CN105116955A - 一种应用于全集成ldo的瞬态增强电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于全集成LDO的瞬态增强电路，通过检测LDO误差放大器输出节点的瞬态电压来获取LDO瞬态感应情况。当负载电流由低向高、或者由高向低突变时，输出电压将会下降或升高，此时环路的反馈电压也会变化，将引起误差放大器的输出瞬态电压变化；当误差放大器的输出节点电压远低于调整管的栅极电压时，误差放大器和晶体管之间插入的缓冲级为调整管的栅极提供大的下拉电流；当误差放大器的输出节点电压远高于调整管的栅极电压时，电流升压反馈电路开始启动，为调整管栅极提供足够的充电电流，从而控制导通电流来满足负载要求，并且达到降低输出电压过冲的效果。仿真结果显示，本发明能够显著提高LDO的负载瞬态响应能力。
Description
技术领域
本发明涉及一种应用于全集成LDO(LowDropoutRegulator，低压差线性稳压器)的瞬态增强电路，属于低压差线性稳压器技术。
背景技术
低压差线性稳压器作为电源管理单元(PowerManagementUnit，PMU)中一个重要的电路模块被大量地集成到片上系统(SystemonChip，SOC)、数字芯片、高性能模数/数模转换芯片之中。在用LDO作为稳压的高速数字电路中，主频率越来越高，目前可以达到几个GHz。而数字电路中电平的瞬间跳变会引起电流的瞬间跳变。如果LDO的负载为数字电路，那么负载电流的瞬间跳变将会影响LDO的输出电压。
LDO的瞬态响应包括电源瞬态响应和负载瞬态响应。电源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。所以在实际的LDO设计中，着重考虑负载瞬态响应。对于无片外大电容的全集成LDO电路结构，为了增强LDO的瞬态响应能力而不减弱其他性能，必须在电路结构上加以改进。
传统的LDO需要在输出端外接大电容，此外接电容有以下好处。首先，传统的LDO依靠输出端外接电容的等效串联电阻为系统补偿一个左半平面零点，以保持系统稳定。其次，大的外接电容有助于提高LDO的瞬态响应性能，对负载电流突变所引起的输出电压波动具有很好的抑制作用。
但传统的LDO电路中，应用工程师需选用具有特定等效串联电阻值范围的外接电容，该电容在微法数量级，这将提高应用的复杂度和成本，而且这个外接电容会占用一定的PCB板空间，使产品的体积受到限制，不适合集成在芯片上。庞大的SOC中，采用无电容型LDO供电，有利于减小芯片面积和成本，有利于减少用于外接电容的芯片引脚数目。如果LDO输出端不接片外电容，电路的补偿和瞬态响应性能的提高成为LDO设计的难点。对于无片外大电容的全集成LDO电路结构，为了增强LDO的瞬态响应能力而不减弱其他性能，必须在电路结构上加以改进。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种应用于全集成LDO的瞬态增强电路，来提高无片外电容LDO的瞬态响应能力。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种应用于全集成LDO的瞬态增强电路，LDO主控制环路包括三个增益级别，第一级为有两级增益结构的误差放大器，第二级为源极跟随器，第三级为功率管输出级，通过在误差放大器和功率管输出级之间插入源极跟随器的方式提高瞬态响应，同时通过电流升压反馈电路提供大的瞬态电流，最终提高功率输入级的栅极电压；所述误差放大器的输入级采用PMOS差分放大结构，输出级采用NMOS放大的普通CS结构，并且通过在输出NMOS管的栅极和漏极间串联弥勒补偿电容C1和调零电阻R3的方式保证误差放大器的稳定性；所述功率管输出级包括调整管Mp、电阻R1和电阻R2，调整管Mp的漏极通过弥勒补偿电容C2与误差放大器中MN3的栅极和漏极还有MN4的栅极连接；调整管Mp的漏极通过输出电容Co接地，还通过串联连接的电阻R1和电阻R2接地；电阻R1和电阻R2间的引出信号VFB与误差放大器的正输入端连接，误差放大器的负输入端接基准电压源信号VREF。
优选的，所述电流升压反馈电路包括NMOS管MN6、NMOS管MN7、NMOS管MN8、PMOS管MP11、PMOS管MP12和PMOS管MP13，误差放大器的输出端接NMOS管MN7的栅极，NMOS管MN7的源极和NMOS管MN8的源极接NMOS管MN6的漏极，NMOS管MN6的源极接信号VSS，NMOS管MN6的栅极接偏置信号IP1，NMOS管MN7的漏极接PMOS管MP11的栅极和PMOS管MP12的漏极，NMOS管MN8的栅极接调整管Mp的栅极，NMOS管MN8的漏极接PMOS管MP13的栅极和PMOS管MP13的漏极，NMOS管MN12的栅极接NMOS管MN13的栅极，PMOS管MP11的漏极接源极跟随器的输出端，NMOS管MN11、PMOS管MP12和PMOS管MP13的源级接信号VIN。
当瞬态发生时开始启动，通过检测LDO误差放大器输出节点的瞬态电压来获取LDO瞬态感应情况。当负载电流由低向高、或者由高向低突变时，输出电压将会下降或升高，此时环路的反馈电压也会变化，将引起误差放大器的输出瞬态电压变化；当误差放大器的输出节点电压远低于调整管的栅极电压时，误差放大器和晶体管之间插入的缓冲级为调整管的栅极提供大的下拉电流；当误差放大器的输出节点电压远高于调整管的栅极电压时，电流升压反馈电路开始启动，为调整管栅极提供足够的充电电流，从而控制导通电流来满足负载要求，并且降低输出电压过冲。
有益效果：本发明提供的应用于全集成LDO的瞬态增强电路，与现有技术相比，具有如下技术效果：
1、本发明应用于全集成LDO的瞬态增强电路，通过在误差放大器和调整管之间插入缓冲级，提高了瞬态响应，电流升压电路是用来提供大的瞬态电流，以提高调整管的栅极电压，这种电流升压电路降低了晶体管的充电时间，该电路结构简单，显著增强LDO的瞬态响应能力而不会减弱其他性能。
2、本发明应用于全集成LDO的瞬态增强电路，LDO主控环路采用嵌套弥勒补偿的方法保证了整个LDO的稳定性，这种片上补偿的方法，相比于外挂大电容式的为系统补偿一个LHP零点的传统补偿方法，由于没有了大的片外电容，大大降低了芯片的面积，保证了整个LDO环路的稳定性。
附图说明
图1为应用于全集成LDO的瞬态增强电路的结构框图；
图2为应用于全集成LDO的瞬态增强电路的实现电路图；
图3为传统无片外电容LDO的负载瞬态响应仿真图；
图4为带有瞬态增强电路的全集成LDO的负载瞬态响应仿真图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图2所示为一种应用于全集成LDO的瞬态增强电路，LDO主控制环路包括三个增益级别，第一级为有两级增益结构的误差放大器，第二级为源极跟随器，第三级为功率管输出级，通过在误差放大器和功率管输出级之间插入源极跟随器的方式提高瞬态响应，同时通过电流升压反馈电路提供大的瞬态电流，最终提高功率输入级的栅极电压。
所述误差放大器的输入级采用PMOS差分放大结构，输出级采用NMOS放大的普通CS结构，并且通过在NMOS管MN5的栅极和漏极间串联弥勒补偿电容C1和调零电阻R3的方式保证误差放大器的稳定性，它提供了LDO主控制环路的绝大部分增益。
所述源极跟随器隔离了误差放大器大的输出阻抗和功率管输出级大的寄生电容，不影响LDO主控制环路的稳定性；包括PMOS管MP9和PMOS管MP10，PMOS管MP9的栅极与PMOS管MP2的栅极和PMOS管MP7的栅极连接，PMOS管MP9的源级接信号VIN，PMOS管MP9的漏极接PMOS管MP10的源级和PMOS管MP11的漏极，PMOS管MP9的漏极接调整管Mp的栅极，PMOS管MP10的栅极接NMOS管MN7的栅极和误差放大器的输出端，PMOS管MP10的漏极接信号VSS。
所述电流升压反馈电路包括NMOS管MN6、NMOS管MN7、NMOS管MN8、PMOS管MP11、PMOS管MP12和PMOS管MP13，误差放大器的输出端接NMOS管MN7的栅极，NMOS管MN7的源极和NMOS管MN8的源极接NMOS管MN6的漏极，NMOS管MN6的源极接信号VSS，NMOS管MN6的栅极接偏置信号IP1，NMOS管MN7的漏极接PMOS管MP11的栅极和PMOS管MP12的漏极，NMOS管MN8的栅极接调整管Mp的栅极，NMOS管MN8的漏极接PMOS管MP13的栅极和PMOS管MP13的漏极，NMOS管MN12的栅极接NMOS管MN13的栅极，PMOS管MP11的漏极接源极跟随器的输出端，NMOS管MN11、PMOS管MP12和PMOS管MP13的源级接信号VIN。
所述功率管输出级的增益随负载电流的增大而减小，包括调整管Mp、电阻R1和电阻R2，调整管Mp的漏极通过弥勒补偿电容C2与误差放大器中MN3的栅极和漏极还有MN4的栅极连接；调整管Mp的漏极通过输出电容Co接地，还通过串联连接的电阻R1和电阻R2接地；电阻R1和电阻R2间的引出信号VFB与误差放大器的正输入端连接，误差放大器的负输入端接基准电压源信号VREF。
本案中，由电阻R1和电阻R2构成的反馈网络采样输出电压得到电压VFB，误差放大器比较VREF和VFB并得到相应的输出电压，为了隔离误差放大器大的输出阻抗和功率管输出级大的寄生电容，在误差放大器的输出端和功率管输出级之间加一个缓冲器(源极跟随器)。缓冲器的输出电压调节调整管Mp栅极，改变调整管Mp电流驱动能力，通过改变输出电容Co充放电电流的大小调节输出电压的大小。
当负载电流由低到高突变时，调整管Mp无法及时导通足够大的电流，输出电容Co放电给负载提供电流，因此输出电压开始降低。通过反馈网络的电阻R1和电阻R2检测到的电压采样VFB也开始降低，降低到一定程度后，经过与VREF进行比较，误差放大器的输出节点电压远低于调整管Mp的栅极电压，PMOS管MP10为调整管Mp的栅极提供大的下拉电流，调整管Mp的栅极电压被迅速拉低，调整管Mp的栅源电压差增大，导通更多的电流提供给负载，输出电容Co停止放电且开始慢慢充电，输出电压停止降低且开始回升。
当负载电流由高到低突变时，调整管Mp无法及时关闭，过多的电流流过调整管Mp对输出电容Co充电，输出电压开始升高。通过反馈网络的电阻R1和电阻R2检测到的电压采样VFB也开始升高，升高到一定程度后，经过与VREF进行比较，误差放大器的输出节点电压远高于调整管Mp的栅极电压，误差放大器打开PMOS管MP11，利用差分放大额外提供充电电流，调整管Mp的栅极电压迅速升高，调整管Mp的栅源电压差迅速降低，关断调整管Mp，减少电流流过调整管Mp，输出电容Co停止充电并开始缓慢放电，从而阻止了输出电压的进一步升高，并使输出电压开始回落到正常水平。
静态时，PMOS管MP11管不导通，电流升压反馈电路的差分输入处于非平衡态，充电管不工作，不会消耗静态功耗。
图3为传统无片外电容LDO的负载瞬态响应仿真图。仿真条件：Temp＝27℃,VIN＝5V，ILOAD＝10uA～100mA，即负载电阻RLOAD＝33Ω～330KΩ。
图4为带有瞬态增强电路的全集成LDO的负载瞬态响应仿真图。仿真条件：Temp＝27℃，VIN＝5V，ILOAD＝10uA～100mA，即负载电阻RLOAD＝33Ω～330KΩ。
由图3和图4可知，当负载电流从在1uS的时间内从10uA跃变到最大负载电流100mA和从100mA跃变到10uA时输出电压出现欠冲和过冲，带有瞬态增强电路的全集成LDO的瞬态响应性能明显优于传统的无片外电容LDO结构，输出电压的过冲和欠冲可控制在150mV内。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种应用于全集成LDO的瞬态增强电路，其特征在于：LDO主控制环路包括三个增益级别，第一级为有两级增益结构的误差放大器，第二级为源极跟随器，第三级为功率管输出级，通过在误差放大器和功率管输出级之间插入源极跟随器的方式提高瞬态响应，同时通过电流升压反馈电路提供瞬态电流，最终提高功率输入级的栅极电压；所述误差放大器的输入级采用PMOS差分放大结构，输出级采用NMOS放大的普通CS结构，并且通过在输出NMOS管的栅极和漏极间串联弥勒补偿电容C1和调零电阻R3的方式保证误差放大器的稳定性；所述功率管输出级包括调整管Mp、电阻R1和电阻R2，调整管Mp的漏极通过弥勒补偿电容C2与误差放大器中MN3的栅极和漏极还有MN4的栅极连接；调整管Mp的漏极通过输出电容Co接地，还通过串联连接的电阻R1和电阻R2接地；电阻R1和电阻R2间的引出信号VFB与误差放大器的正输入端连接，误差放大器的负输入端接基准电压源信号VREF。
2.根据权利要求1所述的应用于全集成LDO的瞬态增强电路，其特征在于：所述电流升压反馈电路包括NMOS管MN6、NMOS管MN7、NMOS管MN8、PMOS管MP11、PMOS管MP12和PMOS管MP13，误差放大器的输出端接NMOS管MN7的栅极，NMOS管MN7的源极和NMOS管MN8的源极接NMOS管MN6的漏极，NMOS管MN6的源极接信号VSS，NMOS管MN6的栅极接偏置信号IP1，NMOS管MN7的漏极接PMOS管MP11的栅极和PMOS管MP12的漏极，NMOS管MN8的栅极接调整管Mp的栅极，NMOS管MN8的漏极接PMOS管MP13的栅极和PMOS管MP13的漏极，NMOS管MN12的栅极接NMOS管MN13的栅极，PMOS管MP11的漏极接源极跟随器的输出端，NMOS管MN11、PMOS管MP12和PMOS管MP13的源级接信号VIN。
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