TW201910958A - 調節電路及其提供調節電壓至目標電路的方法 - Google Patents

Abstract

一種調節電路，藉由一輸出節點以提供一調節電壓。電壓調節器包括一二級放大器及一回授電路，二級放大器控制包括輸出節點之一輸出支路，回授電路介於輸出節點及放大器電路的一輸入端之間。第一級連接至一第一電源供應電路，第一電源供應電路連接至一第一電源供應器，例如一充電幫浦電路。第二級連接至一第二電源供應電路，第二電源供應電路連接至一第二電源供應器，例如一外部電源供應器。第一電源供應器不同於第二電源供應器。在負載電流的一轉換期間，第二級在第一級之前被關閉，使得電壓調節器的最後控制可以透過第一級被完成，以及迴轉率可以透過第二級被提升。

Description

調節電路及其提供調節電壓至目標電路的方法

本發明是有關於一種電壓調節器之裝置，包括使用於有快速改變電流負載的積體電路的電壓調節器。

電壓調節器被使用於積體電路設計，以提供一供應電壓至一積體電路的內部電路，使其比外部電源供應器更穩定。

在可快速改變負載的積體電路中，電壓調節器之迴轉率之暫態響應可以為一限制值。若目標電路之電流負載快速改變，例如，根據電壓調節器之暫態響應順序，電壓調節器之迴轉率可以在電路表現中為一限制因素。

舉例來說，於一類已知的調節器中，一電壓調節器為低壓降穩壓器(low dropout LDO voltage regulators)，包括具有電源金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)的一輸出支路，且MOSFET連接於外部電源供應器與調節器之輸出節點之間。電源MOSFET的閘極藉由具有一回授迴圈以在輸出節點保持常數電壓的放大器所驅動。電源MOSFET可以非常大，且有一大的閘極電容。

低壓降穩壓器可以使用一運算放大器以驅動功率電晶體的閘極電壓。回授迴圈連接於功率電晶體輸出電壓與運算放大器的一輸出端之間。一穩定的參考電壓，例如帶階參考，被施加至運算放大器的一第二輸出端。運算放大器的高增益和回授一起執行以保持輸出電壓穩定。然而，當快速轉換發生於被電壓調節器驅動的一目標電路中，隨著響應時間波動的輸出電壓可以被回授迴圈中的功率電晶體限制。

在一些實施例中，調節器的輸出電壓可以接近或甚至大於外部供應電壓。在這些實施例中，當一外部電源供應器連接至電壓調節器的輸出支路，一充電幫浦電路可以被用以提供一供應電壓至運算放大器之至少一輸出級。充電幫浦電路有足夠的力以提供一大的且需要符合電路的迴轉率規格的供應電流。為了要在電路中產生一夠大的供應電流，充電幫浦電路必須相對地大，並耗用了積體電路中的電路區域。再者，因為需要驅動大的充電幫浦電路，積體電路的電源消耗可能受損。

因此有需要提供一種適用於積體電路的電壓調節器，且在於一積體電路中，可以保存區域和電力的目標電路的電流負載快速轉換期間具有一穩定的輸出電壓。

描述一種電路及方法，提供一調節電壓至可以保存區域及電力的目標電路。

描述一電壓調節器，藉由連接至一目標電路之一輸出節點提供一調節電壓。電壓調節器包括一二級放大器及一回授電路，二級放大器控制包括輸出節點之一輸出支路，回授電路介於輸出節點及放大器電路的一輸入端之間。第一級連接至一第一電源供應電路，第一電源供應電路連接至一第一電源供應器，例如一充電幫浦電路。第二級連接至一第二電源供應電路，第二電源供應電路連接至一第二電源供應器，例如一外部電源供應器。第一電源供應器不同於第二電源供應器，且允許不同的電源供應器的連接。在負載電流的一轉換期間，第二級在第一級之前被關閉，使得電壓調節器的最後控制可以透過第一級被完成，以及迴轉率可以透過第二級而變得更快。

在此描述的一電路的一例子包括一第一運算放大器及一第二運算放大器。電路上的一輸出支路的一電晶體之一閘極連接至第一運算放大器的一輸出端，並連接至第二運算放大器的一輸出端。電晶體的一第一終端，例如一汲級，接收一電源供應電壓，電晶體的一第二終端，例如一源級，連接至調節電路之一輸出節點。一回授電路連接於輸出節點及第一運算放大器和第二運算放大器的回授輸入端之間。一第一電源供應電路連接至第一運算放大器，並連接至一第一電源供應器。一第二電源供應電路連接至第二運算放大器，並連接至一第二電源供應器。電路係使用一或兩個偏差電壓及電路架構，以致於在目標電路的電流負載的一轉換期間，第二運算放大器在第一運算放大器之前被關閉。

提供一調節電壓至快速改變電流負載之一目標電路也的一方法也被描述。在此所述之一例子，方法包括藉由耦接至目標電路的一輸出節點施加調節電壓，且使用一第一放大器級及一第二放大器級。方法包括透過一第一電源供應器，例如一充電幫浦電路，提供電力至第一放大器級，以及透過一第二電源供應器提供電力至第二放大器級。在藉由輸出節點之電流負載的一轉換期間，方法包括在關閉第一放大器級之前先關閉第二放大器級。在此方法中，第一放大器級及第二放大器級之組合可以在藉由輸出節點上的電流負載轉換的一第一部分期間，驅動電壓調節器之輸出節點以得到一更快的轉換率，以及在轉換的第二部分期間，第一放大器級可以根據第一電源供應驅動輸出節點，以在轉換的第二部分期間得到更佳的控制。

為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉實施例，並配合所附圖式詳細說明如下：

參考第1圖及第2圖提供本發明之實施例的一細節描述。

第1圖繪示一連接至一目標系統電路12的一電壓調節器。在此例中的電壓調節器包括包含一迴轉率提升電路14的一低壓穩壓器電路10。包括低壓穩壓電路10的電壓調節器提供一調節電壓VDD_INT作為一內部供應電壓，並藉由一輸出節點11至一目標電路，例如在和電壓調節器相同的積體電路上的全部或部分的系統電路12。在此例中，低壓穩壓電路10包括一第一級放大器，以及迴轉率提升電路14包括一第二級放大器，以形成電壓調節器。低壓穩壓電路10藉由一第一電源供應電路20耦接至一第一電源供應器，第一電源供應器例如為充電幫浦電路15，其藉由一外部電源供應器提供之電壓VDD_EXT供電，並產生一電壓Vpump。迴轉率提升電路14藉由一第二電源供應電路21耦接至一第二電源供應器，其可以為同為產生電壓VDD_EXT的外部電源供應器。被第一及第二電源供應至第一及第二電源供應電路之電壓位準可以不相同。再者，第一及第二電源供應可達到之電源大小可以不相同。

電壓調節器包括一輸出支路(未顯示)，輸出支路供電給輸出節點11，其自己可以被一外部電源供應器或其他不同於第一電源供應器的電源供應器供電。

在一積體電路中，第一電源供應器可以包括產生電壓Vpump至第一電源供應電路20的一充電幫浦電路15，第一電源供應電路20分配低壓穩壓器電路10於積體電路中被實作時其電路所需的電壓。

再者，積體電路可以包括用以連接至一外部電源供應器的第二電源供應電路21，例如藉由包括一輸入端/輸出端接線板或其他在裝置上的連接架構。積體電路可以包括一第三電源供應電路22，第三電源供應電路22用以連接至一不同的電源供應器或第一及第二電源供應之其中之一者，以適用於一特定的實施例。

再者，電壓調節器之輸出支路可以被連接至一第四電源供應電路23。在所描繪的實施例中，第四電源供應電路23、第三電源供應電路22及第二電源供應電路21可以被結合至一單一電路，以分配的外部供應電壓VDD_EXT。在其他實施例中，電源供應器的不同結合可以被連接至電源供應電路21、22、23。

在一實施例中，系統電路12包括一積體電路記憶體。系統電路12除了積體電路記憶體外，可以包括各式各樣的電路。在積體電路記憶體的例子中，系統電路12包括一記憶體陣列及使用於記憶體陣列操作期間的周邊電路。周邊電路可以包括一狀態機或其他用以改變記憶體操作模式的邏輯電路。舉例來說，記憶體可以包括具有錯誤修正的一頁面讀取模式。被電壓調節器驅動的電流負載上的一轉換可以於一頁面讀取操作之不同級期間快速改變。舉例來說，在一頁面讀取操作之錯誤修正期間，當錯誤修正之操作將資料初始化為從記憶體陣列所擷取之資料時，可快速增加電流負載。藉由此例子，當錯誤修正電路正忙於執行從記憶體取出一頁面資料時，快速增加的電流負載可以發生於一奈秒的時間規模中。當錯誤修正操作完成，可發生一對應減少的電流負載。

提供一調節電壓至一目標電路之一方法可以透過如第1圖之一電路被執行。方法包括藉由耦接至目標系統電路12的一輸出節點11施加調節電壓。調節電壓透過一第一放大器級(LDO電路10)及一第二放大器級(迴轉率提升電路14)被提供。方法包括透過一第一電源供應器提供電源至第一放大器級，例如一充電幫浦電路，以及透過一第二電源供應器提供電源至第二放大器級。第二電源供應器可以有較第一電源供應器高的一驅動電源。藉由輸出節點的電流負載轉換期間，方法包括在關閉第一放大器級之前，先關閉第二放大器級。在此方法中，調節器之輸出電壓可以在藉由輸出節點的電流負載轉換期間，被第一及第二放大器級的組合所驅動，以得到更快的迴轉率，且可以在轉換的一第二部分期間，根據第一電源供應器被第一放大器級所驅動。

電壓調節器輸出支路可以包括一電晶體、一第一終端及一第二終端，電晶體具有一閘極，第一終端連接至一電源供應電路，例如分配來自一外部電源供應器的VDD_EXT的電路，以及第二終端連接至輸出節點。在電晶體的第一終端所接收到的電源供應電壓(即VDD_EXT)可以低於由第一電源供應器提供的電源供應電壓(即Vpump)。因此，在輸出端的調節電壓可以非常接近，且在一些實施例中高於在電晶體的第一終端的電源供應電壓(在此例中，VDD_EXT) 。

舉例來說，一外部供應電壓VDD_EXT可以介於大約16V到2.2V。一充電幫浦電路可以被提供，以提供一電源供應電壓大約2V的Vpump。因此，由充電幫浦電路所提供的電源供應電壓Vpump可以接近，甚至大於由外部供應器所提供的電壓VDD_EXT。這改善了電壓調節器的能力，提供了一接近2V，甚至給予在外部供應電壓的轉變的能力。

第2圖繪示根據在此所述之技術的快速迴轉率的一電壓調節器之一實施例的一電路圖。第2圖的電路包括一第一運算放大器80，例如藉由具有至少一被供電的輸出驅動電路，以連接至分配來自一充電幫浦電路的電壓Vpump的第一電源供應電路100，以及一第二運算放大器90，在此例中，例如藉由具有至少一被連接的輸出驅動電路，以連接至可以做為分配來自一外部電源供應器的一電壓VDD_EXT的第二電源供應電路101的一部分的一電源供應節點。第一運算放大器80的輸出端連接至節點84，電壓VG藉由節點84產生。第二運算放大器90之輸出端(V2)也經由一二極體連接至節點84。在此例中，二極體透過一二極體連接之MOS電晶體93被實施，二極體連接之MOS電晶體93串接於第二運算放大器的輸出端及節點84之間。當在節點84上的電壓VG接近V2時，二極體用以隔絕節點84與第二運算放大器的輸出端。

電壓調節器包括一電晶體81，電晶體81在此例中為一n-通道功率金氧半場效電晶體，且具有一汲極及一源極，汲極耦接至分配來自一外部電源供應器的一電壓VDD_EXT的第二電源供應電路101，源極耦接至輸出節點86。在其他實施例中，源極可以耦接至一不同的電源供應電路。輸出節點86供應電源供應電壓VDD_INT，且連接至一目標電路，目標電路可以包括由VDD_INT供電的一積體電路的系統電路87。

一回授電路耦接於輸出節點及第一運算放大器80及第二運算放大器90的“-”輸入端(此例中的回授輸入端)。一電壓參考在線79提供第一偏差參考電壓VREF1(即大約1V)至第一運算放大器“+”輸入端。一電壓參考提供第二偏差參考電壓VREF2(即大約0.96V)，第二偏差參考電壓VREF2可以稍微低於電壓VREF1，第二偏差參考電壓VREF2在線91至第二運算放大器90的“+”輸入端。提供偏差參考電壓VREF1及VREF2的電壓參考可以根據一分享帶階參考電路，或在一些實施例中根據不同的帶階參考電路。

二極體連接之電晶體93可以包括一低臨界電壓(low-Vt)MOS電晶體，此描述之目的係有一修正的一電晶體，比較於其他使用於積體電路中的邏輯電路，修正減少它的臨界電壓。在一些實施例中，低臨界電壓MOS電晶體的臨界電壓可以為大約0.1V或0.2V。舉例來說，臨界電壓可以藉由變化的通道摻雜及/或閘極介電厚度以相對於其他積體電路中的電晶體被減少。

在此例中的回授迴圈包括串接於輸出節點86及接地之間的電阻82及83，以及連接一節點於電阻82及83之間的連接線85，一回授電壓VFB被產生於電阻82及83之間，至第一運算放大器80的“-”輸入端及至第二運算放大器90的“-”輸入端。電阻82及83具有R1及R2值，R1及R2值可被設定以決定產生於輸出節點86的內部供應電壓VDD_INT層。

在此結構中，第一運算放大器80從一充電幫浦電路接收它的電源供應電壓，當提供更高可能的輸出電壓時，充電幫浦電路可以提供相對低的驅動電流。第二運算放大器90從一外部供應器接收它的電源供應電壓，外部供應器可能提供相對高的驅動電流，但提供較低可能的輸出電壓。因為VREF2低於VREF1，第二運算放大器90會較第一運算放大器早關閉(即在一較低的回授電壓VFB)。因此，在節點84的電壓VG的直流等級(DC level)，以及在此例中的藉由輸出節點86的對應的調節電壓VDD_INT，最終被第一運算放大器80所決定，以及當不影響節點84的電壓VG的最終電壓時，第二運算放大器90的輸出端藉由系統電路87，在電流負載轉換期間提供驅動電源來提升調節器的迴轉率。

在系統電路87中的電流負載轉換期間，第二運算放大器90可以被配置為在除了在第2圖所示的電路設置之外的第一運算放大器80之前被關閉。

第2圖的實施例使用具有n-通道功率電晶體81的一低壓穩壓器。在可選擇的實施例中，可使用具有p-通道功率電晶體81的一低壓穩壓器。

所描述的產生一調節電壓的具有快速電流負載的電路之技術包括提升調節器響應時間的電路，使得調節電壓會藉由一快速迴轉率而迅速穩定。根據模擬，於此所配置的電壓調節器的設定時間可以相對於一典型低壓穩壓器被改善15%至45%。

綜上所述，雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

10‧‧‧低壓穩壓電路

20、21、22、23‧‧‧電源供應電路

11、86‧‧‧輸出節點

14‧‧‧迴轉率提升電路

15‧‧‧充電幫浦電路

80‧‧‧第一運算放大器

81、93‧‧‧電晶體

84‧‧‧節點

79、91‧‧‧線

82、83‧‧‧電阻

85‧‧‧連接線

12、 87‧‧‧系統電路

90‧‧‧第二運算放大器

100‧‧‧第一電源供應電路

101‧‧‧第二電源供應電路

VDD_EXT、Vpump、VG‧‧‧電壓

VDD_INT‧‧‧電源供應電壓、調節電壓

VREF1‧‧‧第一偏差參考電壓

VREF2‧‧‧第二偏差參考電壓

VFB‧‧‧回授電壓

V2‧‧‧輸出端

R1、R2‧‧‧值

第1圖繪示包括在此所述之一快速迴轉率電壓調節器之一裝置的 一簡化方塊圖。 第2圖繪示包括在此所述之一快速迴轉率低壓穩壓器及迴轉率提 升電路的一電路圖。

Claims (18)

1. 一種調節電路，提供一調節電壓至一目標電路，包括： 一電壓調節器，藉由一輸出節點以提供該調節電壓，該電壓調節器包括一放大器、一輸出支路(output leg)及一回授電路，該輸出支路包括該輸出節點，該回授電路介於該輸出節點及該放大器的一輸入端之間； 該放大器包括一第一級及一第二級，該第一級連接至一第一電源供應電路，該第一電源供應電路連接至一第一電源供應器；該第二級連接至一第二電源供應電路，該第二電源供應電路連接至一第二電源供應器，該第二電源供應電路不同於該第一電源供應電路。
2. 如申請專利範圍第1項所述之調節電路，包括連接該第一電源供應器至該第一電源供應電路的一充電幫浦電路。
3. 如申請專利範圍第2項所述之調節電路，其中該第二電源供應電路包括一導體，該導體連接至一外部電源供應器。
4. 如申請專利範圍第1項所述之調節電路，其中該輸出支路連接至一電源供應電路，該電源供應電路分配一不同電源供應電壓，該輸出支路並非連接至該第一電源供應電路。
5. 如申請專利範圍第1項所述之調節電路，其中該第一級包括一第一運算放大器及一第一輸出端，該第一運算放大器連接至該第一電源供應電路，該輸出端連接至該輸出支路；以及 該第二級包括一第二運算放大器及一第二輸出端，該第二運算放大器連接至該第二電源供應電路，一二極體串接於該第二運算放大器的該輸出端及該輸出支路之間。
6. 如申請專利範圍第5項所述之調節電路，包括一第一偏差參考電壓及一第二偏差參考電壓，該第一偏差參考電壓被提供至該第一運算放大器之一第一輸入端，該第二偏差參考電壓被提供至該第二運算放大器之一第二輸入端，該第二偏差參考電壓值之於該第一偏差參考電壓值具有一較低幅值。
7. 如申請專利範圍第5項所述之調節電路，其中該二極體包括一二極體連接之低臨界電壓電晶體(diode-connected low-Vt transistor)。
8. 如申請專利範圍第1項所述之調節電路，其中該輸出支路包括一電晶體，該電晶體具有連接至該第一級及該第二級的一閘極、連接至一第三電源供應電路的一第一終端及連接至該輸出節點的一第二終端。
9. 一種調節電路，提供一調節電壓至一目標電路，包括： 一第一運算放大器，具有一第一參考輸入端、一回授輸入端及一輸出端； 一第二運算放大器，具有一第二參考輸入端、一回授輸入端及一輸出端； 一電晶體，具有一閘極、一第一終端及一第二終端，該閘極連接至該第一運算放大器之該輸出端及該第二運算放大器之該輸出端，該第二終端連接至一輸出節點； 一回授電路，介於該第一運算放大器及該第二運算放大器之該些回授輸入端及該輸出節點之間； 一第一電源供應電路，連接至該第一運算放大器，並連接至一第一電源供應器；以及 一第二電源供應電路，連接至該第二運算放大器，並連接至一第二電源供應器。
10. 如申請專利範圍第9項所述之調節電路，其中該第二電源供應電路連接至該電晶體之該第一終端。
11. 如申請專利範圍第9項所述之調節電路，包括串接於該第二運算放大器之該輸出端及該電晶體之該閘極之間的一二極體連接之低臨界電壓電晶體。
12. 如申請專利範圍第9項所述之調節電路，包括連接該第一電源供應器至該第一電源供應電路的一充電幫浦電路。
13. 如申請專利範圍第12項所述之調節電路，其中該第二電源供應電路包括一導體，該導體連接至一外部電源供應器。
14. 如申請專利範圍第9項所述之調節電路，包括一第一偏差參考電壓及一第二偏差參考電壓，該第一偏差參考電壓被提供至該第一運算放大器之該第一參考輸入端，該第二偏差參考電壓被提供至該第二運算放大器之該第二參考輸入端，該第二偏差參考電壓值之於該第一偏差參考電壓值具有一較低幅值。
15. 一種提供一調節電壓至一目標電路的方法，該方法包括： 提供該調節電壓於一輸出節點，該輸出節點透過一電晶體耦接至該目標電路，該電晶體具有一閘極、一第一終端及一第二終端，該第二終端連接至該輸出節點； 透過一第一放大器級及一第二放大器級來驅動該電晶體之該閘極； 透過一第一電源供應器來提供電源至該第一放大器級； 透過一第二電源供應器來提供電源至該第二放大器級，該第二電源供器之於該第一電源供應器具有一較高電源值；以及 在該輸出節點上一電流負載轉換期間，於關閉該第一放大器階之前，先關閉該第二放大器級。
16. 如申請專利範圍第15項所述之方法，包括： 施加不同的偏差參考電壓至該第一放大器級之一第一輸入端及該第二放大器級之一第二輸入端及施加一回授電壓至該第一放大器級及第二放大器級之回授輸入端；以及 透過在該第二放大器級使用一較低的偏差參考電壓，以在關閉該第一放大器階之前，先關閉該第二放大器階。
17. 如申請專利範圍第15項所述之方法，其中該第一電源供應包括一充電幫浦電路，該充電幫浦電路產生一電源供應電壓，該第一電源供應電壓之於由該第二電源供應產生之一電源供應電壓具有一較高幅值。
18. 如申請專利範圍第15項所述之方法，包括施加一電源供應電壓至該電晶體之該第一終端，該電晶體之該第一終端之電壓值之於由該第一電源供應器施加至該第一放大器級之一電壓具有一較低幅值。