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TWI678061B - 數位線性調節器與功率金屬氧化物半導體陣列 - Google Patents

數位線性調節器與功率金屬氧化物半導體陣列 Download PDF

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TWI678061B
TWI678061B TW107136551A TW107136551A TWI678061B TW I678061 B TWI678061 B TW I678061B TW 107136551 A TW107136551 A TW 107136551A TW 107136551 A TW107136551 A TW 107136551A TW I678061 B TWI678061 B TW I678061B
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張凱璿
Kai-Syuan Chang
蔡建泓
Chien-Hung Tsai
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財團法人成大研究發展基金會
Ncku Research And Development Foundation
奇景光電股份有限公司
Himax Technologies Limited
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Abstract

一種適用於數位線性調節器的功率金屬氧化物半導體陣列，包含複數金屬氧化物半導體電路，每一金屬氧化物半導體電路包含第一金屬氧化物半導體電晶體與第二金屬氧化物半導體電晶體，其電性串聯於電源與數位線性調節器的輸出節點之間。第一金屬氧化物半導體電晶體作為電流源，受控於輸出節點的輸出電壓。

Description

數位線性調節器與功率金屬氧化物半導體陣列
本發明係有關一種線性調節器，特別是關於一種具動態電流源功率金屬氧化物半導體(MOS)陣列的數位線性調節器。
線性電壓調節器，例如低壓降(low-dropout)調節器為一種直流線性電壓調節器，可適用以調節輸出電壓。由於其尺寸小且設計簡單，因此普遍應用於單晶片系統(system on chip)以提供個別電壓。數位線性調節器由於其低壓操作，因此較佳應用於現代系統。
傳統數位線性調節器於非穩定的暫態(例如過衝(overshoot)或下衝(undershoot)電壓)時，由於其須等待下一時脈週期或/且類比至數位轉換(ADC)的轉換時間，因此回復較慢或消耗較大功率。一些數位線性調節器雖然具有改良的暫態回復或較小功耗，然而數位線性調節器會干擾相同接地的其他電路。
因此亟需提出一種新穎的數位線性調節器，以克服傳統數位線性調節器的缺失。
鑑於上述，本發明實施例的目的之一在於提出一種具動態電流源功率金屬氧化物半導體(MOS)陣列的數位線性調節器。
根據本發明實施例，適用於數位線性調節器的功率金屬氧化物半導體陣列包含複數金屬氧化物半導體電路。每一金屬氧化物半導體電路包含第一金屬氧化物半導體電晶體與第二金屬氧化物半導體電晶體，其電性串聯於電源與數位線性調節器的輸出節點之間。其中第一金屬氧化物半導體電晶體作為電流源，受控於輸出節點的輸出電壓。
第一A圖顯示本發明實施例之具動態電流源功率金屬氧化物半導體(MOS)陣列的數位線性調節器(regulator)100的方塊圖，第一B圖例示部分第一A圖的細部方塊圖。本實施例之數位線性調節器100可適用於單晶片系統(system on chip)以提供個別電壓。
在本實施例中，數位線性調節器100可包含微調迴路(fine-loop)控制器11及微調功率金屬氧化物半導體陣列(以下簡稱微調功率陣列)12。於穩態(steady state)，數位線性調節器100的調節輸出電壓Vout為穩定的，微調迴路控制器11可開啟微調功率陣列12，其包含有複數微調功率金屬氧化物半導體電晶體，以產生輸出電壓Vout。負載10連接於輸出電壓Vout與地之間，以接收輸出電壓Vout。
數位線性調節器100可包含粗調迴路(coarse-loop)控制器13及粗調功率金屬氧化物半導體陣列(以下簡稱粗調功率陣列)14。於暫態(transient state或不穩態)，數位線性調節器100的調節輸出電壓Vout為不穩定的，粗調迴路控制器13可開啟粗調功率陣列14，其包含有複數粗調功率金屬氧化物半導體電晶體，以產生輸出電壓Vout。一般來說，粗調功率陣列14的粗調功率金屬氧化物半導體電晶體之尺寸大於微調功率陣列12的微調功率金屬氧化物半導體電晶體。
本實施例之數位線性調節器100可包含類比至數位轉換器(ADC)暨狀態電路15，用以進行類比至數位轉換，且根據輸出電壓Vout以決定數位線性調節器100的目前狀態(亦即穩態或暫態)。
本實施例之類比至數位轉換器暨狀態電路15可包含比較器151，其接收數位線性調節器100的輸出電壓Vout與(預設)參考電壓Vref，據以產生比較信號V comp。類比至數位轉換器暨狀態電路15可包含類比至數位轉換器(ADC)152，用以產生(數位)類比至數位轉換輸出，其為輸出電壓Vout與參考電壓Vref的差值。類比至數位轉換器暨狀態電路15可包含狀態電路153，其根據類比至數位轉換輸出以產生事件信號ENT，以代表目前狀態。
本實施例之微調迴路控制器11主要包含微調迴路移位暫存器111，其接收比較信號V comp，據以產生微調移位輸出F。微調迴路移位暫存器111可包含串聯的正反器(flip flop)(未顯示於圖式)，受控於第一時脈信號CLK_f。根據本實施例的特徵之一，微調迴路移位暫存器111可被事件信號ENT開啟，於穩態期間可節省功率。當事件信號ENT為非主動(de-asserted)時，表示輸出電壓Vout為穩定的穩態，則開啟微調迴路移位暫存器111。
本實施例之粗調迴路控制器13主要包含粗調迴路移位暫存器131，其接收比較信號V comp，據以產生粗調移位輸出C。粗調迴路移位暫存器131可接收類比至數位轉換輸出以加速位移。粗調迴路移位暫存器131可包含串聯的正反器(flip flop)(未顯示於圖式)，受控於第二時脈信號CLK_c，其快於第一時脈信號CLK_f。根據本實施例的另一特徵，粗調迴路移位暫存器131可被事件信號ENT關閉，於穩態期間可節省功率。當事件信號ENT為主動(asserted)時，表示輸出電壓Vout為不穩定的暫態，則開啟粗調迴路移位暫存器131。另一方面，當事件信號ENT為非主動(de-asserted)時，表示輸出電壓Vout為穩定的穩態，則關閉粗調迴路移位暫存器131。
第二A圖顯示第一A圖之微調功率陣列12的電路圖。微調功率陣列12(自微調迴路移位暫存器111)接收微調移位輸出F，據以產生輸出電壓Vout。在本實施例中，微調功率陣列12可包含複數併聯的金屬氧化物半導體電晶體M0，例如P型金屬氧化物半導體電晶體(PMOS)，其源極分別電性連接至電源Vdd，其汲極分別電性連接至輸出節點，其提供輸出電壓Vout。金屬氧化物半導體電晶體M0的閘極分別電性連接微調移位輸出F的位元。
第二B圖顯示第一A圖之粗調功率陣列14的電路圖。粗調功率陣列14(自粗調迴路移位暫存器131)接收粗調移位輸出C，據以產生輸出電壓Vout。在本實施例中，粗調功率陣列14可包含複數金屬氧化物半導體電路141。根據本實施例的另一特徵，每一金屬氧化物半導體電路141可包含第一金屬氧化物半導體電晶體(例如P型金屬氧化物半導體電晶體)M1與第二金屬氧化物半導體電晶體(例如P型金屬氧化物半導體電晶體)M2，其電性串聯於電源Vdd與輸出節點(其提供輸出電壓Vout)之間。其中，第一金屬氧化物半導體電晶體M1的源極電性連接至電源Vdd，其汲極電性連接至第二金屬氧化物半導體電晶體M2的源極，其閘極電性連接至第二金屬氧化物半導體電晶體M2的汲極與輸出節點(其提供輸出電壓Vout)。第二金屬氧化物半導體電晶體M2的閘極分別電性連接粗調移位輸出C的位元。在另一實施例中，微調功率陣列12也可使用第二B圖的電路架構。
第二C圖顯示第二B圖之金屬氧化物半導體電路141的等效電路。在本實施例中，第一金屬氧化物半導體電晶體M1作為電流源，受控於輸出電壓Vout。第一金屬氧化物半導體電晶體M1提供源極至汲極電流I SD(M1)，流向輸出節點(其提供輸出電壓Vout)。負載10因此得到負載電流I­ load，其包含所有金屬氧化物半導體電路141所提供的源極至汲極電流I SD(M1)。於上升(up)暫態時(亦即負載電流I load從低變為高)，若輸出電壓Vout下降，則電流源(亦即第一金屬氧化物半導體電晶體M1)因阻抗減少而提供更多的源極至汲極電流I SD(M1)，且輸出電壓Vout的下衝(undershoot)可減少。此外，輸出電壓Vout可因此於短時間從非穩定狀態回復。另一方面，於下降(down)暫態時(亦即負載電流I load從高變為低)，若輸出電壓Vout上升，則電流源(亦即第一金屬氧化物半導體電晶體M1)因阻抗增加而提供更少的源極至汲極電流I SD(M1)，且輸出電壓Vout的過衝(overshoot)可減少。此外，輸出電壓Vout可因此於短時間從非穩定狀態回復。
第三圖顯示第一B圖之數位線性調節器100的相關信號的波形。於狀態1(亦即穩態)，輸出電壓Vout為穩定，其振幅位於電壓視窗(Vref±ΔV)內。於穩態，關閉粗調迴路移位暫存器131，但開啟微調迴路移位暫存器111以啟動微調功率陣列12，用以提供輸出電壓Vout。一般來說，微調功率陣列12(及微調迴路移位暫存器111)較粗調功率陣列14(及粗調迴路移位暫存器131)的操作速度慢、消耗較少功率且產生較高輸出電壓精準度。由於微調功率陣列12(及微調迴路移位暫存器111)消耗較少功率，數位線性調節器100因此可以降低長期的功率消耗。
於狀態2(亦即暫態)，輸出電壓Vout為不穩定，其過衝(overshoot)或下衝(undershoot)電壓超出電壓視窗(Vref±ΔV)。於暫態，關閉微調迴路移位暫存器111，但開啟粗調迴路移位暫存器131以啟動粗調功率陣列14，用以提供輸出電壓Vout。由於粗調功率陣列14(及粗調迴路移位暫存器131)的操作速度快，輸出電壓Vout因此可以於短時間從非穩定情況回復。
根據上述實施例，數位線性調節器100提供雙迴路控制機制以產生輸出電壓Vout。其中，於穩態，微調功率陣列12及微調迴路控制器11形成微調迴路，其具有較低的功耗與較高的輸出電壓精準度。另一方面，於暫態，粗調功率陣列14及粗調迴路控制器13形成粗調迴路，其具有較快的操作速度。
第四圖顯示第二B圖之粗調功率陣列14的相關信號的波形。根據本實施例之粗調功率陣列14的特徵之一，第一金屬氧化物半導體電晶體M1作為電流源，受控於輸出電壓Vout。第四圖的虛線顯示粗調功率陣列14未使用第一金屬氧化物半導體電晶體M1的相關信號的波形。根據本實施例，與數位線性調節器100相同接地的其他電路不會受到數位線性調節器100的干擾。
以上所述僅為本發明之較佳實施例而已，並非用以限定本發明之申請專利範圍；凡其它未脫離發明所揭示之精神下所完成之等效改變或修飾，均應包含在下述之申請專利範圍內。
100‧‧‧數位線性調節器
10‧‧‧負載
11‧‧‧微調迴路控制器
111‧‧‧微調迴路移位暫存器
12‧‧‧微調功率金屬氧化物半導體陣列
13‧‧‧粗調迴路控制器
131‧‧‧粗調迴路移位暫存器
14‧‧‧粗調功率金屬氧化物半導體陣列
141‧‧‧金屬氧化物半導體電路
15‧‧‧類比至數位轉換器暨狀態電路
151‧‧‧比較器
152‧‧‧類比至數位轉換器
MOS‧‧‧金屬氧化物半導體
Vout‧‧‧輸出電壓
Vref‧‧‧參考電壓
Vcomp‧‧‧比較信號
ENT‧‧‧事件信號
CLK_f‧‧‧第一時脈信號
CLK_c‧‧‧第二時脈信號
F‧‧‧微調移位輸出
C‧‧‧粗調移位輸出
M0‧‧‧金屬氧化物半導體電晶體
M1‧‧‧第一金屬氧化物半導體電晶體
M2‧‧‧第二金屬氧化物半導體電晶體
Vdd‧‧‧電源
ISD(M1)‧‧‧源極至汲極電流
I­load‧‧‧負載電流
第一A圖顯示本發明實施例之具動態電流源功率金屬氧化物半導體(MOS)陣列的數位線性調節器的方塊圖。 第一B圖例示部分第一A圖的細部方塊圖。 第二A圖顯示第一A圖之微調功率陣列的電路圖。 第二B圖顯示第一A圖之粗調功率陣列的電路圖。 第二C圖顯示第二B圖之金屬氧化物半導體電路的等效電路。 第三圖顯示第一B圖之數位線性調節器的相關信號的波形。 第四圖顯示第二B圖之粗調功率陣列的相關信號的波形。

Claims (13)

  1. 一種適用於數位線性調節器的功率金屬氧化物半導體陣列，包含： 複數金屬氧化物半導體電路，每一該金屬氧化物半導體電路包含第一金屬氧化物半導體電晶體與第二金屬氧化物半導體電晶體，其電性串聯於電源與該數位線性調節器的輸出節點之間； 其中該第一金屬氧化物半導體電晶體作為電流源，受控於該輸出節點的輸出電壓。
  2. 根據申請專利範圍第1項所述之功率金屬氧化物半導體陣列，其中該第一金屬氧化物半導體電晶體包含： 源極，電性連接至該電源； 汲極，電性連接至該第二金屬氧化物半導體電晶體的源極；及 閘極，電性連接該第二金屬氧化物半導體電晶體的汲極與該輸出節點。
  3. 根據申請專利範圍第2項所述之功率金屬氧化物半導體陣列，其中該第二金屬氧化物半導體電晶體包含閘極，電性連接至移位暫存器的移位輸出的相應位元。
  4. 一種數位線性調節器，包含： 一微調功率金屬氧化物半導體陣列； 一微調迴路控制器，於穩態時開啟該微調功率金屬氧化物半導體陣列，以產生該數位線性調節器的輸出電壓； 一粗調功率金屬氧化物半導體陣列； 一粗調迴路控制器，於暫態時開啟該粗調功率金屬氧化物半導體陣列，以產生該輸出電壓； 其中該粗調功率金屬氧化物半導體陣列包含複數金屬氧化物半導體電路，每一該金屬氧化物半導體電路包含第一金屬氧化物半導體電晶體與第二金屬氧化物半導體電晶體，其電性串聯於電源與提供該輸出電壓的輸出節點之間，且該第一金屬氧化物半導體電晶體作為電流源，受控於該輸出電壓。
  5. 根據申請專利範圍第4項所述之數位線性調節器，其中該第一金屬氧化物半導體電晶體包含： 源極，電性連接至該電源； 汲極，電性連接至該第二金屬氧化物半導體電晶體的源極；及 閘極，電性連接該第二金屬氧化物半導體電晶體的汲極與該輸出節點。
  6. 根據申請專利範圍第5項所述之數位線性調節器，其中該第二金屬氧化物半導體電晶體包含閘極，電性連接至該粗調迴路控制器的移位輸出的相應位元。
  7. 根據申請專利範圍第4項所述之數位線性調節器，更包含： 一類比至數位轉換器暨狀態電路，用以進行類比至數位轉換，且根據該輸出電壓以決定該數位線性調節器的目前狀態為穩態或暫態。
  8. 根據申請專利範圍第7項所述之數位線性調節器，其中該類比至數位轉換器暨狀態電路包含： 一比較器，接收該輸出電壓與預設參考電壓，據以產生比較信號； 一類比至數位轉換器，用以產生類比至數位轉換輸出，其為該輸出電壓與該參考電壓的差值；及 一狀態電路，根據該類比至數位轉換輸出，以產生事件信號，其代表目前狀態。
  9. 根據申請專利範圍第8項所述之數位線性調節器，其中該微調迴路控制器包含： 一微調迴路移位暫存器，接收該比較信號，據以產生微調移位輸出，用以於穩態時啟動該微調功率金屬氧化物半導體陣列。
  10. 根據申請專利範圍第8項所述之數位線性調節器，其中該粗調迴路控制器包含： 一粗調迴路移位暫存器，接收該比較信號，據以產生粗調移位輸出，用以於暫態時啟動該粗調功率金屬氧化物半導體陣列。
  11. 根據申請專利範圍第4項所述之數位線性調節器，其中該粗調功率金屬氧化物半導體陣列包含複數粗調功率金屬氧化物半導體電晶體，且該微調功率金屬氧化物半導體陣列包含複數微調功率金屬氧化物半導體電晶體，其中該粗調功率金屬氧化物半導體電晶體之尺寸大於該微調功率金屬氧化物半導體電晶體。
  12. 根據申請專利範圍第4項所述之數位線性調節器，其中該粗調迴路控制器的操作快於該微調迴路控制器。
  13. 根據申請專利範圍第4項所述之數位線性調節器，其中該微調功率金屬氧化物半導體陣列包含： 複數第二金屬氧化物半導體電路，每一該第二金屬氧化物半導體電路包含第一金屬氧化物半導體電晶體與第二金屬氧化物半導體電晶體，其電性串聯於電源與該輸出節點之間，且該第二金屬氧化物半導體電路的該第一金屬氧化物半導體電晶體作為電流源，受控於該輸出電壓。
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