具有電流緩沖以縮減補(bǔ)償電容器大小及提供寬范圍的外部電容器等效串聯(lián)電阻(esr)值 ...的制作方法
【專利說明】具有電流緩沖以縮減補(bǔ)償電容器大小及提供寬范圍的外部電容器等效串聯(lián)電阻(ESR)值的USB調(diào)節(jié)器
[0001]相關(guān)串請(qǐng)案的交叉參考
[0002]本申請(qǐng)案主張2013年3月14日申請(qǐng)的共同擁有的序列號(hào)為61/780，985的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)案的優(yōu)先權(quán)，為了所有目的，所述申請(qǐng)案特此以引用的方式并入本文中。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明涉及USB電壓調(diào)節(jié)器，且尤其涉及具有電流緩沖以縮減補(bǔ)償電容器大小且提供寬范圍的外部補(bǔ)償電容器等效串聯(lián)電阻(ESR)值的USB電壓調(diào)節(jié)器。
【背景技術(shù)】
[0004]USB電壓調(diào)節(jié)器以極低等效串聯(lián)電阻(ESR)值(例如，約10毫歐姆)操作。此ESR值不是非常準(zhǔn)確，因?yàn)樘沾呻娙萜髦圃焐毯苌僭谄鋽?shù)據(jù)表中指定ESR值。此外，精確值取決于外部電容器的額定大小/電壓設(shè)計(jì)，且可基于用戶連接拓?fù)?電路板布局及其上所使用的組件)變化，例如，并聯(lián)放置多個(gè)小電容器，借此減小ESR ;或使用薄/長(zhǎng)印刷電路板跡線以連接到電容器，借此增加銅跡線電阻ESR。通常，外部補(bǔ)償?shù)蛪航?LDO)電壓調(diào)節(jié)器使用大值外部電容器以獲得穩(wěn)定性及有限額定ESR范圍。歸因于取決于負(fù)載條件的ESR值的可變化零極點(diǎn)位置，ESR值將嚴(yán)重影響LDO電壓調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)。因此，為了使電壓調(diào)節(jié)器保持穩(wěn)定，具有USB界面的現(xiàn)有產(chǎn)品使用需要非常大外部電容器大小及ESR值的變動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)電壓調(diào)節(jié)器架構(gòu)。
[0005]參考圖1及1A，描繪展示不同ESR情境的各種頻率響應(yīng)圖。圖1 (a)展示期望正常頻率響應(yīng)。圖1(b)展示ESR太高的情境。圖1A(C)展示ESR太低的情境。及圖lA(d)展示導(dǎo)致可怕的“死亡隧道”的ESR。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]因此，需要顯著地改進(jìn)具有小到大ESR值的外部電容器的范圍且縮減內(nèi)部補(bǔ)償電容值的大小以穩(wěn)定相關(guān)聯(lián)電壓調(diào)節(jié)器，尤其是低壓降(LDO)電壓調(diào)節(jié)器。
[0007]根據(jù)實(shí)施例，電壓調(diào)節(jié)器可包括:運(yùn)算放大器；gm加強(qiáng)電流緩沖驅(qū)動(dòng)器；輸出功率驅(qū)動(dòng)器，其中電流緩沖驅(qū)動(dòng)器可耦合在運(yùn)算放大器與輸出功率驅(qū)動(dòng)器之間；電流反饋電路，其耦合在輸出功率驅(qū)動(dòng)器與電流緩沖驅(qū)動(dòng)器之間；及反饋環(huán)路，其耦合在輸出功率驅(qū)動(dòng)器與運(yùn)算放大器之間。
[0008]根據(jù)另一實(shí)施例，gm升壓電路可耦合到電流緩沖驅(qū)動(dòng)器。根據(jù)另一實(shí)施例，gm升壓電路增加電流緩沖驅(qū)動(dòng)器輸入阻抗。根據(jù)另一實(shí)施例，gm升壓電路使電流緩沖驅(qū)動(dòng)器能夠具有大gm值。根據(jù)另一實(shí)施例，偏置電路可耦合到電流緩沖驅(qū)動(dòng)器以為電流緩沖驅(qū)動(dòng)器的gm升壓設(shè)定偏置比率。根據(jù)另一實(shí)施例，可提供啟用/停用功能以啟用/停用偏置電路以縮減維持電流。根據(jù)另一實(shí)施例，補(bǔ)償電容器可耦合在輸出功率驅(qū)動(dòng)器與運(yùn)算放大器的共源共柵節(jié)點(diǎn)之間。根據(jù)另一實(shí)施例，電壓調(diào)節(jié)器可為低壓降(LDO)電壓調(diào)節(jié)器。根據(jù)另一實(shí)施例，運(yùn)算放大器可具有適于耦合到參考電壓的第一輸入，及耦合到反饋環(huán)路的第二輸入。根據(jù)另一實(shí)施例，運(yùn)算放大器可為低增益且高帶寬放大器。根據(jù)另一實(shí)施例，低增益且高帶寬放大器可為折疊式共源共柵放大器。根據(jù)另一實(shí)施例，運(yùn)算放大器可包括用于降低折疊式共源共柵放大器的輸出阻抗的二極管連接PMOS晶體管。根據(jù)另一實(shí)施例，電流緩沖驅(qū)動(dòng)器可為運(yùn)算跨導(dǎo)放大器(OTA)。
[0009]根據(jù)另一實(shí)施例，電流反饋電路可感測(cè)在輸出功率驅(qū)動(dòng)器處的電流改變。根據(jù)另一實(shí)施例，電流反饋電路可提供瞬態(tài)加強(qiáng)以實(shí)現(xiàn)經(jīng)改進(jìn)的負(fù)載調(diào)節(jié)。根據(jù)另一實(shí)施例，電流反饋電路可自輸出電壓節(jié)點(diǎn)提供反饋電壓。根據(jù)另一實(shí)施例，電流緩沖驅(qū)動(dòng)器可具有低輸出阻抗。根據(jù)另一實(shí)施例，可提供在偏置電路中的電容器以用于改進(jìn)偏置電路的抗噪聲度。根據(jù)另一實(shí)施例，電壓調(diào)節(jié)器可為USB電壓調(diào)節(jié)器。根據(jù)另一實(shí)施例，電流緩沖驅(qū)動(dòng)器可具有低輸入阻抗，且可提供可實(shí)質(zhì)上不影響電壓調(diào)節(jié)器主要極點(diǎn)的高頻率極點(diǎn)。
【附圖說明】
[0010]可通過參考結(jié)合附圖理解的以下描述獲取本發(fā)明的更完全理解，在圖中:
[0011]圖1及IA說明展示不同ESR情境的各種頻率響應(yīng)圖；
[0012]圖2說明根據(jù)本發(fā)明的特定實(shí)例實(shí)施例的USB電壓調(diào)節(jié)器的示意框圖；
[0013]圖3、3A及3B組合說明根據(jù)本發(fā)明的特定實(shí)施例具有偏置、gm升壓、電流驅(qū)動(dòng)器及電流反饋電路的折疊式共源共柵放大器的示意圖；及
[0014]圖4及5說明根據(jù)本發(fā)明的教示的瞬態(tài)及調(diào)節(jié)響應(yīng)曲線。
[0015]盡管本發(fā)明易于具有各種修改及替代形式，在圖示中展示且本文詳細(xì)描述本發(fā)明的特定實(shí)例實(shí)施例。然而，應(yīng)理解，本文對(duì)特定實(shí)例實(shí)施例的描述并不希望將本發(fā)明限于本文所揭示的特定形式，而是相反，本發(fā)明將涵蓋如由所附權(quán)利要求書所界定的所有修改及等效物。
【具體實(shí)施方式】
[0016]在典型低壓降調(diào)節(jié)器(LDO)設(shè)計(jì)中，輸出負(fù)載并非始終恒定。隨著負(fù)載改變，輸出處的極點(diǎn)位置自相對(duì)高頻率(全負(fù)載，例如，>30mA)變化到非常低頻率(無負(fù)載或非常低負(fù)載，例如，〈ΙΟΟμΑ)，從而歸因于大的功率PMOS晶體管大小而導(dǎo)致難以分離輸出極點(diǎn)與柵極極點(diǎn)。歸因于負(fù)載電流的大轉(zhuǎn)變范圍(通常從非常低(小于250 μ Α)到非常大(約60mA))，USB調(diào)節(jié)器具有作為輸出驅(qū)動(dòng)器的非常大的功率PMOS晶體管。歸因于此獨(dú)特應(yīng)用，很難實(shí)現(xiàn)SoC(系統(tǒng)單晶片)設(shè)計(jì)(無電容器架構(gòu))。USB LDO電壓調(diào)節(jié)器應(yīng)用需要外部電容器。外部電容器可具有自幾毫歐姆到幾十歐姆的范圍內(nèi)的非常不同ESR(等效串聯(lián)電阻)值，引起輸出極零點(diǎn)位置劇烈偏移。因此，當(dāng)在(例如但不限于)USB LDO電壓調(diào)節(jié)器中使用外部電容器時(shí)，需要將最后一級(jí)PMOS功率晶體管的柵極極點(diǎn)推到較高頻率。
[0017]根據(jù)各種實(shí)施例，一種電壓調(diào)節(jié)器可包括在第一級(jí)運(yùn)算放大器(OpAmp)與最后一級(jí)功率晶體管(例如，P溝道金屬氧化物半導(dǎo)體(PMOS)晶體管)之間添加的大gm(跨導(dǎo))電流驅(qū)動(dòng)器(低阻抗電流緩沖放大器)。此電流緩沖允許最大內(nèi)部補(bǔ)償電容顯著縮減到約
3.7微微法拉，且允許外部負(fù)載電容的工作范圍自約0.4微法拉到約4.7微法拉。此外，根據(jù)本發(fā)明的教示，電流緩沖給電路設(shè)計(jì)者提供更寬范圍的可選擇外部電容器大小。本文所描述及主張的電流緩沖補(bǔ)償電路允許縮減的外部電容器大小，從而增加整體電路板布局效率及電容器選擇靈活性。此外，根據(jù)各種實(shí)施例，電壓調(diào)節(jié)器(例如，USB電壓調(diào)節(jié)器)可通過根據(jù)本發(fā)明的教示(例如但不限于)使用低壓降(LDO)電壓調(diào)節(jié)器電路設(shè)計(jì)消耗更少電力。
[0018]根據(jù)各種實(shí)施例，可通過充分分離電壓調(diào)節(jié)器電路內(nèi)的極點(diǎn)以建立近似單極點(diǎn)系統(tǒng)來處置ESR的各種值。參考圖2，描繪根據(jù)本發(fā)明的特定實(shí)例實(shí)施例的電壓調(diào)節(jié)器的示意框圖。調(diào)節(jié)器可包括低增益運(yùn)算放大器(OpAmp) 202、低阻抗電流緩沖驅(qū)動(dòng)器204及功率輸出驅(qū)動(dòng)器206，例如，PM0S。能夠使用較小值的內(nèi)部及外部電容的關(guān)鍵在于第一級(jí)運(yùn)算放大器202與最后一級(jí)功率輸出驅(qū)動(dòng)器206之間具有大gm電流驅(qū)動(dòng)器緩沖放大器204。圖2的電壓調(diào)節(jié)器可進(jìn)一步包括偏置電路208、電流反饋210、反饋環(huán)路212、補(bǔ)償電容器214及gm升壓電路218。此電壓調(diào)節(jié)器可將電力(電壓及電流)供應(yīng)到外部負(fù)載及電容器216，且可進(jìn)一步用作USB電壓調(diào)節(jié)器。
[0019]運(yùn)算放大器202作為折疊式共源共柵配置的實(shí)施是歸因于其獨(dú)特架構(gòu)，所述架構(gòu)導(dǎo)致在輸出處的單一極點(diǎn)，此最小化其補(bǔ)償?shù)膹?fù)雜性。電流緩沖驅(qū)動(dòng)器204的作用如同連接在運(yùn)算放大器202與輸出驅(qū)動(dòng)器206之間的低阻抗驅(qū)動(dòng)器。因?yàn)樵陔娏?yīng)操作期間輸出驅(qū)動(dòng)器206可提供非常大量切換電流，所以歸因于驅(qū)動(dòng)器的大小，柵極電容顯著地高，借此導(dǎo)致在相對(duì)低頻率產(chǎn)生極點(diǎn)。因此，電流緩沖驅(qū)動(dòng)器204歸因于其低阻抗特性而將此極點(diǎn)推到超過單位增益頻率的高頻率以得到極點(diǎn)分離效果。為了實(shí)現(xiàn)此目的，有必要提供電流緩沖驅(qū)動(dòng)器204的相當(dāng)大gm值。gm升壓電路218可提供gm升壓技術(shù)，所述技術(shù)將在可感測(cè)輸出驅(qū)動(dòng)器206的輸出處的電流改變的電流反饋210的幫助下增加電流緩沖驅(qū)動(dòng)器204的阻抗值。電流反饋210也可起到像在(例如，但不限于)USB電力供應(yīng)操作期間將幫助調(diào)節(jié)器的負(fù)載調(diào)節(jié)的瞬態(tài)加強(qiáng)電路一樣的作用。
[0020]輸入級(jí)運(yùn)算放大器202可為低增益、高帶寬