CN111427407A - 带有模拟辅助环路的超快响应数字ldo结构及其控制方法 - Google Patents

带有模拟辅助环路的超快响应数字ldo结构及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种带有模拟辅助环路的超快响应数字LDO结构及其控制方法，包括控制器、驱动电路、功率晶体管阵列、量化模块、参考电压模块、时钟电路及供电输出端，其中，量化模块的输入端与参考电压模块及供电输出端相连接，量化模块的输出端与控制器的输入端相连接，控制器的输出端经驱动电路与功率晶体管阵列中各功率晶体管的控制端相连接，功率晶体管阵列的输出端与供电输出端相连接，该结构及其控制方法能够有效的解决数字低压差稳压器在低功耗情况下难以实现超快响应的问题。

Description

带有模拟辅助环路的超快响应数字LDO结构及其控制方法
技术领域
本发明属于电源管理技术领域，涉及一种带有模拟辅助环路的超快响应数字LDO结构及其控制方法。
背景技术
在无线传感领域中，无线传感网络对供电模块提出了更高的要求。针对应用于无线传感网络的低压低功耗设备，定制化的供电模块更有助于充分发挥其优异的性能。传统的低压差稳压器(LDO)作为一种典型的电源管理电路已被广泛应用，其中，完全采用模拟集成电路技术进行实现的LDO最显著的优势是输出电压的纹波小，但响应时间受补偿环路的影响较大，当应用于低压低功耗场景时，在保持较高电源效率时，负载发生瞬态变化时过冲与欠冲相对较大；而另一种采用了数字集成电路方法实现的低压差稳压器(DLDO)，则可以在较低供电电压的情况下通过数字控制的方式实现稳压功能，从而实现较低功耗下的快速响应，此外经过数字集成电路方法设计的DLDO还可以方便地在不同工艺间进行迁移。然而简单的控制逻辑很难在较低工作频率下实现快速响应。因此有必要提供一种带有模拟辅助环路的超快响应数字LDO结构及其控制方法以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种带有模拟辅助环路的超快响应数字LDO结构及其控制方法，该结构及其控制方法能够有效的解决数字低压差稳压器在低功耗情况下难以实现超快响应的问题。
为达到上述目的，本发明所述的带有模拟辅助环路的超快响应数字LDO结构包括控制器、驱动电路、功率晶体管阵列、量化模块、参考电压模块、时钟电路及供电输出端，其中，量化模块的输入端与参考电压模块及供电输出端相连接，量化模块的输出端与控制器的输入端相连接，控制器的输出端经驱动电路与功率晶体管阵列中各功率晶体管的控制端相连接，功率晶体管阵列的输出端与供电输出端相连接。
还包括与功率晶体管阵列的输出端相连接的补偿模块。
补偿模块包括连续时间比较器以及若干辅助功率晶体管，连续时间比较器实时判断供电输出端的电压是否低于最小电压阈值，当供电输出端的电压低于最小电压阈值时，控制各辅助功率晶体管的开关状态，通过辅助功率晶体管进行辅助供电，使得供电输出端的电压大于等于最小电压阈值。
所述控制器包括逐次逼近模块、直接计算模块及判别器，判别器与逐次逼近模块、直接计算模块及量化模块相连接，逐次逼近模块及直接计算模块与驱动电路相连接。
量化模块由若干比较器组成。
本发明所述的带有模拟辅助环路的超快响应数字LDO结构的控制方法包括以下步骤：
参考电压模块将参考电压取值范围依次划分为三个子电压区间，量化模块获取当前供电输出端的电压信息，并判断当前供电输出端的电压所处的子电压区间，并将判断结果及当前供电输出端的电压输出给判别器中；
当当前供电输出端的电压处于第二个子电压区间内时，判别器将当前供电输出端的电压发送至直接计算模块中，直接计算模块将当前供电输出端的电压与前一个工作周期供电输出端的电压进行作差处理，得第一作差结果N；同时将当前供电输出端的电压与预设输出电压值进行作差处理，得第二作差结果M，得最终作差结果K＝aN+bM，其中，a及b均为预设权重系数，然后根据最终作差结果K及功率晶体管阵列中各功率晶体管的工作参数判断功率晶体管阵列中各功率晶体管的开关状态，然后根据各功率晶体管的开关状态生成控制信号，并根据所述控制信号通过驱动电路控制功率晶体管阵列中各功率晶体管的开关状态，使得供电输出端的电压稳定到预设输出电压值处；
当当前供电输出端的电压处于第一个子电压区间内或者第三个子电压区间内时，判别器将当前供电输出端的电压发送至逐次逼近模块中，逐次逼近模块根据当前供电输出端的电压、预设输出电压值、功率晶体管阵列中各功率晶体管的工作参数及其预设权重系数采用逐次逼近的搜索策略获取功率晶体管阵列中各功率晶体管的开关状态，然后根据各功率晶体管的开关状态生成控制信号，并根据所述控制信号通过驱动电路控制功率晶体管阵列中各功率晶体管的开关状态，使得供电输出端的电压稳定到预设输出电压值处。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的带有模拟辅助环路的超快响应数字LDO结构及其控制方法在具体操作时，将参考电压取值范围划分为三个子电压区域，当当前供电输出端的电压位于第二个子电压区间时，则直接计算功率晶体管阵列中各功率晶体管的开关状态，以达到快速稳定供电输出端电压的目的，当当前供电输出端的电压处于第一子电压区间或者第三个子电压区间时，即输出电压变化幅度极大时，则采用逐次逼近逻辑，实现快速电压恢复的功能，以解决数字低压差稳压器在低功耗情况下难以实现超快响应的问题。
进一步，当检测到所述输出端电压低于阈值时，连续时间比较器控制驱动辅助功率晶体管进行辅助供电，以解决数字LDO应用于低压低功耗场景下工作频率较低时数字控制模块空窗期的问题。
附图说明
图1为本发明的原理图；
图2为本发明的结构框图；
图3为本发明的结构示意图。
其中，110为时钟电路、120为控制器、121为逐次逼近模块、122为直接计算模块、123为判别器、130为驱动电路、140为功率晶体管阵列、150为量化模块、151为比较器、160为参考电压模块、170为补偿模块、171为连续时间比较器、172为辅助功率晶体管、180为供电输出端。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参考图1至图3，本发明所述的带有模拟辅助环路的超快响应数字LDO结构包括控制器120、驱动电路130、功率晶体管阵列140、量化模块150、参考电压模块160、时钟电路110及供电输出端180，其中，量化模块150的输入端与参考电压模块160及供电输出端180相连接，量化模块150的输出端与控制器120的输入端相连接，控制器120的输出端经驱动电路130与功率晶体管阵列140中各功率晶体管的控制端相连接，功率晶体管阵列140的输出端与供电输出端180相连接，另外，本发明还包括与功率晶体管阵列140的输出端相连接的补偿模块170。
补偿模块170包括连续时间比较器171以及若干辅助功率晶体管172，连续时间比较器171实时判断供电输出端180的电压是否低于最小电压阈值，当供电输出端180的电压低于最小电压阈值时，控制各辅助功率晶体管172的开关状态，通过辅助功率晶体管172进行辅助供电，使得供电输出端180的电压大于等于最小电压阈值。
所述控制器120包括逐次逼近模块121、直接计算模块122及判别器123，判别器123与逐次逼近模块121、直接计算模块122及量化模块150相连接，逐次逼近模块121及直接计算模块122与驱动电路130相连接；量化模块150由若干比较器151组成。
本发明所述的所述带有模拟辅助环路的超快响应数字LDO结构的控制方法包括以下步骤：
参考电压模块160将参考电压取值范围依次划分为三个子电压区间，量化模块150获取当前供电输出端180的电压信息，并判断当前供电输出端180的电压所处的子电压区间，并将判断结果及当前供电输出端180的电压输出给判别器123中；
当当前供电输出端180的电压处于第二个子电压区间内时，判别器123将当前供电输出端180的电压发送至直接计算模块122中，直接计算模块122将当前供电输出端180的电压与前一个工作周期供电输出端180的电压进行作差处理，得第一作差结果N；同时将当前供电输出端180的电压与预设输出电压值进行作差处理，得第二作差结果M，得最终作差结果K＝aN+bM，其中，a及b均为预设权重系数，然后根据最终作差结果K及功率晶体管阵列140中各功率晶体管的工作参数判断功率晶体管阵列140中各功率晶体管的开关状态，然后根据各功率晶体管的开关状态生成控制信号，并根据所述控制信号通过驱动电路130控制功率晶体管阵列140中各功率晶体管的开关状态，使得供电输出端180的电压稳定到预设输出电压值处；
当当前供电输出端180的电压处于第一个子电压区间内或者第三个子电压区间内时，判别器123将当前供电输出端180的电压发送至逐次逼近模块121中，逐次逼近模块121根据当前供电输出端180的电压、预设输出电压值、功率晶体管阵列140中各功率晶体管的工作参数及其预设权重系数采用逐次逼近的搜索策略获取功率晶体管阵列140中各功率晶体管的开关状态，然后根据各功率晶体管的开关状态生成控制信号，并根据所述控制信号通过驱动电路130控制功率晶体管阵列140中各功率晶体管的开关状态，使得供电输出端180的电压稳定到预设输出电压值处。
根据各功率晶体管的权重，优先选取权重较大的功率晶体管，以判断各功率晶体管的开关状态，所提供电流能力从开始的较大步长以期快速靠近负载所需的电流值，到后期的小步长以期在搜索过程中不错过负载实际的大小。
需要说明的是，参考电压范围中的各相邻子电压区间之间的差值绝对值大于或等于可接受的误差。
当输出电压变化幅度极大时，即供电输出端180电压超出参考电压中第二子电压区间，由连续时间比较器171驱动的辅助功率晶体管172被使能，使得在数字控制部分工作频率较低时仍然保持相对较小的输出电压纹波，此外，通过控制器120实现逻辑功能，避免了完全使用模拟集成电路时的复杂回路，并且占用面积较小，在不同工艺之间的迁移性能较好。
综上所述，对于无线传感网络等应用场景，采用本发明提出的结构和方法实现低压差稳压器的超快响应具有积极意义。
以上所述仅为本发明的实施方式及技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明提出的技术思想的前提下，在技术方案基础上所做的任何改动，均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种带有模拟辅助环路的超快响应数字LDO结构，其特征在于，包括控制器(120)、驱动电路(130)、功率晶体管阵列(140)、量化模块(150)、参考电压模块(160)、时钟电路(110)及供电输出端(180)，其中，量化模块(150)的输入端与参考电压模块(160)及供电输出端(180)相连接，量化模块(150)的输出端与控制器(120)的输入端相连接，控制器(120)的输出端经驱动电路(130)与功率晶体管阵列(140)中各功率晶体管的控制端相连接，功率晶体管阵列(140)的输出端与供电输出端(180)相连接。
2.根据权利要求1所述的带有模拟辅助环路的超快响应数字LDO结构，其特征在于，还包括与功率晶体管阵列(140)的输出端相连接的补偿模块(170)。
3.根据权利要求2所述的带有模拟辅助环路的超快响应数字LDO结构，其特征在于，补偿模块(170)包括连续时间比较器(171)以及若干辅助功率晶体管(172)，连续时间比较器(171)实时判断供电输出端(180)的电压是否低于最小电压阈值，当供电输出端(180)的电压低于最小电压阈值时，控制各辅助功率晶体管(172)的开关状态，通过辅助功率晶体管(172)进行辅助供电，使得供电输出端(180)的电压大于等于最小电压阈值。
4.根据权利要求1所述的带有模拟辅助环路的超快响应数字LDO结构，其特征在于，所述控制器(120)包括逐次逼近模块(121)、直接计算模块(122)及判别器(123)，判别器(123)与逐次逼近模块(121)、直接计算模块(122)及量化模块(150)相连接，逐次逼近模块(121)及直接计算模块(122)与驱动电路(130)相连接。
5.根据权利要求1所述的带有模拟辅助环路的超快响应数字LDO结构，其特征在于，量化模块(150)由若干比较器(151)组成。
6.一种权利要求3所述带有模拟辅助环路的超快响应数字LDO结构的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
参考电压模块(160)将参考电压取值范围依次划分为三个子电压区间，量化模块(150)获取当前供电输出端(180)的电压信息，并判断当前供电输出端(180)的电压所处的子电压区间，并将判断结果及当前供电输出端(180)的电压输出给判别器(123)中；
当当前供电输出端(180)的电压处于第二个子电压区间内时，判别器(123)将当前供电输出端(180)的电压发送至直接计算模块(122)中，直接计算模块(122)将当前供电输出端(180)的电压与前一个工作周期供电输出端(180)的电压进行作差处理，得第一作差结果N；同时将当前供电输出端(180)的电压与预设输出电压值进行作差处理，得第二作差结果M，得最终作差结果K＝aN+bM，其中，a及b均为预设权重系数，然后根据最终作差结果K及功率晶体管阵列(140)中各功率晶体管的工作参数判断功率晶体管阵列(140)中各功率晶体管的开关状态，然后根据各功率晶体管的开关状态生成控制信号，并根据所述控制信号通过驱动电路(130)控制功率晶体管阵列(140)中各功率晶体管的开关状态，使得供电输出端(180)的电压稳定到预设输出电压值处；
当当前供电输出端(180)的电压处于第一个子电压区间内或者第三个子电压区间内时，判别器(123)将当前供电输出端(180)的电压发送至逐次逼近模块(121)中，逐次逼近模块(121)根据当前供电输出端(180)的电压、预设输出电压值、功率晶体管阵列(140)中各功率晶体管的工作参数及其预设权重系数采用逐次逼近的搜索策略获取功率晶体管阵列(140)中各功率晶体管的开关状态，然后根据各功率晶体管的开关状态生成控制信号，并根据所述控制信号通过驱动电路(130)控制功率晶体管阵列(140)中各功率晶体管的开关状态，使得供电输出端(180)的电压稳定到预设输出电压值处。
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