CN106647915B - 一种采用数字电路补偿电容的低压差线性稳压器 - Google Patents

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    • G05F1/46—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc
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    • G05F1/565—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in series with the load as final control devices sensing a condition of the system or its load in addition to means responsive to deviations in the output of the system, e.g. current, voltage, power factor

Abstract

低压差线性稳压器为闭环负反馈结构，可以采用密勒补偿的方法保证环路的稳定性，然而当负载变化时，等效到调整管栅极的密勒电容随之变化，环路主极点跟着变化，环路的稳定性难以保证；本发明提出一种采用数字电路补偿电容的低压差线性稳压器，其特征在于，在使用密勒补偿的低压差线性稳压器电路中，利用电压检测电路检测误差放大器的输出电压，检测的电压输入数模变换器转换为数字信号，该数字信号输入数字逻辑控制电路，数字逻辑控制电路判断调整管的工作状态，根据预存的信息得出此时需要补偿的电容大小，并输出控制信号，调节电容阵列的通断，保证调整管栅极的总电容保持不变，从而稳定环路的主极点。

Description

一种采用数字电路补偿电容的低压差线性稳压器
技术领域
本发明属于集成电路设计技术领域，特别涉及一种采用数字电路补偿电容的低压差线性稳压器。
背景技术
低压差线性稳压器(Low Dropout Regulator,LDO)是一种提供稳定输出电压的供电电路，和DC-DC变换器相比具有输出电压纹波小、输出电流稳定等特点，在集成电路中具有广泛的应用。
图1是典型的LDO原理图，这是一个负反馈电路。当输出电压VOUT上升时，反馈电压VF上升；VF和参考电压VREF的差值经过误差放大器AMP放大后，得到的控制电压VC上升；进而VOUT下降。当负载RL、CL发生变化时，输出电压VOUT受参考电压VREF的控制，保持不变。
LDO的设计需要考虑其稳定性，一种方法是采用密勒补偿技术在M1管的栅极产生主极点。如图2所示，电容CC为密勒补偿电容，电阻RC用于消除密勒补偿带来的零点。
密勒补偿中电容CC等效到M1管栅极电容的大小等于(A+1)CC，其中A是由M1管作为输入管的放大器增益的绝对值，这一等效的大电容保证环路的主极点位于M1管的栅极。然而当LDO负载变化的时候，M1管作为输入管的放大器的增益A也在变化，等效到M1管栅极的电容(A+1)CC也在变化，环路的主极点大小也在变化，环路的稳定性受到影响。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种采用数字电路补偿电容的低压差线性稳压器，利用补偿电路检测LDO调整管的工作状态，并通过数字逻辑控制电路调节连接在调整管栅极的电容大小，从而保证栅极总电容不变，主极点频率不变，提高LDO环路的稳定性。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种采用数字电路补偿电容的低压差线性稳压器，在使用密勒补偿的低压差线性稳压器电路中，利用电压检测电路检测误差放大器的输出电压，检测的电压输入数模变换器转换为数字信号，该数字信号输入数字逻辑控制电路，数字逻辑控制电路判断调整管的工作状态，根据预存的信息得出此时需要补偿的电容大小，并输出控制信号，调节电容阵列的通断，保证调整管栅极的总电容保持不变，从而稳定环路的主极点。
所述使用密勒补偿的低压差线性稳压器电路中，VOUT为输出电压，为负载供电，等效负载电阻RL和等效负载电容并联接在VOUT与GND之间，通过采样电阻RF1和电阻RF2对VOUT进行分压取样，得到反馈电压VF，VF和参考电压VREF进行比较，经过误差放大器AMP放大后得到控制电压VC，VC控制调整管M1的栅极电压，用于密勒补偿的电容CC和用于消除零点的电阻RC串联在VC与VOUT之间。
所述电压检测电路连接有滤波放大电路，所检测电压信号经滤波、放大后传给数模变换器。
所述数字逻辑控制电路与电压检测电路连接对其进行调节，使其输出满足数模变换器的输入要求。
所述电容阵列包括若干组并联支路，每组支路由一个电容和一个开关串联组成，各支路连接在调整管栅极与电源VDD之间，所述数字逻辑控制电路的输出控制各支路中开关的通断，使得各支路中电容按照要求接入调整管栅极，从而调整连接在调整管栅极上的电容大小，当调整管栅极节点的电容变小时，增加接入的电容支路，使得总电容变大；当调整管栅极节点的电容变大时，减少接入的电容支路，使得总电容变小。
所述调整管的工作状态包括亚阈值区、饱和区或线性区。
所述调整管在不同工作状态下的等效电容通过前期电路设计和仿真确定。
与现有技术相比，本发明的有益效果是通过对LDO调整管的栅极电容进行补偿，可以使得反馈环路主极点频率基本不变，从而保证电路的稳定性。而且采用数字补偿电路，可以对调整管工作状态的判断更加精确，电容的补偿方法更加灵活。
附图说明
图1是模拟低压差线性稳压器原理图。
图2是带有密勒补偿的模拟低压差线性稳压器原理图。
图3是采用数字电路补偿调整管栅极电容的低压差线性稳压器原理图。
图4是数字控制逻辑电路的工作流程图。
具体实施方式
下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
为了解决使用密勒补偿的LDO主极点频率随负载变化的问题，本发明提出了采用数字电路补偿调整管栅极电容的方法。该电路首先检测调整管的栅极电压，该模拟电压反映了调整管的工作状态。然后将该电压经过数模变换器后转换为数字信号，以便于数字逻辑控制电路处理。接着数字逻辑控制电路判断调整管的工作状态，并根据预存的信息得出此时需要补偿的电容大小。最后数字逻辑控制电路输出控制字，调节电容阵列的通断，保证调整管栅极的总电容保持不变。
采用数字电路对调整管栅极电容进行补偿的LDO如图3所示。其主体电路仍为使用密勒补偿的LDO。在此基础上增加了控制器和电容阵列两个部分。
控制器包含电压检测、数模转换器(ADC)、数字逻辑控制和时钟等部分。LDO误差放大器AMP的输出电压VC传给电压检测电路，该电路为模拟电路，将VC信号滤波、放大后传给ADC。ADC将模拟信号转换为数字信号后传给数字逻辑控制电路。数字逻辑控制电路根据ADC的数据判断当前调整管的工作状态，并结合预存的信息确定此时调整管栅极应有的电容值，然后输出对应的控制字。此外数字逻辑控制电路还调节电压检测电路，使其输出满足ADC的输入要求。时钟电路则为控制器中的数字电路提供时钟，该时钟不会对LDO的输出产生干扰。
电容阵列包含多条并联支路，每条支路为开关和电容的串联，接在调整管M1的栅极和电源VDD之间。数字逻辑控制电路输出的控制字控制开关S1～SN的通断，使得电容C1～CN按照要求接入调整管栅极。电容C1～CN的数量和电容值的大小需要根据仿真结果确定。
数字逻辑控制电路的基本工作流程如图4所示。首先根据ADC的输出数据获取调整管的工作状态。由于ADC的精度可以较高，调整管可以细分为多个工作状态以便于更准确的调节。然后判断调整管的工作状态是否发生的变化，即是否需要改变补偿电容。如果状态没变，则维持原有的控制码；如果状态发生了变化，则结合预存信息更新控制码。最后输出控制码调节电容阵列的开关。
根据本发明提出的调整管栅极电容补偿方法，也可以使用模拟电路实现对栅极电容的补偿。但本发明提出的数字电路补偿具有以下优势：(1)使用数模转换器将检测的模拟电压变为数字信号，具有精度高、抗干扰强的特点；(2)当调整管恰好工作在两个相邻工作状态边缘的时候，模拟电路可能不变变换补偿电容值，难以给出稳定的结果；数字电路可以分辨这一情况并加以解决。(3)电容阵列开关的开合可能对LDO产生影响，数字电路可以通过正确的时序控制保证调节过程更可靠。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种采用数字电路补偿电容的低压差线性稳压器，其特征在于，在使用密勒补偿的低压差线性稳压器电路中，利用电压检测电路检测误差放大器的输出电压，检测的电压输入数模变换器转换为数字信号，该数字信号输入数字逻辑控制电路，数字逻辑控制电路判断调整管的工作状态，根据预存的信息得出此时需要补偿的电容大小，并输出控制信号，调节电容阵列的通断，保证调整管栅极的总电容保持不变，所述电容阵列包括若干组并联支路，每组支路由一个电容和一个开关串联组成，各支路连接在调整管栅极与电源VDD之间，所述数字逻辑控制电路的输出控制各支路中开关的通断，使得各支路中电容按照要求接入调整管栅极，从而调整连接在调整管栅极上的电容大小，当调整管栅极节点的电容变小时，增加接入的电容支路，使得总电容变大；当调整管栅极节点的电容变大时，减少接入的电容支路，使得总电容变小。
2.根据权利要求1所述采用数字电路补偿电容的低压差线性稳压器，其特征在于，所述使用密勒补偿的低压差线性稳压器电路中，VOUT为输出电压，为负载供电，等效负载电阻RL和等效负载电容并联接在VOUT与GND之间，通过采样电阻RF1和电阻RF2对VOUT进行分压取样，得到反馈电压VF，VF和参考电压VREF进行比较，经过误差放大器AMP放大后得到控制电压VC，VC控制调整管M1的栅极电压，用于密勒补偿的电容CC和用于消除零点的电阻RC串联在VC与VOUT之间。
3.根据权利要求1所述采用数字电路补偿电容的低压差线性稳压器，其特征在于，所述电压检测电路连接有滤波放大电路，所检测电压信号经滤波、放大后传给数模变换器。
4.根据权利要求1所述采用数字电路补偿电容的低压差线性稳压器，其特征在于，所述数字逻辑控制电路与电压检测电路连接对其进行调节，使其输出满足数模变换器的输入要求。
5.根据权利要求1所述采用数字电路补偿电容的低压差线性稳压器，其特征在于，所述调整管的工作状态包括亚阈值区、饱和区或线性区。
6.根据权利要求1所述采用数字电路补偿电容的低压差线性稳压器，其特征在于，所述调整管在不同工作状态下的等效电容通过前期电路设计和仿真确定。
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