Regulador de tensión de baja caída en-chip, sin condensador con control Q.

Un regulador (200) de tensión de baja caída, LDO, sin condensador,

que comprende:

un primer medio (202) amplificador para amplificar una diferencia entre una tensión de referencia (Vref) y una tensión LDO regulada; y

una salida de un medio (206) amplificador Miller acoplada a una salida del primer medio (202) amplificador, en el que el medio (206) amplificador Miller está configurado para amplificar una capacitancia Miller formada en un nodo de entrada del medio (206) amplificador Miller.

Regulador de tensión de baja caída en-chip, sin condensador con control Q

Campo de la divulgación Las formas de realización divulgadas se refieren al campo de las disposiciones sin condensador de reguladores de tensión en-chip de baja caída (LDO) . Más en concreto, las formas de realización ejemplares se refieren a las disposiciones sin condensador de reguladores de tensión LDO configurados para controlar el factor de calidad (Q) , proporcionando así estabilidad al sistema.

Antecedentes La gestión de la energía eléctrica juega un importante papel en la industria electrónica en la actualidad. Los dispositivos energizados por baterías y portátiles requieren técnicas de gestión de la energía eléctrica para prolongar la duración de las baterías y mejorar el rendimiento y la operación de los dispositivos. Un aspecto de la gestión de la energía eléctrica incluye el control de las tensiones operativas. Los sistemas electrónicos convencionales, en particular los sistemas en-chip (on-chip) (SOCs) generalmente incluyen diversos subsistemas. Los diversos subsistemas pueden ser operados con diferentes tensiones operativas adaptadas a las necesidades específicas de los subsistemas. Los reguladores de tensión son empleados para suministrar tensiones específicas a los diversos subsistemas. Los reguladores de tensión pueden también ser empleados para mantener los subsistemas aislados entre sí.

Los reguladores de tensión de baja caída (LDO) son habitualmente utilizados para generar y suministrar tensiones bajas, y conseguir una circuitería de bajo ruido. Los reguladores de tensión LDO convencionales exigen un condensador externo de gran tamaño, con frecuencia del orden de varios microfaradios. Estos condensadores externos ocupan un espacio de tablero valioso, incrementan el número de espigas del circuito integrado (IC) , e impiden soluciones eficientes de los SOCs.

Con referencia a la FIG. 1, en ella se ilustra un regulador 100 de tensión LDO convencional con un condensador CL. El condensador CL es problemático según lo expuesto con anterioridad. Como se ilustra, el regulador 100 de tensión LDO acepta una tensión de entrada Vin no regulada y una tensión de referencia Vref de entrada, y genera una tensión de salida Vout regulada. Una entrada del amplificador 102 diferencial vigila una fracción de tensión de salida Vout regulada, en cuanto determinada por la relación de resistencia de los resistores R1 y R2. La otra entrada al amplificador 102 diferencial es estable, la tensión de referencia Vref. El amplificador 102 diferencial excita un transistor de gran paso, el transistor 104. Si la tensión de salida Vout regulada, que se deriva en la salida del transistor 104 se eleva demasiado con respecto a la tensión de referencia Vref, entonces el amplificador 102 diferencial altera la intensidad de la excitación hacia el transistor 104 con el fin de mantener la tensión de salida Vout regulada en un valor de tensión constante.

El regulador 100 de tensión LDO convencional de la FIG. 1 es un sistema de “polo doble”. Un “polo” , como es sobradamente conocido en los sistemas de control asociados con circuitos eléctricos es una indicación de estabilidad del circuito eléctrico. En concreto, con respecto a los circuitos de resistor -condensador, una ganancia de bucle trazada a lo largo de una gama de frecuencias de la corriente alterna que pasa a través del circuito se incrementaría drásticamente en los polos del circuito. Con el fin de mantener la estabilidad del circuito en estos polos, los polos son compensados con otros elementos de circuito que actúan como factores de amortiguación sobre la ganancia de bucle. Si existen múltiples polos, por ejemplo, debido a las combinaciones múltiples de resistor condensador, el foco de atención debe situarse en la compensación del polo dominante. En dichos sistemas, es deseable que un polo no dominante esté situado cerca del polo dominante, de forma que los circuitos de compensación puedan ser empleados eficazmente para estabilizar tanto el polo dominante como el no dominante.

Volviendo a la FIG. 1, un polo dominante se forma en la puerta del transistor 104. El condensador CL contribuye al polo dominante. Con el fin de conseguir la estabilidad del sistema, un resistor RESR es introducido, según se muestra. Sin embargo, es extremadamente difícil controlar el RESR con la suficiente precisión con el fin de asegurar la estabilidad del regulador 100 de tensión LDO sobre ambos polos. Por tanto, como alternativa, el tamaño del condensador CL se incrementa, algunas veces hasta el orden de varios microfaradios, lo que conduce a los numerosos problemas descritos con anterioridad. Por consiguiente, surgen en la técnica soluciones que no requieren un gran condensador CL para establecer la estabilidad del regulador 100 de tensión LDO. En otras palabras, se necesitan soluciones sin condensador de reguladores de tensión LDO.

Los esfuerzos previos para eliminar el condensador de los reguladores de tensión LDO están lastrados por graves inconvenientes. Por ejemplo, un bloque de control de factor de amortiguación (DFC) se utiliza en K. N. Leung y

P.K.T. Mok, “Un regulador de baja caída de tensión CMOS sin condensador con una compensación de control de frecuencia factor de amortiguación” [“A capacitor-free CMOS low-dropout regulator with damping-factor-control frequency compensation”], IEEE J. Solid -State Circuits, vol. 38, No. 10, pp. 1691-1702, Oct. 2003 (en lo sucesivo, “Leung”) . Sin embargo, el bloque DFC de Leung es esencialmente un amplificador que incluye un condensador para intensificar la carga capacitiva a la salida del amplificador de error. Este condensador crea un polo dominante. Como resultado de ello, la técnica de Leung requiere un mínimo de una carga de corriente de 1mA con el fin de asegurar la

estabilidad del regulador de tensión LDO. Soportar dichas cargas de corriente amplias, del orden de varios mAs no es factible. Así, el regulador de tensión LDO de Leung no es apropiado para disposiciones de SOCs eficientes.

En otro ejemplo, una técnica de reducicon del factor de calidad (Q) se propone en S.K. Lau, P.K.T. Mok, K.N. Leung, “Un regulador de baja caída para SoC con reducción Q” [“A low-dropout regulator for SoC with Q-reduction”, IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. 42, No. 3, marzo 2007 (en lo sucesivo, “Lau”) . La técnica de Lau incluye un condensador y un diodo para controlar la ganancia de pico del regulador de tensión LDO. Sin embargo, la técnica de Lau también se resiente de la desventaja de que requiere una carga de corriente mínima muy grande, del orden de 100uA, con el fin de mantener la estabilidad del regulador de tensión LDO.

Otro ejemplo adicional de un regulador de tensión LDO se describe en R.J. Milliken, J. Silva-Martínez, E. Sánchez-Sinencio, “Regulador total de la tensión de baja caída CMOS en-chip” [ “Full on-chip CMOS low-dropout voltage regulator”], IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Fundamental Theor y and Applications, Vol. 54, No. 9, sept. 2007, Páginas: 1879-1890 (en adelante, “Milliken”) . Milliken utiliza un bucle diferenciador para detectar los cambios de la tensión de salida del regulador de tensión LDO, y proporciona una trayectoria de retroacción negativa rápida para las cargas transitorias. El bucle diferenciador actúa también como un “condensador Miller” para estabilizar el regulador de tensión LDO, dividiendo los polos del circuito. Milliken utiliza un espejo de corriente “cascode” para garantizar la adecuada distribución de la corriente en la puerta del transistor de paso. Sin embargo, una distribución adecuada de la corriente es difícil de mantener con tensiones de suministro de energía bajas y con la contracción de los tamaños de los dispositivos que son tendencias habituales en la técnica. La falta de una distribución apropiada de la corriente podría traducirse en un gran desplazamiento de la corriente. Además, la técnica de Milliken para controlar la ganancia de pico del regulador de tensión LDO requiere un gran número de iteracciones para conseguir la convergencia.

Otra distribución LDO adicional se observa en el producto de Texas Instrument’s “TPS73601”. El TPS73601 es una distribución independiente de un regulador de tensión LDO, que incluye una bomba de carga y un bloque “servo” para acelerar los cambios de tensión en la puerta o en el transistor de paso. El bloque servo utiliza un comparador para medir la tensión de salida. Cuando la tensión de salida es más baja que una tensión específica, esto es, si hay una infratensión, se incrementará... [Seguir leyendo]

1. Un regulador (200) de tensión de baja caída, LDO, sin condensador, que comprende:

un primer medio (202) amplificador para amplificar una diferencia entre una tensión de referencia (Vref) y una tensión LDO regulada; y

una salida de un medio (206) amplificador Miller acoplada a una salida del primer medio (202) amplificador, en el que el medio (206) amplificador Miller está configurado para amplificar una capacitancia Miller formada en un nodo de entrada del medio (206) amplificador Miller.

2. El regulador de tensión LDO sin condensador de la reivindicación 1, que comprende además un medio para acoplar las salida del primer medio amplificador a un nodo de entrada de un medio (204) de conmutación, y un medio para derivar la tensión LDO regulada en un nodo de salida del medio (204) de conmutación.

3. El regulador de tensión LDO sin condensador de la reivindicación 1, que comprende un medio para configurar el primer medio amplificador para proporcionar una trayectoria de subida para la tensión LDO, y un medio para configurar la capacitancia Miller para proporcionar una trayectoria de bajada para la tensión LDO regulada.

4. El regulador de tensión LDO sin condensador de la reivindicación 1, que comprende además un medio para reducir un factor de calidad, en el que el factor de calidad es directamente proporcional a una ganancia de tensión del regulador de tensión LDO sin condensador.

5. El regulador de tensión LDO sin condensador de la reivindicación 4, que comprende además un medio de equilibrio de una trayectoria de subida con una trayectoria de bajada para la tensión LDO regulada.

6. El regulador de tensión LDO sin condensador de la reivindicación 1, que comprende además un medio para formar una carga de salida en el nodo de salida del medio de conmutación.

7. El regulador de tensión LDO sin condensador de la reivindicación 1, en el que:

el primer medio amplificador es un amplificador de error configurado para amplificar la diferencia entre la tensión de referencia y la tensión LDO regulada; y

el medio amplificador Miller es un amplificador Miller de manera que una salida del amplificador Miller está acoplada con una salida del amplificador de error, en el que el amplificador Miller está configurado para amplificar la capacitancia Miller formada en un nodo de entrada del amplificador Miller.

8. El regulador de tensión LDO sin condensador de la reivindicación 7, que comprende además un primer condensador acoplado a la salida del amplificador de error, de forma que el primer condensador crea un bucle de retroacción positivo para reducir un factor de calidad, en el que el factor de calidad es directamente proporcional a una ganancia de tensión del regulador de tensión LDO sin condensador.

9. El regulador de tensión LDO sin condensador de la reivindicación 8, que comprende además un segundo condensador formado dentro del amplificador Miller, en el que el segundo condensador está configurado para equilibrar una trayectoria de subida y una trayectoria de bajada para la tensión LDO regulada.

El regulador de tensión LDO sin condensador de la reivindicación 7, en el que el amplificador Miller comprende un seguidor (308) de corriente, un amplificador (306) de fuente de corriente, y un espejo (304) de corriente.

11. El regulador de tensión LDO sin condensador de la reivindicación 7, en el que el amplificador de error comprende un par de inversores retroacoplados.

12. Un procedimiento para la formación de un regulador (200) de tensión LDO de baja caída sin condensador que comprende:

la configuración de un amplificador (202) de error para amplificar una diferencia entre una tensión de referencia (Vref) y una tensión LDO regulada;

el acoplamiento de una salida de un amplificador (206) Miller a una salida del amplificador (202) de error; y

la configuración del amplificador (206) Miller para amplificar una capacitancia Miller formada en un nodo de entrada del amplificador (206) Miller.

13. El procedimiento de la reivindicación 12, que comprende además el acoplamiento de la salida del amplificador de error a un nodo de puerta de un transistor (204) de paso, y la derivación de la tensión LDO regulada en un nodo de salida del transistor (204) de paso.

14. El procedimiento de la reivindicación 12, que comprende además el acoplamiento de un primer condensador a la salida del amplificador de error, de manera que el primer condensador crea un bucle de retroacción positiva para reducir un factor de calidad, en el que el factor de calidad es directamente proporcional a una ganancia de tensión del regulador de tensión LDO sin condensador.

15. El procedimiento de la reivindicación 14, que comprende además la configuración de un segundo condensador dentro del amplificador Miller, de manera que una trayectoria de subida se equilibra con una trayectoria de bajada para la tensión LDO regulada.