CN110829830B - 基于ldo的输出自适应电荷泵跟随电路 - Google Patents

基于ldo的输出自适应电荷泵跟随电路 Download PDF

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Abstract

本发明揭示了一种基于LDO的输出自适应电荷泵跟随电路，所述电路包括第一电容C1、第二电容C2、负载及若干时序开关，所述第一电容C1的一端与工作电压Vdd和电荷泵提供的电压VCP分别相连，另一端分别与基准电压V0和LDO的输出端相连，第二电容C2的两端分别与电压VCP和基准电压V0相连，所述负载与第二电容C2并联设置。本发明通过将LDO输出端的电压Vout加到VCP中，不会将Vin上的扰动直接加到VCP中，保证了整体电路的电源抑制比；LDO中MOS管M1的Vgs最大值被限制在Vdd，输出在OCP时不会出现瞬间大电流，MOS管M1不会存在烧毁风险，提高了电路的稳定性和可靠性。

Description

基于LDO的输出自适应电荷泵跟随电路
技术领域
本发明属于低压差线性稳压器技术领域，具体涉及一种基于LDO的输出自适应电荷泵跟随电路。
背景技术
低压差线性稳压器(Low Dropout regulator，LDO)具有输出噪声小、电路结构简单、占用芯片面积小和电压纹波小等优点，已成为电源管理芯片中的一类重要电路。低压差线性稳压器能够为模拟电路和射频电路等噪声敏感电路提供低输出纹波的电源，而且由于结构相对简单，外围元器件少，因而被广泛应用于片上系统芯片中。
参图1所示，现有技术中的LDO主要包括误差放大器EA、MOS管M1、分压反馈电阻R1和R2、输出电容Cout及负载电阻RL。LDO基本原理为：误差放大器EA用于放大反馈输出电压FB与基准电压REF之间的差值，MOS管M1的栅源电压Vgs增大或减小电流以控制输出电压，实现输出电压的稳定，最终REF和FB误差放大经过误差放大器EA构成负反馈使得输出电压稳定在Vout＝REF×(R1+R2)/R1。
基于效率考量，在大电流应用条件下，为实现低压差线性稳压器低输入低输出(LILO)的需求，同时拥有较高的电源抑制比(PSRR)，一般采用NMOS管作为功率开关管，这种应用需要内部提供一个更高的电源为MOS管M1做驱动。
参图2所示为现有技术中基于低压差线性稳压器的自适应电荷泵(charge pump)电路，电荷泵用于提供电压VCP，其包括第一电容C1、第二电容C2、负载及若干时序开关S11、S12和S21、S22，其中，负载和第二电容的两端分别与电压VCP和GND相连，第一电容C1通过第一时序开关S11、S12与工作电压VDD和GND相连，通过第二时序开关S21、S22与电压VCP和低压差线性稳压器的输入端Vin相连。通过上述电路的设计可以提供一个更高的电源为MOS管M1做驱动，VCP输出电压最终为VCP＝Vdd+Vin-(Iout×T/C1)，其中，T为一个时序周期。
但上述电路中将Vin上的扰动直接加到VCP中会降低LDO的电源抑制比(PSRR)，且输出在OCP(over current protection)时会出现瞬间大电流，MOS管M1会有烧毁风险。
因此，针对上述技术问题，有必要提供一种基于LDO的输出自适应电荷泵跟随电路。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于LDO的输出自适应电荷泵跟随电路，以实现LDO的输出自适应电荷泵跟随。
为了实现上述目的，本发明一实施例提供的技术方案如下：
一种基于LDO的输出自适应电荷泵跟随电路，所述电路包括第一电容C1、第二电容C2、负载及若干时序开关，所述第一电容C1的一端与工作电压Vdd和电荷泵提供的电压VCP分别相连，另一端分别与基准电压V0和LDO的输出端相连，第二电容C2的两端分别与电压VCP和基准电压V0相连，所述负载与第二电容C2并联设置。
一实施例中，所述第一电容C1的两端分别通过第一时序开关S11和S12与工作电压Vdd和基准电压V0相连，第一电容C1的两端分别通过第二时序开关S21和S22与电压VCP和LDO的输出端相连。
一实施例中，所述电路包括：
第一状态，第一时序开关S11和S12导通，第二时序开关S21和S22断开，工作电压Vdd为第一电容C1充电；
第二状态，第二时序开关S21和S22导通，第一时序开关S11和S12断开，第一电容C1放电，为第二电容C2充电。
一实施例中，所述电压VCP为：
VCP＝Vdd+Vout-(Iout×T/C1)；
其中，Vdd为工作电压，Vout为LDO的输出电压，Iout为负载电流，T为一个时序周期，C1为第一电容的容值。
一实施例中，所述基准电压V0为0V。
一实施例中，所述电路还包括连接于LDO的输出端和第二时序开关S22之间的电压控制模块，所述电压控制模块两端电压分别为Vout和VA，Vout和VA相等。
一实施例中，所述电压控制模块包括连接于LDO的输出端和第二时序开关S22之间的第二MOS管和第三MOS管，第二MOS管和电压VCP之间设有电流源，所述第三MOS管与LDO的输入端相连。
一实施例中，所述第二MOS管和第三MOS管为NMOS管，第二MOS管的栅极和第三MOS管的栅极相连，第二MOS管的源极和漏极分别与LDO的输出端和电流源相连，第三MOS管的源极和漏极分别与第二时序开关S22和LDO的输入端相连。
一实施例中，所述电路中电压满足下述关系：
VA＝Vout+Vgs2-Vgs3；
其中，Vgs2、Vgs3分别为第二MOS管和第三MOS管的栅源电压，第二MOS管和第三MOS管的宽长比与漏电流满足W2/L2：W3/L3＝ID2：ID3，
一实施例中，所述第二MOS管和第三MOS管之间还设有滤波单元，滤波单元包括滤波电容和/或滤波电阻。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
通过将LDO输出端的电压Vout加到VCP中，不会将Vin上的扰动直接加到VCP中，保证了整体电路的电源抑制比；
LDO中MOS管M1的Vgs最大值被限制在Vdd，输出在OCP时不会出现瞬间大电流，MOS管M1不会存在烧毁风险，提高了电路的稳定性和可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，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为现有技术中低压差线性稳压器的电路原理图；
图2为现有技术中自适应电荷泵电路的电路原理图；
图3为本发明实施例1中输出自适应电荷泵跟随电路的电路原理图；
图4为本发明实施例2中输出自适应电荷泵跟随电路的电路原理图。
具体实施方式
以下将结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细描述。但该等实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据该等实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。
并且，应当理解的是尽管术语第一、第二等在本文中可以被用于描述各种元件或结构，但是这些被描述对象不应受到这些术语的限制。这些术语仅用于将这些描述对象彼此区分开。例如，第一电容可以被称为第二电容，并且类似地第二电容也可以被称为第一电容，这并不背离本申请的保护范围。
本发明公开了一种基于LDO的输出自适应电荷泵跟随电路，包括第一电容C1、第二电容C2、负载及若干时序开关，第一电容C1的一端与工作电压Vdd和电荷泵提供的电压VCP分别相连，另一端分别与基准电压V0和LDO的输出端相连，第二电容C2的两端分别与电压VCP和基准电压V0相连，负载与第二电容C2并联设置。
以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1：
参图3所示，本实施例中基于LDO的输出自适应电荷泵跟随电路，包括第一电容C1、第二电容C2、负载及若干时序开关，第一电容C1的一端与工作电压Vdd和电荷泵提供的电压VCP分别相连，另一端分别与基准电压V0和LDO的输出端相连，第二电容C2的两端分别与电压VCP和基准电压V0相连，负载与第二电容C2并联设置。
具体地，第一电容C1的两端分别通过第一时序开关S11和S12与工作电压Vdd和基准电压V0相连，第一电容C1的两端分别通过第二时序开关S21和S22与电压VCP和LDO的输出端相连。
该电路包括两种状态：
第一状态，第一时序开关S11和S12导通，第二时序开关S21和S22断开，工作电压Vdd为第一电容C1充电；
第二状态，第二时序开关S21和S22导通，第一时序开关S11和S12断开，第一电容C1放电，为第二电容C2充电。
本实施例中的基准电压V0为0V，即第一时序开关S12的一端接GND，第二电容C2和负载的其中一端接GND。
通过本实施例中的电路，电荷泵的最终输出电压VCP为：
VCP＝Vdd+Vout-(Iout×T/C1)；
其中，Vdd为工作电压，Vout为LDO的输出电压，Iout为负载电流，T为一个时序周期，C1为第一电容的容值。
本实施例中通过将LDO输出端的电压Vout加到VCP中，不会将Vin上的扰动直接加到VCP中，保证了整体电路的电源抑制比。
另外，LDO中MOS管M1的Vgs最大值被限制在Vdd，输出在OCP时不会出现瞬间大电流，MOS管M1不会存在烧毁风险，提高了电路可靠性。
实施例2：
本实施例中的电路同样包括第一电容C1、第二电容C2、负载及若干时序开关等元器件，上述元器件的连接方式及工作原理与本实施例中相同，此处不再进行赘述。
另外，本实施例的电路中还包括连接于LDO的输出端和第二时序开关S22之间的电压控制模块10，电压控制模块10两端电压分别为Vout和VA，Vout和VA相等。
具体地，电压控制模块包括连接于LDO的输出端和第二时序开关S22之间的第二MOS管M2和第三MOS管M3，第二MOS管M2和电压VCP之间设有电流源，第三MOS管M3与LDO的输入端相连。
进一步地，本实施例中的第二MOS管M2和第三MOS管M3均为NMOS管，第二MOS管M2的栅极和第三MOS管M3的栅极相连，第二MOS管M2的源极和漏极分别与LDO的输出端和电流源(用于提供电流I1)相连，第三MOS管M3的源极和漏极分别与第二时序开关S22和LDO的输入端相连。
另外，本实施例的第二MOS管M2和第三MOS管M3之间还设有滤波单元11，滤波单元11包括滤波电容C0和滤波电阻R0，滤波电阻R0连接于第二MOS管M2和第三MOS管M3的栅极之间，滤波电容C0一端与第三MOS管M3的栅极相连，另一端接GND。
电路中电压满足下述关系：
VA＝Vout+Vgs2-Vgs3；
其中，Vgs2、Vgs3分别为第二MOS管和第三MOS管的栅源电压。
NMOS管导通时的萨氏方程为：
ID＝1/2μnCOX(W/L)(Vgs-Vth)2；
其中，ID为漏电流，W/L为MOS管的宽长比，Vgs-Vth为过驱动电压。
由于MOS管的宽长比W/L和漏电流ID成正比，通过设置第二MOS管M2和第三MOS管M3的宽长比与漏电流满足W2/L2：W3/L3＝ID2：ID3，即可实现Vgs2＝Vgs3，如此，电路中的电压VA与LDO的输出电压Vout相当。
与实施例1相比，本实施例中将实施例1中的方案进行优化，实现电路简单，通过电压控制模块的加入，可避免负载切换导致的VCP电压波动，提高了电路的稳定性和可靠性。
上技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
通过将LDO输出端的电压Vout加到VCP中，不会将Vin上的扰动直接加到VCP中，保证了整体电路的电源抑制比；
LDO中MOS管M1的Vgs最大值被限制在Vdd，输出在OCP时不会出现瞬间大电流，MOS管M1不会存在烧毁风险，提高了电路的稳定性和可靠性。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施例加以描述，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (7)

1.一种基于LDO的输出自适应电荷泵跟随电路，其特征在于，所述电路包括第一电容C1、第二电容C2、负载及若干时序开关，所述第一电容C1的一端与工作电压Vdd和电荷泵提供的电压VCP分别相连，另一端分别与基准电压V0和LDO的输出端相连，第二电容C2的两端分别与电压VCP和基准电压V0相连，所述负载与第二电容C2并联设置，所述第一电容C1的一端通过第一时序开关S11与工作电压Vdd相连且通过第二时序开关S21与电压VCP相连，第一电容C1的另一端通过第一时序开关S21与基准电压V0相连且通过第二时序开关S22与LDO的输出端Vout相连，电压VCP为输出自适应电荷泵跟随电路向LDO的运放提供的电压。
2.根据权利要求1所述的基于LDO的输出自适应电荷泵跟随电路，其特征在于，所述电路包括：
第一状态，第一时序开关S11和S12导通，第二时序开关S21和S22断开，工作电压Vdd为第一电容C1充电；
第二状态，第二时序开关S21和S22导通，第一时序开关S11和S12断开，第一电容C1放电，为第二电容C2充电。
3.根据权利要求1所述的基于LDO的输出自适应电荷泵跟随电路，其特征在于，所述电压VCP为：
VCP=Vdd+Vout-(Iout×T/C1)；
其中， Vdd 为工作电压，Vout为LDO的输出电压，Iout为负载电流，T为一个时序周期，C1为第一电容的容值。
4.根据权利要求1所述的基于LDO的输出自适应电荷泵跟随电路，其特征在于，所述基准电压V0为0V。
5.根据权利要求1所述的基于LDO的输出自适应电荷泵跟随电路，其特征在于，所述电路还包括连接于LDO的输出端和第二时序开关S22之间的电压控制模块，所述电压控制模块包括第二MOS管、第三MOS管及电流源，所述第二MOS管和第三MOS管为NMOS管，第二MOS管的栅极和第三MOS管的栅极相连，第二MOS管的源极和漏极分别与LDO的输出端Vout和电流源一端相连，电流源的另一端与电压VCP相连，第三MOS管的源极和漏极分别与第二时序开关S22和LDO的输入端VIN相连，第二MOS管的源极电压为Vout，第三MOS管的源极电压为VA，Vout和VA相等。
6.根据权利要求5所述的基于LDO的输出自适应电荷泵跟随电路，其特征在于，所述电路中电压满足下述关系：
VA=Vout+Vgs2-Vgs3；
其中，Vgs2、Vgs3分别为第二MOS管和第三MOS管的栅源电压，第二MOS管和第三MOS管的宽长比与漏电流满足W2/L2：W3/L3=ID2：ID3。
7.根据权利要求5所述的基于LDO的输出自适应电荷泵跟随电路，其特征在于，所述第二MOS管的栅极和第三MOS管的栅极之间还设有滤波单元，滤波单元包括滤波电容和/或滤波电阻。
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