CN110968145B - 低压降稳压电路及其稳压方法 - Google Patents

低压降稳压电路及其稳压方法 Download PDF

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Abstract

本公开提供了LDO稳压电路及其稳压方法。电路包括具有局部共模反馈电路的误差放大器，接收参考电压、反馈电压和输入电压，并产生已放大的误差电压；具有功率晶体管的通道元件，接收已放大的误差电压，并产生输出电压；反馈电路接收输出电压并包括按比例降低输出电压的分压器；第一补偿元件，其具有连接到输入差动晶体管对的输出的第一端和接收输出电压的第二端；第二补偿元件具有接收输出电压并连接到第二端的第三端以及连接到局部共模反馈电路的第一晶体管对的输入端的第四端。

Description

低压降稳压电路及其稳压方法
技术领域
本案涉及一种结合补偿元件的低压降稳压电路及其稳压方法。
背景技术
低压降(low drop-out，LDO)稳压电路在领域上具有工业上的应用不限于行动装置，例如像是智能手机、笔记本电脑、视频摄录像机和其他可依赖电池操作的电子装置。LDO稳压器可确保这样的电子装置要求的低电压和低电流以便有效地工作并具有低功率消耗。
LDO稳压电路通常具有电性耦合到通道元件、反馈电路和补偿电路的误差放大器。误差放大器通常通过输入端接收被误差放大器放大成为已放大电压的输入电压。通道元件接收已放大电压，通道元件可以是但不限于功率晶体管，其产生输出电压以驱动外部电路。反馈电路接收并接着按比例降低输出电压。按比例降低的输出电压被送回误差放大器作为反馈电压。补偿电路可以包括一个或多个补偿元件以提供控制机制来增强LDO稳压器的效能。举例来说，功率机制可以由米勒补偿电路(Miller compensation circuit)实现。
在典型的LDO稳压电路中，可以使用局部共模反馈电路和米勒补偿电路来提供反馈和电流补偿。然而，相对于其他方法，米勒补偿电路出现较慢的暂态效能且不稳定的输出。这样的输出性能是不希望发生的，因为过度振荡和慢速暂态效能可能造成负担而故障。因此，具有更好的输出暂态效能以及更好的输出电压稳定性的LDO稳压电路是被期待的。
发明内容
本发明提供一种低压降稳压电路及其相关方法。
一方面，本公开有关于LDO稳压电路，其包括但不限于：具有局部共模反馈电路的误差放大器，其接收参考电压、反馈电压和输入电压，并产生已放大的误差电压；具有功率晶体管的通道元件，其接收已放大的误差电压，并产生输出电压；反馈电路接收输出电压并包括按比例降低输出电压的分压器；第一补偿元件，其具有连接到输入差动晶体管对的输出的第一端和接收输出电压的第二端；第二补偿元件具有接收输出电压并连接到第二端的第三端以及连接到局部共模反馈电路的第一差动晶体管对的输入端的第四端本发明的。
另一方面，本公开有关于通过使用具有局部共模反馈的LDO稳压电路稳压的稳压方法，并且方法将包括但不限于：通过包括局部共模反馈电路的误差放大器接收用于产生已放大的误差电压的参考电压、反馈电压和输入电压，其中参考电压被发送到输入差动晶体管对的输入端；通过包括功率晶体管的通道元件接收用于产生输出电压的已放大的误差电压；通过反馈电路接收通过分压器按比例降低的输出电压；通过使用包括连接到输入差动晶体管对的输出端的第一端及接收输出电压的第二端的第一补偿元件来执行第一电流补偿；通过使用包括接收输出电压并连接到第二端的第三端和连接到局部共模反馈电路中的第一差动晶体管对的输入端的第四端的第二补偿元件执行第二电流补偿。
为了使上述特征和本发明的优点易于理解，下面将详细描述伴随图的示例性实施例。应理解，前面的一般性描述和以下的详细描述都是示例性的，并且旨在提供对要求保护的本公开的进一步说明。
然而，应该理解，该概述可以不包含本公开的所有方面和实施例，因此不意味着以任何方式进行限制或限制。而且，本公开将包括对于本领域技术人员显而易见的改进和修改。
附图说明
包括附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包含在该说明书中并构成该说明书的一部分。附图示出了本公开的实施例，并且与说明书一起用于解释本公开的原理。
图1示出了合并分离长度差分输入对补偿电路与叠接电流镜补偿电路的发明概念；
图2示出了本公开的示例性实施例之一的具有组合补偿元件的LDO稳压电路；
图3示出了根据本公开的示例性实施例中图2的LDO稳压电路的电路图；
图4示出了根据本公开的示例性实施例中通过使用具有局部共模反馈的LDO稳压电路的稳压方法的流程图；
图5示出了根据本公开的示例性实施例之一的图2的LDO稳压电路的操作原理；
图6示出了图2和图3的LDO稳压电路具有更好的相位边限和频率稳定性的曲线图；
图7是显示图2和图3的LDO稳压电路具有更好的暂态响应以载入电流阶段的曲线图。
附图标记说明
100：LDO稳压电路
101：第一波德极零图表
102：第二波德极零图表
103：第三波德极零图表
110：误差放大器
120：局部共模反馈电路
130：通道元件
141：第一补偿元件
142：第二补偿元件
150：反馈电路
301：输出端、第一节点
302：输入端、第二节点
CC1：第一电容
CC2：第二电容
CL：负载电容
Ic：电流源
ICC1、ICC2：补偿电流
iOUT：电流
N1D、N2D、N1U、N2U、N3、N4、N5、N6：NMOS晶体管
P1、P2、P3、P4：PMOS晶体管
N4：第三NMOS晶体管
N6：第四NMOS晶体管
RCAS：叠接电阻器
Rcmfb：共模反馈电阻器
RFB1、RFB2：电阻器
RL：负载电阻
gm1、gm2：有效增益值
S401、S402、S403、S404、S405：步骤
Vfb：反馈电压
VDD：输入电压
Vout：输出电压
Vss：接地
Vref：参考电压
具体实施方式
现在将详细描述本公开的本发明的示例性实施例，其示例在附图中示出。只要有可能，在附图和说明书中使用相同的参考编号来表示相同或相似的部分。
对于在误差放大器中具有局部共模反馈的LDO稳压器，米勒补偿电路可用于增强LDO稳压器的增值和转换速率。然而，如前所述，与其他具有AB类(局部共模反馈)放大器的电路相比，米勒补偿电路在频率稳定度上可能相对不稳定。与间接补偿方法相比，米勒补偿电路可能表现出较慢的暂态效能和过度振荡。
因此，本公开提供了LDO稳压器，其利用基于叠接电流镜补偿电路和分离长度差分输入对补偿电路的组合的间接补偿电路。通过这样做可以实现在输出稳压上更快的暂态响应和改良的频率稳定性。
图1示出了本公开的发明概念。第一波德极零图表101显示使用分离长度差分输入对补偿电路的频率响应。第二波德极零图表102显示使用叠接电流镜补偿电路的频率响应。第三波德极零图表103示出了将分离长度差分输入对补偿电路与叠接电流镜补偿电路组合的频率响应。当使用分离长度差分输入对补偿电路时，为了改善因增值平坦化或增值峰化所引起的相位边限退化，左半平面(left half plane，LHP)零点可用以抵消非主要极点。为了实现零极点抵消，叠接电流镜补偿电路可以与分离长度差分输入对补偿电路结合使用。
假设叠接电流镜补偿电路通过使用第一补偿元件来实现，而分离长度差分输入对补偿电路通过使用第二补偿元件来实现，通过调整第一补偿元件电路的电容值CC1和第二补偿元件的电容值CC2，也调整分离对节点处的有效增益值gm1以及连接到电容值CC2的共栅极装置的有效增益值gm2，非主要零极点双峰可在频域中非常接近。尽管可能无法实现完美的零极点，但通过使用这样的方法可以提高整体稳定性。
对于AB类误差放大器，分离长度差分输入对补偿可能对频率稳定性更有效，但它可能导致增值峰化或平坦化以使相位边限更差。为了使这种问题减到最小，可以将叠接电流镜补偿与分离长度差分输入对补偿一起使用。通过使用组合两个补偿电路，可实现更快的暂态响应至负载电流的逐渐增加。
图2示出了根据本公开的示例性实施例之一的具有组合补偿元件的LDO稳压电路100。LDO稳压电路100将包括不限于误差放大器110，其可以包含局部共模反馈(localizedcommon-mode feedback，LCMF)电路120、通道元件130、反馈电路150、第一补偿元件141和第二补偿元件142。图3更详细地示出了图2的LDO稳压电路的电路图。
误差放大器110可以通过使用但不限于一组PMOS晶体管(P1～P4)、一组共模反馈电阻器(Rcmfb)、一组NMOS晶体管(N1U、N2U、N1D、N2D)以及连接到接地Vss的电流源Ic来实现。LCMF电路120可以通过使用但不限于一组NMOS晶体管(N3～N6)和叠接电阻器RCAS来实现。通道元件130将增强误差放大器110的电压和/或电流，并且可以通过使用但不限于功率晶体管(例如功率PMOS晶体管)来实现。反馈电路150可以通过使用但不限于包含电阻器RFB1和电阻器RFB2的分压器来实现。第一补偿元件141可以通过使用但不限于第一电容CC1来实现，并且第二补偿元件142可以通过使用但不限于第二电容CC2来实现。
包含LCMF电路120的误差放大器110将接收参考电压Vref和输入电压VDD，输入电压VDD将与参考电压Vref进行比较以产生已放大的误差电压。已放大的误差电压将被通道元件130提升以产生输出电压Vout。基于按比例降低或电压划分的输出电压Vout产生反馈电压Vfb，以便反馈给误差放大器110，如此可调节输入电压VDD朝向参考电压Vref。LCMF电路120在误差放大器110的内部，将增强误差放大器110的稳定性。参考电压Vref被发送到输入差动晶体管对(N1U、N1D)的输入。
第一补偿元件141具有至少一第一端和一第二端，第一端连接到输入差动晶体管对(N1U、N1D)的输出，第二端连接到输出电压Vout。第二补偿元件142具有第三端和第四端，第三端连接到输出电压Vout，其也是第二端，第四端连接到局部共模反馈电路的第一差动晶体管对(N4、N6)的输入端。第一补偿元件141将包含第一电容CC1，从输出电压Vout反馈到输入差动晶体管对(N1U、N1D)的输出端301(即第一节点)通过第一电容CC1。第二补偿元件142将包含第二电容CC2，从输出电压Vout反馈到第一差动晶体管对(N4、N6)的输入端302(即第二节点)通过第二电容CC2，第二补偿电流ICC2从输出电压Vout反馈到第一差动晶体管对(N4、N6)的输入端302(即第二节点)。
当输出电压由于外部负载而经历电压下降以被连接到LDO稳压器100时，第一补偿电流ICC1和第二补偿电流ICC2将使通道元件130的功率晶体管更快导通。第一补偿电流ICC1和第二补偿电流ICC2将间接反馈到已放大的误差电压。
更详细来说，前述输入差动晶体管对(N1U、N1D)将具有第一NMOS晶体管N1U和第二NMOS晶体管N1D，第一NMOS晶体管N1U和第二NMOS晶体管N1D的栅极接收参考电压Vref，并且第一电容CC1的第一端将连接到在第一NMOS晶体管的源极与第二NMOS晶体管的漏极之间的第一节点301。响应于负载电流的逐渐增加，输出电压Vout和第一节点301的电压将第一压降，其经由第一电容CC1转换。
还要进一步详细说明的是，上述局部共模反馈电路的第一差动晶体管对(N4、N6)将包括第三NMOS晶体管N4和第四NMOS晶体管N6，第二电容CC2的第二端连接到第三NMOS晶体管N4的源极与第四NMOS晶体管N6的漏极之间的第二节点302。响应于负载电流的逐渐增加，输出电压Vout和第二节点302的电压将经历第二压降，其通过第二电容CC2传输，而第三NMOS晶体管N4和第四NMOS晶体管N6的栅极经历电压增加。
在LDO稳压器100中，各种参数值包括第一电容CC1的电容值、第二电容CC2的电容值、输入差动晶体管对的有效增益值(gm1)，以及局部共模反馈电路的第一差动晶体管对的有效增益值(gm2)将进行优化，以使得非主要零极点双峰在频域上非常接近。
图4示出了根据本公开的示例性实施例中通过使用具有局部共模反馈的LDO稳压电路的稳压方法的流程图。在步骤S401中，LDO稳压器通过具有局部共模反馈电路的误差放大器接收参考电压、反馈电压和输入电压，以产生已放大的误差电压。参考电压将被送到输入差动晶体管对的输入端。在步骤S402中，LDO稳压器通过包括功率晶体管的通道元件接收已放大的误差电压以产生输出电压。在步骤S403中，LDO稳压器通过反馈电路接收通过分压器按比例降低的所述输出电压。在步骤S404中，LDO稳压器将通过使用包括连接到所述输入差动晶体管对的输出端的第一端及接收所述输出电压的第二端的第一补偿元件来执行第一电流补偿。在步骤S405中，LDO稳压器通过使用包括接收所述输出电压并连接到所述第二端的第三端和连接到所述局部共模反馈电路中的第一差动晶体管对的输入端的第四端的第二补偿元件执行第二电流补偿。
在其中一个示例性实施例中，执行第一电流补偿的步骤包括使用第一电容，从输出电压反馈至输入差动晶体管对的输出端的第一补偿电流通过第一电容。此外，执行第二电流补偿的步骤将包括使用第二电容，从输出电压反馈至第一差动晶体管对的输入端的第二补偿电流通过第二电容。当输出电压由于外部负载而经历电压下降时，第一补偿电流和第二补偿电流更快地导通通道元件的功率晶体管。第一补偿电流和第二补偿电流将间接反馈到已放大的误差电压。
在其中一个示例性实施例中，执行第一电流补偿的步骤还包括从第一电容的第一端反馈第一补偿电流至输入差动晶体管对之间的第一节点，其中输入差动晶体管对具有第一NMOS晶体管和第二NMOS晶体管，并且第一节点形成于第一NMOS晶体管的源极和第二NMOS晶体管的漏极之间。响应于负载电流的逐渐增加，输出电压和第一节点的电压经历第一压降，其经由第一电容转换。
类似地，执行第二电流补偿的步骤还包括从第二电容的第二端反馈第二补偿电流至局部共模反馈电路中的输入差动晶体管对之间的第二节点。局部共模反馈电路的输入差动晶体管包括第三NMOS晶体管与第四NMOS晶体管，并且第二节点形成于第三NMOS晶体管的源极和第四NMOS晶体管的漏极之间。响应于负载电流的逐渐增加，当第三NMOS晶体管和第四NMOS晶体管的栅极经历电压增加，输出电压和所述第二节点的电压经历的第二压降经由第二电容转换。
在其中一个示例性实施例中，图4的稳压方法可以进一步包括优化第一电容的电容值、第二电容的电容值、输入差动晶体管对的有效增益值和局部共模反馈电路中的第一差动晶体管对的有效增益值，使得非主要极点零双峰在频域中非常接近。
图5示出了根据本公开的示例性实施例之一的图2的LDO稳压电路的操作原理。如图5所示，响应于负载电流的逐渐增加，输出电压Vout可能经历突然下降。就这一点，参考图5，共模反馈电阻器Rcmfb的电压(2)、输入差动晶体管对的输出电压(1)和已放大的误差电压(4)可能经历突然下降，而第一差动晶体管对的栅极处的电压(3)可能会突然增加。补偿电流ICC1和ICC2随后反馈自输出电压Vout，且补偿电流ICC1和ICC2的相位将与输出电压Vout的相位相同或非常相似。
举例来说，如果在LDO调节器100的输出端的负载电流逐渐增加，则当负载电容(去耦电容器)提供电流iOUT至负载时，输出电压Vout可能下降。于输出电压Vout的电压下降是经由负反馈回路中的补偿电容(CC1和CC2)转换。补偿电流ICC1和ICC2将帮助通道元件130的PMOS通道晶体管更快启动。由于补偿电容(CC1、CC2)均形成以从LDO稳压器的输出电压Vout间接反馈到误差放大器110的输出电压(4)，因此暂态响应将比单一的补偿电路快。
LDO稳压器100的实验资料显示在图6和图7中。通过使用输入电压VDD＝1.6V、具有40mA负载电流的负载电阻RL＝27.5欧姆、负载电容CL＝5nf、电容CC1＝CC2＝9pF的测试参数，电路架构1、电路架构2和电路架构3的回圈增益和相位示于图6中。电路架构1仅采用叠接补偿电路，电路架构2仅采用分离长度差分对补偿电路，而电路架构3采用叠接补偿电路和分离长度差分对补偿电路的组合。从图中可以看出，电路架构3有更好的表现，因为它表现出更好的相位边限和更稳定的频率响应。
图7示出了针对输出电压Vout处和误差放大器110的输出处(或通道元件130的输入处)的电压相同的三个电路架构的比较。如图7所示，在与图6相同的测试参数下，电路架构3表现得更好，因为它对负载电流的逐渐增加表现出更好的暂态响应。
鉴于上述描述，本公开适用于依赖于内部电池的移动电子装置，并且能够提供较低功率的调节电压且表现出快速且稳定的暂态响应。
虽然本发明已以实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更改与润饰，故本发明的保护范围当视权利要求所界定的为准。

Claims (14)

1.一种低压降稳压电路，包括：
误差放大器，包括局部共模反馈电路，接收参考电压、反馈电压和输入电压，并产生已放大的误差电压，其中所述参考电压被发送到输入差动晶体管对的输入端；
通道元件，包括功率晶体管，接收所述已放大的误差电压，并产生输出电压；
反馈电路，接收所述输出电压并包括按比例降低所述输出电压的分压器；
第一补偿元件，包括连接到所述输入差动晶体管对的输出端的第一端和接收所述输出电压的第二端，其中所述第一补偿元件包括第一电容，从所述输出电压反馈至输入差动晶体管对的输出端的第一补偿电流通过所述第一电容；以及
第二补偿元件，包括接收所述输出电压并连接到所述第二端的第三端和连接到所述局部共模反馈电路中的第一差动晶体管对的输入端的第四端，其中所述第二补偿元件包括第二电容，从所述输出电压反馈至所述第一差动晶体管对的所述输入端的第二补偿电流通过所述第二电容，
其中所述局部共模反馈电路中的所述输入差动晶体管对包括第三NMOS晶体管和第四NMOS晶体管，所述第二电容的第二端连接到在所述第三NMOS晶体管的源极与所述第四NMOS晶体管的漏极之间的第二节点。
2.根据权利要求1所述的低压降稳压电路，其中当所述输出电压由于外部负载而经历电压下降时，所述第一补偿电流和所述第二补偿电流更快地导通所述通道元件的所述功率晶体管。
3.根据权利要求1所述的低压降稳压电路，其中所述第一补偿电流和所述第二补偿电流间接反馈至所述已放大的误差电压。
4.根据权利要求1所述的低压降稳压电路，其中所述输入差动晶体管对包括第一NMOS晶体管和第二NMOS晶体管，所述参考电压由所述第一NMOS晶体管和所述第二NMOS晶体管的栅极接收，且所述第一电容的第一端连接到在所述第一NMOS晶体管的源极与所述第二NMOS晶体管的漏极之间的第一节点。
5.根据权利要求4所述的低压降稳压电路，其中响应于负载电流的逐渐增加，所述输出电压和所述第一节点电压经历的第一压降经由所述第一电容转换。
6.根据权利要求1所述的低压降稳压电路，其中响应于负载电流的逐渐增加，当所述第三NMOS晶体管和所述第四NMOS晶体管的栅极经历电压增加，所述输出电压和所述第二节点的电压经历的第二压降经由所述第二电容转换。
7.根据权利要求3所述的低压降稳压电路，其中所述第一电容的电容值、所述第二电容的电容值、所述输入差动晶体管对的有效增益值和所述局部共模反馈电路中的所述第一差动晶体管对的有效增益值共同具有优化值，使得非主要零极点双峰在频域中非常接近。
8.一种通过使用具有局部共模反馈的低压降稳压电路稳压的稳压方法，包括：
通过包括局部共模反馈电路的误差放大器接收用于产生已放大的误差电压的参考电压、反馈电压和输入电压，其中所述参考电压被发送到输入差动晶体管对的输入端；
通过包括功率晶体管的通道元件接收用于产生输出电压的所述已放大的误差电压；
通过反馈电路接收通过分压器按比例降低的所述输出电压；
通过使用第一补偿元件来执行第一电流补偿，所述第一补偿元件包括连接到所述输入差动晶体管对的输出端的第一端及接收所述输出电压的第二端；以及
通过使用第二补偿元件来执行第二电流补偿，所述第二补偿元件包括接收所述输出电压并连接到所述第二端的第三端和连接到所述局部共模反馈电路中的第一差动晶体管对的输入端的第四端，
其中执行所述第一电流补偿包括：
使用第一电容，从所述输出电压反馈至输入差动晶体管对的输出端的第一补偿电流通过所述第一电容，
其中执行所述第二电流补偿包括：
使用第二电容，从所述输出电压反馈至第一差动晶体管对的输入端的第二补偿电流通过所述第二电容，
其中执行所述第二电流补偿进一步包括：
从所述第二电容的第二端反馈所述第二补偿电流至所述局部共模反馈电路中的所述输入差动晶体管对之间的第二节点，其中所述局部共模反馈电路中的所述差动输入晶体管对包括第三NMOS晶体管和第四NMOS晶体管，所述第二节点形成于所述第三NMOS晶体管的源极与所述第四NMOS晶体管的漏极之间。
9.根据权利要求8所述的稳压方法，其中当所述输出电压由于外部负载而经历电压下降时，所述第一补偿电流和所述第二补偿电流更快地导通所述通道元件的所述功率晶体管。
10.根据权利要求8所述的稳压方法，其中所述第一补偿电流和所述第二补偿电流间接反馈至所述已放大的误差电压。
11.根据权利要求8所述的稳压方法，其中执行所述第一电流补偿进一步包括：
从所述第一电容的第一端反馈所述第一补偿电流至所述输入差动晶体管对之间的第一节点，其中所述输入差动晶体管对包括第一NMOS晶体管和第二NMOS晶体管，所述第一节点形成于所述第一NMOS晶体管的源极与所述第二NMOS晶体管的漏极之间。
12.根据权利要求11所述的稳压方法，其中响应于负载电流的逐渐增加，所述输出电压和所述第一节点电压经历的第一压降经由所述第一电容转换。
13.根据权利要求8所述的稳压方法，其中响应于负载电流的逐渐增加，当所述第三NMOS晶体管和所述第四NMOS晶体管的栅极经历电压增加，所述输出电压和所述第二节点的电压经历的第二压降经由所述第二电容转换。
14.根据权利要求10所述的稳压方法，进一步包括：
优化所述第一电容的电容值、所述第二电容的电容值、所述输入差动晶体管对的有效增益值和所述局部共模反馈电路中的所述第一差动晶体管对的有效增益值的每一个，使得非主要零极点双峰在频域中非常接近。
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