CN100414469C - 一种加快稳定低压差线性稳压器输出电压的电路 - Google Patents
一种加快稳定低压差线性稳压器输出电压的电路 Download PDFInfo
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Abstract
一种加快稳定低压差线性稳压器输出电压的电路，基于由输出管(103)、误差放大器(102)、基准电压源(101)、电阻分压网络和负载(105)所组成的电路，包括一由所述基准电压源(101)输出的参考电压(Vref)和一由所述电阻分压网络输出的反馈电压(Vfb)，其特征在于：所述电阻分压网络(204)是由四个分压电阻(Ra、Rd、Re、Rf)串联而成，用于提供三个反馈电压，即第一反馈电压(Vfb+ΔV)、第二反馈电压(Vfb)和第三反馈电压(Vfb-ΔV)。本发明在不影响静态电流等指标的情况下，利用瞬态受控电流来加快对输出功率管MPX的栅电容的放电以及输出电容的放电，从而大大改善了LDO的瞬态响应，而电路规模和芯片面积都没有太多的变化。
Description
技术领域
本发明涉及一种模拟集成电路技术，尤其指一种加快稳定低压差线性稳压器输出电压的电路。
背景技术
LDO(Low Dropout Regulator，低压差线性稳压器)是电源IC(Integratedcircuit，集成电路)中的一个重要分支，和基于PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)、PFM(Pulse Frequency Modulation，脉冲频率调制原理)的DC-DC(直流-直流)转换器相比，它具有成本低，噪声低和静态电流小的优点，同时由于无需电感，也不会带来EMI的问题，在便携式产品应用中，经常会使用LDO作为系统的电源。
如图1所示，一个基本的LDO由输出管103，电阻分压网络104，误差放大器102以及基准电压源101构成。基准电压产生模块通常是带隙基准(bandgap)电压，该模块产生一个几乎不随电源电源、芯片温度等工作条件而变化的参考电压。输出电压VOUT驱动负载105，负载包括一个负载电容CL和一个负载电阻RL。系统通过电阻网络R1、R2分压进行采样，该分压信号反馈到EA(Error Amplifier，误差放大器)的一个输入端。误差放大器的另一个输入端连接参考电压，误差放大器的输出VG接到一个具有很大宽长比的PMOS驱动管MPX，当外部负载条件或者其他条件的变化使得输出电压VOUT变化时，误差放大器的输出VG电压也会随之而变化，控制PMOS管MPX的导通程度，从而使得VOUT的电压保持不变。负载电容CL用于辅助控制使得这样的一个闭环反馈系统在各种应用条件情况下保持稳定。
负载变化导致VOUT的变化以及对比变化响应速度是考察LDO性能的一个重要指标，从LDO本身设计的要求看，希望在负载变化时，VOUT输出的变化越小越好。实际应用中，外部负载的急剧变化时，例如等效负载RL突然由一个较大的阻值变成一个较小的阻值，或者RL由一个较小的阻值变成一个较大的阻值，那么在负载变化的时刻，输出电流也会产生急剧的大的变化，也就会导致输出电压的急剧变化，这个变化通过反馈电阻反映到误差放大器的正输入端，误差放大器就通过比较Vfb和Vref的电压差来控制功率管MPX的导通程度，从而来稳定输出电压VOUT。
图2给出一种典型情况下结构(如图1所示的某一设计下的LDO)的瞬态响应仿真波形。输入电压2.5V，输出1.8V。负载在1mA到150mA之间快速切换。其中：图2中第一个波形是负载电流，第二个波形是输出电压，第三个波形是MPX的栅压VG。
从图中可知，当负载电流由1mA瞬变到150mA时，输出会有一个先下降后上升的过程，这是由于当输出电压变化时，误差放大器的相应需要一定的时间，MPX的栅电压不能很快的响应负载的变化。
当负载电流由150mA瞬变到1mA时，MPX的栅压VG的变化不是其输出稳定延迟的主要原因，栅压被较早的拉高，MPX已经截止，此时负载电容上过高的电压只能经由负载RL以1mA的电流泄放，此处负载电容CL的放电时间是延迟的主要原因。
在诸多影响输出稳定速度的因素中，对输出P管栅电容和负载电容的放电时间起主要作用。在某些设计中，由于稳定性，静态电流等一些参数的制约，该LDO系统不具备很大的驱动电流给MPX栅电容以及负载电容放电时，LDO的响应特性就会很差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种加快稳定低压差线性稳压器输出电压的电路，在不影响静态电流等指标的情况下，利用瞬态受控电流来加快对输出功率管MPX的栅电容的放电以及输出电容的放电，从而大大改善了LDO的瞬态响应，而电路规模和芯片面积都没有太多的变化。
本发明所提供的一种加快稳定低压差线性稳压器输出电压的电路，基于由输出管、误差放大器、基准电压源、电阻分压网络和负载所组成的电路，包括一由所述基准电压源输出的参考电压Vref和一由所述电阻分压网络输出的反馈电压Vfb，其特征在于：所述电阻分压网络是由四个分压电阻Ra、Rd、Re、Rf串联而成，用于提供三个反馈电压，即第一反馈电压Vfb+ΔV、第二反馈电压Vfb和第三反馈电压Vfb-ΔV。
在上述的电路中，在误差放大器和输出管之间的节点上还连接一第一电荷泄放控制电路，用于对输出管的栅电容快速放电。
在上述的电路中，第一电荷泄放控制电路由一个第一比较器件comp1、一个第一MOS开关MN1和一个电流源依次连接构成，其中：该第一比较器件comp1的输入端分别接参考电压Vref和第一反馈电压Vfb+ΔV。
在上述的电路中，它还包括一在所述负载和电阻分压网络的连接节点上连接的第二电荷泄放控制电路，用于对负载的电容进行快速放电。
在上述的电路中，第二电荷泄放控制电路由一个第二比较器件comp2，一个第二MOS开关MN2和一个电阻Rb依次连接构成，其中：该第二比较器的输入分别接参考电压Vref和第三反馈电压Vfb-ΔV。
由于采用了上述的技术解决方案，本发明在不影响静态电流等指标的情况下，利用瞬态受控电流来加快对输出功率管MPX的栅电容的放电以及输出电容的放电，从而大大改善了LDO的瞬态响应，而电路规模和芯片面积都没有太多的变化。
附图说明
图1是现有LDO输出电压的电路结构示意图；
图2是一种典型情况下LDO的瞬态响应仿真波形图；
图3是本发明的LDO输出电压的电路结构示意图；
图4本发明的LDO加同样的仿真条件所得到瞬态响应仿真波形图；
图5是图4中的前三个波形的放大示意图。
具体实施方式
如图3所示，本发明LDO输出电压的电路，基于已有的由输出管103、误差放大器102、基准电压源101、电阻分压网络和负载105所组成的电路，其区别是：电阻分压网络204提供三个反馈电压，分别是Vfb，比Vfb略高的电压Vfb+ΔV以及比Vfb略低的电压Vfb-ΔV。
第一电荷泄放控制电路206是为了对输出管203的栅电容快速放电，由一个第一比较器件comp1，一个第一MOS开关MN1和一个电流源构成。第一比较器comp1的输入端分别接基准产生的参考电压Vref和一个比反馈电压略高的电压Vfb+ΔV。
第二电荷泄放控制电路207是为了对负载205电容快速放电。由一个第二比较器件，一个第二MOS开关和一个电阻构成。第二比较器comp2的输入分别接基准产生的参考电压Vref和一个比反馈电压略低的电压Vfb-ΔV。
两个比较器控制两个开关管在特定情况下给MPX栅电容以及输出负载电容放电，加快稳定。ΔV依实际情况选取，推荐30mV左右，电阻Rd，Re的值在典型LDO的应用中(该路电流大约为5uA)可以取在5k-7k ohm。
给本发明的LDO加同样的条件仿真得到图4，图4中第一个波形是负载电流，第二个波形是输出电压，第三个波形是MPX的栅压VG，第四个波形是MN1的栅压SW1，第五个波形是MN2的栅压SW2。
负载稳定时Vref＝Vfb(或者说非常接近)，比较器comp1和比较器comp2都输出低，MN1和MN2截止，系统稳定工作。
负载由小变大时，输出电压VOUT下降，当Vfb+ΔV低于Vref时，输出管、第一电荷泄放控制电路206起作用。第一比较器comp1翻转，SW1变高，第一MN1导通，MPX的栅电容迅速放电，VG更快的变低，使得MPX导通电流快速变大，输出电流快速增大，稳定电压。VOUT回复，Vfb回复，comp1翻转，回到稳定状态。第二比较器comp2这一过程不变。
负载由大变小时，输出电压VOUT上升，当Vfb-ΔV高于Vref时，负载、第二电容电荷泄放控制电路207起作用。比较器comp2翻转，SW2变高，MN2导通，使得CL上过高的电压可以经由Rb快速泄放，Rb的阻值决定了泄放电流的大小，使输出电压快速减小，达到稳定。VOUT回复，Vfb回复，comp2翻转，回到稳定状态。第一比较器comp1这一过程不变。
为了与原始LDO更好的比较，放大图4中的前三个波形得到图5。
与已有LDO比较，本发明LDO在负载由1mA瞬变到150mA时，MPX的栅压VG下降更迅速，输出在跌到1.63V的时候即回复，而原始LDO跌到1.53V才开始回复。VG的泄放电流是瞬态电流，不会影响LDO的静态功耗。
当负载由150mA瞬变到1mA时，已有LDO需要大约37us才趋于稳定(以输出±5mV为标准)，85us才完全稳定(以VOUT和VG稳定不变为标准)。本发明LDO只需要5us左右就已经趋于稳定，40us完全稳定。
以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴之内，应由各权利要求限定。而纳入权利要求的范围之内。
Claims (1)
1. 一种加快稳定低压差线性稳压器输出电压的电路，基于由输出管(103)、误差放大器(102)、基准电压源(101)、电阻分压网络和负载(105)所组成的电路，包括一由所述基准电压源(101)输出的参考电压(Vref)和一由所述电阻分压网络输出的反馈电压(Vfb)，其特征在于：
所述电阻分压网络(204)是由四个分压电阻(Ra、Rd、Re、Rf)串联而成，用于提供三个反馈电压，即第一反馈电压(Vfb+ΔV)、第二反馈电压(Vfb)和第三反馈电压(Vfb-ΔV)；
在所述误差放大器(102)和输出管(103)之间的节点上还连接一第一电荷泄放控制电路(206)，用于对输出管(103)的栅电容快速放电，所述的第一电荷泄放控制电路(206)由一个第一比较器件(comp1)、一个第一MOS开关(MN1)和一个电流源依次连接构成，其中：该第一比较器件(comp1)的输入端分别接参考电压(Vref)和第一反馈电压(Vfb+ΔV)；
一在所述负载(105)和电阻分压网络(204)的连接节点上连接的第二电荷泄放控制电路(207)，用于对负载(105)的电容进行快速放电；所述的第二电荷泄放控制电路(207)由一个第二比较器件(comp2)，一个第MOS开关(MN2)和一个电阻(Rb)依次连接构成，其中：该第二比较器的输入分别接参考电压(Vref)和第三反馈电压(Vfb-ΔV)。
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