电电压。因此，第二反馈环路可通过从电荷泵102接收输出电压VPPI而生成并调节输出电压VPPI_R。在参考选择器210和比率选择器220的控制下，输出电压VPPI_R可具有低于输出电压VPPI水平的各种水平。
优选地，晶体管梯形网络104和114内每一晶体管的衬底与其源极相连，以降低衬偏效应的影响。如此，晶体管梯形网络中的每一晶体管即具有相同的阈值电压，并因而具有相同的栅源电压，从而使得输出电压能够受预设晶体管数目、晶体管梯形网络连线方式以及相应开关的设置方式的精确控制。
在一种实施方式中，比率选择器220进一步用于选择第一反馈环路内的晶体管梯形网络104的分压比率或倍压比率。如图2所示，开关SW1在比率选择器220的控制下，使得电荷泵102能够生成具有不同水平的输出电压VPPI。
在输出电压VPPI和VPPI_R生成后，稳压器10的输出选择器120可选择性地将输出电压VPPI和VPPI_R当中的一个作为最终输出电压VPPX输出。在参考选择器210、比率选择器220及输出选择器120的控制下，稳压器10能够提供具有各种水平的输出电压VPPX。举例而言，第一反馈环路的电荷泵102可生成高电压水平，而功率晶体管112在第二反馈环路的良好控制下可生成低电压水平。
由此可见，本发明稳压器10能够应用于闪存等需要具有各种水平的供电电压的电路元件或模块。稳压器10可在不同的操作模式下生成不同的输出电压水平。稳压器10的操作模式可根据所述电路元件或模块中的用途，由主机或处理器指示，或者从用户或测试人员处接收。根据该操作模式，输出选择器120被控制为从输出电压VPPI和VPPI_R中选出一个作为最终输出电压VPPX。此外，还可根据稳压器10的操作模式，对参考选择器210和比率选择器220的选择操作进行控制。例如，在涉及闪存的应用中，为了对存储单元实施编程操作，编程模式需要8.8V或9.6V的供电电压。因此，可以选择高水平的输出电压VPPI。对于擦除等其他操作，稳压器10可输出低电压水平，例如第二反馈环路生成的输出电压VPPI_R。
需要注意的是，本发明的目的在于提供一种能够在不使用电阻器梯形网络的情况下输出具有各种水平的可调输出电压的稳压器。本领域技术人员可对此做出相应的修饰和变更。举例而言，图2所示稳压器10的具体结构仅仅是本发明各种实施方式当中的一种。具体而言，晶体管梯形网络104或114中的晶体管质量应该根据系统要求设置，并且晶体管梯形网络104或114同样可以用二极管等其它分压器件替代，而且不应对本发明范围构成限制。
综上所述，本发明提供一种由两个反馈环路构成的新型稳压器结构。第一反馈环路包括用于生成具有高水平的第一输出电压的电荷泵。该第一输出电压还作为第二反馈环路内功率晶体管的电压源。如此，该功率晶体管通过接收所述第一输出电压而实现对第二输出电压的生成和调节。所述稳压器的每一反馈环路均由晶体管梯形网络形成。通过将晶体管梯形网络对分压比率或倍压比率的选择操作与对参考电压的选择操作相结合，可以在无需使用电阻器的情况下实现可调输出电压。因此，本发明稳压器具有低功耗和占用面积小的优点，而且可以实现具有高可调性和高精度的输出电压。此外，本发明稳压器在实现简单结构及更小占用面积的同时，还能够输出更加稳定的第二输出电压。具体而言，电荷泵的输出是带有纹波的，而这种纹波在较高电压时(比如第一输出电压)影响较小，但当输出电压较低时(比如第二输出电压)则会产生较大的影响。而利用本发明的电路结构，由于第二反馈环路的二次调节作用，纹波也被进行了二次调节，因此纹波更小，同时这种二次调节还能够使第二输出电压更加精确(因为是在分压的基础上再分压)，因此本发明的稳压器能够输出更加稳定、精准的低电压，这种稳定、精准的低电压可以有效避免存储器被误操作。
本领域技术人员容易理解的是，在本发明技术内容范围内，还可对上述装置和方法做出各种修饰和变化。因此，以上公开内容应理解为仅由所附权利要求的范围和界限界定。

Claims (11)

1.一种稳压器，其特征在于，包括：
第一反馈环路，包括：
一电荷泵，用于输出第一输出电压；
第一晶体管梯形网络，与所述电荷泵相连接，用于对所述第一输出电压进行分压，以生成第一反馈电压；以及
一控制电路，与所述第一晶体管梯形网络相连接，用于接收所述第一反馈电压，并根据所述第一反馈电压和第一参考电压，控制所述第一输出电压的水平；以及
第二反馈环路，与所述第一反馈环路相连接，包括：
一功率晶体管，用于通过接收所述第一输出电压而输出第二输出电压；
第二晶体管梯形网络，与所述功率晶体管相连接，用于对所述第二输出电压进行分压，以生成第二反馈电压；以及
一运算放大器，与所述第二晶体管梯形网络和所述功率晶体管相连接，用于通过接收所述第二反馈电压和第二参考电压，向所述功率晶体管输出控制信号，所述第二参考电压为一个固定电压或从多个电压水平中选择的电压。
2.如权利要求1所述的稳压器，其特征在于，所述控制电路包括：
一比较器，用于通过将所述第一反馈电压与所述第一参考电压相比较而生成比较信号；以及
一压控振荡器，用于根据所述比较信号输出时钟信号，以对所述第一输出电压的水平进行控制。
3.如权利要求1所述的稳压器，其特征在于，还包括：
一输出选择器，与所述第一反馈环路和所述第二反馈环路相连接，用于根据所述稳压器的操作模式，选择性地输出所述第一输出电压和所述第二输出电压中的一个。
4.如权利要求1所述的稳压器，其特征在于，还包括：
一参考选择器，用于根据所述稳压器的操作模式，将所述第二参考电压选择为具有所述多个电压水平中一个的电压水平。
5.如权利要求4所述的稳压器，其特征在于，还包括：
一比率选择器，用于根据所述稳压器的所述操作模式，选择所述第二晶体管梯形网络的分压比率。
6.如权利要求5所述的稳压器，其特征在于，所述第二输出电压的水平由所述参考选择器和所述比率选择器共同确定。
7.如权利要求5所述的稳压器，其特征在于，所述比率选择器还用于根据所述稳压器的所述操作模式，选择所述第一晶体管梯形网络的分压比率。
8.如权利要求1所述的稳压器，其特征在于，所述第一输出电压用作所述功率晶体管的供电电压，以使得所述功率晶体管能够生成和调控所述第二输出电压，其中所述第二输出电压低于所述第一输出电压。
9.如权利要求1所述的稳压器，其特征在于，所述第一晶体管梯形网络在不使用电阻器的情况下对所述第一输出电压进行分压，和/或所述第二晶体管梯形网络在不使用电阻器的情况下对所述第二输出电压进行分压。
10.如权利要求1所述的稳压器，其特征在于，所述稳压器用于将所述第一输出电压或所述第二输出电压供应至一闪存。
11.如权利要求10所述的稳压器，其特征在于，所述第一输出电压用于所述闪存的编程操作。
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