CN108710399B - 一种具有高瞬态响应的ldo电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有高瞬态响应的LDO电路，所述LDO电路包括：电压反馈环路、电流反馈环路、滤波电容C和负载电阻R_load；所述电压反馈环路用于检测LDO电路的输出电压，通过负反馈机制抑制输出电压的变化；所述电流反馈环路用于检测LDO电路的负载电流，通过电流反馈环路调整功率调整管PW<n‑1:0>的导通状态；所述滤波电容C用于减小LDO电路输出电压的纹波；所述负载电阻用于等效LDO所驱动的电路；实现了能够快速响应负载的变化的技术效果。

Description

一种具有高瞬态响应的LDO电路

技术领域

本发明涉及电源管理领域，具体地，涉及一种具有高瞬态响应的LDO电路。

背景技术

相比于普通采用单电压环反馈补偿的LDO电路，采用电流环加电压环的补偿策略具有比单电压环响应速度快、补偿效果好和能够应对较大的负载突变的情况。LDO是一种线性低压差稳压器，在负载恒定时能够提供稳定的输出电压。但是，当负载发生突变时其输出电压会发生过冲或者下冲。为了减小过/下冲对系统正常工作的影响，通常采用电压环补偿的措施对功率管的驱动能力进行调整。由于输出电流的变化超前于输出电压，所以采用电压环调整的策略就有一定的延迟，无法快速，高效的稳定输出电压。

发明内容

本发明提供了一种具有高瞬态响应的LDO电路，解决了现有LDO电路的不足，实现了能够快速响应负载的变化的技术效果。

为实现上述发明目的，本申请提供了一种具有高瞬态响应的LDO电路，包括电压反馈环路、电流反馈环路、滤波电容C和负载电阻R_load；所述电压反馈环路包括反馈电阻R_f1，R_f2，过/下冲检测电路，误差放大器，功率管PW；所述电流检测环路包括电流检测电阻R_sense，电流检测电路，数字逻辑控制电路和n个功率调整管PW<n-1:0>；当LDO正常工作时，通过电压环的反馈就可以稳定其输出电压。但是当其负载发生突变，只有输出电压发生变化时电压反馈环路才会做出对功率管PW做出调整的反应，因而就不能及时对LDO的驱动能能力进行调整抑制输出电压的波动。本发明采用电流环环路和电压环路的反馈方式来处理LDO负载突变的情况。当负载发生突变时，电流环路首先检测到因负载突变所导致LDO输出电流的变化，然后通过电流A/D将负载电流的变化量化为相应的数字信号控制调整管PW<n-1:0>，对LDO驱动能力进行第一次调整。如果第一次的调整没有达到预期，输出电压的波动会引起电压反馈环路中的过/下冲检测电路会对LDO进行的进行第二次调整，从而达到高速，高效的处理因负载突变所导致的输出电压不稳定的问题。采用电流环路和电压环路反馈的策略能够实现LDO的高瞬态响应，保证LDO输出电压的稳定性和次级电路功能的稳定。

作为优选，所述电压反馈环路包括反馈电阻R_f1，R_f2、过/下冲检测电路、误差放大器、功率管PW。所述反馈电阻R_f1，R_f2串联在GND和滤波电容上端节点；所述误差放大器负输入端连接参考电压V_ref，正输入端连接R_f2上端节点，输出端连接到功率管PW的栅极；所述功率管PW源极连接到V_in，漏极连接到滤波电容上端节点；所述过/下冲检测电路输入端连接到输出电压V_out，输出端连接到误差放大器的偏置电路。

作为优选，所述电流反馈环路包括电流检测电阻R_sense、电流检测电路、数字逻辑控制电路和n个功率调整管PW<n-1:0>。所述电流检测电阻R_sense串联在滤波电容C和负载电阻R_load之间；所述电流检测电测电阻R_sense的两端分别连接到电流检测电路的两输入端，电流检测电路的输出端连接到数字控制电路的输入端；所述数字控制电路的输出端Ctr<n-1:0>分别连接功率调整管PW<n-1:0>的栅极。

作为优选，所述数字逻辑控制电路将电流检测电路的输出信号V_d处理转换为n个控制信号Ctr<n-1:0>；所述控制电路的输出端分别连接到功率调整管PW<n-1:0>的栅极。

作为优选，所述n个并联的功率调整管PW<n-1:0>的驱动能力分别为功率管PW的1/20、1/2¹、1/2²、......1/2ⁿ；所述n个功率调整管栅极分别连接到数字控制电路的输出端Ctr<n-1:0>，源极连接到V_in，漏极连接到滤波电容的上端节点。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明的LDO电路在负载发生突变时，能够快速的响应负载的变化。通过电流反馈环路对功率调整管PW<n-1:0>进行初次调整，若调整达不到所设计的要求，再通过电压反馈环路进行第二次调整。通过电流反馈环路和电压反馈环路对LDO的两次驱动能力的调整，能够实现对负载突变的快速响应，获得较小输出电压的波动，减小输出电压波动稳定所需要的时间，保证LDO输出电压的稳定性和次级电路功能的稳定。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；

图1为本发明的电路原理框图；

图2为本发明LDO电路的一具体电路图；

图3为电流检测电路的一具体电路图；

图4为LDO负载发生时输出电流变化示意图；

图5为传统LDO负载突变时输出电压示意图；

图6为过/下冲检测电路电流变化示意图；

图7为本发明LDO负载突变时输出电压示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种具有高瞬态响应的LDO电路，解决了现有LDO电路的不足，实现了能够快速响应负载的变化的技术效果。

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

本发明公开了一种具有高瞬态响应的LDO电路，包括电压反馈环路10、电流反馈环路20、滤波电容C和负载电阻R_load30；所述电压反馈环路包括反馈电阻R_f1，R_f2，过/下冲检测电路，误差放大器，功率管PW；所述电流反馈环路包括电流检测电阻R_sense，电流检测电路数字逻辑控制电路和n个功率调整管；当LDO的负载发生突变时，电流检测电路能够提前检测电流的变化并通过数字逻辑控制电路将其量化为控制信号Ctr<n-1:0>，控制功率调整管PW<n-1:0>开关状态。如果电流环路未能完全弥补因负载突变对输出电压造成的影响，然后过/下冲检测电路会检测输出电压V_out的过/下冲，从而来控制电压反馈环路调整功率管PW导通程度。在负载突变时利用电流环和电压环对LDO进行调整不仅能够有效的减小输出电压的波动，同时缩短了输出电压稳定的时间，提高了LDO的可靠性。

实施例1

如图1所示的一种可以作为具有高瞬态响应的LDO电路，包括电压反馈环路10、电流检测环路20、滤波电容C和负载电阻R_load30；所述电压反馈环路包括反馈电阻R_f1，R_f2，过/下冲检测电路，误差放大器，功率管PW；所述电流检测环路包括电流检测电阻R_sense、电流检测电路、数字逻辑控制电路和n个功率调整管PW<n-1:0>、其中n为大于等于0的自然数。

实施例2

基于上述实施例的原理，本实施例以n＝3为例进行详细说明。

如图2所示，电压反馈环路包括反馈电阻R_f1、R_f2、过/下冲检测电路、误差放大器、功率管PW。场效应管NM₃、NM₄构成电流镜，场效应管NM₁、NM₂、PM₁、PM₂构成基本的误差放大器，其正负输入端分别连接V_fb和Vr_ef，输出端连接功率管PW栅极。过冲检测电路由电容C₁和场效应管NM₅构成，下冲检测电路由电容C₂和场效应管PM₃构成，过/下冲检测电路工作时均可以控制误差放大器的偏置电流。

如图2和3所示，电流反馈环路包括检测电阻R_sense、电流检测电路、数字控制电路、4个功率调整管PW<3:0>。检测电阻串联在LDO输出电路上用于监测LDO的输出电路，检测电阻的两端I_sense+、I_sense-分别连接在电流检测电路的输入端。电流检测电路路由三极管Q₁、Q₂、Q₃、Q₄；场效应管NM₆、NM₇、NM₈、NM₉、NM₁₀、NM₁、NM₁₂、NM₁₃；电阻R₁、R₂构成，其电压和电流偏置如图3所示。其输出电压V_d连接到数字控制电路，数字控制电路根据的输出信号Ctr<3:0>分别连接到功率调整管PW<3:0>。

本发明LDO电路还包含负载电阻R_load和滤波电容C。

优选的，数字控制电路将电流检测电路的输入信号处理为4个控制信号Ctr<3:0>，控制信号分别控制功率调整管PW<3:0>中的一个。

现对上述电路的运行原理进行详细说明。

LDO正常工作时，LDO的输出驱动能力和负载所需要的电流达到平衡，所以此时LDO的输出电压V_out为稳定值。

当LDO的负载发生变化时，LDO的输出电流也会产生相应的变化I_out+ΔI_out。电流检测电路的输入电压V_sense为检测电阻R_sense的与输出电流变化I_out+ΔI_out的乘积

V_sense＝(I_out+ΔI_out)*R_sense (1)

电流反馈环路中的电流检测电路的增益为A_v，输出电压为V_d。

式中g_m为NM₁₁的跨导。

在LDO正常工作时，数字控制电路的输出信号Ctr<3:0>，分别为0、1、1、1，默认开启第一个功率调整管，此时LDO的驱动能力为2I₀，在负载发生突变时可以通过控制功率管的开关状态来调整LDO的驱动能力，从而抑制负载变化对输出电压的影响。

当负载发生变化时，LDO输出电流的变化ΔI_out，数字控制电路根据电流检测电路的输出电压V_d和基准电压Vref<n-1:0>进行逻辑计算，根据ΔI_out的变化改变输出控制信号Ctr<3:0>，使得LDO的驱动能力近似等于负载所需要的电流。所以有下式成立。

ΔI_out≈Ctr＜0＞*i₀/2⁰+Ctr＜1＞*i₀/2¹+Ctr＜2＞*i₀/2²+Ctr＜3＞*i₀/2³ (4)

根据负载变化引起输出电流的的变化，通过控制功率调整管的状态，进行第一次LDO驱动能力的调整。例如负载电流从2I₀减小为I₀，电流反馈环路检测到负载发生变化时就会给出控制信号1、1、1、1，将所有功率控制管关闭使得LDO的驱动能力由2I₀调整为I₀，从而抑制输出电压出现的过/下冲。

当负载电流从I₀增加到3I₀，数字控制电路则给出0、0、0、0的控制信号，开启所有功率控制管，将LDO的驱动能力提升到2.875I₀。如果经过第一次补偿没有将输出电压的过/下冲控制在目标范围内，则过/下冲检测电路对输出电压进行检测。当输出电压的过/下冲电压超过检测电路的阈值时，过/下冲电压超过检测电路通过改变误差放大器的偏置电流来改变其增益，提高误差放大器的精确度进行第二次对LDO驱动能力的调整，从而稳定输出电压。

通过采用电流反馈环路和电压反馈环路相结合的策略，有效的提高了LDO瞬态响应，将LDO的输出电压稳定在一个合理的范围内，从而保证LDO的可靠性。图4是负载突变时输出电流的变化示意图；图5是未采用补偿措施时LDO输出电压过/下冲示意图；图6是负载发生突变时过/下冲检测电路产生的偏置电流；图7时采用电流反馈环路和电反馈环路的输出效果图。从图中可以看出，采用了电流环加电压环的控制策略能够有效的抑制因负载突变对输出电压的影响，缩短输出电压的稳定时间。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (4)

1.一种具有高瞬态响应的LDO电路，其特征在于，所述LDO电路包括：

电压反馈环路10、电流反馈环路20、滤波电容C和负载电阻R_load30；所述电压反馈环路用于检测LDO电路的输出电压，通过负反馈机制抑制输出电压的变化；所述电流反馈环路用于检测LDO电路的负载电流，通过电流反馈环路调整功率调整管PW<n-1:0>的导通状态；所述滤波电容C用于减小LDO电路输出电压的纹波；所述负载电阻用于等效LDO所驱动的电路；当LDO的负载发生突变时，电流反馈环路检测到电流的变化，通过A/D将负载电流的变化量化为n控制信号Ctr<n-1:0>，控制功率调整管PW<n-1:0>开关状态；若电流反馈环路未能完全弥补因负载突变对输出电压造成的影响，然后电压反馈环路检测输出电压V_out的过/下冲，从而来控制电压反馈环路调整功率管PW导通程度来稳定输出电压；

所述电流反馈环路20包括：电流检测电阻R_sense、电流检测电路、数字逻辑控制电路和n个功率调整管PW<n-1:0>；所述电流检测电阻R_sense串联在滤波电容C和负载电阻R_load之间；所述电流检测电测电阻R_sense的两端分别连接到电流检测电路的两输入端，电流检测电路的输出端连接到数字控制电路的输入端；所述数字控制电路的输出端Ctr<n-1:0>分别连接功率调整管PW<n-1:0>的栅极。

2.根据权利要求1所述的具有高瞬态响应的LDO电路，其特征在于，所述电压反馈环路10包括：反馈电阻R_f1，R_f2、过/下冲检测电路、误差放大器、功率管PW；所述反馈电阻R_f1，R_f2串联在GND和滤波电容上端节点；所述误差放大器负输入端连接参考电压V_ref，正输入端连接R_f2上端节点，输出端连接到功率管PW的栅极；所述功率管PW源极连接到V_in，漏极连接到滤波电容上端节点；所述过/下冲检测电路输入端连接到输出电压V_out，输出端连接到误差放大器的偏置电路。

3.根据权利要求1所述的具有高瞬态响应的LDO电路，其特征在于，所述电流A/D将负载电流的变化量化为n个控制信号Ctr<n-1:0>；所述控制电路的输出端分别连接到功率调整管PW<n-1:0>的栅极。

4.根据权利要求1所述的具有高瞬态响应的LDO电路，其特征在于，所述n个并联的功率调整管PW<n-1:0>的驱动能力分别为功率管PW的1/2⁰、1/2¹、1/2²、......1/2ⁿ；所述n个功率调整管栅极分别连接到数字控制电路的输出端Ctr<n-1:0>，源极连接到V_in，漏极连接到滤波电容的上端节点。