CN108508953B - 新型摆率增强电路、低压差线性稳压器 - Google Patents
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Abstract
本发明适用于电路设计，提供了一种新型摆率增强电路，包括若干MOS管和若干电容；若干电容，用于检测外部输入的反馈电压的变化，当检测到反馈电压发生变化时，向若干MOS管发送控制信号；若干MOS管，用于根据控制信号控制新型摆率增强电路的输出端输出电压的上升或者下降，使得与新型摆率增强电路的输出端相连接的功率调整管的摆率限制得到改善。本发明实施例提供的新型摆率增强电路可以在负载跳变瞬间改善功率调整管的摆率限制，提高了整体的瞬态响应，减小了静态电流。当负载电流瞬态变化或产生开关毛刺和尖峰时，能通过反馈电压快速检测到输出电压的变化，并迅速给功率调整管的栅极电容及弥勒等效电容进行充放电，最终大大改善电路的瞬态特性。
Description
技术领域
本发明属于电路设计，尤其涉及一种新型摆率增强电路、低压差线性稳压器。
背景技术
随着人们生活水平发展，生活中越来越离不开各类便携式电子设备，比如手机、平板电脑等，此类便携式设备通常采用5V或者12V供电，但其芯片内部供电通常在3V以下，而低压差线性稳压器LDO(Low Dropout Regulator)正是此类降压转换的不二选择，LDO的相关电路已经成为电源管理芯片中十分重要的一类电路。LDO具有结构简单、成本较低，芯片面积较小，静态功耗较低等优点。
传统的LDO的相关电路如图1，由于市面上芯片多采用数模混合电路。当芯片正常工作时，由数字信号控制的开关会频繁进行开断，这会引起LDO的负载电流产生频繁的尖峰跳变，为了保证LDO输出稳定，因此要求降压模块需要有较好的瞬态特性。瞬态特性直接受到LDO的带宽及功率管MP的栅端摆率所限制，通常会采用片外电容和提高静态电流的方式来改善瞬态特性，这使得LDO版图面积变大、功耗增加。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种新型摆率增强电路、低压差线性稳压器，旨在现有技术采用片外电容和提高静态电流的方式来改善瞬态特性，这使得LDO版图面积变大、功耗增加的问题。
本发明是这样实现的，一种新型摆率增强电路，包括若干MOS管和若干电容；
若干所述电容，用于检测外部输入的反馈电压的变化，当检测到所述反馈电压发生变化时，向若干所述MOS管发送控制信号；
若干所述MOS管，与所述电容相连接，用于根据所述控制信号控制所述新型摆率增强电路的输出端输出电压的上升或者下降，使得与所述新型摆率增强电路的输出端相连接的功率调整管的摆率限制得到改善。
进一步地，所述新型摆率增强电路包括第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管、第五MOS管、第六MOS管、第一电容和第二电容；
所述第一MOS管的源极连接输入电压，所述第一MOS管的漏极连接所述第三MOS管的漏极，所述第一MOS管的栅极依此通过所述第一电容和第二电容连接至所述第四MOS管的栅极；
所述第二MOS管的源极连接所述输入电压，所述第二MOS管的漏极连接所述第四MOS管的漏极，所述第二MOS管的栅极连接所述第五MOS管的栅极，且所述第二MOS管的栅极与漏极相连接；
所述第三MOS管的栅极连接所述第六MOS管的栅极，所述第三MOS管的源极接地，且所述第三MOS管的漏极与栅极相连接；
所述第四MOS管的源极接地；所述第五MOS管的源极连接所述输入电压，所述第五MOS管的漏极连接所述第六MOS管的漏极；所述第六MOS管的源极接地；所述新型摆率增强电路的输出端连接于所述第五MOS管的漏极与所述第六MOS管的漏极之间。
进一步地，所述第一MOS管、第二MOS管和第五MOS管为PMOS管，所述第三MOS管、第四MOS管和第六MOS管为NMOS管。
本发明实施例还提供了一种低压差线性稳压器，包括上述任意一项所述的新型摆率增强电路和低压差线性稳压电路；
所述新型摆率增强电路的输出端与所述低压差线性稳压电路的功率调整管的栅极相连接。
本发明与现有技术相比，有益效果在于：本发明实施例提供的新型摆率增强电路包括若干MOS管和若干电容，该电容在检测到外部输入的反馈电压的发生变化时，向MOS管发送控制信号，MOS管根据该控制信号控制该新型摆率增强电路的输出端输出电压的上升或者下降，使得与该新型摆率增强电路的输出端相连接的功率调整管的摆率限制得到改善。本发明实施例提供的新型摆率增强电路可以在负载跳变瞬间改善功率调整管的摆率限制，不仅提高了整体的瞬态响应，而且减小了静态电流。当负载电流瞬态变化或产生开关毛刺和尖峰时，能通过反馈电压快速检测到输出电压的变化，并迅速给功率调整管的栅极电容及弥勒等效电容进行充放电，最终大大改善电路的瞬态特性。
附图说明
图1是现有技术提供的低压差线性稳压器的电路原理图；
图2是本发明实施例提供的新型摆率增强电路的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的低压差线性稳压器的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的在输入电压VDD＝5V时，低压差线性稳压器负载瞬态仿真示意图；
图5是本发明实施例提供的在输入电压VDD＝3.5V时，低压差线性稳压器负载瞬态仿真示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
LDO通过其负载电流来考量其瞬态特性，当负载电流从大到小变化时，功率调整管的栅极无法快速响应其电压变化，输出电压VDDL会形成上冲，通过一定的时间恢复正常值；同样的，当负载电流从小到大变化时，功率调整管的栅极电压无法快速响应其电压变化，负载电流大部分只能通过负载电容提供，这导致输出电压VDDL会形成下冲，直到当功率调整管的栅极电压下降到可提供大负载电流时，方恢复正常工作。
基于上述缘由，本发明实施例提供一种新型摆率增强电路，其主要用于解决在较低功耗的情况下整体电路带宽不足时，功率调整管的栅极存在的摆率限制问题。功率管栅极摆率限制问题不仅是由栅极电容引起，而且还有补偿电容的弥勒等效电容对摆率的限制。本发明实施例提供的新型摆率增强电路可以在负载跳变瞬间改善功率调整管的摆率限制，不仅提高了整体的瞬态响应，而且减小了静态电流。当负载电流瞬态变化或产生开关毛刺和尖峰时，能通过反馈电压快速检测到输出电压的变化，并迅速给功率调整管的栅极电容及弥勒等效电容进行充放电，最终大大改善电路的瞬态特性。
本发明实施例提供了一种新型摆率增强电路，所述新型摆率增强电路包括若干MOS管和若干电容；若干所述电容，用于检测外部输入的反馈电压的变化，当检测到所述反馈电压发生变化时，向若干所述MOS管发送控制信号；若干所述MOS管，与所述电容相连接，用于根据所述控制信号控制所述新型摆率增强电路的输出端输出电压的上升或者下降，使得与所述新型摆率增强电路的输出端相连接的功率调整管的摆率限制得到改善。
具体地，如图2所示，新型摆率增强电路包括第一MOS管M20、第二MOS管M22、第三MOS管M21、第四MOS管M23、第五MOS管M24、第六MOS管M25、第一电容C1和第二电容C2；
第一MOS管M20的源极连接输入电压VDD，第一MOS管M20的漏极连接第三MOS管M21的漏极，第一MOS管M20的栅极依此通过第一电容C1和第二电容C2连接至第四MOS管M23的栅极；
第二MOS管M22的源极连接输入电压VDD，第二MOS管M22的漏极连接第四MOS管M23的漏极，第二MOS管M22的栅极连接第五MOS管M24的栅极，且第二MOS管M22的栅极与漏极相连接；
第三MOS管M21的栅极连接第六MOS管M25的栅极，第三MOS管M21的源极接地，且第三MOS管M21的漏极与栅极相连接；
第四MOS管M23的源极接地；第五MOS管M24的源极连接输入电压VDD，第五MOS管M24的漏极连接第六MOS管M25的漏极；第六MOS管M25的源极接地；所述新型摆率增强电路的输出端连接于第五MOS管M24的漏极与第六MOS管M25的漏极之间。
具体地，M20、M22和M24为PMOS管，M21、M23和M25为NMOS管。在上述表述中，M20的源端与M22和M24的源端相连并与VDD相连，其漏端与M21的漏端和栅端相连并与M25的栅端相连，其栅端与电容C1的一端相连。M23的源端与M21和M25的源端相连并与地线相连，其漏端与M22的栅端和漏端相连并与M24的栅端相连，其栅端与电容C2的一端相连。电容C1的另一端与电容C2的另一端相连并与外部输入的反馈电压Vfb相连。M24的漏端与M25的漏端相连并与外接的功率调整管MP的栅端相连。
图3示出了本发明实施例提供的新型摆率增强电路应用于便携式设备的无片外电容的低功耗瞬态增强型低压差线性稳压器，该低压差线性稳压器的电路包括误差放大器、缓冲级电路、采样电阻、功率调整管、新型摆率增强电路和弥勒补偿电路。参考电压Vref为外接带隙基准电压给定，其值为1.2V。MOS管M1～M9组成LDO的误差放大器，将反馈电压与参考电压的差值进行放大处理。MOS管M10～M12和电阻R3组成了自偏置电路，为误差放大器提供正常工作所需的偏置电压。MOS管M13～M19组成电路的缓冲级，为了改善电路摆率限制，并且降低输出电阻，提高对下一级的驱动能力。R1、R2为电路的采样电阻，监控输出电压VDDL并将结果进行反馈，此结果通过误差放大器放大，形成电路的反馈控制回路。MP为功率调整管。M20～M25、C1和C2组成了新型摆率增强电路，用于改善无片外电容的低功耗LDO的瞬态特性。Cm1和Cm2为弥勒补偿电路，可改善LDO环路频率特性。
在新型摆率增强电路中，Vfb表示采样电阻的反馈电压，ISR表示连接功率调整管MP的栅极，为功率调整管MP提供摆率增强电流。C1、C2表示电路的检测电容。
具体地，本发明实施例提供的新型摆率增强电路工作原理为：
将M21的宽长比在M20和M21匹配的基础上提高一倍，使得MOS管M20与M21之间存在失调。因此当反馈电压Vfb没有降低时，A点的电压值为低电位，使得MOS管M25保持关断状态。当负载电流突然增大或产生上冲时，反馈电压Vfb突然降低，根据加载在电容上的压差不能突变的原理，电路的检测电容C1能够迅速检测到反馈电压Vfb的降低，然后引起MOS管M20的栅极电压降低，致使A点处电压升高，从而开通MOS管M25并使其漏端电压下降，最终使其产生瞬间的大电流对功率调整管MP的栅电容及弥勒等效电容进行短时间的放电。
同理，将M22的宽长比在M22和M23匹配的基础上提高一倍，使得MOS管M22与M23之间存在失调。因此当反馈电压Vfb没有升高时，B点的电压值为高电位，使得MOS管M24保持关断状态。当负载电流突然降低或产生下冲时，反馈电压Vfb突然上升，根据加载在电容上的压差不能突变的原理，电路的检测电容C2能够迅速检测到反馈电压Vfb的上升，然后引起MOS管M23的栅极电压升高，致使B点处电压下降，从而开通MOS管M24并使其漏端电压上升，最终使其产生瞬间的大电流对MP的栅电容及弥勒等效电容进行短时间的充电。
当整个电路的负载电流稳定时，MOS管M24、M25处于关断状态，并且电容C1、C2设定较小的电容值，LDO正常工作时不影响其频率特性和稳定性。
本发明实施例采用新型摆率增强电路，相较于通过调整LDO中误差放大器的尾电流和改善LDO环路的GBW来提高瞬态特性，本发明实施例提供的摆率增强电路能使其输出电流接入功率调整管的栅端，因此LDO整体环路不需要较大的GBW。本发明实施例提供的摆率增强电路可以采用较小的静态电流，使LDO电路在较好的瞬态特性下维持较低功耗，因此本发明实施例提供的摆率增强电路可以明显改善LDO系统的瞬态响应能力。
本发明实施例提供的低压差线性稳压器LDO的仿真在不同工艺角和温度下进行，其仿真的温度环境为ht＝85℃，lt＝-40℃；工艺角环境为tt、ff、ss、fs、sf。
静态电流仿真结果如表1所示，因此静态电流最低为9.956uA。
表1 LDO静态电流仿真结果
瞬态仿真结果如图4和图5，设置负载电流从6uA到6mA之间进行跳变，其上升下降时间为10ns，输入电压分别为5V和3.5V。从仿真中可看到，输出电压VDDL较为稳定，基本上消除了振铃效应，并保证了较短的上冲和下冲恢复时间。当VDD＝5V时，上冲为84mV，恢复时间为14.4us；下冲为63mV，恢复时间为15.3us。当VDD＝3.5V时，上冲为214mV，恢复时间为14.9us；下冲为200mV，恢复时间为11.6us。
因此本发明在保证无片外电容和较低的静态电流下有较好的瞬态特性。
本发明实施例提供的新型摆率增强电路可以应用在便携式设备，如智能手机、笔记本电脑、平板电脑等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种新型摆率增强电路，其特征在于，所述新型摆率增强电路包括若干MOS管和若干电容；
若干所述电容，用于检测外部输入的反馈电压的变化，当检测到所述反馈电压发生变化时，向若干所述MOS管发送控制信号；
若干所述MOS管，与所述电容相连接，用于根据所述控制信号控制所述新型摆率增强电路的输出端输出电压的上升或者下降，使得与所述新型摆率增强电路的输出端相连接的功率调整管的摆率限制得到改善；
所述新型摆率增强电路包括第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管、第五MOS管、第六MOS管、第一电容和第二电容；
所述第一MOS管的源极连接输入电压，所述第一MOS管的漏极连接所述第三MOS管的漏极，所述第一MOS管的栅极依此通过所述第一电容和第二电容连接至所述第四MOS管的栅极；
所述第二MOS管的源极连接所述输入电压，所述第二MOS管的漏极连接所述第四MOS管的漏极，所述第二MOS管的栅极连接所述第五MOS管的栅极，且所述第二MOS管的栅极与漏极相连接；
所述第三MOS管的栅极连接所述第六MOS管的栅极，所述第三MOS管的源极接地，且所述第三MOS管的漏极与栅极相连接；
所述第四MOS管的源极接地；所述第五MOS管的源极连接所述输入电压，所述第五MOS管的漏极连接所述第六MOS管的漏极；所述第六MOS管的源极接地；所述新型摆率增强电路的输出端连接于所述第五MOS管的漏极与所述第六MOS管的漏极之间。
2.如权利要求1所述的新型摆率增强电路，其特征在于，所述第一MOS管、第二MOS管和第五MOS管为PMOS管，所述第三MOS管、第四MOS管和第六MOS管为NMOS管。
3.一种低压差线性稳压器，其特征在于，包括权利要求1至2任意一项所述的新型摆率增强电路和低压差线性稳压电路；
所述新型摆率增强电路的输出端与所述低压差线性稳压电路的功率调整管的栅极相连接。
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