电压调节器的制作方法

专利检索2022-05-11  1



1.本公开涉及一种电压调节器,具体地说,涉及一种用于电池管理系统的电压调节器。


技术实现要素:

2.根据本公开的第一方面,提供一种电压调节器,所述电压调节器包括:
3.电源端,其被配置成接收电源电压;
4.参考端;
5.输出端,其被配置成提供调节后的输出电压;
6.参考电流发生器,其耦合在所述电源端与所述参考端之间,并且被配置成提供与所述电源电压的工作范围无关的参考电流;以及
7.调节器级,其包括:
8.电流端,其被配置成从所述参考电流发生器接收所述参考电流;
9.nmos晶体管,其具有:
10.耦合到所述电流端的栅极端;
11.耦合到所述电源端的漏极端;和
12.耦合到所述输出端的源极端;
13.参考电压电路,其耦合在所述输出端与所述参考端之间并且被配置成提供所述调节后的输出电压,所述参考电压电路包括与输出双极晶体管的导电通道串联耦合的第一输出电阻器,其中所述输出双极晶体管布置成二极管连接式配置;
14.输入双极晶体管,其具有耦合在所述电流端与所述参考端之间的导电通道,以及耦合到所述输出双极晶体管的基极端的基极端,使得所述输入双极晶体管和所述输出双极晶体管形成双极电流镜以对通过所述参考电压电路的所述参考电流进行镜像处理。
15.所公开的电压调节器提供低阻抗输出,所述低阻抗输出可实现对强线路调节或负载调节变化的快速瞬态响应。如果负载电流以逐步方式减小,则调节器级的负反馈回路可快速地响应以维持调节后的输出电压。低阻抗输出还可降低对负载失配变化的敏感性。
16.nmos晶体管、双极电流镜和第一输出电阻器可布置成负反馈回路,并且被配置成通过第一输出电阻器和输出双极晶体管从nmos晶体管拉取镜像参考电流。
17.负反馈回路可通过nmos晶体管从电源端拉取大电流,从而在宽的负载电流范围(高达几十ma)中以高准确性维持固定的调节器输出电压。
18.在一个或多个实施例中,所述输入双极晶体管和所述输出双极晶体管可与所述参考电流发生器的双极晶体管匹配。所述第一输出电阻器可与所述参考电流发生器的输出电流电阻器匹配。
19.匹配参考电流发生器和调节器级的双极晶体管和电阻器可提供准确性高的对工艺、温度或环境的任何变化都不敏感的输出电压。
20.在一个或多个实施例中,通过每个晶体管共有相同类型、相同温度系数、相同制造
工艺、相同晶片、相同制造时间和/或布局上的相同位置中的一个或多个,所述输入双极晶体管和所述输出双极晶体管可与所述参考电流发生器的所述双极晶体管匹配。通过每个电阻器共有相同类型、相同温度系数、相同制造工艺、相同晶片、相同制造时间和/或布局上的相同位置中的一个或多个,所述第一输出电阻器可与所述参考电流发生器的输出电流电阻器匹配。
21.在一个或多个实施例中,可选择所述第一输出电阻器的电阻,使得在收到镜像参考电流后跨所述第一输出电阻器的电压补偿所述输出双极晶体管的与绝对温度互补的ctat电压分量。
22.在一个或多个实施例中,可选择所述输出双极晶体管的有效大小与所述输入双极晶体管的有效大小的比,使得在收到所述镜像参考电流后跨所述第一输出电阻器的电压补偿所述输出双极晶体管的与绝对温度互补的ctat电压分量。
23.在一个或多个实施例中,所述参考电压电路可包括与所述第一输出电阻器和所述输出双极晶体管串联耦合在所述输出端与所述参考端之间的一个或多个另外的参考电压块。每个另外的参考电压块可包括:
24.另一输出电阻器;以及
25.另一双极晶体管,其被布置成具有与所述另一输出电阻器串联连接的导电通道。
26.在一个或多个实施例中,所述另一双极晶体管可布置成二极管连接式配置。
27.在一个或多个实施例中,所述另外的参考电压块可包括:
28.第一另一分压电阻器,其耦合在所述另一双极晶体管的基极端与所述另一双极晶体管的第一导电通道端之间;以及
29.第二另一分压电阻器,其耦合在所述另一双极晶体管的所述基极端与所述另一双极晶体管的第二导电通道端之间。
30.在一个或多个实施例中,可选择每个另一输出电阻器的电阻,使得在收到镜像参考电流后跨所述另一输出电阻器的电压补偿对应的另一双极晶体管的与绝对温度互补的ctat电压分量。
31.在一个或多个实施例中,每个另一双极晶体管可与所述输出双极晶体管和所述参考电流发生器的双极晶体管匹配。每个另一输出电阻器可与所述第一输出电阻器和所述参考电流发生器的输出电流电阻器匹配。
32.在一个或多个实施例中,通过每个晶体管共有相同类型、相同温度系数、相同制造工艺、相同晶片、相同制造时间和/或布局上的相同位置中的一个或多个,每个另一双极晶体管可与所述输出双极晶体管和所述参考电流发生器的双极晶体管匹配。通过每个电阻器共有相同类型、相同温度系数、相同制造工艺、相同晶片、相同制造时间和/或布局上的相同位置中的一个或多个,每个另一输出电阻器可与所述第一输出电阻器和所述参考电流发生器的输出电流电阻器匹配。
33.在一个或多个实施例中,所述另一双极晶体管可以是npn双极晶体管。
34.在一个或多个实施例中,所述输入双极晶体管和所述输出双极晶体管可以是npn双极晶体管。
35.在一个或多个实施例中,所述参考电流发生器可包括:
36.偏置电阻;
37.第一双极晶体管;
38.第二双极晶体管;
39.第三双极晶体管;
40.第四双极晶体管;和
41.输出电流电阻器,
42.其中:
43.所述偏置电阻耦合到所述电源端并且被配置成向所述第四双极晶体管的导电通道提供偏置电流;
44.所述第四双极晶体管的所述导电通道连接在所述偏置电阻与第一节点之间;
45.所述第三双极晶体管的导电通道连接在所述第一节点与所述参考端之间;
46.所述输出电流电阻器耦合在所述参考端与所述第一双极晶体管的导电通道之间;
47.所述第一双极晶体管的所述导电通道连接在所述输出电流电阻器与第二节点之间;
48.所述第二双极晶体管的导电件耦合在所述第二节点与参考电流输出端之间;
49.所述第四双极晶体管的基极端连接到所述第二双极晶体管的基极端;
50.所述第三双极晶体管的基极端连接到所述第二节点;
51.所述第一双极晶体管的基极端连接到所述第一节点;并且
52.所述第四双极晶体管布置成二极管连接式配置。
53.在一个或多个实施例中,所述第一输出电阻器的电阻值可基于所述输出电流电阻器的电阻值和所述输出双极晶体管的集电极-发射极电压的温度系数。
54.在一个或多个实施例中,所述第一输出电阻器的电阻值可基于所述输出电流电阻器的电阻值、所述输入双极晶体管的有效大小与所述输出双极晶体管的有效大小的比、所述第一双极晶体管的有效大小与所述第二双极晶体管的有效大小的比、所述第一双极晶体管的热电压的温度系数以及所述输出双极晶体管的集电极-发射极电压的温度系数。
55.在一个或多个实施例中,每个另一输出电阻器的电阻值可基于所述输出电流电阻器的电阻值和对应的另一双极晶体管的集电极-发射极电压的温度系数。
56.在一个或多个实施例中,每个另一输出电阻器的电阻值基于所述输出电流电阻器的电阻值、所述输入双极晶体管的有效大小与所述输出双极晶体管的有效大小的比、所述第一双极晶体管的有效大小与所述第二双极晶体管的有效大小的比、所述第一双极晶体管的热电压的温度系数以及对应的另一双极晶体管的集电极-发射极电压的温度系数。
57.在一个或多个实施例中,所述参考电流发生器还可包括pmos镜,所述pmos镜被配置成对从所述参考电流输出端到所述调节器级的所述参考电流进行镜像处理。
58.在一个或多个实施例中,所述第一输出电阻器和任何另外的输出电阻器的电阻值进一步基于pmos电流镜的有效大小比率。
59.在一个或多个实施例中,所述第一到第四双极晶体管可以是npn双极晶体管。
60.在一个或多个实施例中,基于所述输出电流电阻器的温度系数,所述参考电流发生器可以是以下一种:
61.与绝对温度成比例的ptat电流发生器;
62.与绝对温度互补的ctat电流发生器;以及
63.与温度无关的电流发生器。
64.在一个或多个实施例中,所述第二、第三和第四双极晶体管的有效大小可基本相同。
65.在一个或多个实施例中,所述第一双极晶体管的有效大小可大于所述第二双极晶体管的有效大小。
66.在一个或多个实施例中,所述调节器级还可包括耦合在所述nmos晶体管的所述栅极与所述参考端之间的反馈电容器。
67.在一个或多个实施例中,所述电压调节器还可包括耦合在所述输出端与所述参考端之间的输出电容器。
68.根据本公开的第二方面,提供一种包括本文公开的任何一个电压调节器的电池管理系统。
69.根据本公开的另一方面,提供一种电压调节器,所述电压调节器包括:
70.电源端,其被配置成接收电源电压;
71.参考端;
72.输出端,其被配置成提供调节后的输出电压;
73.参考电流发生器,其耦合在所述电源端与所述参考端之间,并且被配置成提供与所述电源电压的工作范围无关的参考电流;以及
74.调节器级,其被配置成从所述参考电流发生器接收所述参考电流,所述调节器级包括:
75.具有耦合在所述电源端与所述输出端之间的导电通道的nmos晶体管;
76.双极电流镜;和
77.第一输出电阻器,
78.其中所述双极电流镜的输出双极晶体管的导电通道和所述第一输出电阻器串联耦合在所述输出端与所述参考端之间,以形成被配置成提供调节后的输出电压的参考电压电路,并且其中所述nmos晶体管、双极电流镜和所述第一输出电阻器布置成负反馈回路并且被配置成所述第一输出电阻器和所述输出双极晶体管从所述nmos晶体管拉取镜像参考电流。
79.虽然本公开允许各种修改和替代形式,但本公开的特性已借助于例子在图中示出且将详细地描述。然而,应理解,所描述的特定实施例之外的其它实施例也是可能的。还涵盖属于所附权利要求书的精神和范围内的所有修改、等同物和替代实施例。
80.以上论述并不意图表示当前或未来权利要求集的范围内的每个示例实施例或每个实施方案。随后的附图说明和具体实施方式还举例说明各种示例实施例。结合附图考虑以下具体实施方式可更全面理解各种示例实施例。
附图说明
81.现将仅通过举例参考附图来描述一个或多个实施例,在附图中:
82.图1示出具有和不具有过电压和欠电压检测要求的预调节器的调节后的输出电压的分布;
83.图2示出根据本公开的示例实施例的电压调节器;
84.图3示出根据本公开的示例实施例的另一电压调节器;
85.图4示出根据本公开的示例实施例的另一参考电压块;以及
86.图5示出根据本公开的示例实施例的另一电压调节器。
具体实施方式
87.在具有大的输入电源工作范围的高电压环境中工作的集成电路(ic)可能需要第一电压调节器或预调节器来实现后续调节器级的优化,例如通过使用低电压装置来优化管芯大小区域。一个此类环境是用于电动和混合动力车辆的电池管理系统(bms)。
88.预调节器的要求可包括极低电流消耗以支持ic休眠模式电流消耗,同时能够在ic处于全功率模式时提供大的负载电流范围。
89.预调节器的调节后的输出电压还可能对温度、工艺、输入/电源电压和负载的变化具有严格的准确性要求,以支持最低负载电压要求和最高额定电压(以允许结合低电压装置设计负载功能)。
90.在例如bms的一些应用中,安全性也可能是个强制性要求,并且可能需要预调节器输出电压监测。这可包括过电压和欠电压的检测。因此,过电压和欠电压在工艺、温度、电压和失配上的分布范围不应与预调节器输出电压的分布重叠,以阻止假错检测(false error detection)。换句话说,过电压和欠电压分布应与预调节器的调节后的输出电压分布无关,并且三个分布全都应拟合于最高额定电压限值与最低负载电压之间。
91.图1示出具有和不具有过电压和欠电压检测要求的预调节器的调节后的输出电压101、103的分布。左侧曲线示出对过电压或欠电压检测无安全要求的预调节器的分布要求。预调节器的调节后的输出电压103的分布仅需要出于功能性而处于最高额定电压105与最低额定电压107之间,以标称输出电压109为中心。右侧曲线示出对过电压或欠电压调节有安全要求的预调节器的分布要求。此类要求的一个例子是bms所需的汽车安全完整性等级d(asil-d)。以标称输出电压109为中心的调节后的输出电压101的所需分布要窄很多,以在上额定值105与下额定值107之间实现用于过电压分布111和欠电压分布113的空间并且三个分布101、111、113无任何重叠。当没有参考电压或偏置电流可用时,获得调节后的输出电压101的此类准确分布可能具有挑战性。这在需要用于下游调节器的低功率输出的高电压环境中,例如在bms中,可能尤其具有挑战性。
92.本公开的电压调节器可应对上文概述的严苛要求,并且提供在温度、电源电压和负载上具有较窄分布的调节后的输出电压。所述调节器可提供多达几十ma的负载电流,并且具有小于15μa的低静态电流。
93.图2示出根据本公开的实施例的电压调节器200。
94.电压调节器200被配置成在电源端204处接收具有大的工作范围的电源电压vpwr,并且在输出端212处提供调节后的输出电压v
out
。在宽的负载电流范围(0到几十ma)中且对于大的电源电压工作范围(10到70v),调节后的输出电压v
out
可具有降低的温度敏感性并且获得窄的电压分布(在此例子中,在6σ下为7.5v
±
4%)。所述电压调节器还可具有低静态电流。
95.电压调节器200包括耦合在电源端204与参考端206之间的参考电流发生器202。所述参考电流发生器被配置成提供与电源电压的工作范围无关的参考电流i
ref
。电源电压的
工作范围涉及在电压调节器200工作时的电源电压范围。在此例子中,电源电压的工作范围是10v到70v。
96.在此例子中,参考电流发生器202包括偏置电阻250、第一双极晶体管q0252、第二双极晶体管q1254、第三双极晶体管q2256、第四双极晶体管q3258和输出电流电阻器260。在此例子中,参考电流发生器202包括npn双极晶体管。偏置电阻250、第一到第四双极晶体管252、254、256、258以及输出电阻260在参考电流输出端266处产生第一参考电流i
ref-1

97.偏置电阻250通过第三双极晶体管256和第四双极晶体管258耦合到电源端204以及耦合到参考端206。偏置电阻250被配置成向第四双极晶体管258的集电极端提供偏置电流。在此例子中,偏置电阻包括第一偏置电阻器r1和第二偏置电阻器r2。如果第一偏置电阻器和第二偏置电阻器均包括20mω的电阻值,并且电源电压vpwr具有可在10v到70v之间变化的工作范围,则提供到第四双极晶体管258的偏置电流将在200na到1.75μa之间变化。
98.第一到第四双极晶体管如下布置:第四双极晶体管258的集电极端连接到偏置电阻250;第四双极晶体管布置成二极管连接式配置,其中第四双极晶体管258的基极端和集电极端连接在一起;第四双极晶体管258的发射极端在第一节点262处连接到第三双极晶体管256的集电极端;第三双极晶体管256的发射极端连接到参考端206;输出电流电阻器ri260耦合在参考端206与第一双极晶体管252的发射极端之间;第一双极晶体管252的集电极端连接到第二双极晶体管254的发射极端;第二双极晶体管254的集电极端耦合到参考电流输出端266;第四双极晶体管258的基极端连接到第二双极晶体管254的基极端;第三双极晶体管256的基极端在第二节点262处连接到第二双极晶体管254的发射极端和第一双极晶体管252的集电极端;并且第一双极晶体管252的基极端在第一节点260处连接到第四双极晶体管258的发射极端和第三双极晶体管256的集电极端。
99.在此例子中,第一双极晶体管252与第二双极晶体管254、第三双极晶体管256和第四双极晶体管258的有效大小的比为8∶1∶1∶1。此处,有效大小可涉及半导体管芯上的部件的大小。例如,可通过并联堆叠具有共同基极、集电极和发射极端的多个双极晶体管来增加双极晶体管的有效大小。
100.基尔霍夫电压定律(kirchoff's voltage law)允许在第一到第四双极晶体管252、254、256、258的基极-发射极电压vbeq方面限定第一参考输出电流i
ref-1
,如下:
101.i
ref-1
·
r vbe
q0
vbe
q3
=vbe
q1
vbe
q2
102.假设与偏置电流和第一参考电流相比,双极晶体管的基极电流可忽略,则得出:
103.i
ref-1
·ri
vbe
q0
=vbe
q1
[0104][0105][0106]
其中v
t
和is分别是双极晶体管的热电压和饱和电流。等式中的因子限定第一双极晶体管252的有效大小与第二双极晶体管254的有效大小的比(在此例子中,)。因此,第一参考电流i
ref-1
仅取决于输出电流电阻器260的电阻值ri以及第一双极晶体管252
和第二双极晶体管254的比第一参考电流i
ref-1
与电源电压vpwr的任何变化无关,这在电池管理系统中可以是特别有利的。
[0107]
除了与电源电压vpwr无关之外,还可控制第一参考电流i
ref-1
的温度相依性。第一参考电流的温度相依性(或系数)(di
rref-1
/dt)将取决于热电压的温度相依性(dv
t
/dt)和输出电流电阻器260的温度相依性(dri/dt)。热电压的温度相依性通常为正常数(v
t
=kht/q(26mv,在25℃))。因此,提供第一参考电流i
ref-1
和参考电流i
ref
的参考电流发生器202可以是以下一种:(i)与绝对温度成比例的ptat电流发生器;(ii)与绝对温度互补的ctat电流发生器;或与温度无关的电流发生器,其取决于dri/dt和dv
t
/dt的相对值。例如,如果输出电流电阻器260与温度无关(dri/dt=0),则参考电流发生器202将是ptat电流发生器。
[0108]
参考电流发生器202可向调节器级208提供第一参考电流i
ref-1
作为参考电流。在此例子中,额外的高电压镜268对第一参考电流i
ref-1
进行镜像处理以产生参考电流i
ref
。在此例子中,所述高电压镜是pmos镜,但在其它例子中,所述高电压镜可包括pnp晶体管等其它部件。pmos镜包括:第一pmos晶体管,其具有耦合在电源端204与参考电流输出端266之间的导电通道;以及第二pmos晶体管,其具有耦合在电源端与调节器级208的电流端210之间的导电通道。第一pmos晶体管的栅极连接到第二pmos晶体管的栅极以及参考电流输出端266。在此例子中,第二pmos晶体管的有效大小与第一pmos晶体管的有效大小的比为2∶1,使得参考电流i
ref
为第一参考电流i
ref-1
的两倍。
[0109]
电压调节器200还包括调节器级208。调节器级208包括从参考电流发生器202接收参考电流i
ref
的电流端210、nmos晶体管214、输入双极晶体管216、输出双极晶体管218和第一输出电阻器220。第一输出电阻器220和输出双极晶体管218的导电通道串联耦合在输出端212与参考端206之间,从而形成用于提供调节后的输出电压v
out
的参考电压电路222的至少部分。输入双极晶体管216和输出双极晶体管218形成双极电流镜。nmos晶体管214、双极电流镜216、218和第一输出电阻器220布置成负反馈回路,以通过第一输出电阻器220和输出双极晶体管218从nmos晶体管214拉取镜像参考电流。
[0110]
nmos晶体管214具有耦合到电流端210的栅极端、耦合到电源端204的漏极端以及耦合到输出端212的源极端。nmos晶体管214可具有高于电源电压vpwr的工作范围的最大值的额定电压。
[0111]
耦合在输出端212与参考端206之间的参考电压电路222包括与输出双极晶体管218的导电通道串联耦合的第一输出电阻器220。在此例子中,输出双极晶体管218被布置成二极管连接式配置,其中基极端连接到第一导电通道端(npn晶体管的集电极端)。
[0112]
在此例子中,输出双极晶体管218的第一导电通道端耦合到参考端206,并且输出双极晶体管218的第二导电通道端耦合到第一输出电阻器220的第一端。第一输出电阻器220的第二端直接或通过一个或多个另外的参考电压块224耦合到输出端212。
[0113]
输入双极晶体管216的导电通道耦合在电流端210与参考端206之间。输入双极晶体管216的基极端耦合到输出双极晶体管218的基极端,从而形成双极电流镜。以此方式,双极电流镜可对参考电流i
ref
进行镜像处理,以在参考电压电路222中产生镜像参考电流。换句话说,双极电流镜可通过参考电压电路222将镜像参考电流从nmos晶体管214拉取到参考端206。
[0114]
输出双极晶体管218的有效大小可不同于输入双极晶体管216的有效大小。此处,
有效大小可涉及半导体管芯上的部件的大小。例如,可通过并联堆叠具有共同基极、集电极和发射极端的多个双极晶体管来增加双极晶体管的有效大小。在此例子中,输出双极晶体管218的有效大小与输入双极晶体管的有效大小的比是4∶1。因此,镜像参考电流可以是参考电流i
ref
的4倍大。以此方式,双极电流镜216、218和nmos晶体管214形成负反馈回路,从而迫使四倍的参考电流i
ref
作为镜像参考电流通过参考电压电路。
[0115]
在示出的例子中,输入双极晶体管216和输出双极晶体管218是npn晶体管。在一个或多个例子中,调节器级208的双极晶体管216、218和第一输出电阻器220的性质(或类型)可分别与参考电流发生器202的双极晶体管252、254、256、258和输出电流电阻器260相同。换句话说,调节器级208的双极晶体管和电阻器可与参考电流发生器202中使用的双极晶体管和电阻器匹配。此匹配可包括所述双极晶体管和电阻器共有相同的性质或类型(npn/pnp晶体管、多晶硅熔融(polyfused)金属层等电阻器)、相同温度系数/相同温度相依性、相同制造工艺、相同晶片、相同制造时间和/或布局上的相同位置,如本领域中已知。调节器208和参考电流发生器202的部件的这种匹配可补偿工艺变化并且提供相同的部件温度相依性。例如,参考电流发生器202的部件中导致标称参考电流或其温度相依性变化的任何工艺变化将通过调节器级208的部件中的对应工艺变化而得以补偿。
[0116]
在此例子中,输入双极晶体管216和输出双极晶体管218以及第一到第四双极晶体管252、254、256、258全都共有相同类型。因此,所有双极晶体管共有其集电极-发射极电压dv
ce
/dt(或基极-发射极电压dv
be
/dt)的相同温度系数。类似地,第一输出电阻器228和输出电流电阻器260具有相同类型,并且其电阻r、ri共有相同温度系数(dr/dt)。
[0117]
跨二极管连接式配置的输出双极晶体管218的集电极-发射极电压v
ce
等于基极-发射极电压v
be
。集电极-发射极电压v
ce
(或二极管配置中,基极-发射极电压v
be
)可包括固定带隙电压和与绝对温度互补的ctat电压分量,所述ctat电压分量与温度逆相关。在此例子中,布置成二极管连接式配置的npn输出双极晶体管218具有约1.25v的固定带隙电压。
[0118]
当镜像参考电流流动通过参考电压电路222时,输出双极晶体管218和第一输出电阻器220对调节后的输出电压v
out
的贡献可写成:
[0119][0120]
在该等式中,r是第一输出电阻器220的电阻值。如上文所描述,参考电流i
ref
与参考电流发生器202的双极晶体管的热电压v
t
除以输出电流电阻器260的电阻ri成比例。由于输出电流电阻器260和第一输出电阻器220属于相同类型并且具有相同温度相依性(dr/dt=dri/dt),因此以上等式的第一项的温度相依性取决于作为正常数的热电压v
t
的温度相依性。因此,等式的第一项限定ptat电压源。调节后的输出电压v
out
包括ptat电压源和ctat电压源的总和。因此,可选择第一输出电阻器220的电阻值r以补偿跨输出双极晶体管218的电压v
ce
(在此例子中为v
be
)的温度系数。因此,二极管连接式输出双极晶体管218和第一输出电阻器220对调节后的输出电压v
out
的贡献可能对温度变化不敏感,并且等于1.25v的固定带隙电压。因此,电压调节器200的参考电压电路222可提供与温度无关的调节后的输出电压v
out

[0121]
为了平衡输出双极晶体管218的ctat电压分量,第一输出电阻器220的电阻值r可
基于输出电流电阻器260的电阻ri、第一双极晶体管252和第二双极晶体管254的有效大小比pmos电流镜268(在适用的情况下)的有效大小比双极电流镜216、218的有效大小比参考电流发生器202的双极晶体管的热电压v
t
的温度系数以及跨输出双极晶体管216的集电极-发射极电压的温度系数(dv
ce
/dt)。图2的特定例子的关系可如下导出:
[0122][0123][0124][0125][0126]
因此,可选择第一输出电阻器220的电阻值r而基于输出电流电阻器260的电阻ri、热电压的温度系数(dv
t
/dt)、输出双极晶体管的集电极-发射极电压的温度系数(dv
ce
/dt)以及(在适用的情况下)电压调节器200的缩放比率来平衡输出双极电阻器的ctat电压分量。同等地,还可选择电阻r/ri的比。同样同等地,可选择第一输出电阻器220的电阻值r、输出电流电阻器260的电阻ri以及电压调节器200的缩放比以平衡输出双极晶体管的ctat电压分量。由于存在可选择的许多参数,因此可存在满足以上等式的许多不同组的值。因此,当选择参数的值时,可考虑其它因素。例如,对于图2的电压调节器,输出双极晶体管与输入双极晶体管的有效大小比提供功耗、电阻器大小和调节器速度之间的最优折衷(较高电流可提供较低输出阻抗并且提供较好负载调节)。
[0127]
以此方式,电压调节器200的输出电压vout可对温度变化不敏感。由于参考电流发生器202和调节器级208共有的双极晶体管和电阻器匹配,因此电压调节器200可提供准确性高的对工艺或环境的任何变化都不敏感的输出电压v
out

[0128]
在此例子中,调节器级208还包括耦合在nmos晶体管214的栅极与参考端206之间的反馈电容器221。反馈电容器221可为电压调节器200提供稳定性。调节器级208还包括耦合在输出端212与参考端206之间的输出电容器223。反馈电容器221和输出电容器223均约为几个皮法,并且可集成在芯片上。因输出端212处nmos晶体管214的存在而提供的低阻抗实现对此类低电容的使用,同时尤其响应于负载变化而维持稳定电路。
[0129]
在一些例子中,参考电压电路222可仅包括输出双极晶体管218和第一输出晶体管220。以此方式,参考电压电路222可提供等于输出双极晶体管218的固定带隙电压的温度被调节后的输出电压v
out
。在需要较高输出电压的其它例子中,参考电压电路222可包括一个或多个另外的参考电压块224。
[0130]
每个另外的参考电压块224可包括另一双极晶体管226和另一输出电阻器228。另
一双极晶体管226可与输出双极晶体管基本相同并且属于相同类型。在此例子中,每个另外的参考电压块224的另一双极晶体管226包括npn双极晶体管,所述npn双极晶体管标称地与输出双极晶体管218相同。在此例子中,另一双极晶体管226布置成二极管连接式配置,然而,在其它例子中,一个或多个另一双极晶体管226可按其它配置连接,如图4和5中所示。另一输出电阻器228可与第一输出电阻器220基本相同,属于相同类型(多晶硅熔融、金属膜等)并且可具有相同的电阻值r。
[0131]
以与上文针对输出双极晶体管/第一输出电阻器对所描述相同的方式,跨每个另一电阻器228的电压可平衡跨相应的另一双极晶体管226的集电极-发射极电压v
ce
的ctat分量,从而向调节后的输出电压v
out
提供与温度无关的贡献。以此方式,一个或多个另外的参考电压块224中的每一个可向输出电压v
out
提供额外的与温度无关的贡献。在此例子中,在另一双极晶体管226被布置成二极管连接式配置的情况下,每个另外的参考电压块可对输出电压v
out
提供额外的1.25v的贡献。
[0132]
图3示出了具有参考电压电路322的示例调节器级308,该参考电压电路322包括除输出双极晶体管318和第一输出电阻器320之外的五个另外的参考电压块(n=5)。将所述五个另外的参考电压块展开示出。每个另外的参考电压块包括分别与第一输出电阻器320和输出双极晶体管318标称地相同的另一输出电阻器328-1、328-2、..328-5和另一二极管连接式双极晶体管326-1、326-2、..326-5。输出双极晶体管318和每个另一双极晶体管326-1、326-2、..326-5布置成二极管连接式配置,并且调节器级308的输出电压可写成:
[0133][0134]vout
=6
·r·
(4
·iref
) 6
·vbe
[0135]
因此,如果选择第一和另一输出电阻器320、328-1、328-2、..328-5的电阻值r以均衡跨相应输出和另一双极晶体管318、326-1、326-2、..326-5的电压v
be
的ctat电压分量,则调节后的输出电压v
out
将等于固定带隙电压的六倍(6
×
1.25=7.5v)并且与温度无关。
[0136]
如上文所论述,一个或多个另一双极晶体管可被布置成除了二极管连接式配置之外的配置。图4示出根据本公开的其它实施例的具有以电阻分压器配置连接的另一双极晶体管426的另一参考电压块424。
[0137]
另一参考电压块424包括与另一双极晶体管426的导电通道串联耦合的另一输出电阻器428,如上文关于图2和3所描述。另外,另一参考电压块424包括:耦合在另一双极晶体管426的基极端与另一双极晶体管426的第一导电通道端之间的第一分压电阻器ra430;以及耦合在另一双极晶体管426的基极端与另一双极晶体管426的第二导电通道端之间的第二分压电阻器rb 432。
[0138]
所示电阻分压器配置可被描述为k*vbe结构,因为它可供应高于1.25v固定带隙参考电压的任何电压。假设第一分压电阻器430和第二分压电阻器432的电阻值足够大,使得与在另一双极晶体管428的集电极处的电流(镜像参考电流)相比较,流过第一分压电阻器430和第二分压电阻器432的电流可忽略,可就基极-发射极电压v
be
来将集电极-发射极电压v
ce
写作:
[0139]
[0140]
因此,在收到镜像参考电流之后,另一参考电压块424可提供与基极-发射极电压v
be
成比例且大于或等于图2和3中所示的提供1.25v的经典二极管连接式配置的集电极-发射极电压v
ce
。如上文关于图2所描述,可选择另一输出电阻器428的电阻值rf以补偿另一双极晶体管426的集电极-发射极电压v
ce
的ctat系数。上文概述的用于确定第一输出电阻器的值的等式和相依性通常适用于确定另一输出电阻器428的电阻值。然而,在图4的例子中,此例子中的另一双极晶体管的集电极-发射极电压v
ce
的ctat系数可不同于上文关于图2和3的二极管连接式配置所描述的基极-发射极电压v
be
的ctat系数。因此,在此例子中,另一输出电阻器428的电阻值rf可不同于第一输出电阻器的电阻值r。然而,两个电阻器的温度相依性可保持相同(dr/dt=dri/dt)。此外,除不同电阻值rf、r和晶体管的不同连接以外,每个另一双极晶体管426和每个另一输出电阻器428另外分别与输出双极晶体管和第一输出电阻器匹配,并且还分别与参考电流发生器的双极晶体管和输出电流电阻器匹配。以此方式,另一参考电压块424可提供与温度和工艺无关的大于1.25v的任何值的调节后的输出电压。
[0141]
图5示出根据本公开的实施例的另一电压调节器500。同样在图2中示出的图5的特征已给予500系列的对应附图标号,并且此处将不必再次进行描述。
[0142]
在此例子中,参考电压电路522包括布置成二极管连接式配置的双极输出晶体管518和第一输出电阻器520。参考电压电路522同样包括n(n=0、1、2...)个另外的参考电压块524,每个参考电压块包括另一双极晶体管526和另一输出电阻器528。每个另一双极晶体管526布置成图4的电阻分压器配置。图5的电压调节器500可因此通过ra、rb和n的合适选择而提供通用范围的与温度无关的输出电压。
[0143]
图2和5所公开的电压调节器可具有极低的总静态电流,即使在电源电压的高工作电压下也如此。所述静态电流同样与负载电流无关。所述静态电流包括来自图2和5的电路的四个支路的贡献:
[0144]
·
来自第一支路的贡献取决于电源电压vpwr并且具有约2μa的最大值。
[0145]
·
来自携带第一参考电流i
ref-1
的第二支路的贡献仅取决于输出电流电阻器260的温度和电阻值ri并且通常约1μa
±
20%。
[0146]
·
来自携带参考电流i
ref
的第三支路的贡献是第二支路的两倍(归因于pmos镜268的大小比率)并且大致为2μa
±
20%。
[0147]
·
携带镜像参考电流的第四支路的贡献是第三支路的四倍(归因于输出双极晶体管218与输入双极晶体管216的大小比率)并且大致为8μa
±
20%。
[0148]
因此,对于0到20ma的负载电流,图2和5的电压调节器可具有大致15μa的最大静态电流。所述静态电流同样与任何负载电流无关。
[0149]
对于所公开的电压调节器,高电压nmos晶体管、输入双极晶体管和参考电压电路形成所述电压调节器的闭环调节器级。输入双极晶体管和参考电压电路可被视为反馈网络。所述反馈网络还可包括反馈电容器。所述反馈网络可与参考电流发生器匹配。换句话说,所述调节器级的双极晶体管和电阻器可与参考电流发生器中使用的双极晶体管和电阻器匹配。此匹配可包括所述双极晶体管和电阻器共有相同的类型(npn/pnp晶体管、多晶硅熔融、金属层等电阻器)、相同温度相依性、相同制造工艺、相同晶片、相同制造时间和/或布局上的相同位置,如本领域中已知。反馈网络和参考电流发生器的这种匹配可补偿工艺变
化并且提供相同的部件温度相依性。例如,引起标称参考电流变化的参考电流发生器的部件中的任何工艺变化将由调节器级的部件中的对应工艺变化补偿。
[0150]
由nmos晶体管和反馈网络提供的负反馈回路可通过所述nmos晶体管从电源端拉取大的电流,从而在宽带负载电流范围(多达几十ma)中以高准确性维持固定调节器输出电压v
out
。例如,图2的电压调节器可在6σ下维持7.5v
±
4%的调节后的输出电压和分布/准确性。此外,可在无需输出修整的情况下提供准确的输出电压。
[0151]
所公开的电压调节器提供低阻抗输出,所述低阻抗输出可实现对强线路调节或负载调节变化的快速瞬态响应。如果负载电流以逐步方式减小,则调节器级的负反馈回路可快速地响应以维持调节后的输出电压v
out
。低阻抗输出还可降低对负载失配变化的敏感性。
[0152]
所公开的电压调节器还提供在电源电压vpwr的宽工作范围中维持准确的调节后的输出电压分布的高值电源抑制比(pssr)。可维持高pssr,只要高电压nmos晶体管和高电压pmos电流镜(下文论述)具有足够饱和容限即可。
[0153]
总之,所公开的电压调节器包括以下布置:
[0154]
1.参考电流源,其对输入偏置电流和电源电压变化敏感性低;以及
[0155]
2.闭路调节器级,其使用与参考电流源匹配的高电压nmos导通装置和反馈网络。所述调节器级可利用由电路拓扑结构设置的缩放因子产生与带隙电压成比例的输出电压。
[0156]
所公开的电压调节器可被视为具有与任何负载电流无关的最小静态电流的自参考和自偏置电压调节器。电压调节器可在宽的负载电流和/或电源电压范围中提供准确的调节后的输出电压。
[0157]
所公开的电压调节器可用于在具有宽的输入/电源电压工作范围的环境中工作的任何电力管理ic中。所公开的电压调节器在电流消耗至关重要的应用中(具体地说在低负载下)可特别有利。所公开的电压调节器在应用于例如用于电动或混合动力车辆的电池管理系统等电池管理系统中时可特别有利。
[0158]
所述电压调节器可支持宽的高电源电压范围,同时递送极小的低功率模式电流消耗。此外,电压调节器的稳健性和准确性可简化下游电压调节器级并节省管芯大小。
[0159]
除非明确陈述特定次序,否则可按任何次序执行以上各图中的指令和/或流程图步骤。另外,本领域的技术人员将认识到,虽然已论述一个示例指令集/方法,但本说明书中的材料可以多种方式组合从而还产生其它例子,并且应在此详细描述提供的上下文内来进行理解。
[0160]
在一些示例实施例中,上文描述的指令集/方法步骤实施为体现为可执行指令集的功能和软件指令,所述可执行指令集在计算机或以所述可执行指令编程和控制的机器上实现。此类指令被加载以在处理器(例如,一个或多个cpu)上执行。术语处理器包括微处理器、微控制器、处理器模块或子系统(包括一个或多个微处理器或微控制器),或其它控制或计算装置。处理器可指代单个部件或多个部件。
[0161]
在其它例子中,本文示出的指令集/方法以及与其相关联的数据和指令存储于相应存储装置中,所述存储装置被实施为一个或多个非瞬态机器或计算机可读或计算机可用存储介质。此类一个或多个计算机可读或计算机可用存储介质被视为物品(或制品)的部分。物品或制品可指任何制造的单个部件或多个部件。如本文所定义的非瞬态机器或计算机可用介质不包括信号,但此类介质能够接收并处理来自信号和/或其它瞬态介质的信息。
[0162]
本说明书中论述的材料的示例实施例可整体或部分地通过网络、计算机或基于数据的装置和/或服务实施。这些可包括云、互联网、内联网、移动装置、台式计算机、处理器、查找表、微控制器、消费者设备、基础设施,或其它启用装置和服务。如本文和权利要求书中可能使用,提供以下非排他性定义。
[0163]
在一个例子中,使本文论述的一个或多个指令或步骤自动化。术语自动化或自动地(和其类似变体)意指使用计算机和/或机械/电气装置控制设备、系统和/或过程的操作,而不需要人为干预、观测、努力和/或决策。
[0164]
应了解,被称为耦合的任何部件可直接或间接耦合或连接。在间接耦合的情况下,可在称为耦合的两个部件之间安置额外部件。
[0165]
在本说明书中,已依据所选细节集合来呈现示例实施例。然而,本领域的技术人员将理解,可实践包括这些细节的不同选定集合的许多其它示例实施例。希望所附权利要求书涵盖所有可能的示例实施例。
转载请注明原文地址:https://win.8miu.com/read-950085.html

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