CN111124022A - 数字线性调节器与功率金属氧化物半导体数组 - Google Patents
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Abstract
本发明是关于一种适用于数字线性调节器的功率金属氧化物半导体数组，包含多个金属氧化物半导体电路，每一个金属氧化物半导体电路包含第一金属氧化物半导体晶体管与第二金属氧化物半导体晶体管，其电性串联于电源与数字线性调节器的输出节点之间。第一金属氧化物半导体晶体管作为电流源，受控于输出节点的输出电压。
Description
技术领域
本发明是有关一种线性调节器，特别是关于一种具动态电流源功率金属氧化物半导体(MOS)数组的数字线性调节器。
背景技术
线性电压调节器，例如低压降(low-dropout)调节器为一种直流线性电压调节器，可适用以调节输出电压。由于其尺寸小且设计简单，因此普遍应用于单芯片系统(systemon chip)以提供个别电压。数字线性调节器由于其低压操作，因此较佳应用于现代系统。
传统数字线性调节器于非稳定的瞬时(例如过冲(overshoot)或下冲(undershoot)电压)时，由于其须等待下一频率周期或/且模拟至数字转换(ADC)的转换时间，因此回复较慢或消耗较大功率。一些数字线性调节器虽然具有改良的瞬时回复或较小功耗，然而数字线性调节器会干扰相同接地的其他电路。
因此亟需提出一种新颖的数字线性调节器，以克服传统数字线性调节器的缺失。
发明内容
鉴于上述，本发明的目的在于提出一种回复较快或消耗较小功率且不会干扰相同接地的其他电路的具动态电流源功率金属氧化物半导体(MOS)数组的数字线性调节器，。
本发明的目的是采用以下技术方案来实现的。
本发明提出一种适用于数字线性调节器的功率金属氧化物半导体数组包含多个金属氧化物半导体电路。每一个金属氧化物半导体电路包含第一金属氧化物半导体晶体管与第二金属氧化物半导体晶体管，其电性串联于电源与数字线性调节器的输出节点之间。其中第一金属氧化物半导体晶体管作为电流源，受控于输出节点的输出电压。
本发明的目的还可采用以下技术措施进一步实现。
所述的功率金属氧化物半导体数组，其中该第一金属氧化物半导体晶体管包含源极、漏极及栅极，源极电性连接至该电源；漏极电性连接至该第二金属氧化物半导体晶体管的源极；及栅极，电性连接该第二金属氧化物半导体晶体管的漏极与该输出节点。
所述的功率金属氧化物半导体数组，其中该第二金属氧化物半导体晶体管包含栅极，电性连接至移位暂存器的移位输出的相应位。
本发明的目的还可采用以下技术措施进一步实现。
本发明还提出一种数字线性调节器，其包含微调功率金属氧化物半导体数组、微调回路控制器、粗调功率金属氧化物半导体数组、粗调回路控制器，微调回路控制器于稳态时开启该微调功率金属氧化物半导体数组，以产生该数字线性调节器的输出电压，粗调回路控制器于瞬时时开启该粗调功率金属氧化物半导体数组，以产生该输出电压，其中该粗调功率金属氧化物半导体数组包含多个金属氧化物半导体电路，每一个该金属氧化物半导体电路包含第一金属氧化物半导体晶体管与第二金属氧化物半导体晶体管，其电性串联于电源与提供该输出电压的输出节点之间，且该第一金属氧化物半导体晶体管作为电流源，受控于该输出电压。
所述的数字线性调节器，其中该第一金属氧化物半导体晶体管包含源极、漏极及栅极，源极电性连接至该电源，漏极电性连接至该第二金属氧化物半导体晶体管的源极，及栅极电性连接该第二金属氧化物半导体晶体管的漏极与该输出节点。
所述的数字线性调节器，其中该第二金属氧化物半导体晶体管包含栅极，电性连接至该粗调回路控制器的移位输出的相应位。
所述的数字线性调节器，更包含模拟至数字转换器暨状态电路，用以进行模拟至数字转换，且根据该输出电压以决定该数字线性调节器的目前状态为稳态或瞬时。
所述的数字线性调节器，其中该模拟至数字转换器暨状态电路包含比较器、模拟至数字转换器及状态电路，比较器接收该输出电压与默认参考电压，据以产生比较信号，模拟至数字转换器用以产生模拟至数字转换输出，其为该输出电压与该参考电压的差值，及状态电路根据该模拟至数字转换输出，以产生事件信号，其代表目前状态。
所述的数字线性调节器，其中该微调回路控制器包含微调回路移位暂存器，接收该比较信号，据以产生微调移位输出，用以于稳态时启动该微调功率金属氧化物半导体数组。
所述的数字线性调节器，其中该粗调回路控制器包含粗调回路移位暂存器，接收该比较信号，据以产生粗调移位输出，用以于瞬时时启动该粗调功率金属氧化物半导体数组。
所述的数字线性调节器，其中该粗调功率金属氧化物半导体数组包含多个粗调功率金属氧化物半导体晶体管，且该微调功率金属氧化物半导体数组包含多个微调功率金属氧化物半导体晶体管，其中该粗调功率金属氧化物半导体晶体管的尺寸大于该微调功率金属氧化物半导体晶体管。
所述的数字线性调节器，其中该粗调回路控制器的操作快于该微调回路控制器。
所述的数字线性调节器，其中该微调功率金属氧化物半导体数组包含多个第二金属氧化物半导体电路，每一个该第二金属氧化物半导体电路包含第一金属氧化物半导体晶体管与第二金属氧化物半导体晶体管，其电性串联于电源与该输出节点之间，且该第二金属氧化物半导体电路的该第一金属氧化物半导体晶体管作为电流源，受控于该输出电压。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图,详细说明如下。
附图说明
图1A显示本发明实施例的具动态电流源功率金属氧化物半导体(MOS)数组的数字线性调节器的方框图。
图1B例示部分图1A的细部方框图。
图2A显示图1A的微调功率数组的电路图。
图2B显示图1A的粗调功率数组的电路图。
图2C显示图2B的金属氧化物半导体电路的等效电路。
图3显示图2B的数字线性调节器的相关信号的波形。
图4显示图2B的粗调功率数组的相关信号的波形。
【主要元件符号说明】
100：数字线性调节器
10：负载
11：微调回路控制器
111：微调回路移位暂存器
12：微调功率金属氧化物半导体数组
13：粗调回路控制器
131：粗调回路移位暂存器
14：粗调功率金属氧化物半导体数组
141：金属氧化物半导体电路
15：模拟至数字转换器暨状态电路
151：比较器
152：模拟至数字转换器
MOS：金属氧化物半导体
Vout：输出电压
Vref：参考电压
Vcomp：比较信号
ENT：事件信号
CLK_f：第一频率信号
CLK_c：第二频率信号
F：微调移位输出
C：粗调移位输出
M0：金属氧化物半导体晶体管
M1：第一金属氧化物半导体晶体管
M2：第二金属氧化物半导体晶体管
Vdd：电源
ISD(M1)：源极至漏极电流
Iload：负载电流
具体实施方式
图1A显示本发明实施例的具动态电流源功率金属氧化物半导体(MOS)数组的数字线性调节器(regulator)100的方框图，图1B例示部分图1A的细部方框图。本实施例的数字线性调节器100可适用于单芯片系统(system on chip)以提供个别电压。
在本实施例中，数字线性调节器100可包含微调回路(fine-loop)控制器11及微调功率金属氧化物半导体数组(以下简称微调功率数组)12。于稳态(steady state)，数字线性调节器100的调节输出电压Vout为稳定的，微调回路控制器11可开启微调功率数组12，其包含有多个微调功率金属氧化物半导体晶体管，以产生输出电压Vout。负载10连接于输出电压Vout与地之间，以接收输出电压Vout。
数字线性调节器100可包含粗调回路(coarse-loop)控制器13及粗调功率金属氧化物半导体数组(以下简称粗调功率数组)14。于瞬时(transient state或不稳态)，数字线性调节器100的调节输出电压Vout为不稳定的，粗调回路控制器13可开启粗调功率数组14，其包含有多个粗调功率金属氧化物半导体晶体管，以产生输出电压Vout。一般来说，粗调功率数组14的粗调功率金属氧化物半导体晶体管的尺寸大于微调功率数组12的微调功率金属氧化物半导体晶体管。
本实施例的数字线性调节器100可包含模拟至数字转换器(ADC)暨状态电路15，用以进行模拟至数字转换，且根据输出电压Vout以决定数字线性调节器100的目前状态(亦即稳态或瞬时)。
本实施例的模拟至数字转换器暨状态电路15可包含比较器151，其接收数字线性调节器100的输出电压Vout与(默认)参考电压Vref，据以产生比较信号Vcomp。模拟至数字转换器暨状态电路15可包含模拟至数字转换器(ADC)152，用以产生(数字)模拟至数字转换输出，其为输出电压Vout与参考电压Vref的差值。模拟至数字转换器暨状态电路15可包含状态电路153，其根据模拟至数字转换输出以产生事件信号ENT，以代表目前状态。
本实施例的微调回路控制器11主要包含微调回路移位暂存器111，其接收比较信号Vcomp，据以产生微调移位输出F。微调回路移位暂存器111可包含串联的正反器(flipflop)(未显示于图式)，受控于第一频率信号CLK_f。根据本实施例的特征之一，微调回路移位暂存器111可被事件信号ENT开启，于稳态期间可节省功率。当事件信号ENT为非主动(de-asserted)时，表示输出电压Vout为稳定的稳态，则开启微调回路移位暂存器111。
本实施例的粗调回路控制器13主要包含粗调回路移位暂存器131，其接收比较信号Vcomp，据以产生粗调移位输出C。粗调回路移位暂存器131可接收模拟至数字转换输出以加速位移。粗调回路移位暂存器131可包含串联的正反器(flip flop)(未显示于图式)，受控于第二频率信号CLK_c，其快于第一频率信号CLK_f。根据本实施例的另一特征，粗调回路移位暂存器131可被事件信号ENT关闭，于稳态期间可节省功率。当事件信号ENT为主动(asserted)时，表示输出电压Vout为不稳定的瞬时，则开启粗调回路移位暂存器131。另一方面，当事件信号ENT为非主动(de-asserted)时，表示输出电压Vout为稳定的稳态，则关闭粗调回路移位暂存器131。
图2A显示图1A的微调功率数组12的电路图。微调功率数组12(自微调回路移位暂存器111)接收微调移位输出F，据以产生输出电压Vout。在本实施例中，微调功率数组12可包含多个并联的金属氧化物半导体晶体管M0，例如P型金属氧化物半导体晶体管(PMOS)，其源极分别电性连接至电源Vdd，其漏极分别电性连接至输出节点，其提供输出电压Vout。金属氧化物半导体晶体管M0的栅极分别电性连接微调移位输出F的位。
图2B显示图1A的粗调功率数组14的电路图。粗调功率数组14(自粗调回路移位暂存器131)接收粗调移位输出C，据以产生输出电压Vout。在本实施例中，粗调功率数组14可包含多个金属氧化物半导体电路141。根据本实施例的另一特征，每一个金属氧化物半导体电路141可包含第一金属氧化物半导体晶体管(例如P型金属氧化物半导体晶体管)M1与第二金属氧化物半导体晶体管(例如P型金属氧化物半导体晶体管)M2，其电性串联于电源Vdd与输出节点(其提供输出电压Vout)之间。其中，第一金属氧化物半导体晶体管M1的源极电性连接至电源Vdd，其漏极电性连接至第二金属氧化物半导体晶体管M2的源极，其栅极电性连接至第二金属氧化物半导体晶体管M2的漏极与输出节点(其提供输出电压Vout)。第二金属氧化物半导体晶体管M2的栅极分别电性连接粗调移位输出C的位。在另一实施例中，微调功率数组12也可使用第二B图2B的电路架构。
图2C显示图2B的金属氧化物半导体电路141的等效电路。在本实施例中，第一金属氧化物半导体晶体管M1作为电流源，受控于输出电压Vout。第一金属氧化物半导体晶体管M1提供源极至漏极电流ISD(M1)，流向输出节点(其提供输出电压Vout)。负载10因此得到负载电流Iload，其包含所有金属氧化物半导体电路141所提供的源极至漏极电流ISD(M1)。于上升(up)瞬时时(亦即负载电流Iload从低变为高)，若输出电压Vout下降，则电流源(亦即第一金属氧化物半导体晶体管M1)因阻抗减少而提供更多的源极至漏极电流ISD(M1)，且输出电压Vout的下冲(undershoot)可减少。此外，输出电压Vout可因此于短时间从非稳定状态回复。另一方面，于下降(down)瞬时时(亦即负载电流Iload从高变为低)，若输出电压Vout上升，则电流源(亦即第一金属氧化物半导体晶体管M1)因阻抗增加而提供更少的源极至漏极电流ISD(M1)，且输出电压Vout的过冲(overshoot)可减少。此外，输出电压Vout可因此于短时间从非稳定状态回复。
图3显示图1B的数字线性调节器100的相关信号的波形。于状态1(亦即稳态)，输出电压Vout为稳定，其振幅位于电压窗口(Vref±ΔV)内。于稳态，关闭粗调回路移位暂存器131，但开启微调回路移位暂存器111以启动微调功率数组12，用以提供输出电压Vout。一般来说，微调功率数组12(及微调回路移位暂存器111)较粗调功率数组14(及粗调回路移位暂存器131)的操作速度慢、消耗较少功率且产生较高输出电压精准度。由于微调功率数组12(及微调回路移位暂存器111)消耗较少功率，数字线性调节器100因此可以降低长期的功率消耗。
于状态2(亦即瞬时)，输出电压Vout为不稳定，其过冲(overshoot)或下冲(undershoot)电压超出电压窗口(Vref±ΔV)。于瞬时，关闭微调回路移位暂存器111，但开启粗调回路移位暂存器131以启动粗调功率数组14，用以提供输出电压Vout。由于粗调功率数组14(及粗调回路移位暂存器131)的操作速度快，输出电压Vout因此可以于短时间从非稳定情况回复。
根据上述实施例，数字线性调节器100提供双回路控制机制以产生输出电压Vout。其中，于稳态，微调功率数组12及微调回路控制器11形成微调回路，其具有较低的功耗与较高的输出电压精准度。另一方面，于瞬时，粗调功率数组14及粗调回路控制器13形成粗调回路，其具有较快的操作速度。
图4显示图2B的粗调功率数组14的相关信号的波形。根据本实施例的粗调功率数组14的特征之一，第一金属氧化物半导体晶体管M1作为电流源，受控于输出电压Vout。图4的虚线显示粗调功率数组14未使用第一金属氧化物半导体晶体管M1的相关信号的波形。根据本实施例，与数字线性调节器100相同接地的其他电路不会受到数字线性调节器100的干扰。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明,任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内,当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例,但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (12)
1.一种适用于数字线性调节器的功率金属氧化物半导体数组，其特征在于，包含：
多个金属氧化物半导体电路，每一个该金属氧化物半导体电路包含第一金属氧化物半导体晶体管与第二金属氧化物半导体晶体管，其电性串联于电源与该数字线性调节器的输出节点之间；
其中该第一金属氧化物半导体晶体管作为电流源，受控于该输出节点的输出电压。
2.根据权利要求1所述的功率金属氧化物半导体数组，其特征在于，其中该第一金属氧化物半导体晶体管包含：
源极，电性连接至该电源；
漏极，电性连接至该第二金属氧化物半导体晶体管的源极；及
栅极，电性连接该第二金属氧化物半导体晶体管的漏极与该输出节点；
其中该第二金属氧化物半导体晶体管包含栅极，电性连接至移位暂存器的移位输出的相应位。
3.一种数字线性调节器，其特征在于，包含：
微调功率金属氧化物半导体数组；
微调回路控制器，于稳态时开启该微调功率金属氧化物半导体数组，以产生该数字线性调节器的输出电压；
粗调功率金属氧化物半导体数组；
粗调回路控制器，于瞬时时开启该粗调功率金属氧化物半导体数组，以产生该输出电压；
其中该粗调功率金属氧化物半导体数组包含多个金属氧化物半导体电路，每一个该金属氧化物半导体电路包含第一金属氧化物半导体晶体管与第二金属氧化物半导体晶体管，其电性串联于电源与提供该输出电压的输出节点之间，且该第一金属氧化物半导体晶体管作为电流源，受控于该输出电压。
4.根据权利要求3所述的数字线性调节器，其特征在于，其中该第一金属氧化物半导体晶体管包含：
源极，电性连接至该电源；
漏极，电性连接至该第二金属氧化物半导体晶体管的源极；及
栅极，电性连接该第二金属氧化物半导体晶体管的漏极与该输出节点。
5.根据权利要求4所述的数字线性调节器，其特征在于，其中该第二金属氧化物半导体晶体管包含栅极，电性连接至该粗调回路控制器的移位输出的相应位。
6.根据权利要求3所述的数字线性调节器，其特征在于，更包含：
模拟至数字转换器暨状态电路，用以进行模拟至数字转换，且根据该输出电压以决定该数字线性调节器的目前状态为稳态或瞬时。
7.根据权利要求6所述的数字线性调节器，其特征在于，其中该模拟至数字转换器暨状态电路包含：
比较器，接收该输出电压与默认参考电压，据以产生比较信号；
模拟至数字转换器，用以产生模拟至数字转换输出，其为该输出电压与该参考电压的差值；及
状态电路，根据该模拟至数字转换输出，以产生事件信号，其代表目前状态。
8.根据权利要求7所述的数字线性调节器，其特征在于，其中该微调回路控制器包含：
微调回路移位暂存器，接收该比较信号，据以产生微调移位输出，用以于稳态时启动该微调功率金属氧化物半导体数组。
9.根据权利要求7所述的数字线性调节器，其特征在于，其中该粗调回路控制器包含：
粗调回路移位暂存器，接收该比较信号，据以产生粗调移位输出，用以于瞬时时启动该粗调功率金属氧化物半导体数组。
10.根据权利要求3所述的数字线性调节器，其特征在于，其中该粗调功率金属氧化物半导体数组包含多个粗调功率金属氧化物半导体晶体管，且该微调功率金属氧化物半导体数组包含多个微调功率金属氧化物半导体晶体管，其中该粗调功率金属氧化物半导体晶体管的尺寸大于该微调功率金属氧化物半导体晶体管。
11.根据权利要求3所述的数字线性调节器，其特征在于，其中该粗调回路控制器的操作快于该微调回路控制器。
12.根据权利要求3所述的数字线性调节器，其特征在于，其中该微调功率金属氧化物半导体数组包含：
多个第二金属氧化物半导体电路，每一个该第二金属氧化物半导体电路包含第一金属氧化物半导体晶体管与第二金属氧化物半导体晶体管，其电性串联于电源与该输出节点之间，且该第二金属氧化物半导体电路的该第一金属氧化物半导体晶体管作为电流源，受控于该输出电压。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20200508 |