CN107102675A - 低压差线性稳压器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低压差线性稳压器，包括：分压电路，用于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，用于将反馈电压与第一参考电压进行比较，并根据比较结果输出第一电压；缓冲器，用于对第一电压进行缓冲；输出晶体管，其第一端耦接缓冲器的输出端，第二端耦接分压电路；微分电路，其第一输入端用于接收第二参考电压，其第二输入端用于接收第一电压，在其输出端处生成第二电压；检测和开关电路，用于当检测到第二电压超出预定的电压范围时，将微分电路的输出端与输出晶体管的第一端接通。通过上述方式，本发明的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，以保持输出电压的平稳。

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，在负载电流发生急剧变化时，输出电压VO’也会急剧变化，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，其包括：分压电路，用于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，用于将反馈电压与第一参考电压进行比较，并根据比较结果从误差放大器的输出端输出第一电压；缓冲器，耦接误差放大器的输出端，用于对第一电压进行缓冲；输出晶体管，其第一端耦接缓冲器的输出端，第二端耦接分压电路；微分电路，其第一输入端用于接收第二参考电压，其第二输入端耦接于误差放大器的输出端以接收第一电压，在其输出端处生成第二电压；以及检测和开关电路，用于当检测到第二电压超出预定的电压范围时，将微分电路的输出端与输出晶体管的第一端接通。
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；第一负反馈回路，接收所述反馈电压和第一参考电压，并将所述反馈电压和所述第一参考电压进行比较，生成第一电压，并对所述第一电压进行缓冲放大生成第三电压；第二负反馈回路，接收所述第一电压和第二参考电压，生成第二电压；以及输出晶体管，第一端耦接所述第一负反馈回路和所述第二负反馈回路用于接收所述第三电压和所述第二电压，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。
本发明提供的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，以保持低压差线性稳压器的输出电压的平稳。
附图说明
图1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是图2中检测和开关电路的结构示意图；
图4为输出晶体管的输出电流随时间变化、现有技术中低压差线性稳压器的输出电压随时间变化、本发明低压差线性稳压器中微分电路与输出晶体管连接时输出电压随时间变化，以及微分电路的输出电压随时间变化的示意图。
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、缓冲器BF、输出晶体管T、微分电路11、检测和开关电路12。
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T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与第一参考电压VREF1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。具体地，误差放大器EA1比较反馈电压VFB与第一参考电压VREF1，并将二者的差值放大后输出第一电压V1。
缓冲器BF耦接误差放大器EA1的输出端，用于对第一电压V1进行缓冲。
在本实施例中，缓冲器BF为反向缓冲器，误差放大器EA1的反相输入端接收第一参考电压VREF1，误差放大器EA1的正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(如图2所示)。由于缓冲器BF为反向缓冲器，因此缓冲器BF对第一电压V1具有反向作用，具体地，当反馈电压VFB变大时，此时误差放大器EA1输出的第一电压V1上升，缓冲器BF对第一电压V1进行反向缓冲，缓冲器BF的输出端输出的第三电压V3下降；当反馈电压VFB下降时，此时误差放大器EA1输出的第一电压V1下降，缓冲器BF对第一电压V1进行反向缓冲，输出的第三电压V3上升。
输出晶体管T的第一端与缓冲器BF的输出端连接，输出晶体管T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T的第二端作为低压差线性稳压器的输出端，输出晶体管T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T可以为N型MOS管，输出晶体管T的第一端为N型MOS管的栅极，输出晶体管T的第二端为N型MOS管的源极，输出晶体管T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T可以为NPN型三极管，输出晶体管T的第一端为NPN型三极管的基极，输出晶体管T的第二端为NPN型三极管的发射极，输出晶体管T的第三端为NPN型三极管的集电极。
微分电路11的第一输入端用于接收第二参考电压VREF2，其第二输入端耦接于误差放大器EA1的输出端以接收第一电压V1，并在其输出端处生成第二电压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的正向输入端接收第二参考电压VREF2，即误差放大器EA2的第一输入端作为微分电路11的正向输入端，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的第二输入端，用于接收第一电压V1，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。
检测和开关电路12分别与微分电路11的输出端以及输出晶体管T的第一端连接，当检测和开关电路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，将微分电路11的输出端与输出晶体管T的第一端接通。当检测和开关电路12检测到微分电路11输出端输出的第二电压V2没有超出预定的电压范围时，断开微分电路11的输出端与输出晶体管T的第一端的连接。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。
具体地，请结合图2和图3所示，检测和开关电路12包括检测组件121和开关组件122，检测组件121用于检测微分电路11输出的第二电压V2是否超出预定的电压范围。若第二电压V2超出预定的电压范围，则开关组件122导通，使得微分电路11的输出端与输出晶体管T的第一端接通。若第二电压V2没有超出预定的电压范围，则开关组件122打开，断开微分电路11的输出端与输出晶体管T的第一端的连接。应理解，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和开关电路12电路的具体实现方式。对于其具体的实现，本申请中不再详细描述。
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、缓冲器BF、输出晶体管T和分压电路10组成第一反馈回路，误差放大器EA1、微分电路11、检测和开关电路12、输出晶体管T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)
误差放大器EA1的正相输入端接收反馈电压VFB，第一电压V1的变化量ΔV1与反馈电压VFB和参考电压VREF1的差值成线性比例关系，具体如下式所示：
ΔV1＝a*[VFB-VREF1] (2)
其中，a为误差放大器EA1的放大倍数，[VFB-VREF1]表示VFB与VREF1的差值。
微分电路11输出的第二电压V2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，即第一电压V1。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。
因此，根据公式(3)中的微分关系，微分电路11输出的第二电压V2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。
当反馈电压VFB变化时，在第一反馈回路上，经过误差放大器EA1的放大而在其输出端输出第一电压V1，并经过反向缓冲器BF进行反向缓冲，从而对输出晶体管T进行驱动。同时，在第二反馈回路上，第一电压V1输入至微分电路11时，经过微分电路中误差放大器EA2的快速放大而输出第二电压V2，当第二电压V2超出预定的电压范围时，微分电路与输出晶体管T接通，从而对输出晶体管T进行驱动。因此，第一反馈回路和第二反馈回路共同作用，相比现有技术中仅有第一反馈回路，增强了对输出晶体管T的驱动，从而能够更快的抑制输出电压VO的变化，更快速的维持输出电压VO的稳定。
下面结合图2和图4对该低压差线性稳压器的工作原理进行说明。图4为输出晶体管T的输出电流Io随时间变化、现有技术中低压差线性稳压器的输出电压VO’随时间变化、本发明低压差线性稳压器中微分电路11与输出晶体管T连接时输出电压VO随时间变化，以及微分电路11输出电压V2随时间变化的示意图。
具体地，当输出电压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和第一参考电压VREF1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接收到的第一电压V1(即，固定值Vinitial)和第二参考电压VREF2相等，其输出端的第二电压V2也与第一电压V1和第二参考电压VREF2相等。此时，检测和开关电路12中检测组件检测到第二电压V2变化为零，即，没有超出预定的电压范围，开关组件122打开以断开微分电路11与输出晶体管T的连接。也就是说，当输出电压VO处于稳定状态时，第二反馈回路与输出晶体管T之间处于断开状态，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。
当输出电压VO从时间t1开始由稳定状态开始上升时，反馈电压VFB也成比例地上升，误差放大器EA1输出端输出的第一电压V1也随之迅速上升。由于微分电路11中误差放大器EA2的反向输入端接收第一电压V1，如图4所示，微分电路11的第二电压V2迅速下拉，若检测和开关电路12中检测组件检测到在时间t2第二电压V2低于第一电压阈值VTH1，则检测和开关电路12中的开关组件122闭合，使微分电路11的输出端与输出晶体管T的第一端接通。
与此同时，在第一反馈回路中，第一电压V1经反向缓冲器BF后输出为第三电压V3。因而，从时间t2开始，第三电压V3和第二电压V2共同作用于输出晶体管T的第一端，能够更快更加有效地控制输出晶体管T截止，以限制输出电压VO的进一步变大。从时间t2开始，在第一反馈回路和第二反馈回路共同作用下，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4可以看出，在时间t3至时间t4期间，在第一反馈回路和第二反馈回路共同作用下，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，当输出电压VO由稳定状态开始上升时，从图4可以看出，在时间t1至时间t2期间，检测和开关电路12中的开关组件122打开，微分电路并未驱动输出晶体管T，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超过了第一阈值VTH1，微分电路11也驱动输出晶体管T，在第一反馈回路和第二反馈回路的共同作用下，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。
当输出电压VO从时间t5开始由稳定状态逐渐下降时，反馈电压VFB也成比例地下降，同时，误差放大器EA1输出端输出的第一电压V1也随之下降。由于微分电路11中误差放大器EA2的反向输入端接收第一电压V1，如图4所示，微分电路11输出端的第二电压V2迅速上升。若检测和开关电路12中检测组件121在时间t6检测到第二电压V2高于第二电压阈值VTH2，检测和开关电路12中的开关组件122闭合，使微分电路11的输出端与输出晶体管T的第一端接通，第二电压V2开始驱动晶体管T。
因而，从时间t6开始，第三电压V3和第二电压V2共同作用于输出晶体管T的第一端，共同驱动输出晶体管T。由于输出晶体管T的第一端的电压控制着其导通程度，其导通程度越大，从其漏极向源极注入更多的电流。在输出晶体管T受第三电压V3和第二电压V2共同驱动下，从输出晶体管T的漏极注入其源极(第二端)的电流增加，从而相比只有第一反馈回路的现有技术，本实施方式中输出电压Vo下降速度变缓，即Vo的变化受到了抑制。
到时间t7，输出电压Vo的值下降到最低值后开始向稳定状态回落，从图4可以看出，在时间t7至时间t8期间，在第一反馈回路和第二反馈回路共同作用下，本实施方式中的输出电压Vo比现有技术中输出电压VO’，以更快的速率回升。
因而，当输出电压VO由稳定状态开始下降时，从图4可以看出，在时间t5至时间t6期间，检测和开关电路12中的开关组件122打开，微分电路并未驱动输出晶体管T，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’以相同的速率下降。时间t6至t7期间，第二电压V2超过了第二阈值VTH2，微分电路11也驱动输出晶体管T，在第一反馈回路和第二反馈回路的共同作用下，本实施方式中的输出电压Vo比现有技术中输出电压VO’以更缓慢的速度下降且以更快的速度回升，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。
本实施方式中，第二电压V2在第一电压阈值VTH1至第二电压阈值VTH2之间的范围内时，开关组件122断开微分电路与输出晶体管T的连接，第二电压V2超出第一电压阈值VTH1至第二电压阈值VTH1之间的范围时，开关组件122闭合，使得微分电路11与输出晶体管T接通。第一电压阈值VTH1和第二电压阈值VTH2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。
通过包含微分电路的第二反馈回路形成负反馈，可以作为第一反馈回路的增强回路，因而能更快速的对输出电压的变化进行响应，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第一参考电压进行比较，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；
缓冲器，耦接所述误差放大器的输出端，用于对所述第一电压进行缓冲；
输出晶体管，其第一端耦接所述缓冲器的输出端，第二端耦接所述分压电路；
微分电路，其第一输入端用于接收第二参考电压，其第二输入端耦接于所述误差放大器的输出端以接收所述第一电压，在其输出端处生成第二电压；以及
检测和开关电路，用于当检测到所述第二电压超出预定的电压范围时，将所述微分电路的输出端与所述输出晶体管的第一端接通，使得所述微分电路、所述检测和开关电路以及所述分压电路构成负反馈回路。
2.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作为所述微分电路的第一输入端，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，其第一端作为所述微分电路的第二输入端，其第二端耦接所述放大器的第二输入端；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。
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正相输入端，所述放大器的第二输入端为反相输入端。
4.根据权利要求1所述的低压差线性稳压器，其特征在于，所述缓冲器为反向缓冲器，所述误差放大器的反相输入端接收所述第一参考电压，所述误差放大器的正相输入端接收所述反馈电压。
5.根据权利要求1所述的低压差线性稳压器，其特征在于，所述检测和开关电路包括检测组件和开关组件；
其中，所述检测组件用于检测所述微分电路输出的所述第二电压是否超出所述预定的电压范围；
若所述第二电压超出所述预定的电压范围，则所述开关组件闭合，使得所述微分电路的输出端与所述输出晶体管的第一端接通；
若所述第二电压没有超出所述预定的电压范围，则所述开关组件打开，断开所述微分电路的输出端与所述输出晶体管的第一端的连接。
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，所述输出晶体管的第一端为所述N型MOS管的栅极，所述输出晶体管的第二端为所述N型MOS管的源极，所述输出晶体管的第三端为所述N型MOS管的漏极。
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NPN型三极管，所述输出晶体管的第一端为所述NPN型三极管的基极，所述输出晶体管的第二端为所述NPN型三极管的发射极，所述输出晶体管的第三端为所述NPN型三极管的集电极。
9.一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；
第一负反馈回路，接收所述反馈电压和第一参考电压，并将所述反馈电压和所述第一参考电压进行比较，生成第一电压，并对所述第一电压进行缓冲放大生成第三电压；
第二负反馈回路，接收所述第一电压和第二参考电压，生成第二电压；以及
输出晶体管，第一端耦接所述第一负反馈回路和所述第二负反馈回路用于接收所述第三电压和所述第二电压，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。
10.根据权利要求9所述的低压差线性稳压器，其特征在于，所述第一负反馈回路包括误差放大器和缓冲器，所述误差放大器将所述反馈电压和所述第一参考电压进行比较，生成所述第一电压，所述缓冲器对所述第一电压进行缓冲放大生成所述第三电压，
所述第二负反馈回路包括微分电路以及检测和开关电路，所述微分电路的第一输入端接收所述第二参考电压，所述微分电路的第二输入端接收所述第一电压，在其输出端处生成第二电压，所述检测和开关电路用于当检测到所述第二电压超出预定的电压范围时，将所述微分电路的输出端与所述输出晶体管的第一端接通。
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