CN111542797A - 双回路自适应ldo稳压器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种稳压器电路。在一个实施方案中，低压差(LDO)稳压器包括电压回路和电流回路。该电流回路包括耦接到LDO稳压器的输出节点的源极跟随器，该源极跟随器是用PMOS晶体管实现的。该电流回路还包括电流镜，该电流镜耦接在该电流回路的第一分支和该电流回路的第二分支之间。所述源极跟随器是在所述电流回路的所述第二分支中实现的。电压回路包括放大器电路，该放大器电路具有耦接到该输出节点的反相输入端，以及被耦接以接收基准电压的非反相输入端。放大器的输出端耦接到电流镜的PMOS晶体管的栅极端子。

Description

双回路自适应LDO稳压器
技术领域
本公开涉及电子电路，并且更具体地涉及稳压器电路。
背景技术
稳压器通常用于多种电路以便向特定电路提供期望的电压。为此，有多种稳压器电路可用于满足各种应用。线性稳压器用于许多不同的应用中，其中可用的供电电压超出待供电电路的合适的值。因此，线性稳压器可输出小于所接收的供电电压的电压。
一些线性稳压器可分级被实现。每个级可有助于基于所提供的输入电压(例如，来自外部源)生成输出电压。这些级可彼此耦接，其中电容器耦接到每个级的输出。这些电容器可稳定由各级输出的电压。在实现于集成电路(IC)上的稳压器中，给定稳压器级的输出可具有用于耦接到在IC(例如，在印刷电路板或PCB上)外部实现的电容器的外部连接。
发明内容
本发明公开了一种稳压器电路。在一个实施方案中，低压差(LDO)稳压器包括电压回路和电流回路。该电流回路包括耦接到LDO稳压器的输出节点的源极跟随器，该源极跟随器是用PMOS晶体管实现的。该电流回路还包括电流镜，该电流镜耦接在该电流回路的第一分支和该电流回路的第二分支之间。该源极跟随器是在电流回路的第二分支中实现的。电压回路包括放大器电路，该放大器电路具有耦接到该输出节点的反相输入端，以及被耦接以接收基准电压的非反相输入端。放大器的输出端耦接到电流镜的PMOS晶体管的栅极端子。
在一个实施方案中，用于操作LDO稳压器的方法包括电流回路控制提供给负载电路的电流量并且电压回路控制输出电压。电流回路被设计成快速感测变化，并且因此可快速调节负载电流，同时为稳压器输出端增加稳定性。电压回路是对输出电压进行微调的慢压反馈回路，并且针对高增益进行了优化。其可被设计成使得其响应足够慢以进一步增强稳定性。
还公开了一种实现为集成电路的功率管理单元(PMU)。该功率管理单元可包括多个电路块，该多个电路块中的至少一个电路块包括如本文所讨论的LDO稳压器(还设想了具有本文所讨论的LDO稳压器的多个实例的实施方案)。由于上文讨论的LDO稳压器可在不使用外部电容器的情况下实现，因此可将多个实例分布在芯片上，而不是具有外部电容器连接件的单个实例。电路块可包括控制和功率电路，并且可被耦接以将功率分配到在其中实现该电路块的系统的各种电压域。
附图说明
下面的详细描述参照附图，现在对这些附图进行简要说明。
图1是稳压器电路的一个实施方案的示意图。
图2是集成电路的一个实施方案的框图。
图3是用于操作稳压器的方法的一个实施方案的流程图。
图4是示例性系统的一个实施方案的框图。
尽管本文所公开的实施方案易受各种修改形式和替代形式的影响，但本发明的特定实施方案在附图中以举例的方式示出并在本文中详细描述。然而，应该理解，附图和对其的详细描述并非旨在将权利要求的范围限制于所公开的特定形式。相反，本申请旨在覆盖落入由所附权利要求限定的本申请的公开内容的精神和范围内的所有修改、等同物和另选方案。
本公开包括对“一个实施方案”、“特定实施方案”、“一些实施方案”、“各种实施方案”或“实施方案”的引用。出现短语“在一个实施方案中”、“在特定实施方案中”、“在一些实施方案中”、“在各种实施方案中”或“在实施方案中”并不一定是指同一个实施方案。特定特征、结构或特性可以与本公开一致的任何合适的方式被组合。
在本公开内，不同实体(其可被不同地称为“单元”、“电路”、其他部件等)可被描述或声称成“被配置为”执行一个或多个任务或操作。此表达方式—被配置为[执行一个或多个任务]的[实体]—在本文中用于指代结构(即，物理的事物，诸如电子电路)。更具体地，此表达方式用于指示此结构被布置成在操作期间执行一个或多个任务。结构可被说成“被配置为”执行某个任务，即使该结构当前并非正被操作。“被配置为将积分分发到多个处理器内核的积分分发电路”旨在涵盖例如具有在操作期间执行该功能的电路的集成电路，即使所涉及的集成电路当前并非正被使用(例如电源未连接到它)。因此，被描述或表述为“被配置为”执行某个任务的实体指代用于实施该任务的物理的事物，诸如设备、电路、存储有可执行程序指令的存储器等。此短语在本文中不被用于指代无形的事物。
术语“被配置为”并不旨在意指“可配置为”。例如，未经编程的FPGA不会被认为是“被配置为”执行某个特定功能，虽然在编程之后其可能“可配置为”执行该功能。
所附权利要求书中的表述结构“被配置为”执行一个或多个任务明确地旨在对该权利要求要素不援引35U.S.C.§112(f)。于是，所提交的本申请中没有任何权利要求旨在要被解释为具有装置-加-功能要素。如果申请人在申请过程中想要援引112(f)部分，则其将利用“用于[执行功能]的装置”结构来表述权利要求的要素。
如本文所用，术语“基于”用于描述影响确定的一个或多个因素。此术语不排除可能有附加因素可影响确定。也就是说，确定可仅基于指定的因素或基于所指定的因素及其他未指定的因素。考虑短语“基于B确定A”。此短语指定B是用于确定A的因素或者B影响A的确定。此短语并不排除A的确定也可基于某个其他因素诸如C。此短语也旨在覆盖A仅基于B来确定的实施方案。如本文所用，短语“基于”与短语“至少部分地基于”是同义的。
如本文所用，短语“响应于”描述触发效果的一个或多个因素。该短语并未排除其他因素可能影响或以其他方式触发效果的可能性。也就是说，效果可以仅仅响应于这些因素，或者可以响应于指定的因素以及其他未指定的因素。考虑短语“响应于B执行A”。该短语指定B是触发A的性能的因素。该短语不排除执行A也可能响应于某些其他因素，诸如C。该短语还旨在涵盖其中仅响应于B而执行A的实施方案。
如本文所用，术语“第一”、“第二”等充当其之后的名词的标签，并且不暗指任何类型的排序(例如，空间的、时间的、逻辑的等)，除非另有说明。例如，在具有八个寄存器的寄存器文件中，术语“第一寄存器”和“第二寄存器”可用于指八个寄存器中的任两个，而不是例如仅逻辑寄存器0和1。
在权利要求书中使用时，术语“或”被用作包含性的或，而不是排他性的或。例如，短语“x、y或z中的至少一个”表示x、y和z中的任何一个以及它们的任何组合。
在以下描述中，阐述了许多具体细节，以提供对所述实施方案的透彻理解。然而，本领域的普通技术人员应当认识到，可在没有这些具体细节的情况下实践所公开的实施方案的方面。在一些情况下，未详细示出熟知的电路、结构、信号、计算机程序指令和技术，以免模糊所公开的实施方案。
具体实施方式
现在转向图1，示出了稳压器电路的一个实施方案的示意图。所示实施方案中的稳压器100是低压差(LDO)稳压器，其被耦接以从外部源(VDD)接收电压并向输出节点(VLDO)上的负载提供输出电压。
在所示的实施方案中，稳压器100包括经由PMOS晶体管MP1彼此耦接的电压回路和电流回路。电压回路包括放大器Av，该放大器的输出端(节点Vset)耦接到MP1的栅极端子。Av的反相输入端耦接到输出节点VLDO，而非反相输入耦接以接收参考电压VRef。
稳压器100的电流回路还包括MP1，该MP1以源极跟随器配置被连接(因此，输出节点VLDO耦接到MP1的源极)。如图所示的源极跟随器布置结构为稳压器100产生低输出阻抗。电流回路还包括使用晶体管MP2和MP3实现的电流镜，以及偏压晶体管。电流镜电路可实现通过MP2和MP3的相应电流之间的1:N电流关系(即，通过MP3的电流是通过MP2的电流的N倍，其中N是任何合适的值)。偏压晶体管是使用NMOS设备MN1来实现的，该NMOS设备MN1被耦接以在其栅极端子上接收偏压电压Vb。电流回路可被视为被实现具有两个单独的分支，例如，包括偏压晶体管MN1的第一分支，以及包括使用MP1实现的源极跟随器的第二分支。电流镜(并且更具体地讲，MP2和MP3的栅极端子)和偏压电压节点Vbs通过将第一分支和第二分支耦接在一起来闭合回路。电流回路的晶体管MP2是电流镜的二极管耦接设备，并且是在第一分支中实现的。电流回路的晶体管MP3是在第二分支中实现的。
稳压器100还包括偏压电流源Ib以及一对偏压电阻器Rb1和Rb2。偏压电流源和偏压电阻器Rb1都耦接到偏压电压节点Vbs。第二偏压电阻器耦接在VDD与MP2和MP3的栅极端子之间。
电阻器RL和电容器CL分别表示耦接到稳压器100的负载电路的电阻和电容。
例示的实施方案中的电压回路是对VLDO上提供的输出电压进行微调的慢电压反馈回路。所示实施方案中的电压回路设计针对高增益进行了优化。此外，该电压回路可以设计成使得其足够慢以增强电路的总体稳定性。通常，放大器的输出端响应缓慢，并且Vset节点上存在的电压通常为变化非常缓慢的D.C.电压。尽管本文未示出，但一些实施方案可增加Vset节点处的电容以进一步增强稳定性。
例示的实施方案中的电流回路是可在输出端中快速感测并相应地调节负载电流的电流反馈回路。该回路针对高速而被最优化以便足够快地响应于负载的变化。这种能力连同电压回路的功能可进一步帮助维持稳定的输出电压。该设计的结果(包括电压回路和电流回路两者)可允许在调节负载电路中的变化条件时增加稳定性以及响应性的高速。因此，本文所示的设计可适用于多种不同类型的负载电路。这可减少将稳压器调谐到特定类型或设计的负载电路的需要。
所示实施方案中的稳压器100的设计实现负载自适应机构。在电流镜中，二极管耦接设备MP2感测负载电流(通过MP2的电流可表示为IL/N，其中IL是负载电流，并且N是MP3电流与MP2的电流的比率)。根据通过MP2的电流，晶体管MN1上的栅极-源极电压(Vgs)可改变，并且因此偏压电压Vbs可相应地改变。当负载电流为高时，通过MP2的电流为高，MN1上的的栅极-源极电压也高，而通过MP1的电流以及电压Vbs为低。相反，当通过MP2的电流为低时，MN1上的栅极-源极电压也为低，而Vbs处的偏压电压和通过MP1的电流均为高。一般来讲，可以根据由负载电路汲取的电流在第一分支(包括MN1)和第二分支(包括MP1)之间分配电流回路中的电流。
应当注意，图1所示的电路是示例性的，并非旨在进行限制。相比之下，图1所示的电路的变型是可能的并且是可设想的，同时落入本公开的范围内。例如，在一些实施方案中，可以在给定某些负载特性的情况下移除偏压电阻器Rb2。
图2是实现为集成电路上的电路的功率管理单元(PMU)的一个实施方案的框图。在所示的实施方案中，PMU 200包括多个功率电路，该多个功率电路中的每个功率电路实现如上所述的LDO 100的版本。图示实施方案中的每个LDO稳压器100被配置为经由标记为Vdd_Ext的功率总线接收其供电电压，该功率总线可耦接到外部功率源。该外部功率源可以是电池、外部电源或用于向如本文所示的LDO稳压器的实例提供功率的任何其他合适的机构。如本文所公开的LDO稳压器100中的至少一个LDO稳压器可根据上文所讨论的电路来实现。具体地讲，LDO稳压器100中的至少一个LDO稳压器可包括电流回路和电压回路两者，并且可在不向外部电容器提供任何连接的情况下实现，其中唯一外部电容由其所耦接到的负载电路提供。具有符合上文讨论的设计的LDO稳压器100中的多于一个LDO稳压器的实施方案也是可能的并且被设想为其中所有LDO稳压器100均符合本文所公开的设计的实施方案。
可至少部分地通过LDO稳压器100的设计来使能如本文所示的PMU200的实施方案。代替被耦接以向本文所示的(非LDO)电路块中的每个电路块提供调节电压的单个稳压器，通过提供LDO稳压器100的一个或多个实例来分配调节电压的提供。这部分地由于以下事实而成为可能：本文所讨论的LDO稳压器100的各种实施方案不需要耦接到外部电容器。因此，在其上实现PMU 200的IC不需要为使用落入参考图1所讨论的范围内的设计实现的那些LDO稳压器提供用于将外部电容器耦接到LDO稳压器100的各种实例的任何电路路径。
该实施方案中所示的LDO稳压器中的一个LDO稳压器向数字内核201提供电压，而其余LDO稳压器耦接到功率控制电路，该功率控制电路各自包括控制电路202和功率电路204。各个块中的功率电路204可以是不同类型的电路，并且在所示的实施方案中，功率电路204中的每个功率电路不必是相同类型的。例如，所示实施方案中的功率电路204中的至少一个功率电路可以是开关式稳压器，该开关式稳压器被配置为向在PMU 200外部的芯片(例如，在耦接到芯片的另一集成电路上的特定电压域外部)上实现的功能电路块(FCB)提供电压。在另一个实施方案中，功率电路204的给定实例可以实现用于允许将功率选择性地施加到FCB的功率开关。包括开关式稳压器和功率开关两者的功率电路204的实施方案也是可能的并且被设想到。本文所示的功率电路204中的每个功率电路被耦接以从其对应耦接的LDO稳压器100接收其供电电压，并且继而被配置为向在不同集成电路上实现的FCB提供供电电压。然而，需注意，如本文所示的功率控制电路的各种实例可在具有不同功能的另一IC(即，不是PMU的IC)上实现。
该功率控制电路中的每个功率控制电路中的控制电路202可提供各种功率控制功能。例如，如果对应的功率电路204包括功率开关，则控制电路202可包括用于使功率开关打开和闭合以及确定应何时采取此类动作的电路。在另一个示例中，如果功率电路204包括具有可变电压输出的另一个电压源，则对应的控制电路202该可调节可变输出电压。尽管未明确示出，但控制电路202中的至少一些控制电路可被耦接以从其他电路接收信息，该其他电路诸如功率电路204向其提供供电电压的对应FCB。此类信息可包括诸如活动级别、性能状态(和/或所请求的性能状态)等的信息。一般来讲，所示实施方案中的每个控制电路202可关于其对应耦接的功率电路204提供适当的控制和监测功能。此外，所示实施方案中的控制电路202中的每个控制电路可从其对应耦接的LDO稳压器100接收其操作电压。
所示实施方案中的数字内核201可为PMU 200提供高级控制功能。例如，每个控制电路202可被耦接以向数字内核201提供关于其对应的功率电路204的操作的信息。在一些实施方案中，数字内核201还可向各种功率控制电路中的每个功率控制电路提供控制信号。数字内核201还可执行各种遥测和系统监测功能。一般来讲，数字内核可为可用于控制和/或监测功能的任何电路，该控制和/或监测功能包括与来自各种功率电路204的功率分配相关的那些功能。与本文所示的其他电路单元一样，数字内核201被耦接以从LDO稳压器100的实例接收其供电电压。
图3是示出用于操作稳压器电路的方法的一个实施方案的流程图。如本文所讨论的方法300可利用上文所讨论的LDO稳压器100的实施方案以及本文未明确讨论的实施方案来实现。此类实施方案可被认为落入本公开的范围内。
方法300开始于向LDO稳压器提供外部供电电压(框305)。LDO稳压器相应地向其他电路提供经调节的输出电压作为供电电压。对输出电压的控制由LDO稳压器的电压回路提供(框310)。对由稳压器提供的输出电流的控制由LDO稳压器的电流回路执行(框315)。
电压回路和电流回路的组合可允许LDO稳压器的各种实施方案以保持稳定输出同时对对应耦接的负载电路中的变化提供快速响应的方式来操作。具体地讲，电流回路可以是快速响应反馈电路，该快速响应反馈电路快速地响应负载电路对输出电流的需求的变化。另一方面，电压回路可以是慢响应反馈电路，该慢响应反馈电路有助于在宽范围的操作条件下保持稳定的输出电压。共同地，电压回路和电流回路使能稳压器，该稳压器具有快速响应时间(由于负载的变化的操作条件)同时提供稳定的输出电压。
接下来转向图4，其示出了系统150的一个实施方案的框图。在例示的实施方案中，该系统150包括耦接至外部存储器158的集成电路10的至少一个实例。该集成电路10可包括耦接至外部存储器158的存储器控制器。该集成电路10耦接到一个或多个外围设备154、以及外部存储器158。还提供了向集成电路10供应供电电压并且向存储器158和/或外围设备154供应一个或多个供电电压的电源156。在一些实施方案中，可包括集成电路10的多于一个实例(也可包括多于一个外部存储器158)。
根据系统150的类型，外围设备154可包括任何期望的电路。例如，在一个实施方案中，系统150可以是移动设备(例如个人数字助理(PDA)、智能电话等)，并且外围设备154可包括用于各种类型的无线通信的设备，诸如WiFi、蓝牙、蜂窝、全球定位系统等。外围设备154还可包括附加存储装置，该附加存储装置包括RAM存储装置、固态存储装置或磁盘存储装置。外围设备154可包括用户界面设备诸如显示屏，该用户界面设备包括触摸显示屏或多触摸显示屏、键盘或其他输入设备、麦克风、扬声器等。在其他实施方案中，系统150可以是任何类型的计算系统(例如，台式个人计算机、膝上型电脑、工作站、平板电脑等)。
外部存储器158可包括任何类型的存储器。例如，外部存储器158可以是SRAM、动态RAM(DRAM)(诸如同步DRAM(SDRAM))、双数据速率(DDR、DDR2、DDR3、LPDDR1、LPDDR2等)SDRAM、RAMBUS DRAM等。该外部存储器158可包括存储器设备被安装到的一个或多个存储器模块，诸如单列直插存储器模块(SIMM)、双列直插存储器模块(DIMM)等。
一旦充分了解了上面的公开，许多变型和修改对于本领域的技术人员而言将变得显而易见。本公开旨在使以下权利要求书被阐释为包含所有此类变型和修改。

Claims (15)

1.一种电路，包括：
低压差(LDO)稳压器，所述LDO稳压器包括电压回路和电流回路，其中所述电流回路包括：
源极跟随器，所述源极跟随器耦接到输出节点，所述源极跟随器包括第一PMOS晶体管；
电流镜，所述电流镜耦接在所述电流回路的第一分支与所述电流回路的第二分支之间，其中所述源极跟随器是在所述第二分支中实现的；以及
其中所述电压回路包括：
放大器电路，所述放大器电路具有耦接到所述输出节点的反相输入端、被耦接以接收基准电压的非反相输入端以及耦接到所述第一PMOS晶体管的栅极端子的放大器输出端。
2.根据权利要求1所述的电路，还包括耦接在所述电流回路和接地节点之间的偏压电流源。
3.根据权利要求2所述的电路，还包括位于所述电流回路的所述第一分支中的偏压晶体管，其中所述偏压晶体管耦接在所述电流镜和所述偏压电流源之间。
4.根据权利要求3所述的电路，其中所述偏压晶体管包括被耦接以接收第一偏压电压的栅极端子。
5.根据权利要求2所述的电路，还包括第一偏压电阻器，所述第一偏压电阻器耦接在所述第一PMOS晶体管与地之间，其中所述第一偏压电阻器还经由偏压电压节点耦接到所述偏压电流源。
6.根据权利要求1所述的电路，其中所述电流镜包括：
第二PMOS晶体管，所述第二PMOS晶体管是二极管耦接设备，并且其中所述第二PMOS晶体管耦接在所述电流回路的所述第一分支与供电电压节点之间；以及
第三PMOS晶体管，其中所述第三PMOS晶体管耦接在所述电流回路的所述第二分支与所述供电电压节点之间。
7.根据权利要求6所述的电路，还包括耦接在所述供电电压节点与所述第二PMOS晶体管和所述第三PMOS晶体管的相应栅极端子之间的第二偏压电阻器。
8.根据权利要求1所述的电路，还包括耦接到所述输出节点的负载电路，其中所述第一PMOS晶体管的源极端子耦接到所述输出节点。
9.根据权利要求1所述的电路，其中所述电流回路被配置为控制提供给耦接到所述稳压器的负载电路的负载电流量，并且其中所述电压回路被配置为控制提供给所述负载电路的输出电压。
10.一种方法，包括：
向包括电压回路和电流回路的低压差(LDO)稳压器提供源电压；
使用所述电流回路控制负载电流，所述电流回路具有源极跟随器和电流镜；以及
使用所述电压回路控制所述LDO稳压器的输出电压，所述电压回路具有耦接到所述源极跟随器的第一PMOS晶体管的栅极端子的放大器电路，其中所述第一PMOS晶体管的源极耦接到所述LDO稳压器的输出节点。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述电流镜包括第二PMOS晶体管和第三PMOS晶体管，其中所述第二PMOS晶体管是二极管耦接的，并且其中所述方法还包括所述第二PMOS晶体管感测负载电流量。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述电流回路还包括耦接在所述第二PMOS晶体管和偏压电压节点之间的偏压晶体管，并且其中所述方法还包括向所述偏压晶体管的栅极端子提供第一偏压电压。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述方法还包括所述偏压晶体管使所述偏压电压节点上的第二偏压电压响应于由所述第二PMOS晶体管感测的所述负载电流量的变化而变化。
14.根据权利要求13所述的方法，还包括所述偏压晶体管响应于所述负载电流的增大而使所述第二偏压电压减小，并且还包括所述偏压晶体管响应于所述负载电流的减小而使所述第二偏压电压增大。
15.一种集成电路，包括：
电压供应节点，所述电压供应节点被配置为耦接到外部电压源；以及
多个功率控制电路，其中所述多个功率控制电路中的每个功率控制电路包括根据权利要求1至9中任一项所述的LDO稳压器、功率电路和控制电路。
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