CN109725673A - 一种全集成多输出堆叠式低压差线性稳压器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全集成多输出堆叠式低压差线性稳压器，包括主LDO以及辅助LDO_k，k＝1，2…n；主LDO通过片上电容C₀和负载Load₀与辅助LDO_k电路上的片上电容C_k和负载Load_k串联连接组成堆叠结构，主LDO用于提供负载所需电流，辅助LDO_k用于稳定VOUT_k电压，当负载电流不一致时产生从VDD_k流经MP_k到VOUT_k的I_source电流或从VOUT_k流经MN_k到GND的I_sink电流。本发明堆叠式结构可以根据负载需要灵活调整输出电压值和输出电压数量，满足更灵活的负载需求；辅助LDO_k的三种工作模式可以快速调整由于负载之间不匹配造成的电压电流波动，提高供电***的动态性能；全集成结构有利于***集成和降低成本；所有输出端均具有很好的PSR特性，尤其是靠近GND的输出端，适用于对电源敏感的模块。

Description

一种全集成多输出堆叠式低压差线性稳压器

技术领域

本发明属于半导体集成电路和低功耗集成电路设计技术领域，具体涉及一种全集成多输出堆叠式低压差线性稳压器，应用于高性能电源***和消费电子产品领域。

背景技术

LDO是电源管理***中广泛使用的电压转换器之一，在电池供电的便携式设备(如手机、平板电脑和可穿戴设备)中尤为重要。LDO具有低噪声和快速响应特性，非常适用于高性能和对电源电压敏感的模拟/混合信号模块。LDO由于其结构和工作原理导致输入输出电压相差较大时，***效率较低。尤其是当前应用环境中，集成电路工艺不断升级，所需供电电压即LDO输出电压不断下降，而LDO由于受到工艺和性能的约束输入电压无法同步下降，最终导致LDO效率急剧下降，造成能量浪费。针对这种情况，将负载堆叠起来组成堆叠结构可以提高***所需的供电电压，此时，如果采用新的LDO结构供电即可提高***效率。针对堆叠***，已有的研究采用基于开关电容的结构实现多层堆叠供电，需要较大的片上或片外电容以及开关时钟来实现功能。

综上所述，目前已有的技术采用开关电容实现多输出和堆叠供电，这种实现方式存在以下问题：

1.片上电容导致芯片面积增大，片外电容增加***成本；

2.时钟控制导致***复杂度上升，开关电容结构本身电源抑制比(PSR)较差，不适用于敏感电路。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种全集成多输出堆叠式低压差线性稳压器，将若干个LDO进行堆叠，来实现多输出。由于每个LDO可以独立控制输出电压，因而叠层之间电压可变，扩大了应用范围，同时，提高了***效率，实现了全集成，获得了良好的PSR特性。

本发明采用以下技术方案：

一种全集成多输出堆叠式低压差线性稳压器，包括主LDO以及辅助LDO_k，k＝1，2…n；主LDO通过片上电容C₀和负载Load₀与辅助LDO_k电路上的片上电容C_k和负载Load_k串联连接组成堆叠结构，主LDO用于提供负载所需电流，辅助LDO_k用于稳定VOUT_k电压，当负载电流不一致时产生从VDD_k流经MP_k到VOUT_k的I_source电流或从VOUT_k流经MN_k到GND的I_sink电流。

具体的，主LDO包括误差放大器EA₀，调整管MP₀，反馈电阻R_F1、R_F2，片上电容C₀以及负载Load₀，误差放大器EA₀的反向输入端接VREF₀，同相输入端分别与反馈电阻R_F1、R_F2连接，误差放大器EA₀电源端接调整管MP₀的源极，误差放大器EA₀的输出端接调整管MP₀的栅极，调整管MP₀的漏极分三路，一路接片上电容C₀，第二路接负载Load₀，第三路经反馈电阻R_F1后分两路，一路经反馈电阻R_F2接地，另一路接误差放大器EA₀的同相输入端。

具体的，辅助LDO_k包括误差放大器EA_k，PMOS调整管MP_k，NMOS调整管MN_k，偏置电压VB_k，片上电容C_k以及负载Load_k，误差放大器EA_k的反向输入端接VREF_k，同相输入端分别与PMOS调整管MP_k漏极、NMOS调整管MN_k漏极、片上电容C_k和负载Load_k连接，误差放大器EA_k电源端接PMOS调整管MP_k的源极，误差放大器EA_k的输出分两路，一路经偏置电压VB_k接PMOS调整管MP_k的栅极，另一路接NMOS调整管MN_k的栅极，NMOS调整管MN_k的源极接地。

具体的，片上电容C_k-1和负载Load_k-1接在VOUT_k-1和VOUT_k之间，k＝1，2…n，片上电容C_n和负载Load_n接在VOUT_n和GND之间。

具体的，主LDO的电源端VDD连接至外部供电端口，辅助LDO_k电路的电源端VDD_k包括以下三种连接方式：VDD_k与VDD连接；VDD_k分别与VOUT_k-1连接，k＝1，2…n；VDD_k分别与VOUT_m-1连接，m＝1,2…k。

具体的，输出电压VOUT_k与VOUT_k-1的差值相同或不同，k＝1,2…n。

具体的，辅助LDO_k包括Source模式、Sink模式以及Neutral模式；当负载Load_k所需电流I_k大于负载Load_k-1所需电流I_k-1时，辅助LDO_k工作在Source模式下；当负载Load_k所需电流I_k小于负载Load_k-1所需电流I_k-1时，辅助LDO_k工作在Sink模式下；当负载Load_k所需电流I_k等于负载Load_k-1所需电流I_k-1时，辅助LDO_k工作在Neutral模式下。

进一步的，Source模式下，调整管MP_k打开，MN_k关闭，产生电流I_source-k从VDD_k流经MP_k到VOUT_k，为负载Load_k提供额外的电流，产生电流满足关系为I_source-k＝I_k-I_k-1。

进一步的，Sink模式下，调整管MN_k打开，MP_k关闭，产生电流I_sink-k从VOUT_k流经MN_k到GND，抽取流向负载Load_k多余的电流，产生电流满足关系为I_sink-k＝I_k-1-I_k。

进一步的，Neutral模式下，调整管MN_k和MP_k处于亚阈值区，辅助LDO_k不产生额外的电流I_source-k或I_sink-k。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种全集成多输出堆叠式低压差线性稳压器，将若干低压差线性稳压器LDO组成堆叠结构，在实现全集成多输出的同时提高***效率，能够根据负载需要灵活调整输出电压值和输出电压数量，可以满足更灵活的堆叠式负载需求；能够快速调整由于负载之间不匹配造成的电压电流波动，提高供电***的动态性能；实现了全集成结构，有利于***集成和降低成本；具有很好的PSR特性，尤其是靠近GND的输出端，适用于对电源敏感的模块。

进一步的，主LDO用来产生VOUT₀电压，同时为堆叠式负载提供电流。

进一步的，辅助LDO_k用来产生VOUT_k电压，在堆叠式负载不均衡时稳定VOUT_k电压的同时提供额外的电流I_source-k或I_sink-k。

进一步的，片上电容C_k-1用来提高输出的动态特性以及电源抑制比。负载Load_k-1组成堆叠式结构提高本设计的效率，同时形成多样化的供电形式。

进一步的，主LDO的电源端VDD连接至外部供电端口。辅助LDO_k(k＝1,2…n)的电源端VDD_k与VDD连接，可以实现最小的MP_k和MN_k尺寸设计和最佳的动态响应特性；VDD_k分别与VOUT_k-1连接，可以实现最佳的PSR特性；VDD_k与VOUT_m-1(m＝1,2…k)连接，可以实现MP_k和MN_k面积、动态响应特性以及PSR特性的折中。

进一步的，VOUT_k(k＝1,2…n)与VOUT_k-1(k＝1,2…n)的差值，即相邻两个输出之间的电压差，也即负载Load_k(k＝0,1,2…n)两端的电压差ΔV_k(k＝0,1,2…n)可以是相同值，也可以是不同值，以实现堆叠式低压差线性稳压器多样化的负载需求和对应的输出电压配置。

进一步的，电流I_source-k或I_sink-k，保证VOUT_k电压的稳定。

进一步的，Source模式可以实现堆叠式负载出现不匹配时产生额外的电流I_source-k，以保证VOUT_k电压的稳定。

进一步的，Sink模式可以实现堆叠式负载出现不匹配时产生额外的电流I_sink-k，以保证VOUT_k电压的稳定。

进一步的，Neutral模式可以实现堆叠式负载匹配时，不产生额外的电流，同时保证VOUT_k电压的稳定。

综上所述，本发明堆叠式结构可以根据负载需要灵活调整输出电压值和输出电压数量，可以满足更灵活的负载需求；辅助LDO_k的三种工作模式可以快速调整由于负载之间不匹配造成的电压电流波动，提高供电***的动态性能；全集成结构有利于***集成和降低成本；所有输出端均具有很好的PSR特性，尤其是靠近GND的输出端，适用于对电源敏感的模块。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明涉及的全集成多输出堆叠式低压差线性稳压器结构图；

图2为本发明中辅助LDO_k的三种工作模式图；

图3为采用本发明设计的双输出结构VOUT₁＝0.8V瞬态波形图；

图4为采用本发明设计的双输出结构VOUT₁＝1.6V瞬态波形图；

图5为采用本发明设计的双输出结构VOUT₁＝2.4V瞬态波形图；

图6为采用本发明设计的双输出结构VOUT₁在三种模式下的PSR特性图。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明提供了一种全集成多输出堆叠式低压差线性稳压器，将若干低压差线性稳压器(LDO)组成堆叠结构，在实现全集成多输出的同时提高***效率。

请参阅图1，本发明一种全集成多输出堆叠式低压差线性稳压器，包括主LDO以及若干个辅助LDO₁～LDO_n，若干个辅助LDO₁～LDO_n分别通过对应的片上电容和负载与主LDO串联连接，片上电容和负载之间并联连接。

主LDO包括误差放大器EA₀，调整管MP₀，反馈电阻R_F1、R_F2，片上电容C₀以及需要驱动的负载Load₀，误差放大器EA₀的反向输入端接VREF₀，同相输入端分别与反馈电阻R_F1、R_F2连接，误差放大器EA₀电源端接调整管MP₀的源极，误差放大器EA₀的输出端接调整管MP₀的栅极，调整管MP₀的漏极分三路，一路接片上电容C₀，第二路接负载Load₀，第三路经反馈电阻R_F1后分两路，一路经反馈电阻R_F2接地，另一路接误差放大器EA₀的同相输入端。

辅助LDO_k电路(k＝1，2…n)包含误差放大器EA_k，PMOS调整管MP_k(k＝1，2…n)，NMOS调整管MN_k(k＝1，2…n)，偏置电压VB_k(k＝1，2…n)，片上电容C_k(k＝1，2…n)以及需要驱动的负载Load_k(k＝1，2…n)，误差放大器EA_k的反向输入端接VREF₁，同相输入端分别与PMOS调整管MP_k漏极、NMOS调整管MN_k漏极、片上电容C_k-1、片上电容C_k、负载Load₀和负载Load_k连接，误差放大器EA_k电源端接PMOS调整管MP_k的源极，误差放大器EA_k的输出分两路，一路经偏置电压VB_k接PMOS调整管MP_k的栅极，另一路接NMOS调整管MN_k的栅极，NMOS调整管MN_k的源极接地。

片上电容C_k-1和负载Load_k-1接在VOUT_k-1和VOUT_k之间，片上电容C_n和负载Load_n接在VOUT_n和GND之间。

主LDO提供负载Load₀～Load_n所需的电流，辅助LDO_k稳定VOUT_k电压的同时，当负载电流不一致时产生从VDD_k流经MP_k到VOUT_k的I_source电流或从VOUT_k流经MN_k到GND的I_sink电流。

根据不同的需求，堆叠式LDO设置如下：

辅助LDO的个数根据输出电压个数需求变化，因此本发明中的堆叠式低压差线性稳压器可以包含一个主LDO和一个辅助LDO，也可以包含一个主LDO和多个辅助LDO。

主LDO的电源端VDD连接至外部供电端口，辅助LDO_k电路(k＝1,2…n)的电源端VDD_k连接方式有以下几种选择：

a.VDD_k与VDD连接，实现最小的MP_k和MN_k尺寸设计和最佳的动态响应特性；

b.VDD_k分别与VOUT_k-1连接，实现最佳的PSR特性；

c.VDD_k与VOUT_m-1(m＝1,2…k)连接,实现MP_k和MN_k面积、动态响应特性以及PSR特性的折中。

主LDO的参考电压VREF₀和辅助LDO_k(k＝1,2…n)中的参考电压VREF_k(k＝1,2…n)可以分别设计，以实现所需的VOUT_k(k＝0,1,2…n)。VOUT_k(k＝1,2…n)与VOUT_k-1(k＝1,2…n)的差值，即相邻两个输出之间的电压差，也即负载k(k＝0,1,2…n)两端的电压差ΔV_k(k＝0…n)可以是相同值，也可以是不同值，以实现堆叠式低压差线性稳压器多样化的输出电压配置。

片上电容C_k(k＝0,1,2…n)容值大小可以是相同的，也可以是不同的。可以根据负载、稳定性、动态特性、PSR特性的需求进行设计。

请参阅图2，辅助LDO_k电路(k＝1,2…n)具有三种工作模式，分别是Source模式、Sink模式以及Neutral模式。

对于辅助LDOk，当负载Load_k所需电流I_k大于负载Load_k-1所需电流I_k-1时，辅助LDO_k工作在Source模式下，此时调整管MP_k打开，MN_k关闭，产生电流I_source-k从VDD_k流经MP_k到VOUT_k，为负载Load_k提供额外的电流；

当负载Load_k所需电流I_k小于负载Load_k-1所需电流I_k-1时，辅助LDO_k工作在Sink模式下，此时调整管MN_k打开，MP_k关闭，产生电流I_sink-k从VOUT_k流经MN_k到GND，抽取流向负载Load_k多余的电流；

当负载Load_k所需电流I_k等于负载Load_k-1所需电流I_k-1时，辅助LDO_k工作在Neutral模式下，此时调整管MN_k和MP_k处于亚阈值区，辅助LDO_k不产生额外的电流I_source-k或I_sink-k。

主LDO中MP₀的尺寸需要满足负载Load_k(k＝0,1,2…n)所需的最大电流。辅助LDO_k(k＝1,2…n)中MP_k(k＝1,2…n)和MN_k(k＝1,2…n)的尺寸根据负载Load_k(k＝1,2…n)之间的不匹配情况设计，其产生的I_source-k和I_sink-k需要满足最大不匹配情况。即Source模式下，I_source-k≥I_k-I_k-1；Sink模式下，I_sink-k≥I_k-1-I_k。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明已被用于一款高效率全集成堆叠式两输出低压差线性稳压器的设计。该设计中n＝1，其中包含主LDO和一个辅助LDO₁。其供电电压VDD＝3.3V，辅助LDO₁的电源端VDD₁接VOUT₀以实现VOUT₁最佳的PSR特性。

VOUT₀＝3.2V，VOUT₁可以在较宽范围内变化以满足不同的堆叠式负载需求。最大负载电流为50mA，辅助LDO₁的Source、Sink模式最大电流为10mA。

请参阅图3、4和5，分别是VOUT₁＝0.8V，1.6V，2.4V时，两个输出端发生负载跳变的瞬态波形。当负载电流在45mA与55mA之间跳变时，两个输出端均可快速稳定。辅助LDO₁在跳变过程中在三种模式下切换，快速调整VOUT₁的电压和电流。

图6是VOUT₁端口的PSR特性，由于该设计中VDD₁与VOUT₀连接，表现出几乎两倍于传统LDO的低频PSR特性。该设计的LDO不考虑其他损耗时的效率为3.2V/3.3V≈97％，解决了传统LDO结构由于自身的输入、输出压差大带来的效率低下问题。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种全集成多输出堆叠式低压差线性稳压器，其特征在于，包括主LDO以及辅助LDO_k，k＝1，2…n；主LDO通过片上电容C₀和负载Load₀与辅助LDO_k电路上的片上电容C_k和负载Load_k串联连接组成堆叠结构，主LDO用于提供负载所需电流，辅助LDO_k用于稳定VOUT_k电压，当负载电流不一致时产生从VDD_k流经MP_k到VOUT_k的I_source电流或从VOUT_k流经MN_k到GND的I_sink电流。

2.根据权利要求1所述的全集成多输出堆叠式低压差线性稳压器，其特征在于，主LDO包括误差放大器EA₀，调整管MP₀，反馈电阻R_F1、R_F2，片上电容C₀以及负载Load₀，误差放大器EA₀的反向输入端接VREF₀，同相输入端分别与反馈电阻R_F1、R_F2连接，误差放大器EA₀电源端接调整管MP₀的源极，误差放大器EA₀的输出端接调整管MP₀的栅极，调整管MP₀的漏极分三路，一路接片上电容C₀，第二路接负载Load₀，第三路经反馈电阻R_F1后分两路，一路经反馈电阻R_F2接地，另一路接误差放大器EA₀的同相输入端。

3.根据权利要求1所述的全集成多输出堆叠式低压差线性稳压器，其特征在于，辅助LDO_k包括误差放大器EA_k，PMOS调整管MP_k，NMOS调整管MN_k，偏置电压VB_k，片上电容C_k以及负载Load_k，误差放大器EA_k的反向输入端接VREF_k，同相输入端分别与PMOS调整管MP_k漏极、NMOS调整管MN_k漏极、片上电容C_k和负载Load_k连接，误差放大器EA_k电源端接PMOS调整管MP_k的源极，误差放大器EA_k的输出分两路，一路经偏置电压VB_k接PMOS调整管MP_k的栅极，另一路接NMOS调整管MN_k的栅极，NMOS调整管MN_k的源极接地。

4.根据权利要求1所述的全集成多输出堆叠式低压差线性稳压器，其特征在于，片上电容C_k-1和负载Load_k-1接在VOUT_k-1和VOUT_k之间，k＝1，2…n，片上电容C_n和负载Load_n接在VOUT_n和GND之间。

5.根据权利要求1所述的全集成多输出堆叠式低压差线性稳压器，其特征在于，主LDO的电源端VDD连接至外部供电端口，辅助LDO_k电路的电源端VDD_k包括以下三种连接方式：VDD_k与VDD连接；VDD_k分别与VOUT_k-1连接，k＝1，2…n；VDD_k分别与VOUT_m-1连接，m＝1,2…k。

6.根据权利要求1所述的全集成多输出堆叠式低压差线性稳压器，其特征在于，输出电压VOUT_k与VOUT_k-1的差值相同或不同，k＝1,2…n。

7.根据权利要求1所述的全集成多输出堆叠式低压差线性稳压器，其特征在于，辅助LDO_k包括Source模式、Sink模式以及Neutral模式；当负载Load_k所需电流I_k大于负载Load_k-1所需电流I_k-1时，辅助LDO_k工作在Source模式下；当负载Load_k所需电流I_k小于负载Load_k-1所需电流I_k-1时，辅助LDO_k工作在Sink模式下；当负载Load_k所需电流I_k等于负载Load_k-1所需电流I_k-1时，辅助LDO_k工作在Neutral模式下。

8.根据权利要求7所述的全集成多输出堆叠式低压差线性稳压器，其特征在于，Source模式下，调整管MP_k打开，MN_k关闭，产生电流I_source-k从VDD_k流经MP_k到VOUT_k，为负载Load_k提供额外的电流，产生电流满足关系为I_source-k＝I_k-I_k-1。

9.根据权利要求7所述的全集成多输出堆叠式低压差线性稳压器，其特征在于，Sink模式下，调整管MN_k打开，MP_k关闭，产生电流I_sink-k从VOUT_k流经MN_k到GND，抽取流向负载Load_k多余的电流，产生电流满足关系为I_sink-k＝I_k-1-I_k。

10.根据权利要求7所述的全集成多输出堆叠式低压差线性稳压器，其特征在于，Neutral模式下，调整管MN_k和MP_k处于亚阈值区，辅助LDO_k不产生额外的电流I_source-k或I_sink-k。