用以供应调节电压至目标电路的电路及方法与流程

本发明属于电压调节器的技术领域，涉及一种用以供应调节电压至目标电路的电路及方法，包含应用于具有快速变化负载的集成电路的电压调节器。

背景技术：

电压调节器用于集成电路设计中，以提供比外部电源供应更稳定的供应电压至集成电路。

在具有快速变化的负载的集成电路中，电压调节器的瞬时反馈可具有限制的特性(limitingproperty)。若目标电路的电流性负载(currentload)快速地变化，如是以电压调节器的瞬时反馈的等级(order)变化，所提供的调节电压在瞬时期间会有突波(spike)、过冲(overshoot)、欠冲(undershoot)、或波动。这些突波或波动会限制目标电路的功能。

举例来说，在被称为低压降(lowdropout，ldo)电压调节器的一类调节器中，电压调节器包含功率mosfet(metal-oxide-semiconductorfield-effecttransistor)，功率mosfet连接在外部电源功率器及调节器的输出端之间。功率mosfet的栅极由放大器所驱动，放大器具有反馈路径以维持固定电压于输出端上。功率mosfet可以是非常大的，且具有大的栅极电容。此大栅极电容增加反馈路径的时间常数，且相较于在电子电路中的纳米规格的切换，此大栅极电容使得典型的ldo的瞬时响应相对缓慢。如此，在目标电路产生电流负荷(currentloading)变化的事件期间，目标电路可能暴露于调节电压的突波或波动。

一种需求在于提供电压调节器以适用于集成电路，在目标电路的电流负荷快速变换的期间具有稳定的输出电压。

技术实现要素：

本发明提出一种电路及方法，用以供应调节电压至目标电路，目标电路具有快速变化的电流负荷。此处所述的电路包含：电压调节器，以供应调节电压至输出端；电流负荷电路，连接至电压调节器(例如ldo电压调节器)的输出端；以及逻辑，该逻辑使得电流负荷电路在前负载(pre-loading)期间施加电流性负载至输出端，前负载期间起始于该目标电路增加电流负荷的事件之前，在事件发生时结束。如此，在目标电路的电流负荷快速变化时电流负荷瞬时的振幅可被减小，调节电压的波动可被减小。

在一些实施例中，逻辑被包含于电路中，以使得电流负荷电路在后负载期间施加电流负荷至输出端，后负载期间起始于降低目标电路的电流负荷的事件发生时。

因此，举例来说，集成电路可包含电路例如状态机或处理器，处理导致电压调节器的电流负荷快速增加或降低的具有预测性模式变化的逻辑操作。此处所述电路的电流负荷电路可被使能以在前负载期间及在后负载期间提供电流负荷，使得在模式变化的事件发生时电流负荷的瞬时被降低或消除。

电流负荷电路的操作结果，电压调节器所驱动的输出电流波形依照目标电路的模式变化而被重新塑形(reshape)，从而降低电流负荷瞬时的振幅、并有效降低调节电压的突波及波动。

本发明另提出一种方法，用以供应调整节电压至目标电路，目标电路具有快速变化的电流负荷。此方法包含：提供调节电压耦接至至目标电路的输出端；在前负载期间施加电流性负载至该输出端，前负载期间起始于增加电流负荷的事件之前，在事件的发生时结束。并且，在一些实施例中，此方法包含在后负载期间施加电流负荷至输出端，后负载期间起始于降低目标电路的电流负荷的事件发生时并在之后结束。

为了对本发明的上述及其他方面有更佳的了解，下文特举实施例，并配合所附附图详细说明如下：

附图说明

图1绘示包含具有预测负载的电压调节器的快速瞬时响应的装置的简易方框图。

图2绘示为了说明如图1所示的装置的操作方法的时序图。

图3绘示包含快速瞬时响应ldo电调调节器及电流负荷电路的装置的电路图。

图4绘示为了说明如图3所示的电路的操作的时序图。

【符号说明】

10：电压调节器；

11：输出端；

12：目标电路；

13：灌电流；

14：控制逻辑；

15：预测性负载电路；

17、97：前负载期间；

18、98：操作期间；

19、99：后负载期间；

20：电路；

21、22、23、24、25、26：瞬时；

79、84、88、102：线段；

80：运算放大器；

81：栅极；

82、83：电阻；

85：连接器；

86：输出端；

87a：系统电路；

87b：预测控制；

90、91、92：电阻；

93、94、95：晶体管；

101：转换。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明详细实施例将参照图1-图4提供说明。

图1绘示电路20，电路20连接至目标电路12。电路20包含电压调节器10及预测性负载电路15，电压调节器10例如是ldo电压调节器。电路20将电压调节器10产生的调节电压vdd_int作为内部供应电压并提供在输出端上传送至目标电路12。目标电路12包含灌电流(currentsink)13及控制逻辑14。控制逻辑14可提供模式变化信号c1至灌电流13，灌电流13通过目标电路12产生快速的电流负荷的变化。再者，控制逻辑14可提供信号c2至预测性负载电路15。虽然如图1所绘示，信号c2通过目标电路12中的逻辑电路14提供，在其他配置中，目标电路外部的逻辑可产生此信号c2。

在一范例中，目标电路12包含一集成电路存储器。目标电路12可包含集成电路存储器以外的多种电路。

在集成电路存储器范例中，灌电流13包含一存储器阵列及周边电路，用于存储器阵列的操作期间。控制逻辑14可包含一状态机或其他逻辑电路，用于改变存储器的操作模式。举例来说，存储器可包含具错误校正的页读取模式。模式变化信号c2的瞬时可为指示页读取操作的起始的事件。信号c1的瞬时可为指示预测性瞬时的时序的事件，在此预测性瞬时中电流负荷在读取操作期间快速增加。举例来说，在包含错误校正的页读取操作期间，当错误更正操作在数据从存储器阵列提取而被启动时，可预测的是电流负荷将快速增加。参考范例来看，当错误校正电路进行处理从存储器提取的一页数据，电流负荷的增加可按照纳秒级(nanosecondscale)发生。对应的电流负荷的降低可发生在错误校正操作完成时。信号c1的另一瞬时可为指示预测性瞬时的时序的事件，此预测性瞬时中电流负荷在读取操作期间快速降低。

图2绘示为了说明图1所示的电路的操作的时序图。图2为电流对时间的图，显示处于线段11上的电压调节器所驱动的总电流，由目标电路中的电流负荷以及预测性负载电路15的电流负荷所共同组成。再者，在图2中，控制信号c1及c2的瞬时的时序被绘示。

在此简化范例中，控制信号c2具有定义前负载期间17的瞬时21及22、以及定义后负载期间19的瞬时23及24。控制信号c1具有瞬时25及26，瞬时25及26对应至目标电路增加电流负荷的第一事件，且对应至目标电路降低电流负荷的第二事件，其中此例中瞬时25及26之间的时间定义一操作期间18。

在操作中，当电压调节器提供调节电压到耦接至目标电路的输出端11上时，在此例中的起始于瞬时21的前负载期间17内，电流性负载由预测性负载电路15提供至输出端，前负载期间17于此例中在增加目标电路的电流负荷的事件(在此例中为瞬时25)之前，且在事件发生时(在此例中为瞬时25)结束。在事件发生时，快速增加的电流负荷，从电流负荷电路(亦即预测性负载电路15)转换至目标电路，而电压调节器的电流性负载的大小则不会大量且快速的改变。

如电流对时间的图2所示，预测性负载电路15所施加的电流性负载以线性斜线方式，从初始值(level)增加至结束值，结束值在此例为最大值。线性斜线可为单调递增，且在某种意义上在前负载期间17具有兼容于电压调节器的瞬时响应的斜率。施加在前负载期间17的电流负荷的大小的曲线形状，除了线性斜线外可具有其他形状。举例来说，可使用阶梯形状、或凹凸(convex)斜线形状，较佳地具有的变化率可兼容与电压调节器的瞬时响应，以降低或避免调节电压的突波或波动。

在前负载期间的终点的电流性负载的大小可匹配于在操作期间18的过程或在操作期间18的初始时，目标电路的操作模式的典型的或特定的电流负荷的大小。依此方式，电流负荷的改变所造成的瞬时25的振幅变化可减少或消除。

在瞬时25，对应至目标电路中的电流负荷的快速增加，前负载期间结束，预测性负载电路15所供应的电流被关闭或快速降低。依此方式，电压调节器所遭遇的峰值负载不会实质上增加超过目标电路所需的峰值负载，而在模式变化发生时的电流负荷的大小的快速变化可被消除或降低。

再者，在操作中，在操作期间18电压调节器提供调节电压于输出端11上。在操作期间18的终点，在后负载期间19，电流性负载通过预测性负载电路15提供至输出端，后负载期间19起始于控制信号中瞬时23所表示的事件，在此例中，瞬时23同步于目标电路中电流负荷快速降低的时序图中的瞬时26所表示的事件。在此例中，后负载期间19在瞬时24之后结束，具有与电压调节器的瞬时响应及电流负荷电路的操作相关的持续时间，以降低电流负荷至目标电路闲置(idle)或消耗低电流电平的大小。

如电流对时间的图2所示，预测性负载电流15所施加的电流性负载以线性斜线的方式，从最大值，或从线性斜线的起始值，单调递减至结束值，在此例中为最小值。线性斜线可具有负斜率，此负斜率兼容(compatible)于电压调节器的瞬时响应，使得调节电压在后负载期间19维持在实质上固定。在后负载期间，电流性负载的大小在起始点可匹配于在操作期间18的过程或在操作期间18的终点，目标电路的操作模式特定或典型的电流负荷的大小。以此方式，电流负荷转变所造成的瞬时26的振幅变化可被减少或消除。

在瞬时26，对应于目标电路中的电流负荷的快速降低，后负载期间开始，且预测性负载电路15所提供的电流被开启或快速增加。依此方式，电压调节器所遭遇的峰值负载不会实质上增加超过目标电路所需的峰值负载，而在模式变化发生时的电流负荷的大小的快速变化可被消除或降低。

图3绘示依据本文所述的具有快速瞬时响应的电压调节器的实施例的电路图。图3的电路包含ldo电压调节器，电压调节器包含运算放大器80，耦接至外部电源供应vdd_ext；晶体管81，此在例中为n通道功率mosfet，具有一漏极耦接至外部电源供应vdd_ext，并具有一源极耦接至输出端86。运算放大器80在线段84上供应栅电压vg至晶体管81的栅极。反馈电路耦接于输出端及运算放大器的“-”输入端之间。电压参考在线段79上供应vref至运算放大器的“+”输入端。电压参考可为带隙基准(bandgapreference)。

此范例中的反馈电路包含电阻82及83及连接器85。电阻82及83串联于输出端86及接地端之间，连接器85连接电阻82及83之间的节点(反馈电压vfb产生之处)至“-”输入端。电阻82及83具有数值r1及r2，数值r1及r2可被设定以决定在输出端86上所产生的内部供应电压vdd_int的电平。

晶体管81具有一栅电容，在图3中由电容器符号cc所表示。在此电路中，电容cc可不包含独立电容。在一些实施例中，栅电容可以很大，导致反馈路径有更长的时间常数，且在输出端有较慢的瞬时响应。

输出端86供应电源供应电压vdd_int，且连接至目标电路，目标电路可包含系统电路87a，系统电路87a用于由vdd_int所供电的集成电路。预测性控制87b也可为目标电路的一部分，由vdd_int所供电。在其他实施例中，预测控制87b可由外部电源供应vdd_ext所供电，或以其他方式供电。

在此例中，预测性控制87b在线段88上产生控制信号en0至en5，控制信号en0至en5用来控制电流负荷电路。这些电流负荷电路包含多个负载元件(此例中为六个)及一电路元件。负载元件各具有一开关(晶体管93、94、…、95)，晶体管93、94、…、95由控制信号en0至en5中的对应的一个所控制。在此例中，电路元件包含被动电阻90、91、…、92。此例中的负载元件为电阻性电路，具有低电容值。在所示的实施例中，负载元件串联连接于接地端及输出端86之间，且可被用于依据控制信号en0至en5所决定的样式(pattern)，选择性地在输出端86增加电流性负载。在此实施例中，电阻90、91、…、92可全部具有相同的电阻值，使得负载元件提供相同的电流负荷，或者，电阻90、91、…、92可有不同尺寸，以对电流负荷进行更精密或更复杂的控制。在其他实施例中，负载元件的负载可包含被动电阻90、91、…、92以外的其他形式的元件，例如mos晶体管或其他电路元件或电路，例如电流镜电路，电流镜电路可作为加载至电压调节器的输出的灌电流。

图3的电路的操作参照图4所示的时序图而被说明。图4的时序图包含在下半部的图标中的逻辑信号c1(未绘示在图3)及控制信号en0至en5的时序，输出端86的相对于时间的总电流在上半部的图示中。

在此例中，控制信号c1对应至用于系统电路87a的模式控制信号，定义在第一时间的一事件，第一时间对应系统电路汲取的电流负荷在初始快速增加时的第一瞬时，第二时间点对应至电流负荷快速降低的第二瞬时。第一时间及第二时间之间的期间对应图4中的操作期间98。

控制信号en0至en5耦接至如图3所示的电流性负载元件中的开关。预测性控制87b中的逻辑耦接至多个负载元件的开关，并在前负载期间及后负载期间以一样式开启及关闭这些开关，此样式用于以平衡目标电路的瞬时的方式产生电流负荷，并避免或消除包含过冲或欠冲的突波及波动，从而稳定节点86上的电压调节器的输出。

在图3的范例中，各电流性负载元件在连接至输出端86时供应等量的电流负荷。因此，控制信号en0至en5可如图4所示被依序被导通，使得在输出端上86依序产生相等步阶的电流振幅。在此例中，当系统电路在闲置模式或在标准操作模式时，10ma的背景电流负荷在输出端86被汲取。模式变化发生时，电流性负载可非常快速地增加至例如80ma(图4以每100nsec增加或减少约10ma为例作说明)。因此，通过供应一序列步阶的电流负荷增量，此瞬时可被降低或消除。在此范例中，从10ma开始，六个步阶的约11.5ma的电流负荷导致预测性负载电路所传送70ma的最大电流负荷，此电流负荷结合目标电路的闲置电流，产生总共80ma在前负载期间的终点时，且在目标电路的瞬时之前被汲取。

如图4所示，当系统电路的电流负荷快速增加时，控制信号en0至en5在c1的第一瞬时的事件发生时能够以同步方式被关闭，在此例中事件发生时的增量为从10ma至80ma。如此，在控制信号c1中的第一瞬时所指示的事件发生时，线段101所指示的从电流负荷电路的电流负荷转变至系统电路的电流负荷。

在c1的第二瞬时，当系统电路的电流负荷快速降低时，控制信号en0至en5可以同步的方式被导通。如此，70ma的电流负荷增加至输出端86，当结合系统电路的10ma的背景电流负荷时，得到总共80ma的电流负荷。因此，响应于此事件的目标电路的电流负荷的增加具有的振幅约等于在前负载期间97中电流负荷电路所提供的最大电流性负载。如此，转换101不会对电压调节器造成大量的负载波动，并帮助稳定输出端86的电压。

如此，当控制信号c1的第二瞬时所表示的事件发生之时，由线段102所表示的电流负荷从系统电路转换至电流负荷电路。因此，响应于此事件，目标电路中的电流负荷的降低的量约等于在后负载期间99电流负荷电路所提供的最大电流性负载。如此，转换102不会对电压调节器造成大量负载波动，并帮助稳定输出端86的电压。

在图2及图4所示的实施例中，电流负荷电路在前负载期间所提供的电流负荷的大小，从起始负载单调递增至最大负载。类似地，电流负荷电路在后负载期间所提供的电流负荷的大小，从最大负载单调递降至终点负载，终点负载可为电流负荷电路提供的最小电流负荷或零电流负荷。

一般而言，图3所示的电路为一个范例，此范例包含ldo电压调节器以在输出端提供调节电压。电流负荷电路连接至ldo电压调节器的输出端。逻辑提供以使得电流负荷电路在前负载期间提供第一电流性负载至输出端，前负载期间起始于目标电路的电流负荷增加的第一事件之前，并在第一事件发生时结束或与第一事件同步结束。再者，此逻辑使得电流负荷电路在后负载期间提供第二电流性负载至输出端，后负载期间起始于第二事件发生之时或同步于第二事件发生，第二事件为目标电路的电流负荷降低。此逻辑被配置以在前负载期间依据第一样式增加电流负荷电路所提供的电流负荷，使得事件发生时输出端的电流负荷的快速瞬时(亦即，由调节电压供电的电路的电流负荷的和)、以及从电流负荷电路至目标电路的转换，小于第一事件发生时目标电路的电流负荷的增加量，且较佳地接近于零。再者，此逻辑被配置以在后负载期间依据第二样式降低电流负荷电路所提供的电流负荷，使得第二事件发生时输出端电流负荷的快速瞬时(亦即，由调节电压供电的电路的电流负荷的和)，小于第二事件发生时目标电路的电流负荷的降低量，且较佳地接近于零。

在较佳实施例中，电路设计为设定转换101及102的规格，其中预测性电流负荷电路产生的电流负荷及目标电路的操作期间产生的电流负荷的差异为零或接近零。

为了说明的目的，当提供对应至电压调节器的瞬时响应的一时间刻度(timescale)时，电流负荷“在事件发生时”提供，使得作为目标电路的负载电流的变化的结果的调节电压的浮动被降低或消除。为了说明的目的，当事件的时序与所述其他事件相关时，例如在被共同逻辑信号或频率信号的瞬时所控制之时，事件同步于另一事件。

本发明提供了一种可以产生调节电压以用于调节包含快速电流负荷变化的目标电路的电路及方法，此发明包含预测性电路以重新塑形来自调节器的总输出灌电流，使得调节电压将具有更稳定的数值。

多个实施例采用目标电路基于方波形式的电流负荷而作说明。此发明可被提供至更复杂的系统，其中电流负荷的瞬时被预测，而通过前负载、后负载、或两者而被平衡。

图3的实施例使用具n通道功率晶体管81的ldo。在替代实施例中，具有p通道功率晶体管的ldo可被使用。

综上所述，虽然本发明已以实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有公知常识的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的改动与润饰。因此，本发明的保护范围当以申请专利范围所界定的权利要求为准。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。