CN107102668A - 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
    • G05F1/56—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
    • G05F1/562—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 with a threshold detection shunting the control path of the final control device

Abstract

本发明公开了一种低压差线性稳压器，包括：分压电路，根据低压差线性稳压器的输出电压产生反馈电压；误差放大器，将反馈电压与参考电压进行比较，并根据比较结果从误差放大器的输出端输出第一电压；输出晶体管，包括耦接至误差放大器的输出端的第一端以及耦接至分压电路并输出输出电压的第二端；微分电路，接收反馈电压和参考电压，在其输出端处生成第二电压；检测电路，在检测到第二电压超出预定的电压范围时，在其输出端输出第三电压；以及放电晶体管，包括耦接至检测电路的输出端的第一端，耦接至低压差线性稳压器的输出端的第二端，以及耦接至接地电压的第三端。当放电晶体管的第一端接收到第三电压时，放电晶体管导通。

Description

低压差线性稳压器
技术领域
本发明涉及电源管理技术领域，特别是涉及一种低压差线性稳压器(Low Dropout Regulator,LDO)。
背景技术
低压差线性稳压器具有成本低、输出电压稳定、低输出纹波、低噪声以及无电磁干扰等优点，因此被广泛应用于通信设备、汽车电子产品和医疗仪器设备中。
图1为传统的低压差线性稳压器结构的示意图。如图1所示，传统的低压差线性稳压器包括误差放大器EA1、分压电路、输出晶体管T。系统通过分压电路(包括电阻R2和R3)对输出电压VO’进行分压采样生成反馈电压VFB。误差放大器EA1的一个输入端接收该反馈电压VFB，另一输入端接收参考电压VREF，误差放大器EA1的输出端连接输出晶体管T的栅极。误差放大器EA1将反馈电压VFB与参考电压VREF进行比较后，将其差值放大后用于驱动输出晶体管T的栅极。
当由于负载条件或其他条件使得输出电压VO’发生变化时，误差放大器EA1的输出电压也会随之改变，进而控制输出晶体管T的导通程度，从而使输出电压VO’保持不变。
然而，当外部条件变化导致输出电压VO’变化时，对变化的响应速度是考察低压差线性稳压器性能的重要指标。例如，在负载条件由重载变化到轻负载或无负载时，负载电流中断或急剧下降，输出电压VO’急剧上升，这种变化通过分压电阻反馈到误差放大器EA1的输入端，而误差放大器EA1的响应需要一定的时间，使得输出晶体管T的栅极不能很快的响应输出电压的急剧变化，影响输出电压的稳定性和低压差线性稳压器的响应特性。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种低压差线性稳压器，具有更快的响应速度，能够快速抑制低压差线性稳压器的输出电压的变化。
基于本发明的实施方式，本发明提供一种低压差线性稳压器，其特征在于，包括：分压电路，用于根据所述低压差线性稳压器的输出电压产生反馈电压；误差放大器，用于将所述反馈电压与参考电压进行比较，并根据比较结果从所述误差放大器的输出端输出第一电压；输出晶体管，包括耦接至所述误差放大器的输出端的第一端，以及耦接至所述分压电路并输出所述输出电压的第二端；微分电路，接收所述反馈电压和所述参考电压，在其输出端处生成第二电压；检测电路，用于在检测到所述第二电压超出预定的电压范围时，在其输出端输出第三电压；以及放电晶体管，包括耦接至所述检测电路的输出端的第一端，耦接至所述低压差线性稳压器的输出端的第二端，以及耦接至接地电压的第三端，其中，当所述放电晶体管的第一端接收到所述第三电压时，所述放电晶体管导通。
基于本发明的实施方式，本发明还提供一种低压差线性稳压器，其特征在于，包括分压电路、第一负反馈回路、第二负反馈回路以及输出晶体管，其中，所述分压电路，用于根据所述低压差线性稳压器的输出电压产生反馈电压；所述第一负反馈回路，包含误差放大器，接收所述反馈电压和参考电压，并将所述反馈电压和所述参考电压进行比较，生成第一电压进行驱动所述输出晶体管；所述第二负反馈回路，包括微分电路、检测电路和放电晶体管，所述微分电路接收所述反馈电压和所述参考电压，生成第二电压，当所述检测电路检测到所述第二电压超出预定的电压范围时，使得所述放电晶体管导通；以及所述输出晶体管，其第一端耦接所述误差放大器的输出端，用于接收所述第一电压，其第二端作为所述低压差线性稳压器的输出端，耦接所述分压电路和所述输出晶体管。
本发明提供的低压差线性稳压器具有更快的响应速度，在低压差线性稳压器的负载条件由重载变化到轻负载或无负载时，能够快速抑制低压差线性稳压器的输出电压的急剧上升，以保持低压差线性稳压器的负载条件由重载变化到轻负载或无负载时输出电压的平稳。
附图说明
图1是为传统的低压差线性稳压器结构的示意图；
图2是本发明一实施方式中的低压差线性稳压器的结构示意图；
图3为现有技术中低压差线性稳压器的输出电压VO’随时间变化，以及本发明低压差线性稳压器中的输出电压VO随时间变化而变化的示意图。
具体实施方式
本发明公开了一种低压差线性稳压器，如图2所示，图2是本发明一实施方式中的低压差线性稳压器的结构示意图。该低压差线性稳压器包括分压电路10、误差放大器EA1、输出晶体管T1、微分电路11、检测电路12、放电晶体管T2和电流源Is。
分压电路10根据低压差线性稳压器的输出电压VO产生反馈电压VFB。具体地，分压电路10包括第二电阻器R2和第三电阻器R3，第二电阻器R2的第一端与输出晶体管T1的第二端连接，第二电阻器R2的第二端与第三电阻器R3的第一端连接，第三电阻器R3的第二端接地GND。在本实施例中，由第二电阻器R2的第二端和第三电阻器R3的第一端输出反馈电压VFB，即，以第三电阻器R3的电压作为反馈电压VFB。应理解，第二电阻器R2和第三电阻器R3的电阻值根据实际需要特定设置。
误差放大器EA1用于将反馈电压VFB与参考电压VREF进行比较，并根据比较结果从误差放大器EA1的输出端输出第一电压V1。其中，误差放大器EA1的正相输入端接收参考电压VREF，误差放大器EA1的反相输入端耦接于第二电阻器R2的第二端和第三电阻器R3的第一端之间，以接收反馈电压VFB。具体地，误差放大器EA1比较反馈电压VFB与参考电压VREF，并将二者的差值放大后输出第一电压V1，用于驱动输出晶体管T1。
输出晶体管T1的第一端与误差放大器EA1的输出端连接，输出晶体管T1的第二端耦接分压电路10并输出输出电压VO，即，输出晶体管T1的第二端作为低压差线性稳压器的输出端，输出晶体管T1的第三端作为低压差线性稳压器的输入端，接收输入电压Vin。
在本实施例中，输出晶体管T1可以为N型MOS管，输出晶体管T1的第一端为N型MOS管的栅极，输出晶体管T1的第二端为N型MOS管的源极，输出晶体管T1的第三端为N型MOS管的漏极。
应理解，在其他实施例中，输出晶体管T1可以为NPN型三极管，输出晶体管T1的第一端为NPN型三极管的基极，输出晶体管T1的第二端为NPN型三极管的发射极，输出晶体管T1的第三端为NPN型三极管的集电极。
在一些实施方式中，在图2所示的低压差线性稳压器，还可以包括缓冲器BF，耦接于误差放大器EA1的输出端与输出晶体管T1的第一端之间，用于对第一电压V1进行缓冲。其中，缓冲器BF为正向缓冲器。
在其他实施方式中，缓冲器BF为反向缓冲器，此时误差放大器EA1的反向输入端接收参考电压VREF，误差放大器EA1的正向输入端接收反馈电压VFB。
微分电路11与分压电路10连接，用于接收反馈电压VFB和参考电压VREF，并通过输出端输出第二电压V2。其中，微分电路11包括误差放大器EA2(即放大器)、第一电容器C1和第一电阻器R1。误差放大器EA2的正向输入端作为该微分电路11的一个输入端接收参考电压VREF，误差放大器EA2的反向输入端耦接第一电容器C1的第二端，误差放大器EA2的输出端作为微分电路11的输出端，第一电容器C1的第一端作为微分电路11的另一输入端，用于接收反馈电压VFB，第一电阻器R1耦接在误差放大器EA2的反向输入端和输出端之间。
检测电路12与微分电路11的输出端连接，当检测电路12检测到微分电路11的输出端所输出的第二电压V2超出预定的电压范围时，在其输出端输出第三电压V3。该第三电压可以控制使得放电晶体管T2导通，对输出电压Vo进行放电。应理解，预定的电压范围为用户设定的值，可以根据实际情况而定。值得注意的是，对于检测电路12具体的实现，本申请中并不详细描述，只要能够实现相同或类似的功能，本领域技术人员可以根据本领域中常用的电路自由设置检测电路12电路的具体实现方式。
放电晶体管T2的第一端耦接检测电路12的输出端，其第二端耦接低压差线性稳压器的输出端。电流源Is的第一端与放电晶体管T2的第三端连接，第二端接地GND。
在本实施例中，第三电压V3优选为高电平，放电晶体管T2为N型MOS管。此时放电晶体管T2的第一端为N型MOS管的栅极，放电晶体管T2的第二端为N型MOS管的源极，放电晶体管T2的第三端为N型MOS管的漏极。又或者放电晶体管T2为NPN型三极管，放电晶体管T2的第一端为NPN型三极管的基极，放电晶体管T2的第二端为NPN型三极管的发射极，放电晶体管T2的第三端为NPN型三极管的集电极。
在一些实施例中，使放电晶体管T2导通的第三电压V3也可以为低电平，放电晶体管T2为P型MOS管。此时放电晶体管T2的第一端为P型MOS管的栅极，放电晶体管T2的第二端为P型MOS管的漏极，放电晶体管T2的第三端为P型MOS管的源极。又或者放电晶体管T2为PNP型三极管，放电晶体管T2的第一端为PNP型三极管的基极，放电晶体管T2的第二端为PNP型三极管的集电极，放电晶体管T2的第三端为PNP型三极管的发射极。
此外，在一些实施方式中，在低压差线性稳压器的输出端还可以具有第二电容器C2，第二电容器C2的一端连接输出晶体管T的第二端，另一端接地GND。第二电容器C2是重要的电荷存储和提供器件，能有效减小由于负载电流急剧变化时输出电压的跌落和过冲。
从图2可以看出，误差放大器EA1、输出晶体管T1和分压电路10组成第一反馈回路，微分电路11、检测电路12、放电晶体管T2、电流源Is和分压电路10组成与第一反馈回路并行的第二反馈回路。
在本实施方式中，反馈电压VFB与输出电压VO是线性比例关系，具体如下式所示：
VFB＝VO*R3/(R2+R3) (1)
微分电路11输出端的输出电压与输入电压之间的关系为具体如下式所示：
其中，上述公式中的vi(t)表示微分电路的输入电压，在此实施方式中，即反馈电压VFB。vo(t)表示微分电路的输出端的电压，在此实施方式中，即第二电压V2。R为第一电阻器R1的电阻值，C为第一电容器C1的电容值。
在低压差线性稳压器的负载条件由重载变化到轻负载或无负载时，输出电流Io急剧下降，输出电压VO急剧上升，反馈电压VFB成比例的急剧上升。基于上所述的公式(2)，微分电路11的输出电压与其输入电压存在微分关系，因而微分电路11的输出电压在其输入电压发生变化时立即改变，即，微分电路11的输出电压对其输入电压的变化非常敏感。从而，微分电路11的输出电压V2可以非常快速的对反馈电压VFB的变化进行响应。
在本实施方式中，当输出电压VO急剧上升时，放电晶体管T2会导通，直接对输出晶体管T1的输出端进行放电，快速拉低急剧上升的输出电压VO，大幅降低了现有技术中输出电压VO通过第一负反馈回路而逐渐回复到稳定状态的时间。
下面结合图2和图3对该低压差线性稳压器的工作原理进行说明。图3为现有技术中低压差线性稳压器的输出电压VO’随时间变化，以及本发明低压差线性稳压器中的输出电压VO随时间变化而变化的示意图。
具体地，当低压差线性稳压器的初始负载条件为重载，且输出电压VO处于稳定状态时，误差放大器EA1的两个输入端分别接收的反馈电压VFB和参考电压VREF相等，此时，其输出的第一电压V1为取决于负载电流(即输出电流)Io的一个固定值Vinitial。在该低压差线性稳压器连接的负载确定的情况下，该电压Vinitial为确定值。在输出电压VO发生变化时，误差放大器EA1输出的第一电压V1为其固定电压Vinitial加上其变化量ΔV1。
同样的，输出电压VO处于稳定状态时，微分电路11接收到的反馈电压VFB与参考电压VREF相等，其输出端的第二电压V2与反馈电压VFB和参考电压VREF相等。此时，检测电路12检测到第二电压V2的变化为零，即第二电压V2没有超出预定的电压范围，放电晶体管T2保持不导通状态。也就是说，当输出电压VO处于稳定状态时，第二反馈回路处于断开状态，即，在正常工作时，微分电路11与低压差线性稳压器的输出电压VO是隔离的。
当在时间t1，低压差线性稳压器的负载条件由重载变化到轻负载或无负载时，输出电压VO由稳定状态急剧上升，反馈电压VFB成比例地急剧上升。由于微分电路11中误差放大器EA2的反向输入端接收反馈电压VFB，如图3所示，微分电路11的第二电压V2迅速下降。若在时间t2，检测电路12检测到第二电压V2低于电压阈值Vth1，检测电路12输出使得放电晶体管T2导通的第三电压V3，放电晶体管T2导通，电流源Is开始对输出晶体管T1的输出端进行放电。因而，从时间t2开始，在电流源Is放电作用下，与现有技术输出电压VO’随时间变化相比，本实施方式中，输出电压Vo的上升速率变缓，即Vo的变化受到了抑制。
到时间t3，输出电压Vo的值达到最大值后开始向稳定状态回落。从图3可以看出，在时间t2至时间t4期间，检测电路12检测到第二电压V2低于电压阈值Vth1，检测电路12输出使得放电晶体管T2导通的第三电压V3，放电晶体管T2在时间t2至t4期间处于导通状态，电流源Is对输出晶体管T1的输出端进行放电。在Vo向稳定状态回落的时间t3至t4期间，在放电晶体管T2和电流源Is的作用下，本实施方式中的输出电压Vo比现有技术中输出电压VO’，以更快的速率下降并趋于稳定状态。
因而，当负载条件由重载变化到轻负载或无负载时，输出电压VO由稳定状态急剧上升，从图3可以看出，在时间t1至时间t2期间，检测12检测到微分电路11输出的第二电压V2并未低于第一阈值，放电晶体管T2处于不导通状态，因此本实施方式中输出电压Vo与现有技术技术中的输出电压Vo’以相同的速率上升。时间t2至t4期间，第二电压V2低于第一阈值Vth1，检测电路12输出使得放电晶体管T2导通的第三电压V3，放电晶体管T2导通，电流源Is对输出晶体管T1的输出端进行放电，从而本实施方式中的输出电压Vo比现有技术中输出电压VO’以更缓慢的速度上升且以更快的速度下降，即更快的趋于稳定状态值。因而本实施方式中，输出电压Vo从能够更快地恢复到稳定状态，大大地降低了电路的响应时间。
其中，电压阈值Vth1是根据输出电压Vo的允许变化范围而设定的，其值的大小由用户根据需要设定的值，可以根据用户要求具体设定。
因此，通过包含微分电路的第二反馈回路形成负反馈，在低压差线性稳压器的负载条件由重载变化到轻负载或无负载时，能更快速的对输出电压的急剧上升进行响应，快速抑制低压差线性稳压器的输出电压的变化，能够有效保持低压差线性稳压器的负载条件由重载变化到轻负载或无负载时输出电压的平稳。并且在稳定状态下，第二反馈回路断开与输出晶体管的连接，微分电路与输出电路相隔离，避免了对输出电压的干扰。
以上仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种低压差线性稳压器，其特征在于，包括：
分压电路，用于根据所述低压差线性稳压器的输出电压产生反馈电压；
误差放大器，用于将所述反馈电压与参考电压进行比较，并根据比较结果从所述误差放大器的输出端输出第一电压；
输出晶体管，包括耦接至所述误差放大器的输出端的第一端，以及耦接至所述分压电路并输出所述输出电压的第二端；
微分电路，接收所述反馈电压和所述参考电压，在其输出端处生成第二电压；
检测电路，用于在检测到所述第二电压超出预定的电压范围时，在其输出端输出第三电压；以及
放电晶体管，包括耦接至所述检测电路的输出端的第一端，耦接至所述低压差线性稳压器的输出端的第二端，以及耦接至接地电压的第三端，其中，当所述放电晶体管的第一端接收到所述第三电压时，所述放电晶体管导通。
2.根据权利要求1所述的低压差线性稳压器，其特征在于，还包括：
电流源，耦接至所述放电晶体管的第三端与所述接地电压之间。
3.根据权利要求1所述的低压差线性稳压器，其特征在于，所述微分电路包括：
放大器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，所述放大器的第一输入端接收所述参考电压，所述放大器的输出端作为所述微分电路的输出端；
第一电容器，耦接至所述反馈电压与所述放大器的第二输入端之间；以及
第一电阻器，其耦接在所述放大器的第二输入端和所述放大器的输出端之间。
4.根据权利要求3所述的低压差线性稳压器，其特征在于，所述微分电路中的所述放大器为误差放大器，所述放大器的第一输入端为所述误差放大器的正相输入端，所述放大器的第二输入端为所述误差放大器的反相输入端。
5.根据权利要求1所述的低压差线性稳压器，其特征在于，所述低压差线性稳压器还包括缓冲器，所述缓冲器耦接于所述误差放大器的输出端与所述输出晶体管的第一端之间。
6.根据权利要求1所述的低压差线性稳压器，其特征在于，所述分压电路包括第二电阻器和第三电阻器，所述第二电阻器的第一端与所述输出晶体管的第二端连接，所述第二电阻器的第二端与所述第三电阻器的第一端连接，所述第三电阻器的第二端接地，由所述第二电阻器的第二端和所述第三电阻器的第一端输出所述反馈电压。
7.根据权利要求5所述的低压差线性稳压器，其特征在于，所述误差放大器的正相输入端接收所述参考电压，所述误差放大器的反相输入端耦接于所述第二电阻器的第二端和所述第三电阻器的第一端之间。
8.根据权利要求1所述的低压差线性稳压器，其特征在于，所述输出晶体管为N型MOS管或者NPN型三极管。
9.根据权利要求1所述的低压差线性稳压器，其特征在于，所述放电晶体管为N型MOS管或者P型MOS管。
10.一种低压差线性稳压器，其特征在于，包括分压电路、第一负反馈回路、第二负反馈回路以及输出晶体管，其中，
所述分压电路，用于根据所述低压差线性稳压器的输出电压产生反馈电压；
所述第一负反馈回路，包含误差放大器，接收所述反馈电压和参考电压，并将所述反馈电压和所述参考电压进行比较，生成第一电压进行驱动所述输出晶体管；
所述第二负反馈回路，包括微分电路、检测电路和放电晶体管，所述微分电路接收所述反馈电压和所述参考电压，生成第二电压，当所述检测电路检测到所述第二电压超出预定的电压范围时，使得所述放电晶体管导通；以及
所述输出晶体管，其第一端耦接所述误差放大器的输出端，用于接收所述第一电压，其第二端作为所述低压差线性稳压器的输出端，耦接所述分压电路和所述输出晶体管。
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