一种静态功耗与驱动能力自适应的稳压源装置的制作方法

本发明属于集成电路设计领域，涉及一种静态功耗与驱动能力自适应的稳压源装置。该装置可以在ldo大负载应用时提高驱动能力，在轻载或空载时有效降低ldo的静态功耗。

背景技术：

目前在低功耗领域，对ldo芯片提出了更高的要求：轻载和空载时要求更低的静态功耗，重载时要求有更大的驱动能力。本发明的低功耗和大驱动方案，在不改变功率管尺寸的情形下，在降低了轻载和空载的静态功耗的同时，有效提高了ldo电路的驱动能力。

技术实现要素：

本发明提出了一种静态功耗与驱动能力自适应的稳压源装置，该装置可以在大负载时应用时提高驱动能力，在轻载或空载时时有效降低ldo的静态功耗。

本发明通过下述方案实现：在传统ldo的基础上，增加工作模式判断电路和衬底电位控制电路，其中：

工作模式判断电路由电流采样比较电路构成，包括一个负载电流采样管pm1，其源端与输入电源vcc连接，其栅极与pmos供电管pm0的栅极vgate相连，漏端与基准电流iref0相连，工作模式判断电路输出为vctrl；

衬底电位控制电路分别与工作模式判断电路输出vctrl、电源输出vout、供电管pm0的衬底vbulk相连，具体如下：

模式标识信号vctrl控制开关阵列s1、s2、s3、s4的开关序列，其中：

开关s1与开关s2、输入电压vcc和储能电容c0相连接；

开关s2与开关s1、储能电容c0、输出滤波电容c1和输出电压vbulk相连接；

开关s3与开关s4、地gnd、储能电容c0相连接；

开关s4与开关s3、储能电容c0和ldo输出电压vout相连接；

附图说明

为了对实施技术方案进行了详细描述，给出了所需的附图。

图1低功耗和大驱动ldo设计方案示意图

图2衬底电位控制电路示意图

具体实施方式

图1中，vcc为输入工作电源，vref为基准电压，pm0为功率管、r1和r2为采样电阻，ea为误差放大器，构成了传统的ldo模块。在传统ldo模块基础上，增加了工作模式判断电路和衬底电位控制电路，其中：

pm1和iref0形成的电流比较器结构作为工作模式判断电路，采样管pm1的栅极和功率管pm0的栅极vgate相连，pm1的源级连接功率管pm0的源级，连接输入电源vcc，pm1的衬底和pm0的衬底相连接。采样管pm1的采样电流isense与基准电流iref0进行比较，以图中为例，当流过pm0的电流较大时，isense大于iref0时，工模模式标识信号vctrl＝1，电源系统为重载模式；当流过pm0的电流很小或近似为0时，isense小于iref0时，工模模式标识信号vctrl＝0，电源系统为轻载模式。

图2为衬底电位控制模块，其中：

开关s1与开关s2、输入电压vcc和储能电容c0相连接；

开关s2与开关s1、储能电容c0、输出滤波电容c1和输出电压vbulk相连接；

开关s3与开关s4、地gnd、储能电容c0相连接；

开关s4与开关s3、储能电容c0和ldo输出电压vout相连接。

以功率管为pmos为例，其阈值公式如下：

当vctrl＝0为轻载模式时，控制衬底电位电路中的电荷泵开关s1、s3同时闭合，s2，s4断开，等待一个时钟周期后，s1、s3断开，s2和s4闭合，下一个时钟周期重复此操作，此时导电管pm0的衬底电压vbulk电压升高为vcc+vout，此时vbs电压升高为vout，使阈值|vthp|升高，从而可以有效降低轻载或空载时的漏电；

当vctrl＝1为重载模式时，控制衬底电位电路中的电荷泵开关s1、s4同时闭合，s2，s3断开，等待一个时钟周期后，s1、s4断开，s2和s3闭合，下一个时钟周期重复此操作，此时导电管pm0的衬底电压vbulk电压降低为vcc-vout，此时vbs电压差为-vout，可以降低阈值，提高导电管的供电能力。

在实际实现电路中，根据不同的应用场合，功率管pm0可以使用pmos器件，也可以使用nmos器件。在本文描述中，以pmos为例进行方法描述和计算，如果采用nmos功率器件，工作模式判断方法一致，但由于nmos器件的阈值计算如下，

可知，nmos阈值变化和衬底电位电压关系与pmos相反，需要调整衬底电位控制方法。如果采用nmos为功率器件，轻载模式时，要增大阈值，需要将vbulk电压降低为vcc-vout；重载模式时，要降低阈值，需要将vbulk电压升高为vcc+vout。

通过该技术方案可知，本发明实现了如下效果：

在相同尺寸的功率管下，通过判断不同的工作模式对衬底电位进行调节，在重载模式下实现更大的驱动能力，在轻载模式下可以实现更低的静态功耗。

对于本领域技术人员而言，在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，文中实例能够以其他的具体形式实现本发明。文中实例应当看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

技术特征：

1.一种静态功耗与驱动能力自适应的稳压源装置，其特征在于：在传统稳压源ldo电路上增加工作模式判断电路和衬底电位控制电路，其中工作模式判断电路由电流采样比较电路构成，包括一个负载电流采样管pm1，其源端与输入电源vcc连接，其栅极与pmos供电管pm0的栅极vgate相连，漏端与基准电流iref0相连，工作模式判断电路输出为供电模式控制信号vctrl；衬底电位控制电路分别与工作模式判断电路输出vctrl、电源输出vout、供电管pm0的衬底vbulk相连。

2.如权利要求1所述的稳压源装置，其特征在于：所述的工作模式判断电路通过采样pmos供电管pm0负载电流得到采样电流isense，与基准电流iref0进行比较，得到供电模式控制信号vctrl，如果isense大于iref0，vctrl＝1，代表电源系统为重载模式；如果isense小于iref0，vctrl＝0，代表电源系统为轻载模式；通过设置不同的基准电流iref0可以满足不同的工况需求。

3.如权利要求1所述的稳压源装置，其特征在于：所述的衬底电位控制电路由开关控制电路、电容c0、c1和开关s1、s2、s3、s4构成，其中，开关控制电路可以根据工作模式判断信号vctrl给出s1、s2、s3、s4不同的开关控制时序。

4.如权利要求1所述的稳压源装置，其特征在于：所述衬底电位控制电路中的开关控制电路由供电模式信号vctrl来切换衬底电位控制电路，其中：

当vctrl＝0，系统为轻载模式时，控制衬底电位电路中的电荷泵开关s1、s3同时闭合，s2，s4断开，等待一个时钟周期后，s1、s3断开，s2和s4闭合，下一个时钟周期重复此操作，此时导电管pm0的衬底电压vbulk升高为vcc+vout，可以升高阈值，降低轻载或空载时的漏电；

当vctrl＝1为重载模式时，控制衬底电位电路中的电荷泵开关s1、s4同时闭合，s2，s3断开，等待一个时钟周期后，s1、s4断开，s2和s3闭合，下一个时钟周期重复此操作，此时导电管pm0的衬底电压vbulk降低为vcc-vout，可以降低阈值，提高导电管的供电能力。

5.如权利要求1所述的稳压源装置，其特征在于：所述供电管pm0为pmos，可以更换为nmos，其衬底电位选择方式与pmos管相反，在重载模式时，衬底电位vbulk为vcc+vout，轻载或空载模式时，衬底电位vbulk为vcc-vout。

技术总结
本发明提出了一种静态功耗与驱动能力自适应的稳压源装置，该装置可以在大负载应用时提高驱动能力，在轻载或空载时有效降低LDO的静态功耗。LDO的功率管PM0的栅极VGATE与一个采样管PM1栅极连接，可以得到采样电流Isense与基准电流IREF0进行比较，得到模式控制信号VCTRL对功率管的衬底电压Vbulk进行配置，从而调整PM0的衬底电压，在大负载时，降低PM0阈值，提高驱动能力；在轻载或空载时，增大PM0阈值，降低LDO的静态功耗。

技术研发人员：陈永强;陈艳;刘明磊;张洪涛;柳雪晶
受保护的技术使用者：北京中电华大电子设计有限责任公司
技术研发日：2021.03.12
技术公布日：2021.07.23