CN106940579A - 低压差线性稳压器及其频率补偿方法 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及电子电路领域,提供一种低压差线性稳压器及其频率补偿方法,能够实现动态零极点的线性跟随补偿。该低压差线性稳压器包括:功率管,该功率管包括栅极、作为低压差线性稳压器的电压输入端的输入端子和作为低压差线性稳压器的电压输出端的输出端子;放大器,该放大器的正相输入端与电压参考信号相连、输出端与功率管的栅极相连;负反馈电路,用于采集功率管的输出端子处的电压并将采集到的电压反馈给放大器的反相输入端;电流检测电路,用于检测流过功率管的电流,并将检测到的电流传输给频率补偿电路;频率补偿电路,用于基于电流检测电路检测到的电流来对放大器的输出端处的零点进行频率补偿。
Description
技术领域
本公开涉及电子电路领域,具体地,涉及一种低压差线性稳压器及其频率补偿方法。
背景技术
低压差线性稳压器(Low Dropout Linear Regulator,LDO)因具有成本低、输出电压的噪声和纹波性能好、需要的外围器件少等优点,而成为常用的一种电源管理芯片。
图1示出了一种现有低压差线性稳压器的电路图,其给出了一种动态零极点跟随的频率补偿方案。其中,管子Mc工作在线性区,其等效电阻与电容Cc产生一个零点Zc。由于Mc的等效电阻与负载电流成反比关系,即负载电流增加,Mc的等效电阻减小,零点往高频处移动,负载电流减小,Mc的等效电阻增大,零点往低频处移动,因此Mc与Cc产生的零点Zc具有动态跟随负载变化的特性,从而可以实现动态补偿输出极点Pc的功能。
然而,零点Zc与输出极点Pc并非线性跟随的关系,因此当负载范围比较大时,跟随特性就会很差,无法保证LDO的稳定性。具体分析如下:
Mc与Cc产生的零点Zc为:
其中,
而输出极点Pc为:
其中,
可见,零点Zc与输出极点Pc并非线性跟随的关系,这导致当输出负载范围变化很大时,零点Zc无法在整个负载范围内跟随输出极点Pc,因此该方案只能适用于负载范围很小的情况。
发明内容
本公开的目的是提供一种低压差线性稳压器及其频率补偿方法,其能够实现动态零极点线性跟随补偿,从而能够保证LDO在很大的负载范围内的稳定性。
为了实现上述目的,本公开提供一种低压差线性稳压器,包括:
功率管,该功率管包括栅极、作为所述低压差线性稳压器的电压输入端的输入端子和作为所述低压差线性稳压器的电压输出端的输出端子;
放大器,该放大器的正相输入端与电压参考信号相连、输出端与所述功率管的栅极相连;
负反馈电路,用于采集所述功率管的输出端子处的电压并将采集到的电压反馈给所述放大器的反相输入端;
电流检测电路,用于检测流过所述功率管的电流,并将检测到的电流传输给频率补偿电路;
所述频率补偿电路,用于基于所述电流检测电路检测到的电流来对所述放大器的输出端处的零点进行频率补偿。
可选地,该低压差线性稳压器还包括连接在所述放大器的输出端与所述功率管的栅极之间的缓冲器,用于在所述低压差线性稳压器处于低负载状态时将所述放大器的输出端处的极点与所述低压差线性稳压器的电压输出端处的极点分离。
可选地,所述缓冲器还用于接收所述电流检测电路检测到的电流,以利用检测到的电流来调整所述缓冲器的输出端处的极点。
可选地,所述频率补偿电路包括串联连接的补偿电容和补偿电阻。
可选地,所述补偿电阻为工作在线性区的半导体晶体管。
可选地,所述电流检测电路包括电流检测管和电流镜,其中:
所述电流检测管,用于检测流过所述功率管的电流;
所述电流镜,用于将所述电流检测管检测到的电流传输给所述频率补偿电路。
可选地,所述功率管为NMOS管。
根据本公开的又一实施例,还提供一种用于低压差线性稳压器的频率补偿方法,该方法包括:
采集功率管的输出端子处的电压,其中所述功率管的输出端子被作为所述低压差线性稳压器的电压输出端;
将电压参考信号和采集到的功率管的输出端子处的电压分别输入到放大器的正相输入端和反相输入端;
利用所述放大器的输出端处的电压来控制所述功率管的栅极,使得所述功率管的输出端子处的电压达到稳定;
检测流过所述功率管的电流;以及
基于检测到的电流来对所述放大器的输出端处的零点进行频率补偿。
可选地,该方法还包括:利用连接在所述放大器的输出端与所述功率管的栅极之间的缓冲器,在所述低压差线性稳压器处于低负载状态时将所述放大器的输出端处的极点与所述低压差线性稳压器的电压输出端处的极点分离。
可选地,该方法还包括:将检测到的电流传输给所述缓冲器,以调整所述缓冲器的输出端处的极点。
通过上述技术方案,由于电流检测电路能够检测流过功率管的电流,频率补偿电路则基于电流检测电路检测到的电流对放大器的输出端处的零点进行频率补偿,因此能够使得放大器的输出端处的零点与流过功率管的电流成比例关系,进而实现了放大器的输出端处的零点与低压差线性稳压器的输出端子处的极点的动态线性跟随,保证了低压差线性稳压器在很大的负载变化范围内的稳定性,满足了现代电子设备对大负载范围的需求。
本公开的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本公开的进一步理解,并且构成说明书的一部分,与下面的具体实施方式一起用于解释本公开,但并不构成对本公开的限制。在附图中:
图1示出了一种现有低压差线性稳压器的电路图。
图2是根据本公开一种实施例的低压差线性稳压器的示意框图。
图3是根据本公开又一实施例的低压差线性稳压器的电路图。
图4是根据本公开又一实施例的低压差线性稳压器的电路图。
图5是根据本公开又一实施例的低压差线性稳压器的电路图。
图6是根据本公开一种实施例的用于低压差线性稳压器的频率补偿方法的流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本公开的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是,此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本公开,并不用于限制本公开。
根据本公开的一种实施例,提供一种低压差线性稳压器,如图2所示,该低压差线性稳压器包括功率管Npower、放大器10、负反馈电路20、电流检测电路30和频率补偿电路40,其中:
功率管Npower包括栅极、作为低压差线性稳压器的电压输入端的输入端子PVDD和作为低压差线性稳压器的电压输出端的输出端子C;
放大器10的正相输入端Vref与电压参考信号相连、输出端与功率管Npower的栅极相连;
负反馈电路20用于采集功率管Npower的输出端子C处的电压并将采集到的电压反馈给放大器20的反相输入端Vfb;
电流检测电路30用于检测流过功率管Npower的电流,并将检测到的电流传输给频率补偿电路40;
频率补偿电路40用于基于电流检测电路30检测到的电流来对放大器10的输出端A处的零点进行频率补偿。
通过上述技术方案,由于电流检测电路30能够检测流过功率管Npower的电流,频率补偿电路40则基于电流检测电路30检测到的电流对放大器10的输出端A处的零点进行频率补偿,因此能够使得放大器10的输出端A处的零点与流过功率管Npower的电流成比例关系,进而实现了放大器10的输出端A处的零点与低压差线性稳压器的输出端子C点处的极点的动态线性跟随,保证了低压差线性稳压器在很大的负载变化范围内的稳定性,满足了现代电子设备对大负载范围的需求。
在一种可能的实施方式中,图2所示的低压差线性稳压器可以通过图3所示的电路来实现。
如图3所示,频率补偿电路40可以包括串联连接的补偿电容Cc和补偿电阻Ncomp。当然,本领域技术人员应当理解的是,图3所示的频率补偿电路40仅是示例。实际上,本公开实施例不对频率补偿电路40的具体实现形式进行限制,只要其能够实现基于流过功率管Npower的电流来对放大器10的输出端A处的零点进行补偿并使得A处的零点动态地线性跟随节点C处的极点即可。
在一种可能的实现方式中,图3中的补偿电阻Ncomp可以为工作在线性区的半导体晶体管。依据实际的电路设计,用作补偿电阻的半导体晶体管可以是MOS管或者三极管,其导电类型既可以是N型的,也可以是P型的。
另外,如图3所示,电流检测电路30可以包括电流检测管Nsen和由MOS管P0、P1构成的电流镜,其中:电流检测管Nsen,用于检测流过功率管Npower的电流;电流镜,则用于将电流检测管Nsen检测到的电流传输给频率补偿电路40。图3中所示的是,电流检测管Nsen检测到的电流被传输给频率补偿电路40的MOS管Ncomp。本领域技术人员应当理解的是,图3所示的电流检测电路30仅是示例,本公开实施例不对电流检测电路的具体实现形式进行限制。
另外,如图3所示,负反馈电路20可以由串联连接的电阻实现。本领域技术人员应当理解的是,图3所示的负反馈电路20仅是示例,本公开实施例不对负反馈电路的具体实现形式进行限制。
另外,图3还示意性地示出了根据本公开实施例的低压差线性稳压器的负载50,该负载50由串联的电阻Resr和电容CL构成。本领域技术人员应当理解的是,负载50仅是示例。
虽然图2和图3所示的根据本公开实施例的低压差线性稳压器能够实现放大器10的输出端A处的零点动态地线性跟随节点C处的极点,但是在需求很大负载能力的情况下,由于功率管Npower需要很大的尺寸,因此功率管Npower的栅极端会产生很大的寄生电容,导致在放大器10的输出端A处看到的寄生电容很大。此时,当负载电流很小(例如,几百微安)时,放大器10的输出端A点处的极点与节点C处的极点将几乎重合,这时如果要使节点A处的零点等于节点C处的极点,则需要使频率补偿电路40的补偿电容的容值非常大,导致低压差线性稳压器的成本大幅提升,甚至无法实现低压差线性稳压器的频率补偿和稳定性。因此,为了解决这个问题,如图4所示,根据本公开实施例的低压差线性稳压器还包括连接在放大器10的输出端A与功率管Npower的栅极之间的缓冲器60,该缓冲器60能够在低压差线性稳压器处于低负载状态时将放大器10的输出端A处的极点与低压差线性稳压器的电压输出端C处的极点分离。通过增加缓冲器60,在放大器10的输出端A处将看不到在功率管Npower的栅极(也即节点B)处产生的大的寄生电容,因此,在负载电流很小的情况下,频率补偿电路40的补偿电容的容值不需要很大就能够实现低压差线性稳压器的频率补偿。另外,在节点B处,由于缓冲器60的输出阻抗低,因此节点B处产生的极点不会影响低压差线性稳压器的环路稳定性。
图4所示的低压差线性稳压器电路虽然能够在负载电流很小的情况下不需要很大的补偿电容容值就能够实现频率补偿,但是在负载瞬间发生跳变时,节点B处的电压不能快速响应负载的突变。为了解决这个问题,如图5所示,在根据本公开实施例的低压差线性稳压器中,缓冲器60还可以用于接收电流检测电路30检测到的电流,以利用检测到的电流来调整缓冲器60的输出端处的极点。通过将电流检测电路30检测到的流过功率管Npower的电流传输给缓冲器60,使得在负载发生跳变时,例如在负载电流突然从轻载切换到重载时,流过功率管Npower的电流变化会被迅速反映给缓冲器60,这样缓冲器60就能够瞬间抬高节点B处的电压,从而快速响应负载的突变。
以下结合图5所示的电路图来详细分析根据本公开实施例的低压差线性稳压器的零极点动态线性跟随特性。
图5所示的低压差线性稳压器环路中有三个重要的节点,也即节点A、B、C。这些节点引入的零点或极点会影响LDO的稳定性,其中节点C会引入一个与负载大小有关的极点PC以及一个零点ZC。以功率管Npower为NMOS功率管为例,极点PC可以表示为:
其中,CL是负载电容,RL是等效负载电阻,RNpower是功率管Npower的等效电阻,IL是流过负载的电流,KNpower是功率管Npower的特征参数,由工艺特性以及功率管Npower的尺寸决定,Ro是功率管Npower输出端的阻抗,由功率管Npower自身的等效电阻以及负载电阻共同决定。
零点ZC可以表示为:
节点A处引入的零点ZA和极点PA可以分别表示为:
其中,Rop是放大器10的输出电阻,RNcomp是频率补偿电路40中的频率补偿管Ncomp的等效电阻,而且:
其中,INcomp是通过电流检测管Nsen检测流过功率管Npower的电流而得到的电流。另外,电流检测管Nsen与功率管Npower的尺寸比可以是例如1:1或者其他尺寸。当然,为了减小低压差线性稳压器的功耗和面积开销,电流检测管Nsen的尺寸优选小于功率管Npower的尺寸,以使得INcomp是流过功率管Npower的电流的万分之一、甚至更小。电流检测管Nsen与功率管Npower的具体尺寸比由低压差线性稳压器的功耗和面积要求决定。KNcomp是频率补偿管Ncomp的特征参数,由工艺特性以及频率补偿管Ncomp的尺寸决定。
将公式(7)代入公式(6),得到:
其中,λ是功率管Npower与电流检测管Nsen的尺寸比。
从公式(3)和(8)能够看出,只要合理地设计功率管Npwoer、电流检测管Nsen以及频率补偿管Ncomp的尺寸,就可以使PC=ZA,从而消除节点C处的极点PC对环路稳定性的影响。
另外,在节点B处,由于功率管Npower的栅极端有很大的寄生电容Cpar以及缓冲器60的输出电阻Rbuffer,因此在节点B处会引入一个极点PB:
只要增强缓冲器60的驱动能力(也就是减小Rbuffer),极点PB就会被推到远离环路带宽的位置,因此对环路的稳定性将不产生影响。
另外,在根据本公开各个实施例所述的低压差线性稳压器中,功率管Npower优选为NMOS管。由于NMOS管的迁移率大大高于PMOS管的迁移率,因此能够在满足低压差电压的同时,极大地节省功率管的面积,从而降低LDO的成本。另外,在负载瞬间发生跳变的情况下,LDO的输出电压会瞬间产生下冲或上冲,采用NMOS管作为功率管,则能够在LDO的输出端C点处的电压Vout发生变化时,使功率管Npower的栅源电压VGS也立刻发生变化,从而流过功率管Npower的电流也随之发生变化,瞬态响应特性得到加强。
根据本公开的又一实施例,还提供一种用于低压差线性稳压器的频率补偿方法,如图6所示,该方法可以包括以下步骤S601至S605。
在步骤S601中,采集功率管的输出端子处的电压,其中所述功率管的输出端子被作为所述低压差线性稳压器的电压输出端;
在步骤S602中,将电压参考信号和采集到的功率管的输出端子处的电压分别输入到放大器的正相输入端和反相输入端;
在步骤S603中,利用所述放大器的输出端处的电压来控制所述功率管的栅极,使得所述功率管的输出端子处的电压达到稳定;
在步骤S604中,检测流过所述功率管的电流;以及
在步骤S605中,基于检测到的电流来对所述放大器的输出端处的零点进行频率补偿。
通过上述技术方案,由于能够检测流过功率管的电流并基于检测到的电流对放大器的输出端处的零点进行频率补偿,因此能够使得放大器的输出端处的零点与流过功率管的电流成比例关系,进而实现了放大器的输出端处的零点与低压差线性稳压器的输出端子点处的极点的动态线性跟随,保证了低压差线性稳压器在很大的负载变化范围内的稳定性,满足了现代电子设备对大负载范围的需求。
在一种可能的实施方式中,根据本公开实施例的方法还可以包括:利用连接在所述放大器的输出端与所述功率管的栅极之间的缓冲器,在所述低压差线性稳压器处于低负载状态时将所述放大器的输出端处的极点与所述低压差线性稳压器的电压输出端处的极点分离。通过增加缓冲器,在放大器的输出端处将看不到在功率管的栅极处产生的大的寄生电容,因此,在负载电流很小的情况下,不需要很大的补偿电容容值就能够实现低压差线性稳压器的频率补偿。另外,由于缓冲器的输出阻抗低,因此在缓冲器输出端处产生的极点不会影响LDO的环路稳定性。
在一种可能的实施方式中,根据本公开实施例的方法还可以包括:将检测到的电流传输给所述缓冲器,以调整所述缓冲器的输出端处的极点。通过将检测到的流过功率管的电流传输给缓冲器,使得在负载发生跳变时,例如在负载电流突然从轻载切换到重载时,流过功率管的电流变化会被迅速反映给缓冲器,这样缓冲器就能够瞬间抬高功率管的栅极电压,从而快速响应负载的突变。
根据本公开实施例的方法中各个步骤的具体实现方式已经在根据本公开实施例的低压差线性稳压器中进行了详细描述,此处不再赘述。
以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式,但是,本公开并不限于上述实施方式中的具体细节,在本公开的技术构思范围内,可以对本公开的技术方案进行多种简单变型,这些简单变型均属于本公开的保护范围。
另外需要说明的是,在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征,在不矛盾的情况下,可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复,本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外,本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合,只要其不违背本公开的思想,其同样应当视为本公开所公开的内容。
Claims (10)
1.一种低压差线性稳压器,其特征在于,该低压差线性稳压器包括:
功率管,该功率管包括栅极、作为所述低压差线性稳压器的电压输入端的输入端子和作为所述低压差线性稳压器的电压输出端的输出端子;
放大器,该放大器的正相输入端与电压参考信号相连、输出端与所述功率管的栅极相连;
负反馈电路,用于采集所述功率管的输出端子处的电压并将采集到的电压反馈给所述放大器的反相输入端;
电流检测电路,用于检测流过所述功率管的电流,并将检测到的电流传输给频率补偿电路;
所述频率补偿电路,用于基于所述电流检测电路检测到的电流来对所述放大器的输出端处的零点进行频率补偿。
2.根据权利要求1所述的低压差线性稳压器,其特征在于,该低压差线性稳压器还包括连接在所述放大器的输出端与所述功率管的栅极之间的缓冲器,用于在所述低压差线性稳压器处于低负载状态时,将所述放大器的输出端处的极点与所述低压差线性稳压器的电压输出端处的极点分离。
3.根据权利要求2所述的低压差线性稳压器,其特征在于,所述缓冲器还用于接收所述电流检测电路检测到的电流,以利用检测到的电流来调整所述缓冲器的输出端处的极点。
4.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的低压差线性稳压器,其特征在于,所述频率补偿电路包括串联连接的补偿电容和补偿电阻。
5.根据权利要求4所述的低压差线性稳压器,其特征在于,所述补偿电阻为工作在线性区的半导体晶体管。
6.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的低压差线性稳压器,其特征在于,所述电流检测电路包括电流检测管和电流镜,其中:
所述电流检测管,用于检测流过所述功率管的电流;
所述电流镜,用于将所述电流检测管检测到的电流传输给所述频率补偿电路。
7.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的低压差线性稳压器,其特征在于,所述功率管为NMOS管。
8.一种用于低压差线性稳压器的频率补偿方法,其特征在于,该方法包括:
采集功率管的输出端子处的电压,其中所述功率管的输出端子被作为所述低压差线性稳压器的电压输出端;
将电压参考信号和采集到的功率管的输出端子处的电压分别输入到放大器的正相输入端和反相输入端;
利用所述放大器的输出端处的电压来控制所述功率管的栅极,使得所述功率管的输出端子处的电压达到稳定;
检测流过所述功率管的电流;以及
基于检测到的电流来对所述放大器的输出端处的零点进行频率补偿。
9.根据权利要求8所述的方法,其特征在于,该方法还包括:
利用连接在所述放大器的输出端与所述功率管的栅极之间的缓冲器,在所述低压差线性稳压器处于低负载状态时将所述放大器的输出端处的极点与所述低压差线性稳压器的电压输出端处的极点分离。
10.根据权利要求9所述的方法,其特征在于,该方法还包括:
将检测到的电流传输给所述缓冲器,以调整所述缓冲器的输出端处的极点。
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