CN103336548A - 一种基于电流感应的ldo瞬态响应增强电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于增强LDO瞬态响应能力的基于电流感应的摆率增强电路。本发明通过检测电流来鉴别负载是否突然跳变，在负载和调整管两处设置了电流感应器。当负载发生瞬态变化时，最先变化的是负载电流，负载电流对输出电容充放电一段时间后，才有明显的输出电压变化。因此感应电流的方式能够最大限度地降低检测的延迟，提高LDO瞬态响应性能。仿真结果显示，本发明能够显著提供LDO的负载瞬态响应能力。

Description

一种基于电流感应的LDO瞬态响应增强电路

技术领域

发明涉及低压差线性稳压器LDO领域，更具体地，涉及一种基于电流感应的LDO瞬态响应增强电路。

背景技术

低压差线性稳压器（LDO）由于其输出噪声低、压降小、成本低等优点，在便携式电子产品中得到了越来越广泛的应用。在由LDO稳压的高速数字电路中，主频越来越高，甚至达到几GHz。数字电路内电平的瞬间跳变会引起电流的瞬间跳变。把数字电路看成是LDO的负载，负载电流的瞬间跳变会对LDO的输出电压产生影响。

LDO的瞬态响应包含有线性瞬态响应和负载瞬态响应。线性瞬态响应指的是输入电压阶跃突变时，LDO输出电压的响应情况；负载瞬态响应指的是负载电流阶跃突变时，LDO的输出响应情况。由于LDO芯片正常工作时的供电电压相对稳定，而负载电流经常出现切换。而在实际LDO设计中，负载瞬态响应才更应该被注重。

传统的LDO采用如图1所示的结构，需要外接uF级别的电容，外接电容有两个好处。一是外接电容的串联等效会产生一个零点，控制合适的值可以使这个零点抵消LDO系统的一个极点，增大相位裕度，使LDO输出稳定；二是大的外接电容有助于提高LDO的瞬态响应，对负载电流突变引起的输出电压波动具有很好的抑制作用。

但传统LDO电路中，当负载电流瞬间由小变大时，因为调整管来不及传输足够的电流给负载，输出电容为给负载提供输出电流而放电，才使得输出电压降低；负载电流瞬间由大变小时，调整管来不及关断，而负载电流已经变得很小，因此过多的电流对输出电容充电，才使得输出电压升高。可见，输出电压变化的发生滞后于负载电流的变化。而由于传统LDO电路结构限制，为了增强LDO的瞬态响应能力而不减弱其他性能，单单调整LDO参数并不能取到实质性的效果，因此必须在电路结构上进行改进。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提出一种基于电流感应的LDO瞬态响应增强电路，本发明电路能在低压差线性稳压器LDO中运用基于电流感应的摆率增强电路来减小输出电压的过冲。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种基于电流感应的LDO瞬态响应增强电路，包括负载和调整管Mp，还包括电阻R1、电阻R2、放大器EA和基于电流感应的摆率增强电路；其中所述基于电流感应的摆率增强电路包括比较器OA3、比较器OA4、放大器OA6、NMOS管MSKD2、MSK2、PMOS管MSR2、感应电阻Resr1-Resr2、电容Co、Mp电流感应电路和输出电流感应电路；

所述调整管Mp的漏极通过串联连接的感应电阻Resr1、Resr2和电容Co接地，还通过串联连接的电阻R2、R1接地，并通过输出电流感应电路与负载连接，负载的另一端接地；调整管Mp的栅极通过Mp电流感应电路与放大器OA6的正输入端连接；

感应电阻Resr1、Resr2间的引出端分别接比较器OA3、比较器OA4的负输入端，感应电阻Resr2与电容Co间的引出端分别接比较器OA3、比较器OA4的正输入端，比较器OA3的输出端接MSR2的栅极，比较器OA4的输出端接MSK2的栅极，输出电流感应电路的输出端接放大器OA6的负输入端，放大器OA6的输出端接MSKD2的栅极，MSKD2、MSK2的源极接地，MSKD2的漏极接MSK2的栅极，MSK2的漏极分别与MSR2的漏极和调整管Mp的栅极连接，MSR2的源极与VHD连接；电阻R2、R1间的引出端接放大器EA的正输入端连接，放大器EA的负输入端接基准电压源Vref，放大器EA的输出端与调整管Mp的栅极连接。

在片内集成的电容Co串联很小的感应内阻Resr1、Resr2，用来感应Co充电或放电电流，对应节点的电压为V_esr1和V_esr2。当电流对Co充电时，V_esr1>V_esr2；当C_O向负载放电时，V_esr1<V_esr2，因此V_esr1和V_esr2能够感应出瞬态何时发生。“Mp电流感应电路”感应流过调整管Mp的电流，输出一个与调整管Mp电流成正比的电压V_IMp；“输出电流感应电路”感应负载电流，输出一个与负载电流成正比的电压V_Io。

更进一步的，所述调整管Mp为P型MOS管。

更进一步的，所述Mp电流感应电路包括MOS管M1、MOS管M2和电阻R9，所述MOS管M1的栅极接调整管Mp的栅极，MOS管M1的源极接调整管Mp的源极，MOS管M1的漏极接MOS管M2的源极，MOS管M2的栅漏极连接，并通过电阻R9接地，同时与放大器OA6的正输入端连接。

更进一步的，所述MOS管M1、MOS管M2为P型MOS管。

更进一步的，所述MOS管M1的宽长比是Mp的宽长比的

更进一步的，所述输出电流感应电路包括电阻R3、电阻R4、电阻R7、电阻R8、电阻Rs和运放OA7，所述调整管Mp的漏极通过串联连接的电阻R4、R3接地，调整管Mp的漏极还通过串联连接的电阻Rs、R8与R7接地，电阻R4与电阻R3的引出端接运放OA7的正输入端，电阻R8与电阻R7的引出端接运放OA7的负输入端，运放OA7的输出端接放大器OA6的负输入端。

更进一步的，所述电阻R4=R8，R3=R7，R_S<<R₈。

本发明的有益效果：本发明通过检测电流来感应负载状态，在负载和调整管两处设置了Mp电流感应器。当负载发生瞬态变化时，最先变化的是负载电流，负载电流对输出电容充放电一段时间后，才有明显的输出电压变化。因此感应电流的方式能够最大限度地降低瞬态响应的延迟，提高LDO瞬态性能。仿真结果显示，本发明能够显著提供LDO的负载瞬态响应能力。

附图说明

图1为传统LDO电路原理图。

图2为本发明的基于电流感应的摆率增强电路。

图3为本发明的Mp电流感应电路和输出电流感应电路。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步阐述，但本发明的实施方式并不限于此。实施例一

图2所示的基于电流感应的摆率增强电路，包括负载和调整管Mp，还包括电阻R1、电阻R2、放大器EA和基于电流感应的摆率增强电路；其中所述基于电流感应的摆率增强电路包括比较器OA3、比较器OA4、放大器OA6、NMOS管MSKD2、MSK2、PMOS管MSR2、感应电阻Resr1-Resr2、电容Co、Mp电流感应电路和输出电流感应电路；

所述调整管Mp的漏极通过串联连接的感应电阻Resr1、Resr2和电容Co接地，还通过串联连接的电阻R2、R1接地，并通过输出电流感应电路与负载连接，负载的另一端接地；调整管Mp的栅极通过Mp电流感应电路与放大器OA6的正输入端连接；

感应电阻Resr1、Resr2间的引出端分别接比较器OA3、比较器OA4的负输入端，感应电阻Resr2与电容Co间的引出端分别接比较器OA3、比较器OA4的正输入端，比较器OA3的输出端接MSR2的栅极，比较器OA4的输出端接MSK2的栅极，输出电流感应电路的输出端接放大器OA6的负输入端，放大器OA6的输出端接MSKD2的栅极，MSKD2、MSK2的源极接地，MSKD2的漏极接MSK2的栅极，MSK2的漏极分别与MSR2的漏极和调整管Mp的栅极连接，MSR2的源极与VHD连接；电阻R2、R1间的引出端接放大器EA的正输入端连接，放大器EA的负输入端接基准电压源Vref，放大器EA的输出端与调整管Mp的栅极连接。

片内集成的输出电容C_O串联着很小的感应电阻R_esr1和R_esr2，这里R_esr1=0.05Ω，R_esr2=0.25Ω。用来感应C_O充电或放电电流，对应节点的电压分别为V_esr1和V_esr2。当电流对C_O充电时，V_esr1>V_esr2；当电容C_O向负载放电时，V_esr1<V_esr2，因此V_esr1和V_esr2能够感应出瞬态何时发生。“Mp电流采样电路”检测流过调整管Mp的电流，输出一个与调整管Mp电流成正比的电压V_IMp；“输出电流采样电路”检测负载电流，输出一个与负载电流成正比的电压V_Io。

按照负载电流瞬态变化的不同情况，对基于电流感应的摆率增强电路的工作分析如下：

负载电流稳定工作的情况

当负载电流稳定不变时，流过调整管Mp的电流和负载电流相等，因此V_IMp=V_Io，设计放大器OA6的直流工作点使放大器OA6输出为低电平，MSKD2关断。电容C_O既没有充电也没有放电，流过R_esr1和R_esr2的电流约等于0，并且由于R_esr1和R_esr2的阻值很小，V_esr1=V_esr2。设计比较器OA3和OA4时，使比较器OA3输出的直流工作点为高电平，使比较器OA4输出的直流工作点为低电平，关断MSK2和MSR2。在负载电流稳定时，整个LDO只有基本环路工作，瞬态增强电路处于休眠状态，因此不增加过多的静态电流。

负载电流由小突变到大的情况

当负载电流由小突变到大时，最先感应到的是“输出电流感应电路”和“Mp电流感应电路”的电压V_Io、V_IMp，以及V_esr1和V_esr2，误差放大器EA构成的基本控制环路由于带宽限制而不能马上响应。

“输出电流感应电路”的输出V_Io马上升高，而V_IMp因为调整管来不及导通大电流而保持不变，大的V_Io和小的V_IMp使放大器OA6输出低电平，关断MSKD2，以允许MSK2支路工作。

此时，调整管Mp不足以导通足够的电流给负载，输出电容C_O开始放电为负载提供电流。这时R_esr1和R_esr2马上检测到C_O的放电电流，使V_esr1<V_esr2。比较器OA3和OA4输出高电平，MSR2截止，MSK2导通。导通的MSK2形成一个支路，将调整管Mp的栅极电压迅速拉低，让调整管Mp导通更大电流，以满足负载电流的要求，从而使输出电压停止下降。

然而，过低的调整管Mp的栅极电压会使调整管过分导通，导通比负载电流还大的电流，过大的电流对输出电容C_O充电，使V_esr1>V_esr2，从而使MSK2关闭、MSR2导通，增加栅极电压，减小导通电流，又使输出电压降低，又使C_O放电，V_esr1<V_esr2，从而发生振荡。因此，当调整管Mp电流刚刚能够提供给负载电流使，必须及时地关断MSK2，阻止栅极电压过分降低，防止振荡。调整管Mp电流稍稍大于负载电流时，V_IMp>V_Io，放大器OA6输出高电平，MSKD2导通把MSK2的栅极电位拉低，从而截止了MSK2，防止调整管Mp栅极电压过低。因此比负载电流稍大一点的调整管Mp电流除了提供给负载外，还缓慢地对Co进行充电，由于电流较小，不会引起比较器OA3、OA4的改变，从而抑制了振荡。

实施例二

负载电流稳定工作的情况

负载电流稳定不变时，流过调整管Mp的电流和负载电流相等，因此V_IMp=V_Io，设计放大器OA6的直流工作点使放大器OA6输出为低电平，NMOS管MSKD2关断。电容Co既没有充电也没有放电，流过Resr1和Resr2的电流约等于0，并且由于Resr1和Resr2的阻值很小，V_esr1=V_esr2。所以运放使比较器OA3输出的直流工作点为高电平，使比较器OA4输出的直流工作点为低电平，关断NMOS管MSK2和PMOS管MSR2。在负载电流稳定时，整个LDO在基本环路上工作，瞬态增强电路处于休眠状态。

负载电流由大突变到小的情况

负载电流由大突变到小时，“Mp电流感应电路”和“输出电流感应电路”马上感应到电流的不同，输出的电压V_IMp>V_Io，放大器OA6输出高电平，MSKD2导通，使MSK2的栅极被拉低到低电平，MSK2截止。过多的调整管Mp电流向输出电容C_O充电，使得V_esr1>V_esr2，比较器OA3输出低电平，导通MSR2，调整管Mp的栅极电压被拉高，从而迅速降低了调整管Mp电流，减小过冲。

图3所示是“调整管Mp电流感应电路”和“输出电流感应电路”的原理图。“Mp电流感应电路”的M1宽长比是Mp宽长比的

流过M1的电流为

因此得到V_IMp∝I_Mp。这里n=34667，R₉=100kΩ。

在“输出电流感应电路”中，R₄=R₈=200kΩ，R₃=R₇=360kΩ，R_S是阻值很小（R_S=0.1Ω）的感应电阻(R_S<<R₈)。当LDO正常工作时，I_O>>I₈，其中I₈为流过R₈的电流。由图3可得

$V_{f1}=V_{\mathrm{dd}}\frac{R_3}{R_3+R_4}---\left(1\right)$

$V_{f3}=[V_{\mathrm{dd}}-(I_8+I_O)R_S]\frac{R_7}{R_7+R_8}---\left(2\right)$

由于R₄=R₈，R₃=R₇，可得

$V_{f1}-V_{f3}=R_S(I_O+I_8)\frac{R_3}{R_3+R_4}\&ap;R^{\&prime;}{I}_O---\left(3\right)$

经过运放OA7放大后，得到

V_Io=AR′I_O               （4）

其中A为运放OA7的增益。因此，得到的V_Io正比于I_O。

以上所述的本发明的实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神原则之内所作出的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于电流感应的LDO瞬态响应增强电路，包括负载和调整管Mp，其特征在于，还包括电阻R1、电阻R2、放大器EA和基于电流感应的摆率增强电路；其中所述基于电流感应的摆率增强电路包括比较器OA3、比较器OA4、放大器OA6、NMOS管MSKD2、MSK2、PMOS管MSR2、感应电阻Resr1-Resr2、电容Co、Mp电流感应电路和输出电流感应电路；

所述调整管Mp的漏极通过串联连接的感应电阻Resr1、Resr2和电容Co接地，还通过串联连接的电阻R2、R1接地，并通过输出电流感应电路与负载连接，负载的另一端接地；调整管Mp的栅极通过Mp电流感应电路与放大器OA6的正输入端连接；

感应电阻Resr1、Resr2间的引出端分别接比较器OA3、比较器OA4的负输入端，感应电阻Resr2与电容Co间的引出端分别接比较器OA3、比较器OA4的正输入端，比较器OA3的输出端接MSR2的栅极，比较器OA4的输出端接MSK2的栅极，输出电流感应电路的输出端接放大器OA6的负输入端，放大器OA6的输出端接MSKD2的栅极，MSKD2、MSK2的源极接地，MSKD2的漏极接MSK2的栅极，MSK2的漏极分别与MSR2的漏极和调整管Mp的栅极连接，MSR2的源极与VHD连接；电阻R2、R1间的引出端接放大器EA的正输入端连接，放大器EA的负输入端接基准电压源Vref，放大器EA的输出端与调整管Mp的栅极连接。

2.根据权利要求1所述的基于电流感应的LDO瞬态响应增强电路，其特征在于，所述调整管Mp为P型MOS管。

3.根据权利要求2所述的基于电流感应的LDO瞬态响应增强电路，其特征在于，所述Mp电流感应电路包括MOS管M1、MOS管M2和电阻R9，所述MOS管M1的栅极接调整管Mp的栅极，MOS管M1的源极接调整管Mp的源极，MOS管M1的漏极接MOS管M2的源极，MOS管M2的栅漏极连接，并通过电阻R9接地，同时与放大器OA6的正输入端连接。

4.根据权利要求3所述的基于电流感应的LDO瞬态响应增强电路，其特征在于，所述MOS管M1、MOS管M2为P型MOS管。

5.根据权利要求4所述的基于电流感应的LDO瞬态响应增强电路，其特征在于，所述MOS管M1的宽长比是Mp的宽长比的

6.根据权利要求5所述的基于电流感应的LDO瞬态响应增强电路，其特征在于，所述输出电流感应电路包括电阻R3、电阻R4、电阻R7、电阻R8、电阻Rs和运放OA7，所述调整管Mp的漏极通过串联连接的电阻R4、R3接地，调整管Mp的漏极还通过串联连接的电阻Rs、R8与R7接地，电阻R4与电阻R3的引出端接运放OA7的正输入端，电阻R8与电阻R7的引出端接运放OA7的负输入端，运放OA7的输出端接放大器OA6的负输入端。

7.根据权利要求6所述的基于电流感应的LDO瞬态响应增强电路，其特征在于，所述电阻R4=R8，R3=R7，R_S<<R₈。

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