CN100449449C - 一种增强低压差线性稳压器驱动能力的电路 - Google Patents

Abstract

一种工艺上易实现的增强低压差线性稳压器驱动能力的电路，基于现有的LDO电路，其特征在于：它还包括一开关电路(307)和与之相连的开关控制电路(308)，其中：开关电路(307)，用于控制输出管(103)的衬底电位的连接；开关控制电路(308)，用于控制开关电路(307)中开关的导通状况。本发明在VIN电压比较低、栅源电压不够大，需要增强输出管的电流驱动能力时，把输出管的衬底电位接到VOUT，而当VIN电压比较高、输出管驱动能力足够时，输出管的衬底电位接到VIN。通过这样一个动态改变输出管衬底电压的电路，可以大大增强在VIN电压较低时LDO的驱动能力，同时，这种电路易于集成，利用普通的CMOS工艺即可实现。

Description

一种增强低压差线性稳压器驱动能力的电路

技术领域

本发明涉及一种模拟集成电路技术，尤其指一种增强低压差线性稳压器驱动能力的电路。

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压、芯片温度等工作条件而变化的参考电压。输出电压VOUT通过电阻R1、R2分压进行采样，并且该分压信号反馈到误差放大器EA(Error Amplifier)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，RL为LDO的输出所带的等效负载。

随着便携式消费电子设备(例如手机，MP3播放器，数码相机等等)的不断发展，对电源IC也不断的提出新的要求。随着工艺的进步，.18um、.13um线宽的工艺已经逐步成为主流工艺，同时主芯片的所需要的工作电压不断降低，那么就需要LDO可以产生更低的输出电压，例如：1.2V，1.5V、1.8V等等。

在便携式设备中，尤其关注的是电源IC的转换效率，对于LDO，其效率很大程度上取决于LDO的输入电压和输出电压的比值。不考虑LDO内部工作电路的静态电流损耗，LDO的效率近似为：

η＝VOUT/VIN*100％    公式(1)

可以看到，对于相同的VOUT，VIN越低，那么LDO的转换效率就越高。但是，随着输入电压VIN的降低，在接近VOUT电压的情况下，驱动大PMOS管MPX的栅源电压V_GS受到限制，至多为VIN，MPX的电流驱动能力也随之减小，这就限制了LDO的驱动能力。PMOS管的导通电流为

$I_D=\frac{1}{2}{\mathrm{\μ}}_p{C}_{\mathrm{OX}}\frac{W}{L}{(V_{\mathrm{GS}}-V_{\mathrm{TH}})}^2$ 公式(2)

式中μ_p是空穴载流子的迁移率，C_OX是单位面积的栅氧化层电容。

为输出管的宽长比，为PMOS管的阈值电压。

对于这种基于CMOS工艺的LDO驱动级，随着输入电压VIN的下降，必然会遇到驱动能力不够的问题。

为了提高输出驱动管MPX的驱动能力，在设计中可以让MPX有更大的宽长比，而更大的宽长比需要更大的芯片面积，这样会带来芯片成本的增加，同时更大的宽长比带来更大的寄生电容，这对LDO的响应速度又有不利的影响。

PMOS管是一个四端器件，分别为，栅(Gate)、源(Source)、漏(Drain)和衬底(Buck)，在图1中，MPX的栅接在误差放大器EA的输出，源端和衬底一起接到VIN，漏端接到VOUT。

而在有限的栅源电压和PMOS管MPX尺寸的情况下，给源与衬底之间增加一个正向偏压，改变阈值电压是一个十分有效的方法。阈值电压为：

$V_{\mathrm{TH}}=V_{\mathrm{TH}0}+\mathrm{\γ}(\sqrt{\left|{2\mathrm{\Φ}}_F\right|-V_{\mathrm{SB}}}-\sqrt{\left|{2\mathrm{\Φ}}_F\right|})$ 公式(3)

式中V_TH0定义为界面的电子浓度等于P型衬底的多子浓度时的栅压，γ是体效应系数，|2Ф_F|是表面反型势。

由公式(2)(3)可以看出，在相同的VGS情况下，随着源衬电压V_SB的增加，V_TH变小，I_D变大。这样就提高了MPX的驱动能力，使得MPX能够导通更大的电流。

为了增加LDO驱动能力，已有的解决电路如图2所示。

图2新增结构(206)是一种电流镜采样输出管电流改变源衬电压V_SB的方法，二极管D是肖特基二极管。轻负载低电流时，V_SB近似为0。随着负载增加流经MPX的电流增大，MPS采样电流增大，V_SB增大，MPX的V_TH变小，使得MPX的驱动能力得到提升。

但是，在通常的CMOS工艺中，一般不能提供这样的肖特基二极管，为了实现上述的电路结构，需要外接一个肖特基二极管，这样不利于集成，也增加了应用成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种增强低压差线性稳压器驱动能力的电路，不仅能改善LDO驱动能力，提高LDO的转换效率，而且容易实现。

本发明所提供的一种增强低压差线性稳压器驱动能力的电路，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，其特征在于：它还包括一开关电路和与之相连的开关控制电路，其中：开关电路，用于控制输出管的衬底电位的连接；开关控制电路，用于控制所述开关电路中开关的导通状况。

在上述的增强低压差线性稳压器驱动能力的电路中，开关电路包括两MOS管MP1、MP2和一反相器INV。

在上述的增强低压差线性稳压器驱动能力的电路中，两个MOS管MP1、MP2形成为不同时导通的开关。

在上述的增强低压差线性稳压器驱动能力的电路中，两开关不同时导通的方式为：当第一MOS管MP1导通时，输出管MPX的衬底接到输入电压VIN，为通常情况；当第二MOS管MP2导通时，输出管MPX的衬底电位接到输出电压VOUT，此时产生一个VSB电压。

在上述的增强低压差线性稳压器驱动能力的电路中，开关控制电路由一个具有回滞特性的比较器、电阻R3和电流源ISR构成，比较器的负端接输出电压VOUT，正端接一电流源和电阻间产生的参考电位。

由于采用了上述的技术解决方案，即，在VIN电压比较低、需要增强输出管的电流驱动能力时，这时把输出管的衬底电位接到VOUT，而当VIN电压比较高、输出管驱动能力足够时，输出管的衬底电位接到VIN。通过这样一个动态改变输出管衬底电压的电路，可以大大增强在VIN电压较低时LDO的驱动能力，同时，这种电路易于集成，利于普通的CMOS工艺即可实现。

附图说明

图1是现有的一个基本的LDO的电路图；

图2是现有的增加LDO驱动能力后的电路图；

图3是本发明增强LDO驱动能力的电路图。

具体实施方式

如图3所示，本发明，即一种增强低压差线性稳压器驱动能力的电路，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104和负载105所组成的现有电路，其特征在于：它还包括一开关电路307和与之相连的开关控制电路308，其中：

开关电路307包括两MOS管MP1、MP2和一反相器INV，用于控制输出管103的衬底电位的连接；

开关控制电路308由一个具有回滞特性的比较器、电阻R3和电流源ISR构成，比较器的负端接输出电压VOUT，正端接一电流源和电阻间产生的参考电位，用于控制所述开关电路307中的某一开关的导通状况。

参见图3，利用MOS开关307来控制输出管MPX的衬底电位的连接，开关MP1和MP2是一组不同时导通的开关，当MP1导通时，MPX的衬底接到VIN，为通常情况；当MP2导通时，MPX的衬底电位接到VOUT，此时产生一个VSB电压。MP1和MP2的导通状况由开关控制电路(308)决定。开关控制电路308由一个具有回滞特性的比较器构成，比较器的负端接VOUT，正端接一电流源何电阻产生的参考电位，该点电位为：

V+＝VIN-VR3＝VIN-ISR*R3

电流源ISR使R3上产生一个300mV左右的压降。

当V_IN-V_R3＞V_OUT时，MP1导通，V_SB＝0。

当V_IN-V_R3＜V_OUT时，MP2导通，V_SB＝V_IN-V_OUT

通过这样的一个开关结构来动态的控制MPX的衬底电位，使得当VIN电压比较低并且接近VOUT时，MPX的衬底电位接到VOUT，正向偏置MPX的源端到衬底的电压，这样就等效减小了MPX的阈值电压，从而增强了MPX的电流驱动能力。而比较器具有回滞特性，又使得MPX的衬底电压的切换不会随着VIN、VOUT的变化而频繁改变，这样提高了系统的稳定性，通常回滞电压可以设置为100mV～200mV。

MPX的电流驱动能力公式如下：

$I_D=\frac{1}{2}{\mathrm{\μ}}_p{C}_{\mathrm{OX}}\frac{W}{L}{(V_{\mathrm{GS}}-V_{\mathrm{TH}0}-\mathrm{\γ}(\sqrt{\left|{2\mathrm{\Φ}}_F\right|-V_{\mathrm{SB}}}-\sqrt{\left|{2\mathrm{\Φ}}_F\right|}))}^2$ 公式(4)

对于VIN＝1.5V，VOUT＝1.2V的一种应用情况下，可以计算一下是否采用本发明所带来输出管电流驱动能力的差别：

μ_pC_OX为15uA/V²，V_TH0为0.9V，γ为0.5V^1/2，|2Ф_F|为0.6V，这几个参数是和工艺相关的参数，MPX的宽长比W/L设计为40000，在VIN电压为1.5V时，V_GS最大值为1.5V，

当V_SB为0时，I_Dmax＝108mA。

当V_SB为0.3V时，I_Dmax＝152.7mA。

可见：如果不采用本发明的方法，MPX的衬底电位固定接VIN，那么MPX的最大驱动能力为108mA，而当采用本专利提出的电路后，驱动能力可以增大到152.7mA，驱动能力有了极大的改善。

综上所述，本发明具有下列优点：

1.在VIN电压比较低的情况下，显著改善LDO驱动能力。

2.工艺实现容易，用一般的CMOS工艺即可实现，在应用时无需额外的元器件。

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 (5)

1.一种增强低压差线性稳压器驱动能力的电路，基于由输出管、误差放大器(102)、基准电压源(101)、电阻分压网络(104)和负载(105)所组成的电路，其特征在于：它还包括一开关电路(307)和与之相连的开关控制电路(308)，其中：

开关电路(307)，用于控制输出管的衬底电位的连接，其中当输入电压VIN较低、需要增强输出管的电流驱动能力时，将所述衬底电位接到输出电压VOUT，当所述输入电压VIN较高、输出管驱动能力足够时，将所述衬底电位接到输入电压VIN；

开关控制电路(308)，用于控制所述开关电路(307)中开关的导通状况。

2.根据权利要求1所述的增强低压差线性稳压器驱动能力的电路，其特征在于：所述开关电路(307)包括两MOS管(MP1、MP2)和一反相器(INV)。

3.根据权利要求2所述的增强低压差线性稳压器驱动能力的电路，其特征在于：所述两个MOS管(MP1、MP2)形成为不同时导通的开关。

4.根据权利要求3所述的增强低压差线性稳压器驱动能力的电路，其特征在于：所述两MOS管不同时导通的方式为：当第一MOS管(MP1)导通时，输出管的衬底接到输入电压(VIN)；当第二MOS管(MP2)导通时，输出管的衬底电位接到输出电压(VOUT)，此时产生一个VSB电压。

5.根据权利要求1所述的增强低压差线性稳压器驱动能力的电路，其特征在于：所述开关控制电路(308)由一个具有回滞特性的比较器、电阻(R3)和电流源(ISR)构成，比较器的负端接输出电压(VOUT)，正端接一电流源和电阻间产生的参考电位。

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