一种带温度补偿的全范围输入的电压调节器的制作方法

本发明涉及集成电路ic芯片电源管理技术领域，尤其是一种带温度补偿的全范围输入的电压调节器。

背景技术：

随着集成电路的发展，行业内对芯片的性能要求也越来越高，而芯片的性能在很大程度上需要其内部的电源模块提供电压支持，这就对电源模块提出了新的挑战。

对于芯片性能的要求，需要芯片在全范围输入电压下能够保持正常工作，因此，要求电压调节器能够自动实现对输入电压的调节，对应调整驱动电路，实现带载能力。

另外，芯片所采用的的元器件受温度影响较大，目前的电压调节器在高、低温环境下输出电压变化可达1v的程度，对芯片性能影响极大。

技术实现要素：

本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种带温度补偿的全范围输入的电压调节器，以实现对全范围输入电压的调节，以及自动实现对温度的补偿。

本发明采用的技术方案如下：

一种带温度补偿的全范围输入的电压调节器，包括启动电路、带隙电路、控制电路和驱动电路，所述驱动电路包括第一输出电路和第二输出电路；所述启动电路基于输入电压信号产生启动电流；所述带隙电路在所述输入电压信号为低压时，向所述控制电路传输第一信号，以使所述控制电路控制所述驱动电路的第一输出电路开启；所述带隙电路在所述输入电压信号为高压时，向所述控制电路传输第二信号，以使所述控制电路控制所述驱动电路的第二输出电路开启，第一输出电路关断；所述带隙电路通过正温度系数电压与负温度系数电压结合抵消温度系数，通过负反馈电路对所述第二输出电路的输出电压进行补偿。

进一步的，所述带隙电路包括第一支路和第二支路，所述第一支路和所述第二支路间形成ptat电流，加载于阻抗元件上，通过所述负反馈电路对所述第二输出电路的输出电压进行补偿。

进一步的，所述负反馈电路包括第一电容电路，所述第一电容电路对所述负反馈电路进行主极点补偿。

进一步的，所述第一支路包括第一三极管级联电路，所述第二支路包括第二三极管级联电路，所述第一三极管级联电路与所述第二三极管级联电路间的电压差实现正温度系数电压，加载于阻抗元件上形成ptat电流；构成所述第一三极管级联电路的三极管的数量，与构成所述第二三极管级联电路的三极管的数量之比为2:1到16:1之间。

进一步的，所述控制电路包括第一镜像电路、触发电路和第二镜像电路；所述触发电路连接所述带隙电路，以接收所述第一信号或第二信号，所述触发电路在接收所述第一信号时导通，在接收到所述第二信号时关断；所述第一镜像电路连接所述启动电路，镜像所述启动电路的启动电流；所述第二镜像电路分别连接所述触发电路和所述第一镜像电路，以镜像所述触发电路的电流，并根据镜像的电流大小对所述第一镜像电路的输出端进行分压；所述第一镜像电路的输出端连接所述第一输出电路。

进一步的，所述触发电路由至少一个p型场效应管级联而成，所述触发电路在接收到第一信号时，导通各p型场效应管，在接收到第二信号时，关断各p型场效应管。

进一步的，所述第二镜像电路包括成电流镜像关系的两个场效应管，其中一个场效应管与所述触发电路串联，另一个场效应管连接所述第一镜像电路的输出端，以镜像电流的大小对所述第一镜像电路输出的电流进行分流。

进一步的，所述第一输出电路的输入端，和/或所述第二输出电路的输入端，连接有相应的钳位电路。

进一步的，所述钳位电路由稳压电路构成，或者由至少一个场效应管级联而成。

进一步的，所述第一输出电路的输入端连接有第一钳位电路，所述第二输出电路的输入端，连接有第二钳位电路，所述第一钳位电路由4个p型场效应管级联而成，所述第二钳位电路由5个n型场效应管级联而成。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明能够在输入电压于高、低压间变化时，自动从第二输出电路过渡到第一输出电路，以实现在全范围输入电压下工作。

2、本发明所设计的带隙电路能够根据温度的变化自动对输出电压进行补偿，从而减小温度漂移对电路的影响，抗干扰能力强，使得电路具备低温度系数的特点。

3、本发明设计钳位电路能够在电压异常时自动对输入电压进行分压，防止高压击穿场效应管或其他元器件，保证电路的安全。

4、本发明能够在输入电压突变时，或者输出电路切换时，减缓输出电压的变化速度，保证负载的正常工作。

5、本发明能够在低压输入时减小电压余度损耗。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本发明带温度补偿的全范围输入的电压调节器的实施电路示例。

图2是三极管级联电路的示意图。

图中，a为启动电路，b为带隙电路，c为控制电路，d为钳位电路，e为驱动电路，mp1为第一p型场效应管，mp2为第二p型场效应管，mp3为第三p型场效应管，mp4为第四p型场效应管，mp5为第五p型场效应管，mp6为第六p型场效应管，mp7为第七p型场效应管，mp8为第八p型场效应管，mp9为第九p型场效应管，mp10为第十p型场效应管，mp11为第十一p型场效应管，mp12为第十二p型场效应管，mp13为第十三p型场效应管，mp14为第十四p型场效应管，mn1为第一n型场效应管，mn2为第二n型场效应管，mn3为第三n型场效应管，mn4为第四n型场效应管，mn5为第五n型场效应管，mn6为第六n型场效应管，mn7为第七n型场效应管，mn8为第八n型场效应管，mn9为第九n型场效应管，mn10为第十n型场效应管，mn11为第十一n型场效应管，mn12为第十二n型场效应管，mn13为第十三n型场效应管，mn14为第十四n型场效应管，r1为第一电阻，r2为第二电阻，r3为第三电阻，r4为第四电阻，r5为第五电阻，r6为第六电阻，q1为第一三极管级联电路，q2为第二三极管级联电路，vt为三极管，c1为第一电容，c2为第二电容，vm为输入端，vout为电压调节器输出端。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书（包括任何附加权利要求、摘要）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

本发明的设计思路为：带温度补偿的全范围输入的电压调节器包括启动电路a、带隙电路b、控制电路c和驱动电路e，驱动电路e包括第一输出电路和第二输出电路；启动电路a基于输入电压信号产生启动电流；带隙电路b在输入电压信号为低压时，向控制电路c传输第一信号，在输入电压信号为高压时，向控制电路c传输第二信号；控制电路c在接收第一信号时，控制驱动电路e的第一输出电路开启，控制电路c在接收第二信号时，控制驱动电路e的第二输出电路开启，第一输出电路关断。上述设计，能够保证在高压输入时，第一输出电路关断，第二输出电路开启，在低压输入时，电压调节器的输出端vout输出电压逐渐由第二输出电路过渡到第一输出电路，从而保证全范围输入电压工作，且减小低压输入时的电压余度损耗。

本发明的温度补偿是通过以下方式实现的：带隙电路b通过正温度系数电压与负温度系数电压结合抵消温度系数，即通过正温度系数电压与负温度系数电压抵消形成近似零温度系数电压，再通过负反馈电路对第二输出电路的输出电压进行补偿。带隙电路b能够根据温度的变化自动实现对电压的补偿，从而减小温度漂移给电路输出电压带来的影响。

一般说来，栅氧之间的耐压不会高于5v或6v，因此芯片内部cmos的工作电压一般不会高于5v或6v，通常以6v作为电压界限，将低于6v的输入电压视为低压，高于6v的输入电压视为高压。当然，根据具体的选型，区分界限可以进行相应的调整。

本发明提供以下实施例对本发明的设计思路进行具体说明：

说明：本发明实施例中的“场效应管mp*”指对应的场效应管为p型场效应管，“场效应管mn*”指对应的场效应管为n型场效应管。

如图1所示，本发明的电压调节器包括启动电路a、带隙电路b、控制电路c、钳位电路d和驱动电路e，钳位电路d为保护作用，可以不设计。驱动电路e包括p型场效应管输出电路（对应于第一输出电路）和n型场效应管输出电路（对应于第二输出电路），p型场效应管输出电路采用第十四p型场效应管mp14，n型场效应管输出电路采用第十三n型场效应管mn13。在输出端连接有第二电容电路，该第二电容电路防止输出电压发生突变，减缓在输入电压突变时或者输出电路切换时发生的电压突变情况。在一些实施例中，第二电容电路由电容构成，或者由第十四n型场效应管mn14构成，该第十四n型场效应管mn14的源极和漏极并联到低电位，栅极连接于输出端（p型场效应管输出电路或n型场效应管输出电路的输出端）。

启动电路a基于输入电压信号产生启动电流。如图1所示，启动电路a包括由第一p型场效应管mp1、第二p型场效应管mp2和第二电阻r2构成的支路，在启动电路a后，第二电阻r2所在支路获得电流：

，

式中，vm为输入端的电压，vgs表示对应场效应管栅极和源极间电压，例如表示第一p型场效应管mp1栅极和源极间电压，表示第二p型场效应管mp2栅极和源极间电压。进而计算出启动电流is

，

其中w、l分别指对应场效应管的宽度和长度，例如则表示第三p型场效应管mp3的宽度和长度比，则表示第二p型场效应管mp2的宽度和长度比，则表示第一n型场效应管mn1的宽度和长度比，则表示第二n型场效应管mn2的宽度和长度比。

第三p型场效应管mp3镜像第二p型场效应管mp2的电流，第一n型场效应管mn1与第三p型场效应管mp3串联，第三p型场效应管mp3通过第一电阻r1连接输入端，第一电阻r1可以平衡第一p型场效应管mp1的电压损耗，减小电流适配比例。第二n型场效应管mn2镜像第一n型场效应管mn1的电流，其漏极连接到带隙电路，第二n型场效应管mn2漏极还通过第一电容c1连接输入端vm，以起到缓冲隔离的作用。在第三p型场效应管mp3和第一n型场效应管mn1之间，还设置有第三n型场效应管mn3，第三n型场效应管mn3导通后对第三p型场效应管mp3的输出分压。启动电路a打破简并偏置点以后，带隙电路则开始工作，在整个电压调节器启动完成后，第三n型场效应管mn3启动，对第三p型场效应管mp3的输出分压，进而拉低第一n型场效应管mn1和第二n型场效应管mn2的栅极电压，第一n型场效应管mn1、第二n型场效应管mn2关闭。

带隙电路通过负反馈电路与所述n型场效应管输出电路连接，带隙电路与负反馈电路结合产生ptat电流，该ptat电流作用于负反馈电路，负反馈电路对n型场效应管输出电路的输出电压进行补偿。在一些实施例中，负反馈电路包括第十二n型场效应管mn12和第五电阻r5。带隙电路包括由第四p型场效应管mp4和第一三极管级联电路q1构成的第一支路，以及由第五p型场效应管mp5和第二三极管级联电路q2构成的第二支路，第一三极管级联电路q1和第二三极管级联电路q2分别由若干三极管级联而成，级联数量不一定相同，根据补偿需要分别设计第一三极管级联电路q1和第二三极管级联电路q2的三极管数量，4个三极管形成的级联结构如图2所示，其中vt为单个三极管。第四p型场效应管mp4与第五p型场效应管mp5维持两条支路电流近似相等，同时与驱动电路e形成负反馈。第四p型场效应管mp4和第五p型场效应管mp5成电流镜像关系，即第四p型场效应管mp4和第五p型场效应管mp5的源极并联到输入端vm，第四p型场效应管mp4和第五p型场效应管mp5的栅极并联连接启动电路a，即第二n型场效应管mn2的漏极，第四p型场效应管mp4的漏极与栅极连接。第四p型场效应管mp4的漏极连接第一三极管级联电路q1靠第四p型场效应管mp4端三极管（即直接连接第四p型场效应管mp4的三极管）的集电极，第五p型场效应管mp5的漏极分别连接第二三极管级联电路q2靠第五p型场效应管mp5端三极管（即直接连接第五p型场效应管mp5的三极管）的集电极，和第十二n型场效应管mn12的栅极，n型场效应管输出电路连接于第十二n型场效应管mn12的栅极，第十二n型场效应管mn12的源极连接第五电阻r5，第五电阻r5通过第六电阻r6连接低电位，第一三极管级联电路q1和第二三极管级联短路q2各三极管vt的基极并联于第五电阻r5和第六电阻r6之间；第一三极管级联电路q1远离第四p型场效应管mp4端三极管（即第一支路上离第四p型场效应管mp4最远的三极管）的发射极，和第二三极管级联电路q2远离第五p型场效应管mp5端三极管（即第二支路上离第五p型场效应管mp5最远的三极管）的发射极分别加载于第三电阻r3两端，第二三极管级联电路q2远离第五p型场效应管mp5端三极管（即第二三极管级联电路q2上直接连接第三电阻r3的三极管）的发射极还通过第四电阻r4连接低电位。带隙电路通过第一三极管级联电路q1和第二三极管级联电路q2的电压差▽vbe加载到第三电阻r3上，形成ptat电流，以实现正温度系数电压补偿。第一三极管级联电路q1和第二三极管级联电路q2中三极管数量之比在2:1到16:1之间（含端部值），可以根据实际需要调节两者的三极管数量之比以提高补偿精度和减小电流失配。此时以2:1举例，带隙基准通过第一三极管级联电路q1与第二三极管级联电路q2的▽vbe差值实现正温度系数电压，并加在第三电阻r3上，形成ptat电流：

，

式中，k表示玻尔兹曼常数，t表示热力学温度，q表示流过第三电阻r3的电荷量，▽vbe即为第一三极管级联电路q1基极与发射极的电压和第二三极管级联电路q2基极与发射极的电压的差值（绝对值）。

则第四电阻r4两端的电压（即正温度系数电压）为

，

vbeq2表示第二三极管级联电路q2基极与发射极间的电压。负反馈电路上第五电阻r5和第六电阻r6的阻值之比，决定第十二n型场效应管mn12栅极的电压，由此决定从第十三n型场效应管mn13输出的电压。

负反馈电路还包括第一电容电路，第一电容电路连接于第十二n型场效应管mn12的栅极，第一电容电路对负反馈电路进行主极点补偿。在一些实施例中，第一电容电路由电容构成，或者由第十一n型场效应管mn11构成，该第十一n型场效应管mn11的源极和漏极并联到低电位，栅极连接于第十二n型场效应管mn12的栅极。

控制电路c包括第一镜像电路、触发电路和第二镜像电路；触发电路连接带隙电路以接收第一信号或第二信号，触发电路在接收第一信号时导通，在接收到第二信号时关断；第一镜像电路连接启动电路a，镜像启动电路a的启动电流；第二镜像电路分别连接触发电路和第一镜像电路，以镜像触发电路的电流，并根据镜像的电流大小对第一镜像电路的输出端进行分压；第一镜像电路的输出端连接p型场效应管输出电路。在一些实施例中，第一镜像电路由第八p型场效应管mp8和第九p型场效应管mp9级联而成，第八p型场效应管mp8镜像第一p型场效应管mp1的电流，第九p型场效应管mp9镜像第二p型场效应管mp2的电流，这样可以提高电流镜像精度。触发电路由至少一个p型场效应管级联而成，所述触发电路的各所述p型场效应管的栅极并联到所述第四p型场效应管mp4的漏极，靠所述带隙电路b端的p型场效应管的源极连接所述第五p型场效应管mp5的漏极，靠所述第二镜像电路端的p型场效应管的漏极连接所述第二镜像电路。在一个实施例中，触发电路由第六p型场效应管mp6和第七p型场效应管mp7级联而成，可以根据情况改变场效应管的数量。第六p型场效应管mp6和第七p型场效应管mp7的栅极并联到第四p型场效应管mp4的漏极，第六p型场效应管mp6的源极连接第五p型场效应管mp5的漏极，第七p型场效应管mp7的漏极连接第二镜像电路。第二镜像电路包括成镜像设置的第四n型场效应管mn4和第五n型场效应管mn5，第四n型场效应管mn4的栅极、第五n型场效应管mn5的栅极以及第四n型场效应管mn4的漏极均连接触发电路的输出端（即第七p型场效应管mp7的漏极），第四n型场效应管mn4和第五n型场效应管mn5的源极并联连接低电位，第五n型场效应管mn5的漏极连接第一镜像电路的输出端（即第九p型场效应管mp9的漏极）。

钳位电路d包括第一钳位电路和/或第二钳位电路，钳位电路d作为预防性设计，在正常情况下不会起到作用。第一钳位电路连接在p型场效应管输出电路的输入端，第二钳位电路连接在n型场效应管输出电路的输入端，起到预防高压击穿第十四p型场效应管mp14、第十三n型场效应管mn13的作用。在一些实施例中，第一钳位电路由稳压电路构成，或者由至少一个场效应管级联而成，同理，第二钳位电路由稳压电路构成，或者由至少一个场效应管级联而成。本发明优选采用级联场效应管形式的钳位电路，其较二极管或稳压管形式的钳位电路具有体积更小的优势。结合输出电路中场效应管的额定电压，第一钳位电路设计由第十p型场效应管mp10、第十一p型场效应管mp11、第十二p型场效应管mp12和第十三p型场效应管mp13采用二极管接法级联而成，第二钳位电路设计由第六n型场效应管mn6、第七n型场效应管mn7、第八n型场效应管mn8、第九n型场效应管mn9和第十n型场效应管mn10采用二极管接法级联而成。

当从输入端vm输入的电压较高时，第四p型场效应管mp4和第五p型场效应管mp5均处于饱和状态，因此，第六p型场效应管mp6的栅极与源极电位近似相等，第六p型场效应管mp6和第七p型场效应管mp7截止，对应于触发电路接收到第二信号的动作。第四n型场效应管mn4和第五n型场效应管mn5没有电流，则第八p型场效应管mp8和第九p型场效应管mp9将第十四p型场效应管mp14的栅极电压拉至高电位，第十四p型场效应管mp14截止。对应此种情况，第五p型场效应管mp5将第十三n型场效应管mn13栅极电压拉至高电位，第十三n型场效应管mn13处于导通状态，此时由第十三n型场效应管mn13输出电压信号，即此时p型场效应管输出电路关断，n型场效应管输出电路工作。当输入电压逐渐下降，第五p型场效应管mp5输出电压不足以提供第十二n型场效应管mn12和第十三n型场效应管mn13的驱动电压时，第五p型场效应管mp5被压进线性区，此时第六p型场效应管mp6的栅极电压将逐渐低于源极电压并使得第六p型场效应管mp6、第七p型场效应管mp7打开，对应于触发电路接收到第一信号的动作，则第四n型场效应管mn4和第五n型场效应管mn5逐渐产生电流，开始拉低第十四p型场效应管mp14栅极（即mp9漏极）的电位，第十四n型场效应管导通，提供带载能力。此时对负载的驱动将由n型场效应管输出电路将逐渐切换至p型场效应管输出电路，第十三n型场效应管mn13的vgs电压余度损耗也将逐渐消失，使得输出电压近似与输入电压相等，实现等压输出。第十四p型场效应管mp14的基级与输入端vm之间，通过第二电容c2进行缓冲隔离。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。