CN1987710B - 一种电压调整装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种低功耗、宽工作电压范围的电压调整器，属于电源管理领域和微电子技术领域。本发明所述低功耗的电压调整器包括带隙基准参考电压源、电压检测与反馈单元、自动偏置电路、频率补偿电路、驱动输出电路。基准电压源产生参考电压及偏置电流、电压，输出电压检测与反馈单元检测调整器输出电压并反馈至自动偏置电路与驱动管的控制电路，自动控制电路的偏置电流及驱动能力。频率补偿电路确保整个环路的相位裕度与电压调整器的瞬态响应速度，使得调整器闭环稳定工作，瞬态响应快。该调整器的自功耗极低，且工作范围广，能够在标准CMOS工艺上实现，有效地简化了电压调整器的设计，提高了调整器的性能。

Description

一种电压调整装置
技术领域
本发明涉及电源管理领域和微电子技术领域，更具体的说，涉及到电压调整器。
背景技术
芯片设计中经常遇到外部提供的电源电压比芯片内部电路工作电压要高的问题，解决这一问题的方法是在芯片内部集成电压调整器，将芯片内部工作电压调整到所需要的水平。
在电源管理场合，输入信号往往是交流信号，如220V工频交流输入，该输入电压经整流后，输入至电路板中，这时的电源电压波动很大，在一些精密电路中，过大的电源电压的波动将导致电路的误操作或者出现其他的问题。电压调整器在电源管理场合的主要作用是将输入波动大的电压调整为波动小的、稳定的电压源，以满足精密电路的要求。
电压调整器在进行电压调整时本身要消耗功率，调整器本身消耗功率过大将造成电源的浪费，这对于功率要求高的应用是难以忍受的。特别是对于芯片内部的电压调整器，考虑到芯片的散热等问题，对调整器本身的功耗在很多时候是要求极高。但是，调整器本身的功耗和其动态相应能力是一对相互制约的指标，在解决调整器本身功耗的同时，必须保证足够的动态响应能力，保证所驱动电路的工作速度不受影响。
另外，电压调整器达到了低功耗和动态特性两方面的要求还不够，应用电路也会对电压调整器的工作范围提出相关的要求。例如某芯片要求工作电压范围为2.7V～5.5V，内部工作电压为2.7V～3.3V时，对电压调整器必须要在外部输入电压大于3.3V时，输出电压为稳定的3.3V，而在电源电压小于3.3V时，内部工作电压将直接跟随外部电源电压。这样就可以保证芯片在整个电源电压范围内稳定工作。
现有技术中美国专利(US6806690)对于电压调整器的低功耗要求提供了较好的解决办法，其电路图如附图1所示，但这种解决方案存在电路非常复杂，而且环路多不容易控制，各环路的相位裕度、稳定性不好设计。
现有技术中另一件美国专利(US6046577)提供了另外一种解决方案，如附图2所示，在此方案中完全依靠外接电容来满足负反馈电路的稳定性，其实际应用电路则较复杂，而且由于采用固定偏置电流的方法，无法实现小电流输出时的高效率，低功耗问题没有很好解决，动态响应速度也受到偏置电流的限制。
此外，现有技术美国专利6518737可以解决低功耗问题，其电路图如附图3所示，但仍然需要外接电容使环路稳定，不能够很好解决稳定性与应用简单的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电压调整装置，解决现有技术中电压调整装置不能同时兼顾低功耗、瞬态响应速度快、稳定性和应用简单的问题。
为实现上述目的，本发明提供一种如下的技术方案：
一种电压调整装置，包括自动偏置电路、驱动输出电路、带隙基准电压源和电压检测与反馈单元，其中，
带隙基准电压源连接至所述的自动偏置电路，提供所述电压调整装置的偏置电压并且为所述的电压检测与反馈单元提供参考电压；
电压检测与反馈单元检测所述的电压调整器的输出电压并将其与所述的带隙基准电压源提供的参考电压进行比较并将比较结果反馈至所述的自动偏置电路控制所述电压调整器的偏置电流和驱动输出电路的输出驱动能力。
其中所述的电压反馈与检测单元检测的输出电压与所述的带隙基准电压源提供的参考电压通过由MOS管组成的差分对管比较后放大其电压差用来控制所述的驱动输出电路和偏置电流。
其中所述的驱动输出电路采用MOS管直接输出电流且该输出电流由所述的自动偏置电路控制。
其中所述的电压调整装置还包括综合频率补偿电路，该综合频率补偿电路采用米勒补偿电路确保反馈电路的相位裕度、采用在自动偏置电路中设置超前相位补偿电路提高所述电压调整装置的瞬态响应速度以及电荷存储补偿电路在瞬间的大电流输出时释放电荷以减轻驱动输出的响应要求。
其中所述的自动偏置电路采用MOS管，所述的经差分对管比较后放大的电压差控制自动偏置电路MOS管的栅极。
其中所述的电压反馈与检测单元检测输出电压是通过电阻分压实现的。
本发明克服现有技术的不足，采用自动偏置电路控制电压调整器的偏置电流，使得调整器在大电流输出时自身的偏置电流才增加，快速响应大电流驱动需求，保证调整器的瞬态特性，同时保证整个电路在低电流输出时自身功耗低。本发明所述的电压调整器的自功耗极低，且工作范围广，能够在标准CMOS工艺上实现，有效地简化了电压调整器的设计，提高了调整器的性能。
附图说明
图1是现有技术之一美国专利US6806690的原理框图；
图2是现有技术之二美国专利US6046577的原理框图；
图3是现有技术之三美国专利US6518737的原理框图；
图4本发明低功耗宽动态范围电压调整器原理图；
图5本发明自动偏置与动态响应过程示意图；
图6本发明在输入电压大于预定输出电压时等效电路图；
图7本发明在输入电压小于预定输出电压时等效电路图；
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行进一步详细的说明。
如附图4所，本实施例的技术方案包括带隙基准电压源、输出电压检测与反馈单元、电流自动偏置电路、综合频率补偿电路、驱动输出电路。
以下分别进行说明：
其中带隙基准电压源电路属于经典的带隙电压产生电路，带隙基准电压源为整个电压调整器提供参考电压Vref、MP1管的偏置电压Vbias及电路中的电流源。
如附图4所示，输出电压检测与反馈单元由电阻R2、电阻R1、MOS管MN1、MOS管MN2、电容Cc2、MOS管MP1、MOS管MN3组成，其中电阻R2与电阻R1分压输出电压Vout得到电压Vfb，电压Vfb与参考电压Vref通过由MOS管MN1和MOS管MN2组成的差分对管比较，将比较结果反馈控制电压Va、Vb、Vc，而控制电压Va控制驱动管MP0的驱动能力，电压Vb通过MP2控制电压Vc，而电压Vc则控制MN3来调整MN1、MN2组成的差分对管的工作电流Ibias。
自动偏置电路由MOS管MN1，MOS管MN2，MOS管MP1，电容Cf及MOS管MN3构成，一旦检测电压Vfb与参考电压Vref有差别，即可通过MOS管MN1、MOS管MN2放大，放大的电压经MOS管MP1控制电压Vc，电压Vc则控制MOS管MN3的栅电压，即控制偏置电流Ibias的大小，因此，偏置电流Ibias随电压Vfb与参考电压Vref的差别而自动变化。这样就可以保证电压调整器在大电流输出时，自身的偏置电流随输出电流的增大而增加，以增加驱动能力，使得调整器能够很快响应大电流驱动，保证调整器的瞬态特性，同时保证整个电路在低电流输出时自身功耗低。自动偏置与动态响应过程如附图5所示，一旦输出电压Vout变小时，说明负载有加大，必须加大驱动输出能力，通过上述的反馈网络，偏置电流的控制电压Vc会增加，Vc增加则整个偏置电流加大，同时驱动MOS管MP0的控制电压Va会降低，驱动MOS管MP0的输出驱动能力加强，迫使输出电压升高。这种反馈过程保证了负载消耗电流加大时，调整器能够输出需要的电流。相反，如果负载变轻时，自动偏置电路控制偏置电流减少，驱动MOS管MP0的驱动电流减少。
综合频率补偿网络使用包括米勒补偿、相位超前补偿、电荷储存补偿三种方式综合的补偿网络，如附图4所示，由Rc1、Cc1组成的米勒补偿电路是确保反馈电路的相位裕度，使得调整器闭环稳定工作。在自动偏置电路环路中，利用Cc2、MP1及Cf组成前向反馈电路，保证有大电流驱动输出时，输出电压Vout的变化能够通过Cc2迅速反馈至电压检测单元检测到的输出电压Vfb，Vfb通过差分对管MOS管MN1和MOS管MN2组成的比较电路比较并放大后控制电压Va、Vb，电压Vb的变化通过Cf前馈控制MOS管MN3的栅极电压Vc，快速改变电压Vc，可以迅速提高偏置电流Ibias，Ibias电流增加，则可以保证驱动输出电压Va下降加速，Va下降则MOS驱动管MP0迅速增大驱动能力，输出大电流来驱动大负载，从而保证调整器的瞬态响应速度。
另外，在输出管脚Vout上接滤波电容Cc3，可以在小电流时储存电荷，在瞬间的大电流输出时，释放电荷，减轻驱动MOS管MP0的驱动响应要求。
输出驱动电路采用MOS管MP0，MOS管MP0的驱动能力由电压Va控制。Va越低，MP0的驱动输出电流能力就越大。反之，如果Va高，则输出电流就小。这样可以通过控制Va电压来控制MP0的输出电流。
一般情况下，额定输出电压小于供电电压，其等效电路如附图6所示，此时输出电压的值由输入的参考电压与反馈电路控制，即：
Vout = Vref × ( 1 + R 2 R 1 )
而在电源电压小于额定输出电压时，例如要求Vout为3.3V，而VCC小于3.3V时，此时Vfb必然小于Vref，因此Va电压低至0V，其等效电路如附图7所示，驱动MOS管直接导通，此时Vout为：
Vout＝Vcc
此时Vout由电源直接驱动输出，保证Vout跟随VCC，确保输出电压的动态范围加大。
如上所述，在额定输出电压小于供电电压时，输出电压的值由输入的参考电压与反馈电路控制，而在电源电压小于额定输出电压时，MOS管直接导通，由电源直接驱动输出。

Claims (5)

1.一种电压调整装置，包括自动偏置电路、驱动输出电路、带隙基准电压源和电压检测与反馈单元，其中，
带隙基准电压源连接至所述的自动偏置电路，提供所述电压调整装置的偏置电压并且为所述的电压检测与反馈单元提供参考电压；
电压检测与反馈单元检测所述的电压调整器的输出电压并将其与所述的带隙基准电压源提供的参考电压进行比较并将比较结果反馈至所述的自动偏置电路控制所述电压调整器的偏置电流和驱动输出电路的输出驱动能力；
所述的电压反馈与检测单元检测的输出电压与所述的带隙基准电压源提供的参考电压通过由MOS管组成的差分对管比较后放大其电压差用来控制所述的驱动输出电路和偏置电流。
2.根据权利要求1所述的电压调整装置，其特征在于，所述的驱动输出电路采用MOS管直接输出电流且该输出电流由所述的自动偏置电路控制。
3.根据权利要求1所述的电压调整装置，其特征在于，所述的电压调整装置还包括综合频率补偿电路，该综合频率补偿电路采用米勒补偿电路确保反馈电路的相位裕度、采用在自动偏置电路中设置超前相位补偿电路提高所述电压调整装置的瞬态响应速度以及电荷存储补偿电路在瞬间的大电流输出时释放电荷以减轻驱动输出的响应要求。
4.根据权利要求1所述的电压调整装置，其特征在于，所述的电压检测与反馈单元检测输出电压是通过电阻分压实现的。
5.根据权利要求1所述的电压调整装置，其特征在于，所述的自动偏置电路采用MOS管，所述的经差分对管比较后放大的电压差控制自动偏置电路MOS管的栅极。
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Denomination of invention: Voltage regulator

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Patentee after: Chipsea Technology (Shenzhen) Co., Ltd.

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Assignor: CHIPSEA TECHNOLOGIES (SHENZHEN) Corp.

Contract record no.: 2012440020431

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