CN101815974A - 具有快速过压响应的无电容低压差电压调节器 - Google Patents

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杨真
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    • G05F1/569—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in series with the load as final control devices sensing a condition of the system or its load in addition to means responsive to deviations in the output of the system, e.g. current, voltage, power factor for protection
    • G05F1/571—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in series with the load as final control devices sensing a condition of the system or its load in addition to means responsive to deviations in the output of the system, e.g. current, voltage, power factor for protection with overvoltage detector

Abstract

提供具有一个或多个放电器电路的电压调节器，该一个或多个放电器电路对低的片上输出电容值和缓慢的环路响应时间进行补偿。在一个实施例中，电压调节器包括：耦合到输出电压线的输出晶体管，耦合到输出电压线的、用于产生输出反馈电压的输出电压感测装置，以及耦合到输出反馈电压、输出晶体管和参考电势的、用于对输出晶体管施加反馈控制的误差放大器。将第一放电器电路耦合到输出电压线并耦合到参考电势，第一放电器电路由急升的过压状态所触发。在另外的实施例中，使用快速放电器电路和慢速放电器电路的组合来改进负载阶跃响应，即，阻止输出电压跳得太高，并快速地将其拉回稳定值，以使得负载电路得到保护。

Description

具有快速过压响应的无电容低压差电压调节器
背景技术
传统的LDO电压调节器需要外部电容器来使得输出电压稳定。为了在便携式应用中增加电池寿命并节省PCB区域，低静态电流、“无电容”LDO电压调节器的使用日益增加。然而，当负载电流变化非常快(如，在小于1ns内从几十毫安变为零)时，这些无电容LDO电压调节器将遇到问题。由于受限的片上输出电容和缓慢的环路响应，输出电压将跳升到电源电压。此外，在跳升之后，取决于电阻分压器的电阻和片上电容器的电容，输出电压非常缓慢地回落到正常值。结果，LDO电压调节器的输出电压将偏离正常值，并在特别长的一段时间保持在电源电压附近。不可避免地，低电压负载电路将因此被摧毁或发生故障。
需要保留无电容LDO电压调节器的优点但是不容易受到如所描述的过压情况影响的改进型电压调节器。
发明内容
提供了电压调节器和电压调节方法，其中，一个或多个放电器电路对片上输出电容和缓慢的环路响应时间进行补偿。在一个实施例中，电压调节器包括：耦合到输出电压线的输出晶体管，耦合到输出电压线的、用于产生输出反馈电压的输出电压感测装置，以及耦合到输出反馈电压、输出晶体管和参考电压以用于将反馈控制应用到输出晶体管的误差放大器。第一放电器电路耦合到输出电压线并耦合到参考电势，第一放电器电路由急升的过压状态所触发。在另外的实施例中，使用快速和慢速放电器电路的组合来提高负载阶跃响应，即，防止输出电压跳得太高并将其很快地拉回到稳定值，从而可以保护负载电路。可以使该电路消耗非常低的功率(如，大约5μA的静态电流)，并展现出非常高的速度。在示例性的实施例中，电路可以处理1ns这么快的全范围负载阶跃(上升/下降)。
附图说明
在结合对附图的参考阅读和理解于此在下面发现的示例性实施例的详细描述后，将会理解其它特征和优势，下面提供了对附图的简要描述。
图1是具有快速负载阶跃响应的电压调节器的简化电路图；
图2是更详细地示出图1中的快速放电器电路的电路图；
图3是更详细地示出图1中的慢速放电器电路的电路图；
图4是示出图1的电压调节器的一个应用的方框图。
具体实施方式
下面是对本发明更详细的描述。本领域技术人员将认识到，下面的详细描述仅是示例性的，而不旨在作为任何形式的限制。在本公开的好处下，本发明的其它实施例将轻易地将其自身建议给这样的技术人员。现在详细参考附图中示出的本发明的实施例。将在全部图和随后的详细描述中使用相同的附图标记来指相同或类似的部件。
参见图4，示出了下文中更详细地描述的电压调节器100的一个可能的应用。电压调节器100形成了向核心处理器203提供功率的功率管理IC 201的一部分。核心处理器203可以是例如移动电子设备的处理器。从提供输入电压Vin的外部电池或USB设备205向功率管理IC 201提供功率。将输入电压Vin施加到电压调节器100以及施加到包括了低压脉宽调制(PWM)控制器211和开关213的开关电源210。电压调节器100的输出电压Vout担当针对PWM控制器211的内部电源。PWM控制器产生与输入电压Vin一起施加到开关213的控制信号(如，PWM1、PWM2)。通过开关213的适当控制，将输入电压Vin转换成用来向核心处理器203供电的电压Voutcp。
现在参见图1，示出了具有快速过压响应的电压调节器(无电容LDO电压调节器)的电路图。优选地，以单个集成电路的形式来实现电压调节器。电压调节器的基本结构包括输出晶体管M、处于阻性分压器R1、R2形式的输出电压感测装置、误差放大器OTA和输出电容器Co。优选地，输出晶体管M是PMOS晶体管。该输出晶体管M与阻性分压器R1、R2串联耦合。将输出晶体管M和阻性分压器R1、R2的串联组合连接到电源电压Vin和地之间。将输出电压线L连接到输出晶体管M和阻性分压器R1、R2之间的节点N1，在阻性分压器R1、R2两端产生输出电压Vout。在阻性分压器R1、R2的中间节点N2处产生指示输出电压Vout的反馈电压。
还将误差放大器OTA的电源端子连接到电源电压Vin和地。将误差放大器OTA的负输入端子连接到参考电压Vref。将误差放大器OTA的正输入端子连接到反馈电压Voutfb。将误差放大器OTA的输出端子连接到输出晶体管M的栅电极。从而，输出晶体管M的导通状态受到反馈环路依照参考电压Vref和反馈电压Voutfb之间的差的控制。输出电容器Co被耦合在输出线L和地之间，并用来平滑输出电压Vout的变化。
将快速放电器电路2连接到输出电压线L和地之间。将关于图2更详细地描述快速放电器电路。可选地，同样将慢速充电器电路3连接到输出电压线L和地之间。将关于图3更详细地描述慢速放电器电路。
现在参考图2，快速放电器电路包括连接在输出电压线L和地之间的放电晶体管Md，放电晶体管Md可以是NMOS晶体管。触发电路与放电晶体管Md并联连接，并包括电容器Cd和电阻器Rd。将放电晶体管Md的栅电极连接到电容器Cd和电阻器Rd之间的节点N3。在操作中，当Vout快速升高时，Cd起到短路电路的作用，并且将触发晶体管Md导通以将Vout拉低。
将启动晶体管Ms与电阻器Rd并联连接。启动晶体管Ms用于在上电事件期间旁路电阻器Rd，以避免误触发放电晶体管Md。延迟单元D连接到输出电压线L，并产生连接到启动晶体管Ms的栅电极的控制信号CS。还将延迟单元D连接到电源电压Vin和地。正常情况下，控制信号CS是低的，并且启动晶体管Ms是截止的。然而，在上电事件期间，控制信号CS升高，导通启动晶体管Md并防止放电晶体管导通。当输出电压Vout已经稳定时，降低控制信号CS，截止启动晶体管Ms。
快速放电器2不消耗静态电流，并且当输出电压开始升得非常快时，快速放电器电路2将以零时延触发并使输出节点放电。从而，有效地将输出电压的峰值限制在安全范围内，并非常快地将输出电压拉回正常值，保护低压负载电路免于损坏。
针对陡峭的过压状态，快速放电器电路2更加有效。为了提高针对较不陡峭的过压状态的效率，可提供慢速放电器电路3。慢速放电器电路3可具有如图3所示的结构。将放电晶体管Mt(优选地，NMOS)连接到输出电压线和地之间。不平衡电压比较器31控制该慢速放电器电路3。将电压比较器31的电源端子连接到电源电压Vin和地。将电压比较器的负输入端子连接到参考电压Vref。将电压比较器的正输入端子连接到反馈电压Voutfb。
当输出电压比较不陡峭地升高时，慢速放电器电路3可以确保很快地将输出电压降低到正常值。比较器的不平衡特性是为了确保当由于处理和失配的变化而存在偏移电压时，晶体管Mt将不被误触发导通。
虽然已经详细地描述了本发明的实施例，应该理解，在不背离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种改变、置换和备选。

Claims (18)

1.一种电压调节器，包括：
耦合到输出电压线的输出晶体管；
耦合到所述输出电压线的输出电压感测装置，用于产生输出反馈电压；
耦合到所述输出反馈电压、所述输出晶体管和参考电压的误差放大器，用于向所述输出晶体管施加反馈控制；以及
耦合到所述输出电压线并耦合到参考电势的第一放电器电路，所述第一放电器电路由急升的过压状态所触发。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第一放电器电路包括：
耦合在所述输出电压线和参考电势之间的第一分流晶体管；以及
耦合到所述输出电压线和所述第一分流晶体管的触发器电路。
3.根据权利要求2所述的设备，其中，所述触发器电路包括电容器和电阻器的串联组合。
4.根据权利要求3所述的设备，其中，将所述电容器和电阻器的串联组合耦合在所述输出电压线和所述参考电势之间。
5.根据权利要求2所述的设备，其中，所述第一放电器电路包括耦合到所述电阻器的旁路晶体管，所述旁路晶体管在上电事件之后立刻导通。
6.根据权利要求5所述的设备，包括耦合到所述输出电压线和所述旁路晶体管的延迟电路，用于在所述上电事件之后经历了延迟时间后使所述旁路晶体管截止。
7.根据权利要求1所述的设备，包括第二放电器电路，所述第二放电器电路具有比所述第一放电电路的响应时间长的响应时间。
8.根据权利要求7所述的设备，其中，所述比较器是非平衡的，用于避免由于制造过程变化而误触发第二分流电阻器。
9.根据权利要求7所述的设备，其中，所述第二放电器电路包括第二分流晶体管和比较器，所述比较器耦合到所述输出电压线、参考电压和所述第二分流晶体管，用于控制所述第二分流晶体管。
10.根据权利要求1所述的设备，其中，所述误差放大器是共射共基跨导放大器。
11.根据权利要求1所述的设备，在单个集成电路上形成。
12.根据权利要求10所述的设备，包括耦合到所述输出电压线并在所述集成电路上形成的输出电容器。
13.一种使用与输出电压线和放电器电路耦合的输出晶体管调节输出电压的方法，所述方法包括：
感测所述输出电压：
根据感测到的输出电压，对所述输出晶体管施加反馈控制，所述反馈控制具有延迟；以及
除所述反馈控制外，急升的过压状态使放电器电路从所述输出电压线分流电流。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述第一放电器电路具有远小于所述延迟的响应时间。
15.根据权利要求12所述的方法，包括防止所述第一放电器电路在上电事件期间工作。
16.根据权利要求12所述的方法，包括响应于所述感测到的输出电压，使第二放电器电路从所述输出电压线分流电流。
17.根据权利要求15所述的方法，其中，所述第一放电器电路提供对陡峭的过压状态的快速响应，以及所述第二放电器电路在较不陡峭的过压状态的情况下提供更有效的放电。
18.根据权利要求7所述的设备，其中，所述第一放电器电路提供对陡峭的过压状态的快速响应，以及所述第二放电器电路在较不陡峭的过压状态的情况下提供更有效的放电。
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