CN112817358A - 一种适用于大容量sim卡芯片的新型ldo电路 - Google Patents

一种适用于大容量sim卡芯片的新型ldo电路 Download PDF

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孙志亮
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Abstract

本发明提供了一种适用于大容量SIM卡芯片的新型LDO电路，所述LDO电路包括误差放大器、第一采样电阻、第二采样电阻、第一功率管、电流源VCC、核心电压VDD、控制信号、参考电流、参考电压和状态转换控制电路，其中，状态转换控制电路包括脉冲发生电路和辅助偏置电路；本发明的状态转换控制电路利用控制信号，在转换瞬间，控制第一功率管MP1的栅端电压，让第一功率管持续输出足够大的电流，直到所述新型LDO电路状态切换完成，维持核心电压VDD的稳定，规避系统复位的风险。同时，本发明的新型LDO电路有效规避了核心电压VDD复位问题，保障了所述新型LDO电路能够快速、及时地响应外部的唤醒命令。

Description

一种适用于大容量SIM卡芯片的新型LDO电路
技术领域
本发明涉及SIM卡的集成电路技术领域，尤其涉及一种适用于大容量SIM卡芯片的新型LDO电路。
背景技术
在大容量SIM卡芯片中，LDO(Low Drop Out Regulator)电路，完成将输入电源VCC转换成核心电压VDD的功能。实际工作中，LDO电路存在两种工作状态：1)激活(Active)状态；2)睡眠(Sleep)状态。在激活(Active)状态下，LDO电路功耗大，驱动能力强，可以为数字电路输出大的电流，协助系统完成数据通信、处理及存储等功能。在睡眠(Sleep)状态下，LDO电路功耗小，驱动能力弱，只提供系统处于待机状态的电流，满足系统对睡眠状态下功耗的要求。
从待机到正常工作的转换中，系统要求LDO电路在维持核心电压稳定的同时快速转换工作状态，恢复驱动能力，提供大的电流给数字系统做出处理，让系统能够及时响应唤醒命令。但在Sleep状态下LDO电路功耗极低，响应很慢，如何在状态转换过程中提供大的电流的同时维持输出电压的稳定性，成为LDO电路设计的难点。
图1为现有的LDO电路结构，该LDO电路由误差放大器、第一采样电阻R1、第二采样电阻R2和功率管MP1构成，IB和Vref分别为LDO电路提供的参考电流和参考电压。
LDO电路工作状态受到控制信号Vsleep的控制。当控制信号Vsleep＝“0”时，LDO电路工作在激活(Active)状态，误差放大器功耗约40uA，环路响应快；当Vsleep＝“1”时，LDO电路工作在睡眠(Sleep)状态，误差放大器功耗约1uA，环路响应慢。
LDO电路处于稳态时，无论是激活(Active)状态，还是睡眠(Sleep)状态，LDO电路的环路工作原理是：当核心电压VDD下降时，采样电阻R1和采样电阻R2的采样信号Vsample下降，误差放大器输出信号到第一功率管MP1，第一功率管MP1的栅端电压VC下降，第一功率管MP1输出电流增大，核心电压VDD升高；反之，第一功率管MP1的栅端电压VC电压升高，功率管MP1输出电流减小，核心电压VDD下降，最终VDD＝Vref*((R1+R2)/R2)。
但是，从睡眠(Sleep)状态向激活(Active)状态切换时，存在两个因素会使得输出核心电压VDD过低导致系统复位。
1)由于系统需要快速响应唤醒命令，在转换瞬间，系统中的振荡器、时钟树、RAM、ROM等模块会同时启动，核心电压VDD存在瞬间大电流负载；
2)在切换时，误差放大器的偏置电流发生了变化，工作点需要重新建立，LDO电路环路短暂失效，第一功率管MP1的栅端电压VC有可能会瞬间被拉高，减小了功率管的输出电流，进一步加剧了核心电压VDD的降低；
图2为现有LDO电路结构的具体实施例。图2虚线框中为误差放大器电路，第八功率管MP8与功第九率管MP9构成输入放大对；第六NMOS晶体管MN6、第七NMOS晶体管MN7、第八NMOS晶体管MN8和第九NMOS晶体管MN9以及第六功率管MP6和第七功率管MP7构成1：4电流放大器，提供4倍跨导增益；第四功率管MN4和第五功率管MN5构成Cascode管，增加误差放大器的输出阻抗；第三NMOS晶体管MN3为二极管连接，为第四NMOS晶体管MN4和第五NMOS晶体管MN5提供偏置电压；第一NMOS晶体管MN1和第二NMOS晶体管MN2及第二功率管MP2、第三功率管MP3、第四功率管MP4、第五功率管MP5为电流镜电路，提供不同方向、不同大小的电流源；控制信号Vsleep控制电流源第五功率管MP5的输出，切换LDO电路的工作状态。当Vsleep＝“1”时，开关断开，LDO电路工作在睡眠(Sleep)状态；当Vsleep＝“0”时，开关导通，LDO电路工作在激活(Active)状态。
CM为米勒电容，采用了消除零点的连接方式，连接在第五NMOS晶体管MN5的源端，确保了LDO电路的稳定性。
基准电流输入IB＝0.5uA；第一NMOS晶体管MN1与第二NMOS晶体管MN2镜像比例为1∶1；第二功率管MP2、第三功率管MP3、第四功率管MP4及第五功率管MP5的镜像比例为1∶1∶0.5∶20。可以得到：
在激活(Active)状态下，Vsleep＝“0”，第一开关S1导通，误差放大器电流消耗电流为35.875uA，其中，第七功率管MP7、第五NMOS晶体管MN5及第九NMOS晶体管MN9支路电流为20.5uA；在睡眠(Sleep)状态下，Vsleep＝“1”，开关S1关闭，误差放大器功耗为0.875uA，其中第七功率管MP7、第五NMOS晶体管MN5及第九NMOS晶体管MN9支路电流为0.5uA。
LDO电路从睡眠(Sleep)状态向激活(Active)状态切换时，核心电压VDD存在瞬时大功耗，第一功率管MP1的栅端电压VC被暂态拉高，两者共同造成核心电压VDD的快速下降，产生了芯片复位的风险。
图3为现有LDO电路切换状态变化图。现有LDO电路转换过程中，第九NMOS晶体管MN9的输入电流isink以及第七功率管MP7的输出电流isource，同时从0.5uA瞬间上升到20.5uA；由于米勒电容CM在瞬态条件下相当于交流电阻，因此，存在核心电压VDD到第九NMOS晶体管MN9漏端的瞬态电流icm；由欧姆定律可得：此刻电流Δi(Δi＝isource-icm)对第一功率管MP1管栅端充电，拉高第一功率管MP1的栅端电压VC，降低了第一功率管MP1的输出电流。同时，此刻核心电压VDD负载存在瞬时大功耗iload，核心电压VDD被瞬间拉低，很容易触发系统复位。
发明内容
针对上述现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种适用于大容量SIM卡芯片的新型LDO电路，该新型LDO电路包括状态转换控制电路，状态转换控制电路在LDO电路转换过程中输出较大电流，维持VDD电压的稳定性，规避系统复位的风险。
为了达到上述技术目的，本发明所采用的技术方案是：
一种适用于大容量SIM卡芯片的新型LDO电路，所述LDO电路包括误差放大器、第一采样电阻、第二采样电阻、第一功率管、电流源VCC、核心电压VDD、控制信号、参考电流、参考电压和状态转换控制电路，其中，状态转换控制电路包括脉冲发生电路和辅助偏置电路；
脉冲发生电路连接控制信号，并产生脉冲信号，脉冲信号连接并控制辅助偏置电路，辅助偏置电路连接误差放大器的输出端，第一功率管的栅端连接辅助偏置电路；
脉冲发生电路利用控制信号在切换时由低到高的变换，产生脉冲信号，辅助偏置电路在脉冲信号控制下，迫使第一功率管栅端电压在所述LDO电路状态切换时下降，第一功率管输出电流满足核心电压负载需求，所述LDO电路状态切换完成后，控制信号不再产生高低变换，所述LDO电路自动关闭。
优选地，所述脉冲发生电路由反相器、电容和或非门构成，反相器连接电容，电容连接或非门。
优选地，所述辅助偏置电路由电流源功率管、开关和电容构成。
本发明的新型LDO电路由于采用了状态转换控制电路，所获得的有益效果是，所述状态转换控制电路利用控制信号，在转换瞬间，控制第一功率管MP1的栅端电压，让第一功率管持续输出足够大的电流，直到所述新型LDO电路状态切换完成，维持核心电压VDD的稳定，规避系统复位的风险。
并且，本发明的状态转换控制电路利用控制信号Vsleep，协助所述新型LDO电路在状态转换过程中输出大电流，维持核心电压VDD的稳定性。
与现有的LDO电路相比，本发明的新型LDO电路有效规避了从激活(Active)状态向睡眠(Sleep)状态切换时，新型LDO电路因负载电流过大，工作点不能及时建立而导致核心电压VDD复位问题，保障了新型LDO电路能够快速、及时地响应外部的唤醒命令。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1是现有的LDO电路结构图。
图2是现有LDO电路结构的具体实施例图示。
图3是现有LDO电路切换状态变化图。
图4是本发明的新型LDO电路结构图。
图5是本发明新型LDO电路结构的具体实施例。
图6是本发明的脉冲发生电路时序图的具体实施例。
图7是本发明的新型LDO电路切换状态时关键节点电压时序图。
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。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参看图4所示，为本发明的新型LDO电路结构图。该适用于大容量SIM卡芯片的新型LDO电路包括误差放大器、第一采样电阻R1、第二采样电阻R2、第一功率管MP1、电流源VCC、核心电压VDD、控制信号Vsleep、参考电流IB、参考电压Vref和状态转换控制电路，其中，状态转换控制电路包括脉冲发生电路和辅助偏置电路；脉冲发生电路连接控制信号Vsleep，并产生脉冲信号Vpulse，脉冲信号Vpulse连接并控制辅助偏置电路，辅助偏置电路连接误差放大器的输出端，第一功率管MP1的栅端连接辅助偏置电路。
参看图4所示，所述脉冲发生电路利用控制信号Vsleep在切换时由低到高的变换，产生脉冲信号Vpulse，辅助偏置电路在脉冲信号Vpulse控制下，迫使第一功率管MP1栅端电压VC在所述LDO电路状态切换时下降，第一功率管MP1输出电流满足核心电压VDD负载需求，所述LDO电路状态切换完成后，控制信号Vsleep不再产生高低变换，所述LDO电路自动关闭。
参看图5所示，为本发明新型LDO电路结构的具体实施例。如图5所示虚线框内，在原有误差放大器中第三功率管MP3、第三NMOS晶体管MN3构成的偏置电路上，加入电流源第八功率管MP8、第二开关S2以及第一电容C1；第八功率管MP8、第二开关S2以及第一电容C1构成辅助偏置电路。反相器I1、第二电容C2以及或非门I2构成了脉冲发生电路，反相器I1连接第二电容C2，第二电容C2连接或非门I2；脉冲发生电路产生的脉冲信号Vpulse控制第二开关S2，高导通，低断开。
参看图6所示，为本发明的脉冲发生电路时序图的具体实施例。在所述LDO电路从睡眠(Sleep)状态向激活(Active)状态切换时，控制信号Vsleep的电压由高变低；由于第二电容C2的作用，反相器I1输出端的控制信号Vsleep_N会延时一段时间由低升高；或非门I2的输出会短暂输出高脉冲；脉冲大小tpulse取决于第二电容C2的大小，图6具体实施例设计C2＝0.5pF，tpulse＝0.1uS。
参看图6所示的具体实施例中，在tpulse期间，第二开关S2导通，电流源第八功率管MP8被短暂打开，产生脉冲电流ipulse对节点VB充电，节点VB电压瞬间升高，拉动第五NMOS晶体管MN5产生isink1，isink1的大小取决于电流源第八功率管MP8的大小，图6具体实施例确保isink1大于isink及isource且不产生过大电流毛刺，图6具体实施例设计第八功率管MP8与第三功率管MP3镜像比例为40∶1，图中Δi＝isink1-isink。
由欧姆定律可知isink1产生后1)第一功率管MP1的栅端电压VC节点寄生电容开始放电，放电电流为Δi，VC电压下降；2)米勒电容CM对核心电压VDD反向充电，充电电流也为Δi，补充核心电压VDD消耗的电荷；第一功率管MP1的栅端电压VC的下降驱动第一功率管MP1输出大电流有效补充了新型LDO电路切换时系统产生的瞬态大功耗iload，确保核心电压VDD的稳定。
第一电容C1的作用是存放ipulse充电电荷，且保证第二开关S2断开后，节点VB电压缓慢下降至原工作点，不会对第一功率管MP1的栅端电压VC产生大的扰动；图6具体实施例设计中，如果第一电容C1太大，则节点VB电压不能被瞬间拉高，起不到挽救核心电压VDD的效果；如果第一电容C1太小，则节点VB电压过冲太大，核心电压VDD可能会产生很大的向上过冲电压；折中之下，第一电容C1取值为0.2pF。
参看图7所示，为本发明的新型LDO电路切换状态时关键节点电压时序图。参照图6与图3所示，从图7所示的核心电压VDD的对比可以看出，采用状态转换控制电路的新型LDO电路在状态转换时，能够有效消除核心电压VDD的下降，规避了新型LDO电路复位风险，保障了新型LDO电路能够快速、及时响应外部唤醒命令。
需要说明的是，上述实施方式仅以示意方式说明本发明的基本思路，与本发明中有关的组成电路而非按照实际实施时的组成电路数目、形状、器件排列方式、连接方式绘制。其实际实施时各电路的型态、数量、连接方式、器件排列方式、器件参数可为随意的改变。
以上所述的实施例仅是本发明较佳的实施例而已，不能限制本发明技术方案的延伸。凡属本领域技术人员在本发明技术方案基础上所作的任何公知技术的修改、等同变化和显而易见的改换等，均应属于本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种适用于大容量SIM卡芯片的新型LDO电路，其特征在于，所述LDO电路包括误差放大器、第一采样电阻、第二采样电阻、第一功率管、电流源VCC、核心电压VDD、控制信号、参考电流、参考电压和状态转换控制电路，其中，状态转换控制电路包括脉冲发生电路和辅助偏置电路；
脉冲发生电路连接控制信号，并产生脉冲信号，脉冲信号连接并控制辅助偏置电路，辅助偏置电路连接误差放大器的输出端，第一功率管的栅端连接辅助偏置电路；
脉冲发生电路利用控制信号在切换时由低到高的变换，产生脉冲信号，辅助偏置电路在脉冲信号控制下，迫使第一功率管栅端电压在所述LDO电路状态切换时下降，第一功率管输出电流满足核心电压负载需求，所述LDO电路状态切换完成后，控制信号不再产生高低变换，所述LDO电路自动关闭。
2.如权利要求1所述的适用于大容量SIM卡芯片的新型LDO电路，其特征在于，所述脉冲发生电路由反相器、电容和或非门构成，反相器连接电容，电容连接或非门。
3.如权利要求1所述的适用于大容量SIM卡芯片的新型LDO电路，其特征在于，所述辅助偏置电路由电流源功率管、开关和电容构成。
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