CN112558680A - 线性调整器及其控制电路 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种线性调整器及其控制电路，包括误差放大器、补偿电路以及充电电路，误差放大器用于根据参考信号与反馈信号之间的电压差驱动线性调整器中的功率晶体管，补偿电路包括串联连接于电源端和误差放大器的输出端之间的可变电阻模块和补偿电容，用于对线性调整器进行频率补偿，充电电路用于获取可变电阻模块和补偿电容的中间节点的节点电压，并在该节点电压小于电源端的电源电压时向该中间节点进行充电，使得补偿电容的上极板的电压可快速提高到电源电压，提高了线性调整器在负载范围内环路稳定的速度，有利于提高线性调整器的响应速度和负载能力。

Description

线性调整器及其控制电路
技术领域
本发明涉及线性调整器技术领域，更具体地，涉及一种线性调整器及其控制电路。
背景技术
线性调整器也称线性稳压器，其作用是将不稳定的输入电压转换为可调节的直流输出电压，以便于作为其它系统的供电电源。由于线性调整器具有结构简单、静态功耗小、输出电压纹波小等特点，因此线性调整器常被用于移动消费类电子设备芯片的片内电源管理。
如图1示出根据现有技术的线性调整器的电路示意图。如图1所示，线性调整器100包括功率晶体管Mnp、电阻R1和电阻R2、误差放大器110以及补偿电阻R3和补偿电容C1。功率晶体管Mnp、电阻R1以及电阻R2串联连接于电源电压Vdd和地之间，功率晶体管Mnp和电阻R1的中间节点用于向后级负载提供输出电压Vout。电阻R1和电阻R2的中间节点用于提供输出电压Vout的反馈信号VFB。误差放大器110用于将该反馈信号VFB与一参考信号VREF进行比较，根据二者之间的误差控制功率晶体管Mnp的压降，从而稳定输出电压Vout。补偿电阻R3和补偿电容C1组成的补偿电路用于对系统的极点进行补偿。
现有技术的微功耗线性调整器100具有以下的问题：补偿电阻R3的电阻值通常在10MΩ以上，因此补偿电容C1的上极板是高阻节点。当线性调整器100的负载或电源电压发生变化时，补偿电容C1的上极板的电压会产生相应的波动，为了平衡高阻节点的电压波动，就需要从误差放大器110的输出端汲取部分电流，当该电流大于误差放大器110的驱动能力时，会造成线性调整器110的输出电压的波形发生异常。此外，由于补偿电阻R3的电阻值很大，对补偿电容C1的充电电流很小，会导致线性调整器100的响应速度很慢。
因此现有的线性调整器100具有环路带宽小、响应速度慢、负载能力差等缺点。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种线性调整器及其控制电路，提高了线性调整器在负载范围内环路稳定的速度，提高线性调整器的响应速度和负载能力。
根据本发明实施例的第一方面，提供了一种线性调整器的控制电路，所述线性调整器包括串联连接于电源端和输出端之间的功率晶体管，
所述控制电路用于驱动所述功率晶体管以在所述输出端提供负载电流，其中，所述控制电路包括：误差放大器，用于根据参考信号与反馈信号之间的电压驱动所述功率晶体管；以及补偿电路，包括串联连接于所述电源端和所述误差放大器的输出端之间的可变电阻模块和补偿电容，所述补偿电路用于对线性调整器进行频率补偿；以及充电电路，用于获取所述可变电阻模块和所述补偿电容的中间节点的节点电压，并在所述节点电压小于所述电源端的电源电压时向所述中间节点进行充电。
优选地，所述充电电路包括：串联连接于所述电源端和中间节点之间的第一晶体管；以及比较器，用于将所述节点电压与所述电源电压进行比较，根据比较结果控制所述第一晶体管的导通和关断，其中，所述比较器在所述节点电压小于所述电源电压时导通所述第一晶体管。
优选地，所述可变电阻模块被配置为根据所述负载电流改变其自身的电阻值。
优选地，所述可变电阻模块包括：串联连接于所述电源端和所述中间节点之间的第二晶体管，以及串联连接于所述电源端和地之间的第三晶体管和电流源，其中，所述第二晶体管和所述第三晶体管构成电流镜，所述电流镜用于根据所述电流源提供的检测电流而改变所述电阻值。
优选地，所述电流源用于提供与所述负载电流成比例的检测电流。
优选地，所述控制电路还包括反馈电路，连接于所述功率晶体管的输出端与地之间，用于生成所述反馈信号。
优选地，所述反馈电路包括串联连接于所述输出端与地之间的第一电阻和第二电阻，其中，所述第一电阻和所述第二电阻的中间节点用于提供所述反馈信号。
优选地，所述第一晶体管为P型的金属氧化物半导体场效应晶体管。
优选地，所述第二晶体管和第三晶体管分别为P型的金属氧化物半导体场效应晶体管。
根据本发明实施例的第二方面，提供了一种线性调整器，包括串联连接于电源端和输出端之间的功率晶体管，以及上述的控制电路。
本发明实施例的线性调整器及其控制电路包括误差放大器、补偿电路以及充电电路，误差放大器用于根据参考信号与反馈信号之间的电压差驱动线性调整器中的功率晶体管，补偿电路包括串联连接于电源端和误差放大器的输出端之间的可变电阻模块和补偿电容，用于对线性调整器进行频率补偿，充电电路用于获取可变电阻模块和补偿电容的中间节点的节点电压，并在该节点电压小于电源端的电源电压时向该中间节点进行充电，使得补偿电容的上极板的电压可快速提高到电源电压，提高了线性调整器在负载范围内环路稳定的速度，有利于提高线性调整器的响应速度和负载能力。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1示出根据现有技术的线性调整器的电路示意图；
图2示出根据本发明实施例的线性调整器的电路示意图。
具体实施方式
以下将参照附图更详细地描述本发明的各种实施例。在各个附图中，相同的元件采用相同或类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。
应当理解，在以下的描述中，“电路”是指由至少一个元件或子电路通过电气连接或电磁连接构成的导电回路。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件/电路“连接在”两个节点之间时，它可以直接耦合或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦合到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。
在本申请中，功率晶体管是工作在线性模式以提供电流路径的晶体管，包括选自双极晶体管或场效应晶体管的一种。功率晶体管的第一端和第二端分别是电流路径上的高电位端和低电位端，控制端用于接收驱动信号以控制功率晶体管的压降。功率晶体管可以为P型MOSFET或N型MOSFET。P型MOSFET的第一端、第二端和控制端分别为源极、漏极和栅极，N型MOSFET的第一端、第二端和控制端分别为漏极、源极和栅极。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图2示出根据本发明实施例的线性调整器的电路示意图。如图2所示，该线性调整器200包括集成在同一集成电路芯片中的功率晶体管Mnp和控制电路。功率晶体管Mnp为芯片的主要输出管，连接在电源端和输出端之间。功率晶体管Mnp例如选用P型MOSFET，其第一端接收电源电压Vdd，第二端向后级负载提供输出电压Vout。
在其他实施例中，功率晶体管Mnp也可以选自NPN达林顿管、NPN型双极性晶体管、PNP型双极性晶体管、或者N型MOSFET等。
控制电路用于驱动功率晶体管Mnp，以使得功率晶体管Mnp可以向后级负载提供负载电流ILOAD。具体的，控制电路包括误差放大器210、可变电阻模块220和补偿电容C1组成的补偿电路、充电电路230以及反馈电路240。
反馈电路240用于提供表征输出电压Vout的反馈信号VFB。作为示例，反馈电路240包括串联连接在功率晶体管Mnp的输出端和地之间的电阻R1和电阻R2，电阻R1和电阻R2的中间节点用于提供输出电压Vout的反馈信号VFB。
误差放大器210用于将该反馈信号VFB与一参考信号VREF进行比较，根据二者之间的电压差驱动所述功率晶体管Mnp，控制功率晶体管Mnp的压降，从而稳定输出电压Vout。
补偿电容C1的上极板与可变电阻模块220连接，下极板连接至误差放大器210的输出端，可变电阻模块220与补偿电容C1组成的补偿电路用于对系统的极点进行频率补偿。
充电电路230用于获取可变电阻模块220与补偿电容C1之间的节点A的节点电压Vc1，将该节点电压Vc1与电源电压Vdd进行比较，并在节点电压Vc1小于所述电源电压Vdd时向节点A进行充电，使得补偿电容C1的上极板的电压可快速提高到电源电压Vdd，从而提高线性调整器200的响应速度和负载能力。
进一步的，充电电路230包括比较器231和晶体管M1。晶体管M1串联连接在电源端和节点A之间，用于在导通时将根据电源电压Vdd对节点A进行充电。比较器231用于将节点电压Vc1与电源电压Vdd进行比较，根据比较结果控制晶体管M1的导通和关断。
在本发明的一个实施例中，晶体管M1例如选自P型MOSFET，比较器231的正相输入端与节点A连接以接收所述节点电压Vc1，比较器231的反相输入端接收所述电源电压Vdd(如图2所示的连接方式)，当节点电压Vc1小于电源电压Vdd时，比较器231的输出低电平，晶体管M1导通。在本发明的另一实施例中，晶体管M1例如选自N型MOSFET，比较器231的反相输入端与节点A连接以接收节点电压Vc1，比较器231的正相输入端用于接收电源电压Vdd，当节点电压Vc1小于电源电压Vdd时，比较器231的输出高电平，晶体管M1导通。其中，在优选地实施例中，当所述比较器231的输出高电平的电压大于电源电压Vdd或者所述晶体管M1的导通阈值Vth接近0时所述充电电路230对节点A的充电效果最好。
在本发明优选的实施例中，可变电阻模块220被配置为根据检测到的负载电流ILOAD的变化来实现对自身的电阻值的改变。参照图2，可变电路模块220包括晶体管M2和M3、以及电流源I1。晶体管M2串联连接在电源端和节点A之间，晶体管M3和电流源I1串联连接在电源端和地之间，晶体管M2和M3构成电流镜。电流源I1用于提供与负载电流ILOAD成一定比例的检测电流ISENSE。在一种实施例中，电流源I1例如可以通过镜像电流源实现(图中未示出)，设置与功率晶体管Mnp具有相同的栅极电压、源极电压和漏极电压的镜像晶体管，然后通过设置镜像晶体管与功率晶体管Mnp之间的宽长比之比来设置检测电流ISENSE与负载电流ILOAD之间的比率(即ISENSE＝ILOAD/N)。
检测电流ISENSE被施加到晶体管M2和M3形成的电流镜的输入端。晶体管M2和M3例如分别选自P型MOSFET，且晶体管M2和M3完全相同(即晶体管M2和M3的宽长比之比为1:1)。晶体管M2的电流传递路径与补偿电容C1连接，电流镜可根据电流源I1提供的检测电流ISENSE向补偿电容C1提供相应的补偿电流，因此当负载电流发生变化时，电流镜的等效电阻值可随负载电流的变化而改变。
需要说明的是，虽然可变电阻模块220中的电流镜仅示出了两个晶体管，但是可变电阻模块220中的电流镜的晶体管数量不以此为限制。
综上所述，本发明的线性调整器及其控制电路包括误差放大器、补偿电路以及充电电路，误差放大器用于根据参考信号与反馈信号之间的电压差驱动线性调整器中的功率晶体管，补偿电路包括串联连接于电源端和误差放大器的输出端之间的可变电阻模块和补偿电容，用于对线性调整器进行频率补偿，充电电路用于获取可变电阻模块和补偿电容的中间节点的节点电压，并在该节点电压小于电源端的电源电压时向该中间节点进行充电，使得补偿电容的上极板的电压可快速提高到电源电压，提高了线性调整器在负载范围内环路稳定的速度，有利于提高线性调整器的响应速度和负载能力。
依照本发明的实施例如上文，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种线性调整器的控制电路，所述线性调整器包括串联连接于电源端和输出端之间的功率晶体管，
所述控制电路用于驱动所述功率晶体管以在所述输出端提供负载电流，其中，所述控制电路包括：
误差放大器，用于根据参考信号与反馈信号之间的电压差驱动所述功率晶体管；以及
补偿电路，包括串联连接于所述电源端和所述误差放大器的输出端之间的可变电阻模块和补偿电容，所述补偿电路用于对线性调整器进行频率补偿；以及
充电电路，用于获取所述可变电阻模块和所述补偿电容的中间节点的节点电压，并在所述节点电压小于所述电源端的电源电压时向所述中间节点进行充电。
2.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述充电电路包括：
串联连接于所述电源端和中间节点之间的第一晶体管；以及
比较器，用于将所述节点电压与所述电源电压进行比较，根据比较结果控制所述第一晶体管的导通和关断，
其中，所述比较器在所述节点电压小于所述电源电压时导通所述第一晶体管。
3.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述可变电阻模块被配置为根据所述负载电流改变其自身的电阻值。
4.根据权利要求3所述的控制电路，其特征在于，所述可变电阻模块包括：
串联连接于所述电源端和所述中间节点之间的第二晶体管，以及
串联连接于所述电源端和地之间的第三晶体管和电流源，
其中，所述第二晶体管和所述第三晶体管构成电流镜，所述电流镜用于根据所述电流源提供的检测电流而改变所述电阻值。
5.根据权利要求4所述的控制电路，其特征在于，所述电流源用于提供与所述负载电流成比例的检测电流。
6.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，还包括反馈电路，连接于所述功率晶体管的输出端与地之间，用于生成所述反馈信号。
7.根据权利要求6所述的控制电路，其特征在于，所述反馈电路包括串联连接于所述输出端与地之间的第一电阻和第二电阻，
其中，所述第一电阻和所述第二电阻的中间节点用于提供所述反馈信号。
8.根据权利要求2所述的控制电路，其特征在于，所述第一晶体管为P型的金属氧化物半导体场效应晶体管。
9.根据权利要求4所述的控制电路，其特征在于，所述第二晶体管和第三晶体管分别为P型的金属氧化物半导体场效应晶体管。
10.一种线性调整器，其特征在于，包括：
串联连接于电源端和输出端之间的功率晶体管；以及权利要求1-9任一项所述的控制电路。
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