本發(fā)明屬于模擬集成電路中的電源管理領(lǐng)域，具體涉及一種數(shù)字輔助模擬的無片外電容低壓差線性穩(wěn)壓器。

背景技術(shù)：

1、隨著電子系統(tǒng)集成度越來越高，現(xiàn)代片上系統(tǒng)(soc)供電系統(tǒng)呈現(xiàn)多電壓域設(shè)計，相對應(yīng)的電源管理芯片種類也越來越多。其中傳統(tǒng)低壓差線性穩(wěn)壓器(ldo)為常見的降壓芯片，廣泛應(yīng)用于各類小型電路以及作為片上穩(wěn)壓器。其中，傳統(tǒng)模擬ldo應(yīng)用最為廣泛，可以提供良好的噪聲性能、良好的電源抑制比、以及較小的版圖面積。

2、然而，傳統(tǒng)模擬電路無法從先進(jìn)cmos工藝中獲益，并且與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字設(shè)計流程不兼容。模擬ldo的誤差放大器在先進(jìn)工藝下，受低電源電壓影響，有mos管本征增益小、輸出擺幅小等缺點。為解決傳統(tǒng)模擬ldo的缺陷，又提出了數(shù)字ldo，與傳統(tǒng)模擬ldo不同，其可在低閾值電壓或亞閾區(qū)條件下工作，而且數(shù)字ldo可以按照標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字設(shè)計流程進(jìn)行設(shè)計，可以與其他數(shù)字模塊集成在一起。數(shù)字ldo具備低功耗、可擴(kuò)展等特點，但對電源的紋波抑制效果較差、輸出精度較低。

3、數(shù)?；旌蟣do結(jié)合了模擬ldo和數(shù)字ldo的技術(shù)特點，實現(xiàn)了更高性能、更靈活的電壓穩(wěn)定輸出。例如中國專利cn117631735a提出了一種模擬數(shù)字雙環(huán)ldo電路，采用數(shù)字環(huán)路和模擬環(huán)路雙環(huán)的形式，將功率管分為模擬功率管和數(shù)字功率管，解決了現(xiàn)有無片外電容ldo電路的環(huán)路穩(wěn)定性問題，在大負(fù)載電流、穩(wěn)定性以及瞬態(tài)響應(yīng)方面做出了相應(yīng)的改善。還例如中國專利cn118399966a提出了基于開關(guān)電容積分環(huán)路的模數(shù)混合ldo電路及其工作方法，該方案通過數(shù)字環(huán)路在穩(wěn)定的工作狀態(tài)下實現(xiàn)超低電壓下的大負(fù)載，通過模擬環(huán)路在穩(wěn)定的工作狀態(tài)下替代鎖定后的數(shù)字環(huán)路能夠獲得更低的輸出紋波。然而，這些方案都無法更好的解決快速瞬態(tài)響應(yīng)，存在瞬態(tài)恢復(fù)時間較慢等缺點。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明公開設(shè)計一種數(shù)字輔助模擬的無片外電容低壓差線性穩(wěn)壓器，其通過采用雙環(huán)路結(jié)構(gòu)混合解決方案，兼顧數(shù)字ldo與模擬ldo兩者的優(yōu)勢，彌補(bǔ)相對不足，無需片外大電容，可實現(xiàn)片上集成、高精度輸出電壓、寬負(fù)載電流范圍、快速瞬態(tài)響應(yīng)、高效功率管面積利用率、低輸出紋波。針對傳統(tǒng)模擬ldo電路和數(shù)字ldo電路存在的各種缺陷，本發(fā)明提出了一種數(shù)字輔助模擬的無片外電容低壓差線性穩(wěn)壓器，該數(shù)模混合ldo電路可適用于soc模塊化電源管理、數(shù)字ip負(fù)載。

2、本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

3、一種數(shù)字輔助模擬的無片外電容低壓差線性穩(wěn)壓器，包括控制模塊、帶隙基準(zhǔn)電路、瞬態(tài)增強(qiáng)電路、瞬態(tài)增強(qiáng)功率管組、模擬環(huán)路和數(shù)字環(huán)路；

4、所述帶隙基準(zhǔn)電路輸出四路參考電壓vref、vrefh、vrefl、vrfb和使能信號en；

5、所述控制模塊輸入三路參考電壓vref、vrefh、vrefl、兩路使能信號en、en3和時鐘信號clk，輸出四路控制信號voh、vol、comp_out、rstn和一路使能信號；

6、所述數(shù)字環(huán)路輸入四路控制信號voh、vol、comp_out、rstn，輸出電壓信號vout；

7、所述模擬環(huán)路輸入一路參考電壓vrfb，輸出電壓信號vout；

8、所述瞬態(tài)增強(qiáng)電路輸入電壓信號vout、使能信號en2，輸出使能信號en3和控制信號s；

9、所述瞬態(tài)增強(qiáng)功率管組輸入控制信號s，輸出電壓信號vout。

10、進(jìn)一步的，所述模擬環(huán)路包括誤差放大器ea、pmos管、負(fù)載電阻r1、r2和負(fù)載電容cl；所述誤差放大器ea的同相輸入端連接電阻r1和電阻r2的一端，誤差放大器ea的反相輸入端連接參考電壓vrfb，誤差放大器ea的輸出端連接pmos管的柵極，pmos管的源極連接電源電壓vdd，pmos管的漏極連接電阻r1的另一端和電容cl的一端，電阻r2的另一端與電容cl的另一端接地gnd。

11、進(jìn)一步的，所述數(shù)字環(huán)路包括粗調(diào)邏輯電路和對應(yīng)的粗調(diào)功率管組，以及細(xì)調(diào)邏輯電路和對應(yīng)的細(xì)調(diào)功率管組；所述粗調(diào)邏輯電路輸入四路控制信號voh、vol、comp_out、rstn，輸出使能信號en1和粗調(diào)控制信號c，所述粗調(diào)功率管組輸入粗調(diào)控制信號c，控制粗調(diào)功率管組導(dǎo)通數(shù)量從而輸出電壓信號vout；所述細(xì)調(diào)邏輯電路輸入四路控制信號voh、vol、comp_out、rstn和使能信號en1，輸出控制信號x；所述細(xì)調(diào)功率管組輸入控制信號x，控制細(xì)調(diào)功率管組導(dǎo)通數(shù)量從而輸出電壓信號vout。

12、進(jìn)一步的，所述粗調(diào)功率管組包括：以最小寬長比功率管為1個數(shù)量基本單位，按照二進(jìn)制和多一元排列組合，前n位功率管組個數(shù)比例按照二進(jìn)制比例20,21,…,2n-1依次增加；中間k位功率管組個數(shù)比例按照二進(jìn)制比例2n保持不變；后n位功率管組個數(shù)比例按照二進(jìn)制比例2n-1,…,21,20依次減小；k≥2，n≥2。

13、進(jìn)一步的，所述細(xì)調(diào)邏輯電路為多位移位寄存器，所述細(xì)調(diào)功率管組為對應(yīng)位數(shù)的功率管。

14、進(jìn)一步的，所述控制模塊包括三個比較器comp1、comp2和comp3，比較器comp1比較輸出電壓vout與期望值vref的大小，當(dāng)vout>vref時，comp_out輸出高電平，當(dāng)vout<vref時，comp_out輸出低電平；比較器comp2、comp3和一個異或門組成死區(qū)控制器，當(dāng)vrefh>vout>vrefl時，voh輸出低電平，vol輸出高電平，rstn輸出高電平；當(dāng)vout>vrefh>vrefl時，voh輸出高電平，vol輸出高電平，rstn輸出低電平；當(dāng)vrefh>vrefl>vout時，voh輸出低電平，vol輸出低電平，rstn輸出低電平；當(dāng)信號en3由高電平拉到低電平時，rstn輸出低電平。

15、進(jìn)一步的，所述瞬態(tài)增強(qiáng)電路包括電阻r11、r12、rc，電容cc，與非門and，功率管m1和功率管m2；其中，電阻r12的一端連接電源電壓vdd，電阻r12的另一端連接rc的一端和r11的一端，r11的另一端接地gnd，電阻rc的另一端連接電容cc和與非門and的一個輸入端，電容cc另一端輸出電壓信號vout；與非門的另一個輸入端連接en2使能信號，與非門的輸出端連接功率管m1和功率管m2的基極，功率管m1和功率管m2的柵極輸出控制信號s；功率管m1的源極連接電源電壓vdd，功率管m2的源極接地gnd。

16、進(jìn)一步的，數(shù)字環(huán)路和模擬環(huán)路的運行流程包括：

17、當(dāng)rstn由高電平拉到低電平時，粗調(diào)邏輯電路和細(xì)調(diào)邏輯電路同時初始化，所有功率管不導(dǎo)通，粗調(diào)邏輯電路采用逐次逼近搜索算法，按照平滑的二進(jìn)制增加搜索步長實現(xiàn)粗調(diào)功率管組的導(dǎo)通；

18、當(dāng)vout>vrefl時，粗調(diào)邏輯電路停止增加搜索步長；

19、當(dāng)vout>vrefh且en3為低電平時，瞬態(tài)事件被觸發(fā)，粗調(diào)邏輯電路搜索步長從最高步長開始搜索；

20、當(dāng)vref>vout>vrefl時，粗調(diào)邏輯電路會停止新的粗調(diào)功率管組的導(dǎo)通，保持已打開的粗調(diào)功率管組導(dǎo)通狀態(tài)，此時細(xì)調(diào)邏輯電路開始工作，在每一刻時鐘上升沿來臨時，采用一元移位寄存搜索打開一個細(xì)調(diào)功率管，提供微調(diào)電流；

21、當(dāng)vout>vref時，細(xì)調(diào)邏輯電路關(guān)閉前一刻時鐘上升沿打開的細(xì)調(diào)功率管，細(xì)調(diào)邏輯電路將保持當(dāng)前狀態(tài)，不會再打開后級功率管，保持已打開的細(xì)調(diào)功率管組導(dǎo)通狀態(tài)，最后使能模擬環(huán)路，模擬環(huán)路將提供補(bǔ)償電流，抑制紋波。

22、本發(fā)明的有益效果：

23、本發(fā)明提出了一種新型的雙環(huán)路無片外電容的數(shù)模混合ldo電路，其通過采用雙環(huán)路結(jié)構(gòu)混合解決方案。在負(fù)載穩(wěn)態(tài)下采用模擬ldo為主控制方案，模擬環(huán)路提供精調(diào)電流，高增益放大器可以獲得精確的輸出電壓，并且不會發(fā)生極限循環(huán)振蕩。僅在負(fù)載瞬態(tài)發(fā)生時才調(diào)用數(shù)字ldo為主控制方案，數(shù)字環(huán)路提供粗調(diào)電流，采用基于逐次逼近搜索和一元移位寄存搜索的混合算法，短時間內(nèi)快速打開或關(guān)閉功率管，以匹配負(fù)載電流的瞬態(tài)變化；采用混合算法能夠提高速度、降低靜態(tài)電流和抑制開關(guān)噪聲?？蓪崿F(xiàn)片上集成、高精度輸出電壓、寬負(fù)載電流范圍、快速瞬態(tài)響應(yīng)速度、高效功率管面積利用率、低輸出紋波。該電路可適用于soc模塊化電源管理、數(shù)字ip負(fù)載。