CN111555613B - 一种快速调节的数字ldo电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种快速调节的数字LDO电路，属于控制、调节的技术领域。该电路包括上限比较器、下限比较器、异步比较器、数字控制模块和功率管阵列；其中，功率管阵列每三个功率管为一组，每组之间的尺寸比值为1:2:4:8:……:2n‑1，数字控制模块根据比较器结果控制功率管开关，降低了输出电压波动，提高了输出电压调节速度。

Description

一种快速调节的数字LDO电路
技术领域
本发明涉及集成电路电源管理以及模拟和数模混合信号电路与系统(Analog andmixed-signal circuit and system,AMSCS)技术，具体是一种快速调节的数字LDO电路，属于控制、调节的技术领域。
背景技术
为了降低功耗，现在片上系统的电源电压已经降至近阈值水平，导致模拟LDO(LowDropout Regulator，低压差线性稳压器)的性能下降。数字LDO可以在低压下工作而且具有良好的可拓展性和可移植性，但是数字LDO有输出电压纹波大、瞬态响应差、调节过程慢等缺点。采用二分法划分功率管阵列的数字LDO调节速度很快，但是调节过程造成很大的输出电压波动；采用粗细划分法划分功率管阵列的数字LDO调节速度比二分法数字LDO慢，但是调节过程平稳。所以，本发明提供了一种新的功率管阵列划分方式，既可以平稳调节输出电压又可以实现快速调节。
发明内容
本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供了一种快速调节的数字LDO电路，采用每三个功率管为一组且每组之间的尺寸比值为1:2:4:8:……:2n-1的功率管阵列划分方式划分功率管阵列，实现了输出电压的快速平稳调节，解决了现有的LDO功率管阵列划分方式不能兼顾快速调节和输出平稳的技术问题。
本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：
一种快速调节的数字LDO电路，包括：上限同步比较器、下限同步比较器、异步比较器、数字控制模块、功率管阵列，上限同步比较器、下限同步比较器是时钟控制的动态比较器，二者只在时钟沿工作，异步比较器可以在连续时间工作，它们三个都用于判断输出电压的大小，数字控制模块根据上述三个比较器的输出决定增加或减少功率管阵列中开启功率管的数目，功率管阵列提供输出电流以稳定输出电压。
上限同步比较器正输入端接数字LDO输出电压，负输入端接第一输入参考电压V1；下限同步比较器正输入端接数字LDO输出电压，负输入端接第二输入参考电压V2；异步比较器正输入端接数字LDO输出电压，负输入端接第三输入参考电压V3；其中，V1>V2>V3。两个同步比较器用于常规调节过程，异步比较器用于防止大负载切换时产生过大电压下冲。当输出电压大于V1时，依次关闭功率管；当输出电压在V2和V3之间时，依次开启功率管；当输出电压在V1和V2之间时，停止控制；当输出电压小于V3时，开启所有组所有功率管，提供足够输出电流避免输出电压下冲。
功率管阵列每三个功率管为一组，每组之间的尺寸比值为1:2:4:8:……:2n-1，分别对应第1组，第2组，第3组，第4组……第n组。
假设第1组每个功率管尺寸为LSB，每个功率管提供的电流为IU，那么当负载电流IL有3IU<IL<6IU时，使用尺寸为LSB的功率管调节输出电流最合适，如果使用更小的功率管尺寸，那么会增加调节周期，如果使用更大的功率管尺寸，那么会造成电压大幅波动。同理，当负载电流由6IU<IL<12IU，使用尺寸为2LSB的功率管调节输出电流最合适。
数字控制模块包括功率管开关控制和功率管组间切换控制两部分，功率管组间切换控制部分决定数字控制模块控制哪一组功率管，功率管开关控制部分决定当前组功率管的开启数目。
功率管组间切换和功率管开关控制过程为：
(1)初始状态，开启所有功率管，使得输出电压大于V1，当前组为第n组，复位指针为n，即功率管尺寸最大的组。
(2)自上而下从最大尺寸组开始扫描每一组，Vout>V1则关闭本组一个功率管，当本组功率管全部关闭时，依旧有Vout>V1，证明此时的负载电流较小，需要降低电流调节步幅，关闭下一组一个功率管，当前组减1，复位指针减1。
(3)扫描本组时，如果出现Vout自上而下穿过V2，证明负载电流就在本组的调节范围内。由于已经过多关闭了功率管，所以此时开启当前组一个功率管，关闭下一组一个功率管，当前组减1，以获得更高输出精度，复位指针保持不变。每当Vout自上而下穿过V2时，当前组就减1。
(4)输出电压稳定之后，再出现负载电流变小，导致Vout>V1，当前组切换到复位指针指向的组，并将复位指针指向的组的下面所有组的功率管开启，再次自上而下扫描。
(5)输出电压稳定之后，再出现负载电流变大，导致V2>Vout>V3,那么当前组切换到复位指针指向的组，并将复位指针指向的组的下面所有组的功率管开启，如果当前组所有功率管都已开启，依旧Vout<V2，那么当前组加1，复位指针加1。再次自上而下扫描。
(6)输出电压稳定之后，再出现负载电流变大，导致Vout<V3，那么当前组切换到n，复位指针指向n，开启所有功率管，再次自上而下扫描。
本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：本发明提出了一种功率管各组之间的尺寸比值为2的倍数的划分方式，相比于统一尺寸规格的功率管阵列划分方式，可以实现更大步幅的调节输出电压，实现快速调节，引入异步比较器检测负载变化较大时产生的下冲电压，当输出电压产生下冲时，异步比较器可以快速通过数字控制模块开启所有功率管，避免负载变化时输出电压产生过大下冲，将3个功率管划分为一组则在满足快速调节输出的前提下保证输出稳定，提高了数字LDO的电流调节步幅，加快了调节速度，避免了数字LDO的电流调节步幅过大造成的输出电压波动。
附图说明
图1为本发明的电路结构框图。
图2为本发明实施例的数字控制流程图。
图中标号说明：100、上限同步比较器，200、下限同步比较器，300、异步比较器，400、数字控制模块，500、功率管阵列。
具体实施方式
下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。
本发明实施例提供的一种快速调节的数字LDO电路结构框图如图1所示：包括；上限同步比较器100、下限同步比较器200、异步比较器300、数字控制模块400、功率管阵列500。将功率管阵列500中的每三个功率管为一组，记为第1组，第2组，第3组，第4组……第n组，各组之间的尺寸比值为1:2:4:8:……:2n-1。上限同步比较器100的负输入端接第一输入参考电压V1，正输入端接LDO输出电压Vout，在时钟沿到来时输出比较结果；下限同步比较器200的负输入端接第二输入参考电压V2，正输入端接LDO输出电压Vout，在时钟沿到来时输出比较结果；异步比较器300的负输入端接第三输入参考电压V3，正输入端接LDO输出电压Vout，在大负载切换时输出比较结果；数字控制模块400的输入端接上限同步比较器100、下限同步比较器200、异步比较器300输出的比较结果，在Vout>V1时按照功率管组尺寸减小的顺序依次关闭功率管，在V3<Vout<V2时按照功率管组尺寸增大的顺序依次开启功率管，在V2<Vout<V1时停止调节，在Vout<V3时开启所有功率管。通过数字控制模块的步进调节，在稳定输出的前提下根据负载电流IL范围3(n-1)IU<IL<6(n-1)IU调节尺寸为2n-1LSB功率管组的输出电流，实现了LDO电路的快速调节和平稳输出。
本发明实施例采用图2所示数字控制流程实现图1所示LDO电路输出电压的快速调节，设当前组号为X，复位指针为Y，共有N组功率管，调节结束信号为END，该数字控制流程包括如下六种调节情况。
第一种情况，初始状态，Vout>V1，X＝Y＝N，END＝0。判断当前组内的3个功率管是否已全部关闭，如果已全部关闭，那么关闭X-1组的一个功率管，并且X＝X-1，Y＝Y-1。如果3个功率管没有全部关闭，则关闭X组的一个功率管。
第二种情况，上一周期Vout>V1,关闭了一个功率管，然后导致本周期Vout<V2，此时Vout是自上而下穿过V2的，那么开启X组一个功率管，关闭X-1组一个功率管，并令X＝X-1。
第三种情况，V2<Vout<V1，不做任何操作，调节结束，END＝1。
第四种情况，END＝1，调节已经结束，负载电流发生变化导致Vout>V1或Vout<V2，X＝Y，END＝0，Y组以下所有功率管开启。
第五种情况，上一周期Vout<V2,本周期V3<Vout<V2,如果本组功率管没有全部打开，则开启一个功率管；如果本组功率管已经全部打开，就开启X+1组一个功率管，X＝X+1，Y＝X+1。
第六种情况，Vout<V3，开启所有功率管，X＝Y＝N，END＝0。
例如，在输出电压等于参考电压时，数字LDO最小可以提供的电流为IU，最大可以提供的电流为189倍IU。如果负载电流是80倍IU，此时数字LDO输出189倍IU，所以输出电压一定大于V1，数字LDO此时的控制组为第6组，Vout>V1，关闭第6组一个功率管；然后数字LDO输出为157倍IU，Vout>V1，需要继续关闭功率管；然后数字LDO输出为125倍IU，Vout>V1,需要继续关闭功率管；然后数字LDO输出为93倍IU，Vout>V1,需要继续关闭功率管；此时第6组功率管已经全部关闭，输出电压依旧大于V1，所以证明负载电流并不是特别大，如果继续以32倍IU去调节很能会造成输出电流小于负载电流而产生较大下冲；所以此时复位指针切换到第5组，当前控制组也切换到第5组，并关闭第5组的一个功率管，数字LDO输出电流为77倍IU，略小于负载电流，只会产生很小的电压误差；如果此时V2<Vout<V1，那么证明这个电压误差在允许范围内，结束调节；如果此时Vout<V2，证明这个电压误差大于允许范围，需要降低电流调整步幅，所以开启第5组的一个功率管，关闭第4组一个功率管，并且控制组切换到第4组，此时输出电流为85倍LSB，需要继续关闭功率管；再关闭第4组一个功率管，此时输出电流为77倍LSB，需要继续降低电流调整步幅；所以开启第4组的一个功率管，关闭第3组一个功率管，并且控制组切换到第3组，此时输出电流为81倍LSB，此时误差为IU，已到达数字LDO的最大精度，所以此时的输出电压误差一定在允许范围内，结束调节。
本发明的有益效果为，当输出电压产生下冲时，异步比较器可以快速将系统复位，通过数字控制模块开启所有功率管，避免负载变化时输出电压产生过大下冲；功率管各组之间的比值为2的倍数而不是统一尺寸，提高了数字LDO的电流调节步幅，加快了调节速度；每一组功率管都有3个，避免了数字LDO的电流调节步幅过大造成的输出电压波动。

Claims (4)

1.一种快速调节的数字LDO电路，其特征在于，包括：
上限同步比较器，其负输入端接第一输入参考电压，正输入端接LDO输出电压，在时钟沿到来时输出比较结果；
下限同步比较器，其负输入端接第二输入参考电压，正输入端接LDO输出电压，在时钟沿到来时输出比较结果；
异步比较器，其负输入端接第三输入参考电压，正输入端接LDO输出电压，检测负载切换时的下冲电压，在检测到下冲电压时输出比较结果；
数字控制模块，采集当前周期LDO输出电压与第一输入参考电压、第二输入参考电压、第三输入参考电压的比较结果，在当前周期LDO输出电压小于第三输入参考电压时开启所有功率管，在当前周期LDO输出电压超过第一输入参考电压时按照尺寸减小的顺序从尺寸最大的功率管组开始搜索有功率管开启的最大尺寸组，关闭有功率管开启的最大尺寸组中的一个功率管，在当前周期LDO输出电压小于第一输入参考电压但超过第二输入参考电压时停止调节，在稳定输出的前提下根据负载电流IL范围3(n-1)IU<IL<6(n-1)IU调节尺寸为
2n-1LSB功率管组的输出电流，IU为单个功率管的输出电流，在稳定输出的前提下根据负载电流IL范围3(n-1)IU<IL<6(n-1)IU调节尺寸为2n-1LSB功率管组的输出电流的具体过程为：在Vout>V1时按照功率管组尺寸减小的顺序依次关闭功率管，在V3<Vout< V2时按照功率管组尺寸增大的顺序依次开启功率管，在V2<Vout< V1时停止调节，在Vout<V3时开启所有功率管，V1、V2、V3为第一、第二、第三输入参考电压，Vout为LDO输出电压；及，
功率管阵列，包含n个功率管组，每个功率管组包含三个功率管，各组的尺寸比值为1:2:4:8: …… :2n-1。
2.根据权利要求1所述一种快速调节的数字LDO电路，其特征在于，当前周期LDO输出电压因上一周期关闭功率管而减小直至当前周期LDO输出电压小于第二输入参考电压时，开启上一周期关闭的功率管，并关闭比上一周期关闭的功率管更小尺寸组中的一个功率管。
3.根据权利要求1所述一种快速调节的数字LDO电路，其特征在于，停止调节后LDO输出电压超过第一输入参考电压或低于第二输入参考电压时，将尺寸比有功率管开启的最大尺寸组小的所有功率管组开启。
4.根据权利要求2所述一种快速调节的数字LDO电路，其特征在于，当前周期LDO输出电压小于第二输入参考电压但超过第三输入参考电压时：上一周期为应对LDO输出电压小于第二输入参考电压开启的最后一组功率管中还有功率管处于关闭状态，开启该组中的一个功率管；上一周期为应对LDO输出电压小于第二输入参考电压开启的最后一组功率管中所有功率管都开启，将尺寸大于该组的功率管组中的一个功率管开启。
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