CN113067474B - 一种开关电源与浮动轨ldo级联的混合电源及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种开关电源与浮动轨LDO级联的混合电源及其应用，其中，混合电源包括：开关电源、LDO和稳压模块；开关电源用于产生电压VDDH和电压VDDL，以为LDO提供供电电压；且电压VDDH大于电压VDDL；电压VDDH由开关电源的第一输出端输出至LDO的VDD端；电压VDDL由开关电源的第二输出端输出至LDO的VSS端；稳压模块与开关电源第二输出端相连，用于对电压VDDL进行稳压，并为混合电源提供放电通路；LDO用于减小电压VDDH中的纹波，为负载提供电压，加快负载的瞬态响应。本发明采用浮动电源轨供电LDO级联开关电源的拓扑结构同时实现减小输出纹波、加快瞬态响应及实现高压输出的目的；另外，浮动电源轨供电LDO明显降低了对LDO中晶体管耐压的要求，减小了LDO的设计难度及工艺制备难度。

Description

一种开关电源与浮动轨LDO级联的混合电源及其应用
技术领域
本发明属于集成电路技术领域，更具体地，涉及一种开关电源与浮动轨LDO级联的混合电源及其应用。
背景技术
在现有的应用中，当被供电的负载模块所需要的电压较高时，通常直接采用高效率的开关电源为其供电，但是开关电源输出的电压纹波通常较大，稳定性较差；以负载模块为单光子雪崩二极管(Single PhotonAvalanche Diode，SPAD)为例，对SPAD的供电的电压范围普遍在10-30V，通常采用升压型DC-DC、电荷泵等开关电源直接为其供电，此时开关电源输出的电压纹波比较大，并且对于负载的瞬态响应较慢。而低压差线性稳压器(LowDropout Regulator，LDO)是集成电路中非常重要且常见的电源管理模块，具有输出电压稳定、面积小等优点，故常常与开关电源进行连接组合成混合电源，可以使输出的电压更加稳定。
然而现有的开关电源级联LDO的混合电源中，LDO的VDD端接开关电源的输出，VSS端接地；当被供电的负载模块所需要的电压较高时，LDO存在击穿风险，可靠性较低；为了解决该问题，通常需要采用更耐压的晶体管来设计LDO，LDO的设计难度和工艺制备难度较高，成本较高；无法在满足可靠性的前提下，以较低的成本实现高压供电。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种开关电源与浮动轨LDO级联的混合电源及其应用，用以解决现有技术无法在实现高压供电前提下同时实现快速响应及降低对器件的耐压需求的技术问题。
为了实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种开关电源与浮动轨LDO级联的混合电源，包括：开关电源、LDO和稳压模块；
开关电源用于产生电压VDDH和电压VDDL，并输出至LDO，以为LDO提供供电电压；其中，电压VDDH大于电压VDDL；电压VDDH由开关电源的第一输出端输出至LDO的VDD端；电压VDDL由开关电源的第二输出端输出至LDO的VSS端；
稳压模块与开关电源第二输出端相连，用于对电压VDDL进行稳压，并为混合电源提供放电通路；
LDO用于减小电压VDDH中的纹波，为负载提供电压，加快负载的瞬态响应。
进一步优选地，LDO有多个；各LDO的VDD端均与开关电源的第一输出端相连；各LDO的VSS端均与开关电源的第二输出端相连。
进一步优选地，开关电源为单输入单输出的开关电源或单输入多输出的开关电源，包括基于电感的开关电源或基于开关电容的开关电源。
进一步优选地，稳压模块用于基于闭环控制的方式对电压VDDL进行稳压。
进一步优选地，稳压模块包括：控制信号产生单元和放电支路；放电支路包括功率调节管；
控制信号产生单元的一端与开关电源的第二输出端相连，另一端与放电支路上功率调节管的控制端相连，功率调节管的另外两端一端接地，一端与开关电源的第二输出端相连，形成局部闭环；
控制信号产生单元用于对电压VDDL进行分压采样后，得到检测电压，并比较检测电压与基准电压的大小，来调节功率调节管控制端的电压，从而调节放电支路上的电流，进而调节电压VDDL的大小。
进一步优选地，开关电源包括第一供压支路和第二供压支路；第一供压支路包括串联的第一时钟产生模块和第一电荷泵；第二供压支路包括串联的第二时钟产生模块和第二电荷泵；
第一时钟产生模块用于驱动第一电荷泵，使第一电荷泵产生电压VDDH；
第二时钟产生模块用于驱动第二电荷泵，使第二电荷泵产生电压VDDL。
进一步优选地，上述稳压模块包括：分压单元、误差放大器EA、MOS管MP以及电容C1；
分压单元的一端与第二电荷泵的输出端相连，另一端接地，输出端与误差放大器EA的正极输入端相连，误差放大器EA的负极输入端接入基准电压，误差放大器EA的输出端与MOS管MP的栅极相连，误差放大器EA的电源端与MOS管MP的漏极相连，MOS管MP的源极分别与第二时钟产生模块和电容C1相连，电容C1的另一端接地；
稳压模块与第二电荷泵形成闭环电荷泵，通过分压单元对电压VDDL进行分压检测，得到检测电压，并将检测电压与基准电压进行比较，从而调节MOS管MP的栅极电压，进而调节第二时钟产生模块的电源电压，以实现对第二电荷泵输出的电压VDDL的闭环调节。
第二方面，本发明提供了一种高压偏压系统，包括：本发明第一方面所提供的混合电源和与其相连的负载模块；
混合电源用于为负载模块供电。
进一步优选地，负载模块为：SPAD阵列或APD阵列。
进一步优选地，当混合电源中LDO的个数为n个时，负载模块被划分为n个负载单元；当负载模块为SPAD阵列时，负载单元为一个SPAD或者一个SPAD子阵列；当负载模块为APD阵列时，负载单元为一个APD或者一个APD子阵列；
各LDO的输出端均对应接入一个负载单元，以为该负载单元提供偏压；且通过分别控制各LDO上输入的参考电压来控制各LDO的输出，从而为负载模块提供多种不同的供电电压。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
1、本发明提供了一种开关电源与浮动轨LDO级联的混合电源，为浮动电源轨供电LDO级联开关电源的拓扑结构，其中，LDO的VSS端接入电压VDDL，采用浮动电源轨供电LDO的方式，降低了对LDO中晶体管耐压的要求，减小了LDO的设计难度及工艺制备难度，能够以较低的成本提高混合电源的可靠性；与此同时，也减小了输出纹波、加快了瞬态响应，实现了高压输出；能够在实现高压供电前提下同时实现快速响应及降低对器件的耐压需求。
2、本发明所提供的混合电源可通过在VDDH与VDDL之间接入多个LDO，从而实现多通道输出，由于LDO面积较小，扩展的成本较低；且相比于现有的多个开关电源实现多通道输出的方式，可大大减小电路面积。
3、在本发明提供的高压偏压系统中，负载模块可以被划分为多个负载单元，每个负载单元均与一个对应的LDO的输出端相连，可以通过分别控制各LDO上输入的参考电压来控制各LDO的输出，从而为负载模块提供多种不同的供电电压。
附图说明
图1为本发明所提供的开关电源与浮动轨LDO级联的混合电源的结构示意图；
图2为本发明实施例1所提供的开关电源与浮动轨LDO级联的混合电源的结构示意图；
图3为本发明实施例2所提供的开关电源与浮动轨LDO级联的混合电源的结构示意图；
图4为本发明实施例3所提供的开关电源与浮动轨LDO级联的混合电源的结构示意图；
图5为本发明所提供的高压偏压系统的结构示意图；
图6为本发明所提供的SPAD的无源电阻淬灭结构示意图；
图7为本发明实施例4所提供的SPAD阵列偏压系统结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
为了实现上述目的，第一方面，如图1所示，本发明提供了一种开关电源与浮动轨LDO级联的混合电源，采用开关电源级联LDO的拓扑结构，包括：开关电源、LDO和稳压模块；
开关电源用于产生电压VDDH和电压VDDL，并输出至LDO，以为LDO提供供电电压；其中，电压VDDH由开关电源的第一输出端输出至LDO的VDD端；电压VDDL由开关电源的第二输出端输出至LDO的VSS端；电压VDDH和电压VDDL均为正电压，VDDH>Vout>VDDL，且VDDH与VDDL的差值满足LDO的正常工作的电源域。需要说明的是，为了减小LDO中晶体管承受的电压，提高可靠性，LDO采用浮动电源轨VDDL供电，开关电源的第二输出端为LDO的浮动电压端。
稳压模块与开关电源第二输出端相连，用于对电压VDDL进行稳压，并为SPAD阵列偏压系统提供放电通路；
LDO用于减小电压VDDH中的纹波，为负载提供电压，加快负载的瞬态响应。
优选地，LDO可以为多个；在一种可选实施例1中，如图2所示，LDO的个数为n个，接入在开关电源产生的VDDH和VDDL两条高压电源轨之间，分别记为LDO1、LDO2、......、LDOn；各LDO的VDD端均与开关电源的第一输出端相连；各LDO的VSS端均与开关电源的第二输出端相连；各LDO的参考电压输入端分别接入对应的参考电压，此时上述混合电源具有多输出特性。多个LDO的供电面积比多个开关电源小得多，本发明可以以较小的电路面积实现多电源输出。
优选地，稳压模块用于基于闭环控制的方式对电压VDDL进行稳压。
在一个可选实施例2中，如图3所示，稳压模块包括：控制信号产生单元和放电支路；其中，放电支路包括功率调节管；除此之外，放电支路还可以包括分压单元，分压单元用于保护放电支路上的功率调节管不被击穿；分压单元包括电阻或功率管；可以由电阻组成，也可以由功率管(如MOS管)组成；本实施例中采用串联电阻分压；功率调节管可以为BJT、MOS管或者二者的组合；本实施例中采用MOS管，此时MOS管的栅极即为功率调节管的控制端；控制信号产生单元的一端与开关电源的第二输出端相连，另一端与放电支路上MOS管的栅极相连，MOS管的源极接地，漏极经过分压单元与开关电源的第二输出端相连，形成局部闭环，结构简单。
控制信号产生单元用于对电压VDDL进行分压采样后，得到检测电压，并比较检测电压与基准电压的大小，来调节MOS管的栅极驱动电压，从而调节放电支路上的电流，进而调节电压VDDL的大小。
具体地，若电压VDDL大于基准电压，则增加MOS管的栅极驱动电压，从而增加放电支路上的放电电流，进而减小电压VDDL；若电压VDDL小于基准电压，则减小MOS管的栅极驱动电压，从而减小放电支路上的放电电流，进而增大电压VDDL。
需要说明的是，本发明中的开关电源为单输入单输出的开关电源或单输入多输出的开关电源，包括基于电感的开关电源或基于开关电容的开关电源。
具体地，如图4所示，在一个可选实施例3中，开关电源包括第一供压支路和第二供压支路；第一供压支路包括串联的第一时钟产生模块和第一电荷泵；第二供压支路包括串联的第二时钟产生模块和第二电荷泵；第一时钟产生模块用于驱动第一电荷泵，使第一电荷泵产生电压VDDL；第二时钟产生模块用于驱动第二电荷泵，使第二电荷泵产生电压VDDL。
进一步地，本实施例中稳压模块包括：分压单元、误差放大器EA、MOS管MP以及电容C1；
其中，分压单元包括串联的电阻R1和电阻R2；电阻R1的一端与第二电荷泵的输出端相连，另一端与电阻R2相连，电阻R2的另一端接地；电阻R1和电阻R2的连接点与误差放大器EA的正极输入端相连，误差放大器EA的负极输入端接入基准电压，误差放大器EA的输出端与MOS管MP的栅极相连，误差放大器EA的电源端与MOS管MP的漏极相连，MOS管MP的源极分别与第二时钟产生模块和电容C1相连，电容C1的另一端接地；其中，电容C1用于稳定MOS管MP的漏极电压；
稳压模块与第二电荷泵形成闭环电荷泵，通过分压单元对电压VDDL进行分压检测，得到检测电压，将检测检测电压与基准电压VR进行比较，从而调节MOS管MP的栅极电压，进而调节第二时钟产生模块的电源电压，以实现对第二电荷泵输出的电压VDDL的闭环调节。具体地，若检测到的电压VDDL大于基准电压，则增加MOS管MP的栅极电压，从而减小第二时钟产生模块的电源电压，进而减小第二电荷泵的输出电压VDDL；若检测到的电压VDDL小于基准电压，则减小MOS管MP的栅极电压，从而增大第二时钟产生模块的电源电压，进而增大第二电荷泵的输出电压VDDL。
需要说明的是，实施例3中的稳压模块基于闭环电荷泵对电压VDDL进行稳压，且相比与实施例2中局部闭环的结构，这种闭环稳压的方式功耗更低；另外，相比于实施例2中所采用的通过独立的两个开关模块产生输出的方式，实施例3中级联两个电荷泵产生两个输出，硬件开销也更低。
第二方面，本发明提供了一种高压偏压系统，如图5所示，包括：本发明第一方面所提供的混合电源和与其相连的负载模块；混合电源用于为负载模块供电；其中，负载模块可以为SPAD阵列或APD阵列。且当混合电源中LDO的个数为n个时，负载模块被划分为n个负载单元；当负载模块为SPAD阵列时，负载单元为一个SPAD或者一个SPAD子阵列；当负载模块为APD阵列时，负载单元为一个APD或者一个APD子阵列；各LDO的输出端均对应接入一个负载单元，以为该负载单元提供偏压；且通过分别控制各LDO上输入的参考电压来控制各LDO的输出，从而为负载模块提供多种不同的供电电压。
下面以负载模块为SPAD阵列为例进行详述，此时，上述高压偏压系统为一种SPAD阵列偏压系统，如图6所示，在一种可选实施例4中，混合电源中LDO的个数为n个，SPAD阵列被划分为n个SPAD区块；其中，一个SPAD区块包括一个SPAD或者一个SPAD子阵列；SPAD可以是无源淬灭结构，也可以是有源淬灭结构，也可以是二者的组合结构；具体地，如图7所示为SPAD的无源电阻淬灭结构示意图，其中，SPAD的阴极高压偏置来源于LDO的输出。
各LDO的输出端均对应接入一个SPAD区块，以为该SPAD区块提供偏压；且通过分别控制各LDO上输入的参考电压来控制各LDO的输出，从而对SPAD阵列击穿电压的非均匀性进行校准。具体地，每个LDO的输出由可配置的参考电压决定，每个LDO的输出用于为与其对应相连的SPAD区块提供偏压，如图6所示，LDO1用于偏置区块SPAD1，LDO2用于偏置区块SPAD2，......，LDOn用于偏置区块SPADn；需要说明的是，一个SPAD区块可以是一个SPAD单元，也可以是多个的SPAD单元组成的SAPD子阵列，i＝1,2，......，n。通过设置各LDO上输入的参考电压，可以很方便地设置各LDO输出，不同的LDO输出相应的电压给到不同的SPAD区块供电，从而实现对SPAD阵列击穿电压的非均匀性进行校准，同时实现多区域可配置的阵列偏压；另外，多个LDO的供电面积比多个开关电源小得多，所以本发明可以以较小的电路面积实现多电源输出。
需要说明的是，本实施例根据SPAD阵列击穿电压的分布将SPAD阵列被划分为n个SPAD区块。根据SPAD区块上的击穿电压确定与该SPAD区块相连的LDO的参考电压大小，从而对SPAD阵列击穿电压的非均匀性进行校准。
具体地，在确认SPAD阵列击穿电压的分布时，可以单独对SPAD阵列中的每个SPAD的击穿电压进行测量，如通过额外的SPAD(不接收光子信号)的暗计数率、光电流大小等，或是温度传感器的测量值，找到查找表中对应的击穿电压，来确定SPAD的击穿电压。由于SPAD的过偏压为SPAD的偏压减去击穿电压；根据不同SPAD区块的击穿电压的范围来设置LDO输出电压，使得SPAD阵列中各SPAD区块的过偏压保持一致性，或者保持在更小的非均匀性范围内。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种开关电源与浮动电源轨供电LDO级联的混合电源，其特征在于，包括：开关电源、LDO和稳压模块；
所述开关电源用于产生电压VDDH和电压VDDL，并输出至所述LDO，以为所述LDO提供供电电压；其中，所述电压VDDH大于所述电压VDDL；所述电压VDDH由所述开关电源的第一输出端输出至所述LDO的VDD端；所述电压VDDL由所述开关电源的第二输出端输出至所述LDO的VSS端，形成一条浮动电源轨；
所述LDO用于基于所述电压VDDH在可配置的参考电压控制下控制给到负载的输出电压Vout的大小，同时减小电压VDDH中的纹波，为负载供电；所述电压VDDL所对应的浮动电源轨接入所述稳压模块，并通过所述稳压模块接地以为所述LDO提供放电通路，所述电压VDDH大于所述输出电压Vout，所述输出电压Vout大于经稳压模块调节后输入到LDO的电压VDDL，所述电压VDDH与输入到LDO的电压VDDL的差值满足所述LDO的正常工作的电源域；所述开关电源包括第一供压支路和第二供压支路；所述第一供压支路包括串联的第一时钟产生模块和第一电荷泵；所述第二供压支路包括串联的第二时钟产生模块和第二电荷泵；
所述第一时钟产生模块用于驱动所述第一电荷泵，使所述第一电荷泵产生电压VDDH；
所述第二时钟产生模块用于驱动所述第二电荷泵，使所述第二电荷泵产生电压VDDL；
所述稳压模块包括：分压单元、误差放大器EA、MOS管MP以及电容C1；
所述分压单元的一端与所述第二电荷泵的输出端相连，另一端接地，输出端与所述误差放大器EA的正极输入端相连，所述误差放大器EA的负极输入端接入基准电压，所述误差放大器EA的输出端与所述MOS管MP的栅极相连，所述误差放大器EA的电源端与所述MOS管MP的漏极相连，所述MOS管MP的源极分别与所述第二时钟产生模块和所述电容C1相连，所述电容C1的另一端接地；
所述稳压模块与所述第二电荷泵形成闭环电荷泵，通过所述分压单元对所述电压VDDL进行分压检测，得到检测电压，并将所述检测电压与基准电压进行比较，从而调节所述MOS管MP的栅极电压，进而调节所述第二时钟产生模块的电源电压，以实现对所述第二电荷泵输出的电压VDDL的闭环调节。
2.根据权利要求1所述的混合电源，其特征在于，所述LDO有多个；各所述LDO的VDD端均与所述开关电源的第一输出端相连；各所述LDO的VSS端均与所述开关电源的第二输出端相连。
3.根据权利要求1所述的混合电源，其特征在于，所述开关电源为单输入单输出的开关电源或单输入多输出的开关电源，包括基于电感的开关电源或基于开关电容的开关电源。
4.一种高压偏压系统，其特征在于，包括：权利要求1-3任意一项所述的混合电源和与其相连的负载模块；
所述混合电源用于为所述负载模块供电。
5.根据权利要求4所述的高压偏压系统，其特征在于，所述负载模块为SPAD阵列或APD阵列。
6.根据权利要求5所述的高压偏压系统，其特征在于，当所述混合电源中LDO的个数为n个时，所述负载模块被划分为n个负载单元；当所述负载模块为SPAD阵列时，所述负载单元为一个SPAD或者一个SPAD子阵列；当所述负载模块为APD阵列时，所述负载单元为一个APD或者一个APD子阵列；
各所述LDO的输出端均对应接入一个所述负载单元，以为所述负载单元提供偏压；且通过分别控制各所述LDO上输入的参考电压来控制各所述LDO的输出，从而为所述负载模块提供多种不同的供电电压。
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