CN114860020A - 一种基于绝热逻辑电路的ldo线性稳压器 - Google Patents

一种基于绝热逻辑电路的ldo线性稳压器 Download PDF

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王雨滋
段曦晨
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Abstract

本发明公开了一种基于绝热逻辑电路的LDO线性稳压器，包括误差放大器EA、绝热逻辑电路、功率管Mp以及分压反馈网络。绝热逻辑电路依靠能量恢复结构来回收能量，将能量进行积极的“回收再利用”，达到降低功耗的目的。本发明将绝热逻辑电路运用到传统的LDO线性稳压器的设计中，使得整体的电路结构形成数模混合，能够重复回收利用电路传输中的能量，将电路传输中的能量耗散控制在很小的范围内，达到降低整体电路功耗的目的。

Description

一种基于绝热逻辑电路的LDO线性稳压器
技术领域
本发明涉及稳压器技术领域，特别是涉及一种基于绝热逻辑电路的LDO线性稳压器。
背景技术
随着科技的不断进步，各种微小型智能设备进入人们的生活，如：智能手机、可穿戴智能设备等等。这类电子产品将会往体积越来越小的趋势去发展，这就对于电源管理芯片提出了更高的要求，电源的提供是各类智能电子设备运行的基础，一旦性能不佳将会直接影响到产品的优良率。LDO线性稳压器作为电源管理芯片的一个重要组成部分也受到了人们的关注，LDO其结构较为简单，构成的元器件较少。在这样的应用背景下，本领域亟需一种具有超低功耗的LDO线性稳压器，这样可以使整体的电源管理芯片功耗降低，延长各类电子设备的续航时间，从而提高使用效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于绝热逻辑电路的LDO线性稳压器，能够重复回收利用电路传输中的能量，以降低整体电路功耗。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种基于绝热逻辑电路的LDO线性稳压器，包括：误差放大器EA、绝热逻辑电路、功率管Mp以及分压反馈网络；所述绝热逻辑电路包括第一NMOS管N1、第二NMOS管N2、第一PMOS管P1、第二PMOS管P2；
所述误差放大器EA的反向输入端连接基准电压Vref；所述误差放大器EA的同向输入端连接所述分压反馈网络；所述误差放大器EA的输出端与所述第一NMOS管N1的栅极连接；
所述第一NMOS管N1的源极和所述第二NMOS管N2的源极均接地；所述第一NMOS管N1的漏极分别与所述第一PMOS管P1的漏极、所述第二PMOS管P2的栅极连接；所述第二NMOS管N2的漏极分别与所述第二PMOS管P2的漏极、所述第一PMOS管P1的栅极连接；所述第二NMOS管N2的栅极接地；所述第一PMOS管P1的源极和所述第二PMOS管P2的源极均与电源时钟CLK连接；
所述功率管Mp的栅极与所述第二PMOS管P2的漏极连接；所述功率管Mp的源极与电源VCC连接；所述功率管Mp的漏极连接所述分压反馈网络。
可选地，分压反馈网络包括第一电阻R1和第二电阻R2；所述第一电阻R1的一端连接所述功率管Mp的漏极，所述第一电阻R1的另一端分别与所述误差放大器EA的同向输入端、所述第二电阻R2的一端连接；所述第二电阻R2的另一端接地。
可选地，所述分压反馈网络分别与负载电容CL、负载电阻RL并联。
可选地，还包括：基准电压源；所述基准电压源的输出端产生所述基准电压Vref。
可选地，所述误差放大器EA为两级运算跨导放大器。
可选地，所述功率管Mp为PMOS功率管。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供了一种基于绝热逻辑电路的LDO线性稳压器，包括误差放大器EA、绝热逻辑电路、功率管Mp以及分压反馈网络；所述绝热逻辑电路包括第一NMOS管N1、第二NMOS管N2、第一PMOS管P1、第二PMOS管P2；所述误差放大器EA的反向输入端连接基准电压Vref；所述误差放大器EA的同向输入端连接所述分压反馈网络；所述误差放大器EA的输出端与所述第一NMOS管N1的栅极连接；所述第一NMOSN1管的源极和所述第二NMOS管N2的源极均接地；所述第一NMOS管N1的漏极分别与所述第一PMOS管P1的漏极、所述第二PMOS管P2的栅极连接；所述第二NMOS管N2的漏极分别与所述第二PMOS管P2的漏极、所述第一PMOS管P1的栅极连接；所述第二NMOS管N2的栅极接地；所述第一PMOS管P1的源极和所述第二PMOS管P2的源极均与电源时钟CLK连接；所述功率管Mp的栅极与所述第二PMOS管P2的漏极连接；所述功率管Mp的源极与电源VCC连接；所述功率管Mp的漏极连接所述分压反馈网络。绝热逻辑是一种可以显著降低电路功耗的方法，可以将电路传输中的能量耗散控制在很小的范围内。本发明将绝热逻辑电路运用到传统的LDO线性稳压器的设计中，使得整体的电路结构形成数模混合，能够重复回收利用电路传输中的能量，达到降低整体电路功耗的目的。
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一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为传统LDO线性稳压器的结构示意图；
图2为本发明提供的基于绝热逻辑电路的LDO线性稳压器的整体结构示意图；
图3为本发明提供的基于绝热逻辑电路的LDO线性稳压器的电路连接示意图。
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。
本发明的目的是提供一种基于绝热逻辑电路的LDO线性稳压器，能够重复回收利用电路传输中的能量，以降低整体电路功耗。
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。
绝热逻辑电路也称为能量恢复型电路，依靠逻辑赋值结构改变输入连接以及能量恢复结构来回收能量，将能量进行积极的“回收再利用”，将电路传输中的能量耗散控制在很小的范围内，达到降低功耗的目的。绝热逻辑电路是一种可以显著降低电路功耗的方法，现将这种电路设计的方法运用到传统的LDO线性稳压器的设计中去，使得整体的电路结构形成数模混合，以达到降低整体设备功耗的目的。相对于现有的传统LDO结构，带有绝热逻辑设计模块的LDO结构拥有着超低功耗的特点，使得整体电路能量耗散小。超低功耗的特点，主要来源于“绝热逻辑电路”部分。
图1为传统LDO线性稳压器的结构示意图，如图1所示，误差放大器EA的反向输入端与基准电压Vref相连，同向输入端与分压反馈网络相连，误差放大器EA的输出端与功率管Mp相连。电阻R1和R2作为反馈电阻形成分压反馈网络。误差放大器EA、功率管Mp和反馈电阻R1、R2形成了闭环反馈环路以稳定输出电压。负载电容CL与负载电阻RL是属于芯片外的部分，分别与所述分压反馈网络并联连接。
现将绝热逻辑电路加入到传统的LDO结构图中去，绝热逻辑电路介于误差放大器EA与功率管Mp之间，得到本发明基于绝热逻辑电路的LDO线性稳压器。图2为本发明提供的基于绝热逻辑电路的LDO线性稳压器的整体结构示意图。如图2所示，误差放大器EA的反向输入端与基准电压源相连，误差放大器EA的同向输入端与分压反馈网络相连，误差放大器EA的输出端与绝热逻辑电路的输入端相连，绝热逻辑电路的输出端功率管Mp相连，基准电压源、误差放大器EA、功率管Mp、绝热逻辑电路以及分压反馈网络相连形成了闭环反馈网络。
基准电压源为电路提供一个不受工艺、电源电压和温度影响的恒定电压，并输入到误差放大器中去。基准电压源的基本原理是将一个正温度系数电压与一个负温度系数电压按一定的比例相加，形成一个零温度系数电压，这样才能达到对温度不敏感的目的。本发明采用的是带隙基准电压源，通过PN结电压来产生正负温度系数电压。
误差放大器EA是LDO线性稳压器中的一个重要部分，确保LDO线性稳压器能够时时刻刻进行稳定工作。电路工作时误差放大器EA的同向输入端与分压反馈网络相连接，而反向输入端则与基准电压源相连接，利用“虚短”的特性使得基准电压Vref与反馈电压相等，并通过误差放大器EA比较后输出，保持功率管Mp以及整体电路的稳定。LDO的环路增益很大一部分来源于误差放大器EA，所以本发明中采用两级结构的误差放大器，即最基本的两级运算跨导放大器OTA，由五管差分对作为输入级，共源极晶体管作为第二级放大和输出电路、直流偏置电路和稳定环路的米勒补偿电路，来保证低频时的增益。
功率管Mp的作用是当电源电压发生改变时，提供较为稳定的输出电压和负载电流。功率管Mp的大小决定了LDO的负载能力和压差，功率管Mp的输入端的寄生电容也影响着整体LDO的稳定性和瞬态特性。为了达到低功耗的目的，根据横向比较与选择，本发明采用PMOS作为功率管Mp，PMOS功率管具有很小的静态电流与更小的压差。
反馈网络主要是采样变化的输出电压，并输入回误差放大器EA与基准电压Vref进行比较。反馈网络的主要功能也是维持整个LDO的稳定性。一般的反馈网络包括电阻型反馈网络和MOS管反馈网络，本发明中采用的是电阻型反馈网络，因为其精度高、匹配性更好，能适用于更多的创新型LDO结构。
绝热逻辑电路位于误差放大器EA与功率管Mp之间，通过绝热能量传输实现与环境尽可能少的热交换，达到降低电路功耗的目的。但是绝热逻辑电路会相应地提高整体电路的复杂性，因此要在电路复杂性与电路功耗之间进行折衷考虑。绝热逻辑电路通过在电路运行后将电荷返回电源，绝热电路的能耗大大降低。绝热逻辑电路可以分为部分绝热和完全绝热，本发明采用部分绝热，在部分绝热电路中，一些电荷被转移到地上，而在完全绝热电路中，负载电容上的所有电荷由电源恢复。
在传统的LDO基础上加入绝热逻辑电路，在不改变电路基本功能的情况下，大幅度降低整个电路系统的功耗，改良LDO线性稳压器的性能。
下面对基于绝热逻辑电路的LDO结构中各部分之间具体地连接方式进行说明。
图3为本发明提供的基于绝热逻辑电路的LDO线性稳压器的电路连接示意图。如图3所示，所述基于绝热逻辑电路的LDO线性稳压器包括误差放大器EA、绝热逻辑电路、功率管Mp以及分压反馈网络。所述绝热逻辑电路包括第一NMOS管N1、第二NMOS管N2、第一PMOS管P1、第二PMOS管P2。所述分压反馈网络包括第一电阻R1和第二电阻R2。
从第一NMOS管N1的栅极引出输入节点X1a，从第二NMOS管N2的栅极引出输入节点X1b，从第一PMOS管P1的漏极引出输出节点X2b，从第二PMOS管P2的漏极引出输出节点X2a。X1a、X1b为绝热逻辑电路的输入节点，X2a、X2b为绝热逻辑电路的输出节点。
所述误差放大器EA的反向输入端连接基准电压Vref，所述误差放大器EA的同向输入端连接所述分压反馈网络的第一电阻R1的另一端，所述误差放大器EA的输出端与绝热逻辑电路的输入端连接，即与输入节点X1a连接。
所述第一NMOS管N1的源极和所述第二NMOS管N2的源极均接地，所述第一NMOS管N1的漏极、所述第一PMOS管P1的漏极以及所述第二PMOS管P2的栅极连接于输出节点X2b，输出节点X2b接地。所述第二NMOS管N2的漏极、所述第二PMOS管P2的漏极以及所述第一PMOS管P1的栅极连接于输出节点X2a，所述第一PMOS管P1的源极和所述第二PMOS管P2的源极均与电源时钟CLK连接。输入节点X1b连接所述第二NMOS管N2的栅极，输入节点X1b接地，保持低电平。
绝热逻辑电路的输出作为所述功率管Mp的输入，功率管Mp的栅极与绝热逻辑电路的输出节点X2a连接，所述功率管Mp的源极与电源VCC连接，所述功率管Mp的漏极连接所述分压反馈网络的第一电阻R1的一端。所述功率管Mp为PMOS功率管。
分压反馈网络包括第一电阻R1和第二电阻R2；所述第一电阻R1与第二电阻R2串联连接，所述第一电阻R1的一端连接所述功率管Mp的漏极，所述第一电阻R1的另一端分别与所述误差放大器EA的同向输入端以及所述第二电阻R2的一端连接，所述第二电阻R2的另一端接地。所述分压反馈网络分别与负载电容CL、负载电阻RL并联。
本发明的电路作用包括逻辑赋值和能量回收。其中逻辑赋值通过NMOS管N1、N2实现，通过改变下拉网络结构以改变输入的连接，即通过判断输入节点X1a、X1b哪个为高电平，来决定N1、N2的导通截止情况。
能量回收则由交叉耦合的PMOS管P1、P2实现，将输出节点的能量回收至电源时钟CLK。逻辑赋值与能量回收是一个先后的关系，由逻辑赋值决定电路工作流程之后进行将能量回收至CLK的过程。传统CMOS使用恒压电源，而在绝热逻辑电路中使用电源时钟CLK。如图3所示，电源时钟CLK位于绝热逻辑电路内，区分于给误差放大器EA提供电源的基准电压源，电源时钟CLK用于在绝热逻辑电路内实现能量回收工作。
能量回收工作的具体过程如下。
当输入节点X1a为高电平时，X1b则对应控制为低电平，NMOS管N1导通、NMOS管N2截止，X2b接地。当电源时钟CLK上升到P2的阈值电压时，PMOS管P2导通，输出节点X2a通过P2与电源时钟CLK相连。当电源时钟CLK由低电平上升到PMOS管P2阈值电压的过程中，PMOS管P1和PMOS管P2都是截止的。当电源时钟CLK从高电平下降到PMOS管P2阈值电压的过程中，PMOS管P2导通，输出电压会同步下降为PMOS管P2阈值电压。但电源时钟CLK若继续下降，P2就会截止，能量回收工作完成，能量回收到电源时钟CLK，即进入下一个周期，下一个工作周期重复之前所述的工作流程达到重复能量回收的目的。其中PMOS管P2阈值电压指的是PMOS管P2漏源端刚好导通时的栅电压，它代表着PMOS管P2导通与否的临界值，可以作为一个工作状态的评判标准。
作为一个具体实施例，采用绝热逻辑结构的一位全加器相比于静态互补CMOS结构功耗降低了83％。
本发明采用的绝热逻辑电路依靠能量恢复结构来回收能量，将能量进行积极的“回收再利用”，达到降低功耗的目的。本发明将绝热逻辑电路运用到传统的LDO线性稳压器的设计中，使得整体的电路结构形成数模混合，能够重复回收利用电路传输中的能量，将电路传输中的能量耗散控制在很小的范围内，达到降低整体电路功耗的目的。在目前适用于微小型电子器件的LDO中，尽可能的低功耗是一个重要的优点。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种基于绝热逻辑电路的LDO线性稳压器，其特征在于，包括：误差放大器EA、绝热逻辑电路、功率管Mp以及分压反馈网络；所述绝热逻辑电路包括第一NMOS管N1、第二NMOS管N2、第一PMOS管P1、第二PMOS管P2；
所述误差放大器EA的反向输入端连接基准电压Vref；所述误差放大器EA的同向输入端连接所述分压反馈网络；所述误差放大器EA的输出端与所述第一NMOS管N1的栅极连接；
所述第一NMOS管N1的源极和所述第二NMOS管N2的源极均接地；所述第一NMOS管N1的漏极分别与所述第一PMOS管P1的漏极、所述第二PMOS管P2的栅极连接；所述第二NMOS管N2的漏极分别与所述第二PMOS管P2的漏极、所述第一PMOS管P1的栅极连接；所述第二NMOS管N2的栅极接地；所述第一PMOS管P1的源极和所述第二PMOS管P2的源极均与电源时钟CLK连接；
所述功率管Mp的栅极与所述第二PMOS管P2的漏极连接；所述功率管Mp的源极与电源VCC连接；所述功率管Mp的漏极连接所述分压反馈网络。
2.根据权利要求1所述的基于绝热逻辑电路的LDO线性稳压器，其特征在于，分压反馈网络包括第一电阻R1和第二电阻R2；所述第一电阻R1的一端连接所述功率管Mp的漏极，所述第一电阻R1的另一端分别与所述误差放大器EA的同向输入端、所述第二电阻R2的一端连接；所述第二电阻R2的另一端接地。
3.根据权利要求1所述的基于绝热逻辑电路的LDO线性稳压器，其特征在于，所述分压反馈网络分别与负载电容CL、负载电阻RL并联。
4.根据权利要求1所述的基于绝热逻辑电路的LDO线性稳压器，其特征在于，还包括：基准电压源；所述基准电压源的输出端产生所述基准电压Vref。
5.根据权利要求1所述的基于绝热逻辑电路的LDO线性稳压器，其特征在于，所述误差放大器EA为两级运算跨导放大器。
6.根据权利要求1所述的基于绝热逻辑电路的LDO线性稳压器，其特征在于，所述功率管Mp为PMOS功率管。
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