电源侧电压调节器的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种电源侧电压调节器。该电压调节器，产生为低于电源电压的设计的电压电平的输出电压。参考电压发生器产生介于接地和电源电压之间的参考电压。分压器产生介于电源电压和输出电压之间的反馈电压。放大器基于参考电压和反馈电压之间的差值产生放大器输出电压。缓冲器缓冲放大器输出电压。通道晶体管在其控制节点接收缓冲电压以便拉低出现在输出节点的平均负载电流。电容连接在电源和输出电压之间以便提供峰值负载电流。负载电流检测晶体管在其控制节点接收缓冲电压以便感测负载电流。补偿晶体管用于补偿漏电流。内部负载将感测的负载电流转换为施加到补偿晶体管的电压控制信号。
【专利说明】
电源侧电压调节器
技术领域
[0001]本发明涉及集成电路，特别是涉及一种电压调节器。【背景技术】
[0002]P沟道装置，比如P型金属氧化物半导体(PM0S)晶体管，是低成本、低复杂度的控制器比如直流电机控制器和降压充电级的较佳选择。然而，这就需要稳定而精确的电压调节器来用作PM0S驱动电路的电源。【附图说明】
[0003]通过下面【具体实施方式】、所附权利要求以及附图的描述，本发明的其他实施例将显而易见，在附图中相似的附图标记表示相同的或类似的元件。
[0004]图1是根据本发明一个实施例的电压调节器的示意性框图；
[0005]图2是图1电压调节器的参考电压发生器的示意性电路图；
[0006]图3是图1电压调节器的可运算跨导放大器的示意性电路图；
[0007]图4是图1电压调节器的缓冲器的示意性电路图；以及
[0008]图5是图1电压调节器的分压器的示意性电路图。【具体实施方式】
[0009]这里公开了本发明的具体阐述的实施方式。然而，这里公开的特定的结构性和功能性的具体描述仅仅是代表性的，是为了描述本发明的示例性实施方式。本发明可以以多种可选择的形式实现而不必仅仅限于这里所述的实施方式。进一步的，这里所使用的术语仅仅是为了描述特定实施例而并非为了限制本发明的示例性实施方式。
[0010]这里所使用的，单数形式的“一” “一个”以及“该”意味着也包括复数形式，除非上下文中明确指出其他含义。可以进一步理解的是，术语“包括”“包含”将所呈现的特征、步骤或元件列出，但是并不排除其他一个或多个特征、步骤或者元件的存在或者增加。也应该注意的是，在一些可替代的实施例中，所述的功能/动作可以不按照附图中所表示的序列进行。例如，根据所涉及的功能/效果，所示的连续的两幅图实际上可以完全同时执行或者有时候可以以相反的顺序执行。
[0011]在一个实施例中，本发明是一种电压调节器，其在输出节点产生输出电压，该输出电压的设计的电压电平低于电压调节器的电源电压。参考电压发生器接收电源电压和接地电压并且产生介于接地和电源电压之间的参考电压。分压器连接在电源电压和输出电压之间以便产生介于电源和输出电压之间的反馈电压。放大器被连接以便接收参考电压和反馈电压并且基于参考和反馈电压的差异产生放大器输出电压。缓冲器被连接以便接收放大器输出电压并且产生缓冲的电压。通道晶体管被连接在输出和接地电压之间并且被连接用于在其控制节点接收缓冲的电压以便下拉(sink)出现在其输出节点的平均负载电流。电容器被连接在电源和输出电压之间以便在输出节点处提供峰值负载电流。负载电流检测晶体管被连接在电源和接地电压之间并且被连接以便在其控制节点处接收缓冲的电压用于感应出现在输出节点的负载电流。补偿晶体管被连接在电源和输出电压之间以便补偿输出和接地电压之间形成的输出节点下游的漏电流路径的漏电流。内部负载与负载电流检测晶体管串联连接在电源和接地节点之间以便将感应的负载电流变换为电压控制信号应用于补偿晶体管的控制节点。
[0012]图1是根据本发明一个实施例的电压调节器100的示意性框图。电压调节器100 接收电源电压VDD以及接地电压VSS并且产生电源参考输出电压Vo，该电源参考输出电压 Vo为低于电源电压VDD的设计的电压电平。
[0013]参考电压发生器1110产生参考电压Vref，其作为电源电压VDD的参考。参考电压Vref被应用于可运算的跨导放大器(0TA) 120的负极输入端，该跨导放大器在正极端接收反馈电压Vfb。反馈电压Vfb由分压器140所产生，分压器140设置电压调节器100的增益。0TA 120提供足够的增益来调节输出电压Vo到低于电源电压VDD的设计的电压电平。
[0014]n型主通道元件NM0S_A被用于下拉由VDD和Vo供电的下游电路(未示出)的平均负载电流。旁路电容Cbypass被用于提供峰值负载电流。n型负载电流检测元件NM0S_ B被用于感应负载电流。内部负载，在该实施例中为阻性负载RL，被用于将感应的负载电流变换为控制电压G_C用于n型辅助上拉元件NM0S_C，其用于补偿从Vo (即从输出节点)到 VSS(接地)的潜在漏电流以便如果在任意下游电路中存在大的漏电流路径则可以避免故障。缓冲器130被用于隔离0TA 120的增益级与匪05_六的栅极以便提高回路稳定性。
[0015]在操作中，当输出电压Vo上升时，分压器140促使反馈电压Vfb上升，这促使0TA 120的输出电压01上升，这促使缓冲器BUF的输出电压G_AB上升，这促使流过NM0S_B和 NM0S_A的电流上升，这促使控制信号G_C下降，这促使流过NM0S_C的电流下降，进而促使输出电压Vo下降。
[0016]同样地，当输出电压Vo下降时，分压器140促使反馈电压Vfb下降，这促使0TA 120的输出电压01下降，这促使缓冲器BUF的输出电压G_AB下降，这促使流过NM0S_B和 NM0S_A的电流下降，这促使控制信号G_C上升，这促使流过NM0S_C的电流上升，进而促使输出电压Vo上升。
[0017]这样，电压调节器100根据以下公式调整输出电压Vo以便跟踪电源电压:VDD-Vo = K*(VDD-Vref),其中K为电压调节器100的增益，其由分压器140确定。
[0018]图2是图1的参考电压发生器110的示意性电路图。参考电压发生器110(i)接收电源电压VDD、接地电压VSS以及接地参考的参考电压Vbg，比如通常在集成电路中可用的带隙参考电压，其对工艺、电压以及温度(PVT)变化不敏感，并且(ii)产生电源参考的参考电压Vref。
[0019]在操作中，放大器AMP，其可以是普通的可运算跨导放大器，调节用于n型晶体管 MN0的控制电压Vgate以便迫使反馈电压Vmir等于参考电压Vbg以使得流过电压R1的电流是Vbg/Rl。该同样的电流Vbg/Rl流过晶体管MN0和电阻R2,其连接在节点VDD和Vref 之间，这样，电源电压VDD和电源参考电压Vref之间电压差是Vbg*R2/Rl。在一个可能的实现方式中，Vbg= 1.2V，R1 = 12kohm，并且R2 = 30kohm，R2上的电压降是3V，因此，在该实施例中，电源参考的参考电压Vref?将低于电源电压VDD 3V。
[0020]图3是图1的可运算跨导放大器120的示意性电路图。OTA 120 (i)接收电源电压 VDD、接地电压VSS、来自参考电压发生器110在负输入节点I匪的参考电压Vref，以及来自分压器140在正输入节点INP的反馈电压Vfb，并且(ii)在输出节点OUT产生0TA输出电压01。
[0021]在操作中，当反馈电压Vfb变得大于参考电压Vref时，那么(i)流过n型晶体管丽2的电流将增加，并且(ii)流过n型晶体管丽1的电流将减少。结果，⑴流过MP3的电流将增加并且(ii)流过MP1的电流将减少。这样，接下来，将促使(i)流过p型镜像晶体管MP4的镜像电流将增加以及(ii)流过p型镜像晶体管MP2的镜像电流减少。这样，接下来，将促使流过n型晶体管丽3的电流减少，其将促使流过n型镜像晶体管MN4的镜像电流减少，其将促使0TA输出电压01上升。
[0022]同样地，当反馈电压Vfb变得小于参考电压Vref时，那么(i)流过n型晶体管丽2 的电流将减少并且(ii)流过n型晶体管MN1的电流将增加。结果，(i)流过MP3的电流将减少并且(ii)流过MP1的电流将增加。这样，接下来，将促使(i)流过p型镜像晶体管MP4 的镜像电流减少以及(ii)流过P型镜像晶体管MP2的镜像电流增加。这样，接下来，将促使流过n型晶体管MN3的电流增加，这将促使流过n型镜像晶体管MN4的镜像电流增加，其将促使0TA输出电压01下降。
[0023]从而，当反馈电压Vfb变得大于参考电压Vref时，0TA输出电压01增加，反之亦然。因为0TA 120以闭合回路的形式配置在电压调节器100中，分别在节点INP和I匪的电压Vfb和Vref，将被驱动为相同的，这样流过MP4的电流将匹配流过MN4的电流。
[0024]图4是图1的缓冲器130的示意性电路图。缓冲器130(i)接收缓冲器电源电压 VDD_BUF (其可以是电源电压VDD或者其他可用的电源电压)，接地电压VSS，以及来自0TA 120在其输入节点IN的0TA输出电压01并且(ii)在输出节点OUT产生缓冲器输出电压 G_AB。在某些实现方式中，缓冲器130是传统的单位增益缓冲器，其表示在输入节点IN接收的电压水平01与在输出节点OUT的其输出电压G_AB相同。
[0025]在操作中，当输入节点IN的电压01上升时，流过p型晶体管MP1的电流减少，其使得流过n型晶体管丽1和n型镜像晶体管丽2的电流减少。同时，由于恒流源ITAIL，流过P型晶体管MP2的电流增加，其促使输出节点OUT的电压G_AB上升。结果，流过MP2的电流将开始减少直到流过MP2的电流匹配流过丽2的电流。从而，当输入电压01上升时， 输出电SG_AB也增加。
[0026]同样地，当输入节点IN的电压01下降时，流过p型晶体管MP1的电流增加，其促使流过n型晶体管丽1和n型镜像晶体管丽2的电流增加。同时，由于恒流源ITAIL，流过 p型晶体管MP2的电流减少，其促使输出节点OUT的电压G_AB的电压下降。结果，流过MP2 的电流将开始增加直到流过MP2的电流匹配流过MN2的电流。从而，当输入电压01下降时， 输出电压G_AB也下降。
[0027]图5是图1的分压器140的示意性电路图。分压器140(i)接收电源电压VDD以及输出电压Vo并且(ii)产生反馈电压Vfb，其电压电平与电阻RA和RB的阻抗成函数关系，其中电压调节器1〇〇的增益由K = (RA+RB)/RA给定。
[0028]尽管本发明已经在图1-5的电压调节器100的情境中被描述，那些本领域技术人员将理解本发明不必局限于该特定的实施方式。例如，双极性晶体管可以被用于代替M0S晶体管。而且，图2-5示出了图1中相应元件的特定实施方式。那些本领域的技术人员将要理解的是可替代的实施方式对于那些元件中的每一个来说是可能的。
[0029]在特定实施方式中，参考电压发生器110和分压器140中的至少一个是可编程的， 从而使得低于电源电压VDD的输出电压Vo的设计的电压电平是可调节的。例如，参考电压发生器110可以是可编程的，其由图2的电阻R1和/或电阻R2使用可编程电阻来实现。同样地，分压器140可以是可编程的，通过图5的电阻RA和/或电阻RB使用可编程电阻来实现。
[0030]也是为了描述的目的，术语“耦接”“耦接到”“被耦接” “连接”“连接到” “被连接”指的是本领域内已知的任意方式或者以后技术发展的可以允许在两个或多个元件之间传输能量的任意方式，并且一个或多个附加元件的插入也是可预期的，虽然不是必须的。相对的，术语“直接耦接”“直接连接”等意指不存在这种附加元件。
[0031]此外，为了本发明的目的，可以理解的是所有的棚极都是由固定电压功率范围 (或者多个范围)和接地供电，除非具有其他图示。接地可以被认为是具有大约零伏电压的电源，并且具有任意所需电压的电源可以被替代为接地。
[0032]为了本发明的目的，信号和相应的节点、端口或路径可用相同名称表示并可相互交换。
[0033]为了阐述的目的，晶体管通常被示为单个装置。然而，那些本领域的技术人员可以理解的是晶体管将具有多个尺寸(例如，棚极宽度和长度)和特性(例如，阈值电压，增益等)并且可以包括多个并联连接的晶体管以便从该组合中获得所需的电气特性。进一步的，所示的晶体管可以是复合晶体管。[〇〇34] 正如在该说明书和权利要求书中所使用的，术语“沟道节点”一般指的是金属氧化物半导体(M0S)晶体管装置(也称为M0SFET)的源极或漏极，术语“沟道”指的是通过在源极和漏极之间的装置的路径，术语“控制节点”一般指的是M0SFET的栅极。同样地，正如权利要求中所使用的，术语“源极” “漏极”和“棚极”应该被理解为M0SFET的源极、漏极和棚极，或者当本发明实施例利用双极性晶体管技术实现时的双极性装置的发射极、集电极和基极。
[0035] 除非给出其他明确的指示，每一数值和范围应该被理解为大约，正如在该数值或范围之前的词语“大约”“近似”。
[0036]将进一步理解的是，本领域的技术人员可对为了解释本发明实施例而被描述和被阐述的部分中的细节、材料和布置作出多种改变，其不脱离下面权利要求书所覆盖的本发明实施例的范围。
[0037]在包含任意权利要求的本说明书中，术语“每一个”可以被用于指代多个前述元件或步骤中的一个或多个特定特征。当使用开放式术语“包括”，术语“每一个”的引用不排除附加的、未描述的元件或步骤，因此，可以理解的是，一个装置可以具有附加的、未描述的元件，一种方法可以具有附加的、未描述的步骤，这里附加的、未描述的元件或步骤不具有所述的一个或多个特定的特征。
[0038]这里参考“一个实施例”或“一实施例”意味着与实施例共同描述的特定的特征、 结构或特性被包含在本发明的至少一个实施例中。词语“在一个实施例中”在说明书的多个位置出现不需要都理解为相同的实施例、也不是必须相互的排除其他实施例的单独的或者可选择的实施例。术语“实施方式”也同样如此。
[0039] 本申请权利要求所覆盖的实施例被限于(1)本说明书所能够实现的以及(2)符合法律规定主题的实施例。不能实现的实施例和对应于非法定主题的实施例即使其落入保护范围之内也被明确排除。
【主权项】
1.一种电压调节器，在输出节点产生输出电压，该输出电压为低于用于电压调节器的 电源电压的设计的电压电平，该电压调节器包括:参考电压发生器，接收电源电压和接地电压，并产生介于接地电压和电源电压之间的 参考电压；分压器，被连接在电源电压和输出电压之间以产生介于电源电压和输出电压之间的反 馈电压；放大器，被连接以接收参考电压和反馈电压并基于参考电压和反馈电压之间的差值产 生放大器输出电压；缓冲器，被连接以接收放大器输出电压并产生缓冲的电压；通道晶体管，被连接在输出电压和接地电压之间，并且被连接以在其控制节点接收缓 冲的电压以便拉低出现在输出节点的平均负载电流；电容器，被连接在电源电压和输出电压之间以在输出节点提供峰值负载电流；负载电流检测晶体管，被连接在电源电压和接地电压之间并被连接以在其控制节点接 收缓冲的电压来感测出现在输出节点的负载电流；补偿晶体管，被连接在电源电压和输出电压之间以便补偿在输出电压和接地电压之间 来自于输出节点下游的漏电流路径的漏电流；以及内部负载，与负载电流检测晶体管串联连接在电源电压和接地电压之间以便将感测的 负载电流转换为施加到补偿晶体管的控制节点的电压控制信号。2.根据权利要求1所述的电压调节器，其中:分压器的增益基于分压器的电阻比率；设计的电压电平基于参考电压和分压器的增益；以及参考电压发生器和分压器中的至少一个是可编程的，以使得设计的电压电平是可调节 的。3.根据权利要求1所述的电压调节器，其中内部负载包括连接在电源电压和补偿晶体 管的控制节点之间的电阻。4.根据权利要求1所述的电压调节器，其中参考电压发生器基于接收的带隙参考电压 产生参考电压。5.根据权利要求4所述的电压调节器，其中参考电压发生器包括:第二放大器，被连接以接收带隙参考电压和第二反馈电压并基于带隙参考电压和第二 反馈电压之间的差产生第二放大器输出电压；晶体管，被连接以在其控制节点接收第二放大器输出电压；第一电阻，被连接在晶体管和接地电压之间，其中第二反馈电压是在晶体管和第一电 阻之间的交点处的电压电平；以及第二电阻，被连接在电源电压和晶体管之间，其中参考电压是在第二电阻和晶体管之 间的充点处的电压电平。6.根据权利要求1所述的电压调节器，其中放大器是可运算的跨导放大器(OTA)。7.根据权利要求1所述的电压调节器，其中缓冲器是单位增益的缓冲器。8.根据权利要求1所述的电压调节器，其中缓冲器从通道晶体管和负载电流控测晶体 管隔离放大器以便提高电压调节器内的回路稳定性。9.根据权利要求1的电压调节器，其中:分压器的增益基于分压器的阻抗比率；所述设计的电压电平是基于参考电压和分压器的增益的；参考电压发生器基于所接收的带隙参考电压产生所述参考电压；参考电压发生器包括:第二放大器，被连接以接收所述带隙参考电压和第二反馈电压，并基于带隙参考电压 和第二反馈电压之间的差产生第二放大器输出电压；晶体管，被连接以在其控制节点接收第二放大器输出电压；第一电阻，被连接在晶体管和接地电压之间，其中第二反馈电压为在晶体管和第一电 阻器之间的交点处的电压电平；以及第二电阻，被连接在电源电压和晶体管之间，其中参考电压为在第二电阻和晶体管之 间的交点处的电压电平；放大器是可运算的跨导放大器(OTA);以及缓冲器是单位增益的缓冲器，将放大器与通道晶体管和负载电流检测晶体管隔离以便 提高电压调节器内的回路稳定性。10.根据权利要求9的电压调节器，其中参考电压发生器和分压器中的至少一个是可 编程的，以使得设计的电压电平是可调节的。
【文档编号】G05F1/56GK105988499SQ201510143903
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2015年2月16日
【发明人】王正香, 金杰
【申请人】飞思卡尔半导体公司