CN112130612A

CN112130612A - 一种具有稳定性补偿的大电流线性稳压器电路

Info

Publication number: CN112130612A
Application number: CN202011006892.8A
Authority: CN
Inventors: 奚冬杰; 徐晴昊; 李现坤
Original assignee: CETC 58 Research Institute
Current assignee: CETC 58 Research Institute
Priority date: 2020-09-23
Filing date: 2020-09-23
Publication date: 2020-12-25

Abstract

本发明公开一种具有稳定性补偿的大电流线性稳压器电路，属于模拟集成电路领域，包括误差放大器EA、单位增益放大级BUFFER、输出功率管Q_POWER、三极管Q_C、第一电阻R_C、第二电阻R_FB1、第三电阻R_FB2、第四电阻R_ESR、第五电阻R_L和输出滤波电容C_OUT；单位增益放大级BUFFER其输入端接误差放大器EA输出端，其输出端接输出功率管Q_POWER基极；输出功率管Q_POWER其发射极接电源V_DD，基极接第一电阻R_C下端，集电极接第二电阻R_FB1上端；三极管Q_C其发射极接电源V_DD，基极和集电极均接第一电阻R_C上端；第一电阻R_C其下端接单位增益放大级BUFFER输出端；第二电阻R_FB1其下端接第三电阻R_FB2上端；第四电阻R_ESR其上端接输出功率管Q_POWER集电极，其下端接输出滤波电容C_OUT上端；第五电阻R_L其上端接输出功率管Q_POWER集电极。

Description

一种具有稳定性补偿的大电流线性稳压器电路

技术领域

本发明涉及电子技术领域，涉及模拟集成电路，特别涉及一种具有稳定性补偿的大电流线性稳压器电路。

背景技术

LDO(Low Dropout Regulator，线性稳压低压差调整器)在集成电路设计中的主要作用为对后续负载产生稳定的直流电压源。能否保持输出电压稳定是决定一款LDO能否进行实际应用的首要条件，其它如最小压差、输出电压精度、负载及线性调整率、电源噪声抑制和功耗等电参数指标只有在LDO可保持输出电压稳定情况下才具有考量意义。不稳定的输出电压会导致负载供电效率降低、电路逻辑功能混乱、有效信号无法正确传递和应用可靠性降低等不良后果。

依据选用输出功率管的类型不同，LDO结构可分为双极和MOSFET型两大类。其中PNP三极管由于具有低压差和低噪声等优势，在要求正压应用的LDO设计场合被作为输出功率管的首选方案。典型大电流线性稳压器系统架构如图1所示，由误差放大器EA、单位增益驱动级BUFFER、功率输出级Q_POWER、采样反馈网络RFB1和RFB2、输出滤波电容C_OUT和负载R_L组成，其中C_OUT上等效寄生电阻由R_ESR表征。图1所示结构为典型负反馈系统，其能否稳定工作取决于系统内各节点所引入零极点在单位增益带宽内分布。在不考虑额外补偿情况下，图1电路中共存在三个极点和一个零点：

极点1：为满足大负载应用时瞬态响应要求，C_OUT为μF级别，输出端极点P_OUT位于单位增益带宽内，影响系统稳定性；

极点2：为满足高精度应用要求，EA输出端阻抗较大，因此EA输出端极点P_EA位于单位增益带宽内，影响系统稳定性；

极点3：为在设定输入-输出压差下提供足够大的负载电流，Q_POWER面积较大，在其基极处将因基极-集电极电容产生一个低频极点P_POWER，影响系统稳定性；

零点1：由C_OUT上寄生电阻R_ESR，将在输出端产生一个左半平面零点Z_OUT。

如以上三个极点均位于反馈环路单位增益带宽内，则会产生180°相移，系统无法保持稳定。需合理设定电路参数使得左半平面零点Z_OUT可抵消P_POWER。

但Z_OUT为固定值，其大小为：

对极点P_POWER有：

式(2)中，β_POWER为Q_POWER电流放大倍数，g_{m_POWER}为Q_POWER等效跨导，I_OUT为负载输出电流，C_{B-C_POWER}为Q_POWER基极集电极寄生电容，I_{B_POWER}为Q_POWER基极电流。

P_POWER与I_{B_POWER}成正比，因三极管电流放大倍数随集电极电流增大而迅速减小，所以当负载从满载到空载变化的过程中，P_POWER向低频移动速度远大于P_OUT(P_OU∝I_OUT)。在某种负载情况下，P_POWER与P_OUT重合或者P_POWER代替P_OUT成为低频主极点，此时由R_ESR和C_OUT产生的固定频率零点Z_OUT无法对环路实现有效补偿，相位裕度小于0°，电路将发生振荡。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有稳定性补偿的大电流线性稳压器电路，以解决传统大电流线性稳压器电路环路的补偿方式存在缺陷的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种具有稳定性补偿的大电流线性稳压器电路，包括：误差放大器EA、单位增益放大级BUFFER、输出功率管Q_POWER、三极管Q_C、第一电阻R_C、第二电阻R_FB1、第三电阻R_FB2、第四电阻R_ESR、第五电阻R_L和输出滤波电容C_OUT；其中，

单位增益放大级BUFFER其输入端接误差放大器EA输出端，其输出端接输出功率管Q_POWER基极；

输出功率管Q_POWER其发射极接电源V_DD，基极接第一电阻R_C下端，集电极接第二电阻R_FB1上端；

三极管Q_C其发射极接电源V_DD，基极和集电极均接第一电阻R_C上端；第一电阻R_C其下端接单位增益放大级BUFFER输出端；

第二电阻R_FB1其下端接第三电阻R_FB2上端；

第四电阻R_ESR其上端接输出功率管Q_POWER集电极，其下端接输出滤波电容C_OUT上端；

第五电阻R_L其上端接输出功率管Q_POWER集电极。

可选的，所述误差放大器EA的负输入端输入参考信号V_REF，正输入端接在上述第二电阻R_FB1与所述第三电阻R_FB2之间。

可选的，所述第三电阻R_FB2的下端、所述第五电阻R_L的下端和所述输出滤波电容C_OUT的下端均接地GND。

在本发明提供的具有稳定性补偿的大电流线性稳压器电路中，包括误差放大器EA、单位增益放大级BUFFER、输出功率管Q_POWER、三极管Q_C、第一电阻R_C、第二电阻R_FB1、第三电阻R_FB2、第四电阻R_ESR、第五电阻R_L和输出滤波电容C_OUT；单位增益放大级BUFFER其输入端接误差放大器EA输出端，其输出端接输出功率管Q_POWER基极；输出功率管Q_POWER其发射极接电源V_DD，基极接第一电阻R_C下端，集电极接第二电阻R_FB1上端；三极管Q_C其发射极接电源V_DD，基极和集电极均接第一电阻R_C上端；第一电阻R_C其下端接单位增益放大级BUFFER输出端；第二电阻R_FB1其下端接第三电阻R_FB2上端；第四电阻R_ESR其上端接输出功率管Q_POWER集电极，其下端接输出滤波电容C_OUT上端；第五电阻R_L其上端接输出功率管Q_POWER集电极。

本发明有益效果为：

三极管Q_C和第一电阻R_C组成补偿电路，通过增加输出功率管Q_POWER的电流放大倍数β_POWER，在轻载下提升单位增益放大级BUFFER输出电流，减小等效电流放大倍数，使得等效电流放大倍数在电路整个负载变化范围内保持固定。避免当电路从满载向空载变化时，因电流放大倍数β_POWER急剧增大导致输出功率管Q_POWER基极电流I_{B_POWER}急剧减小，而引起极点P_POWER急剧减小，最终环路负反馈相位裕度小于0°，电路发生振荡。

附图说明

图1是典型大电流线性稳压器系统架构；

图2是本发明提出的一种具有稳定性补偿的大电流线性稳压器电路结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种具有稳定性补偿的大电流线性稳压器电路作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

实施例一

本发明提供了一种具有稳定性补偿的大电流线性稳压器电路，其结构如图2所示，包括误差放大器EA、单位增益放大级BUFFER、输出功率管Q_POWER、三极管Q_C、第一电阻R_C、第二电阻R_FB1、第三电阻R_FB2、第四电阻R_ESR、第五电阻R_L和输出滤波电容C_OUT；其中，单位增益放大级BUFFER其输入端接误差放大器EA输出端，其输出端接输出功率管Q_POWER基极；输出功率管Q_POWER其发射极接电源V_DD，基极接第一电阻R_C下端，集电极接第二电阻R_FB1上端；三极管Q_C其发射极接电源V_DD，基极和集电极均接第一电阻R_C上端；第一电阻R_C其下端接单位增益放大级BUFFER输出端；第二电阻R_FB1其下端接第三电阻R_FB2上端；第四电阻R_ESR其上端接输出功率管Q_POWER集电极，其下端接输出滤波电容C_OUT上端；第五电阻R_L其上端接输出功率管Q_POWER集电极。所述误差放大器EA的负输入端输入参考信号V_REF，正输入端接在上述第二电阻R_FB1与所述第三电阻R_FB2之间。所述第三电阻R_FB2的下端、所述第五电阻R_L的下端和所述输出滤波电容C_OUT的下端均接地GND。

请继续参阅图2，三极管Q_C和第一电阻R_C组成补偿电路，通过增加输出功率管Q_POWER的电流放大倍数β_POWER，在轻载下提升单位增益放大级BUFFER输出电流，减小等效电流放大倍数，使得等效电流放大倍数在电路整个负载变化范围内保持固定。避免当电路从满载向空载变化时，因电流放大倍数β_POWER急剧增大导致输出功率管Q_POWER基极电流I_{B_POWER}急剧减小，而引起极点P_POWER急剧减小，最终环路负反馈相位裕度小于0°，电路发生振荡。

本发明的工作原理为：

当负载电流较低时，补偿电路中第一电阻R_C上压降可忽略，此时输出功率管Q_POWER与三极管Q_C构成电流镜，两者发射极面积的比例系数为N:1。此时流入单位增益放大级BUFFER的电流I_BUFFER由输出功率管Q_POWER的基极电流I_{B_POWER}与三极管Q_C的发射极电流I_{E_QC}两部分组成。轻载下输出功率管Q_POWER的电流放大倍数远大于N，此时对输出功率管Q_POWER其等效电流放大倍数β_{POWER_eff}为：

从式(3)可知，虽小电流输出下输出功率管Q_POWER电流放大倍数急剧增大，但受电流放大倍数补偿电路抑制，输出功率管Q_POWER的等效电流放大倍数此时不受负载变化影响其固定为N。

当负载较大时，随着输出功率管Q_POWER的发射极-基极电压增大，第一电阻R_C上压降不可忽略。但因输出功率管Q_POWER电流放大倍数急剧减小，且受第一电阻R_C限流作用，所以输出功率管Q_POWER的基极电流I_{B_POWER}远大于三极管Q_C的发射极电流I_{E_QC}。此时电流放大倍数补偿电流对电源呈现为一个高阻通道，对输出功率管Q_POWER其等效电流放大倍数β_{POWER_eff}为：

β_{POWER_eff}＝β_{POWER_heavyload}(4)

β_{POWER_heavyload}为重载情况下，输出功率管本征电流放大倍数。

依据式(2)分析，仅需设置N≤β_{POWER_heavyload}，即可避免电流放大倍数β_POWER随负载增大急剧减小，有效抑制了轻载下电流放大倍数，使其在全负载下趋于一致。使得当电路发生重载向轻载变化时极点P_POWER向低频移动速度不大于极点P_OUT，最终实现全负载范围内环路稳定。调节第一电阻R_C的大小可改变等效电流放大倍数β_{POWER_eff}变化点，使电路适应不同的最大负载应用范围。

Claims

1.一种具有稳定性补偿的大电流线性稳压器电路，其特征在于，包括：误差放大器EA、单位增益放大级BUFFER、输出功率管Q_POWER、三极管Q_C、第一电阻R_C、第二电阻R_FB1、第三电阻R_FB2、第四电阻R_ESR、第五电阻R_L和输出滤波电容C_OUT；其中，

第二电阻R_FB1其下端接第三电阻R_FB2上端；

第五电阻R_L其上端接输出功率管Q_POWER集电极。

2.如权利要求1所述的具有稳定性补偿的大电流线性稳压器电路，其特征在于，所述误差放大器EA的负输入端输入参考信号V_REF，正输入端接在上述第二电阻R_FB1与所述第三电阻R_FB2之间。

3.如权利要求1所述的具有稳定性补偿的大电流线性稳压器电路，其特征在于，所述第三电阻R_FB2的下端、所述第五电阻R_L的下端和所述输出滤波电容C_OUT的下端均接地GND。