CN102880218B - 宽输入范围的线性稳压器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽输入范围的线性稳压器，主要解决现有线性稳压器输入范围窄的问题。该线性稳压器包括偏置电压产生模块(1)，基准电压产生模块(2)，偏置电流产生模块(3)，尾电流源产生模块(4)，差分输入级(5)，电流镜电路(6)、功率管P_H和分压电阻；模块(4)、(5)、(6)和高压管构成误差放大结构，对基准电压V_REF与反馈电压V_FB的差值进行放大，输出差分信号V_COMP，并通过缓冲级(7)连接到功率管，功率管的漏极为系统的输出端，输出电压V_OUT；电容C和电阻R_C串联后跨接于V_COMP与电源VDD之间，保证环路稳定；电容C₁跨接于高压管N_H2与V_OUT之间，以提高环路稳定性；电容C₂跨接于V_OUT与V_FB之间，以提高环路相位裕度。本发明有效地增大了输入范围，且避免采用高压电容，降低了生产成本。

Description

宽输入范围的线性稳压器

技术领域

本发明属于电子电路技术领域，涉及模拟集成电路，特别是一种宽输入范围的线性稳压器。

背景技术

线性稳压器LDO作为一种非常重要的电源管理类电路，广泛的应用于各类便携式产品中。线性稳压器LDO属于DC-DC变换器中的降压变压器，通常提供特定的稳定直流电压，在负载一定的情况下，其输出电压在一定的范围内，因此LDO电路系统能够保证输出电压稳定，提高电池寿命。与常用的开关型电源管理类电路相比其具有输出纹波较小、外围电路简单和不使用电感器件等优点。

线性稳压器LDO设计的重点在于如何提高环路稳定性，其频率补偿设计不仅将直接决定系统的稳定性，输出电压的精确性，同时也将对芯片的瞬态响应速度有较大的影响。目前较为普遍的补偿方式有两种，一是通过加大负载电容的等效串联电阻R_ESR，利用该等效串联电阻R_ESR产生一个零点对系统的低频极点进行补偿，以抵消负载变化对主极点频率的影响，提高环路的相位裕度，改善所述线性稳压器LDO的系统稳定性；二是加入补偿网络对驱动元件提供米勒补偿，从而提高系统的稳定性。

图1显示了传统线性稳压器LDO的结构框图，该传统线性稳压器LDO由基准电压源、误差放大器、调整元件及分压电阻构成；其中基准电源将输入电压VDD转换为基准电压V_REF；该基准电压V_REF和反馈电压V_FB分别连接到误差放大器的反相输入端和同相输入，经误差放大器的初步放大后得到差分信号V_COMP；调整元件的栅极连接差分信号V_COMP，对差分信号V_COMP进行再次反相放大；其漏极串联分压电阻R1和分压电阻R2接地，并作为线性稳压器LDO的输出端，输出信号V_OUT；分压电阻R1与分压电阻R2公共端的电压为反馈电压V_FB，并连接到误差放大器的正相输入端，形成稳定控制的负反馈控制环路；电容C₁跨接于输出电压V_OUT与误差放大器输出的差分信号V_COMP之间，作为补偿电容，以补偿误差放大器输出端产生的极点，稳定环路。

基准电压源、误差放大器、调整元件及分压电阻形成了一个负反馈系统，假设该负反馈系统稳定且开环增益远大于1，则输出电压V_OUT可近似推出：

$V_{\mathrm{FB}}=V_{\mathrm{OUT}}\×\frac{R_1}{R_1+R_2}---1)$

根据误差放大器“虚短路”的概念，可得V_FB≈V_REF，即

$V_{\mathrm{REF}}=V_{\mathrm{OUT}}\×\frac{R_1}{R_1+R_2}---2)$

可推得

$V_{\mathrm{OUT}}=V_{\mathrm{REF}}\×\frac{R_1{+R}_2}{R_1}---3)$

其中，R₁、R₂为分压电阻。因此适当选取分压电阻阻值就可以得到所需的输出电压。但是随着线性稳压器的应用越来越广泛，不论是在设计上还是在工业生产中，市场对线性稳压器的性能要求也越来越高。传统线性稳压器LDO的结构已经不能够满足市场对高性能要求的需求，尤其是在输入范围、稳定性和功耗方面，输入电压范围过小会影响线性稳压器LDO的应用范围，过大的静态功耗会影响电池的使用寿命，固定的输出电压也会影响LDO使用的灵活性。

发明内容

本发明的目的在于针对现有的线性稳压器LDO的不足，提出了一种宽输入范围的线性稳压器，以增大线性稳压器LDO的输入范围，实现输出电压的动态可调。

为实现上述目的，包括偏置电压产生模块1，基准电压产生模块2，偏置电流产生模块3，尾电流源产生模块4，差分输入级5，电流镜电路6，功率管P_H和分压电阻R1、R2；其特征在于：

所述差分输入级5，其第一输入端连接基准电压产生模块2输入的基准电压V_REF；其第二输入端连接反馈电压V_FB，从而构成负反馈环路，保证线性稳压器的输出电压V_OUT稳定；其第一输出端与源、漏极之间耐压值大于12V的高压NMOS管N_H1的源极相连；其第二输出端与源、漏极之间耐压值大于12V的高压NMOS管N_H2的源极相连；

所述高压NMOS管N_H1，其栅极连接偏置电压产生模块1输入的偏置电压V_BIAS1；其漏极与电流镜电路6的输入端相连；用于保护差分输入级5和电流镜电路6中的低压器件，防止低压器件高压击穿；

所述高压NMOS管N_H2，其栅极连接偏置电压产生模块1输入的偏置电压V_BIAS1；其漏极与电流镜电路6的输出端相连，并输出差分信号V_COMP到缓冲级7；用于保护差分输入级5和电流镜电路6中的低压器件，防止低压器件高压击穿；

所述缓冲级7，其第一输入端连接电流镜电路6输入的差分信号V_COMP；其第二输入端和第三输入端分别连接偏置电压产生模块1输入的偏置电压V_BIAS1和偏置电压V_BIAS2；其输出端连接到功率管P_H的栅极；

所述功率管P_H，其源极连接电源VDD；其漏极作为线性稳压器电路的输出端；输出电压V_OUT；

所述分压电阻R1和分压电阻R2，串联后跨接于线性稳压器的输出端与地之间；分压电阻R1和分压电阻R2的公共端电压为V_FB，并连接到差分输入级5；

所述电流镜电路6的输出端通过串联第一补偿电容C和补偿电阻R_C连接到电源VDD，用于补偿电流镜电路6的输出阻抗与缓冲级7中的寄生电容所形成的极点，以稳定环路；

所述高压NMOS管N_H2的源极与线性稳压器电路的输出端之间连接有第二补偿电容C₁，用于补偿功率管P_H栅极寄生电容与缓冲级7输出阻抗形成的极点；

所述线性稳压器的输出信号V_OUT与反馈电压V_FB之间连接有第三补偿电容C₂，用于提高环路的相位裕度。

上述线性稳压器中的缓冲级7，包括源、漏极之间耐压值大于12V的高压NMOS管N_H3，一对低压NMOS管N_M5、N_M6和电阻R_ESD；

所述低压NMOS管N_M6，其漏极通过电阻R_ESD连接到电源VDD；其栅极连接电流镜电路6输入的差分信号V_COMP；其源极与高压NMOS管N_H3的漏极相连，并作为缓冲级7的输出端，连接到功率管P_H的栅极；

所述高压NMOS管N_H3，其栅极与偏置电压产生模块1输入的偏置电压V_BIAS1相连；其源极连接低压NMOS管N_M5的漏极，用于保护低压NMOS管N_M5、N_M6，避免低压NMOS管高压击穿；

所述低压NMOS管N_M5，其栅极与偏置电压产生模块1输入的偏置电压V_BIAS2相连；其源极连接到地。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

（1）本发明由于在添加高压管的基础上采用普通低压电阻和低压电容对环路进行了补偿，使得本发明的线性稳压器能够在输入电压为2.5V～40V的范围内保证输出稳定电压，其输出电压的范围为2.8V～16V，具体输出电压值可根据不同需要通过改变分压电阻阻值进行确定，因此大大提升了产品的适用范围及其灵活性。

（2）本发明由于在电流镜电路与电源VDD之间添加了第一补偿电容C和补偿电阻R_C，使得电流镜电路的输出阻抗与缓冲级中的寄生电容所形成的极点得到补偿，保证环路稳定工作。

（3）本发明由于在高压NMOS管N_H2与线性稳压器电路的输出端之间添加了第二补偿电容C₁，使得功率管栅极寄生电容与缓冲级输出阻抗所形成的极点得到补偿，提高了环路的稳定性。

（4）本发明由于在线性稳压器的输出端与反馈电压之间添加了第三补偿电容C₂，简单有效地实现了环路的相位裕度补偿。

（5）本发明由于选择低压节点进行补偿，从而避免了成本较高、面积较大的高压电容的采用，大大降低了产品的版图面积及生产成本，有效地提高了产品的市场竞争力。

附图说明

图1是传统线性稳压器的结构原理图；

图2是本发明的宽输入范围的的线性稳压器结构原理图；

图3是本发明缓冲级电路原理图。

具体实施方式

以下结合附图及其实施例对本发明作进一步描述。

参照图2，本发明宽输入范围的线性稳压器，包括：偏置电压产生模块1，基准电压产生模块2，偏置电流产生模块3，尾电流源产生模块4，差分输入级5，电流镜电路6，缓冲级7，功率管P_H，第一补偿电容C，第二补偿电容C₁、第三补偿电容C₂，分压电阻R1、R2，补偿电阻R_C和源、漏极之间耐压值大于12V的高压NMOS管N_H1、N_H2。

所述偏置电压产生模块1，将基准电压产生模块2输入的电流信号，通过分压电阻产生出两个偏置电压信号V_BIAS1、V_BIAS2；其中偏置电压V_BIAS1分别连接到高压NMOS管N_H1的栅极、高压NMOS管N_H2的栅极和缓冲级7，为高压NMOS管N_H1、N_H2以及缓冲级7内部的高压NMOS管提供电压偏置；偏置电压V_BIAS2连接到缓冲级7，为缓冲级7内部低压NMOS管提供电压偏置；

所述基准电压产生模块2，采用典型带隙基准结构实现，用于为线性稳压器内部各模块提供基准电压和零温度系数电流；其第一输出端连接到偏置电压产生模块1，为偏置电压产生模块1提供零温度系数电流；其第二输出端连接到偏置电流产生模块3，为偏置电流产生模块3提供零温度系数电流；其第三输出端连接到差分输入级5，为差分输入级5提供基准电压；

所述偏置电流产生模块3，将基准电压产生模块2输入的电流信号通过镜像结构输出偏置电流到尾电流源产生模块4；

所述尾电流源产生模块4，采用n+1个低压PMOS管构成一个1：n的电流镜结构，其中n为自然数；用于将偏置电流产生模块3输入的偏置电流转换成不同大小的电流，并输出尾电流源I_S到差分输入级5，为差分输入级5提供尾电流；

所述差分输入级5，其第一输入端与基准电压产生模块2输入的基准电压V_REF相连；其第二输入端与反馈电压V_FB相连，从而构成负反馈环路，保证线性稳压器的输出电压V_OUT稳定；其第一输出端与高压NMOS管N_H1的源极相连；其第二输出端与高压NMOS管N_H2的源极相连；

所述高压NMOS管N_H1和高压NMOS管N_H2，其栅极共同连接偏置电压产生模块1输入的偏置电压V_BIAS1；其漏极均连接到电流镜电路6；用于保护差分输入级5和电流镜电路6中的低压器件，防止低压器件高压击穿；高压NMOS管N_H2与电流镜电路6的公共端输出差分信号V_COMP；

上述尾电流源产生模块4、差分输入级5、高压NMOS管N_H1、高压NMOS管N_H2和电流镜电路6，构成误差放大结构，将基准电压产生模块2输入的基准电压V_REF与反馈电压V_FB的差值进行差分放大，并输出差分信号V_COMP到缓冲级7；

所述缓冲级7，其第一输入端连接差分信号V_COMP；其第二输入端和第三输入端分别连接偏置电压产生模块1输入的偏置电压V_BIAS1和偏置电压V_BIAS2，为内部NMOS管提供电压偏置；其输出端连接到功率管P_H的栅极；

所述功率管P_H，其源极连接电源VDD；其漏极作为线性稳压器的输出端；输出电压V_OUT；

所述分压电阻R1和分压电阻R2，串联后跨接于线性稳压器的输出端与地之间；分压电阻R1和分压电阻R2的公共端电压为V_FB，并连接到差分输入级5；

所述第一补偿电容C和补偿电阻R_C，串联跨接于差分信号V_COMP与电源VDD之间，用于补偿电流镜电路6的输出阻抗与缓冲级7中的寄生电容所形成的极点，以保证稳定环路；由于差分信号V_COMP与电源VDD之间的电压差小于5V，故采用低压补偿电容；

所述第二补偿电容C₁，跨接于高压NMOS管N_H2的源极与线性稳压器输出电压V_OUT之间，用于补偿功率管P_H栅极寄生电容与缓冲级7输出阻抗形成的极点，以提高环路稳定性；由于高压NMOS管N_H2的源极与线性稳压器输出电压V_OUT之间的压差小于5V，故采用低压补偿电容；

所述第三补偿电容C₂，跨接于线性稳压器的输出信号V_OUT与反馈电压V_FB之间，用于提高环路的相位裕度；由于线性稳压器的输出信号V_OUT与反馈电压V_FB之间的压差小于5V，故采用低压补偿电容；

上述第一补偿电容C、第二补偿电容C₁和第三补偿电容C₂均采用低压补偿电容，避免了成本较高、面积较大的高压电容的采用，大大降低了产品的版图面积及生产成本。

参照图3，本发明中的缓冲级7，包括源、漏极之间耐压值大于12V的高压NMOS管N_H3，一对低压NMOS管N_M5、N_M6和电阻R_ESD；

所述低压NMOS管N_M6，其漏极通过电阻R_ESD连接到电源VDD；其栅极连接电流镜电路6输入的差分信号V_COMP；其源极与高压NMOS管N_H3的漏极相连，并作为缓冲级7的输出端，连接到功率管P_H的栅极；该低压NMOS管N_M6主要起跟随作用，保证缓冲级7的输出信号跟随差分信号V_COMP的变化而变化；

所述高压NMOS管N_H3，其栅极与偏置电压产生模块1输入的偏置电压V_BIAS1相连；其源极连接低压NMOS管N_M5的漏极，用于保护低压NMOS管N_M5、N_M6，避免低压NMOS管高压击穿；

所述低压NMOS管N_M5，其栅极与偏置电压产生模块1输入的偏置电压V_BIAS2相连；其源极连接到地。

本发明的具体工作原理是：

电路上电后，基准电压产生模块2激活，产生的零温度系数电流一路流入偏置电流产生模块3，一路流入偏置电压产生模块1；偏置电流产生模块3将基准电压产生模块2输入的零温度系数电流进行镜像，并输出电流至尾电流源产生模块4；偏置电压产生模块1将基准电压源2输入的零温度系数电流进行电流电压转换，产生出V_BIAS1、V_BIAS2两路偏置电压信号，分别加至高压NMOS管N_H1、N_H2的栅极和缓冲级7，为高压管和缓冲级7内部NMOS管提供电压偏置；

尾电流源产生模块4、差分输入级5、高压NMOS管N_H1、高压NMOS管N_H2和电流镜电路6，构成误差放大结构；将基准电压产生模块2输入的基准电压V_REF与反馈电压V_FB的差值进行差分放大，并输出差分信号V_COMP，该差分信号V_COMP通过缓冲级7连接到功率管P_H的栅极；功率管P_H对缓冲级7输入的信号进行反相放大，从而产生稳定的直流输出电压V_OUT，同时通过分压电阻产生反馈信号V_FB使得电路构成一个反馈的稳定回路，从而实现线性稳压器的稳压功能。

缓冲级7的主要作用在于加入了增益约为1的隔离电路，它可以将误差放大结构的输出端阻抗与功率管P_H栅级大寄生电容所形成的极点进行分离。由于缓冲级7具有输入寄生电容小，输出阻抗小的特点，故被分离出的两个极点，相对于误差放大结构的输出端阻抗与功率管P_H栅级大寄生电容所形成的极点而言，属于较高频极点，对电路的稳定性有帮助。

线性稳压器的核心电路在于它的补偿电容和补偿电阻，其中第一补偿电容C和补偿电阻R_C串联后跨接于电源VDD与差分信号V_COMP之间，相当于构造了一个专门用于补偿误差放大结构输出极点的零点，该零点的频率可通过对C、R_C值的调节来调整。第二补偿电容C₁跨接于跨接于高压NMOS管N_H2的源极与线性稳压器输出电压V_OUT之间，该第二补偿电容C₁与缓冲级7内部高压管及功率管P_H形成一个负反馈回路，形成一个零点，从而可以达到补偿误差放大结构输出极点和功率管输入极点的目的；第三补偿电容C₂跨接于输出信号V_OUT与反馈信号V_FB之间，相当于与分压电阻R2并联，以提高环路的相位裕度。

上述偏置电压产生模块1，基准电压产生模块2，偏置电流产生模块3，尾电流源产生模块4，差分输入级5和电流镜电路6均采用已有的常规电路。

以上仅是本发明的一个最佳实例，不构成对本发明的任何限制，显然在本发明的构思下，可以对其电路进行不同的变更与改进，但这些均在本发明的保护之列。

Claims (2)

1.一种宽输入范围的线性稳压器，包括：偏置电压产生模块(1)，基准电压产生模块(2)，偏置电流产生模块(3)，尾电流源产生模块(4)，差分输入级(5)，电流镜电路(6)，功率管P_H和分压电阻R1、R2；其特征在于： 

所述差分输入级(5)，其第一输入端连接基准电压产生模块(2)输入的基准电压V_REF；其第二输入端连接反馈电压V_FB，从而构成负反馈环路，保证线性稳压器的输出电压V_OUT稳定；其第一输出端与源、漏极之间耐压值大于12V的高压NMOS管N_H1的源极相连；其第二输出端与源、漏极之间耐压值大于12V的高压NMOS管N_H2的源极相连； 

所述高压NMOS管N_H1，其栅极连接偏置电压产生模块(1)输入的偏置电压V_BIAS1；其漏极与电流镜电路(6)的输入端相连；用于保护差分输入级(5)和电流镜电路(6)中的低压器件，防止低压器件高压击穿； 

所述高压NMOS管N_H2，其栅极连接偏置电压产生模块(1)输入的偏置电压V_BIAS1；其漏极与电流镜电路(6)的输出端相连，并输出差分信号V_COMP到缓冲级(7)；用于保护差分输入级(5)和电流镜电路(6)中的低压器件，防止低压器件高压击穿； 

所述缓冲级(7)，其第一输入端连接电流镜电路(6)输入的差分信号V_COMP；其第二输入端和第三输入端分别连接偏置电压产生模块(1)输入的偏置电压V_BIAS1和偏置电压V_BIAS2；其输出端连接到功率管P_H的栅极； 

所述功率管P_H，其源极连接电源VDD；其漏极作为线性稳压器电路的输出端；输出电压V_OUT； 

所述分压电阻R1和分压电阻R2，串联后跨接于线性稳压器的输出端与地之间；分压电阻R1和分压电阻R2的公共端电压为V_FB，并连接到差分输入级（5）； 

所述电流镜电路(6)的输出端通过串联第一补偿电容C和补偿电阻R_C连接到电源VDD，用于补偿电流镜电路(6)的输出阻抗与缓冲级(7)中的寄生电容所形成的极点，以稳定环路；该第一补偿电容C和补偿电阻R_C串联后跨接于电源VDD与差分信号V_COMP之间，相当于构造了一个专门用于补偿误差放大结构输出极点的零点，该零点的频率可通过对C、R_C值的调节来调整； 

所述高压NMOS管N_H2的源极与线性稳压器电路的输出端之间连接有第二补偿 电容C₁，该第二补偿电容C₁与缓冲级(7)内部高压管及功率管P_H形成一个负反馈回路，形成一个零点，从而可以达到补偿误差放大结构输出极点和功率管输入极点的目的； 

所述线性稳压器的输出信号V_OUT与反馈电压V_FB之间连接有第三补偿电容C₂，该第三补偿电容C₂跨接于输出信号V_OUT与反馈信号V_FB之间，相当于与分压电阻R2并联，用于提高环路的相位裕度。 

2.根据权利要求1所述的线性稳压器，其特征在于缓冲级(7)，包括源、漏极之间耐压值大于12V的高压NMOS管N_H3，一对低压NMOS管N_M5、N_M6和电阻R_ESD； 

所述低压NMOS管N_M6，其漏极通过电阻R_ESD连接到电源VDD；其栅极连接电流镜电路(6)输入的差分信号V_COMP；其源极与高压NMOS管N_H3的漏极相连，并作为缓冲级(7)的输出端，连接到功率管P_H的栅极； 

所述高压NMOS管N_H3，其栅极与偏置电压产生模块(1)输入的偏置电压V_BIAS1相连；其源极连接低压NMOS管N_M5的漏极，用于保护低压NMOS管N_M5、N_M6，避免低压NMOS管高压击穿； 

所述低压NMOS管N_M5，其栅极与偏置电压产生模块(1)输入的偏置电压V_BIAS2相连；其源极连接到地。