CN104699161A - 一种根据负载频率和输出电压动态调整偏置电流的稳压器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种根据负载频率和输出电压动态调整偏置电流的稳压器，包括带隙基准、运算放大器、反馈电阻串和功率管，带隙基准用于产生基准电压Vref并输入给运算放大器的负向输入端，反馈电阻串连接至运算放大器的正向输入端，反馈电阻串包括一次串联的电阻R1和电阻R2，电阻R1的一端接功率管的漏端，电阻R2的另一端接地，功率管的源端接VDD电源，功率管的栅端接运算放大器的输出端，还包括频率检测电路、偏置电流生成电路以及输出电压检测电路，本发明为了解决现有的低压差线性稳压器LDO功耗高的技术问题，采用本发明的电路，当负载数字电路的频率较高时，可以避免LDO有过大的压降。

Description

一种根据负载频率和输出电压动态调整偏置电流的稳压器
技术领域
本发明涉及一种根据负载频率和输出电压动态调整偏置电流的稳压器。
背景技术
一般低压差线性稳压器(LDO)由带隙基准、运算放大器、反馈电阻串和功率管组成。带隙基准产生用于比较的基准电压Vref；反馈电阻串决定反馈系数；运算放大器功率管的栅极电压，
使反馈电压Vfb＝Vref＝Vout*R2/(R1+R2)。
所以LDO的输出电压Vout＝Vref*(R1+R2)/R2。通过增大运算放大器的静态电流Iq来提高LDO的响应速度，从而减小LDO输出的压降和过冲，并加快LDO输出电压的恢复速度。虽然这种做法能够避免LDO的输出有大的压降和大的过冲；以及加快LDO对其输出压降和大的过冲的响应速度；但是却增大了LDO的功耗。
发明内容
为了解决现有的低压差线性稳压器LDO功耗高的技术问题，本发明提供一种快速响应的低压差线性稳压器LDO。
本发明的技术解决方案：
一种根据负载频率和输出电压动态调整偏置电流的稳压器，包括带隙基准13、运算放大器14、反馈电阻串15和功率管16，所述带隙基准用于产生基准电压Vref并输入给运算放大器14的负向输入端，所述反馈电阻串15连接至运算放大器14的正向输入端，所述反馈电阻串15包括一次串联的电阻R1和电阻R2，所述电阻R1的一端接功率管16的漏端，所述电阻R2的另一端接地，所述功率管16的源端接VDD电源，所述功率管16的栅端接运算放大器的输出端，其特征在于：还包括频率检测电路10、偏置电流生成电路11以及输出电压检测电路12，
所述频率检测电路10用于检测负载数字电路输出信号clk的频率，并根据检测到的频率的高低生成第一电流I1输入至偏置电流生成电路；
所述输出电压检测电路12用于检测输出电压Vout，并根据输出电压Vout的高低生成第二电流I2输入至偏置电流生成电路；
所述偏置电流生成电路根据输入的第一电流I1和第二电流I2的大小来生成一个偏置电流I3；其中I3＝I1*k1+I2*k2；k1和k2是根据对稳压器的响应速度的要求设定的比例系数；
所述偏置电流生成电路的输出的偏置电流I3作为运算放大器14的输入，给运算放大器14提供偏置电流。
上述频率检测电路10在生成第一电流I1时遵循的原则为；负载数字电路输出信号clk的频率越高，生成的第一电流I1就越大；负载数字电路输出信号clk的频率越低，生成的第一电流I1就越小。
上述输出电压检测电路12在生成第二电流I2时遵循的原则为：输出电压Vout的值越小，生成的第二电流I2就越大；输出电压Vout的值越大，生成的第二电流I2就越小。
第一运算放大器101、反相器串30、调整管M1和调整管M2，第一运算放大器101的负向输入端接负载数字电路的供电电压vcore，第一运算放大器101的正向输入端接到反相器串的供电电压，第一运算放大器101的输出端接调整管M1的栅端，所述调整管M1的漏端接反相器串，所述调整管M1和调整管M2的源端均接电源VDD，所述调整管M2的栅端接调整管M1的栅端，所述调整管M2的漏端输出第一电流I1。
上述输出电压检测电路包括模数转换器ADC、MOS管m1、MOS管m2、MOS管m3、MOS管m4以及每个MOS管的漏端串联的开关，每个MOS管的栅端均接带隙基准提供的偏置电压vcmp，偏置电压vcmp是用于产生偏置电流，每个MOS管的源端均接电源VDD，
所述模数转换器ADC的输入端接输出电压Vout和参考电压Vref，模数转换器ADC根据输出电压Vout和参考电压Vref的差别大小输出思路使能信号(en1-en4)，每路使能信号控制一个开关。
MOS管m1、MOS管m2、MOS管m3、MOS管的宽长比为1:2:4:8。
上述偏置电流生成电路包括第一镜像电路U1、第二镜像电路U2、第三镜像电路U3、第四镜像电路U4以及第五镜像电路U5，第一电流I1依次经过第一镜像电路U1和第二镜像电路U2输出第一镜像电流I1′，第二电流I2依次经过第三镜像电路U3和第四镜像电路U4输出第二镜像电流I2′，第一镜像电流I1′和第二镜像电流I2′均经过第五镜像电路U5输出第三电流I3。
第一镜像电U1路中的MOS管m11的宽长比和MOS管m12的宽长比的比为1:1，第二镜像电路U2中的MOS管m23的宽长比和MOS管m24的宽长比的比为1：k1；
第三镜像电路U3中MOS管m5的宽长比和MOS管m6的宽长比的比为1:1，第四镜像电路U4中的MOS管m7的宽长比和MOS管m8的宽长比的比为1：k2。
本发明所具有的优点：
1、采用本发明的电路，当负载数字电路的频率较高时，可以避免LDO有过大的压降。
2、根据负载电流的大小，动态加快LDO的反应速度。
3、当负载频率比较低时，可以节省LDO的功耗。
附图说明
图1为典型的稳压器的电路结构图；
图2为本发明的稳压器LDO的电路结构图；
图3为本发明频率检测电路的结构示意图；
图4为本发明输出电压检测电路的结构示意图；
图5为本发明偏置电流生成电路的结构示意图。
具体实施方式
本发明在原来的基础上面增加了部分电路20部分电路20包括一个频率检测电路、一个输出电压检测电路和一个偏置电流生成电路。
频率检测电路检测负载数字电路的频率，并根据频率的高低生成一个电流。数字电路的工作频率越高，生成的电流就越大；负载数字电路的工作频率越低，生成的电流就越小。
输出电压检测电路检测LDO的输出电压，并根据输出电压的高低生成一个电流。输出电压的值越小，生成的电流就越大；输出电压的值越大，生成的电流就越小。
偏置电流生成电路根据输入的电流大小来生成一个偏置电流。频率检测电路输出的电流I1和输出电压检测电路输出的电流I2作为偏置电流生成电路的输入。偏置电流生成电路输出电流I3，其中I3＝I1*k1+I2*k2；k1和k2是根据实际需要(即对稳压器响应速度的要求)来设定的比例系数。偏置电流生成电路的输出I3作为运放的输入，给运放提供偏置电流。
频率检测电路可以由图3所示实现。运放的一端连接数字电路的供电电压vcore，另一端连接到反相器串的供电电压，运放确保反相器串的供电电压与数字电路的供电电压相等。流过调整管M1的电流等于流过给反相器串30供电的电流。反相器串30的输入为clock信号，流过反相器供电电源的电流与clock信号的频率成正比。所以流过调整管M1的电流也与clock信号的频率成正比。M2镜像M1的电流，并提供输出电流I1。所以M2提供的输出电流I1与输入信号clk的频率成正比，即clk的频率越高，输出的电流I1越大。
输出电压检测电路可以由图4所示实现。LDO的输出vout和参考电压vref作为模数转换器ADC的输入，模数转换器ADC根据vout与vref的差别大小输出4位code：en1～en4m1,m2,m3,m4的宽长比为1:2:4:8.I2的大小由ADC输出的code值决定。I2的最小值为ib1,I2的最大值为ib1+ib2+ib3+ib4＝15*ib1.输出电压vout的值越小，输出电流I2越大。
偏置电流生成电路可以由图5所示实现。输入第一电流I1通过第一镜像电路U1、第二镜像电路U2生成第一镜像电流I1′,I1′＝I1*k1,其中k1为根据对输出电压响应速度的要求设计的调整系数，m11的宽长比和m12的宽长比的比为1:1，m23的宽长比和m24的宽长比的比为1：k1。输入第二电流I2通过第三镜像电路U3、第四镜像电路U4生成第二镜像电流I2′,I2′＝I2*k2,其中k2为根据对输出电压响应速度的要求设计的调整系数，m5的宽长比和m6的宽长比的比为1:1，m7的宽长比和m8的宽长比的比为1：k2。

Claims (8)

1.一种根据负载频率和输出电压动态调整偏置电流的稳压器，包括带隙基准(13)、运算放大器(14)、反馈电阻串(15)和功率管(16)，所述带隙基准用于产生基准电压Vref并输入给运算放大器(14)的负向输入端，所述反馈电阻串(15)连接至运算放大器(14)的正向输入端，所述反馈电阻串(15)包括一次串联的电阻R1和电阻R2，所述电阻R1的一端接功率管(16)的漏端，所述电阻R2的另一端接地，所述功率管(16)的源端接VDD电源，所述功率管(16)的栅端接运算放大器的输出端，其特征在于：还包括频率检测电路(10)、偏置电流生成电路(11)以及输出电压检测电路(12)，
所述频率检测电路(10)用于检测负载数字电路输出信号clk的频率，并根据检测到的频率的高低生成第一电流I1输入至偏置电流生成电路；
所述输出电压检测电路(12)用于检测输出电压Vout，并根据输出电压Vout的高低生成第二电流I2输入至偏置电流生成电路；
所述偏置电流生成电路根据输入的第一电流I1和第二电流I2的大小来生成一个偏置电流I3；其中I3＝I1*k1+I2*k2；k1和k2是根据对稳压器的响应速度的要求设定的比例系数；
所述偏置电流生成电路的输出的偏置电流I3作为运算放大器(14)的输入，给运算放大器(14)提供偏置电流。
2.根据权利要求1所述的根据负载频率和输出电压动态调整偏置电流的稳压器，其特征在于：所述频率检测电路(10)在生成第一电流I1时遵循的原则为；负载数字电路输出信号clk的频率越高，生成的第一电流I1就越大；负载数字电路输出信号clk的频率越低，生成的第一电流I1就越小。
3.根据权利要求2所述的根据负载频率和输出电压动态调整偏置电流的稳压器，其特征在于：所述输出电压检测电路(12)在生成第二电流I2时遵循的原则为：输出电压Vout的值越小，生成的第二电流I2就越大；输出电压Vout的值越大，生成的第二电流I2就越小。
4.根据权利要求1-3之任一所述的根据负载频率和输出电压动态调整偏置电流的稳压器，其特征在于：所述第一运算放大器(101)、反相器串(30)、调整管M1和调整管M2，第一运算放大器(101)的负向输入端接负载数字电路的供电电压vcore，第一运算放大器(101)的正向输入端接到反相器串的供电电压，第一运算放大器(101)的输出端接调整管M1的栅端，所述调整管M1的漏端接反相器串，所述调整管M1和调整管M2的源端均接电源VDD，所述调整管M2的栅端接调整管M1的栅端，所述调整管M2的漏端输出第一电流I1。
5.根据权利要求4所述的根据负载频率和输出电压动态调整偏置电流的稳压器，其特征在于：
所述输出电压检测电路包括模数转换器ADC、MOS管m1、MOS管m2、MOS管m3、MOS管m4以及每个MOS管的漏端串联的开关，每个MOS管的栅端均接带隙基准提供的偏置电压vcmp，偏置电压vcmp是用于产生偏置电流，每个MOS管的源端均接电源VDD，
所述模数转换器ADC的输入端接输出电压Vout和参考电压Vref，模数转换器ADC根据输出电压Vout和参考电压Vref的差别大小输出思路使能信号(en1-en4)，每路使能信号控制一个开关。
6.根据权利要求5所述的根据负载频率和输出电压动态调整偏置电流的稳压器，其特征在于：MOS管m1、MOS管m2、MOS管m3、MOS管的宽长比为1:2:4:8。
7.根据权利要求6所述的根据负载频率和输出电压动态调整偏置电流的稳压器，其特征在于：所述偏置电流生成电路包括第一镜像电路U1、第二镜像电路U2、第三镜像电路U3、第四镜像电路U4以及第五镜像电路U5，第一电流I1依次经过第一镜像电路U1和第二镜像电路U2输出第一镜像电流I1′，第二电流I2依次经过第三镜像电路U3和第四镜像电路U4输出第二镜像电流I2′，第一镜像电流I1′和第二镜像电流I2′均经过第五镜像电路U5输出第三电流I3。
8.根据权利要求6所述的根据负载频率和输出电压动态调整偏置电流的稳压器，其特征在于：第一镜像电U1路中的MOS管m11的宽长比和MOS管m12的宽长比的比为1:1，第二镜像电路U2中的MOS管m23的宽长比和MOS管m24的宽长比的比为1：k1；
第三镜像电路U3中MOS管m5的宽长比和MOS管m6的宽长比的比为1:1，第四镜像电路U4中的MOS管m7的宽长比和MOS管m8的宽长比的比为1：k2。
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