电压调节器的制作方法

本发明涉及一种调节输出节点上的电压的电压调节器电路

背景技术：

各种实施例的方面是针对电压调节器电路系统。

电压调节器电路从电压源产生恒定输出电压。存在许多不同类型的电压调节器电路，每个类型具有不同特性和优点。一些电压调节器电路使用负反馈回路，所述负反馈回路允许调节器响应于负载、电压源或其它因素的改变而调整所述负反馈回路的操作参数。使用负反馈的特定类型的电压调节器是低压差(ldo)调节器。ldo调节器使用一个或多个传递晶体管来控制电流从电压源到调节器电路的输出端的流动。

对于多种应用，这些情况和其它情况已挑战电压调节器电路实施的效率。

技术实现要素：

各种实例实施例是针对各种问题，例如，上文所提出的问题和/或从以下关于使用传递晶体管的电压调节器的公开内容来看可变得显而易见的其它问题。

在某些实例实施例中，本公开的各方面涉及通过使用消耗极少电力的静带区域而提供效率的ldo调节器。

根据本发明的第一方面，提供一种设备，包括：

电压调节器电路，所述电压调节器电路被配置成调节输出节点上的电压，所述输出节点将电力提供到具有不同电流汲取的负载电路，所述电压调节器电路包含：

栅极控制节点，其中在所述输出节点与所述栅极控制节点之间不存在直流路径；

输出晶体管，所述输出晶体管包括连接到所述栅极控制节点的栅极，所述输出晶体管被配置成：

对应用于所述栅极控制节点的电流进行积分以在所述栅极控制节点上产生电压；以及

响应于所述栅极控制节点上的所述电压，调整提供到所述输出节点的输出电流的量；以及

比较器电路系统，所述比较器电路系统被配置成：

将所述输出节点上的反馈电压与第一参考电压和第二参考电压进行比较；

响应于所述反馈电压大于所述第一参考电压，通过将下拉电路应用于所述栅极控制节点来减小所述栅极控制节点上的所述电压；

响应于所述反馈电压小于所述第二参考电压，通过将上拉电路应用于所述栅极控制节点来增大所述栅极控制节点上的所述电压；以及

响应于所述反馈电压在所述第一参考电压与所述第二参考电压之间，通过在所述栅极控制节点处停用所述上拉和下拉电路而维持所述栅极控制节点上的所述电压。

在一个或多个实施例中，所述输出晶体管具有栅极-源极电容，所述栅极-源极电容被配置成通过将应用的电流存储在所述栅极-源极电容中来对所述栅极控制节点处的电流进行积分。

在一个或多个实施例中，所述设备进一步包括连接到所述输出节点且由所述输出节点供电的微处理器电路，其中所述微处理器电路具有在相应的功率汲取上相差多个数量级的两个操作模式。

在一个或多个实施例中，所述电压调节器电路为低压差调节器，且进一步被配置成在1.0v或更小的电压下且针对数na和若干ma的负载电流调节所述输出节点处的所述电压。

在一个或多个实施例中，所述电压调节器电路进一步包括取样与保持电路系统，所述取样与保持电路系统被配置成对所述栅极控制节点上的所述电压进行取样并且在驱动所述输出晶体管的所述栅极的节点上保持所述经取样电压。

在一个或多个实施例中，所述比较器电路系统进一步被配置成使所述输出晶体管通过以下方式调整所述输出节点处的输出电流量：

响应于所述反馈电压大于所述第一参考电压，启用提供电流路径给所述上拉电路的电流的开关；以及

响应于所述反馈电压小于所述第二参考电压，启用提供电流路径给所述下拉电路的开关；并且

其中所述上拉和下拉电路对应于相应的电流源。

在一个或多个实施例中，所述设备进一步包括：

集成电路(ic)封装，所述集成电路封装包括所述电压调节器电路系统；以及

去耦电容器，所述去耦电容器通过所述ic封装的外部引脚连接到所述ic封装并且被配置成对所述输出节点上的电压瞬变进行滤波。

在一个或多个实施例中，所述比较器电路系统进一步被配置成：

将所述反馈电压与第三参考电压进行比较；以及

响应于所述反馈电压小于所述第三参考电压，通过应用第二下拉电路来减小所述栅极控制节点上的所述电压。

根据本发明的第二方面，提供一种用于供电压调节器电路使用的方法，所述电压调节器电路调节输出节点上的电压，所述输出节点将电力提供到具有不同电流汲取的负载电路，所述方法包括：

将来自所述输出节点的反馈电压与第一参考电压进行比较；

将所述反馈电压与第二参考电压进行比较；

响应于所述比较，将上拉电路应用于连接到传输晶体管的栅极的栅极控制节点；

响应于所述比较，将下拉电路应用于所述栅极控制节点；

通过对来自所述上拉和下拉电路的电流进行积分来调整所述栅极控制节点的所述电压；以及

响应于所述反馈电压在所述第一参考电压与所述第二参考电压之间，通过在所述栅极控制节点处停用所述上拉和下拉电路来维持所述栅极控制节点上的所述电压。

在一个或多个实施例中，所述方法进一步包括：

响应于所述反馈电压大于所述第一参考电压，启用连接第一电流源到所述栅极控制节点的第一开关；以及

响应于所述反馈电压小于所述第二参考电压，启用连接第二电流源到所述栅极控制节点的第二开关。

在一个或多个实施例中，所述方法进一步包括：

将所述输出节点上的所述反馈电压与第三参考电压进行比较；以及

响应于所述反馈电压小于所述第三参考电压，通过将所述下拉电路和额外下拉电路两者应用于所述栅极控制节点来减小所述栅极控制节点上的所述电压。

在一个或多个实施例中，所述对电流进行积分包括将所应用的电流存储在所述栅极-源极电容中。

在一个或多个实施例中，所述方法进一步包括从所述输出对微处理器电路进行供电，以及以在相应的功率汲取上相差多个数量级的两个操作模式操作所述微处理器电路。

在一个或多个实施例中，所述电压调节器电路是低压差调节器，并且进一步包括在1.0v或更小的电压下并且跨越数na和若干ma的负载电流对所述输出节点处的所述电压进行调节。

在一个或多个实施例中，所述方法进一步包括对所述栅极控制节点上的所述电压进行取样并且在驱动所述输出晶体管的栅极的节点上保持所述取样电压。

在一个或多个实施例中，所述方法进一步包括：

响应于所述反馈电压大于所述第一参考电压，启用提供电流路径给第一电流源的电流的开关；以及

响应于所述反馈电压小于所述第二参考电压，启用提供电流路径给第二电流源的开关。

在一个或多个实施例中，所述方法进一步包括：

使用去耦电容器来对所述输出节点上的电压瞬变进行滤波，所述去耦电容器通过用于所述电压调节器的ic封装的外部引脚连接到所述输出节点。

在一个或多个实施例中，所述方法进一步包括：

将所述反馈电压与第三参考电压进行比较；以及

响应于所述反馈电压小于所述第三参考电压，通过应用额外下拉电路来减小所述栅极控制节点上的所述电压。

以上论述/概述并非希望描述本公开的每个实施例或每个实施。图式和以下详细描述还举例说明各种实施例。

附图说明

结合附图考虑以下详细描述可更全面理解各种实例实施例，在附图中：

图1是与本公开的实施例一致的包含电压调节器电路的系统的框图；

图2展示与本公开的实施例一致的包含电压调节器电路的系统的电路图；

图3是与本公开的实施例一致的操作图2中所描绘的比较器的状态图；以及

图4描绘与本公开的实施例一致的供电压调节器电路使用的流程图。

虽然本文中所论述的各种实施例可接受修改和替代形式，但这些实施例的多个方面已在图式中借助实例展示，并且将进行详细描述。然而，应理解，并不希望将本公开限制于所描述的特定实施例。相反，希望涵盖属于本公开的范围(包含权利要求书中定义的方面)的所有修改、等效物和替代方案。另外，如贯穿本申请案所使用的术语“实例”仅作为说明而非限制。

具体实施方式

据信本公开的各方面适用于涉及电压调节器电路系统的多种不同类型的设备、系统和方法。在某些实施中，已展示本公开的各方面在用于具有较大电流汲取摆幅(如可能关于不同微处理器模式而发生)的电压调节的情形时是有益的。在一些实施例中，电压调节器电路系统配置有静带区，在所述静带区内，反馈回路并不主动调整输出。可通过下文对使用示范性情形的非限制性实例的论述来了解各个方面，但不必限于此。

因此，在以下描述中，阐述各种具体细节以描述本文呈现的具体实例。然而，本领域的技术人员应清楚，可以实践一个或多个其它实例和/或这些实例的变化形式而无需下文给出的全部具体细节。在其它情况下，尚未详细描述众所周知的特征，以免混淆本文中的实例的描述。为了易于说明，可在不同图式中使用相同参考标号来指相同元件或相同元件的另外例子。另外，尽管可能在一些情况下在个别图中描述各方面和特征，但应了解，来自一个图或实施例的特征可与另一图或实施例的特征组合，即使该组合并未明确展示或明确描述为组合。

本公开的各种实施例针对一种电压调节器电路，所述电压调节器电路提供相对于随着时间推移的电流改变速率(di/dt)的可调延迟线。在特定实施中，电压调节器电路是将场效应晶体管(fet)用作控制提供到输出负载的电流量的输出晶体管(或‘传递栅极’)的低压差(ldo)调节器。栅极控制节点连接到fet的栅极，并且电压调节器电路通过改变栅极控制节点上的电压来调整所提供的电流。

与本公开的实施例一致，电压调节器电路通过选择性地应用添加电荷到栅极控制节点或从栅极控制节点去除电荷的上拉/下拉电路(例如，电流源)来调整栅极控制节点上的电压。所述选择性应用可响应于输出电压的相应电压阈值。电压调节器电路还可设计成在输出电压处于静带区域内时停止调整栅极控制节点电压。所述静带区域可对应于输出电压在电压阈值之间。

本公开的各种实施例针对一种具有反馈回路的电压调节器电路，所述反馈回路包含被设计成直接比较输出电压与相应参考电压的至少两个比较器。所述比较器被配置成对相应上拉/下拉电路提供二元控制。上拉/下拉电路增大或减小栅极控制节点处的电压，所述栅极控制节点控制驱动传递晶体管的强度大小。以此方式，反馈回路不依赖于分压器网络，并且还结合静带区域起作用，在所述静带区域中，上拉电路或下拉电路都不主动驱动栅极控制节点。

根据某些实施例，电压调节器电路被配置成允许栅极控制节点在静带区域中时‘浮动’。明确地说，栅极控制节点可被电隔离，使得存储在该节点处的电荷得以保存。这可通过相对于栅极控制节点停用上拉/下拉电路(例如，使用一组开关)来实现。因此，电压调节器电路在静带区域中时消耗减少的电流量。

根据各种实施例，用于电压调节器电路的反馈回路的增益在广泛范围的负载条件下(即使在几乎无负载时)是大体上恒定的。举例来说，反馈回路增益在不同输出负载条件下可以大体上与输出fet晶体管特性无关。这可(例如)使用两个比较器来控制对栅极控制节点的电流源应用而实现。比较器可比较输出电压与相应的电压阈值，且接着相应地应用或停用电流源。

本公开的特定实施针对一种电压调节器电路，该电压调节器电路在广泛范围的负载条件下且无需在输出节点处使用稳定输出电流的情况下即可提供稳定性。应认识到，ldo的反馈回路可能具有取决于输出负载阻抗的增益和相位特性。因此，归因于由输出元件和其它组件(例如，传递晶体管)的寄生电容带来的极，被设计成提供相对高的电流汲取的ldo调节器可能在相对低的电流汲取情况下具有稳定方面的问题。虽然可包含另外的电路系统来提供在低电流汲取情况下帮助稳定ldo调节器的本底电流(例如，附接到输出负载的电流源)，但额外电流可增大ldo的电流汲取，这在一些系统(例如，以低功率模式操作的电池操作装置)中可能是不合需要的。

现在转向图式，图1是与本公开的实施例一致的包含电压调节器电路的系统的框图。系统100包含被配置成提供输出电压(vout)到负载110的电压调节器电路。电压调节器电路可被配置成作为使用传递晶体管108的ldo调节器操作。根据本公开的实施例，传递晶体管108是pmos晶体管。pmos晶体管在所描绘的配置中的使用可特别用于并不依赖电荷泵来产生用于传递晶体管栅极的控制信号的实施。虽然描绘的是单个pmos晶体管108，但ldo调节器并非必定受如此限制。

电压调节器电路包含形成反馈回路的部分的比较器电路系统102。比较器电路系统102被配置成将反馈电压(vout_fb)与两个不同参考电压(“下参考”和“上参考”)进行比较。比较电路102使用比较结果来驱动选择性地将上拉电路104和下拉电路106中的一个接通到栅极控制节点(“栅控”)的信号(enable_dwn、enable_up)。栅极控制节点接着用以驱动晶体管108的栅极，以便调整在输出节点处提供的电流量(vout)。

根据本公开的某些实施例，比较器电路系统102取决于vout是高于还是低于对应的参考电压而启用和停用上拉电路104和下拉电路106。明确地说，比较器在vout低于下(低)参考电压时启用下拉电路106，并且在vout高于下参考电压时停用下拉电路106。比较器还在vout高于上(高)参考电压时启用上拉电路104，并且在vout低于上参考电压时停用上拉电路104。当vout在下参考电压与上参考电压之间时，比较器停用上拉电路104、下拉电路106两者。因此，比较器电路系统以二元方式操作，所述二元方式针对启用(应用)和停用上拉电路104、下拉电路106的输出控制信号。

根据某些实施例，来自上拉电路104、下拉电路106的电流可被积分在栅极控制节点上存在的电容中。明确地说，所述积分可由公式i＝cdv/dt广义化，其中c是栅极控制节点的电容，且i是随着时间推移所应用的电流。栅极控制节点上的电压表示电流的积分(作为电容c的函数)。在一些情况下，大部分电容是归因于电路的寄生或内在方面。明确地说，大部分电容可来自晶体管108的栅极-源极电容(cgs)，仅有一小部分出自电路的其它寄生或内在方面。在其它情况下，例如可通过在电压调节器电路系统的集成电路(ic)管芯内创建专用电容器来将特定电容电路连接到栅极控制节点。

与各种实施例一致，上拉电路104被配置成通过将电荷加入栅极控制节点的电容来增大栅极控制上的电压。相反，下拉电路106被配置成通过排放存储在栅极控制节点的电容中的电荷来减小栅极控制节点上的电压。当上拉/下拉电路都未应用时，栅极控制节点有效地浮动。此状况被称为静带区域，因为并未基于反馈电压主动调整栅极控制节点。相反地，电压电平得以维持，直到上拉/下拉结构中的一者被激活(不考虑来自泄漏电流的微小作用)。

与某些实施例一致，负载110是以具有显著地不同电流汲取的至少两个模式操作的电路。举例来说，负载可以包含微处理器电路，该微处理器电路包含高功率模式、低功率模式和几乎没有电流汲取的睡眠模式中的一个或多个模式。调节器电路系统被配置成在此类模式的负载上维持稳定电压。此外，调节器电路系统提供允许在所述模式与模式对应的电流汲取之间快速切换而无输出电压的显著过冲或下冲的快速响应。

已认识到，提供到负载电路系统110的经调节电压可展现归因于负载电路系统的电压分布电路的内在阻抗的电压降。与某些实施例一致，从负载电路系统110内的特定位置取得反馈电压(vout_fb)，使得电压调节器电路系统可补偿所述电压降。举例来说，负载可以是具有相对较大大小和相应较长配电路由(例如，门海(sea-of-gates)路由架构)的可编程逻辑电路。可从可编程逻辑电路(或其它类型的电路系统)内预期较差情况的电压降处或附近的点取得反馈电压。

根据特定实施例，电压调节器电路可被配置成使用去耦电容器112。去耦电容器112通过补偿比电压调节器电路系统反馈回路操作的速率快的电流汲取改变来充当低通滤波器。这包含在输出电压下降时提供电荷，并且在输出电压升高时存储电荷。

与各种实施例一致，去耦电容器在包含电压调节器电路系统的ic封装的外部。举例来说，电压调节器电路可以是普通封装内具有一个或多个ic管芯的芯片上系统(soc)的部分，所述普通封装被设计成放置在印刷电路板(pcb)或类似结构上。soc可以设计有使用经调节电压(vout)的能力，所述经调节电压从外部电压调节器或内部电压调节器电路系统(该内部电压调节器电路系统会在使用外部调节器时被停用)提供。为了适应提供外部经调节电压的能力，soc包含连接到vout供应节点的引脚。此引脚还可用于提供外部经调节电压和连接到去耦电容器(该去耦电容器可放置在与soc相同的电路板上)的双重目的。

在本公开的特定实施例中，电压调节器提供近似约1.0v、0.6v或可能甚至更低的电压调节。此外，电压调节器可在相差若干数量级的电流汲取电平下提供此调节。举例来说，负载可在几乎没有电流汲取(例如，数na)的低功率模式下和在电流汲取超出若干ma的较高功率模式下操作。另外应认识到，可接受的电压范围可随着电压电平减小而更小。举例来说，以1.8v操作的微处理器(或存储器)电路可能允许100mv的下降，而对于以1.0v或低于1.0v操作的微处理器电路，这种偏差可能不可接受。

图2展示与本公开的实施例一致的包含电压调节器电路的系统的电路图。系统230包含提供电流到电压调节器电路的输出端的输出(传递)晶体管(金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)222)。所提供的电流量将取决于传递晶体管222的栅极上的电压而增大或减小，该电压由取样与保持电路系统216设定。取样与保持电路216被配置成对栅极控制节点224上的电流进行积分以产生然后提供到传递晶体管222的栅极的电压。根据各种实施例，可省去取样与保持电路系统216，并且可将栅极控制节点224上的电压直接应用于传递晶体管222的栅极。

与各种实施例一致，比较器208和214被配置成控制将电流源212和218中的哪一个(如果存在的话)应用于节点224。具体地说，当输出电压(vout低于ref_lowa电压)时，比较器214应用电流源218。当输出电压高于ref_high时，比较器208应用电流源212。可使用各种不同电路(例如，通过使用一个或多个带隙电压参考电路)产生参考电压。根据各种实施例，一组开关210和220可用以借助相应的控制信号(“下”和“上”)来应用和停用电流源212和218。

在某些实施例中，一个或多个另外的比较器可用于改变反馈回路的有效增益。举例来说，比较器202可将反馈电压与低于ref_lowa的参考电压ref_lowb相比。当反馈电压变得低于ref_lowb时，比较器202启用开关206，开关206将电流源204应用于节点224。额外电流导致节点上的更快电压改变(dv/dt)，并且可用以增大输出电流改变的速率(di/dt)。这也可有用于在起动后或在断电(复位)事件之后更快速升高电压电平。可以类似方式实施额外电平的比较器和电流源。

根据一些实施例，电流源212和218的相对强度可设定成电流量值。这对于每个对应状态(“下”或“上”)下的栅极控制节点上的电压将产生相同的改变速率。各种实施例还允许电流源212、218具有针对电流源212、218的相应电流的不同量值。举例来说，电流源212的电流量值可被设定为高于电流源218的电流量值，使得关闭传递晶体管比接通传递晶体管快。当考虑到可能添加更多电流源(例如，电流源204)时，针对各种不同应用，存在任何数目个可能的电流量值设定的不同组合。

图3是与本公开的实施例一致的操作图2中所描绘的比较器的状态图。状态图300对应于方框302中所示电平，并且指示对应的电流源(cs)何时应用于栅极控制节点，其中cs1＝212、cs2＝218且cs3＝204。在图3中所示特定实例中，电压调节器电路被配置成使用三个不同参考电压以用于对应电流源的比较器，其中cs1＝1.05v、cs2＝1.0v且cs3＝0.95v。

在状态304中，电压高于1.05的高参考电压。这使cs1被应用，cs1导致控制栅极节点上的电压增大，并且使传递晶体管提供较少电流。输出电流将继续减小，这将导致输出电压下降。一旦电压降到低于1.05v，电压调节器电路系统进入状态306，在所述状态中所有电流源被停用。栅极控制节点将在此阶段中时维持当前电压电平。如果电压降到低于1.0v，那么电压调节器电路系统进入状态310，其中cs2应用于栅极控制节点。cs2的应用导致栅极控制节点处的电压的减小，这使输出电流的对应增大。如果所述增大并不足够快，那么输出电压可能下降到低于0.95v。在使用第三比较器的实施例中，这导致电压调节器电路系统进入状态308，其中cs3应用于栅极控制节点。这使栅极控制节点处的电压以比在状态310中快的速率减小。

图4描绘与本公开的实施例一致的供电压调节器电路使用的流程图。根据框402，该流程图在通电事件发生时开始。通电事件对应于由电压调节器电路进行的调节的开始。举例来说，通电事件可对应于主电源(vdd)首次被提供或对应于通电复位(或类似)信号。在节点404处，取样与保持电路可对栅极控制节点上的电压进行取样，并且将取样电压提供到传递晶体管的栅极。应注意，取样与保存电路可引起反馈回路的额外延迟，并且此延迟可能不合需要。因此可将取样与保持周期设定得相对较小，或可完全略去取样与保持电路。

根据框406，比较器可连续比较输出电压(vout)与阈值电压。根据框410，当电压大于第一(高)阈值时，可启用第一电流源。第一电流源将电荷提供到栅极控制节点。根据框412，电流由节点处的电容积分，从而使栅极控制节点上的电压增大。增大的电压的结果是减小输出电压以及穿过传递(pmos)晶体管的电流。

根据框408，当电压在阈值之间时，比较器停用电流源。根据框414，这会有效地隔离栅极控制节点，从而使输出电压得以维持(假设静态电流汲取)。取决于先前状态，所维持的电压可表示传递晶体管有效接通(先前越过下阈值)或断开(先前越过上阈值)。电压调节器将针对传递晶体管维持此状态，从而使输出电压继续以相同方式改变(增大或减小)，直到越过另一阈值。这导致对应于阈值之间的静带的电压纹波。

在某些情况下，由传递晶体管提供的输出电流将匹配或极接近由负载消耗的电流。输出电压将因此随着时间推移改变极小，从而允许电压调节器电路保持在此状态。由于无一电流源在起作用，因此在此状态下，电压调节器电路的电流汲取极低，并且所产生的功率节省可特别有益于低功率应用和低功率应用的低功率模式。可将调节器操作参数设定成利用此条件。明确地说，特别针对低功率模式，可根据预期负载曲线设定调节器的传递函数(和相应的极点和零点)以便增加调节器电路在静带内的时间。

根据框416，当电压小于第二(下)阈值时，将第二电流源应用于栅极控制节点。第二电流源去除存储在栅极控制节点上的电荷。根据框418，电流由节点处的电容积分，从而使栅极电压减小(且输出电压增大)。

指示定向的术语(例如，上/下、左/右、顶部/底部和上方/下方)在本文中可用以指如图中所示的元件的相对位置。应理解，当为了标记便利而使用所述术语时，所公开的结构的定向可能不同于图中所示定向。

出于本文件的目的，以下术语和定义适用：“低压差(ldo)调节器”是以允许输出电压在相对接近供电电压的电压下被调节的方式使用至少一个传递晶体管的调节器；“电流源”是递送或吸收大体上与跨电路上的电压无关的电流量的电子电路。

本说明书描述和/或说明可用于借助各种电路或电路系统实施所要求的发明的方面，所述电路或电路系统可使用例如框、模块、装置、系统、单元、控制器、比较器和其它电路型描绘的术语予以论述。此类电路或电路系统结合其它元件论述到可如何执行某些实施例。举例来说，在上述某些实施例中，在此上下文中的一个或多个说明的项目表示被配置和布置以用于实施所公开的操作/活动(如可以图中所示方法执行)的电路(例如，离散模拟或逻辑电路系统或(半)可编程电路)。

基于以上论述和说明，本领域的技术人员将易于认识到，可对各种实施例作出各种修改和改变而无需严格地遵循本文所说明和描述的示范性实施例和应用。举例来说，如图中举例说明的方法可涉及以各种次序执行的步骤，同时保持本文中的实施例的一个或多个方面，或可涉及更少或更多的步骤。此类修改并不脱离本公开的各个方面(包含在权利要求书中阐述的方面)的真实精神和范围。