CN111414039A

CN111414039A - 一种采用片内补偿技术的线性稳压器电路

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Publication number: CN111414039A
Application number: CN202010258052.4A
Authority: CN
Inventors: 张洪涛; 许延华
Original assignee: Beijing CEC Huada Electronic Design Co Ltd
Current assignee: Beijing CEC Huada Electronic Design Co Ltd
Priority date: 2020-04-03
Filing date: 2020-04-03
Publication date: 2020-07-14
Anticipated expiration: 2040-04-03
Also published as: CN111414039B

Abstract

本发明公开了一种采用内部补偿技术的线性稳压器电路，它包括差分放大器、缓冲级、输出级、输出限流电路及环路补偿电路；所述差分放大器对外部输入参考电压Vref和输出电压VOUT的差值进行放大，从而调节所述线性稳压器电路的输出电压VOUT达到目标值；所述缓冲级电路目的是对差分放大器输出信号的驱动能力进行强化，进而驱动输出级电路的功率管；所述输出级电路完成最终电压输出及输出电压采样；所述环路补偿电路保证系统的稳定性；所述输出限流电路通过对输出电流的控制，避免输出短路或负载过重引起对芯片损伤。通过上述设计本发明不仅节省了芯片成本，提高电路集成度；同时改善了线性稳压器的瞬态响应，提高了该发明作为供电单元的安全性。

Description

一种采用片内补偿技术的线性稳压器电路

技术领域

本发明涉及直流电源降压领域，尤其涉及采用片内补偿技术的线性稳压器电路。

背景技术

在直流电源的供电领域，线性稳压器电路经常被使用，它通常实现输入电压到输出电压的降压转换，提供设计所需的稳定电压的同时驱动额定规格内的电流负载。随着电子设备的普及程度，整个系统应用对电路集成度以及电源电压的瞬态响应都提出了更高的要求，同时作为电源供电单元，需要具有基本自我保护能力，在输出端过载或短路时，需要对输出电流进行限制，避免电路产生硬损伤；另外传统的线性稳压器需要外接电容进行环路补偿及稳压，使得系统需要额外的器件和电路板空间，不利于产品成本的降低。基于这些原因，如何设计可行的片内补偿线性稳压器电路是亟需解决的一个问题，它不仅要提供最基本电压转化功能，还需要足够的动态响应能力，当输出端负载在规定范围内变化时要保证输出电压的稳定。同时需要集成自我保护的输出电流限制功能，提升产品安全，避免启动时输出过冲。

发明内容

为实现上述需求的线性稳压器，本发明提供一种采用片内补偿技术的线性稳压器电路，它在实现高精度电压转换的同时，增加了缓冲级电路使整个稳压器电路的响应速度得到保证；采用了补偿电容倍增的技术补偿环路稳定性，不需要额外的片外电容，而且内部补偿电容的面积也得到大幅减小，提高电路集成度的同时节省了芯片成本；该稳压器内部集成了输出电流限制功能，不仅减小启动时所述稳压器电路对整个电源系统的冲击，避免输出电压过冲，而且提升了产品自身安全。

参考附图1及附图2，本发明电路由差分放大器，缓冲级，输出级，输出限流电路及环路补偿电路构成。

所述差分放大器由电流源I1、晶体管M1、M2、M3、M4、M5、M6、M7和M8组成，旨在对外部输入参考电压VREF和输出电压VOUT的差值进行放大，从而调节该电路输出电压VOUT达到目标值。

所述缓冲级电路由电流源I2、晶体管M9、M11、M12组成，该部分电路形成两级源极跟随器，以实现对差分放大器输出信号驱动能力的强化，进而驱动输出级电路的晶体管M15，保证所述稳压器的瞬态响应速度。

所述输出级电路由功率管M15和输出电压采样电阻R1、R2构成，它在提供足够电流输出能力的同时，通过设计电阻R1和R2的比例，可调节最终输出电压目标值。

所述环路补偿电路由电流源I3、晶体管M16、M17、M18、M19、M20、电阻R3和电容C2组成，补偿容C2经过该电路可实现补偿电容倍增，实现电容值的等效放大；电阻R3和电容C2串联形成的网络用来补偿所述稳压器电路的零极点，使环路有足够的相位裕度。

所述输出限流电路由晶体管M13、M14、M10和电容C1组成，晶体管M10设定该线性稳压器能够输出最大负载，通过对输出级功率管电流的采样，然后经由晶体管M13的源极输出至缓冲级输入，最后反馈至功率管M15的栅极，形成负反馈系统；电容C1对所述输出限流电路的反馈系统进行相位补偿，最终实现对所述线性稳压器电路输出电流的控制。

由上述可知，本发明的优点在于满足高精度电压转换的同时，采用内部补偿及交流补偿电容倍增的技术，提高芯片集成度的同时设计成本得到降低；同时集成了输出限流功能,保证了电路自身的应用安全，并且在启动阶段减弱了对系统电源的冲击。

附图说明

图1采用片内补偿技术的线性稳压器电路的结构框图；

图2本发明采用片内补偿技术的线性稳压器的优选实施例电路原理图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

图1为本发明采用片内补偿技术的线性稳压器电路的结构框图，它展示了所述电路的基本结构，它由差分放大器、缓冲级、输出级、输出限流电路及环路补偿电路构成。在正常工作状态下，输入参考电压Vref和输出电压VOUT的采样反馈信号VFB经过误差放大器，对两者间差值进行放大调整，经由缓冲级电路增加驱动能力后，接入输出级功率管，最终完成对输出电压的控制。所述环路补偿电路接在输出电压和误差放大器之间，对整个线性稳压器的稳定性进行补偿，使所述稳压器电路在频域有足够的相位裕度及增益裕度，进而保证系统的稳定性。所述输出限流电路对输出功率管的电流进行采样，当输出电流超过设定值时，该部分电路将通过控制缓冲级电路的输入，调整图2中功率管M15的栅极电压，进而限制输出电流，使所述稳压器输出电流在额定范围内。

进一步说明如图2所示，所述误差放大器，其中晶体管M1，M2两者的源极与电流源I1相连，形成差分输入结构，晶体管M1栅极接外部参考电压Vref,其漏极接晶体管M6的源极和晶体管M8的漏极，同时与环路补偿电路的晶体管M16和晶体管M19两者的漏极相连；晶体管M2栅极接输出电压的反馈信号VFB，其漏极接晶体管M5源极和晶体管M7的漏极；晶体管M5和M6两者的栅极相连并接偏置电压VB1，组成共栅极放大电路；晶体管M3和M4组成电流电路作为共栅极放大电路的负载；晶体管M7和M8的栅极相连同时源极接地，形成电流镜；晶体管M4和M6的漏端相连作为误差放大器的一端输出信号，接入所述的缓冲级电路。该误差放大器电路在提供较低的失调电压同时，提供了足够的增益，进而保证了整个稳压器的转换精度。

图2中所述缓冲级电路接收到所述误差放大器的输出结果，对其驱动能力放大。其中晶体管M11与晶体管M9形成第一级源极跟随器，晶体管M12和电流源I2形成第二级源极跟随器，实现对误差放大器输出信号驱动能力放大的同时，改善所述线性稳压器的瞬态响应速度。晶体管M11的源极与晶体管M12的栅极和晶体管M9的漏极相连；晶体管M12源极和电流源I2相连，同时作为缓冲级电路的输出信号连接图2所示输出级电路功率管M15的栅极。

所述输出级电路由功率管M15和输出电压采样电阻R1、R2构成，提供足够电流输出能力的同时，通过对电阻R1和R2比例的设计，可调节最终输出电压目标值，正常状态下所述稳压器电路输出电压VOUT＝Vref*(R1+R2)/R2。其中功率管M15的栅极接缓冲级电路的输出，漏极经过串联分压电阻R1和R2至电路地。

所述环路补偿电路，其中补偿电阻R3一端接输出电压VOUT，另一端接电容C2；所述电容C2的另一端接晶体管M17、M20的漏极；所述晶体管M16、M17和M18的源极都接电源，它们的栅极相连并连至晶体管M18的漏极，同时与电流源I3相连；所述晶体管M19、M20的源极均接地，它们的栅极都连接至晶体管M20的漏极；所述晶体管M16和M19的漏极相连，同时连接至所述差分放大器的晶体管M8的漏极。通过合理设计晶体管M16、M17、M18、M19、M20的尺寸，能够实现交流补偿电容C2的等效放大，不必使用大容量补偿电容就能改善所述稳压器电路稳定性。

参考图2，所述输出限流电路由晶体管M13，M14，M10和电容C1组成，晶体管M10设定所述线性稳压器能够输出的最大电流，晶体管14对输出级功率管的输出电流进行采样，晶体管M10和M14两者的漏极相连，该点电压能够反映出输出电流和设定电流的差距，然后经由晶体管M13的源极输出至缓冲级输入，最后反馈至功率管M15的栅极，形成负反馈系统；电容C1对输出限流电路的反馈系统进行相位补偿，最终实现对所述线性稳压器电路输出电流的控制。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的设计原则、技术方案之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明保护范围内。

Claims

1.一种采用片内补偿技术的线性稳压器电路，其特征在于，所述电路包括差分放大器，缓冲级，输出级，输出限流电路及环路补偿电路，其中：

所述差分放大器，输入参考电压Vref接入差分放大器的一端，输出电压的采样反馈信号VFB接入所述差分放大器另一端，其输出信号和所述输出限流电路的输出共同作为缓冲级电路的输入；同时差分放大器的另一输出和所述环路补偿电路的一端相连；

所述缓冲级接收差分放大器和输出限流电路的输出信号，对其驱动能力进行放大，缓冲级输出信号接入所述输出级电路，控制输出电压及驱动电流；

所述输出级，通过对缓冲级输出信号的接收实现设定的输出电压及提供相应电流驱动，并且对输出电压VOUT进行采样产生VFB电压，反馈至误差放大器的输入端；输出电压VOUT连接至环路补偿网络的一端；

所述环路补偿电路的一端接所述误差放大器的一端输出信号，另一端接输出电压VOUT，通过补偿电容的倍增技术，实现环路的零极点补偿，使环路最终稳定；

所述输出限流电路，其一端接输出级，对输出电流进行检测，另一端接缓冲级的输入，结合误差放大器的输出，实现对输出电流的控制。

2.根据权利要求1所述的线性稳压器电路，其特征在于，所述差分放大器由电流源I1、晶体管M1、M2、M3、M4、M5、M6、M7、M8组成，其中晶体管M1、M2的源极与电流源I1相连，形成差分输入结构，晶体管M1栅极接外部参考电压Vref,其漏极接晶体管M6源极和晶体管M8漏极，同时与环路补偿电路的晶体管M16漏极以及晶体管M19的漏极相连；晶体管M2栅极接输出电压的反馈信号VFB，其漏极接晶体管M5源极和晶体管M7漏极；晶体管M5和M6栅极相连组成共栅极放大电路；晶体管M3和M4组成电流镜电路作为共栅极放大电路的负载；晶体管M7、M8两者的栅极相连同时源极接地，形成电流镜；晶体管M4、M6两者漏极相连作为误差放大器一端输出信号，接入权利要求1所述的缓冲级电路。

3.根据权利要求1所述的线性稳压器电路，其特征在于，所述缓冲级电路由晶体管M9、M11、M12和电流源I2构成，其中晶体管M11漏极接电源；晶体管M11源极与晶体管M12的栅极和晶体管M9的漏极相连；晶体管M11的栅极与差分放大器的输出即晶体管M4和M5两者的漏极相连，同时连接输出限流电路的输出端即晶体管M13的源级；晶体管M9的栅极连接偏置电压VB2，源极与电路地连接；所述晶体管M12漏极接电路地，其源极与电流源I2连接，同时接所述输出限流电路中晶体管M14的栅极和所述输出级功率管M15的栅极。

4.根据权利要求1所述的线性稳压器电路，其特征在于，所述输出级电路由功率管M15及输出电压采样电阻R1，R2构成，其中所述功率管M15的栅极接缓冲级电路的输出，与晶体管M12的源极和电流源I2相连；所述功率管M15的源极接电源，其漏极作为所述线性稳压器的输出，输出电压VOUT，同时与采样电阻R1一端以及环路补偿电路中电阻R3一端相连；采样电阻R1的另一端经由电阻R2连接至地，并产生输出电压采样信号VFB，连接至差分放大器中晶体管M2的栅极。

5.根据权利要求1所述的线性稳压器电路，其特征在于，所述环路补偿电路由电流源I3、晶体管M16、M17、M18、M19、M20以及补偿电阻R3和电容C2构成；所述补偿电阻R3一端接输出电压VOUT，另一端接电容C2；所述电容C2的另一端接晶体管M17、M20的漏极；所述晶体管M16、M17和M18的源极都接电源，它们的栅极相连并连至晶体管M18的漏极，同时与电流源I3相连；所述晶体管M19、M20的源极均接地，它们的栅极都连接至晶体管M20的漏极；所述晶体管M16和M19的漏极相连，同时连接至所述差分放大器的晶体管M8的漏极。

6.根据权利要求1所述的线性稳压器电路，其特征在于，所述输出限流电路由晶体管M10、M13、M14和电容C1构成；所述晶体管M14的源极与输出级电路功率管M15的源极相连，并连接至电源；晶体管M14栅极接功率管M15的栅极同时与缓冲级电路M12的源极相连；晶体管M14的漏极接晶体管M10的漏极以及晶体管M13的栅极；所述电容C1两端分别接电源和晶体管M13的栅极；晶体管M13的漏极接电源，其源极接所述缓冲级电路晶体管M11的栅极；晶体管M10栅极接偏置电压VB2，同时其源极接地。