CN114442729B - 一种抑制过冲的分布式线性稳压器 - Google Patents
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Abstract
一种抑制过冲的分布式线性稳压器电路，其特征在于：所述电路包括多个源跟随器，每一个所述源跟随器上都包括一个隔离单元和一个过冲抑制单元；其中，所述隔离单元，分别与所述负载点电源输入单元和过冲抑制单元连接，用于隔离和平衡所述多个源跟随器之间的输出电压；所述过冲抑制单元，与所述隔离单元连接，用于对所述隔离单元生成的所述输出电压进行过冲抑制。本发明电路结构简单，元件少，能够良好的适应规模较大的集成电路，供电电压的数量不受限制，瞬态稳压响应快，驱动能力强。
Description
技术领域
本发明涉及集成电路领域，更具体地，涉及一种抑制过冲的分布式线性稳压器。
背景技术
目前，线性稳压器(Linear Regulator)因其自身所具有的简便性和低噪声性在噪声敏感型的电子系统或集成电路中得到了广泛的应用。在早期的集成电路中，单个线性稳压器常常被多个不同的模拟和射频模块所共享，从而实现了对开关稳压器的噪声的隔离。随着芯片规模的增加，较长的传输距离和较多的元件导致电流电阻压降(IR drop)这一参数取值的大幅上升，这给电源传输网络(PDN，Power Delivery Network)带来了巨大的挑战。
如果电源传输网络不经过优化，则可能会导致不同模拟和射频模块之间强烈的交叉耦合(Cross Coupling)，这导致电路中各个部分相互影响，从而影响了芯片的性能。为了克服上述问题，现有技术中提出了一种分布式线性稳压器。通过负载点电源调制(Point-of-load Regulation)的方式，能够使得芯片中不同的负载模块拥有不同的且相互隔离的供电电压。然而，不同电压之间的电平转换过程非常复杂，且分布式结构又使得电压之间的调制工作极为繁重。
因此，亟需一种新的分布式线性稳压器电路。
发明内容
为解决现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种抑制过冲的分布式线性稳压器电路，通过对偏置电流进行传输，使得多个源跟随器实现对于偏置电流的接收并生成相互隔离且能够克服电压过冲问题的多个不同电路模块的供电电压。
本发明采用如下的技术方案。
一种抑制过冲的分布式线性稳压器电路，其中，电路包括多个源跟随器，每一个源跟随器上都包括一个隔离单元和一个过冲抑制单元；隔离单元，分别与负载点电源输入单元和过冲抑制单元连接，用于隔离和平衡多个源跟随器之间的输出电压；过冲抑制单元，与隔离单元连接，用于对隔离单元生成的输出电压进行过冲抑制。
优选地，隔离单元包括第一、第二参考电流源，本地电阻R，NMOS管M0、M1和Mn；其中，NMOS管M0的栅极、漏极分别与第一参考电流源的一端、NMOS管M1的栅极连接，参考电流源I0的另一端接入电源电压Vdd；NMOS管M0的漏极与本地电阻R的一端连接，本地电阻R的另一端接地；NMOS管M1的漏极与第二参考电流源的一端连接，第二参考电流源的另一端接入电源电压Vdd；NMOS管M1的源极与NMOS管Mn的漏极连接，并作为源跟随器的输出端；NMOS管Mn的源极接地，栅极与过冲抑制单元连接。
优选地，过冲抑制单元包括降低阻抗子单元、复制偏置子单元、主偏置子单元；其中，降低阻抗子单元与源跟随器的输出端连接，用于降低源跟随器的输出阻抗；复制偏置子单元，与隔离单元、主偏置子单元连接，用于基于主偏置子单元的主偏置电压设置源跟随器的静态电流；主偏置子单元，接收主偏置电压并将偏置信号发送至复制偏置子单元。
优选地，降低阻抗子单元包括PMOS管Mp，PMOS管Mp的源极接入电源电压Vdd，漏极接入源跟随器的输出端，栅极与NMOS管M1的漏极、第二参考电流源的一端分别连接。
优选地，主偏置单元包括NMOS管M5，所述NMOS管M5的栅极接入主偏置电压Vb，漏极与源跟随器的输出端连接，源极与隔离单元中NMOS管Mn的栅极、复制偏置子单元分别连接。
优选地，复制偏置子单元包括NMOS管M2、M3和M4，以及第三电流源、第四电流源、电容C0；其中，NMOS管M2栅极与NMOS管M0、M1的栅极分别连接，漏极接入电源电压Vdd，源极与NMOS管M3的源极连接；NMOS管M3的栅极、漏极与第三电流源的一端、电容C0的一端、NMOS管M4的栅极分别连接，第三电流源的另一端和所述电容C0的另一端均接地；NMOS管M4的源极与源跟随器的输出端连接，漏极与第四电流源的一端、主偏置单元中NMOS管M5的源极、隔离单元中NMOS管Mn的栅极分别连接，第四电流源的另一端接地。
优选地，第一、第二、第三电流源的电流呈固定倍数；第四电流源的电流大于第一、第二、第三电流源的电流。
优选地，主偏置子单元和复制偏置子单元还用于吸收来自源跟随器输出端的交流灌入电流。
优选地，电路中的多个源跟随器分别基于导线与其所在芯片的调制电压Vreg的输入管脚连接。
优选地，源跟随器的数量为3个，并分别为其所在芯片中的三个电路模块供电。
优选地，源跟随器的输出电压为VX＝Iref·Rx；其中，VX为第X个源跟随器的输出电压，Iref为源跟随器中参考电流源的电流I0，Rx为第X个源跟随器中本地电阻的阻值，X的取值范围为(1，2，3)。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明中的一种抑制过冲的分布式线性稳压器电路，能够通过对偏置电流进行传输，使得多个源跟随器实现对于偏置电流的接收，同时生成相互隔离且能够克服电压过冲问题的多个不同电路模块的供电电压。本发明电路结构简单，元件少，能够良好的适应规模较大的集成电路，供电电压的数量不受限制，瞬态稳压响应快，驱动能力强。
附图说明
图1为本发明现有技术中的一种系统级芯片中的电源分布网络的结构示意图；
图2为本发明现有技术中一种分布式线性稳压器的电路结构示意图；
图3为本发明现有技术中另一种分布式线性稳压器的电路结构示意图；
图4为本发明一种抑制过冲的分布式线性稳压器电路的逻辑示意图；
图5为本发明一种抑制过冲的分布式线性稳压器电路中源跟随器的示意图；
图6为本发明一种抑制过冲的分布式线性稳压器电路中原跟随器的抑制过冲输出的电压、电流曲线示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本申请作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本申请的保护范围。
图1为本发明现有技术中的一种系统级芯片中的电源分布网络的结构示意图。如图1所示，随着芯片中集成电路规模的发展，现有技术中多采用分布式的供电结构对芯片中多个电路模块进行提供不同的电压。因此，调制电压Vreg可以通过芯片的某一引脚进行输入，而多个芯片中的电路模块则分别直接或间接的与调制电压进行连接，从而实现分布式的接收供电。
图2为本发明现有技术中一种分布式线性稳压器的电路结构示意图。如图2所示，一个放大器和开关管的栅极连接，通过反馈的方式实现对于开关管的栅极电压的稳定输出。在开关管的输出端上接入多个依次串联的电阻，则可以使得多个不同的电路模块共享一个稳压器，节约了资源，降低了电路复杂度和芯片面积与功耗。其中，该稳压器输出的电压为调制电压Vreg，而多个电阻之间的电压V1、V2和V3是通过多个电阻进行分压实现的，可以被分别作为多个不同的电路模块的供电电压。
然而，在这一方案中仍然存在一些问题。由于多个电路模块通常位于芯片上的不同位置，甚至不同角落，这使得电源从Vreg到V1、V2和V3之间的走线距离存在很大差异，而金属线所造成的电流电阻压降各不相同，也就是说金属线长度所造成的压降误差会导致输出至各个电路模块中的供电电压V1、V2和V3与芯片设计时的预想值具有较大的差异，且各个电压的压降差异各不相同，从而导致了芯片的运行与设计预想之间存在较大误差，芯片性能受限。
图3为本发明现有技术中另一种分布式线性稳压器的电路结构示意图。如图3所示，尽管图2中的线性稳压器也能实现对于多个不同电路模块的供电，但是在输入的调制电压发生变化时，或者是多个不同模块之间的工作状态发生变化时，由于多个电路模块的供电端不能够相互隔离，则会在芯片内部造成较为严重的交叉耦合现象，严重干扰了芯片的性能。为了解决这一问题，本发明中提供了一种存在隔离的分布式线性稳压器。
如图3所示，该稳压器中放大器的输出端不再与多个串联电阻连接，而是并入多个NMOS管，并通过NMOS管，实现了对多个电路模块的隔离式的供电。多个电压V1、V2、V3不会发生相互影响。
虽然相较于图2中的分布式线性稳压器，本发明中的电路在电压传输过程中，实际传输的是NMOS管的栅极电压，在NMOS管不发生明显漏电的情况下，电压不会产生较大压降，从而保证了各个电压之间的隔离性。但是本发明中的这种方法，稳压能力相对较差，对于电路的驱动能力也很弱。由于多个电路模块具有不同的结构和功能，位于芯片不同位置上的接收传输电压的NMOS管很难实现完全相同的参数和相互匹配，这也会对芯片输出功能造成误差。
另一方面，由于电压输出后只是通过MOS管来进行接收，因此在该结构上也很难增加其他的电压修调结构。尽管电路具有良好的隔离性，但多个电路模块的电压也难以完全相等，这使得多个电路模块相互通信时的电平转换非常困难，容易产生较多误码。
针对上述问题，本发明设计了一种新的分布式线性稳压器电路。
图4为本发明一种抑制过冲的分布式线性稳压器电路的逻辑示意图。图5为本发明一种抑制过冲的分布式线性稳压器电路中源跟随器的示意图。如图4和图5所示，一种抑制过冲的分布式线性稳压器电路，其中，电路包括多个源跟随器，即图4中虚线框中所示部分，每一个源跟随器上都包括一个隔离单元和一个过冲抑制单元；隔离单元，分别与负载点电源输入单元和过冲抑制单元连接，用于隔离和平衡多个源跟随器之间的输入电压；过冲抑制单元，即图中虚线框中所示部分，与隔离单元连接，用于对隔离单元生成的输入电压进行过冲抑制。
本发明中，可以通过多个源跟随器，分别采集电源电压，并基于电源电压生成各不相同的电路模块的供电电压。由于每一个源跟随器上都包含了隔离单元和过冲抑制单元，而隔离单元能够克服多个源跟随器与芯片电源之间的交叉耦合效应，过冲抑制单元则能够防止相应的电路模块的灌电流过大所造成的电压过冲问题。
因此，本发明中的电路不仅能够防止分布式供电过程中的交叉耦合，也能抑制供电过程中的电压过冲。
优选地，隔离单元包括第一、第二参考电流源，本地电阻R，NMOS管M0、M1和Mn；其中，NMOS管M0的栅极、漏极分别与第一参考电流源的一端、NMOS管M1的栅极连接，参考电流源I0的另一端接入电源电压Vdd；NMOS管M0的漏极与本地电阻R的一端连接，本地电阻R的另一端接地；NMOS管M1的漏极与第二参考电流源的一端连接，第二参考电流源的另一端接入电源电压Vdd；NMOS管M1的源极与NMOS管Mn的漏极连接，并作为源跟随器的输出端；NMOS管Mn的源极接地，栅极与过冲抑制单元连接。
本发明中的隔离单元，能够采用基本的电流镜结构，实现对于NMOS管Mn两端电压的控制，也就是对于输出电压Vout的控制。输出电压Vout被输入至相应的电路模块中作为供电电压，为芯片中的各个电路模块提供能源。
具体来说，由于MOS管M0和M1之间为电流镜结构，且两者漏极上均接入了电流源I0，因此MOS管M0和M1的栅源极导通电压Vgs的大小可以是完全相等的，可见输出电压Vout的取值只与电流源电流I0和电阻R的取值有关，即Vout＝I0*R。
优选地，过冲抑制单元包括降低阻抗子单元、复制偏置子单元、主偏置子单元；其中，降低阻抗子单元与源跟随器的输出端连接，用于降低源跟随器的输出阻抗；复制偏置子单元，与隔离单元、主偏置子单元连接，用于基于主偏置子单元的主偏置电压设置源跟随器的静态电流；主偏置子单元，接收主偏置电压并将偏置信号发送至复制偏置子单元。
可以理解的是，本发明中的过冲抑制单元能够通过多种方式实现对于过冲电压的抑制和对于输出电压的调节。具体来说，根据各个元件功能的不同，可以将多个不同的元件分别划分至降低阻抗子单元、复制偏置子单元、主偏置子单元中。下文中将对不同的元件的作用和功能进行具体说明。
优选地，降低阻抗子单元包括PMOS管Mp，PMOS管Mp的源极接入电源电压Vdd，漏极接入源跟随器的输出端，栅极与NMOS管M1的漏极、第二参考电流源的一端分别连接。
本发明电路中，降低阻抗子单元可以只包括一个PMOS管，该PMOS管的作用是降低输出阻抗。通过增加管Mp，可以实现电压源与输出端之间的直接连接，且在第二电流源I0较小以使得Mp栅极的电压较低时导通Mp管，增大输出端的输出电流。另外，当第二电流源I0的电流增大到使得Mp栅极的电压大于Mp的截止电压时，Mp截止，不再提供电流反馈，通过这种方式降低了稳压器的输出阻抗，使得稳压器的输出电流增大。
优选地，主偏置单元包括NMOS管M5，NMOS管M5的栅极接入主偏置电压Vb，漏极与源跟随器的输出端连接，源极与隔离单元中NMOS管Mn的栅极、复制偏置子单元分别连接。
主偏置单元的作用主要是通过向NMOS管M5的栅极上加载偏置电压，该偏置电压Vb能够导通M5，并在M5的源漏极产生导通电流，以对复制偏置子单元中的M4管的电流大小进行调节。
优选地，复制偏置子单元包括NMOS管M2、M3和M4，以及第三电流源、第四电流源、电容C0；其中，NMOS管M2栅极与NMOS管M0、M1的栅极分别连接，漏极接入电源电压Vdd，源极与NMOS管M3的源极连接；NMOS管M3的栅极、漏极与第三电流源的一端、电容C0的一端、NMOS管M4的栅极分别连接，第三电流源的另一端和电容C0的另一端均接地；NMOS管M4的源极与源跟随器的输出端连接，漏极与第四电流源的一端、主偏置单元中NMOS管M5的源极、隔离单元中NMOS管Mn的栅极分别连接，第四电流源的另一端接地。
可以理解的是，本发明中的复制偏置子单元能够基于主偏置子单元中的MOS管M5来对电路中的静态电流进行确定。
具体来说，假设该电路中源跟随器的输出端悬空，则输出端电压的大小完全取决于电路中各个元件的参数，以及偏置电压Vb的取值。如图5所示，电路中NMOS管M0、M1和M2互为镜像，且M0和M1的源漏电流相等，并于M2的源漏电流成固定倍数。于此同时，M3和M4作为电流镜结构，使得M4的源漏电流固定为I0。由于M4与第四电流源串联，因此第四电流源中部分电流I0则被分配给NMOS管M5，M5的电流大小由偏置电压Vb确定，且M5管的栅源极电压Vgs在导通时固定，则M5的源极电压，即Mn管的栅极电压被确定下来。当Mn管的栅极电压确定后，Mn管的源漏极电流在Mn管栅极电压的控制下确定，从而确定了电路的静态电流。
另外，当电路中的输出端不再悬空，而是接入了后级电路之后，输出端的负载电流将随着后级负载的变化而变化，原本流经Mn管的电流部分通过负载电流流出至后级电路中，作为降低输出阻抗的反馈管Mp，此时生成的源漏电流部分经过Mn流出，部分流至后级负载中。
另外，当后级电路出现灌电流时，电流从输出端灌入图5中所示电路。在这种情况下，输出端电压Vout被瞬间输入的较大灌电流抬高，M4、M5和Mn，以及相应的电流源2I0会形成电流反馈电路，吸收来自Vout输出端的灌电流，而不使得该灌电流影响隔离单元的部分电路。
具体来说，当输出电压Vout升高后，PMOS管M4的栅极电压随之升高，M4的源漏电流增加，大于I0，使得流经M5源漏极的电流减小，由于M5的栅极电压保持不变，因此，M5的源极电压升高。也就是说，在输出电压Vout升高时，Mn管的栅极电压升高，Mn管的源漏电流增大，将升高的Vout快速拉低至原来的状态，输出电压恢复。
优选地，第一、第二、第三电流源的电流呈固定倍数；第四电流源的电流大于第一、第二、第三电流源的电流。
本发明中，由于NMOS管M0、M1和M2互为镜像，以及PMOS管M3和M4也互为镜像，因此M0、M1和M2所在的支路的第一、第二和第三电流源上流经的电流应当相等或者为固定倍数。本发明一实施例中，由于串联在M2、M3支路中的第三电流源的电流与第一、第二电流源的电流均为I0，因此三条支路的电流相等。另外，通过设置第四电流源的电流略大于其他支路，可以使得M5能够控制Mn有效的吸收来自外部的灌电流。
优选地，主偏置子单元和复制偏置子单元还用于吸收来自源跟随器输出端的交流灌入电流。
图6为本发明一种抑制过冲的分布式线性稳压器电路中原跟随器的抑制过冲输出的电压、电流曲线示意图。如图6所示，随着线性稳压器电路的工作原理可知，由于本发明中增加了过冲抑制单元，电路中发生的过冲会快速的被M4、M5和Mn形成的反馈路径响应，从而经过Mn拉低过冲电压，从而实现了过冲电压的快速抑制，，并使得过冲电压在非常短的时间内恢复原状。
优选地，电路中的多个源跟随器分别基于导线与其所在芯片的调制电压Vreg的输入管脚连接。
本发明中多个源跟随器可以采用类似并联的方式分别的与调制电压所在管脚连接，以实现分布式的接收调制电压Vreg。
优选地，源跟随器的数量为3个，并分别为其所在芯片中的三个电路模块供电。
本发明一实施例中，所需要的源跟随器的数量为3个，而根据芯片的规模和功能，可以任意的增加或减少源跟随器的数量，而发明的技术思路是不发生改变的。
优选地，源跟随器的输出电压为VX＝Iref·Rx；其中，VX为第X个源跟随器的输出电压，Iref为源跟随器中参考电流源的电流，Rx为第X个源跟随器中本地电阻的阻值，X的取值范围为(1，2，3)。
本发明中，源跟随器的输出电压只与参考电流和本地电阻相关。如果芯片希望设置多个源跟随器的输出电压完全一致，只需要将多个源跟随器中的本地电阻的阻值设置为完全相同即可。本实施例中，参考电流源的电流Iref即为电流源I0的电流。
另外，由于源跟随器距离调制电压所在管脚的距离的不同，使得金属线的线路阻抗也不同，为了克服线路阻抗的影响，本发明中的源跟随器只需要简单的修调电阻阻值的大小即可实现对于电压的精确控制。这种修改方式成分很低，实现容易，并且不会额外的增加电路结构。
除了将多个源跟随器的输出设置为完全相同之外，也可以容易的按照芯片的功能，将多个电压按照设定的比例或者规则进行设置。而上述方法也只需要更改电阻阻值即可实现。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明中的一种抑制过冲的分布式线性稳压器电路，能够通过对偏置电流进行传输，使得多个源跟随器实现对于偏置电流的接收，同时生成相互隔离且能够克服电压过冲问题的多个不同电路模块的供电电压。本发明电路结构简单，元件少，能够良好的适应规模较大的集成电路，供电电压的数量不受限制，瞬态稳压响应快，驱动能力强。
本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种抑制过冲的分布式线性稳压器电路，其特征在于：
所述电路包括多个源跟随器，每一个所述源跟随器上都包括一个隔离单元和一个过冲抑制单元；其中，
所述隔离单元，分别与负载点电源输入单元和过冲抑制单元连接，用于隔离和平衡所述多个源跟随器之间的输出电压；
所述过冲抑制单元，与所述隔离单元连接，用于对所述隔离单元生成的所述输出电压进行过冲抑制；
其中，所述隔离单元包括第一参考电流源，第二参考电流源，本地电阻R，NMOS管M0、M1和Mn；其中，
所述NMOS管M0的栅极和漏极连接，所述NMOS管M0的栅极分别与所述第一参考电流源的一端、NMOS管M1的栅极连接，所述第一参考电流源的另一端接入电源电压Vdd；
所述NMOS管M0的源极与本地电阻R的一端连接，本地电阻R的另一端接地；
所述NMOS管M1的漏极与第二参考电流源的一端连接，所述第二参考电流源的另一端接入电源电压Vdd；
所述NMOS管M1的源极与所述NMOS管Mn的漏极连接，并作为所述源跟随器的输出端；
所述NMOS管Mn的源极接地，栅极与所述过冲抑制单元连接；
所述过冲抑制单元包括降低阻抗子单元、复制偏置子单元、主偏置子单元；其中，
所述降低阻抗子单元与所述源跟随器的输出端连接，用于降低所述源跟随器的输出阻抗；
所述复制偏置子单元，与所述隔离单元、所述主偏置子单元连接，用于基于所述主偏置子单元的主偏置电压设置所述源跟随器的静态电流；
所述主偏置子单元，接收所述主偏置电压并将偏置信号发送至所述复制偏置子单元；
所述降低阻抗子单元包括PMOS管Mp，所述PMOS管Mp的源极接入电源电压Vdd，漏极接入所述源跟随器的输出端，栅极与所述NMOS管M1的漏极、第二参考电流源的一端分别连接；
所述主偏置子单元包括NMOS管M5，所述NMOS管M5的栅极接入主偏置电压Vb，漏极与所述源跟随器的输出端连接，源极与所述隔离单元中NMOS管Mn的栅极、所述复制偏置子单元分别连接；
所述复制偏置子单元包括NMOS管M2、M3和M4，以及第三电流源、第四电流源、电容C0；其中，
所述NMOS管M2栅极与所述NMOS管M0、M1的栅极分别连接，漏极接入电源电压Vdd，源极与所述NMOS管M3的源极连接；
所述NMOS管M3的栅极和漏极连接，所述NMOS管M3的栅极与第三电流源的一端、电容C0的一端、所述NMOS管M4的栅极分别连接，所述第三电流源的另一端和所述电容C0的另一端均接地；
所述NMOS管M4的源极与所述源跟随器的输出端连接，漏极与第四电流源的一端、主偏置单元中NMOS管M5的源极、隔离单元中NMOS管Mn的栅极分别连接，所述第四电流源的另一端接地。
2.根据权利要求1中所述的一种抑制过冲的分布式线性稳压器电路，其特征在于：
所述第一参考电流源，第二参考电流源，第三电流源的电流呈固定倍数；
所述第四电流源的电流大于所述第一参考电流源，第二参考电流源，第三电流源的电流。
3.根据权利要求2中所述的一种抑制过冲的分布式线性稳压器电路，其特征在于：
所述主偏置子单元和所述复制偏置子单元还用于吸收来自所述源跟随器输出端的交流灌入电流。
4.根据权利要求1中所述的一种抑制过冲的分布式线性稳压器电路，其特征在于：
所述电路中的多个源跟随器分别基于导线与其所在芯片的调制电压Vreg的输入管脚连接。
5.根据权利要求4中所述的一种抑制过冲的分布式线性稳压器电路，其特征在于：
所述源跟随器的数量为3个，并分别为其所在芯片中的三个电路模块供电。
6.根据权利要求5中所述的一种抑制过冲的分布式线性稳压器电路，其特征在于：
所述源跟随器的输出电压为；
其中，为第/>个源跟随器的输出电压，
为所述源跟随器中第一参考电流源、第二参考电流源的电流I0，
为所述第/>个源跟随器中本地电阻的阻值，
的取值为1或2或3。
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