阅读说明：本技术 快速启用的电源 (Fast-start power supply ) 是由 翁德雷·波克 约翰·皮戈特 于 2020-03-05 设计创作，主要内容包括：用于快速启用电源的方法包括通过第一分支传导第一电流,该第一分支包括响应于通过启用信号启用第一开关而与该第一开关串联连接的第一晶体管。通过该第一晶体管的第一栅极与第一源极之间的第一电容从偏置轨道去除第一电荷。通过第二分支传导第二电流,该第二分支包括响应于通过该启用信号启用第二开关而与第二晶体管串联连接的该第二开关。通过该第二晶体管的第二漏极与第二栅极之间的第二电容将第二电荷添加到该偏置轨道,其中该第一栅极和该第二栅极连接到该偏置轨道并且通过镜像参考电压偏置。(A method for quickly enabling a power supply includes conducting a first current through a first branch including a first transistor connected in series with a first switch in response to the first switch being enabled by an enable signal. The first charge is removed from the bias rail by a first capacitance between a first gate and a first source of the first transistor. A second current is conducted through a second branch that includes a second switch connected in series with a second transistor in response to enabling the second switch by the enable signal. Adding a second charge to the bias rail through a second capacitance between a second drain and a second gate of the second transistor, wherein the first gate and the second gate are connected to the bias rail and biased by a mirror reference voltage.)

快速启用的电源

技术领域

本公开大体上涉及可切换电源，且更具体地说，涉及可以在最小化稳定时间时快速地启动的电源。

背景技术

低功率集成电路(“integrated circuit，IC”)经常使用定期地启用和停用的电路或块组以节省电力。例如，在以脉冲频率调制(Pulse Frequency Modulation，PFM)模式操作的DC/DC功率转换器中，在每个时钟循环，电路块在活动状态与非活动状态之间切换。一般来说，这些电路块包括接通或断开的数字电路以及模拟电路，该模拟电路具有也进行开关的电源。对于需要快速和稳定响应的高性能模拟电路，这些电源必须快速地接通并且在短时间段内稳定到稳定值。

解决快速地启用电源问题的先前尝试包括使用电流控制电路，该电流控制电路会浪费电流并且不适合于低功率电路。另一解决方案利用闭环电路，这会减少输出电流的稳定时间并且在某些情况下消耗大量静态功率。最后，另一先前解决方案使用大型电容器，该大型电容器面积大、速度慢并且通常对负载条件敏感。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供一种快速启用的电源，包括：

偏置链，所述偏置链被配置成在偏置轨道上产生镜像参考电压；

第一分支，所述第一分支包括第一晶体管，所述第一晶体管具有连接到第一节点的第一漏极、连接到第一开关的第一源极，以及连接到所述偏置轨道的第一栅极，所述第一开关被配置成响应于启用信号而将所述第一源极短接到第二节点；

第一电容，所述第一电容处于所述第一栅极与所述第一源极之间；

第二分支，所述第二分支包括第二晶体管，所述第二晶体管具有连接到第二开关的第二漏极、连接到所述第二节点的第二源极，以及连接到所述偏置轨道的第二栅极，所述第二开关被配置成响应于所述启用信号而将所述第二漏极短接到所述第一节点；以及

第二电容，所述第二电容处于所述第二漏极与所述第二栅极之间，其中响应于所述启用信号，由所述第一电容从所述偏置轨道去除的第一电荷通过由所述第二电容添加到所述偏置轨道的第二电荷抵消。

根据一个或多个实施例，所述第一电荷等于所述第二电荷，并且所述第一晶体管的第一宽度除以所述第二晶体管的第二宽度限定最佳晶体管比率。

根据一个或多个实施例，所述最佳晶体管比率是二分之一，其中所述快速启用的电源的所述晶体管中的每一个包括n沟道场效应晶体管。

根据一个或多个实施例，所述第一开关包括n沟道场效应晶体管，所述n沟道场效应晶体管包括：连接到所述第一源极的第一开关漏极；连接到所述启用信号的第一开关栅极，所述启用信号被配置成启用所述第一开关；以及连接到所述第二节点的第一开关源极。

根据一个或多个实施例，所述第二开关包括高压n沟道场效应晶体管，所述n沟道场效应晶体管包括：连接到所述第一节点的第二开关漏极；连接到所述启用信号的第二开关栅极，所述启用信号被配置成启用所述第二开关；以及连接到所述第二漏极的第二开关源极。

根据一个或多个实施例，所述偏置链包括偏置晶体管，所述偏置晶体管包括连接到电源的偏置漏极、连接到所述偏置漏极和所述偏置轨道的偏置栅极，以及连接到所述第二节点的偏置源极。

根据一个或多个实施例，还包括连接在所述偏置源极与所述第二节点之间的偏置补偿装置，其中当启用所述第一开关时，所述偏置补偿装置与所述第一开关具有相同压降。

根据一个或多个实施例，还包括连接在所述第一节点与所述第一漏极之间的保护装置，其中当启用所述第二开关时，所述保护装置与所述第二开关具有相同压降。

根据一个或多个实施例，还包括连接在所述第二源极与所述第二节点之间的补偿装置，其中当启用所述第一开关时，所述补偿装置与所述第一开关具有相同压降。

根据一个或多个实施例，所述第一电容是所述第一晶体管的第一寄生电容，并且第二电容是所述第二晶体管的第二寄生电容。

根据本发明的第二方面，提供一种用于快速启用电源的方法，包括：

在偏置轨道上产生镜像参考电压；

通过第一节点与第二节点之间的第一分支传导第一电流，所述第一分支包括响应于通过启用信号启用第一开关而与所述第一开关串联连接的第一晶体管；

通过所述第一晶体管的第一栅极与第一源极之间的第一电容从所述偏置轨道去除第一电荷，其中所述第一栅极通过所述镜像参考电压偏置；

通过所述第一节点与所述第二节点之间的第二分支传导第二电流，所述第二分支包括响应于通过所述启用信号启用第二开关而与第二晶体管串联连接的所述第二开关；以及

通过所述第二晶体管的第二漏极与第二栅极之间的第二电容将第二电荷添加到所述偏置轨道，其中所述第二栅极通过所述镜像参考电压偏置。

根据一个或多个实施例，还包括通过将所述第一晶体管的第一宽度除以所述第二晶体管的第二宽度来确定最佳晶体管比率，其中所述最佳晶体管比率导致所述第一电荷等于所述第二电荷。

根据一个或多个实施例，确定所述最佳晶体管比率导致所述第一宽度是所述第二宽度的一半，其中所述电源的所述晶体管中的每一个包括n沟道场效应晶体管。

根据一个或多个实施例，还包括通过所述第一节点与所述第一漏极之间的保护装置补偿所述第二开关的阻抗，其中当启用所述第二开关时，所述保护装置与所述第二开关具有相同压降。

根据一个或多个实施例，还包括通过所述第二源极与所述第二节点之间的补偿装置补偿所述第一开关的阻抗，其中当启用所述第一开关时，所述补偿装置与所述第一开关具有相同压降。

根据一个或多个实施例，产生所述镜像参考电压包括通过偏置晶体管供应电流，所述偏置晶体管包括连接到电源的偏置漏极、连接到所述偏置漏极和所述偏置轨道的偏置栅极，以及连接到所述第二节点的偏置源极。

根据一个或多个实施例，还包括通过连接在所述偏置源极与所述第二节点之间的偏置补偿装置补偿所述第一开关的阻抗，其中当启用所述第一开关时，所述偏置补偿装置与所述第一开关具有相同压降。

根据本发明的第三方面，提供一种快速启用的电源，包括：

第一分支，所述第一分支包括第一晶体管，所述第一晶体管具有连接到保护装置的第一漏极、连接到第一开关的第一源极，以及连接到偏置轨道的第一栅极，所述保护装置连接到第一节点，所述第一开关被配置成响应于启用信号而将所述第一源极短接到第二节点；

第一寄生电容，所述第一寄生电容处于所述第一栅极与所述第一源极之间；

第二分支，所述第二分支包括第二晶体管，所述第二晶体管具有连接到第二开关的第二漏极、连接到补偿装置的第二源极，以及连接到所述偏置轨道的第二栅极，所述补偿装置连接到所述第二节点，所述第二开关被配置成响应于所述启用信号而将所述第二漏极短接到所述第一节点；以及

第二寄生电容，所述第二寄生电容处于所述第二漏极与所述第二栅极之间，其中响应于所述启用信号，由所述第一电容从所述偏置轨道去除的第一电荷通过由所述第二电容添加到所述偏置轨道的第二电荷抵消。

根据一个或多个实施例，，当启用所述第二开关时，所述保护装置与所述第二开关具有相同压降。

根据一个或多个实施例，，当启用所述第一开关时，所述补偿装置与所述第一开关具有相同压降。

附图说明

本发明借助于例子示出并且不受附图的限制，在附图中类似标记指示类似元件。为简单和清晰起见而示出附图中的元件并且该元件未必按比例绘制。

图1是根据本公开的例子实施例的快速启用的电源的示意图。

图2是根据本公开的例子实施例的快速启用的电源的示意图。

图3是使用图2的实施例的启用信号的时序波形的图形视图。

图4是使用图2的实施例的所产生电流的时序波形的图形视图。

图5是在不使用快速启用的电源的情况下启用信号的时序波形的图形视图。

图6是在不使用快速启用的电源的情况下所产生电流的时序波形的图形视图。

图7是根据本公开的例子实施例的用于产生快速启用的电源的方法的流程图表示。

具体实施方式

本文描述的各个实施例提供开关电源的快速启用，以最小化稳定时间并且由此更快速地提供稳定且准确的电流输出。具体来说，本公开的实施例的电路和方法使用两个开关电流分支，该开关电流分支组合以提供稳定的电源输出，而面积增加可忽略并且对静态电流的影响最小。每个分支称为偏置电流分支，并且包括相应晶体管的开关漏极或开关源极以抵消偏置线上的电荷去除(例如，镜像参考)，而电荷注入在同一偏置线上发生。通过电荷注入全部地或部分地抵消电荷去除包括将每个分支上的相应晶体管设计为具有最佳晶体管比率。在一个实施例中，相应晶体管宽度限定最佳晶体管比率，进而限定晶体管的相应寄生电容。响应于启用电流分支的相应晶体管，通过这些寄生电容发生电荷去除或注入。

图1示出根据本公开的快速启用的电源的实施例10。实施例10包括连接在偏置电源14与第二节点16之间的偏置链12。电源18连接在偏置电源14与偏置晶体管20之间。偏置晶体管20包括连接到电源18的偏置漏极22、连接到第二节点16的偏置源极24，以及连接到偏置漏极22和偏置轨道28的偏置栅极26。

实施例10还包括在第一节点32与第二节点16之间的第一分支30。第一分支30包括第一晶体管40。第一晶体管40包括连接到第一节点32的第一漏极42、连接到第一开关60的第一源极44，以及连接到偏置轨道28的第一栅极46。第一晶体管40还包括在第一栅极46与第一源极44之间的第一电容50(CGS)。在一些实施例中，第一电容50是第一晶体管的寄生电容，因此与第一晶体管40的第一宽度(例如，沟道宽度)成比例地缩放。第一开关60包括连接到第一源极44的第一开关漏极62、连接到第二节点16的第一开关源极64，以及连接到启用信号68的第一开关栅极66。

实施例10还包括在第一节点32与第二节点16之间的第二分支70。第二分支70包括第二晶体管80。第二晶体管80包括连接到第二开关90的第二漏极82、连接到第二节点16的第二源极84，以及连接到偏置轨道28的第二栅极86。在一个实施例中，第二开关90包括高压晶体管。第二晶体管80还包括在第二漏极82与第二栅极86之间的第二电容88(CDG)。在一些实施例中，第二电容88是第二晶体管的寄生电容，因此与第二晶体管80的第二宽度(例如，沟道宽度)成比例地缩放。第二开关90包括连接到第二漏极82的第二开关源极94、连接到第一节点32的第二开关漏极92，以及连接到启用信号68的第一开关栅极96。

第一分支30和第二分支70被镜像到偏置链12并且互补地补偿偏置轨道28上的电压偏移，由此在具有可忽略过冲的情况下产生偏置轨道28上的镜像参考电压的更快稳定时间。发生这种补偿是因为第一分支30的第一源极44进行负向开关，由此通过第一电容50从偏置轨道28提取电荷，而第二分支70的第二漏极82进行正向开关，由此通过第二电容器88将电荷添加或注入到偏置轨道28。在一个例子中，实施例10提供从第一分支30和第二分支70组合的通过第一节点32的100uA电流，该电流在10纳秒内稳定到可接受水平。

通过对两个分支的大小、电压摆幅和寄生电容进行适当划分的情况下，由第一分支30从偏置轨道28去除的电荷将基本上抵消由第二分支70添加到偏置轨道28的电荷。这种适当划分限定第一晶体管40与第二晶体管80之间的最佳晶体管比率。在一个例子实施例中，由第一晶体管40的第一宽度确定最佳晶体管比率，该第一宽度大致是第二晶体管80的第二宽度的二分之一。在一个例子中，第一晶体管40包括并联连接的晶体管的16个实例，而第二晶体管80包括并联连接的相同晶体管大小的33个实例。在此上下文中，“并联连接”是指漏极中的每一个连接在一起，源极中的每一个连接在一起，以及栅极中的每一个连接在一起。最佳晶体管比率的确定是工艺特定的并且可通过模拟或通过从制造工艺参数分别确定第一晶体管40和第二晶体管80的所得寄生电容50和88来确定。

当停用启用信号68时，停用第一开关60和第二开关90(例如，“断开”)。响应于停用第一开关60，第一源极44升高到大致等于偏置轨道28上的镜像参考电压以下的一个阈值(例如，第一晶体管40的VTH)的值。发生这种情况是因为第一晶体管40继续导电，直到栅极到源极电压等于第一晶体管40的阈值电压。为简洁起见，我们还将镜像参考电压称为“nbias”。响应于停用第二开关90，第二漏极82放电到第二节点16的电位(在一个例子中，零伏特)。发生这种情况是因为在nbias施加到第二栅极86的情况下，第二晶体管80继续传导电流。因此，第一电容器50(CGS)充电到大致VTH(例如，第一晶体管40的阈值电压)，并且第二电容器88(CDG)充电到nbias。

当激活启用信号68时，激活第一开关，由此将第一源极44驱动到第二节点16的电位(例如，在一个例子中，零伏特)并且使第一晶体管40传导电流。因此，第一开关60的激活通过第一电容器50的电容耦合从偏置轨道28去除电荷。去除的电荷等于CGS*(nbias-VTH)。同时，启用第二开关90，由此将第二漏极82钳位到第一节点32的电位(在一个例子中，VDD)的一个阈值电压VTH2(第二开关90的阈值电压，该阈值电压可以不同于第一开关60的阈值电压)内，并且使第二晶体管80传导电流。因此，第二开关90的激活通过第二电容器88的电容耦合将电荷添加到偏置轨道28。添加的电荷等于CDG*(VDD-VTH2)。通过选择最佳晶体管比率(以及因此限定CGS和CDG的值)，在偏置轨道28上去除和添加的净电荷将基本上为零。这种情况在CGS*(nbias-VTH)等于CDG*(VDD-VTH2)时发生。

现在参考图2，继续参考图1，描述根据本公开的快速启用的电源的实施例100。图2的实施例100的操作类似于实施例10的操作，其中附加晶体管用于通过补偿激活晶体管的沟道电阻(例如，“RDSon”值)来提高偏置链12、第一分支30与第二分支70之间的寄生电阻平衡。实施例100的偏置链12包括连接在偏置电源102与偏置轨道28之间的偏置电源晶体管110。类似于图1的电源18，偏置电源晶体管110包括连接到偏置电源102的偏置电源漏极、连接到偏置轨道28的偏置电源源极114，以及偏置电源栅极116，该偏置电源栅极116通过偏置电源晶体管电压偏置以将电流从偏置电源102供应到偏置轨道28。在另一实施例中，图1的偏置链12与图2的第一分支30和第二分支70一起使用。

实施例100的偏置链12还包括偏置补偿装置120。偏置补偿装置120包括连接到偏置晶体管源极24的偏置补偿漏极122、连接到第二节点16的偏置补偿漏极124，以及连接到等于VDD(例如，启用信号68上高压)的偏置补偿电压的偏置补偿栅极126，其中偏置补偿装置120被设计成在启用第一开关60时与第一开关60具有相同压降(例如，电流*RDSON)。在一个实施例中，VDD是1.5伏特。

实施例100的第一分支30还包括保护装置130。保护装置130包括连接到第一节点32的保护漏极132、连接到第一漏极42的保护源极134，以及连接到VDD的保护栅极136，其中保护装置130被设计成在启用第二开关90时与第二开关90具有相同压降(例如，电流*RDSON)。

实施例100的第二分支70还包括补偿装置140。补偿装置140包括连接到第二源极84的补偿漏极142、连接到第二节点16的补偿源极144，以及连接到VDD的补偿栅极146，其中补偿装置140被设计成在启用第一开关60时与第一开关60具有相同压降(例如，电流*RDSON)。在一个实施例中，通过将补偿装置140与第一开关60相比的相对大小缩放为与第二晶体管80与第一晶体管40相比的相对大小相同(例如，在一个例子中，2∶1)，实现跨越补偿装置140和第一开关60获得相同压降。

在一个实施例中，实施例100的晶体管中的每一个是N沟道场效应晶体管(NFET)。在一个实施例中，偏置电源晶体管110、保护装置130和第二开关90是高压NFET。在另一实施例中，偏置补偿电压、第一电压和第二电压各自等于VDD。在另一实施例中，快速启用的电源中包括偏置补偿装置120、保护装置130和补偿装置140中的一个或多个。

图3和图4示出图2的实施例100的实例时序波形。应理解，图3和图4中所示的时序类似地应用于图1的实施例10。参考图2，图3示出启用信号68的激活以启用快速启用的电源100。从一微妙开始，启用信号68从低状态150过渡到高状态152。

参考图2和图3，图4示出响应于激活启用信号68而流过第一节点32的输出电流。具体来说，流入第一节点32的输出电流在静态电平160处基本上从0uA开始。响应于通过第一电容器50将电荷从偏置轨道28去除，输出电流可能下冲到下冲电平162。在一个实施例中，响应于通过第二电容器88将电荷添加到偏置轨道28，输出电流过冲到过冲电平164，并且随后在3ns内快速地稳定到图4所示的100uA的作用电平166。图4的时序是示出从偏置轨道28的电荷去除以及到偏置轨道28的电荷添加的相互作用的例子。应理解，在其它实施例中，下冲电平162和过冲电平164可能由于典型的制造和环境变化而略微领先、略微滞后，但是紧密地定时以最小化对偏置轨道28的任何所得电压变化。

图5和图6示出不使用快速启用的电源的实施例的例子时序波形。类似于图3，图5示出在一微妙内启用信号从低状态170到高状态172的过渡以激活电源。相比于图4，图6示出在用于将镜像参考电压镜像化的偏置轨道上具有显著过冲的输出电流。通常，图1或图2的偏置轨道28可以是大型集成电路上的长布线，该长布线基本上会增加偏置轨道寄生电容(未示出)。此偏置轨道寄生电容会显著影响可切换电源的性能，从而导致缓慢的稳定时间或不稳定的补偿技术。图1的实施例10和图2的实施例100与偏置轨道寄生电容无关。

在图6中，输出电流从静态电平180开始。响应于启用信号，输出可以下冲到下冲电平182以及显著地过冲到分别对应于偏置轨道寄生电容50fF、200fF和500fF的过冲电平184、186、188。最后，输出稳定到作用电平190。图6示出由于偏置轨道28的路由长度以及对偏置轨道寄生电容敏感的电路和方法而高达图4中实现的电流过冲的10倍的电流过冲。即使偏置轨道28的路由长度较短，过冲电平184也是图4的过冲电平164的100％并且稳定时间超过20纳秒。

图7是根据本公开的例子实施例的快速启用电源的方法200的流程图视图。继续参考图2和图7，在202处，在偏置轨道28上产生镜像参考电压。在204处，响应于启用信号68而通过第一分支30传导第一电流。在206处，通过第一电容50从偏置轨道28去除第一电荷(例如，CGS*(nbias-VTH))。在208处，响应于启用信号68而通过第二分支70传导第二电流。在210处，通过第二电容88将第二电荷(例如，CDG*(VDD-VTH2))添加到偏置轨道28，由此基本上抵消由于启用信号68启用快速启用的电源100(或图1的实施例10)引起的偏置轨道28上的净电荷的任何变化。应理解，在各个实施例中，204、206、208和210(以及具体来说，206和210)基本上同时发生。尽管可能由于典型的制造和环境变化而发生具体来说与206和210的微小时序未对准，但是将206与210紧密对准会减少偏置轨道28上的不合需要的过冲和下冲。

应了解，所公开的实施例包括至少以下内容。在一个实施例中，快速启用的电源包括偏置链，该偏置链被配置成在偏置轨道上产生镜像参考电压。第一分支包括第一晶体管，该第一晶体管具有连接到第一节点的第一漏极、连接到第一开关的第一源极，以及连接到偏置轨道的第一栅极。第一开关被配置成响应于启用信号而将第一源极短接到第二节点。第一电容处于第一栅极与第一源极之间。第二分支包括第二晶体管，该第二晶体管具有连接到第二开关的第二漏极、连接到第二节点的第二源极，以及连接到偏置轨道的第二栅极。第二开关被配置成响应于启用信号而将第二漏极短接到第一节点。第二电容处于第二漏极与第二栅极之间，其中响应于启用信号，由第一电容器从偏置轨道去除的第一电荷通过由第二电容器添加到偏置轨道的第二电荷抵消。

在另一实施例中，用于快速启用电源的方法包括在偏置轨道上产生镜像参考电压。第一电流通过第一节点与第二节点之间的第一分支传导。第一分支包括响应于通过启用信号启用第一开关而与第一开关串联连接的第一晶体管。通过第一晶体管的第一栅极与第一源极之间的第一电容从偏置轨道去除第一电荷，其中第一栅极通过镜像参考电压偏置。第二电流通过第一节点与第二节点之间的第二分支传导。第二分支包括响应于通过启用信号启用第二开关而与第二晶体管串联连接的第二开关。通过第二晶体管的第二漏极与第二栅极之间的第二电容将第二电荷添加到偏置轨道，其中第二栅极通过镜像参考电压偏置。

在另一实施例中，快速启用的电源包括第一分支，该第一分支包括第一晶体管，该第一晶体管具有连接到保护装置的第一漏极、连接到第一开关的第一源极，以及连接到偏置轨道的第一栅极。保护装置连接到第一节点。第一开关被配置成响应于启用信号而将第一源极短接到第二节点。第一寄生电容处于第一栅极与第一源极之间。第二分支包括第二晶体管，该第二晶体管具有连接到第二开关的第二漏极、连接到补偿装置的第二源极，以及连接到偏置轨道的第二栅极。补偿装置连接到第二节点。第二开关被配置成响应于启用信号而将第二漏极短接到第一节点。第二寄生电容处于第二漏极与第二栅极之间，其中响应于启用信号，由第一电容器从偏置轨道去除的第一电荷通过由第二电容器添加到偏置轨道的第二电荷抵消。

虽然本文中参考具体实施例描述本发明，但是可以在不脱离如所附权利要求书中所阐述的本发明的范围的情况下进行各种修改和改变。因此，说明书和图式应视为说明性而不是限制性意义，并且预期所有这些修改都包括在本发明的范围内。并不意图将本文中关于具体实施例所描述的任何益处、优点或问题的解决方案理解为任何或所有权利要求的关键、必需或必不可少的特征或元素。

除非另外说明，否则例如“第一”和“第二”的术语用于任意地区分此类术语所描述的元件。因此，这些术语不一定预期指示此类元件的时间或其它优先级。