CN103677047B - Ldo快速启动电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种LDO快速启动电路，包括：低通滤波模块及用于控制低通滤波模块的RC时间参数的快速钳位模块，低通滤波模块包括滤波电容及通道阻值可控的通道单元，通道单元的输入端用于接入所述基准电压，通道单元的输出端用于向LDO模块输出启动电压，通道单元的输出端经滤波电容接地，快速钳位模块接收一启动控制信号后控制通道单元由低阻抗状态转为高阻抗状态。本发明在降低噪声、提高电源抑制比和不增加电路功耗的前提下，与传统的依靠片内大电阻与片外Bypass电容组成滤波器的LDO相比，不仅大大降低了芯片内部的面积，而且减少了芯片的引脚数，降低了芯片的成本，并将启动时间控制在us级，极大地减小了LDO的上电时间。

Description

LDO快速启动电路

技术领域

本发明涉及LDO技术领域，具体涉及一种LDO快速启动电路，尤其是利于集成在芯片内的LDO快速启动电路。

背景技术

LDO（lowdropoutregulator，低压差线性稳压器）具有低成本、低噪声，高电源抑制比、电路结构简单、占用芯片面积小等优点，已成为电源管理芯片中的一类重要电路。LDO的原理是利用Bandgap（带隙基准电源）模块产生的基准电压和负反馈网络控制环路而得到一个基本不随外部环境变化而变化的输出电压。LDO能够将不断变化的电源电压转换成低噪声稳定的精确电压，以满足便携式设备中对噪声敏感的模拟模块和射频模块的需要。

如图1所示为LDO模块噪声源组成的电路示意图，包括带隙基准电压Bandgap的输出噪声Vn_ref、反馈电阻网络Vn_R1和Vn_R2、误差放大器输出级噪声Vn_err等几个方面，本技术方案将用来滤除带隙基准电压Bandgap的输出噪声Vn_ref。

传统的基于片外电容滤波的低压差线性稳压器LDO的电路图如图2所示，LDO的封装包含一个额外的Pin，接在bandgap的输出端，它的作用主要体现在：Bypass引脚外接一个电容(一般10nF)，与芯片内部的电阻组成一阶RC低通滤波器(图中RCFilter)，目的是滤除bandgap的输出噪声，进而来降低LDO的输出噪声。LDO系统上电时，由于Bypass电容的存在，将要对其进行充电，消耗一定时间，于是降低了LDO的响应速度，一般启动时间将从us级到ms级。

根据一阶RC低通滤波器的传递函数、幅频曲线及截止频率，可以确定RC低通滤波器各元件的取值范围；为了保证低频噪声的滤波效果，我们假设一阶RC低通滤波器的截止频率为kHz级。根据一阶RC低通滤波器的传递函数：

$H\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{1}{\mathrm{jRC\ω}+1}---\left(1\right)$

幅频曲线：

$\left|H\left(\mathrm{\ω}\right)\right|=\frac{\frac{1}{\mathrm{RC}}}{\sqrt{{\mathrm{\ω}}^2+\frac{1}{{\left(\mathrm{RC}\right)}^2}}}---\left(2\right)$

可以确定上述一阶RC低通滤波器的电阻R的取值范围；

公式（1）中，ω=2πf，ω的单位为弧度/秒，f为频率；一阶RC低通滤波器截止频率为3dB频率即由于一阶RC低通滤波器的截止频率为kHz级，当将片外电容集成在片内，并且固定电容C的取值为pF量级，故可以确定电阻R的取值为GΩ量级。由此可见，要滤除bandgap的输出噪声，片内需要一个占用很大芯片面积的电阻。

于是在片外加Bypass电容滤波后，LDO的噪声一般为一百以下，未加Bypass电容滤波，LDO的噪声一般在几百以上，因此在应用于射频模块的低噪声LDO中一般都含有Bypass电容。由于LDO的应用场合对低噪声和高电源抑制比要求很高，如果在芯片外无Bypass电容的基础上，既能快速启动，又能降低噪声和提高电源抑制比，是本领域所需要解决的技术问题。

发明内容

本发明提供一种LDO快速启动电路，能够解决上述问题。

本发明实施例提供的一种LDO快速启动电路，包括：用于对bandgap模块的基准电压进行除噪后输出至LDO模块的低通滤波模块及用于控制低通滤波模块的RC时间参数的快速钳位模块，低通滤波模块包括滤波电容及通道阻值可控的通道单元，通道单元的输入端用于接入所述基准电压，通道单元的输出端用于向LDO模块输出启动电压，通道单元的输出端经滤波电容接地，快速钳位模块接收一启动控制信号后控制通道单元由低阻抗状态转为高阻抗状态。

优选地，所述启动控制信号由bandgap模块输出。

优选地，通道单元包括第一PMOS管，快速钳位模块包括第二PMOS管，第一PMOS管的源极用于接入bandgap模块的基准电压，第一PMOS管的漏极用于输出至LDO模块，第一PMOS管的漏极经所述滤波电容接地，第二PMOS管的源极与第一PMOS管的源极相连，第一PMOS管的栅极与第二PMOS管的栅极相连，第二PMOS管的栅极与漏极短接后用于接入所述启动控制信号使第二PMOS管的源极与漏极之间处于导通状态。

优选地，所述启动控制信号为一大于0且小于或等于100nA的电流信号。

优选地，还包括比较器、快速充电启动模块及第三PMOS管，快速充电启动模块输入端接第一PMOS管漏极，快速充电启动模块的输出端用于向LDO模块输出启动电压，快速充电启动模块的输出端经所述滤波电容接地，比较器的两输入端分别接入bandgap模块的基准电压和第一PMOS管漏极电压，比较器的输出端分别驱动第三PMOS管的栅极和快速充电启动模块的一使能输入端，比较器的输出端经过一反相器驱动快速充电启动模块的另一使能输入端，第三PMOS管的源极连接第一PMOS管的源极，第三PMOS管的漏极连接第一PMOS管的栅极。

优选地，比较器的输出端依次经过两个反相器分别驱动第三PMOS管的栅极和快速充电启动模块的一使能输入端。

上述技术方案可以看出，由于本发明实施例采用第一PMOS管替代了大电阻，在第一PMOS管向滤波电容快速充电后转变为高阻状态，调整了低通滤波模块的RC时间参数，减小了滤波电容的充电时间，提升了LDO的启动速度，而且MOS管在芯片内所占体积远远要小于大电阻所占体积，从而使启动电路集成于芯片内得以实现，去除了片外电容仍能够滤除掉bandgap的输出噪声，减少LDO上电时间，达到快速启动LDO的目的。

本发明实施例中的LDO快速启动电路在降低噪声、提高电源抑制比和不增加电路功耗的前提下，与传统的依靠片内大电阻与片外Bypass电容组成滤波器的LDO相比，不仅大大降低了芯片内部的面积，而且减少了芯片的引脚数，降低了芯片的成本，并将启动时间控制在us级，极大地减小了LDO的上电时间。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是LDO模块噪声源组成的电路示意图；

图2是现有技术中LDO启动电路的原理框图；

图3是本发明实施例1中LDO快速启动电路的结构框图；

图4是本发明实施例1中LDO快速启动电路的电路原理图；

图5是本发明实施例2中LDO快速启动电路的电路原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

本发明实施例提供一种LDO快速启动电路，如图3所示，包括：用于对bandgap模块的基准电压进行除噪后输出至LDO模块的低通滤波模块及用于控制低通滤波模块的RC时间参数的快速钳位模块，低通滤波模块包括滤波电容C1及通道阻值可控的通道单元，通道单元的输入端用于接入所述基准电压，通道单元的输出端用于向LDO模块输出启动电压，通道单元的输出端经滤波电容C1接地，快速钳位模块接收一启动控制信号后控制通道单元由低阻抗状态转为高阻抗状态。该启动控制信号由bandgap模块输出。当然，在其他实施例中该启动控制信号可以由其他电源模块提供。

bandgap模块及LDO模块均是本领域技术人员以现有技术能够获知的内容，此处即不再赘述。可以理解的是，通道单元主要为bandgap模块向LDO模块输送启动电压提供通道，而且通道单元的阻值能够被调整，在本发明实施例中表现为低阻抗状态和高阻抗状态之间的切换，因此，通道单元具有连接于bandgap模块的输入端，还具有连接至LDO模块的输出端，还具有接受快速钳位模块输出信号的控制端。Bandgap模块还具有另一输出端，用于提供启动控制信号。在通道单元为低阻态时，通道单元相当于一个开关被接通的状态，从而对滤波电容C1进行快速充电，进而达到快速启动LDO模块的目的；当通道单元为高阻态时，通道单元相当于一个大电阻，而且能够与滤波电容共同构成一个一阶低通滤波器，即低通滤波模块，这种既能够实现LDO快速启动又能够充当低通滤波器的电路结构，良好的解决了现有LDO启动电路采用大电阻的缺陷。

具体如图4所示，通道单元包括第一PMOS管Q1，快速钳位模块包括第二PMOS管Q2，第一PMOS管Q1的源极用于接入bandgap模块的基准电压Vref，第一PMOS管Q1的漏极(第一PMOS管漏极电压为VR)用于输出至LDO模块，第一PMOS管Q1的漏极经所述滤波电容C1接地，第二PMOS管Q2的源极与第一PMOS管Q1的源极相连，第一PMOS管Q1的栅极与第二PMOS管Q2的栅极相连，第二PMOS管Q2的栅极与漏极短接后用于接入所述启动控制信号Iref使第二PMOS管Q2的源极与漏极之间处于导通状态。本发明实施例中PMOS管即为P沟道MOS管。所述启动控制信号Iref为一大于0且小于或等于100nA的电流信号。在本实施例中Iref=30nA，能够保证第二PMOS管源极与漏极间导通电压处于较低水平同时能够维持源极与漏极间的导通电流具有稳定性。

当Bandgap模块提供一个启动控制信号Iref（nA级的基准电流）给第二PMOS管Q2漏极和栅极，同时驱动第一PMOS管Q1使其工作在线性区，但工作在线性区的第一PMOS管Q1的晶体管沟道电阻较小，只能作为一个小电阻，组成的一阶RC低通滤波器的截止频率就会很高，不能滤除低频噪声，此时，LDO可以启动，启动时间亦非常短，但是并没有起到滤除bandgap输出噪声的作用，当第二PMOS管Q2栅极在小电流Iref的作用下，第二PMOS管Q2的源极与漏极之间处于导通状态，第二PMOS管Q2的源极与漏极间电压较为接近，使得第一PMOS管Q1的源极与栅极电压较为接近，从而促使第一PMOS管Q1工作在截止区，变成一个大电阻使用，因此，低通滤波模块的RC时间参数得以增大，能够起到滤除bandgap输出噪声的作用。

由于采用MOS管替代可变电阻使用，其所占用的体积非常小，能够易于集成在芯片内，从而为电容集成于芯片内提供了更多的空间，采用本发明实施例中的启动电路后，可以将片外的电容集成于芯片内，从而减少了芯片的引脚数量；而且还具有了快速启动与一阶低通滤波的双重功能，电路性能明显得到了大幅提升。

实施例2：

本发明实施例在上述实施例1的基础上做出了一些改进，具体如下，结合图5所示。

该LDO快速启动电路还包括：比较器COMP、快速充电启动模块Fast-startup及第三PMOS管Q3，快速充电启动模块Fast-startup输入端接第一PMOS管Q1漏极，快速充电启动模块Fast-startup的输出端用于向LDO模块输出启动电压，快速充电启动模块Fast-startup的输出端经所述滤波电容C1接地，比较器COMP的两输入端分别接入bandgap模块的基准电压Vref和第一PMOS管漏极电压VR，比较器COMP的输出端(提供一pd信号)分别驱动第三PMOS管Q3的栅极和快速充电启动模块Fast-startup的一使能输入端，比较器COMP的输出端经过一反相器INV1（提供一pdn信号）驱动快速充电启动模块Fast-startup的另一使能输入端，第三PMOS管Q3的源极连接第一PMOS管Q1的源极，第三PMOS管Q3的漏极连接第一PMOS管Q1的栅极。可以理解的是，快速充电启动模块Fast-startup主要用于为滤波电容选择提供充电通道，使滤波电容C1能够被快速充电启动模块Fast-startup及时充放电，快速充电启动模块Fast-startup的具体电路结构及工作原理是本领域技术人员通过现有技术所能获知的内容，此处不再一一赘述。

为了维持pd信号和pdn信号的功率稳定性，比较器COMP的输出端依次经过两个反相器INV1和INV2分别驱动第三PMOS管Q3的栅极和快速充电启动模块Fast-startup的一使能输入端。

可见，本发明实施例中比较器COMP是作为误差放大器来使用的，当第一PMOS管Q1工作在截止区，第一PMOS管Q1的源栅电压Vgs＜＜MOS管阀值电压Vth，第一PMOS管Q1的栅极电压与源极电压相近时，其沟道电阻较大，但此时面临LDO的启动问题，故需有其他方式来控制LDO的启动。于是本实施例中在第一PMOS管Q1的源极与栅极之间接第三PMOS管Q3的源极和漏极，pd信号（控制信号）加在第三PMOS管Q3的栅极来决定其开启情况。当pd信号为低电平时，第三PMOS管Q3开启，流过第三PMOS管Q3漏极与源极之间的电流大小为Bandgap模块提供的nA级的基准电流Iref，且工作在线性区，第三PMOS管Q3的沟道电阻较小，故第三PMOS管Q3上的压降较小，其源极电压与漏极电压十分接近，这样使第一PMOS管Q1的栅极电压和源极电压大小接近，强制第一PMOS管Q1工作在截止区，做为一个大电阻。

第三PMOS管Q3的栅极的控制信号（pd信号）来自于电压比较器COMP，电压比较器COMP的输入信号分别为Bandgap模块输出的基准电压Vref（即第一PMOS管Q1的源极电压）和第一PMOS管Q1的漏极电压，由于当该两个电压大小相等时，电压比较器COMP输出低电平pd信号，故第三PMOS管Q3导通，并工作在线性区，迫使第一PMOS管Q1工作在截止区。

当第三PMOS管Q3截止时，通过第一PMOS管Q1的电流为Bandgap模块提供给第二PMOS管Q2的nA级的基准电流Iref，因此第一PMOS管Q1工作在线性区，第一PMOS管Q1的沟道电阻较小，流过第一PMOS管Q1源极与漏极间的电流较小，故第一PMOS管Q1的源极与漏极压降较小，这样第一PMOS管Q1源极和漏极的电压大小接近，同样导致电压比较器COMP输出为低电平（pd信号），故也将使第三PMOS管Q3导通，最终使第一PMOS管Q1处于截止区，于是第一PMOS管Q1作为一个大电阻与滤波电容C1组成一阶RC低通滤波器。

快速充电启动模块Fast-startup是一个快速充电启动电路，它将为滤波电容C1充电，其控制信号（pd信号和pdn信号）同样来自于电压比较器COMP的输出信号，由此可见，快速充电启动模块fast-startup的工作状态取决于第三PMOS管Q3的工作状态。

由本发明实施例中的技术方案可以看出，通过对第一MOS管Q1源极和漏极电压的误差比较，能够进一步稳定的控制第一PMOS管Q1工作到截止区，减小误差范围，而且电路工作性能更加稳定，启动速度也得到了大幅提升。

以上对本发明实施例所提供的一种LDO快速启动电路进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (4)

1.LDO快速启动电路，其特征在于，包括：用于对bandgap模块的基准电压进行除噪后输出至LDO模块的低通滤波模块及用于控制低通滤波模块的RC时间参数的快速钳位模块，低通滤波模块包括滤波电容及通道阻值可控的通道单元，通道单元的输入端用于接入所述基准电压，快速钳位模块接收一启动控制信号后控制通道单元由低阻抗状态转为高阻抗状态；

通道单元包括第一PMOS管，快速钳位模块包括第二PMOS管，第一PMOS管的源极用于接入bandgap模块的基准电压，第二PMOS管的源极与第一PMOS管的源极相连，第一PMOS管的栅极与第二PMOS管的栅极相连，第二PMOS管的栅极与漏极短接后用于接入所述启动控制信号使第二PMOS管的源极与漏极之间处于导通状态；

LDO快速启动电路还包括比较器、快速充电启动模块及第三PMOS管，快速充电启动模块输入端接第一PMOS管漏极，快速充电启动模块的输出端用于向LDO模块输出启动电压，快速充电启动模块的输出端经所述滤波电容接地，比较器的两输入端分别接入bandgap模块的基准电压和第一PMOS管漏极电压，比较器的输出端分别驱动第三PMOS管的栅极和快速充电启动模块的一使能输入端，比较器的输出端经过一反相器驱动快速充电启动模块的另一使能输入端，第三PMOS管的源极连接第一PMOS管的源极，第三PMOS管的漏极连接第一PMOS管的栅极。

2.如权利要求1所述的LDO快速启动电路，其特征在于，所述启动控制信号由bandgap模块输出。

3.如权利要求1所述的LDO快速启动电路，其特征在于，所述启动控制信号为一大于0且小于或等于100nA的电流信号。

4.如权利要求1所述的LDO快速启动电路，其特征在于，比较器的输出端依次经过两个反相器分别驱动第三PMOS管的栅极和快速充电启动模块的一使能输入端。