一种线性电压转换器及电源系统技术方案

本发明专利技术提供一种线性电压转换器及电源系统，涉及电源管理技术领域，解决极小功率或无功率的负载下，核心级的误差放大器无法提供足够的增益，影响线性电压转换器的性能的技术问题。该线性电压转换器包括LDO核心级、LDO缓冲级和LDO输出级；LDO核心级由电池进入切换式电源转换器的输入电压V

【技术实现步骤摘要】
一种线性电压转换器及电源系统


[0001]本专利技术涉及电源管理
，尤其是涉及一种线性电压转换器及电源系统。

技术介绍

[0002]在无线通讯技术系统快速发展之下，研发低成本、高效能、低功耗之无线射频集成电路日益迫切，目前全球正进入一个各种系统都需要采集和交换资料的物联网（Internet of Things，IoT）时代，传感器以无线方式传输资料的物联网中，如果传感器采用电池供电，功耗受限且必须持续很长时间的话，低功耗WiFi发挥至关重要的角色。如图1所示，在SoC（System on Chip，系统级芯片）电源架构中，LDO（low dropout regulator）作为一种低压差线性稳压器，使用越来越普遍。为提高整体电能转换效率，上层采用切换式电源转换器，电池进入切换式电源转换器的为输入电压V
IN
，经过切换式电源转换器转换后的电压为V
OUT
（V
IN
>V
OUT
）。中层采用数个线性电压转换器，让下层多个模拟或数字负载电路彼此之间有很好的隔离度，进而提高传输效能。
[0003]根据负载功率公式P
负载功率
=P
OUT
/P
IN
=V
OUT
*I
OUT
/V
IN
*I
IN
，想要达到更低功耗的目标，主要可以从三个地方改善。（1）降低负载电压V
LDO
，使负载功率变小（P=VI），不过由于负载可操作时的最低电压受限于制程技术，无法随意调降。（2）提高切换式电源转换器的转换效率，如表1所示为切换式电源转换器的转换效率情况，在相同的负载功率下，输入功率会随着效率提高而减少，达到长时间使用目标。但是转换效率也存在着极限值，也会受限于电路设计及外部元件的选取。（3）降低切换式电源转换器输出电压V
OUT
，如表2所示为切换式电源转换器的输出电压调整，在相同的转换效率下，输入跟输出功率会随着输出电压降低而减少，进而达到低功耗目标。由于在固定的负载电压V
LDO
下，愈低的V
OUT
使线性电压转换器可以操作区间更小，而又要承受大范围的负载电流，增加了设计上的困难。
[0004]表1 切换式电源转换器的转换效率序号负载功率效率功率输入（P
IN
）功率输出（P
OUT
）180%10.8285%0.94X0.8390%0.89X0.8495%0.84X0.8表2 切换式电源转换器的输出电压调整序号负载功率效率输出电压（V
OUT
）功率输入（P
IN
）功率输出（P
OUT
）190%110.9290%0.90.9X0.81X390%0.80.8X0.72X490%0.70.7X0.63X在单一切换式电源转换器跟线性电压转换器传的架构下，如图2所示，线性转换器区可分为LDO核心级、LDO缓冲级和LDO输出级，电池进入切换式电源转换器的输入电压为V
IN
，经
过切换式电源转换器转换后的电压为V
OUT
（V
IN
>V
OUT
），通过LDO核心级、LDO缓冲级和LDO输出级为负载输出稳定的线性电压。如图3所示，核心级主要是V
REF
跟V
FB
通过误差放大器（如图4所示）让V
LDO
有一个稳定的电压输出。缓冲级是一个N沟道MOS管构成的电压跟随器（Voltage Follower）MS，其输出阻抗是1/gm，可以让该节点的极点移往高频，增加回路的稳定度。Rc跟Cc为极零点补偿，产生主极点跟零点，目的也是增加回路的稳定度。输出级由传输MOS管（传输MOS管为PMOS管，图3中的M
pass
）、反馈电阻（Ra，Rb）跟稳压电容C
OUT
所构成，为了达到较小的静态电流设计，反馈电阻通常不会设计太小。稳压电容为了达到稳压效果，通常放置数uF，在回路上产生第二极点。而传输MOS管为了承受大功率负载，需要有一定的驱动能力，在最大电流输出时，需要适当地设计W/L比，使Vg落在0.2V~0.3V左右，确保缓冲级的电流源不会进入线性区，再加上合适的电压跟随器MS驱动电压(gate-source)为V
O
，让误差放大器可操作于饱和区。反之在极小功率或无功率的负载下，传输MOS管操作在次临界传导区，使Vg落在V
OUT-0.2V左右，再加上电压随耦器MS驱动电压，会让MP2进入线性区，使误差放大器无法提供足够的增益，整体开回路的增益就会降低，影响线性电压转换器的性能。
[0005]本申请人发现现有技术至少存在以下技术问题：现有线性电压转换器在极小功率或无功率的负载下，核心级的误差放大器无法提供足够的增益，整体开回路的增益降低，影响线性电压转换器的性能。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种线性电压转换器及电源系统，以解决现有技术中存在的线性电压转换器在极小功率或无功率的负载下，核心级的误差放大器无法提供足够的增益，整体开回路的增益降低，影响线性电压转换器的性能的技术问题。本专利技术提供的诸多技术方案中的优选技术方案所能产生的诸多技术效果详见下文阐述。
[0007]为实现上述目的，本专利技术提供了以下技术方案：本专利技术提供的一种线性电压转换器，包括LDO核心级、LDO缓冲级和LDO输出级；所述LDO核心级通过误差放大器使LDO的电压稳定输出并与所述LDO缓冲级连接，所述LDO缓冲级与所述LDO输出级连接，所述LDO输出级与负载连接并为其供电；所述LDO核心级由电池进入切换式电源转换器的输入电压V
IN
进行供电，所述LDO输出级的传输MOS管为一个或数个组成传输MOS管阵列；或所述LDO核心级由切换式电源转换器转换后的电压V
OUT
进行供电，所述LDO输出级的传输MOS管为并联的多个并构成传输MOS管阵列，还包括LDO感测级；所述LDO感测级通过感测所述传输MOS管的电压或电流信号控制所述传输MOS管的接入数量。
[0008]可选地，所述LDO感测级通过感测所述传输MOS管的电流信号控制所述传输MOS管的接入数量；所述LDO感测级包括感测元件、阻抗和电压比较器阵列。
[0009]可选地，所述电压比较器阵列由多个电压比较器组成，所述电压比较器的数量与传输MOS管的数量相同；多个所述电压比较器设置有相同或不同的参考电压。
[0010]可选地，所述电压比较器、传输MOS管的数量均为三个。
[0011]可选地，所述感测元件为PMOS管，所述感测元件的源极、栅极、漏极分别与所述阻抗、传输MOS管阵列和切换式电源转换器转换后的电压VOUT连接。
[0012]可选地，所述电压比较器的反相输入端通过所述阻抗与所述感测元件本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种线性电压转换器，包括LDO核心级、LDO缓冲级和LDO输出级；所述LDO核心级通过误差放大器使LDO的电压稳定输出并与所述LDO缓冲级连接，所述LDO缓冲级与所述LDO输出级连接，所述LDO输出级与负载连接并为其供电；其特征在于，所述LDO核心级由电池进入切换式电源转换器的输入电压V
IN
进行供电，所述LDO输出级的传输MOS管为一个或数个组成传输MOS管阵列；或所述LDO核心级由切换式电源转换器转换后的电压V
OUT
进行供电，所述LDO输出级的传输MOS管为并联的多个并构成传输MOS管阵列，还包括LDO感测级；所述LDO感测级通过感测所述传输MOS管的电压或电流信号控制所述传输MOS管的接入数量。2.根据权利要求1所述的线性电压转换器，其特征在于，所述LDO感测级通过感测所述传输MOS管的电流信号控制所述传输MOS管的接入数量；所述LDO感测级包括感测元件、阻抗和电压比较器阵列。3.根据权利要求2所述的线性电压转换器，其特征在于，所述电压比较器阵列由多个电压比较器组成，所述电压比较器的数量与传输MOS管的数量相同；多个所述电压比较器设置有相同或不同的参考电压。4.根据权利要求3所述的线性电压转换...

【专利技术属性】
技术研发人员：庄文贤，余岱原，邱伟茗，
申请(专利权)人：深圳市南方硅谷半导体有限公司，
类型：发明
国别省市：