CN112714897B - 具有多个电源电压的ldo的调节/旁路自动化 - Google Patents

具有多个电源电压的ldo的调节/旁路自动化 Download PDF

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CN112714897B CN201980061121.8A CN201980061121A CN112714897B CN 112714897 B CN112714897 B CN 112714897B CN 201980061121 A CN201980061121 A CN 201980061121A CN 112714897 B CN112714897 B CN 112714897B
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Abstract

公开了具有多个电源电压的低压差稳压器(LDO)的调节/旁路自动化。在一些实现中，一种LDO包括：电阻器；具有源极、栅极和漏极的用于输出电压Vout的传输晶体管，源极耦合到电源电压，栅极耦合到运算跨导放大器(OTA)的输出，并且漏极耦合到电阻器的第一端子；具有漏极、栅极和源极的反馈开关，漏极耦合到电阻器的第二端子，源极耦合到OTA的负输入；以及具有漏极、栅极和源极的下拉晶体管，源极耦合到地，并且漏极耦合到OTA的负输入，其中下拉晶体管的栅极和反馈开关的栅极被配置为接收旁路信号。

Description

具有多个电源电压的LDO的调节/旁路自动化
优先权声明
本专利申请要求于2018年9月20日提交的题为“REGULATION/BYPASS AUTOMATIONFOR LDO WITH MULTIPLE SUPPLY VOLTAGES”的申请号16/136,305的优先权，该申请已经转让给本专利申请的受让人并且在此通过引用明确地并入本文。
技术领域
本公开的各方面总体上涉及半导体电路中的功率调节，并且更具体地涉及用于具有多个电源电压的低压差稳压器(LDO)的调节/旁路自动化。
背景技术
随着半导体技术的进步，芯片上的很多***(SoC)可以以较低电源电压(例如，1.8V)操作，从而降低了总体功耗。但是，仍然存在需要支持以较高电源电压(例如，5V、3.3V等)操作的旧式设备。因此，在本领域中需要提供更灵活和有效的LDO以允许先进的处理SoC来支持旧式设备。
发明内容
以下给出了一个或多个实施例的简化概述，以提供对这样的实现的基本理解。该概述不是所有预期实现的广泛概述，并且既不旨在标识所有实施例的关键或重要元素，也不旨在界定任何或所有实现的范围。该概述的唯一目的是以简化的形式呈现一个或多个实施例的一些概念，作为稍后呈现的更详细描述的序言。
在一些实现中，一种低压差稳压器(LDO)包括具有第一端子和第二端子的第一电阻器；以及具有源极、栅极和漏极的用于输出电压Vout的p型传输晶体管，源极耦合到电源电压，栅极耦合到运算跨导放大器(OTA)的输出，并且漏极耦合到第一电阻器的第一端子。LDO还包括具有漏极、栅极和源极的p型反馈开关，漏极耦合到第一电阻器的第二端子，源极耦合到OTA的正输入。LDO还包括具有漏极、栅极和源极的n型下拉晶体管，源极耦合到地，栅极耦合到p型反馈晶体管的栅极，并且漏极耦合到OTA的负输入，其中n型下拉晶体管的栅极和p型反馈开关的栅极被配置为接收旁路信号。
在一些实现中，LDO还包括具有第一端子和第二端子的第二电阻器。第二端子耦合到地，并且第一端子耦合到第一电阻器的第二端子。
在一些实现中，当电源电压约为1.8V时，旁路信号被断言。当电源电压为3.3V或5.0V时，旁路信号可以被解除断言。当旁路信号被断言时，LDO进入旁路模式。另一方面，当旁路信号被解除断言时，LDO进入调节模式。
在一些实现中，当LDO被上电时，LDO在默认情况下以调节模式操作。
为了实现前述和相关目的，一个或多个实施例包括下文中充分描述并且在权利要求中特别指出的特征。以下描述和附图详细阐述了一个或多个实施例的某些说明性方面。然而，这些方面仅指示可以采用各种实施例的原理的各种方式中的几种，并且描述实施例旨在包括所有这些方面及其等同物。
附图说明
图1是片上***(SoC)中的低压差稳压器(LDO)的一种实现的概念图。
图2示出了SoC中的常规LDO。
图3示出了一种常规LDO的详细电路实现。
图4示出了波形图以说明在上电时可以引起可靠性问题的潜在“毛刺”。
图5A示出了LDO的一种实现。
图5B示出了SoC的一种实现。
图6示出了图5B所示的SoC的一个示例性上电序列。
图7示出了操作图5A所示的LDO 520的一种示例性方法。
具体实施方式
以下结合附图阐述的详细描述旨在作为各种配置的描述，而并非旨在表示可以实践本文中描述的概念的唯一配置。为了提供对各种概念的透彻理解，详细描述包括特定细节。然而，对于本领域技术人员而言很清楚的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践这些概念。在某些情况下，以框图形式示出了公知的结构和组件，以避免使这些概念模糊。
先进技术节点中的片上***(SoC)设计需要与多个输入/输出(I/O)电源电压接口，包括旧式设备中的较高电压。电源管理单元(PMU)的必备功能是为各种I/O电源提供统一的上电序列，以缩短产品开发时间。需要调节器、通常是低压差稳压器(LDO)，以在与旧式产品接口时降低I/O电源电压，或者在I/O电源电压与SoC中的电压大致相同时旁路I/O电源电压。换言之，如图1概念地所示，当今的SoC设计中需要正常模式(也称为调节模式)和旁路模式。
图1是片上***(SoC)中的低压差稳压器(LDO)的一种实现方式100的概念图。在箭头140的左侧，示出了三个用例110-130。在用例110中，客户A表示以5V操作的旧式设备。在用例120中，客户B表示以3.3V操作的另一旧式设备。在用例130中，客户C表示以1.8V操作的设备。在当前示例中，SoC以1.8V操作。因此，为了支持客户A，SoC需要LDO 112，该LDO 112可以将5V的I/O电源电压转换为1.8V。同样，为了支持客户B，SoC需要LDO 122，该LDO 122可以将3.3V的I/O电源电压转换为1.8V。因为客户C已经以与SoC相同的1.8V操作，所以SoC不需要任何电压调节器来支持客户C。换言之，当支持客户C时，SoC可以旁路LDO(也称为旁路模式)。为了增强SoC的灵活性和多功能性，在某些实现中，LDO 112和122以及用例130中表示的旁路模式被组合成LDO，该LDO支持多个电源电压并且在调节模式与旁路模式之间自动切换。
在一些先进技术节点中，高压(HV)器件用于与旧式高I/O电源电压接口。尽管HV器件的漏极源极电压(Vds)范围增加了，但栅极源极电压(Vgs)仍然受到限制(例如，在28nm节点中，Vgs必须等于或低于1.8V)。内部逻辑电平即使在I/O电源电压处于较高电平(例如，5V、3.3V)时也必须为1.8V，或者出于可靠性原因而在图1所示的示例中必须为1.8V。
图2中示出了一个常规SoC设计200。电源检测器210用于检测从客户设备A、B或C接收的电源电压的电压电平，然后发出逻辑信号以基于检测到的电源电压将LDO 220配置为调节模式或旁路模式(如二极管连接的p型晶体管225所示)。然而，电源检测器210中的逻辑电路212通常需要来自LDO 220的输出的1.8V电源电压，以便被上电并且正确地起作用。但是在启动时，LDO 220的输出可能尚未达到1.8V。这可能会导致SoC设计200的上电序列出现鸡和蛋问题。
图2中的SoC设计200的另一问题是可靠性问题。如果LDO 220首先对于5V或3.3V的I/O电源电压处于旁路模式，则二极管连接的p型晶体管225的Vgs可能会超过1.8V。晶体管225上的如此高的Vgs可能在晶体管225上施加太大的压力，并且在SoC 200的寿命后期导致可靠性问题。例如，晶体管225可能最终在长时间的使用中发生故障，从而导致LDO 220发生故障。
图3示出了在SoC中使用的一个常规LDO 320的详细电路实现。LDO 320包括一对n型晶体管321和322、偏置晶体管325、一对p型晶体管323和324、传输晶体管(也称为传输开关)326、n型晶体管327、开关328、一对输出电阻器329a和329b、输出电容器332和电容器331。在一些实现中，上述LDO 320的晶体管都是HV器件。晶体管321和322分别被配置为负输入晶体管和正输入晶体管。晶体管321和322中的每个的源极耦合到偏置晶体管325的漏极。偏置晶体管325的源极耦合到地。输入晶体管321和322的漏极分别耦合到晶体管323和324的漏极。晶体管323和324的栅极与晶体管323的漏极耦合在一起。晶体管323和324的源极耦合到来自SoC外部的设备的电源电压VddH。在旧式设备的情况下(例如，图1中的客户A或客户B)，电源电压VddH可以为5V或3.3V。在低功率设备(例如，客户C)的情况下，电源电压VddH可以为1.8V。晶体管324并联耦合到电容器331。晶体管324的漏极耦合到传输晶体管326的栅极和晶体管327的漏极。晶体管327的源极耦合到地。晶体管327的栅极从电压比较器接收旁路信号301。传输晶体管326的源极耦合到电源电压VddH，并且传输晶体管326的漏极耦合到输出电阻器329a和输出电容器332。输出电阻器329a和329b串联耦合在晶体管326与地之间，而输出电容器332并联耦合到输出电阻器329a和329b。
开关328耦合在传输晶体管326的栅极与晶体管324的漏极之间，以在调节模式或旁路模式之间切换。然而，如上所述，在高级处理节点(例如，28nm或更高)中，由于可靠性考虑，不能将3.3V/0V电压施加到开关328。图4示出了波形图400以说明在上电时可以引起可靠性问题的潜在“毛刺”。如图4所示，在功率上升期间，旁路信号和vdd18中存在毛刺410。该毛刺410可能导致传输晶体管326出现可靠性问题。具体地，如果电源电压VddH为5V或3.3V并且旁路信号为1.8V，则传输晶体管326的源极栅极电压(Vsg)将超过1.8V，从而导致可靠性失败。因此，需要LDO来解决上面讨论的上电序列问题和可靠性问题。本文中公开了这种新颖的LDO的一些实现。
在一些实现中，LDO可以在上电事件期间针对1.8VI/O电压输送自动调节或旁路双模式功能，以支持5V或3.3V的旧式I/O电压(例如，在图1中分别为客户A和B)、以及很多当前设备(例如，图1中的客户C)所需要的1.8V I/O电压。当旁路信号为逻辑“0”时，LDO可以进入具有闭环操作的调节模式，而当旁路信号为逻辑“1”时，LDO可以进入具有开环选项的旁路模式。在一些实现中，旁路信号是1.8V逻辑信号，并且它可以来自LDO的以1.8V运行的比较器。在这点上，LDO和比较器处理旁路信号存在“鸡和蛋”问题。本文中公开的新颖LDO的一些实现可以减轻该“鸡和蛋”问题，同时解决上面讨论的可靠性和上电序列问题。
图5A示出了LDO 520的实现，图5B示出了结合有图5A中的LDO 520的SoC 500的一种实现。
参考图5A，LDO 520包括一对n型晶体管521和522、偏置晶体管525、一对p型晶体管523和524、传输晶体管(又称传输开关)526、一对输出电阻器529a和529b、输出电容器532和电容器531。在一些实现中，上述LDO 520的晶体管都是HV器件。晶体管521和522分别被配置为负输入晶体管和正输入晶体管。晶体管521和522中的每个的源极耦合到偏置晶体管525的漏极。偏置晶体管525的源极耦合到地。输入晶体管521和522的漏极分别耦合到晶体管523和524的漏极。晶体管523和524的栅极与晶体管523的漏极耦合在一起。晶体管523和524的源极耦合到来自SoC外部的设备的电源电压VddH。在旧式设备的情况下(例如，图1中的客户A或客户B)，电源电压VddH可以为5V或3.3V。在低功率设备(例如，客户C)的情况下，电源电压VddH可以为1.8V。晶体管521-525一起被配置为运算跨导放大器(OTA)，其中晶体管521和522的栅极分别用作OTA的负输入端子和正输入端子。晶体管524的漏极可以被配置为OTA的输出。
在一些实现中，晶体管524并联耦合到电容器531。晶体管524的漏极耦合到传输晶体管526的栅极。传输晶体管526的源极耦合到电源电压VddH，并且传输晶体管526的漏极耦合到输出电阻器529a和输出电容器532。输出电阻器529a和529b串联耦合在传输晶体管526与地之间，而输出电容器532并联耦合到输出电阻器529a和529b。
在一些实现中，至少两个另外的晶体管542和544被添加到输出电阻器529a与晶体管521的栅极(即，OTA的负输入端子)之间的反馈路径。晶体管542可以被称为反馈开关或反馈晶体管，而晶体管544可以被称为下拉开关或下拉晶体管。参考图5A，晶体管542是具有栅极、源极和漏极的p型晶体管。晶体管544是具有栅极、源极和漏极的n型晶体管。晶体管542和544的栅极耦合在一起以接收旁路信号501。晶体管544的源极耦合到地。晶体管544的漏极耦合到晶体管521的栅极。晶体管542的源极和主体耦合在一起，其进一步耦合到晶体管521的栅极。晶体管542的漏极耦合到输出电阻器529a与输出电阻器529b之间的节点。
当电源电压VddH为1.8V时LDO 520可以进入旁路模式，或者当电源电压VddH为5V或3.3V时LDO 520可以进入稳压模式。在一些实现中，响应于旁路信号501，LDO 520被配置为旁路模式或调节模式之一。当旁路信号501为逻辑“0”时，晶体管542导通以接通反馈环路，从而在传输晶体管526的漏极处产生1.8V的输出。因此，LDO 520进入调节模式。当旁路信号501为逻辑“1”时，晶体管542截止以断开(或中断)反馈环路，并且晶体管544导通以将晶体管521的栅极拉至地。因此，LDO 520进入旁路模式。
LDO 520可以与SoC中的很多基础设施模块一起使用，以支持需要不同电源电压的客户设备。具有LDO 520和其他基础设施模块的SoC 500的一种实现如图5B所示。参考图5B，SoC 500包括旁路比较器510、带隙参考生成器512、电阻分压器514、V到IR(V2IR)块516、OK检测器518和LDO 520。
在一些实现中，来自SoC 500外部的客户设备的电源电压VddH被输入到带隙参考生成器512、电阻分压器514、V2IR块516和LDO520。如上所述，电源电压对于旧式客户设备可以为5V或3.3V，对于当前客户设备可以为1.8V。带隙参考生成器512被配置为输出约1.23V的带隙电压vbg。当电源电压VddH可用时，信号vbg基本保持恒定在约1.23V。然后，信号vbg被输入到V2IR 516和LDO 520。电阻分压器514被配置为以约0.3的比率对所接收的电源电压VddH进行分压，以产生信号vddhdiv，如果VddH分别为5V、3.3V或1.8V，则该信号vddhdiv可以约为1.5V、0.99V或0.54V。使用V2IR 516内的片上电阻器的组合，V2IR 516被配置为将vbg转换成IR电流，该IR电流转换成三个电压信号，即，约1.23V的v1p23、约0.9V的v0p9和约0.74V的v0p74。当VddH和vbg均可用时，这三个电压信号也基本恒定。然后，信号v0p9被输入到Ok检测器518，并且信号v0p74被输入到旁路比较器510的正输入端子。旁路比较器510的负输入端子从电阻分压器514接收vddhdiv。旁路比较器510输出旁路信号501。LDO 520还从带隙参考生成器512接收vbg(为约1.23V)。LDO 520还接收从旁路比较器510输出的旁路信号501。如以上参考图5A讨论的，LDO 520生成为约1.8V的输出电压vdd18。LDO 520向Ok检测器518和旁路比较器510两者提供1.8V的输出电压。Ok检测器518检测v0p9电压电平并且断言ok_mbg信号，该信号ok_mbg被输入到旁路比较器510的使能输入端子。当ok_mbg被断言时，旁路比较器510比较vddhdiv与v0p74，并且相应地输出旁路信号501。
图6中示出了SoC 500的一个示例性上电序列。在SoC 500的冷启动期间，在内部电压准备好用于电压检测或转换之前，外部电源电压VddH首先上升。ok_mbg和旁路501的默认设置为逻辑“0”，LDO 520最初以闭环模式(即，调节模式)操作。换言之，当LDO 520被上电时，旁路信号501最初被解除断言，并且LDO 520在默认情况下以调节模式操作。带隙电压vbg缓慢上升，并且在vbg之后以相似的缓慢上升来得出内部参考电压(即，来自V2IR 516的v1p23、v0p9和v0p74)。LDO 520的输出(即，vdd18)跟踪这三个参考，并且vdd18保持在来自输入vbg的1.8V。由于ok_mbg是由vdd18提供的Ok检测器518生成的，因此ok_mbg的电压电平跟踪vdd18。到ok_mbg达到逻辑“1”的阈值电压电平时，内部参考电压(即，1.23V的v1p23、0.9V的v0p9和0.74V的v0p74)上升并且准备就绪，并且因此，旁路比较器510开始检测VddH电压电平并且控制旁路信号501。在这点上，如果电源电压VddH为1.8V，则旁路信号501被断言，并且LDO 520的反馈节点(即，在图5A中输入晶体管521的栅极耦合到的节点)被拉至地，即0V，这断开了反馈环路并且将1.8V旁路到LDO 520的输出，即vdd18。另一方面，如果电源电压VddH为3.3V或5V，则旁路信号501被解除断言，并且LDO 520继续调节LDO 520的输出的1.8V，即vdd18。这种自动化可以解决将HV/1.8V设备用于需要上述高I/O电压(例如，3.3V或5V)的旧式客户设备的可靠性问题。
除了解决可靠性问题，LDO 520的架构还提供以下优点。首先，LDO 520的架构不限于三个外部电源电压。可以添加更多的阈值电压以检测更多的外部电源电压。此外，在某些实现中，外部电源电压范围可以更宽，例如2.1V-5V/1.8V，并且如果将低阈值设置为约0.59V并且LDO传输晶体管(例如，图5A中的晶体管526)的饱和电压Vdsat为300mV，则可以生成1.8V的内部电源。这为客户提供了更大的灵活性。此外，内部电源电压也很灵活，因为可以根据内部电路规格将其调节为大于或小于1.8V。
图7示出了操作图5A所示的LDO 520的一种示例性方法的流程图。该方法开始于框710，在框710中，LDO 520接收旁路信号(例如，图5A中的旁路信号501)。然后，该方法转移到框720，以确定旁路信号是否被断言。如果旁路信号被断言，则该方法转移到框730，在框730中，LDO 520中的反馈节点与输出电阻器之间的反馈开关(例如，反馈开关542)被断开。然后，该方法转移到框740，在框740中，将反馈节点拉至地以断开(或中断)LDO 520内的反馈环路。换言之，当旁路信号被断言时，LDO 520进入旁路模式。
如果在框720处确定旁路信号未被断言，则该方法转移到框750。在框750中，导通反馈开关以接通LDO 520中的反馈环路，以引起LDO 520生成经调节的输出电压，例如，经调节的的1.8V。换言之，当旁路信号被解除断言时，LDO 520进入调节模式。
提供了对本公开的先前描述以使得本领域任何技术人员能够制造或使用本公开。对本公开的各种修改对于本领域技术人员将是很清楚的，并且在不脱离本公开的精神或范围的情况下，本文中定义的一般原理可以应用于其他变型。因此，本公开不旨在限于本文中描述的示例，而是与符合本文中公开的原理和新颖性特征的最宽范围相一致。

Claims (16)

1.一种低压差稳压器(LDO)，包括：
第一电阻器，具有第一端子和第二端子；
传输晶体管，具有源极、栅极和漏极，用于输出电压Vout，所述源极耦合到电源电压，所述栅极耦合到运算跨导放大器(OTA)的输出，并且所述漏极耦合到所述第一电阻器的所述第一端子；
反馈开关，具有漏极、栅极和源极，所述漏极耦合到所述第一电阻器的所述第二端子，所述源极耦合到所述OTA的负输入；以及
下拉晶体管，具有漏极、栅极和源极，所述源极耦合到地，所述栅极耦合到所述反馈开关的所述栅极，并且所述漏极耦合到所述OTA的所述负输入，其中所述下拉晶体管的所述栅极和所述反馈开关的所述栅极被配置为接收旁路信号。
2.根据权利要求1所述的LDO，还包括：
第二电阻器，具有第一端子和第二端子，所述第二端子耦合到地，并且所述第一端子耦合到所述第一电阻器的所述第二端子。
3.根据权利要求1所述的LDO，其中当所述电源电压为1.8V时，所述旁路信号被断言。
4.根据权利要求3所述的LDO，其中当所述旁路信号被断言时，所述LDO进入旁路模式。
5.根据权利要求4所述的LDO，其中响应于所述旁路信号被断言，所述下拉晶体管将所述OTA的所述负输入拉至地。
6.根据权利要求1所述的LDO，其中当所述电源电压为3.3V或5.0V时，所述旁路信号被解除断言。
7.根据权利要求6所述的LDO，其中当所述旁路信号被解除断言时，所述LDO进入调节模式。
8.根据权利要求7所述的LDO，其中，响应于所述旁路信号被解除断言，所述反馈开关闭合以引起所述传输晶体管输出1.8V的经调节的电压。
9.根据权利要求1所述的LDO，其中所述电源电压在5V至1.8V的范围内。
10.根据权利要求1所述的LDO，其中所述反馈开关包括第一p型晶体管，所述下拉晶体管是n型晶体管，并且所述传输晶体管是第二p型晶体管。
11.一种操作根据权利要求1-10中任一项所述的低压差稳压器(LDO)的方法，包括：
响应于旁路信号被断言，
断开所述OTA的所述负输入与所述第一电阻器之间的所述反馈开关，以及
将所述OTA的所述负输入拉至地以断开所述LDO的反馈环路；以及
响应于所述旁路信号被解除断言，
闭合所述反馈开关以接通所述反馈环路以引起所述LDO在所述LDO的输出节点处生成经调节的输出电压。
12.根据权利要求11所述的方法，其中当所述反馈环路断开时，所述LDO以旁路模式操作。
13.根据权利要求11所述的方法，其中当所述反馈环路接通时，所述LDO以调节模式操作。
14.根据权利要求11所述的方法，还包括：
向所述LDO提供电源电压，其中当所述电源电压为1.8V时，所述旁路信号被断言，而当所述电源电压为3.3V或5V时，所述旁路信号被解除断言。
15.根据权利要求13所述的方法，还包括：
当对所述LDO上电时，在默认情况下将所述旁路信号解除断言。
16.根据权利要求13所述的方法，还包括：
使电源电压节点与所述LDO的所述输出节点之间的传输晶体管导通以输出所述电源电压作为所述输出电压。
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