CN112234823B - 低压输入及宽负载输出的线性电压转换器及电源*** - Google Patents

低压输入及宽负载输出的线性电压转换器及电源*** Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种低压输入及宽负载输出的线性电压转换器及电源***，涉及电源管理技术领域，解决了极小功率或无功率的负载下，传输MOS管使误差放大器无法提供足够增益的技术问题。该线性电压转换器包括输出级传感器、比较器；输出级的传输MOS管为一个或并联的多个；输出级传感器能够探测输出级的输出电压或电流大小得到电压信号的探测结果，输出级传感器与比较器连接，比较器将探测结果与探测参考电压比较并产生不同的控制信号，控制信号能够将核心级的电源切换至电池进入切换式电源转换器的输入电压VIN，或调整传输MOS管的接入数量。本发明在极小功率或无功率的负载下，确保核心级操作在合适区间，提高了线性电压转换器性能。

Description

低压输入及宽负载输出的线性电压转换器及电源***
技术领域
本发明涉及电源管理技术领域，尤其是涉及一种低压输入及宽负载输出的线性电压转换器及电源***。
背景技术
在无线通讯技术***快速发展之下，研发低成本、高效能、低功耗之无线射频集成电路日益迫切，目前全球正进入一个各种***都需要采集和交换资料的物联网(Internetof Things，IoT)时代，传感器以无线方式传输资料的物联网中，如果传感器采用电池供电，功耗受限且必须持续很长时间的话，低功耗WiFi发挥至关重要的角色。如图1所示，在SoC(System on Chip，***级芯片)电源架构中，LDO(low dropout regulator)作为一种低压差线性稳压器，使用越来越普遍。为提高整体电能转换效率，上层采用切换式电源转换器，电池进入切换式电源转换器的为输入电压VIN，经过切换式电源转换器转换后的电压为VOUT(VIN>VOUT)。中层采用数个线性电压转换器，让下层多个模拟或数字负载电路彼此之间有很好的隔离度，进而提高传输效能。
如图2所示，在单一切换式电源转换器跟线性电压转换器传的架构下，线性电压转换器区可分为如图3所示的LDO核心级(简称为核心级)和LDO输出级(简称为输出级)。如图3所示，核心级主要是参考电压VREF跟反馈电压VFB通过误差放大器，让VLDO有一个稳定的电压输出。输出级由传输MOS管(图3中的Mpass，传输MOS管为PMOS管)、反馈电阻(Ra，Rb)跟稳压电容(COUT)组成，为了达到较小的静态电流设计，反馈电阻通常不会设计太小，稳压电容为了达到稳压效果，通常放置数uF。而传输MOS管为了承受大功率负载，需要有一定的驱动能力，在最大电流输出时，需要适当地设计W/L比，让Vo>2VDS,SAT，确保误差放大器操作于饱和区。反之在极小功率或无功率的负载下，传输MOS管会操作在次临界传导区，也就是很小的驱动电压(Vgate-source)，产生较高的Vo，让MOS管MP2进入线性区，使误差放大器无法提供足够的增益，整体开回路的增益就会降低，影响线性电压转换器的性能。
根据负载功率公式P负载功率＝POUT/PIN＝VOUT*IOUT/VIN*IIN，想要达到更低功耗的目标，主要可以从三个地方改善。(1)降低负载电压VLDO，使负载功率变小(P＝VI)，不过由于负载可操作时的最低电压受限于制程技术，无法随意调降。(2)提高切换式电源转换器的转换效率，如表1所示为切换式电源转换器的转换效率情况，在相同的负载功率下，输入功率会随着效率提高而减少，达到长时间使用目标。但是转换效率也存在着极限值，也会受限于电路设计及外部元件的选取。(3)降低切换式电源转换器输出电压VOUT，如表2所示为切换式电源转换器的输出电压调整，在相同的转换效率下，输入跟输出功率会随着输出电压降低而减少，进而达到低功耗目标。由于在固定的负载电压VLDO下，愈低的VOUT使线性电压转换器可以操作区间更小，而又要承受大范围的负载电流，增加了设计上的困难。
表1切换式电源转换器的转换效率
序号 负载功率效率 功率输入 功率输出
1 80％ 1 0.8
2 85％ 0.94X 0.8
3 90％ 0.89X 0.8
4 95％ 0.84X 0.8
表2切换式电源转换器的输出电压调整
序号 负载功率效率 输出电压 功率输入 功率输出
1 90％ 1 1 0.9
2 90％ 0.9 0.9X 0.81X
3 90％ 0.8 0.8X 0.72X
4 90％ 0.7 0.7X 0.63X
本申请人发现现有技术至少存在以下技术问题：
在极小功率或无功率的负载下，传输MOS管处于次临界区(sub-threshold)，使误差放大器无法提供足够的增益，整体开回路的增益就会降低，影响线性电压转换器的性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低压输入及宽负载输出的线性电压转换器及电源***，以解决现有技术中存在的在极小功率或无功率的负载下，传输MOS管处于次临界区(sub-threshold)，使误差放大器无法提供足够的增益，整体开回路的增益就会降低，影响线性电压转换器的性能的技术问题。本发明提供的诸多技术方案中的优选技术方案所能产生的诸多技术效果详见下文阐述。
为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：
本发明提供的一种低压输入及宽负载输出的线性电压转换器，包括核心级和输出级，所述核心级由切换式电源转换器转换后的电压VOUT进行供电，通过误差放大器使LDO的电压稳定输出并与所述输出级连接，所述输出级与负载连接并为其供电，还包括输出级传感器、比较器；所述输出级的传输MOS管为一个或并联的多个；所述输出级传感器能够探测所述输出级的输出电压或电流大小，所述输出级传感器与所述比较器连接，所述比较器将该探测结果与探测参考电压比较并产生不同的控制信号，所述控制信号能够将所述核心级的电源切换至电池进入切换式电源转换器的输入电压VIN，或调整所述传输MOS管的接入数量；所述控制信号通过电源开关对所述核心级的电源进行切换；所述电源开关为两个并联的PMOS管，分别为第二PMOS管和第三PMOS管，所述第二PMOS管、第三PMOS管通过漏极为所述核心级供电；所述第二PMOS管、第三PMOS管的栅极均与所述比较器的输出端连接；所述第二PMOS管、第三PMOS管的源极分别与所述VIN、VOUT连接；所述探测结果的电压值高于所述探测参考电压，所述比较器的输出结果为高电平VC；所述探测结果的电压值低于所述探测参考电压，所述比较器的输出结果为低电平
Figure GDA0002922573330000031
所述第二PMOS管的栅极与所述高电平VC连接，所述第三PMOS管的栅极与所述低电平
Figure GDA0002922573330000032
连接。
可选地，所述输出级传感器与所述输出级的传输MOS管的栅极连接，并能够探测所述传输MOS管的栅极电压或漏极电流。
可选地，所述传输MOS管的源级和漏级分别与所述VOUT和负载连接；所述输出级传感器探测所述传输MOS管的漏极电流，通过第一PMOS管和阻抗与所述比较器的正端连接；所述第一PMOS管的栅极和漏极分别于所述传输MOS管的栅极和所述阻抗连接，所述第一PMOS管的源级与所述VOUT连接。
可选地，所述比较器输出结果为高电平VC时，所述第二PMOS管关闭，所述第三PMOS管导通，所述核心级电源与VOUT连接；所述比较器的输出结果为低电平
Figure GDA0002922573330000041
时，所述第二PMOS管导通，所述第三PMOS管关闭，所述核心级电源与VIN连接。
可选地，所述探测结果高于所述探测参考电压，所述比较器的输出结果为高电平VC；所述探测结果低于所述探测参考电压，所述比较器的输出结果为低电平
Figure GDA0002922573330000042
所述比较器输出结果为高电平VC时，两个或多个所述传输MOS管同时并联接入；所述比较器的输出结果为低电平
Figure GDA0002922573330000043
时，仅任意一个所述传输MOS管接入。
一种电源***，所述电源***包括本发明提供的低压输入及宽负载输出的线性电压转换器。
上述任一技术方案至少可以产生如下技术效果：
本发明通过输出级传感器、比较器和电源开关对极小功率或无功率的负载下的核心级电源进行切换，由于核心级所流过的电流大约是数uA的级距，都是极小于输出级，在不太影响整体电能转换效率下，极小功率或无功率的负载下，把核心级电源接到较高电位的VIN，或通过减少并联传输MOS管使误差放大器的输出电压VO降低，能够确保核心级的误差放大器操作在合适的区间，提供足够的开回路增益，提高了线性电压转换器的性能，不仅解决大范围的负载电流设计上的困难，也不会影响整体电能转换效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是现有SoC电源架构的结构框图；
图2是现有单一切换式电源转换器与线性电压转换器的架构的结构框图；
图3是现有线性电压转换器的架构的电路图；
图4是现有误差放大器的电路图；
图5是本发明实施例1线性电压转换器的电源结构的结构框图；
图6是本发明实施例1线性电压转换器的电路图；
图7是本发明中比较器的电路图；
图8是本发明实施例2线性电压转换器的电源结构的结构框图；
图9是本发明实施例2线性电压转换器的电路图。
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，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
实施例1
本发明提供了一种低压输入及宽负载输出的线性电压转换器，如图5-7所示，包括核心级和输出级，核心级和输出级核心级即为图5中的LDO输出级和LDO核心级。核心级由切换式电源转换器(为DC-DC即直流式切换式电源转换器)转换后的电压VOUT进行供电，即VOUT与误差放大器A1的正电源端连接，通过误差放大器A1使LDO的电压稳定输出并与输出级连接，输出级与负载连接并为其供电。线性电压转换器还包括输出级传感器、比较器和电源开关；输出级传感器能够探测输出级的输出电压或电流大小(探测电流时需转化为电压信号用于与比较器连接，探测的灵敏度更高)，输出级传感器与比较器连接，具体而言，输出级传感器与比较器的正向输入端连接。比较器将该探测结果与探测参考电压VR1(VR1根据使用需要提前进行设定)比较并产生不同的控制信号，控制信号即为高电平信号和低电平信号，控制信号能够将核心级的电源切换至电池进入切换式电源转换器的输入电压VIN，当负载极小功率或无功率时，即切换至VIN。由于核心级所流过的电流大约是数uA的级距，都是极小于输出级，在不太影响整体电能转换效率下，当小负载时，把核心级电源接到较高电位的VIN，提高了误差放大器A1中的PMOS管MP2的源极电压US，显然MP2的漏极电压UD<US，UDS<0，MP2一直处于导通状态，从而使MP2的源极与漏极之间的电压差UDS减小，即|UDS|增大，可以避免PMOS管MP2即核心级电路进入线性区。极小功率或无功率的负载下，由于核心级接入的电压VIN更高，能够确保核心级的误差放大器操作在合适的区间，提供足够的开回路增益，提高了线性电压转换器的性能，不仅解决大范围的负载电流设计上的困难，也不会影响整体电能转换效率。
作为可选地实施方式，输出级传感器与输出级的传输MOS管(传输MOS管为PMOS管，图6中的Mpass)的栅极连接，并能够探测传输MOS管的栅极电压或漏极电流，探测电压时，传输MOS管的栅极与比较器的正向输入端直接连接即可。输出级传感器探测漏极的电流，能够实现更高的探测灵敏度，输出级传感器通过第一PMOS管(Msense)和阻抗与比较器的正端连接；第一PMOS管的栅极和漏极分别与传输MOS管的栅极和阻抗连接，第一PMOS管的源极与VOUT连接。第一PMOS管与传输MOS管的电流之比为1:K，即第一PMOS管的漏极电流为传输MOS管的漏极电流的1/K，感测电流为传输MOS管电流的1/K，K值越大代表输出级传感器所需的阻抗越大，可根据需要选择合适的K值便于转换出合适的感测电压。感测电流经过阻抗后转换为电压信号VS，与比较器的正向输入端连接，从而比较器对正向输入端的VS和负向输入端的探测参考电压VR1比较，最终产生相应的电平信号。
作为可选地实施方式，如图6-7所示，控制信号通过电源开关对核心级的电源进行切换。电源开关为两个并联的PMOS管，分别为第二PMOS管(图6中的MSW1)和第三PMOS管(图6中的MSW2)，第二PMOS管、第三PMOS管通过漏极为核心级供电，即第二PMOS管、第三PMOS管的漏极与误差放大器A1的正电源端连接，误差放大器A1的负电源端接地。第二PMOS管、第三PMOS管的栅极均与比较器的输出端连接，第二PMOS管、第三PMOS管的源极分别与VIN和VOUT连接。探测结果的电压值高于探测参考电压VR1，比较器的输出结果为高电平VC；探测结果的电压值低于探测参考电压VR1，比较器的输出结果为低电平
Figure GDA0002922573330000071
第二PMOS管的栅极与高电平VC连接，第三PMOS管的栅极与低电平
Figure GDA0002922573330000072
连接。根据PMOS管的工作原理，当Ugs≤0时，PMOS管就导通，Ugs>0时，PMOS管截止。比较器输出结果为高电平VC时，第二PMOS管的Ugs>0，第二PMOS管关闭，而第三PMOS管的Ugs≤0，第三PMOS管导通，核心级电源与VOUT连接；比较器的输出结果为低电平
Figure GDA0002922573330000073
时，第二PMOS管导通，第三PMOS管关闭，核心级电源与VIN连接。
作为可选地实施方式，如图7所示，比较器为两级比较器，包括输入级和锁存级，其中输入级为第一级，锁存级为第二级，具有结构简单、速度快的优势。
实施例2
如图8-9所示，与实施例1的区别技术特征在于传输MOS管的数量为2个以上(图9中为两个，即第一传输MOS管和第二传输MOS管)，并相互并联，形成传输MOS管阵列，越多的传输MOS管越容易实现对VO电压范围的准确控制，优选并联的各个传输MOS管参数一致；同时，控制信号通过调整接入传输MOS管的数量来调整PMOS管MP2的工作状态。当小负载时，比较器的输出结果为低电平
Figure GDA0002922573330000074
仅只开启一个或少数个(当电路中传输MOS管阵列中的传输MOS管数量为三个以上时)传输MOS管即一个或少数个传输MOS管并联接入，VO在传输MOS管阵列上较多个传输MOS管并联具有更大的电压降，从而VO处的电压降低。降低了误差放大器A1中的PMOS管MP2的漏极电压UD，由于MP2的源极电压US仍为VOUT不变，显然UD<US，UDS<0，MP2一直处于导通状态，UD降低使MP2的漏极与源极之间的电压差UDS减小，即|UDS|增大，可以避免PMOS管MP2即核心级电路进入线性区。当大负载时，比较器的输出结果为高电平VC，开启两个或多数(当电路中传输MOS管阵列中的传输MOS管数量为三个以上时)个传输MOS管，与现有线性电压转换器处于相同的工作状态。
一种电源***，电源***包括本发明提供的低压输入及宽负载输出的线性电压转换器。在极小功率或无功率的负载下，线性电压转换器的核心级接入的电压更高或误差放大器的输出电压VO降低，能够确保核心级的误差放大器操作在合适的区间，提供足够的开回路增益，提高了线性电压转换器的性能，不仅解决大范围的负载电流设计上的困难，也不会影响整体电能转换效率，从而电源***也达到了更低功耗的目的。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种低压输入及宽负载输出的线性电压转换器，包括核心级和输出级，所述核心级由切换式电源转换器转换后的电压VOUT进行供电，通过误差放大器使LDO的电压稳定输出并与所述输出级连接，所述输出级与负载连接并为其供电，其特征在于，还包括输出级传感器、比较器；所述输出级的传输MOS管为一个或并联的多个；所述输出级传感器能够探测所述输出级的输出电压或电流大小得到电压信号的探测结果，所述输出级传感器与所述比较器连接，所述比较器将所述探测结果与探测参考电压比较并产生不同的控制信号，所述控制信号能够将所述核心级的电源切换至电池进入切换式电源转换器的输入电压VIN，或调整所述传输MOS管的接入数量；
所述控制信号通过电源开关对所述核心级的电源进行切换；
所述电源开关为两个并联的PMOS管，分别为第二PMOS管和第三PMOS管，所述第二PMOS管、第三PMOS管通过漏极为所述核心级供电；所述第二PMOS管、第三PMOS管的栅极均与所述比较器的输出端连接；所述第二PMOS管、第三PMOS管的源极分别与所述VIN、VOUT连接；
所述探测结果的电压值高于所述探测参考电压，所述比较器的输出结果为高电平VC；所述探测结果的电压值低于所述探测参考电压，所述比较器的输出结果为低电平
Figure FDA0002922573320000011
所述第二PMOS管的栅极与所述高电平VC连接，所述第三PMOS管的栅极与所述低电平
Figure FDA0002922573320000012
连接。
2.根据权利要求1所述的低压输入及宽负载输出的线性电压转换器，其特征在于，所述输出级传感器与所述输出级的传输MOS管的栅极连接，并能够探测所述传输MOS管的栅极电压或漏极电流。
3.根据权利要求2所述的低压输入及宽负载输出的线性电压转换器，其特征在于，所述传输MOS管的源极 和漏极 分别与所述VOUT和负载连接；所述输出级传感器探测所述传输MOS管的漏极电流，通过第一PMOS管和阻抗与所述比较器的正端连接；所述第一PMOS管的栅极和漏极分别与所述传输MOS 管的栅极和所述阻抗连接，所述第一PMOS管的源极 与所述VOUT连接。
4.根据权利要求1所述的低压输入及宽负载输出的线性电压转换器，其特征在于，所述比较器输出结果为高电平VC时，所述第二PMOS管关闭，所述第三PMOS管导通，所述核心级电源与VOUT连接；所述比较器的输出结果为低电平
Figure FDA0002922573320000021
时，所述第二PMOS管导通，所述第三PMOS管关闭，所述核心级电源与VIN连接。
5.根据权利要求1所述的低压输入及宽负载输出的线性电压转换器，其特征在于，所述探测结果的电压值高于所述探测参考电压，所述比较器的输出结果为高电平VC；所述探测结果的电压值低于所述探测参考电压，所述比较器的输出结果为低电平
Figure FDA0002922573320000022
所述比较器输出结果为高电平VC时，两个或多个所述传输MOS管同时并联接入；所述比较器的输出结果为低电平
Figure FDA0002922573320000023
时，仅任意一个所述传输MOS管接入。
6.一种电源***，其特征在于，所述电源***包括权利要求1-5中任一所述的低压输入及宽负载输出的线性电压转换器。
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