CN208190513U - 一种智能调度的高效率电源管理器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种智能调度的高效率电源管理器。包括相互连接的启动模块、开关电容型稳压器模块和LDO模块；启动模块包括计数器、上电复位电路、低压振荡器、有限状态机；有限状态机与开关电容型稳压器模块和LDO模块连接；开关电容型稳压器模块包括时钟控制电路、电压检测电路、模式切换电路和开关电容阵列电路，时钟控制电路分别与模式切换电路、开关电容阵列电路连接，电压检测电路分别与模式切换电路、开关电容阵列电路连接，模式切换电路还与开关电容阵列电路连接；模式切换电路还连接至LDO模块；LDO模块为主从结构LDO。本实用新型能够根据输入电压的大小，自动选择并切换到最佳的工作模式，优化电源管理芯片的效率，适用于各种低功耗应用中。

Description

一种智能调度的高效率电源管理器

技术领域

本实用新型涉及一种智能调度的高效率电源管理器。

背景技术

随着SoC（片上系统）广泛应用于便携式电子设备，担负着电能的分配、变换等职能的电源管理芯片已是不可或缺。为了满足便携式电子设备的苛刻要求，更小尺寸、更低功耗和更高效率是电源管理芯片未来的发展方向。在电源管理芯片中，用于实现电压转换的电路有三种：分别为低压差线性稳压器（LDO）、开关电容型稳压器和开关电感型稳压器。其中，结构简单的LDO在市场占有率最高。但是它的转换效率会随着输入电压的增大而减小。

目前国内工业界的产品以及学术界对于电源管理器的研究均倾向于采用片外储能元件，最大负载电流均在几百毫安。但这种电源管理器的尺寸相对较大，不适合应用于体积和面积要求更加苛刻的便携产品之中。

本实用新型提出一种智能调度的高效率电源管理器。该方案采用片内集成传输电容。系统根据输入电压的大小，自动选择并切换到最佳的工作模式，优化电源管理芯片的效率，适用于各种低功耗应用中。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种智能调度的高效率电源管理器，能够根据输入电压的大小，自动选择并切换到最佳的工作模式，优化电源管理芯片的效率，适用于各种低功耗应用中。

为实现上述目的，本实用新型的技术方案是：一种智能调度的高效率电源管理器，包括相互连接的启动模块、开关电容型稳压器模块和LDO模块；

所述启动模块包括计数器及与该计数器连接的上电复位电路、低压振荡器、有限状态机；所述有限状态机与所述开关电容型稳压器模块和LDO模块连接；

所述开关电容型稳压器模块包括时钟控制电路、电压检测电路、模式切换电路和开关电容阵列电路，所述时钟控制电路分别与所述模式切换电路、开关电容阵列电路连接，所述电压检测电路分别与模式切换电路、开关电容阵列电路连接，所述模式切换电路还与开关电容阵列电路连接；所述模式切换电路还连接至所述LDO模块；

所述LDO模块为主从结构LDO。

在本实用新型一实施例中，所述低压振荡器的工作频率为50kHz。

在本实用新型一实施例中，所述时钟控制电路包括相互连接的振荡器和四相位时钟电路，所述振荡器与所述模式切换电路连接，所述四相位时钟电路与开关电容阵列电路连接。

在本实用新型一实施例中，所述振荡器工作频率为40MHz。

在本实用新型一实施例中，所述开关电容阵列电路包括四个开关电容阵列，该四个开关电容阵列均包括开关S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9，电容C1、C2，S1的一端、S2的一端相连接，并经C1与S3的一端、S4的一端、S5的一端连接，S6的一端、S7的一端与S5的另一端连接，并经C2与S8的一端、S9的一端连接，S1的另一端、S6的另一端作为电源输入端，S3的另一端、S8的另一端相连接至GND，S2的另一端、S4的另一端、S7的另一端、S9的另一端相连接作为电源输出端。

在本实用新型一实施例中，所述LDO模块包括依次连接的标准结构LDO、电流反馈电路、功率管N1，所述标准LDO包括误差放大器EA、功率管N5、电阻R1、R2，所述电流反馈电路包括晶体管P1、P2、N2、N3、N4，EA的同相端作为基准电源输入端，EA的反相端与R1的一端、R2的一端连接，EA的电源端与P1的源极、P2的源极、N5的漏极连接，EA的输出端与N5的栅极、N1的栅极、N2的栅极连接，N5的源极与R1的另一端、N4的漏极连接，R2的另一端与N4的源极、N3的源极相连接至GND，P1的栅极与P1的漏极、P2的栅极、N2的漏极连接，P2的漏极与N3的漏极、N3的栅极、N4的栅极连接，N2的源极与N1的源极相连接作为输出端，N1的漏极作为输入端。

在本实用新型一实施例中，所述LDO模块还包括用于为标准结构LDO、电流反馈电路供电的两倍交叉耦合电荷泵电路，该两倍交叉耦合电荷泵电路由功率管M11、M12、M13、M14、Mr1、Mr2、Mr3、Mr4，电容C10、C20组成。

在本实用新型一实施例中，所述LDO模块还包括数字校正电路，该数字校正电路与基准电源输入端连接。

相较于现有技术，本实用新型具有以下有益效果：本实用新型能够根据输入电压的大小，自动选择并切换到最佳的工作模式，优化电源管理芯片的效率，适用于各种低功耗应用中。

附图说明

图1为采用LDO和开关电容型稳压器结合的电路系统图。

图2为启动模块时序图。

图3为三种开关电容阵列结构图，其中，图3（a）表示开关电容阵列具有1/3工作模式，图3（b）表示开关电容阵列具有1/2工作模式1/2，图3（c）表示开关电容阵列具有2/3工作模式。

图4为主从结构LDO电路图。

图5为两倍交叉耦合电荷泵电路图。

图6为数字校正模块电路图。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型的技术方案进行具体说明。

本实用新型的一种智能调度的高效率电源管理器，包括相互连接的启动模块、开关电容型稳压器模块和LDO模块；

所述启动模块包括计数器及与该计数器连接的上电复位电路、低压振荡器、有限状态机；所述有限状态机与所述开关电容型稳压器模块和LDO模块连接；所述低压振荡器的工作频率为50kHz。

所述开关电容型稳压器模块包括时钟控制电路、电压检测电路、模式切换电路和开关电容阵列电路，所述时钟控制电路分别与所述模式切换电路、开关电容阵列电路连接，所述电压检测电路分别与模式切换电路、开关电容阵列电路连接，所述模式切换电路还与开关电容阵列电路连接；所述模式切换电路还连接至所述LDO模块；所述时钟控制电路包括相互连接的振荡器和四相位时钟电路，所述振荡器与所述模式切换电路连接，所述四相位时钟电路与开关电容阵列电路连接。所述振荡器工作频率为40MHz。所述开关电容阵列电路包括四个开关电容阵列，该四个开关电容阵列均包括开关S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9，电容C1、C2，S1的一端、S2的一端相连接，并经C1与S3的一端、S4的一端、S5的一端连接，S6的一端、S7的一端与S5的另一端连接，并经C2与S8的一端、S9的一端连接，S1的另一端、S6的另一端作为电源输入端，S3的另一端、S8的另一端相连接至GND，S2的另一端、S4的另一端、S7的另一端、S9的另一端相连接作为电源输出端。

所述LDO模块为主从结构LDO。所述LDO模块包括依次连接的标准结构LDO、电流反馈电路、功率管N1，所述标准LDO包括误差放大器EA、功率管N5、电阻R1、R2，所述电流反馈电路包括晶体管P1、P2、N2、N3、N4，EA的同相端作为基准电源输入端，EA的反相端与R1的一端、R2的一端连接，EA的电源端与P1的源极、P2的源极、N5的漏极连接，EA的输出端与N5的栅极、N1的栅极、N2的栅极连接，N5的源极与R1的另一端、N4的漏极连接，R2的另一端与N4的源极、N3的源极相连接至GND，P1的栅极与P1的漏极、P2的栅极、N2的漏极连接，P2的漏极与N3的漏极、N3的栅极、N4的栅极连接，N2的源极与N1的源极相连接作为输出端，N1的漏极作为输入端。所述LDO模块还包括用于为标准结构LDO、电流反馈电路供电的两倍交叉耦合电荷泵电路，该两倍交叉耦合电荷泵电路由功率管M11、M12、M13、M14、Mr1、Mr2、Mr3、Mr4，电容C10、C20组成。所述LDO模块还包括数字校正电路，该数字校正电路与基准电源输入端连接。

以下为本实用新型的具体实现过程。

本实用新型提出一种采用LDO和开关电容型稳压器（Capacitive DC-DC）结合的新型电源管理器结构。电路结构主要由三个部分构成：启动模块、开关电容型稳压器和LDO。系统根据输入电压的大小，自动选择并切换到最佳的工作模式，优化电源管理芯片的效率。

本实用新型采用SMIC 0.18μm CMOS工艺，电源管理芯片工作频率为20MHz，输入电压1V~3V，输出电压为0.7V~0.75V。系统框架图如图1所示。当系统上电后，启动模块首先开始工作，当电压达到1V时，上电复位电路（POR）将计数器进行复位，之后50kHz的低压振荡器（LPO）开始计数，当电源电压上电完成，计数器停止计数，产生一个使能信号，启动有限状态机（FSM），最后FSM控制开关电容型稳压器和LDO的各个模块逐步启动。在启动过程中，如果电源电压在1.6V~3V之间，开关电容型稳压器开始工作，并根据模式切换电路的检测结果，在1/3、1/2、2/3三种模式中自由切换，最终切换到最佳模式。如果电源电压在1.4V~1.6V之间，开关电容型稳压器和主从结构LDO共同工作。如果电源电压在1V~1.4V之间，开关电容型稳压器的输出无法满足额定输出电压的要求，主从结构LDO开始接管负载的供电，保证了电源管理模块在1V~3V内具有高的效率。

所述启动模块主要包含四个电路：上电复位模块、低压振荡器、有限状态机和计数器。其时序图如图2所示。启动模块的启动过程为：当系统上电后，上电复位电路检测电压是否达到阈值1V，在电压超过这个阈值后，上电复位电路产生一个复位信号将计数器复位。当计数器复位后，低压振荡器（设计在50kHz）开始计数，当电源电压上电完成，计数器停止计数，产生一个使能信号，启动有限状态机。此后，有限状态机开始接管各个模块的启动控制。首先是40MHz的振荡器和基准的启动，经过一个周期，即20μs后，进入状态4，开关电容型稳压器和LDO开始启动。由于输出电压的拉起需要一段时间，有限状态机在两个电源模块启动320μs后，开始检测输出电压是否达到阈值电压（1V），若没有达到阈值，有限状态机将控制后面的模块重新启动，直到电路可以正常工作。

所述开关电容型稳压器主要分为时钟控制电路、电压检测电路、模式切换电路和包括开关电容阵列在内的核心电路。所述开关电容阵列在内的核心电路拆成四个小单元，以便降低由于输出电压的纹波而产生的损耗。针对输入电压范围和输出电压要求，所述开关电容阵列具有1/3、1/2、2/3三种工作模式，其结构分别如图3中图3（a）、图3（b）、图3（c）所示。其中Φ1状态为充电相位、Φ2状态为放电相位，灰色部分为该模式下断开的开关。以1/3模式为例说明，对于电容C1来说，在充电相位，开关S1、S5、S9闭合，电容C1两端的电压差为（V_in-V_out）/2；在放电相位，电容C1两端的电压差为V_out，在没有负载时，若电路达到稳态，电容两端的电压差将不再发生改变，有即：。因此，通过改变工作模式，可以实现输出电压变为输入电压的1/3、1/2和2/3。

所述的开关电容型稳压器中的传输电容采用MIM电容和MOS电容相结合的方式，将MIM电容作在次顶层金属之上，而MOS电容直接作在硅衬底上。这样可以增大单位面积的容值，达到减小芯片面积的目的。

所述LDO为主从结构LDO。原理图如图4所示。电路结构主要由三部分构成，第一部分为标准结构的LDO，如图4中虚线框内所示；第二部分由P1，P2和N3，N4构成的两个电流镜和一个辅助管N2构成，形成了一个电流反馈通路；电路的第三部分为功率管N1，主要为负载提供电流。当负载电流发生变化时，辅助管N2将这一变化通过电流镜P1，P2和N3，N4反馈到N5所在支路，流过电阻反馈网络的电流发生变化，误差放大器检测到这一变化后产生相应的调节，从而使得输出电压稳定。N1管和N2管的比例决定了反馈电流的大小，所述的N1管和N2管的比例为100:1。

所述LDO对输入范围进行了优化。在所述主从结构LDO电路中引入了两倍交叉耦合电荷泵，用于对除N1管外的其它电路供电，而N1由电源电压进行供电。具体结构如图5所示。当φ1=1，φ2=0时，电容C10被充到V_DD，电容C20在上半周期上存储的电压为V_DD，此时再叠加V_DD，故输出电压为2V_DD；在下半个周期，即φ1=0，φ2=1时，电容C20被充到V_DD，而电容C10右半极板的电压变为2V_DD。因此电荷泵工作在任意相位，其输出电压始终维持在2V_DD左右，同单端结构相比，输出电压纹波减小了一半。

所述LDO在原有电阻反馈网络里加入数字校准电路模块，如图6所示，开关S1~S8通过进行控制。输出电压的调节范围是700mV~850mV。

当输入电压为1.6V~3V时，开关电容型稳压器的效率要比LDO的效率高；当输入电压为1V~1.4V时，LDO的效率比较高；当输入电压为1.4V~1.6V时，开关电容型稳压器和LDO共同工作。本文采用所述的两种稳压器结合的方法，可以有效提高了输入电压范围内系统的效率。

以上是本实用新型的较佳实施例，凡依本实用新型技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本实用新型技术方案的范围时，均属于本实用新型的保护范围。

Claims (8)

1.一种智能调度的高效率电源管理器，其特征在于，包括相互连接的启动模块、开关电容型稳压器模块和LDO模块；

所述启动模块包括计数器及与该计数器连接的上电复位电路、低压振荡器、有限状态机；所述有限状态机与所述开关电容型稳压器模块和LDO模块连接；

所述开关电容型稳压器模块包括时钟控制电路、电压检测电路、模式切换电路和开关电容阵列电路，所述时钟控制电路分别与所述模式切换电路、开关电容阵列电路连接，所述电压检测电路分别与模式切换电路、开关电容阵列电路连接，所述模式切换电路还与开关电容阵列电路连接；所述模式切换电路还连接至所述LDO模块；

所述LDO模块为主从结构LDO。

2.根据权利要求1所述的一种智能调度的高效率电源管理器，其特征在于，所述低压振荡器的工作频率为50kHz。

3.根据权利要求1所述的一种智能调度的高效率电源管理器，其特征在于，所述时钟控制电路包括相互连接的振荡器和四相位时钟电路，所述振荡器与所述模式切换电路连接，所述四相位时钟电路与开关电容阵列电路连接。

4.根据权利要求3所述的一种智能调度的高效率电源管理器，其特征在于，所述振荡器工作频率为40MHz。

5.根据权利要求1所述的一种智能调度的高效率电源管理器，其特征在于，所述开关电容阵列电路包括四个开关电容阵列，该四个开关电容阵列均包括开关S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9，电容C1、C2，S1的一端、S2的一端相连接，并经C1与S3的一端、S4的一端、S5的一端连接，S6的一端、S7的一端与S5的另一端连接，并经C2与S8的一端、S9的一端连接，S1的另一端、S6的另一端作为电源输入端，S3的另一端、S8的另一端相连接至GND，S2的另一端、S4的另一端、S7的另一端、S9的另一端相连接作为电源输出端。

6.根据权利要求1所述的一种智能调度的高效率电源管理器，其特征在于，所述LDO模块包括依次连接的标准结构LDO、电流反馈电路、功率管N1，所述标准LDO包括误差放大器EA、功率管N5、电阻R1、R2，所述电流反馈电路包括晶体管P1、P2、N2、N3、N4，EA的同相端作为基准电源输入端，EA的反相端与R1的一端、R2的一端连接，EA的电源端与P1的源极、P2的源极、N5的漏极连接，EA的输出端与N5的栅极、N1的栅极、N2的栅极连接，N5的源极与R1的另一端、N4的漏极连接，R2的另一端与N4的源极、N3的源极相连接至GND，P1的栅极与P1的漏极、P2的栅极、N2的漏极连接，P2的漏极与N3的漏极、N3的栅极、N4的栅极连接，N2的源极与N1的源极相连接作为输出端，N1的漏极作为输入端。

7.根据权利要求6所述的一种智能调度的高效率电源管理器，其特征在于，所述LDO模块还包括用于为标准结构LDO、电流反馈电路供电的两倍交叉耦合电荷泵电路，该两倍交叉耦合电荷泵电路由功率管M11、M12、M13、M14、Mr1、Mr2、Mr3、Mr4，电容C10、C20组成。

8.根据权利要求6所述的一种智能调度的高效率电源管理器，其特征在于，所述LDO模块还包括数字校正电路，该数字校正电路与基准电源输入端连接。