CN105786079A - 带有补偿电路的低压差稳压器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带有补偿电路的低压差稳压器，包括误差放大器以及依次串联连接在电源与地之间的调整管、第一反馈电阻和第二反馈电阻，所述调整管的源极与所述第一反馈电阻之间形成输出节点，所述调整管的栅极连接到所述误差放大器的输出端，还包括补偿电容，其连接在所述误差放大器的反向输入端与输出端之间；补偿电阻，其连接在所述误差放大器的反向输入端与第一节点之间，所述第一节点为所述第一和第二反馈电阻之间形成的连接节点。其使用很小的电容面积即可解决负载电容或负载电流大范围变化引起的稳定性问题，且其响应速度更快。

Description

带有补偿电路的低压差稳压器

技术领域

本发明涉及一种带有补偿电路的低压差稳压器。

背景技术

低压差稳压器(LowDropOutRegulators，LDO)是电子电路中不可缺少的一种电源变换器，利用无源器件(如电阻)作为反馈部件，通过设置不同的反馈系数维持输出电压稳定的一种电源变换器。

现有技术中，LDO的基本结构如图1所示，通常由调整管M0、误差放大器100、反馈部件R1和R2、补偿电路200、基准电压源300以及各种保护电路400等构成。

其中，补偿电路200的作用是保持系统稳定工作，一般使用弥勒原理进行补偿。目前对补偿电路200有多种实现方式，但各有缺点，比如补偿后带宽太小，导致系统响应速度慢；或者所需的补偿电容的面积太大；或者补偿导致LDO的电源抑制比(PSR)减小等。

发明内容

本发明的目的在于，提出一种带有补偿电路的低压差稳压器的结构，其使用很小的电容面积即可解决负载电容或负载电流大范围变化引起的稳定性问题，且其响应速度更快。

为此，本发明提供了一种带有补偿电路的低压差稳压器，包括：误差放大器；以及依次串联连接在电源与地之间的调整管、第一反馈电阻和第二反馈电阻，所述调整管的源极与所述第一反馈电阻之间形成输出节点，所述调整管的栅极连接到所述误差放大器的输出端，其特征在于，还包括：补偿电容，其连接在所述误差放大器的反向输入端与输出端之间；补偿电阻，其连接在所述误差放大器的反向输入端与第一节点之间，所述第一节点为所述第一和第二反馈电阻之间形成的连接节点，其中，所述补偿电阻的阻值为所述第一反馈电阻的阻值的m倍，其中5≤m≤10，且为所述第二反馈电阻的阻值的n倍，其中5≤n≤10。

本发明还提供了一种带有补偿电路的低压差稳压器，包括：误差放大器；以及依次串联连接在电源与地之间的调整管、第一反馈电阻和第二反馈电阻，所述调整管的源极与所述第一反馈电阻之间形成输出节点，所述调整管的栅极连接到所述误差放大器的输出端，其特征在于，还包括：MOS管，其栅极连接到所述误差放大器的输出端，其源极和漏极短接后连接到所述误差放大器的反向输入端；补偿电阻，其连接在所述误差放大器的反向输入端与第一节点之间，所述第一节点为所述第一和第二反馈电阻之间形成的连接节点，其中，所述补偿电阻的阻值为所述第一反馈电阻的阻值的m倍，其中5≤m≤10，且为所述第二反馈电阻的阻值的n倍，其中5≤n≤10。

进一步地，还包括反馈电容，其连接在所述误差放大器的反向输入端与所述输出节点之间。

本发明还提供了一种带有补偿电路的低压差稳压器，包括：误差放大器；以及依次串联连接在电源与地之间的调整管、第一反馈电阻和第二反馈电阻，所述调整管的源极与所述第一反馈电阻之间形成输出节点，所述调整管的栅极连接到所述误差放大器的输出端，其特征在于，还包括：补偿电容，其连接在所述误差放大器的反向输入端与输出端之间；反馈电容，其连接在所述误差放大器的反向输入端与所述输出节点之间。

本发明的带有补偿电路的低压差稳压器，使用很小的电容面积就能够保证低压差稳压器的稳定，即使低压差稳压器的负载电容大范围地变化、输出电流大范围地变化，低压差稳压器的稳定性也能保证。并且，本发明的补偿方案与现有的补偿方案相比，其响应速度更快。

附图说明

图1为现有技术的带有补偿电路的低压差稳压器的结构示意图；

图2为本发明的带有补偿电路的低压差稳压器的第一实施方式的示意图；

图3为本发明的带有补偿电路的低压差稳压器的第二实施方式的示意图；

图4为本发明的带有补偿电路的低压差稳压器的第三实施方式的示意图；

图5为本发明的带有补偿电路的低压差稳压器的主要零点和极点位置示意图；

图6为本发明的带有补偿电路的低压差稳压器的误差放大器的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的带有补偿电路的低压差稳压器作进一步的详细描述，但不作为对本发明的限定。

参照图2，为本发明的第一实施方式的结构示意图。本发明的带有补偿电路的低压差稳压器，包括误差放大器100，以及依次串联连接在电源与地之间的调整管M0、第一反馈电阻R1和第二反馈电阻R2，调整管M0的源极与第一反馈电阻R1之间形成输出节点N3(该点电压为VOUT)，调整管M0的栅极连接到误差放大器100的输出端。该电路还包括：补偿电容C1，其连接在误差放大器100的反向输入端与输出端之间；补偿电阻R3，其连接在误差放大器100的反向输入端与第一节点N1之间。

其中，补偿电阻R3的阻值远远大于第一反馈电阻R1和第二反馈电阻R2的阻值，即，补偿电阻R3的阻值为第一反馈电阻R1的阻值的m倍，且为第二反馈电阻R2的阻值的n倍。其中，m和n的值根据应用环境(例如，输出的电流大小、负载电容的情况、要求的响应速度等)来设定，其取值越大，系统环路越稳定，但同时其响应速度也越慢。一般地，m和n可以取值为5～10，即，补偿电阻R3的阻值为R1和R2的5～10倍。

本发明的带有补偿电路的低压差稳压器中，误差放大器100连接成负反馈形式，由虚短虚断原理可知，第二节点N2(即误差放大器100的反向输入端)的电位与第一节点N1(即第一反馈电阻R1和第二反馈电阻R2之间形成的连接节点)的电位相同。因此，调整第一反馈电阻R1和第二反馈电阻R2的比例，就可以设置输出电压VOUT。当VOUT设置到目标值后，整个低压差稳压器的直流工作点就确定了下来。

补偿电容C1连接在误差放大器100的反向输入端与输出端之间，所以补偿电容C1等效到误差放大器100的输出端时会增大A倍(A为误差放大器100的增益，通常为1000以上)。由于补偿电阻R3的阻值远远大于第一反馈电阻R1和第二反馈电阻R2的阻值，因此第二节点N2到地的阻值约等于补偿电阻R3的阻值。

如此，被放大后的补偿电容C1与补偿电阻R3在第二节点N2处形成了系统的主极点p1。而系统的非主极点p2在输出节点N3处，其大小由负载电容CL及负载电流决定。同时，补偿电容C1在输出通路上与补偿电阻R3串联连接，形成了一个左半平面的零点z1，该零点z1正好用来改善该低压差稳压器系统的相位特性。如此，该低压差稳压器系统的环路主要由两个极点p1、p2以及一个零点z1确定，如图5所示。其中，各零极点的频率可用如下公式表示：

$p_1=\frac{1}{2\mathrm{\πA}{C}_1{R}_3}$ 公式(1)

$p_2=\frac{g_{m0}}{2\mathrm{\π}{C}_L}$ 公式(2)

$z_1=\frac{1}{2\mathrm{\π}{C}_1{R}_3}$ 公式(3)

其中，A为误差放大器100的增益，C₁和C_L分别为补偿电容和负载电容的电容值，R₃为补偿电阻的阻值，g_m0为调整管M0的跨导。

本发明的带有补偿电路的低压差稳压器，只使用了电容值较小的补偿电容C1和一个阻值较大的补偿电阻R3，就确定了低压差稳压器系统的极点p1、p2和零点z1的位置，两个极点一个零点可以保证系统的稳定而且有较高的相位裕度。

此外，补偿电容C1的设置还可以将误差放大器100的输出端的极点推向高频位置，使其处在环路带宽以外，从而使得其对环路的影响忽略不计。

优选地，本发明的带有补偿电路的低压差稳压器还包括反馈电容C2，其连接在误差放大器100的反向输入端与输出节点N3之间。由于本发明的带有补偿电路的低压差稳压器中的补偿电阻R3的阻值较大，其会减慢输出电压信号VOUT反馈到误差放大器100的输入端的速度，这也是导致低压差稳压器响应速度慢的原因。反馈电容C2的设置，使得输出节点N3处的高频信号快速地反馈到误差放大器100的输入端，从而加快了低压差稳压器的响应速度。

此外，本发明的带有补偿电路的低压差稳压器，由于使用了NMOS器件M0作为输出调整管，没有在调整管上面增加弥勒补偿电容，使得系统的电源抑制比(PSR)大大提高。

图3所示为本发明的第二实施方式。在该实施方式中，省去了补偿电阻R3的运用，而是用反馈电阻R1和R2同时起到了补偿电阻R3的作用。具体地，在该实施方式中，本发明的带有补偿电路的低压差稳压器包括：误差放大器100、调整管M0、第一反馈电阻R1、第二反馈电阻R2、补偿电容C1、以及反馈电容C2。其连接方式与第一实施方式相同。其中，由于省去了补偿电阻R3，第一节点N1与第二节点N2重合，并形成为该系统的主极点，即补偿电容C1与第二反馈电阻形成了该系统的主极点。同时，反馈电容C2与第一反馈电阻R1之间的输出节点N3，形成了该系统的零点。该实施方式同样可以保证整个系统的稳定性。

图4所示为本发明的第三实施方式。在该实施方式中，补偿电容C1用MOS管M1代替，其栅极连接到误差放大器100的输出端，其源极和漏极短接后连接到误差放大器100的反向输入端。这样可以更加节省制造成本。同理，反馈电容C2也可以用MOS管来代替(图中未示出)。

本发明中误差放大器100的实现方案可以如图6所示。图6中采用经典的运算放大器电路，节点IN是LDO输出电流的采样信号，其电压与输出电流成反比，当输出电流大到一定值时，节点IN的电压会降低，从而使NMOS管M2打开，限制误差放大器输出的最大值OUT，起到保护作用。可以理解的是，本发明中亦可以使用其他任何高性能的运算放大器结构，来提高LDO的性能。

以上具体实施方式仅为本发明的示例性实施方式，不能用于限定本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这些修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种带有补偿电路的低压差稳压器，包括：

误差放大器；以及

依次串联连接在电源与地之间的调整管、第一反馈电阻和第二反馈电阻，所述调整管的源极与所述第一反馈电阻之间形成输出节点，所述调整管的栅极连接到所述误差放大器的输出端，其特征在于，还包括：

补偿电容，其连接在所述误差放大器的反向输入端与输出端之间；

补偿电阻，其连接在所述误差放大器的反向输入端与第一节点之间，所述第一节点为所述第一和第二反馈电阻之间形成的连接节点，其中，

所述补偿电阻的阻值为所述第一反馈电阻的阻值的m倍，其中5≤m≤10，且为所述第二反馈电阻的阻值的n倍，其中5≤n≤10。

2.一种带有补偿电路的低压差稳压器，包括：

误差放大器；以及

依次串联连接在电源与地之间的调整管、第一反馈电阻和第二反馈电阻，所述调整管的源极与所述第一反馈电阻之间形成输出节点，所述调整管的栅极连接到所述误差放大器的输出端，其特征在于，还包括：

MOS管，其栅极连接到所述误差放大器的输出端，其源极和漏极短接后连接到所述误差放大器的反向输入端；

补偿电阻，其连接在所述误差放大器的反向输入端与第一节点之间，所述第一节点为所述第一和第二反馈电阻之间形成的连接节点，其中，

所述补偿电阻的阻值为所述第一反馈电阻的阻值的m倍，其中5≤m≤10，且为所述第二反馈电阻的阻值的n倍，其中5≤n≤10。

3.根据权利要求1或2所述的带有补偿电路的低压差稳压器，其特征在于，还包括反馈电容，其连接在所述误差放大器的反向输入端与所述输出节点之间。

4.一种带有补偿电路的低压差稳压器，包括：

误差放大器；以及

依次串联连接在电源与地之间的调整管、第一反馈电阻和第二反馈电阻，所述调整管的源极与所述第一反馈电阻之间形成输出节点，所述调整管的栅极连接到所述误差放大器的输出端，其特征在于，还包括：

补偿电容，其连接在所述误差放大器的反向输入端与输出端之间；

反馈电容，其连接在所述误差放大器的反向输入端与所述输出节点之间。