本公開涉及電壓調(diào)節(jié)器的領(lǐng)域，且更具體而言，涉及一種能夠在低功耗待機(jī)模式和降壓模式中操作的電壓調(diào)節(jié)器。

背景技術(shù)：

降壓調(diào)節(jié)器是一種開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器，其將未調(diào)節(jié)的輸入電壓轉(zhuǎn)換成較低的經(jīng)調(diào)節(jié)的輸出電壓。電壓調(diào)節(jié)器所消耗的電流可以被分成兩部分，即提供給負(fù)載的功率和提供給降壓調(diào)節(jié)器本身的功率。

在正常操作中，當(dāng)負(fù)載所需的電流處于某個(gè)范圍內(nèi)時(shí)，調(diào)節(jié)器可以保持高轉(zhuǎn)換效率，因?yàn)樘峁┙o負(fù)載的功率遠(yuǎn)高于提供給降壓調(diào)節(jié)器本身的功率。當(dāng)負(fù)載所需的電流較低或甚至為零時(shí)，轉(zhuǎn)換效率低得多，因?yàn)閺碾娫刺峁┑墓β手械拇蟛糠直惶峁┙o降壓調(diào)節(jié)器本身。

出于對(duì)當(dāng)負(fù)載所需的電流較低時(shí)提高降壓調(diào)節(jié)器的效率的考慮，期望在降壓調(diào)節(jié)器的領(lǐng)域中有進(jìn)一步的進(jìn)展。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

提供本概述以引入以下在具體實(shí)施方式中進(jìn)一步描述的概念選擇。本概述并非旨在指出所要保護(hù)的主題的關(guān)鍵點(diǎn)或必要特征，也不旨在用于輔助限制所要保護(hù)的主題的范圍。

本文所公開的電子器件包括：線性輸出級(jí)，被配置成根據(jù)輸入電壓生成至輸出節(jié)點(diǎn)的輸出電壓；降壓輸出級(jí)，被配置成根據(jù)輸入電壓生成至輸出節(jié)點(diǎn)的輸出電壓?？刂齐娐繁慌渲贸桑喝绻?fù)載用于將所述輸出電壓維持在期望電平處所需的電流小于限制電流，則啟用所述線性輸出級(jí)且禁用所述降壓輸出級(jí)；以及如果負(fù)載用于將 輸出電壓維持在期望電平處所需的電流大于限制電流，則啟用所述降壓輸出級(jí)且在啟用所述降壓輸出級(jí)之后的延遲時(shí)間段處禁用所述線性輸出級(jí)。

本文還公開了一種電子器件包括：誤差放大器，被配置成根據(jù)參考電壓和來自反饋節(jié)點(diǎn)的反饋電壓來生成誤差節(jié)點(diǎn)上的誤差電壓；以及線性輸出級(jí)，被配置成按照使得流過輸出節(jié)點(diǎn)的輸出電流不大于限制電流的方式，根據(jù)來自輸入節(jié)點(diǎn)的輸入電壓生成至輸出節(jié)點(diǎn)的輸出電壓。降壓輸出級(jí)被配置成按照使得流過輸出節(jié)點(diǎn)的輸出電流大于限制電流的方式，根據(jù)所述輸入電壓生成至輸出節(jié)點(diǎn)的輸出電壓。反饋回路將所述輸出節(jié)點(diǎn)耦合到所述反饋節(jié)點(diǎn)，以及控制電路被配置成：根據(jù)所述誤差電壓來選擇性地啟用和禁用所述線性輸出級(jí)和所述降壓輸出級(jí)，所述降壓輸出級(jí)的選擇性啟用在所述線性輸出級(jí)的選擇性禁用之前的延遲時(shí)間段處出現(xiàn)。

方法方面涉及一種方法，包括：生成限制電流；以及如果負(fù)載用于將較低輸出電壓維持在期望電平處所需的電流不大于限制電流，則使用線性輸出級(jí)將較高輸入電壓轉(zhuǎn)換成較低輸出電壓。所述方法還包括：如果負(fù)載用于將所述較低輸出電壓維持在期望電平處所需的電流大于所述限制電流，則在延遲時(shí)間段內(nèi)使用降壓輸出級(jí)和線性輸出級(jí)并且在所述延遲時(shí)間段之后使用所述降壓輸出級(jí)，來將較高輸入電壓轉(zhuǎn)換成較低輸出電壓。

附圖說明

圖1是根據(jù)本公開的能夠在降壓模式和低功耗待機(jī)模式中操作的調(diào)節(jié)器的示意性框圖。

圖2是圖1的調(diào)節(jié)器的更詳細(xì)示意圖。

具體實(shí)施方式

在以下的描述中，闡述多種細(xì)節(jié)以提供對(duì)本公開的理解。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員將明白的是，本公開的實(shí)施例可以在沒有這些細(xì)節(jié) 的情況下進(jìn)行實(shí)施，并且從所描述的實(shí)施例進(jìn)行的多種變型或修改可以是可行的。

總體而言，這里公開的是一種能夠在降壓模式以及低功率待機(jī)模式中操作的電壓調(diào)節(jié)器。為此，向降壓調(diào)節(jié)器添加限制電流的線性輸出級(jí)，以當(dāng)負(fù)載需求電流低時(shí)在處于待機(jī)模式的同時(shí)在輸入和輸出之間傳導(dǎo)功率。同時(shí)，禁用在待機(jī)模式中無用的降壓輸出級(jí)，以節(jié)省功率。降壓調(diào)節(jié)器本身的誤差放大器在低功率模式期間控制線性輸出級(jí)。因而，電壓調(diào)節(jié)器當(dāng)處于低功率模式時(shí)作為線性調(diào)節(jié)器工作并且當(dāng)處于正常操作模式時(shí)作為降壓調(diào)節(jié)器工作。在誤差放大器的輸出和線性輸出級(jí)的輸入之間添加偏移電壓，以助于在線性模式和降壓模式之間進(jìn)行切換。使用控制電路來確定將啟用電壓調(diào)節(jié)器的哪個(gè)部分。

更具體而言，在圖1中示出了電壓調(diào)節(jié)器100。電壓調(diào)節(jié)器100包括誤差放大器102，誤差放大器102接收參考電壓vref和反饋電壓vfb作為輸入并且生成至節(jié)點(diǎn)vc的誤差電壓vc。誤差放大器102具有被耦合至電源電壓vcc和接地的供電端子。補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)104被耦合在節(jié)點(diǎn)vc和接地之間。補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)104包括串聯(lián)耦合的電阻器r0和電容器c0，該串聯(lián)耦合的電阻器r0和電容器c0在節(jié)點(diǎn)vc和接地之間與電容器c1并聯(lián)耦合。

節(jié)點(diǎn)vc直接耦合到控制電路107、降壓輸出級(jí)120并且通過偏移生成器voffset而耦合到線性輸出級(jí)106。控制電路107向線性輸出級(jí)106和降壓調(diào)節(jié)器120二者提供輸出。線性輸出級(jí)106向輸出節(jié)點(diǎn)vout提供輸出，而降壓調(diào)節(jié)器120向電感器l1提供輸出，電感器l1耦合到輸出節(jié)點(diǎn)vout。二極管d1的陰極耦合到電感器l1的第一端子，并且二極管d1的陽極耦合至接地。如果所示降壓架構(gòu)使用異步整流技術(shù)，則二極管d1是降壓架構(gòu)的續(xù)流二極管。如果所示降壓架構(gòu)使用同步整流技術(shù)，則二極管d1可以由低側(cè)開關(guān)取代。

串聯(lián)耦合的電阻器r1和r2被耦合在電感器l1的第二端子與接 地之間。負(fù)載電容器或輸出濾波器電容器cload被耦合在輸出節(jié)點(diǎn)vout與接地之間，并且負(fù)載130被耦合在輸出節(jié)點(diǎn)vout與接地之間。

在操作中，誤差放大器102根據(jù)參考電壓vref和反饋電壓vfb之間的差別來生成誤差節(jié)點(diǎn)vc上的誤差電壓vc。反饋電壓vfb是由分壓器在節(jié)點(diǎn)vfb處所分出的輸出電壓vout的電壓，該分壓器由被耦合在輸出節(jié)點(diǎn)vout與接地之間的電阻器r1和r2形成。補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)104提供環(huán)路穩(wěn)定性。

控制電路107根據(jù)誤差電壓vc來選擇性地啟用和禁用線性輸出級(jí)106和降壓輸出級(jí)120。更具體地，當(dāng)調(diào)節(jié)器在待機(jī)模式中操作時(shí)，如果所生成的誤差電壓vc在至少閾值時(shí)間段內(nèi)低于閾值電壓，則控制電路107則啟用線性輸出級(jí)106并禁用降壓輸出級(jí)120。當(dāng)調(diào)節(jié)器在正常操作模式中操作時(shí)，如果誤差電壓vc不低于閾值電壓，則控制電路107則禁用線性輸出級(jí)106并啟用降壓輸出級(jí)120。

線性輸出級(jí)106當(dāng)被啟用時(shí)，按照使得流過輸出節(jié)點(diǎn)vout的輸出電流不大于限制電流的方式，根據(jù)輸入電壓vin來生成輸出電壓vout。限制電流在例如10ma量級(jí)上。相反，降壓輸出級(jí)120當(dāng)被啟用時(shí)，被配置為按照使得流過輸出節(jié)點(diǎn)vout的輸出電流大于限制電流的方式，根據(jù)輸入電壓vin來生成輸出電壓vout。

因此，換言之，如果負(fù)載130為了將輸出電壓vout維持在期望電平處所需的電流不大于限制電流，則控制電路107啟用線性輸出級(jí)106并禁用降壓輸出級(jí)120，并且如果負(fù)載130為了將輸出電壓vout維持在期望電平處所需的電流大于限制電流，則控制電路107禁用線性輸出級(jí)106并啟用降壓輸出級(jí)120。

除了當(dāng)在正常操作模式中操作時(shí)的功耗減小之外，由于限制電流，線性輸出級(jí)106的功率晶體管可以較小，也節(jié)省了硅面積。

參照?qǐng)D2，將給出電壓調(diào)節(jié)器100的更多細(xì)節(jié)。具體而言，控制電路107包括被耦合到節(jié)點(diǎn)ov的電流生成器iov。晶體管m5的漏極被耦合到節(jié)點(diǎn)ov，源極通過電阻器r3被耦合至接地，柵極被耦 合至節(jié)點(diǎn)vc。第一延遲模塊108具有被耦合到節(jié)點(diǎn)ov的輸入和被耦合到nand門110的第二輸入的輸出。nand門110的第一輸入也被耦合到節(jié)點(diǎn)ov。nand門110的輸出被耦合到第二延遲模塊114的輸入，該第二延遲模塊114的輸出又被耦合到nand門112的第二輸入。nand門112的第一輸入被耦合到nand門110的輸出，并且nand門112的輸出被耦合到線性輸出級(jí)106。

更具體而言，線性輸出級(jí)106包括限制電流生成器ilim。晶體管m4的源極耦合到限制電流生成器ilim，漏極耦合到節(jié)點(diǎn)n2，柵極耦合到nand門112的輸出。晶體管m3的源極耦合到節(jié)點(diǎn)n2，漏極耦合到節(jié)點(diǎn)n1，控制端子通過偏移生成器voffset耦合到節(jié)點(diǎn)vc。

具有1:m比率的由晶體管m0和m1形成的電流鏡對(duì)的輸入被耦合到n1并且其輸出被耦合到輸出節(jié)點(diǎn)vout。具體地，晶體管m0和m1的源極耦合到輸入節(jié)點(diǎn)vin，柵極彼此耦合并且耦合到節(jié)點(diǎn)n1。晶體管m0的漏極形成至電流鏡的輸入并且耦合到節(jié)點(diǎn)n1，而晶體管m1的漏極形成電流鏡的輸出并且耦合到輸出節(jié)點(diǎn)vout。

降壓輸出級(jí)120包括晶體管m6，晶體管m6的源極通過電阻器r4耦合至接地，漏極耦合至節(jié)點(diǎn)n3，柵極耦合至節(jié)點(diǎn)vc。電阻器rref被耦合在節(jié)點(diǎn)n3和輸入節(jié)點(diǎn)vin之間。比較器122具有被耦合到節(jié)點(diǎn)n3的反向輸入以及被耦合到節(jié)點(diǎn)n4的非反向輸入。

觸發(fā)器126具有通過反相器124被耦合到節(jié)點(diǎn)ov的d輸入、被耦合到時(shí)鐘信號(hào)clk的時(shí)鐘輸入cp以及被耦合到比較器122的輸出的歸零輸入cd。觸發(fā)器126的q輸出被耦合到驅(qū)動(dòng)器128，該驅(qū)動(dòng)器128又被耦合到晶體管m2的柵極。晶體管m2的漏極被耦合到節(jié)點(diǎn)n4并且源極被耦合到節(jié)點(diǎn)n5。電阻器rsense被耦合在節(jié)點(diǎn)n4與輸入節(jié)點(diǎn)vin之間。

在操作中，晶體管m5和電阻器r3用于檢測vc處的電壓。如果誤差電壓vc高于閾值電壓，則節(jié)點(diǎn)ov處的電壓vov在邏輯低處生成。如果誤差電壓vc低于閾值電壓，則節(jié)點(diǎn)ov處的電壓vov 在邏輯高處生成。閾值電壓根據(jù)晶體管m5、電阻器r3和電流源iov而確定。

如果輸出電壓vout高于電壓調(diào)節(jié)器的目標(biāo)電壓，則反饋電壓vfb經(jīng)由誤差放大器102最終導(dǎo)致誤差電壓vc被驅(qū)動(dòng)為低。如果誤差電壓vc低于閾值電壓，則將節(jié)點(diǎn)ov處的電壓vov生成為邏輯高以指示輸出電壓vout處于過電壓狀態(tài)。這發(fā)生在穿過負(fù)載130的電流降低至某個(gè)值時(shí)。

如前面說明的，節(jié)點(diǎn)ov通過反相器124連接到d觸發(fā)器126的d輸入，并且時(shí)鐘信號(hào)clk連接到d觸發(fā)器126的時(shí)鐘輸入cp。clk的上升沿將觸發(fā)器126的輸入d傳送至其q輸出。觸發(fā)器126的輸出用作晶體管m2的啟用信號(hào)。驅(qū)動(dòng)器128驅(qū)動(dòng)晶體管m2，因?yàn)榫w管m2的尺寸大，從而操控高電流。

因而，節(jié)點(diǎn)ov處的信號(hào)被用于確定晶體管m2是否在clk信號(hào)的進(jìn)來的上升沿處導(dǎo)通。如果輸出電壓vout低于目標(biāo)電壓，則晶體管m2導(dǎo)通，由此向負(fù)載130傳導(dǎo)功率。如果輸出電壓vout高于目標(biāo)電壓，則晶體管m2不被導(dǎo)通。如果負(fù)載130從重負(fù)載變?yōu)檩p負(fù)載，則輸出電壓vout將暫時(shí)高于目標(biāo)電壓。在該時(shí)間段期間，節(jié)點(diǎn)ov處的信號(hào)處于邏輯高?？刂齐娐?07使用該信號(hào)確定是否將啟用線性輸出級(jí)106以及是否將禁用降壓輸出級(jí)120。

通過晶體管m6和電阻器r4從誤差電壓vc生成參考電流，以設(shè)置用于降壓輸出級(jí)120的電流反饋的峰值電流檢測的參考電流。該參考電流流過電阻器rref以生成參考電壓。晶體管m2是降壓輸出級(jí)120的高側(cè)開關(guān)，并且電阻器rsense感測晶體管m2中的電流。比較器122比較跨rsense的電壓與vref，以確定在晶體管m2導(dǎo)通之后在每個(gè)時(shí)鐘周期中哪個(gè)較低。如果vref較高，則比較器122的輸出生成pwm重置信號(hào)，以將觸發(fā)器126重置并且使晶體管m2截止。如果節(jié)點(diǎn)ov處的電壓vov較低，則觸發(fā)器126的d輸出為高。然后，在每個(gè)時(shí)鐘周期處，觸發(fā)器126的輸出通過時(shí)鐘信號(hào)clk的上升沿被觸發(fā)為高，并且因而晶體管m2導(dǎo)通并且電流流過電阻器 rsense。在同一時(shí)鐘周期內(nèi)，如果跨rsense的電壓低于vref，則比較器122的輸出將觸發(fā)器126重置為低，以使晶體管m2截止。

在電壓調(diào)節(jié)器100的正常操作期間，當(dāng)穿過負(fù)載130的電流穩(wěn)定時(shí)，誤差電壓vc生成電阻器rref上的對(duì)應(yīng)參考電流。選擇晶體管m5的尺寸、電阻器r3的電阻以及電流源iov的比率，使得能夠檢測電壓調(diào)節(jié)器100的過電壓行為。如果穿過負(fù)載130的電流低，則降壓輸出級(jí)120工作在其中晶體管m2每若干時(shí)鐘周期就導(dǎo)通的模式中。因而，在ov處的電壓vov對(duì)于若干時(shí)鐘周期為高。然后，如果在ov處的信號(hào)對(duì)于第一延遲時(shí)間保持高，則穿過負(fù)載130的電流低到足以由線性輸出級(jí)106供給。然后，晶體管m4導(dǎo)通，從而接通線性輸出級(jí)106。同時(shí)，降壓輸出級(jí)120被禁用以節(jié)省功率。這發(fā)生是因?yàn)榉聪嗥?24對(duì)電壓vov的反向。因而，電壓調(diào)節(jié)器100然后在低功率待機(jī)模式中操作。

如果穿過負(fù)載130的電流增加使得高于線性輸出級(jí)106的限制電流ilim，則線性輸出級(jí)106無法適當(dāng)?shù)叵蜇?fù)載130供電，并且輸出電壓vout下降。作為vref和vfb之間的差別的結(jié)果，誤差放大器102因而將誤差電壓vc驅(qū)動(dòng)得更高。節(jié)點(diǎn)ov處的電壓vov然后通過晶體管m5和電阻器r3被驅(qū)動(dòng)為低。降壓輸出級(jí)120然后被啟用以向負(fù)載130供電。

線性輸出級(jí)106和降壓輸出級(jí)130然后一起工作第二延遲時(shí)間。選擇voffset的電壓voffset以確保晶體管m3在此時(shí)充分導(dǎo)通，從而確保線性輸出級(jí)106工作以供給其最大輸出電流，其中降壓輸出級(jí)120根據(jù)需要向負(fù)載130供給額外電流。在第二延遲時(shí)間之后，晶體管m4截止，從而使線性輸出級(jí)106關(guān)斷。當(dāng)晶體管m4截止時(shí)，晶體管m1的輸出電流被切斷。線性輸出級(jí)106因此然后被禁用。結(jié)果，降壓輸出級(jí)120然后單獨(dú)工作以對(duì)負(fù)載130供電。

關(guān)于限制電流ilim，如果晶體管m4導(dǎo)通，則晶體管m1的最大輸出電流被限制為ilim*m。然后晶體管m1的輸出電流由晶體管m3的柵極電壓控制，晶體管m3的柵極電壓由誤差電壓vc控制。vc 是vref與vfb之間的誤差電壓的放大值。所以，當(dāng)晶體管m4導(dǎo)通時(shí)，線性輸出級(jí)106的輸出電流由具有被限制為ilim*m的最大電流的環(huán)路所控制。

電壓調(diào)節(jié)器100的設(shè)計(jì)提供各種優(yōu)勢(shì)。首先，在低功率待機(jī)模式期間電壓調(diào)節(jié)器100的靜態(tài)電流非常低。而且，由于在低功率待機(jī)模式期間輸出電壓vout通過線性輸出級(jí)106被調(diào)節(jié)，在電壓調(diào)節(jié)器100的輸出節(jié)點(diǎn)vout處幾乎沒有波紋電壓。被添加到正常降壓調(diào)節(jié)器的組件數(shù)目并不大，因而并未過大地增加硅的尺寸來實(shí)現(xiàn)低功率待機(jī)模式。

盡管這里參照特定方式、材料和實(shí)施例已經(jīng)進(jìn)行了之前的描述，但是并不旨在限于這里公開的具體實(shí)施方式；而是擴(kuò)展到諸如在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)的所有功能上等同的結(jié)構(gòu)、方法和使用。