低压线性稳压器电路及移动终端
技术领域
本公开涉及电路技术领域,特别涉及一种低压线性稳压器电路以及应用该低压线性稳压器电路的移动终端。
背景技术
随着移动通信技术的快速发展,各种移动终端如手机、掌上电脑、笔记本电脑等也逐渐得到了普及。由于电池技术限制,在各种移动终端中,电源管理显得格外重要。例如,一个优秀的移动终端不会因为功能性强大而使用多组电源,一个较好的解决方法是通过低压线性稳压器电路(Low Dropout Linear Regulator,简称LDO)在移动终端内部产生对应到各功能应用的各种子电源,所以低压线性稳压器电路在各式由电池供应电源的移动终端产品被大量的使用。
如图1中所示,为现有技术中一种低压线性稳压器电路的结构示意图。该低压线性稳压器电路主要包括第一级放大器A1、第二级放大器A2、输出晶体管Mp以及反馈电路20等。除此之外,为了改善低压线性稳压器电路的负载瞬态能力,一种技术方案是在低压线性稳压器电路的输出端与第二级放大器的输入端之间增设一密勒(Miller)补偿电路进行补偿。在密勒补偿电路中,主要通过负载电容Cm来提供负载跳变时所需的瞬态电流,从而得到稳定的输出电压。
这样,上述低压线性稳压器电路中就必须由外部提供一个10uF级别左右的大电容,例如图2A以及图2B中所示的电浆式包装或是陶瓷式包装的电容作为外挂式电容,因此会增加系统成本。同时,外挂式电容的寄生电阻的大小会在一定程度上影响低压线性稳压器电路的环路稳定性,大大增加了系统设计的复杂性。此外,外挂式电容面积庞大,也不利于低压线性稳压器电路的小型化。
发明内容
本公开的目的在于提供一种低压线性稳压器电路以及应用该低压线性稳压器电路的移动终端,从而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的一个或多个问题。
本公开的其它特性和优点将通过下面的详细描述变得显然,或部分地通过本公开的实践而习得。
根据本公开的第一方面,提供一种低压线性稳压器电路,包括:
一第一级放大器,具有第一、第二输入端及输出端,其第一输入端接收一基准电压,其第二输入端接收一反馈电压,其输出端连接一第一极点;
一第二级放大器,具有输入端及输出端,其输入端连接所述第一极点,其输出端连接一第二极点;
一输出晶体管,具有控制端、第一端及第二端,其控制端连接所述第二极点,其第一端连接一第一驱动电源,其第二端连接一第三极点且提供一输出电压;
一补偿电路,包括一补偿单元及一第一电容;所述第一电容第一端连接所述第一极点、第二端连接所述补偿单元;所述补偿单元根据所述第一至第三极点的电压产生一密勒系数以放大所述第一电容至预设值;
一反馈电路,与所述第一及第三极点连接,用于根据所述输出电压提供所述反馈电压。
本公开的一种示例性实施例中,所述补偿单元包括:
一第一晶体管,具有控制端、第一端及第二端,其控制端连接所述第二极点,其第一端连接所述第一驱动电源,其第二端连接所述第一电容第二端;
一第二晶体管,与所述第一晶体管沟道类型相反,具有控制端、第一端及第二端,其控制端连接所述第一极点,其第一端连接一第二驱动电源,其第二端连接所述第一电容第二端;
一第二电容,具有第一端及第二端,其第一端连接所述第二极点,其第二端连接所述第三极点。
本公开的一种示例性实施例中,其中:
所述输出晶体管及第一晶体管为P沟道型晶体管,所述第二晶体管为N沟道型晶体管,所述第一电源提供一高电平驱动电压,所述第二电源提供一低电平驱动电压;或者,
所述输出晶体管及第一晶体管为N沟道型晶体管,所述第二晶体管为P沟道型晶体管,所述第一电源提供一低电平驱动电压,所述第二电源提供一高电平驱动电压。
本公开的一种示例性实施例中,所述反馈电路包括:
一第一分压电阻,具有第一端及第二端,其第一端连接所述第三极点,其第二端连接所述第一级放大器的第二输入端;
一第二分压电阻,具有第一端及第二端,其第一端连接一第二驱动电源,其第二端连接所述第一级放大器的第二输入端。
本公开的一种示例性实施例中,所述反馈电路对于所述输出电压的分压采样比例可调。
本公开的一种示例性实施例中,所述反馈电路包括:
一第一分压电阻,具有第一端及第二端,其第一端连接所述第三极点;
一第二分压电阻,具有第一端及第二端,其第一端述连接一第二驱动电源;
至少一调整电阻,串联在所述第一分压电阻第二端与第二分压电阻第二端之间;
一切换单元,用于根据切换信号选择是否短路各所述调整电阻,并将所述反馈电路的分压采样信号提供至所述第一级放大器的第二输入端。
本公开的一种示例性实施例中,所述调整电阻的数量为n,所述2m-1≤n<2m,所述切换信号由m个开关的通断组合产生;其中,n>0,m>0。
本公开的一种示例性实施例中,所述第一级放大器包括跨导运算放大器。
本公开的一种示例性实施例中,所述第一级放大器包括:
一第一电流镜单元;以及,
一差动对电路,所述差动对电路对所述基准电压和反馈电压的差值进行放大并通过所述第一电流镜单元输出。
本公开的一种示例性实施例中,所述第一电流镜单元为N沟道型电流镜,所述差动对电路包括P沟道型的晶体管。
本公开的一种示例性实施例中,所述第二级放大器包括:
一第二电流镜单元;以及,
一晶体管对,所述晶体管对对所述第一极点的电压放大后通过所述第二电流镜单元输出。
本公开的一种示例性实施例中,所述第二电流镜单元为P沟道型电流镜,所述差动对电路包括N沟道型的晶体管。
本公开的一种示例性实施例中,所述第一电容为一MIM电容。
本公开的一种示例性实施例中,所述低压线性稳压器电路中的所有器件均集成在同一芯片。
根据本公开的第二方面,提供一种移动终端,包括上述任意一种低压线性稳压器电路。
本公开一种示例实施方式的低压线性稳压器电路中,通过补偿单元利用密勒效应原理放大第一电容产生一个足以取代现有技术中外挂式电容的密勒等效电容,因此可以无需设置外挂式电容,一方面可以降低系统成本以及系统设计的复杂性,另一方面可以减少低压线性稳压器电路的整体空间占用,便于产品的小型化。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分,示出了符合本发明的实施例,并与说明书一起用于解释本发明的原理。显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是一种低压线性稳压器电路的结构示意图。
图2A以及图2B是外挂式陶瓷电容的结构示意图。
图3是本公开实施例中一种低压线性稳压器电路的结构示意图。
图4是本公开实施例中一种补偿电路的的结构示意图。
图5是本公开实施例中一种反馈电路的的结构示意图。
图6是本公开实施例中另一种反馈电路的的结构示意图。
图7是本公开实施例中另一种低压线性稳压器电路的结构示意图。
图8是本公开实施例中一种低压线性稳压器电路的芯片布局示意图。
图9A及图9B是本公开实施例中一种低压线性稳压器电路的性能测试结果示意图。
附图标记说明:
A1 第一级放大器
A2 第二级放大器
10 补偿电路
20 反馈电路
100 补偿单元
Cm 负载电容
C1 第一电容
C2 第二电容
Mp 输出晶体管
M1~M11 第一晶体管~第十一晶体管
Md 虚拟晶体管
Rf1 第一分压电阻
Rf2 第二分压电阻
Rs 调整电阻
RA 切换单元
S0~S4 开关
P1 第一极点
P2 第二极点
P3 第三极点
Vdd 第一驱动电源
Vss 第二驱动电源
Vref 基准电压
Vfb 反馈电压
Vout 输出电压
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例性实施例。然而,示例性实施例能够以多种形式实施,且不应被理解为限于在此阐述的实施方式;相反,提供这些实施方式使得本公开将全面和完整,并将示例性实施例的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中,相同的附图标记表示相同或类似的结构,因而将省略它们的详细描述。
此外,所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中,提供许多具体细节从而给出对本公开的实施例的充分理解。然而,本领域技术人员将意识到,可以实践本公开的技术方案而没有所述特定细节中的一个或更多,或者可以采用其它的组件、步骤等。在其它情况下,不详细示出或描述公知结构以避免模糊本公开的各方面。
本示例实施方式中首先提供了一种低压线性稳压器电路,如图3中所示,其主要包括一第一级放大器A1、一第二级放大器A2、一输出晶体管Mp、一补偿电路10以及一反馈电路20。当然,本领域技术人员容易得知的是,除此之外本示例实施方式中的低压线性稳压器电路还可以包括驱动电源电路、基准电压生成电路、滤波电路、输出稳压电路、负载短路保护电路、过压关断电路、过热关断电路、反接保护电路等其他电路单元。
所述第一级放大器A1具有第一输入端(例如正相输入端)、第二输入端(例如反相输入端)及输出端,所述第一级放大器A1第一输入端接收一基准电压Vref,所述第一级放大器A1第二输入端接收一反馈电压Vfb,其输出端连接一第一极点P1。本示例实施方式中,所述第一级放大器A1可以包括一跨导运算放大器,从而放大所述反馈电压Vfb和所述基准电压Vref的差值并输出。所述第二级放大器A2具有输入端及输出端,所述第二级放大器A2输入端连接所述第一极点P1,所述第二级放大器A2输出端连接一第二极点P2;本示例实施方式中,所述第二级放大器A2可以包括一具有负增益的电压放大器,从而放大所述第一极点P1的电压并输出至第二极点P2。所述输出晶体管Mp具有控制端、第一端及第二端,所述输出晶体管Mp控制端连接所述第二极点P2,所述输出晶体管Mp第一端连接一第一驱动电源Vdd,所述输出晶体管Mp第二端连接一第三极点P3,因此所述输出晶体管Mp可以响应所述第二极点P2的电压而提供一输出电压Vout。所述输出晶体管Mp可以是N沟道型晶体管,也可以是P沟道型晶体管;本示例实施方式中,所述输出晶体管Mp为P沟道型晶体管,则所述第一驱动电源Vdd为可以提供高电平驱动电压的驱动电源。所述补偿电路10包括一补偿单元100及一第一电容C1,所述第一电容C1第一端连接所述第一极点P1,所述第一电容C1第二端连接所述补偿单元100;为了便于形成在芯片上,本示例实施方式中,所述第一电容C1可以为一MIM(Metal-Insolator-Metal,金属-绝缘体-金属)电容,但本示例实施方式中并不以此为限;所述补偿单元100根据所述第一极点P1、第二极点P2以及第三极点P3的电压产生一密勒系数以放大所述第一电容C1至预设值,本示例实施方式中,所述预设值可以接近或等于现有技术中设置的外挂式电容的电容值,也可以根据需求自行设置。所述反馈电路20与所述第一极点P1以及第三极点P3连接,用于根据所述输出电压Vout提供所述反馈电压Vfb,当输出电压Vout降低时,基准电压Vref与反馈电压Vfb的差值增加,第一级放大器A1的输出增加,第二级放大器A2的输出增加,进而使输出晶体管Mp的管压降减小,从而使输出电压Vout升高;相反,当输出电压Vout升高时,能够通过反馈控制使输出电压Vout降低,因此可以得到一个稳定的输出电压Vout。
在本示例实施方式的上述低压线性稳压器电路中,通过补偿单元100利用密勒效应原理放大第一电容C1产生一个足以取代现有技术中外挂式电容的密勒等效电容,因此可以无需设置外挂式电容,一方面可以降低系统成本以及系统设计的复杂性,另一方面可以减少低压线性稳压器电路的整体空间占用,便于产品的小型化。
参考图4中所示,本示例实施方式中还例举了一种上述补偿单元100的实现方式。所述补偿单元100包括一第一晶体管M1、一第二晶体管M2以及一第二电容C2。本示例实施方式中,以所述第一晶体管M1为P沟道型晶体管,所述第二晶体管M2为N沟道型晶体管为例进行说明。其中,所述第一晶体管M1具有控制端、第一端及第二端,所述第一晶体管M1控制端连接所述第二极点P2,所述第一晶体管M1第一端连接所述第一驱动电源Vdd,所述第一晶体管M1第二端连接所述第一电容C1第二端。所述第二晶体管M2具有控制端、第一端及第二端,所述第二晶体管M2控制端连接所述第一极点P1,所述第二晶体管M2第一端连接一第二驱动电源Vss,所述第二晶体管M2第二端连接所述第一电容C1第二端;本示例实施方式中,所述第二电源为可以提供一低电平驱动电压的驱动电源。所述第二电容C2具有第一端及第二端,所述第二电容C2第一端连接所述第二极点P2,所述第二电容C2第二端连接所述第三极点P3;本示例实施方式中,所述第二电容C2同样可以为一MIM电容。本领域技术人员容易理解的是,在本公开的其他示例性实施例中,也可以是第一晶体管M1为N沟道型晶体管,所述第二晶体管M2为P沟道型晶体管,所述第一电源提供一低电平驱动电压,所述第二电源提供一高电平驱动电压。此外,本示例实施方式中,为了控制方便以及简化电路,所述第一晶体管M1和第二晶体管M2的沟道类型相反,但在本公开的其他示例性实施例中,所述第一晶体管M1和第二晶体管M2的沟道类型也可能相同,本示例实施方式中对此不做特殊限定。
传统低压线性稳压器电路中,主导极点是通过系统输出端的外挂式电容所产生,而在本示例实施方式中的低压线性稳压器电路中,主导极点是在第二极放大器的输入端即第一极点P1,第一极点P1是由第一级放大器A1的输出与补偿单元100共同产生;具体如下公式:
其中,(gm2ro2+1)是补偿单元100所产生的密勒系数,因此可以放大第一电容C1使其等效电容值足以取代现有技术中外挂式电容;RoutA1是第一级放大器A1的输出信号的等效输出阻抗。
此外,补偿单元100中的第二电容C2产生一个新的零点Z1:
其中,gmp是输出端传输跨导。由于第二电容C2的相位裕度(Phase Margin,PM),当有负载在抽载时可以提供足够快的反应速度使输出电压Vout快速地回复到稳定状况,即可以确保低压线性稳压器电路的负载瞬态响应性能。
参考图5中所示,本示例实施方式中还例举了一种上述反馈电路20的实现方式。图示中的反馈电路20包括一第一分压电阻Rf1以及一第二分压电阻Rf2。其中,所述第一分压电阻Rf1具有第一端及第二端,所述第一分压电阻Rf1第一端连接所述第三极点P3,所述第一分压电阻Rf1第二端连接所述第一级放大器A1的第二输入端。所述第二分压电阻Rf2具有第一端及第二端,所述第二分压电阻Rf2第一端连接一第二驱动电源Vss,所述第二分压电阻Rf2第二端连接所述第一级放大器A1的第二输入端。通过该反馈电路20,可以通过第一分压电阻Rf1以及一第二分压电阻Rf2分压采样输出电压Vout得到所述反馈电压Vfb并提供至所述第一级放大器A1的第二输入端。所述第一分压电阻Rf1以及第二分压电阻Rf2的具体阻值可以根据实际需求具体设定,本示例实施方式中对此不做特殊限定。
参考图6中所示,本示例实施方式中还例举了一种上述反馈电路20的另一种实现方式。图示中的反馈电路20包括一第一分压电阻Rf1、一第二分压电阻Rf2、一切换单元RA以及至少一调整电阻Rs。其中,所述第一分压电阻Rf1具有第一端及第二端,所述第一分压电阻Rf1第一端连接所述第三极点P3。所述第二分压电阻Rf2具有第一端及第二端,所述第一分压电阻Rf1第一端连接一第二驱动电源Vss,例如一低电平。所述至少一调整电阻Rs串联在所述第一分压电阻Rf1第二端与第二分压电阻Rf2第二端之间,本示例实施方式中,以31个调整电阻Rs为例进行说明。所述切换单元RA用于根据切换信号选择是否短路各所述调整电阻Rs,并将所述反馈电路20的分压采样信号提供至所述第一级放大器A1的第二输入端。如此,则可以得到32种不同的输出电压Vout的分压采样比例,进而得到32中不同的输出电压。例如,将所有31个调整电阻Rs均短路,即相当于图5中的反馈电路20。又例如,将30个调整电阻Rs均短路,即得到输出电压Vout-ΔV或Vout+ΔV,其中ΔV为输出电压的最小调整值。其中,上述切换信号可以通过切换开关的通断组合产生。本示例实施方式中,如果所述调整电阻Rs的数量为n,所述2m-1≤n<2m,所述切换信号由m个开关的通断组合产生;其中,n>0,m>0。例如,所述调整电阻Rs的数量为31,则可以通过5个切换开关S0~S4的通断组合产生32种不同的切换信号,通过各切换信号控制选择是否短路各所述调整电阻Rs。本示例实施方式中,各所述调整电阻Rs的阻值可以根据输出电压Vout的最小调整值ΔV进行确定。如下表中所示,第一分压电阻Rf1第二端与第二分压电阻Rf2第二端之间有31个相同的调整电阻Rs,产生的32个电压节点可以输出32中不同分压采样比例的反馈电压Vfb,进而得到32种不同的输出电压。而各种输出电压Vout的切换可以通过5个切换开关S0~S4的通断组合决定:
S4 |
S3 |
S2 |
S1 |
S0 |
输出电压Vout |
S4 |
S3 |
S2 |
S1 |
S0 |
输出电压Vout |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
Vout |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
Vout+ΔV |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
Vout-ΔV |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
Vout+2ΔV |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
Vout-2ΔV |
1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
Vout+3ΔV |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
Vout-3ΔV |
1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
Vout+4ΔV |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
Vout-4ΔV |
1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
Vout+5ΔV |
0 |
0 |
1 |
0 |
1 |
Vout-5ΔV |
1 |
0 |
1 |
0 |
1 |
Vout+6ΔV |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
Vout-6ΔV |
1 |
0 |
1 |
1 |
0 |
Vout+7ΔV |
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
Vout-7ΔV |
1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
Vout+8ΔV |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
Vout-8ΔV |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
Vout+9ΔV |
0 |
1 |
0 |
0 |
1 |
Vout-9ΔV |
1 |
1 |
0 |
0 |
1 |
Vout+10ΔV |
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
Vout-10ΔV |
1 |
1 |
0 |
1 |
0 |
Vout+11ΔV |
0 |
1 |
0 |
1 |
1 |
Vout-11ΔV |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
Vout+12ΔV |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
Vout-12ΔV |
1 |
1 |
1 |
0 |
0 |
Vout+13ΔV |
0 |
1 |
1 |
0 |
1 |
Vout-13ΔV |
1 |
1 |
1 |
0 |
1 |
Vout+14ΔV |
0 |
1 |
1 |
1 |
0 |
Vout-14ΔV |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
Vout+15ΔV |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
Vout-15ΔV |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
Vout+16ΔV |
本领域技术人员容易理解的是,在本公开的其他示例性实施例中,所述反馈电路20对于所述输出电压Vout的分压采样比例的调节也可以通过其他方式实现,例如设置可调的第一分压电阻Rf1及第二分压电阻Rf2等,并不局限于本示例实施方式中所例举的方式。
参考图7中所示,为本示例实施方式中一种线性稳压器电路的整体结构示意图。其中,所述第一级放大器A1包括一第一电流镜单元以及一差动对电路。所述第一电流镜单元由第三晶体管M3以及第四晶体管M4组成,本示例实施方式中,所述第三晶体管M3以及第四晶体管M4可以为N沟道型晶体管,共同组成一共源共栅型电流镜单元。所述差动对电路由第五晶体管M5以及第六晶体管M6组成,本示例实施方式中,所述第三晶体管M3以及第四晶体管M4可以为P沟道型晶体管;所述差动对电路对所述基准电压Vref和反馈电压Vfb的差值进行放大并通过所述第一电流镜单元输出。另外,第一级放大器A1还可以包括第七晶体管M7等其他器件。所述第二级放大器A2包括一第二电流镜单元以及一晶体管对。所述第二电流镜单元由第八晶体管M8以及第九晶体管M9组成,本示例实施方式中,所述第八晶体管M8以及第九晶体管M9可以为P沟道型晶体管,共同组成一共源共栅型电流镜单元。所述晶体管对由第十晶体管M10以及第十一晶体管M11组成,本示例实施方式中,所述第十晶体管M10以及第十一晶体管M11可以为P沟道型晶体管,所述晶体管对对所述第一极点P1的电压放大后通过所述第二电流镜单元输出。当然,本领域技术人员也可以根据需要变更所述第一级放大器A1以及第二级放大器A2的构成。本示例实施方式中,所述驱动电源等外围电路包括晶体管M12~M15。除此之外,为了减轻或抵消上述部分晶体管的应力畸变等因素对晶体管特性带来的不良影响,从而避免或减轻输出的信号的变形,抑制馈通效应,本示例实施方式中还对应设置了多个虚拟(Dummy)晶体管Md,从而进一步提升低压线性稳压器电路的整体性能。
本示例实施方式中,由于无需设置外挂式电容,因此所述低压线性稳压器电路中的所有器件可以均集成在同一芯片。参考图8中所示,其中使用了42μm*192μm+57μm*68μm=11940μm2的MIM电容,即第一电容与第二电容占整个芯片面积的约56.5%,通过密勒效应原理取代了传统需要外挂的一个10uF电浆式或是陶瓷式包装的电容。
进一步的,发明人还对上述低压线性稳压器电路的实际性能进行了模拟测试。参考图9A中所示,可以看出,本示例实施方式中的低压线性稳压器电路在具有12mA、10mA、8mA、5mA、0.3mA以及0.05mA的负载电流下操作,闭环增益和相位裕度具备相对的稳定度。参考图9B中所示,可以看出,本示例实施方式中的低压线性稳压器电路在具有12mA、10mA、8mA、5mA、0.3mA以及0.05mA的负载电流下操作,输出电压在约数十μs内就可以趋近稳定。这进一步说明了本示例实施方式中低压线性稳压器电路在去除外挂式电容后仍具有很好的电气性能。
除此之外,本示例实施方式中还提供了一种移动终端,该移动终端应用了上述示例性实施例中的低压线性稳压器电路,因此在电源管理方面可以具备更好的表现。该移动终端可以是手机、掌上电脑、笔记本电脑等应用电池作为电源的便携式终端。
综上所述,本示例实施方式中,通过补偿单元利用密勒效应原理放大第一电容产生一个足以取代现有技术中外挂式电容的密勒等效电容,因此可以无需设置外挂式电容,一方面可以降低系统成本以及系统设计的复杂性,另一方面可以减少低压线性稳压器电路的整体空间占用,便于产品的小型化。此外,本示例实施方式中通过可调式的反馈电路可以方便的切换反馈电压进而可以切换不同的输出电压,适应不同的驱动电源需求。
本公开已由上述相关实施例加以描述,然而上述实施例仅为实施本公开的范例。必需指出的是,已揭露的实施例并未限制本公开的范围。相反地,在不脱离本公开的精神和范围内所作的更动与润饰,均属本公开的专利保护范围。