电压调节器中的负载电流感测的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2015年8月27日提交的美国实用专利申请no.14/837,308的权益，其内容以它的整体通过引用并入本文用于所有目的。

背景技术：

除非另外指出，否则前文不被承认为是本文记载的权利要求的现有技术并且不应当被如此解释。

电子设备(尤其是便携式电池供电设备)的制造商通常需要关于以下的信息：电子设备中的各种电子组件正在消耗多少功率。知道正递送给负载的电流量在各种各样的应用中可能是有用的。例如，在低功率电子设备(例如，智能电话、计算机平板、以及其他消费者电子产品)中，供应电流可以被监测来了解系统对电池寿命的影响，以用于设备和最终用户应用的功率优化目的。

低压差(ldo)电压调节器在便携式电子设备中是常见的。一般而言，电流传感器是一种电路，其可以检测电流(例如，通过负载的电流)并且产生表示检测到的电流的输出信号(例如，电流)。

技术实现要素：

根据本公开的一些方面，一种电路可以包括输入节点和输出节点。第一输出器件可以电连接在输入节点与输出节点之间。该电路可以包括调节器，其被配置为控制通过第一输出器件的电流以调节输出处的电压。该电路可以包括电流感测电路，其被配置为产生指示通过第一输出器件的电流的信号。电流感测电路可以包括误差放大器和第二输出器件。误差放大器可以被配置为控制第二输出器件以产生指示通过第一输出器件的电流的信号。电流感测电路可以进一步被配置为执行第一种偏移补偿操作以减小误差放大器中的偏移电压，并且执行与第一种偏移补偿操作不同的第二种偏移补偿操作而也减小误差放大器中的偏移电压。

根据本公开的一些方面，一种方法可以包括调节电路的输出节点处的输出电压。该方法可以进一步包括感测输出节点处的电流并且响应于输出节点处的电流来生成控制信号。该方法可以包括使用控制信号来控制输出器件以产生指示输出节点处的电流的信号。该方法可以包括减小控制信号中的偏移，包括执行第一种偏移补偿操作和执行与第一种不同的第二种偏移补偿操作。

根据本公开的一些方面，一种电路可以包括用于调节电路的输出节点处的输出电压的部件。该电路可以进一步包括用于感测输出节点处的电流的部件，用于响应于输出节点处的电流来生成控制信号的部件，用于使用控制信号来产生指示在输出节点处的电流的信号的部件；以及用于减小控制信号中的偏移的部件，包括用于执行第一种偏移补偿操作的部件和用于执行与第一种不同的第二种偏移补偿操作的部件。

以下详细描述和附图提供对本公开的本质和优点的更好理解。

附图说明

关于以下讨论并且特别是关于附图，所强调的是，所示出的详情表示用于说明性讨论目的的示例，并且被提出以提供对本公开的原理和概念性方面的描述。在这个方面，没有尝试示出超出对本公开的基本理解所需要的实施细节。以下讨论结合附图使得本领域的技术人员清楚根据本公开的实施例如何可以被实践。在附图中：

图1是根据本公开的具有电压调节器的电子设备的高级别框图。

图2是根据本公开的电压调节器的高级别框图。

图2a示出了根据本公开的电压调节器的pmos版本。

图3示出了根据本公开的电压调节器的说明性实施例。

图3a示出了根据一些实施例的误差放大器的细节。

图4图示了斩波的示例。

图5示出了根据一些实施例的用于时钟信号的时序图。

图6示出了根据一些实施例的时钟电路。

图7图示了根据一些实施例的处于采样模式中的电压调节器的配置。

图8和图8a图示了根据一些实施例的误差放大器中的输入斩波的示例。

图9和图9a图示了根据一些实施例的误差放大器中的输出斩波的示例。

具体实施方式

在以下描述中，为了解释的目的，许多示例和具体细节被阐述以便提供对本公开的透彻理解。然而，对本领域的技术人员将明显的是，权利要求中表达的本公开可以单独地或与下面描述的其他特征组合地包括这些示例中的特征中的一些或全部，并且可以进一步包括本文描述的特征和概念的修改和等价物。

图1示出了根据本公开的实施例的电子设备100的说明性表示。在一些实施例中，例如，电子设备100可以是便携式计算设备，诸如膝上型计算机、计算机平板、智能电话，等等。在其他实施例中，电子设备100可以是电源、电池充电器，等等。

电子设备100可以包括电压调节器102来调节输入电压vin以产生经调节的输出电压vout。在一些实施例中，供应输入电压vin的功率源12可以例如经由电池在内部提供。在其他实施例中，功率源12可以在外部提供。

经调节的输出电压vout可以向包括电子设备100的各种设备电子器件14提供功率。功率监测电路16可以监测设备电子器件14的功耗。在一些实施例中，功率监测电路16可以是应用处理器，其可以监测和管理设备电子器件14的功率使用。在一些实施例中，例如，电压调节器102可以提供信号“感测out”，其指示流入设备电子器件14中的负载电流i负载。功率监测电路16可以使用这个信息来监测或以其他方式跟踪包括设备电子器件的各种子段的功耗，尤其是在低功耗为重要的场合。功率监测电路16可以优化电子设备100中(例如，系统功能和最终用户应用两者)的功耗并且最大化电池寿命(例如，电池耗尽之前的时间)。另外，在移动电子设备的领域，主要目标可能是长的电池寿命。在一些其他应用(例如，服务器场中使用的电子设备)中，目标可能是热的最小化和冷却要求。

图2示出了根据本公开的电压调节器102的说明性实施例。电压调节器102可以包括用于调节输出节点208处的输出电压vout的部件。在一些实施例中，例如，该部件可以包括低压差(ldo)调节器202。ldo调节器202可以包括功率输出器件m传输。在一些实施例中，例如，功率输出器件m传输可以是用来驱动输出节点208处的负载(例如，设备电子器件14，图1)的适合的功率mosfet器件。功率输出器件m传输可以连接在输入节点206与输出节点208之间。例如，功率输出器件m传输可以具有连接到输入节点206的第一端子(例如，漏极)和连接到输出节点208的第二端子(例如，源极)。在特定实施例中，m传输是nmos器件。然而，将明白，普通技术人员将理解，可以容易地实施电路的pmos版本。

ldo调节器202可以包括连接到功率输出器件m传输的调节器段。在一些实施例中，调节器段可以包括误差放大器212和反馈路径。误差放大器212可以具有连接到参考电压vref的输入(例如，非反相输入)和连接到反馈路径的另一输入(例如，反相输入)。反馈路径可以包括电阻器分压器网络r1、r2，以将输出电压vout的一部分反馈到误差放大器212的输入。反馈到放大器212的输出电压vout的该部分可以与参考电压vref相比较来产生输出(误差信号)以控制功率输出器件m传输的栅极，并且因此将输出电压vout调节到取决于参考电压vref的值。

电压调节器102可以进一步包括电流感测电路204。电流感测电路204可以包括用于感测输出节点208处的电流i负载的部件。在一些实施例中，例如，用于感测的部件可以是以电流镜配置连接到功率输出器件m传输的感测器件m感测。感测器件m感测可以是nmos器件，但是在其他实施例中可以使用pmos器件。通过感测器件m感测的电流因此可以对通过功率输出器件m传输的电流进行镜像。由于感测器件m感测用来指示电流，所以可以使得感测器件m感测远小于功率输出器件m传输，以便节省电压调节器102的电路面积。因此，感测器件m感测的尺寸(例如，宽度/长度比，w/l)可以数百至数千倍地小于功率输出器件m传输的尺寸。

电流感测电路204可以进一步包括用于产生指示输出节点208处的电流的信号“感测out”的部件。在一些实施例中，例如，该部件可以是与感测器件m感测串联连接的电流感测输出器件mcasc。电流感测输出器件mcasc可以是nmos器件。

在一些实施例中，信号“感测out”可以是通过电流感测输出器件mcasc的电流i感测。流过电流感测输出器件mcasc的电流i感测可以由mcasc的栅极处的控制信号216来控制。用于生成控制信号216的部件可以包括连接到电流感测输出器件mcasc的误差放大器214。误差放大器214可以被配置作为高增益反馈回路，用以将跨功率输出器件m传输的vds与跨感测器件m感测的vds相比较以产生输出作为控制信号216。控制信号216可以通过以下来控制跨感测器件m感测的电压vds：控制通过电流感测输出器件mcasc并且因此通过m感测的电流i感测。

误差放大器214可能具有内部dc偏移，例如，由于包括误差放大器214的组件的不完全匹配。因此，由误差放大器214产生的控制信号216可能展现出偏移，其可能最终导致信号“感测out”中的误差。根据本公开，电流感测电路204可以进一步包括用于补偿控制信号216中的偏移的部件。在一些实施例中，例如，该部件可以包括偏移减小电路系统218。根据本公开，偏移减小电路系统218可以在误差放大器214的输入和输出处操作以减小内部dc偏移。

如上文提到的，图2中的电压调节器102使用nmos器件。普通技术人员将明白，pmos版本可以容易地实现。图2a示出了使用pmos器件的电压调节器102'。然而，出于讨论的目的，将使用图2中示出的nmos版本。

图3示出了根据本公开的一些实施例的具有偏移减小电路系统218的附加细节的电压调节器102。在一些实施例中，偏移减小电路系统218可以包括用于执行第一种偏移补偿操作的部件和用于执行第二种偏移补偿操作的部件。在一些实施例中，例如，用于执行第一种偏移补偿操作的部件可以包括采样开关s1-s8以及电容器cos和c保持。采样开关s1-s8中的每个采样开关可以根据时钟信号(相位)φ1和φ2以“断开”状态或“闭合”状态被操作。偏移减小电路系统218可以包括被配置为产生φ1、φ2的时钟发生器302。如下面将更详细解释的，采样开关s1-s8可以由φ1、φ2来操作以执行偏移补偿操作，本文中被各种各样地称为偏移采样、采样模式，等等。

根据本公开，用于执行第一种偏移补偿操作的部件可以进一步包括密勒补偿以实现误差放大器214的更稳定操作。因此，在一些实施例中，用于执行第一种偏移补偿操作的部件可以包括密勒补偿电容器(密勒电容)cm1、cm2。每个密勒电容cm1、cm2在偏移采样期间可以通过φ1、φ2连接到误差放大器214。误差放大器214可以具有节点ncasc，密勒电容cm1、cm2可以连接到该节点。

参考图3和图3a，在一些实施例中，用于执行第二种偏移补偿操作的部件可以包括图3中示出的输入斩波开关sc1-sc4和图3a中示出的输出斩波开关sc5-sc10。输入和输出斩波开关sc1-sc10中的每个可以根据φa和φb以“断开”状态或“闭合”状态被操作。时钟发生器302可以进一步被配置为产生φa、φb。如下面将更详细解释的，输入和输出斩波开关sc1-sc10可以由φa、φb来操作以执行本文中被称为“斩波”(斩波操作等)的偏移补偿操作。

斩波是指与误差放大器214的输出outamp的极性的反转并发的误差放大器214的输入ina、inb的调换。参考图4片刻，简化的示例图示了斩波。图4示出了两种电路配置。在左边，输入a被示出为连接到放大器g的非反相输入，并且输入b被示出为连接到反相输入。输出c被示出为具有给定的极性(例如，正)。当放大器g被斩波时，配置如右边示出的被改变。输入被调换(翻转、反转等)；即，输入a现在被示出为连接到放大器g的反相输入，并且输入b被示出为连接到非反相输入。输出c的极性被反转以便由于输入已经被调换而维持恰当的极性。当放大器g再次被斩波时，配置回复到左侧的配置，依此类推。

继续于图3a，根据一些实施例的误差放大器214的细节被示出。误差放大器214可以包括输入级，输入级包括分别连接到输入ina、inb的nmos器件m1a、m2a。误差放大器214可以包括折叠式共源共栅级，折叠式共源共栅级包括nmos器件m2a、m2b、m3a、m3b、m4a、m4b、m5a和m5b。误差放大器214的输出级可以包括nmos器件m6、m7、m8和m9，以提供误差放大器214的输出outamp。如下面将示出的，输出斩波开关sc5-sc10可以使输出outamp处的极性反转。

图5图示了各种时序图，它们示出了根据本公开的相位φ1、φ2、φa与φb之间的相对定时。根据一些实施例，例如，相位φ1可以相对于φ2被反转。当φ1为hi时，φ2为lo，并且反之亦然；φa和φb也是类似的。当相位为lo时，它的对应开关可以被设置为“断开”状态，并且相反地，当相位为hi时，它的对应开关可以被设置为“闭合”状态。在本文中可以使用图5中示出的“断开”/“闭合”约定而不失一般性。换言之，在其他实施例中，开关s1-s8和sc1-sc10在对应的相位为lo时可以处于“断开”状态，并且在对应的相位为hi时可以处于“闭合”。

根据本公开，当φ1为hi(φ2lo)时，误差放大器214可以操作在采样模式；例如，参见图5中的时间t0处。相反地，当φ1为lo(φ2hi)时，偏移采样不是活动的并且误差放大器214可以操作在调节模式；例如，参见时间t1和t2。进一步地，根据本公开，斩波可以发生在φa和φb的上升沿和下降沿处；例如，参见时间t2和t3。

图6图示了图3中示出的时钟发生器302的示例。将明白，可以使用时钟发生器302的任何适合的实施方式。时钟发生器302可以包括在频率fs处操作的振荡器602。时钟发生电路604可以接收振荡器602的输出以产生相位φ1、φ2、φa和φb。普通技术人员可以实施用于时钟发生电路系统604的任何适合的电路系统，以产生根据图5中示出的时序图所定义的时钟信号。

图7图示了在采样模式期间(例如，当φ1为hi并且φ2为lo时)的采样开关s1-s8的配置和输入斩波开关sc1-sc4的配置。如在图5的时序图中可以看出，采样模式与相位φa同时发生，所以在采样模式期间，输入斩波开关sc1和sc3处于“闭合”状态并且sc2和sc4处于“断开”状态。

当误差放大器214处于采样模式时，采样开关s1、s3、s4和s8处于“闭合”状态并且s2和s5-s7处于“断开”状态。采样开关s1-s8的这种配置将误差放大器214从电流感测输出器件mcasc的栅极电断开，并且因此将mcasc的控制与误差放大器214分离。

如图7中示出的，跨功率输出器件m传输的电压vds可以经由采样开关s1直接连接到误差放大器214的非反相输入ina，而不通过电容器cos。误差放大器214的输出outamp可以经由输入斩波开关sc3反馈到误差放大器214的反相输入inb。原则上，反馈将m传输和m感测的漏极之间的电压差驱动到零。误差放大器214的输出outamp将处于恰当的电压电平以适应其(例如，在若干伏特的量级)。然而，在实践中，包括误差放大器214的设备组件(例如，图3a)可能不是精确匹配的；例如，由于容差变化、制造期间的工艺变化，等等。因此，即使当相同的电压被施加到非反相输入ina和反相输入inb时，在误差放大器214的输出outamp处也可能出现电压。这个电压可以被称为dc偏移电压，并且可以在误差放大器214的输出中将它自己显现为添加到输出的dc电平。

根据本公开，这个偏移电压可以经由采样开关s3被存储(采样)到电容器cos上。在一些实施例中，电容器cos可以使用金属绝缘体金属(mim)或金属氧化物金属(mom)技术来实施，以便实现适合于保持足够量值的偏移电压(其可以是正的或负的)的尺寸。电容器cos的尺寸可以确定偏移采样必须多经常地被执行。

电流感测输出器件mcasc的栅极在采样模式期间不由误差放大器214驱动，因为误差放大器214从mcasc的栅极断开。因此，电容器c保持中存储的电荷可以在采样模式期间保持mcasc的栅极。电容器c保持因此可以防止电流感测输出器件mcasc在采样模式期间“关断”。在一些实施例中，如果φ1在持续期上足够短，则电容器c保持可以被保持为小并且因此可以适合于使用用来制造电压调节器102的相同技术的制造。

图8图示了在调节模式期间(例如，当φ1为lo并且φ2为hi时)的采样开关s1-s8的配置和输入斩波开关sc1-sc4的配置。图8中的配置示出φa为hi并且φb为lo；输入斩波开关sc1-sc4可以说是处于“φa状态”。因此，sc1和sc3“闭合”并且sc2和sc4“断开”。图8示出了在φa状态下的调节的示例。

在调节模式中，误差放大器214可以操作为控制电流感测输出器件mcasc，以便维持感测器件m感测的vds等于功率输出器件m传输的vds。换言之，m感测的vds可以跟踪m传输的vds。相应地，采样开关s2可以“闭合”以经由输入斩波开关sc1将m传输的vds连接到误差放大器214的非反相输入ina。更具体地，m传输的vds通过电容器cos连接到非反相输入。回想到电容器cos存储在采样模式期间采样的偏移电压。电容器cos上的电压与m传输的vds减法地组合，这有效地减小了误差放大器214的dc偏移电压。

采样开关s6可以被“闭合”以定义从m感测的vds经由输入斩波开关sc3到反相输入inb的反馈路径。误差放大器214的输出outamp可以经由采样开关s5被连接以控制电流感测输出器件mcasc的栅极。密勒电容cm2可以经由采样开关s7连接到误差放大器214(图3a)的输出级，以稳定它的操作。

图8a示出了处于“φb状态”的输入斩波开关sc1-sc4，其中φa为lo并且φb为hi。因此，sc1和sc3“断开”并且sc2和sc4“闭合”。图8a示出了φb状态下的调节模式的示例。与图8的比较示出，当发生斩波时，误差放大器214的输入ina、inb被调换。例如，假设误差放大器214的输入ina、inb处于图8中示出的配置，即m传输的vds连接到输入ina并且m感测的vds连接到输入inb。在图5中示出的时间t2处，输入ina、inb将被“斩波”(翻转、调换等)并且配置将如图8a中示出的，即m传输的vds连接到输入inb并且m感测的vds连接到输入ina。在时间t3处，输入ina、inb将被再次斩波并且配置将回复到图8，并且序列可以在φa、φb的每个边缘处重复。

图9示出了具有输出斩波开关sc5-sc10的误差放大器214的内部细节，输出斩波开关sc5-sc10包括处于φa状态的折叠式共源共栅级。具体地，sc5、sc8和sc10开关“闭合”并且sc6、sc7和sc9开关“断开”。输入差分电流将被注入到m5a和m5b的固定偏置电流镜的漏极以及折叠式共源共栅器件m4a和m4b的源极。m5a的分支的电流差异将由顶部pmos镜m2a和m2b进行镜像。输出电流将是m2b和m5b的总和，其利用来自m6的固定偏置电流驱动随后的共源极级。m2a和m2b形成电流镜。通过m2a的信号电流将被镜像到m2b并且与通过m4b的信号电流组合。这个信号然后驱动包括m9的共源极级。为了翻转输出极性，扳动电流开关做了三件事情：它改变了电流镜像的方向，它现在从另一分支分接输出信号，并且还将密勒补偿信号馈送到另一共源共栅器件。

假设折叠式共源共栅级中的输出斩波开关sc5-sc10如图9的配置中示出的被设置。输出outamp被标示为vss(例如，地电位)。在时间t2(图5)处，误差放大器214的输出outamp将响应于φa、φb的时钟边缘被斩波，即输出斩波开关sc5-sc10将如图9a的配置中示出的被设置。输出outamp的极性被反转。在时间t3处，误差放大器214的输出outamp将再次响应于φa、φb的时钟边缘被斩波。输出斩波开关sc5-sc10将回复到图9的配置，并且输出outamp的极性将被恢复，并且序列可以在φa、φb的每个边缘处重复。

上面的描述说明了本公开的各种实施例以及特定实施例的各方面如何可以被实施的示例。上面的示例不应当被认为是仅有的实施例，并且被提出以说明由随后的权利要求限定的特定实施例的灵活性和优点。基于上面的公开和随后的权利要求，可以采用其他布置、实施例、实施方式和等价物而不偏离由权利要求所限定的本公开的范围。