稳压器软启动的制作方法
【专利摘要】本发明涉及稳压器软启动。公开了一种线性稳压器。所述线性稳压器包括放大器。所述线性稳压器还包括多个功率器件。所述功率器件中的至少一个电耦合到所述放大器。开关被配置为控制所述多个功率器件中的至少一个功率器件，并且延迟组件被配置为触发所述开关。
【专利说明】稳压器软启动
[0001]其他申请的交叉引用
[0002]本申请要求2013年6月28日提交的题为“NEW LOW DROPOUT RE⑶LATOR SOFTSTART”的美国临时专利申请第61/840，715号(代理人案卷号第L1NKP139+号)的优先权，通过弓I用将其并入本文用于所有目的。
【背景技术】
[0003]通常，线性稳压器被用来维持电路的稳定电压。然而，负载电路会将高频噪声引入到电路中。为了降低噪声以及进一步使电路的电压稳定，大型旁路电容器通常被连接到线性稳压器的输出。当线性稳压器初始通电时，通常存在从电源拉取的大电流来对大型旁路电容器充电。这种大的电流冲击可能使电源的电压输出由于电源的功率开关的电阻而严重下降。然而，对于许多应用而言，电压方面的下降可能导致对电压波动敏感的电路组件的故障。因此，存在针对处理线性稳压器的供电的更好方法的需要。
【专利附图】
【附图说明】
[0004]在以下【具体实施方式】和附图中公开了本发明的各种实施例。
[0005]图1是图示示例性线性稳压器的电路示意图。
[0006]图2示出了图示当对旁路电容器初始充电时的电路参数波形的示例的波形图。
[0007]图3是图示利用平稳启动的示例性线性稳压器的电路示意图。
[0008]图4示出了图示当对旁路电容器初始充电时的电路参数波形的示例的波形图。
[0009]图5是图示使用可变数量的功率器件级的利用平稳启动的示例性线性稳压器的通用电路不意图。
【具体实施方式】
[0010]本发明能够采用多种方式来实现，包括为过程、装置、系统、物的组合、体现在计算机可读存储介质上的计算机程序产品、和/或处理器，诸如被配置为执行存储在耦合到该处理器的存储器上和/或由该存储器所提供的指令的处理器。在本说明书中，本发明所采取的这些实现或任何其他形式可以被称为技术。一般地，所公开过程的步骤的次序可以在本发明的范围内进行变更。除非另有说明，描述为被配置为执行任务的诸如处理器或存储器之类的组件可以被实现为被临时配置为在给定时间执行任务的通用组件、或被制造为执行任务的特定组件。如本文所使用的，术语“处理器”指的是被配置成处理数据(诸如计算机程序指令)的一个或多个器件、电路和/或处理核。
[0011]以下提供了本发明的一个或多个实施例的【具体实施方式】，以及图示本发明的原理的附图。本发明结合此类实施例来描述，但本发明不限于任何实施例。本发明的范围仅由权利要求书来限制，并且本发明包含许多替代、修改和等价物。在以下描述中阐述了许多特定细节，以便提供对本发明的透彻理解。提供这些细节是用于示例的目的，并且本发明可以在不具有这些特定细节的一些或所有的情况下根据权利要求来实施。为了清楚的目的，本【技术领域】中已知的与本发明相关的技术材料未被详细描述，以免使本发明不必要地晦涩难懂。
[0012]公开了一种线性稳压器。例如，公开了一种低压差稳压器。线性稳压器包括放大器。例如，包括连接到线性稳压器的参考电压的差分电子放大器。线性稳压器还包括多个功率器件，其中至少一个功率器件被电连接到放大器。例如，线性稳压器包括尺寸定得不同的多个不同功率晶体管。开关被配置为控制至少一个功率器件，并且延迟组件被配置为触发开关。
[0013]例如，当线性稳压器初始通电时，具有相对较大电阻的尺寸定得小的功率器件被线性稳压器用来向旁路电容器提供有限的电流。尽管由较大电阻功率器件限制该电流有效地限制了电流，而减小了电源的电压下降，但是该功率器件对于被线性稳压器用于其正常操作(可能需要更大的功率和电流)中或用于旁路电容器需要被更快地充电时(例如，在旁路电容器被充电到某一点之后，因为电容器已建立了电压，所以可以允许更多的电流而不具有严重的电压下降)可能不是理想的。在延迟组件的延迟时间之后，延迟组件触发开关，以允许线性稳压器利用具有相对较小电阻的另一个尺寸定得较大的功率晶体管来使得能够由线性稳压器提供较大的电流。
[0014]图1是图示示例性线性稳压器的电路示意图。图1中所示的线性稳压器包括放大器102和功率器件104。该线性稳压器被用来维持用于负载电路106的稳定电压。负载电路106的示例包括期望由线性稳压器进行电压调节的任何电路。旁路电容器108连接到线性稳压器的输出，并且用于减少噪声，以及进一步使提供到负载电路106的电压稳定。电源110将功率提供给图1中所示的电路。电源110具有内阻(例如，由于被用来限制电流泄露的功率开关而引起的)。当线性稳压器被接通时，提供大电流来对电容器108充电。功率器件104尺寸定得大，而具有小的电阻(例如，有效地当最初通电时跨功率器件104的短路)以及提供允许图1的线性稳压器快速调节和维持其输出处的电压的能力的大电流。然而，提供给充电电容器108的初始的大电流造成电源110的电压输出方面的下降(例如，由经过电源的电阻的大电流所造成的)，直到当电容器108变为充电时电流减小。如果电源的电压下降很大，则电源电压方面的该下降可能造成电路故障。电源110不仅向图1中所示的电路供应功率，其还可以向图1中未示出的可能对电压方面的大波动敏感的其他电路组件提供功率。因此，可能期望的是，使由旁路电容器的初始充电所造成的电源输出电压方面的下降最小化。
[0015]图2示出了图示当对旁路电容器初始充电时的电路参数波形的示例的波形图。例如，图2示出了图1的电路的示例性瞬态响应波形。
[0016]图形202示出了线性稳压器被接通之后的输出电压的电压(例如，图1的线性稳压器的电压输出)。当旁路电容器(例如，图1的电容器108)被充电为线性稳压器的调节电压时，线性稳压器的输出电压快速上升。
[0017]图形204示出了图形202的线性稳压器被接通之后的对应输出电流。线性稳压器的输出电流刺突(spike)至大的负电流以对旁路电容器充电，并且一旦旁路电容器被充电则返回到零。该电流中的大的尖峰通常将使电源电压严重下降。
[0018]图形206示出了与图形202和204对应的电源(例如，图1的电源110)的输出电压，其示出了由于图形204中所示的大的负电流尖峰而引起的输出电压方面的负下降。图形206中所示的该电压下降是不合期望的，并可能使敏感电路组件不正常地起作用。
[0019]图3是图示利用平稳启动的示例性线性稳压器的电路示意图。图3中所示的线性稳压器包括放大器302、功率器件304、开关器件305、功率器件312、开关器件313、功率器件314、开关器件315、开关316、开关318、延迟组件320以及延迟组件322。在一些实施方案中，线性稳压器是低压差(即LD0)稳压器。例如，由线性稳压器所输出的期望电压低于电源电压。放大器302的示例包括差分放大器、运算放大器、以及任何其他类型的放大器。放大器302被提供参考电压作为输入。例如，线性稳压器的期望的输出电压被提供为输入。功率器件304、312和314的不例包括晶体管、功率晶体管、场效应晶体管、结棚型场效应晶体管、双极型晶体管、以及任何其他类型的晶体管。开关器件305、开关器件313和开关器件315的示例包括晶体管开关和任何其他类型的开关。开关316和318的示例包括晶体管开关、电气机械开关、固态开关、以及任何其他类型的开关。延迟组件320和延迟组件322的示例包括计数器组件、振荡器、信号控制逻辑、以及提供延迟的信号的任何其他组件。
[0020]线性稳压器被用来向负载电路306提供稳定的电压。负载电路306的示例包括模数转换器、选通信号发生器、定时信号发生器、锁相环、时钟、振荡器、存储器控制器、存储器组件、存储控制器、存储组件、嵌入式多媒体控制器(即eMMC)的控制器、NAND闪存控制器、以及期望由线性稳压器进行电压调节的任何电路。旁路电容器308连接到线性稳压器的输出，并且用于减少噪声，以及进一步使提供给负载电路306的电压稳定。例如，旁路电容器尺寸定为微法拉水平上，并且可以符合诸如用于eMMC器件的标准之类的规范/标准。电源310向图3中所示的电路提供功率。电源310包括电阻(例如，由于被用来限制电流泄露的功率开关而引起的)。
[0021]图3的线性稳压器和负载电路306可以动态地循环开启和关断，以在不处于使用中时节省功率。当线性稳压器被接通时，因为功率器件304尺寸定得很小来限制提供给充电电容器308的电流，所以防止将大电流提供到充电电容器308。例如，当图3的线性稳压器初始通电时，功率器件304由开关器件305启用(例如，当开关器件305关断时，功率器件304开启/启用)，功率器件312由开关器件313禁用(例如，当开关器件313开启时，功率器件312关断/禁用)，功率器件314由开关器件315禁用(例如，当开关器件315开启时，功率器件314关断/禁用)，开关316关断，并且开关318关断(S卩，在线性稳压器初始通电以对旁路电容器充电时，仅启用功率器件304，并且禁用其他功率器件)。因为功率器件304尺寸定得很小，能够由功率器件304所提供的电流量被限制(例如，当与其他功率器件相比时，功率器件304的初始电阻相对较大)，并且因而能够避免图1和2的电源电压降低。然而，通过使功率器件304的尺寸定得小，对电容器308充电的时间可能很长(例如，在对旁路电容器的充电时间期间，负载电路306可能不起作用，并且负载电路306在电容器308被充电之后启用)，并且在电容器308被充电之后在线性稳压器的操作期间功率器件304可能不能单独提供足够的功率和电流。
[0022]在一些实施例中，当电容器308变为充电(例如，电容器建立了电压)时,将由电容器308拉取较少的电流，并且添加附加的功率器件以在可接受的水平内增加充电电流和/或允许线性稳压器能够利用附加的功率器件更高效地处理电压波动。在第一延迟时间量之后(例如，使用功率器件304将电容器308充电至所期望的电平所需的时间量)，延迟组件320激活并开启开关316，并且有效地关断开关器件313，以开启功率器件312。功率器件312的尺寸可以定得比功率器件304更大，并且功率器件312能够提供附加的/更多的电流来对电容器308充电和/或维持稳压器的期望的电压输出。例如，功率器件312的电阻比功率器件304的电阻更小，并且通过开启功率器件312，功率器件312和功率器件304的组合的有效电阻变小(例如，并联组合的电阻)，从而允许更大的电流流动。功率器件312的尺寸可以被选择成使得功率器件304和功率器件312的有效组合电阻将允许由线性稳压器提供期望的电流量。在一些实施例中，不是允许在所述第一延迟时间之后同时利用功率器件304和功率器件312这二者，而是当开启/启用功率器件312时，关断/禁用功率器件304。在各实施例中，功率器件312的尺寸可以定得大于、等于或小于功率器件304。
[0023]在附加的第二延迟时间量过去之后(例如，使用功率器件304和功率器件312将电容器308充电到第二期望电平(例如，充满电)所需的时间量)，延迟组件322激活并开启开关318，并且有效地关断开关器件315，以开启功率器件314。功率器件314的尺寸可以定得比功率器件304和功率器件312更大，并且功率器件314能够提供附加的/更多的电流来对电容器308充电和/或维持稳压器的期望的电压输出。例如，功率器件314的电阻比功率器件312的电阻更小，并且通过开启功率器件314，功率器件314、功率器件312和功率器件304的组合的有效电阻变小(例如，并联组合的电阻)，从而允许更大的电流流动。功率器件314的尺寸可以被选择成使得功率器件304、功率器件312和功率器件314的有效组合电阻将允许由线性稳压器提供期望的电流量。在一些实施例中，不是允许同时利用多个功率器件，而是当开启/启用功率器件314时，关断/禁用功率器件312。在各实施例中，功率器件314的尺寸可以定得大于、等于或小于功率器件312。
[0024]在各实施例中，延迟组件的延迟时间和线性稳压器的功率器件的尺寸至少部分地基于以下中的一个或多个来确定:旁路电容器的尺寸、针对旁路电容器充电所需的时间量、针对稳压器提供安定电压所需的时间量、电源的电阻、电源电压波动容差量、以及稳压器的期望的最大电流输出。
[0025]例如，规范要求线性稳压器的电压输出在通电之后在少于10us内安定，并且基于该时间值，40us被选择作为用以激活开关316的第一延迟时间，并且20us被选择作为用以激活开关318的第二延迟时间(例如，考虑到由延迟组件320和延迟组件322所利用的+/-25%的时钟频率不同)。
[0026]在另一实施例中，规范要求当线性稳压器通电时，电源的电压降低为不多于150mV。在该示例中，电源具有0.8欧姆的电阻，并提供1.8V，这要求电流在任何时间都小于187.5mA，并且降低不多于150mV。例如，初始，电容器308上的电压为O。因为电压=电流*电阻(1.8V-0= 187.5mA(0.8欧姆+功率器件电阻))，在稳压器初始通电时利用的(一个或多个)功率器件的电阻应大于或等于8.8欧姆。在第一延迟时间之后，电容器308上的电压将被充电(例如，0.7V)。基于上述公式(1.8V-0.7V = 187.5mA* (0.8欧姆+功率器件电阻))，功率器件的电阻能够被减小到5欧姆。因此能够启用另一功率器件，并且第二功率器件的电阻与初始的功率器件的电阻并联地添加，以对旁路电容器充电。在旁路电容器被充电之后，可以启用最终的第三大功率器件，以使得稳压器能够使用大的功率器件来保持期望的输出电压(例如，通过不启用大的功率器件直到旁路电容器被充电，大的功率器件在初始的通电期间不刺突输出电流而不对电容器充电)。
[0027]图4示出了图示当对旁路电容器初始充电时的电路参数波形的示例的波形图。例如，图4示出了图3的电路的示例性波形。
[0028]图形402示出了线性稳压器被接通之后的输出电压的电压(例如，图3的线性稳压器的电压输出)。线性稳压器的输出电压随着旁路电容器(例如，图3的电容器308)被充电到线性稳压器的调节电压同步地上升。如与图2的图形202相比的，由于如与图形202的电路相比的那样，较小的功率器件被用来对旁路电容器初始充电，所以图形402的旁路电容器花费更长时间进行充电。图形402的步骤由在延迟时间之后启用附加的功率器件所造成。
[0029]图形404示出了图形402的线性稳压器被接通之后的对应的输出电流。线性稳压器的输出电流刺突至150mA的最大负电流，而使用第一功率器件对旁路电容器充电，然后当第二功率器件在延迟时间之后被启用时再次刺突至最大负电流。
[0030]图形406示出了对应于图形402和404的电源(例如，图3的电源310)的输出电压，其示出了由于图形404中所示的负电流尖峰而引起的输出电压方面的小的负下降。当第二功率器件在延迟时间之后被启用时，造成附加的下降。如与图2的图形206中所示的电压下降相比，图形406的不合期望的电压下降明显更小。
[0031]图5是图示了使用可变数量的功率器件级的利用平稳启动的示例性线性稳压器的通用电路示意图。尽管图3中所示的示例示出了在不同延迟时间开启/启用功率器件的三个级(例如，一个在初始通电处然后两个随后的级)，但是如图5中所示，可以利用任何数量的级。例如，可以仅利用两级功率器件。在另一示例中，如图5中所示，可以利用四个或更多的级。在一些实施例中，图5示出了图3中所示的示例性电路被扩展为示出可以利用任何数量的功率器件级。图5中所示的线性稳压器包括放大器502、功率器件511、功率器件512、功率器件513、功率器件514、功率器件515、开关516、开关517、开关518、开关519、振荡器520、延迟组件521、延迟组件522、延迟组件523、以及延迟组件324。在一些实施例中，线性稳压器是低压差(即LD0)稳压器。
[0032]放大器502的示例包括差分放大器、运算放大器、以及任何其他类型的放大器。功率器件511-515的示例包括晶体管、功率晶体管、场效应晶体管、结栅型场效应晶体管、双极型晶体管、以及任何其他类型的晶体管。开关516-519的示例包括晶体管开关、电气机械开关、固态开关、以及任何其他类型的开关。延迟组件521-524的示例包括计数器组件、信号控制逻辑、以及提供延迟的信号的任何其他组件。振荡器520的示例包括环形振荡器和任何其他类型的振荡器。例如，延迟组件521-524使用由振荡器520所提供的信号来确定时间。图5中的虚线区域500示出了可以添加每个具有附加功率器件、延迟组件和开关的附加级功率器件级。负载电路506的示例包括模数转换器、选通信号发生器、定时信号发生器、锁相环、时钟、振荡器、存储器控制器、存储器组件、存储控制器、存储组件、嵌入式多媒体控制器的控制器、NAND闪存控制器、以及期望由线性稳压器进行电压调节的任何电路。旁路电容器508连接到线性稳压器的输出，并且用于减少噪声，以及进一步使提供给负载电路506的电压稳定。电源510将功率提供给图5中所示的电路。电源510具有内阻。
[0033]尽管已经为了理解的清楚的目的而相当详细地描述了前述的实施例，但本发明不限于所提供的细节。存在实现本发明的许多替代方式。所公开的实施例是说明性而不是限制性的。
【权利要求】
1.一种线性稳压器，包括: 放大器； 多个功率器件，其中所述功率器件中的至少一个电耦合到所述放大器； 开关，配置为控制所述多个功率器件中的至少一个功率器件；以及 以及延迟组件，配置为触发所述开关。
2.根据权利要求1所述的线性稳压器，其中所述线性稳压器是低压差稳压器。
3.根据权利要求1所述的线性稳压器，其中所述开关被配置为启用所述功率器件中的至少一个，以向电容器提供电流。
4.根据权利要求3所述的线性稳压器，其中所述电容器是旁路电容器。
5.根据权利要求1所述的线性稳压器，其中所述延迟组件在第一延迟时间之后触发所述开关。
6.根据权利要求5所述的线性稳压器，还包括第二开关，其被配置为控制所述功率器件中的至少不同的一个，并且还包括第二延迟组件，其被配置为在第二延迟时间触发所述第二开关。
7.根据权利要求1所述的线性稳压器，其中所述线性稳压器初始通电，仅启用所述多个功率器件之一来向电容器提供电流。
8.根据权利要求1所述的线性稳压器，还包括多个晶体管开关，其中所述多个功率器件中的每个功率器件由所述多个晶体管开关中的不同的晶体管开关来控制。
9.根据权利要求1所述的线性稳压器，其中所述开关被配置为当被延迟组件触发时关断晶体管开关。
10.根据权利要求1所述的线性稳压器，其中所述多个功率器件中的每个尺寸定得不同，以提供不同量的最大电流。
11.根据权利要求1所述的线性稳压器，其中所述多个功率器件中的每个尺寸定得不同，以提供不同量的电阻。
12.根据权利要求1所述的线性稳压器，其中所述多个功率器件被配置为并联地连接。
13.根据权利要求1所述的线性稳压器，其中所述多个功率器件包括多个功率晶体管。
14.根据权利要求1所述的线性稳压器，其中所述延迟组件包括连接到振荡器的计数器。
15.根据权利要求1所述的线性稳压器，其中所述线性稳压器被配置为调节存储控制器的电压。
16.根据权利要求1所述的线性稳压器，其中所述线性稳压器被配置为动态地循环开启和关断，以节省功率。
17.根据权利要求1所述的线性稳压器，其中所述线性稳压器的延迟时间被配置为至少部分地基于考虑所述线性稳压器的输出变为安定的最大量的建立时间来确定。
18.根据权利要求1所述的线性稳压器，其中所述多个功率器件中的每个的电阻尺寸至少部分地基于电源的最大电压波动来配置。
19.根据权利要求1所述的线性稳压器，其中所述开关被配置为通过有效地并联组合所述多个功率器件中的至少两个的电阻来控制所述功率器件中的至少一个。
20.根据权利要求1所述的线性稳压器，其中所述延迟组件被配置为启用所述功率器件中的至少一个并且禁用所述功率器件中的不同的一个。
【文档编号】G05F1/56GK104252193SQ201410362958
【公开日】2014年12月31日 申请日期:2014年6月25日 优先权日:2013年6月28日
【发明者】程子川, 徐丹丰 申请人:爱思开海力士有限公司