CN101782787B - 电流控制型低压降稳压电路 - Google Patents

电流控制型低压降稳压电路 Download PDF

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Abstract

低压降稳压电路在各种形式的电子系统中具有非常广泛的应用。传统的低压降稳压电路依靠电阻按比例采样输出电压，采用电压型反馈与运算，限制了环路的瞬态响应性能与控制精度。本发明公开了一种用于低压降稳压集成电路的电流型环路控制技术，使用有源电压缓冲器直接采样输出电压，利用跨导放大器产生控制电流，并经过积分滤波器产生功率晶体管的控制电压信号，能够有效提高环路的响应速度和控制精度。本发明公开的电流型控制方法的电路框架由电压采样模块1、跨导放大器4、基准电流源2、积分滤波器3和功率输出级5组成，片外带有负载6。

Description

电流控制型低压降稳压电路
技术领域
本发明属于集成电路设计领域，用于低压降稳压集成电路，具体涉及一种利用电流信号构成控制环路，从而控制输出电压的稳压结构。
背景技术
电源系统作为现代电子系统的基础具有重要的地位，电源的稳定性直接决定了电子系统的性能。在低电压供电领域，低压降稳压电路(Low Dropout Regulator，LDO)因为具有较为简单的结构、较小的电源纹波和较好的动态性能而得到了广泛的应用。
对于LDO而言，控制精度和动态响应能力是最重要的性能指标。图1是一种经典的LDO结构，电阻R0和R1对输出电压进行比例采样，放大器OP将采样到的电压信号与基准电压信号相比较，并对电压误差信号进行放大，从而获得对功率管MP0的控制量(电压)。然而，图1所示的LDO结构存在有几个方面的不足，它们将严重影响输出电压的精度和动态响应能力：
1.依靠电阻采样，尤其是依靠外置电阻采样，采样精度严重依赖于电阻R0和R1的匹配程度，一般来讲，电阻器件缺乏足够的一致性，特别是分立电阻元件的精度难以保证反馈电压与输出电压构成确定的比例关系，从而影响输出的精度的一致性；
2.实际输出负载是外部负载与采样电阻网络的并联，因此采样响应受负载的影响较大，限制了系统的动态响应能力；
3.通常LDO中使用带隙电压基准(Bandgap Voltage Reference，BGR)产生参考电压，BGR的输出稳定为1.23V，LDO输出电压稳定之后，电阻网络分压后的反馈电压不能低于这个值，这也就限制了LDO输出更低的电压。
从结构上讲，图1给出的典型LDO结构采用的是纯粹的比例控制方法(ProportionalMode)。虽然从理论上来讲，比例控制能够使环路具有较好的输出精度，但是，纯粹的比例控制受限于反馈的比例精度，难以在输出超调和稳定时间上获得较好的效果。因此，对于环路结构的改进是提高LDO性能的重要方式。
发明内容
如前文所述，经典的比例控制型LDO环路已经不能满足需求，为了同时在环路的控制精度、输出超调和稳定时间上取得突破，需要将更高级别的控制方法引入环路。基于这个思想，本发明公开了一种电流控制型LDO结构，利用比例-积分的控制方法(Proportional IntegralMode，PI)来实现LDO的控制环路，其具体的技术思想可以表述为：
1.改经典的无源电阻比例采样为有源运算放大器采样，利用运算放大器零输入电流的特性，提高采样的速度和精度；
2.改经典的反馈电压运算为电流运算，利用电流求差的方式获得实际输出电压与预设定值的差值，提高控制精度，减小系统的误差；
3.改经典的放大器输出电压控制为差值电流积分控制，利用积分器对误差电流的积分获得控制量输出，实现较高的控制精度与较小的超调量，并且能够在稳定时间上获益。
与经典的电压型控制环路不同，电流比例-积分控制型LDO环路使用电流作为环路的信号载体，能够实现高精度的控制，其优势主要体现在：
1.运算放大器采样输出电压，避免使用电阻类分立无源器件，大幅度提高了采样的速度、精度和一致性，片内集成电阻的比例关系较之分立电阻元件更为准确，这就使得比例采样的精度进一步高；
2.作为一种特例，在输出电压高于晶体管阈值电压的应用场合可以使用单位采样，进一步提高采样的精度，图3就是一种使用电压缓冲器单位采样的结构形式，图3结构正是图2结构的一种特例形式；
3.利用跨导放大器实现线性的V→I转换，保证了控制电流与输出电压的线性比例关系；
4.利用电流求差的方式生成差值电流信号，电流求和的计算精度和灵敏度远高于电压，可以实现更高的控制精度；
5.比例-积分方式构成的控制环路可以利用经典闭环系统的二阶模型加以抽象，在获得高控制精度与灵敏动态响应性能的同时，便于计算与分析；
6.LDO的输出电压直接被采样，且参与环路计算的基准源是电流，因此LDO的输出电压可以低于BGR输出参考电压的值，实现超低输出电压的LDO。
附图说明
图1经典LDO稳压电路的电路结构；
图2本发明公开的电流控制型低压降稳压电路的结构；
图3本发明公开的电流控制型低压降稳压电路中使用单位采样的结构形式；
图4本发明公开的电流控制型低压降稳压电路的一种电路实现形式；
图5本发明公开的电流控制型低压降稳压电路控制环路的负反馈关系；
图6图4中电路的实际输出效果。
具体实施方式
以下结合附图，详细说明本发明公开的电流控制型低压降稳压电路的结构和工作过程。首先从功能框图出发，说明电流控制型低压降稳压电路的原理，然后在这个基础之上给出一种电路实现形式，并详细说明其工作过程。需要说明的是，正如前文所述，单位电压采样是比例电压采样的一种特例，为便于详细说明本发明公开的稳压电路的工作细节，在后续的说明中，给出的是一个采用单位电压采样的电路实现。
图2是本发明公开的电流控制型低压降稳压电路的结构，由电压采样模块、跨导放大器、基准电流源、积分滤波器和功率输出级组成，片外还连接有负载。稳压器的电压输出端直接连接到电压采样电路的输入，电压采样电路的输出连接跨导放大器的输入，跨导放大器的输出接基准电流源和积分滤波器，并连接到功率输出级的控制端，功率输出级的输出端连接到片外负载。
在图2给出的功能框图中，功率输出级由功率管MN0构成，其漏极作为功率输入端连接到电源，栅极作为控制端，源极作为功率输出端；积分滤波器由电容Cf构成，一端连接到功率管MN0的栅极，另一端接地。
工作过程中，电压采样电路将输出电压Vout实时地比例复制到运算放大器OP的输出，即电路中的B点，由于运算放大器OP具有无穷大的输入阻抗，因此该采样不会对输出电压Vout产生影响。以图5表示出的环路负反馈关系为例，在稳定状态下，B点电压等于稳压电路的输出电压Vout，跨导放大器的输出电流等于输入参考基准电流。当由于负载或者供电电源的变化导致输出Vout下降微小偏差ΔV1时，B点同步产生同相的ΔV1幅值下降。该ΔV1将引起跨导放大器输出电流Ictrl产生ΔI的下降，由于参考的基准电流Iref的恒定特性，同时根据A点的基尔霍夫电流定律(Kirchhoff’s Current Law，KCL)，将会有ΔI的电流通过A点流进积分滤波器，从而引起A点电压升高ΔV2。输出功率管MN0栅压的上升能够抑制输出电压的下降，从而形成负反馈。对于输出电压受到某种扰动而上升的反馈过程与前面的描述类似。
环路的输出电压是由基准参考电流Iref、跨导放大器的直流增益共同决定的，对于给定的器件参数，参考电流Iref决定了该稳压电路的输出电压。
图3与图2的情况类似，区别仅仅在于图3中使用的是单位比例采样电路。对于图3与图2结构的选取主要取决于稳压电路的输出电压Vout同跨导放大器的直流工作点的关系，当稳压电路的输出电压Vout高于跨导放大器的最低直流工作点的时候，就完全可以使用单位采样电路，否则就需要使用图2中给出的升压型电压比例采样的形式。即跨导放大器的输入直流工作点的电位是整个LDO输出电压的下限，同时由于MN0管一直处于饱和状态，漏源电压Vds0较小，因此LDO输出电压的上限可以接近电源电压。
图4是图3结构的一个具体电路。MN1～3、MP1～2和MP7～8构成一个单位电压缓冲器，用于保证B点电压与Vout的同步变化，R0、MN4、MP3组成跨导放大器，MP3～4、MN5～8分别组成电流镜将跨导放大器的输出电流传递至A点，基准电流由MP6管输入，通过MP5～6电流镜传递至A点。跨导放大器的输出电流同基准电流在A点求和，求和后的差值电流通过积分电容Cf形成控制电压，用于控制功率管MN0的电流。
图6给出了图4电路的实际效果，i(mi13)为输出电流，v(ldo_out)为输出电压。在某具体应用中，LDO的输出电压为1.21V，外置解耦电容CExt为1μF。当负载电流发生变化，瞬态从100μA跃迁至100mA，输出电压v(ldo_out)在小于20μs的时间内稳定，电流跃迁前后的稳态电压差小于7mV，稳定后的输出电压纹波小于14μV，更重要的是，在这个负载电流跃迁的动态过程中，输出电压的最大压降在40mV左右。
前文提及，控制精度和动态响应能力是LDO电路的重要性能指标，这两个指标又可以进一步细化为稳定电压差、稳定时间和控制压降三个具体指标。对于采用图1结构的经典LDO而言，这三个指标通常在20mV、40μs和100μV以上，而本发明公开的电流控制型低压降稳压电路大幅度的提升了上述三个性能参数，使得LDO电路具有极佳的控制精度和动态响应能力。

Claims (1)

1.一种稳压电路，包括：
电压采样模块直接对稳压电路的输出电压Vout进行采样，被采样后的反馈电压信号不需要经过电阻网络分压，经过跨导放大器形成比例控制电流，来自基准电流源的基准电流与该比例控制电流求差，差值电流经过积分滤波器积分，形成功率输出级中功率晶体管MN0栅极的控制电压信号，功率晶体管MN0驱动片外负载；其特征在于，输出电压Vout送达所述片外负载的同时直接连接到所述电压采样模块中运算放大器的同相输入，所述运算放大器的输出通过电阻R0连接自身的反相输入端形成负反馈，同时该反相输入端通过电阻R1接地；所述运算放大器的输出连接到所述跨导放大器的输入，经跨导放大器转换成比例控制电流，所述跨导放大器的输出连接到所述基准电流源的电流输出端，并连接到所述积分滤波器和所述功率晶体管MN0的栅极；所述功率晶体管MN0的漏极接电源，其源极作为所述稳压电路的输出连接到所述片外负载。
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