CN112650353B - 具有稳定性补偿的线性电压调节器 - Google Patents
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Abstract
公开了一种线性电压调节器，包括：晶体管，具有第一端、第二端和控制端，其中第一端耦接以接收输入电压，第二端耦接以提供输出电压；误差放大器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端耦接以接收参考电压，输出端耦接至第一晶体管的控制端；反馈电路，具有输入端和输出端，其中输入端耦接至晶体管的第二端以接收输出电压，反馈电路基于输出电压，在输出端产生反馈电压；以及补偿电路，耦接在反馈电路的输出端与误差放大器的第二输入端之间，基于反馈电压，在误差放大器的第二输入端产生补偿电压。其中补偿电路包括补偿电容器，在线性电压调节器的开环传递函数中引入零点，以提高线性电压调节器的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及电子电路，特别地，涉及线性电压调节器。
背景技术
由于结构简单、成本低、静态电流小，LDO(low dropout linear voltageregulator，低压差线性电压调节器)被广泛应用于输出电压与输入电压较为接近的应用场合。为了保持系统稳定性，通常需要在LDO的控制回路中设置补偿电路。
图1为现有LDO的电路原理图，包括晶体管M1、电阻器R1、R2以及误差放大器AMPl。其中在电阻器R1两端并联一电容器C1，以在LDO的开环传递函数中引入零点，从而增强系统稳定性。对于图1所示的电路而言，在输出电压Vout为高电压的情况下，电容器C1也需要具有高的额定电压。在集成电路中，电容器C1通常采用片上电容(on-chip capacitor)实现。对于片上电容而言，同样的容值下，更高的额定电压意味着更大的芯片面积，这无疑会对芯片的成本与尺寸造成不利影响。
发明内容
本发明的实施例提供一种线性电压调节器，包括：第一晶体管，具有第一端、第二端和控制端，其中第一端耦接以接收输入电压，第二端耦接以提供输出电压；第一误差放大器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端耦接以接收参考电压，输出端耦接至第一晶体管的控制端；反馈电路，具有输入端和输出端，其中输入端耦接至第一晶体管的第二端以接收输出电压，反馈电路基于输出电压，在输出端产生反馈电压；以及补偿电路，耦接在反馈电路的输出端与第一误差放大器的第二输入端之间，基于反馈电压，在第一误差放大器的第二输入端产生补偿电压；其中补偿电路包括补偿电容器，在线性电压调节器的开环传递函数中引入零点，以提高线性电压调节器的稳定性。
依据本发明实施例提出的一种半导体集成电路，包括：第一引脚，用于接收输入电压；第二引脚，用于提供输出电压；第三引脚，用于耦接至参考地；第一晶体管，具有第一端、第二端和控制端，其中第一端耦接至第一引脚，第二端耦接至第二引脚；第一误差放大器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端耦接以接收参考电压，输出端耦接至第一晶体管的控制端；第一电阻器，具有第一端和第二端，其中第一端耦接至第二引脚；第二电阻器，具有第一端和第二端，其中第二电阻器的第一端与第一电阻器的第二端耦接在一起以提供反馈电压，第二电阻器的第二端耦接至参考地；以及补偿电路，具有输入端和输出端，其中输入端耦接以接收反馈电压，输出端耦接至第一误差放大器的第二输入端以提供补偿电压。其中补偿电路包括：运算放大器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中输出端耦接至第一误差放大器的第二输入端以提供补偿电压；第三电阻器，耦接至运算放大器的第二输入端；补偿电容器，具有第一端和第二端，其中第一端耦接至运算放大器的第二输入端，第二端耦接至参考地；以及第四电阻器，耦接在补偿电容器的第一端与运算放大器的输出端之间。
依据本发明实施例提出的一种用于线性电压调节器的稳定性补偿方法，其中线性电压调节器包括耦接在输入电压与输出电压之间的晶体管、以及耦接至晶体管控制端的误差放大器。该稳定性补偿方法包括：通过电阻分压器将输出电压转换为低于输出电压的反馈电压；在电阻分压器的输出端与误差放大器的输入端之间耦接一补偿电路，从而在线性电压调节器的开环传递函数中引入零点以提高线性电压调节器的稳定性，其中补偿电路包括补偿电容器。
本发明的实施例还提出一种半导体集成电路，包括：第一引脚，用于接收输入电压；第二引脚，用于提供输出电压；第三引脚，用于耦接至参考地；第四引脚，用于接收使能信号，以决定半导体集成电路的工作状态；第五引脚，用于连接软启电容器；第六引脚，用于连接检测电阻器；第一晶体管，具有第一端、第二端和控制端，其中第一端耦接至第一引脚，第二端耦接至第二引脚；第一误差放大器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端耦接至第五引脚以接收参考电压；电流源，耦接至第一误差放大器的第一输入端；第一电阻器，具有第一端和第二端，其中第一端耦接至第二引脚；第二电阻器，具有第一端和第二端，其中第二电阻器的第一端与第一电阻器的第二端耦接在一起以提供反馈电压，第二电阻器的第二端耦接至参考地；补偿电路，具有输入端和输出端，其中输入端耦接以接收反馈电压，输出端耦接至第一误差放大器的第二输入端以提供补偿电压；第二晶体管，具有第一端、第二端和控制端，其中第一端耦接至第一晶体管的控制端，第二端耦接至参考地，控制端耦接至第一误差放大器的输出端；电流检测电路，耦接至第六引脚，检测流过第一晶体管的电流，并在第六引脚上产生检测电压；第二误差放大器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端耦接至第六引脚以接收检测电压，第二输入端接收阈值电压；以及第三晶体管，具有第一端、第二端和控制端，其中第一端耦接至第一晶体管的控制端，第二端耦接至参考地，控制端耦接第二误差放大器的输出端。
附图说明
图1为现有LDO的电路原理图；
图2为根据本发明实施例的LDO 100的电路原理图；
图3为根据本发明实施例的补偿电路101A的电路原理图；
图4为根据本发明实施例的图3所示补偿电路101A的伯德图；
图5为根据本发明实施例的LDO 200的电路原理图；
图6为根据本发明实施例的负载开关300的电路原理图；
图7与图8为根据本发明不同实施例的补偿电路的电路原理图。
具体实施方式
下面将结合附图详细描述本发明的具体实施例，应当注意，这里提供的附图和描述的实施例均只用于举例说明，并不用于限制本发明，而且附图不一定是按比例绘制。在以下描述中，为了便于对本发明的充分理解，阐述了大量特定细节。本领域普通技术人员可以理解，这些特定细节对于本发明的实施而言并非必需。此外，为了清楚简要起见，对一些公知的电路、材料或方法未进行具体描述。
在整个说明书中，“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。而且，可以以任何适当的组合和/或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。
除此之外，本领域普通技术人员应当理解，当称元件“连接到”或“耦接到”另一元件时，它可以是直接连接或直接耦接到另一元件，或者可以存在中间元件。相反，当称元件“直接连接到”或“直接耦接到”另一元件时，不存在中间元件。
图2为根据本发明实施例的LDO 100的电路原理图，包括晶体管M1、误差放大器AMP1、补偿电路101以及反馈电路102。晶体管M1具有第一端、第二端和控制端，其中第一端耦接以接收输入电压Vin，第二端耦接以提供输出电压Vout。输入电压Vin通常由电源(例如电池或前级变换器)提供，输出电压Vout被提供至负载(例如用电设备或后级变换器)。在一些应用中，输出电压Vout与参考地之间还常常耦接一输出电容器或负载电容器。误差放大器AMP1具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端耦接以接收参考电压Vref，输出端耦接至晶体管M1的控制端。
反馈电路102具有输入端和输出端，其中输入端耦接至晶体管M1的第二端以接收输出电压Vout。反馈电路102基于输出电压Vout，在输出端产生反馈电压FBI。如图2所示，反馈电路102可以包括由电阻器R1、R2组成的电阻分压器。电阻器R1和R2均具有第一端和第二端，其中电阻器R1的第一端耦接至晶体管M1的第二端，电阻器R1的第二端与电阻器R2的第一端耦接在一起以提供反馈电压FBI，电阻器R2的第二端耦接至参考地。此时，反馈电压FBI为输出电压Vout的比例缩小值，可表示为：
补偿电路101耦接在反馈电路102的输出端与误差放大器AMP1的第二输入端之间，基于反馈电压FBI，产生补偿电压FBO。补偿电路101包括补偿电容器C2，在LDO 100的开环传递函数中引入零点，以提高系统稳定性。补偿电压FBO被提供至误差放大器AMP1的第二输入端，用以与参考电压Vref进行比较，从而实现对输出电压Vout的闭环控制。一般地，若补偿电压FBO大于参考电压Vref，误差放大器AMP1会调节晶体管M1控制端的驱动电压，从而减小流过晶体管M1的电流，使输出电压Vout降低。反之亦然。
在LDO 100中，参考电压Vref通常由低压带隙电路(bandgap circuit)产生，用于与参考电压Vref进行比较的补偿电压FBO、以及反馈电路102产生的反馈电压FBI因而也均为低电压。即使在输出电压Vout为高电压(例如40V左右)的情况下，图2所示补偿电容器C2的额定电压可以维持在较低值(例如小于6V)。因而与图1所示的电容器C1相比，补偿电容器C2所需芯片面积得到大幅度减小。
图3为根据本发明实施例的补偿电路101A的电路原理图，包括运算放大器AMP2、电阻器R3、R4以及补偿电容器C2。运算放大器AMP2具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端耦接以接收反馈电压FBI，输出端耦接以提供补偿电压FBO。电阻器R3与补偿电容器C2并联，耦接在运算放大器AMP2的第二输入端与参考地之间。电阻器R4耦接在运算放大器AMP2的第二输入端与运算放大器AMP2的输出端之间。若将运算放大器AMP2视为理想运算放大器(带宽和开环增益均无穷大)，则图3所示补偿电路101A的传递函数可表示为：
其中：
此时，LDO 100的系统开环传递函数Go可以表示为：
其中Gm1为误差放大器AMPi的跨导系数，Gm2为晶体管M1的跨导系数，Geq1为位于误差放大器AMP1输出端的等效电导，Geq2为位于晶体管M2第二端的等效电导。由等式(5)可以看出，补偿电路101在开环传递函数Go中引入一零点，该零点可表示为：
图4为根据本发明实施例的图3所示补偿电路101A的伯德图。根据所需性能指标(例如系统的开环增益、剪切频率、相角裕度、闭环带宽等)，即可确定系统的预期开环频率特性，进而设计出K和τ的取值，并据之确定补偿电路中各元件参数的取值。
虽然图3所示晶体管M1为PMOS(p-type metal oxide semiconductor fieldeffect transistor，P型金属氧化物半导体场效应晶体管)，本领域技术人员可以理解，NMOS、以及PNP型或NPN型BJT(bipolar junction transistor，双极结型晶体管)也同样适用于本发明。图5为根据本发明实施例的LDO 200的电路原理图，其中的晶体管M1即采用了NMOS。
除了LDO之外，本发明以及本发明的前述实施例也可以应用于负载开关线性电压调节器(load switch linear voltage regulator)。负载开关(load switch)作为另一种线性电压调节器，具有与LDO类似的结构。两者最大的区别在于，LDO中，参考电压Vref通常由低压带隙电路(bandgap circuit)产生，输出电压Vout在输入电压Vin变化的情况下也能基本维持恒定。而负载开关中，参考电压Vref和输出电压Vout在软启动过程中均逐渐增大。在软启动结束后，负载开关中的晶体管通常完全导通，使得输出电压Vout会随着输入电压Vin变化而变化。
图6为根据本发明实施例的负载开关300的电路原理图。该负载开关300由半导体集成电路(IC)实现，具有引脚VIN、OUT、GND以及EN。其中，引脚VIN用于接收输入电压Vin，引脚OUT用于提供输出电压Vout，引脚GND用于耦接至参考地。晶体管M1的第一端耦接至引脚VIN，第二端耦接至引脚OUT。电阻器R1的第一端耦接至引脚OUT，电阻器R1的第二端与电阻器R2的第一端耦接在一起以提供反馈电压FBI，电阻器R2的第二端耦接至参考地。
补偿电路101具有输入端和输出端，其中输入端耦接以接收反馈电压FBI。补偿电路101基于反馈电压FBI，在输出端产生补偿电压FBO。通过一端耦接至参考地的补偿电容器C2，补偿电路101在负载开关300的开环传递函数中引入零点，以提高系统稳定性。
误差放大器AMP1的第一输入端耦接以接收参考电压Vref，第二输入端耦接至补偿电路101以接收补偿电压FBO，输出端耦接至晶体管M1的控制端。在一些示例中，误差放大器AMP1的输出端与晶体管M1的控制端之间还可以存在中间元件，例如图6中所示的晶体管M2。晶体管M2具有第一端、第二端和控制端，其中第一端耦接至晶体管M1的控制端，第二端耦接至参考地，控制端耦接至误差放大器AMP1的输出端。此外，如图6所示，负载开关300还包括耦接至晶体管M1的控制端的电流源Icp，该电流源通常由电荷泵电路提供。
引脚EN用于接收使能信号，以决定负载开关300的工作状态。当使能信号有效(例如为高电平)，负载开关300正常工作，通过晶体管M1将能量从连接至引脚VIN的电源传递到连接至引脚OUT的负载。当使能信号无效(例如为低电平)，晶体管M1关断，电源与负载之间的能量传输被断开。
在一些实施例中，负载开关300还包括用于连接软启电容器的引脚SS。软启电容器Css耦接在引脚SS与参考地之间，用于设置输出电压Vout在其软启动过程中的上升斜率。引脚SS耦接至误差放大器AMP1的第一输入端，以提供参考电压Vref。电流源Iss为软启电容器Css提供充电电流。当引脚EN上接收到有效使能信号，电流源Iss对软启电容器Css进行充电，参考电压Vref斜坡上升。在控制环路的作用下，输出电压Vout也随着参考电压Vref逐渐增大，从而实现输出电压的软启动，有效减小负载开关在启动时的浪涌电流。
在一些实施例中，输出电压Vout的上升斜率与参考电压Vref的上升斜率成比例，该比例系数可以表示为Kss。此时，输出电压Vout的软启时间可以表示为：
除了输出软启动之外，负载开关300还可以对提供至负载的电流Iout进行钳位，以提高系统可靠性。例如，负载开关300可以进一步包括电流检测电路103、误差放大器AMP3以及晶体管M3。电流检测电路103检测电流Iout，并产生检测电压Vcl。误差放大器AMP3具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端耦接至电流检测电路103以接收检测电压Vcl，第二输入端接收阈值电压Vth_LMT。晶体管M3具有第一端、第二端和控制端，其中第一端耦接至晶体管M1的控制端，第二端耦接至参考地，控制端耦接误差放大器AMP3的输出端。若检测电压Vcl大于阈值电压Vth_LMT，误差放大器AMP3将控制晶体管M3，以调节晶体管M1控制端的电压，从而将电流Iout钳位。
一般而言，对电流Iout的检测可以通过检测流过晶体管M1的电流Im1来实现。电流检测电路103可以包括耦接至晶体管M1的电流镜、以及耦接至电流镜输出端的检测电阻器。在一些应用中，为了实现电流钳位值可调，负载开关300还可以设置一耦接至误差放大器AMP3第一输入端的引脚LMIT，用以连接外置检测电阻器(例如图6中所示的电阻器Rcl)。电阻器Rcl耦接在引脚LMIT与参考地之间，通过改变其阻值即可改变电流钳位值。
本领域技术人员可以理解，除了图3中所示的补偿电路101A，本发明也可以采用其它合适的补偿电路，只要其能通过电容器C2有效地在系统开环传递函数中引入零点。图7与图8为根据本发明不同实施例的补偿电路的电路原理图。
图7所示补偿电路101B的传递函数可表示为：
Gc1＝K1*(τ1S+1) (8)
其中：
图8所示补偿电路101C的传递函数可表示为：
Gc2＝K2*(τ2S+1) (11)
其中：
虽然已参照几个典型实施例进行了详细描述，但本领域技术人员应当理解，本发明并不限于任何前述的细节。例如，本发明中的晶体管M1可以采用NMOS、PMOS、NPN型BJT、PNP型BJT等半导体器件中的任何一种，而且为了传输大电流，晶体管M1可以由多个小晶体管并联耦接而成。此外，各放大器可以采用单级或者多级放大器，它们的同相输入端和反相输入端的连接也可以根据需要互换或者调整，只要能配合实现对输出电压Vout的调节即可。本发明应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释。因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种线性电压调节器，包括：
第一晶体管，具有第一端、第二端和控制端，其中第一端耦接以接收输入电压，第二端耦接以提供输出电压；
第一误差放大器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端耦接以接收参考电压，输出端耦接至第一晶体管的控制端；
反馈电路，具有输入端和输出端，其中输入端耦接至第一晶体管的第二端以接收输出电压，反馈电路基于输出电压，在输出端产生反馈电压；以及
补偿电路，耦接在反馈电路的输出端与第一误差放大器的第二输入端之间，基于反馈电压，在第一误差放大器的第二输入端产生补偿电压；
其中补偿电路包括补偿电容器，在线性电压调节器的开环传递函数中引入零点，以提高线性电压调节器的稳定性；
其中反馈电路包括：
第一电阻器，具有第一端和第二端，其中第一端耦接至第一晶体管的第二端；以及
第二电阻器，具有第一端和第二端，其中第二电阻器的第一端与第一电阻器的第二端耦接在一起以提供反馈电压，第二电阻器的第二端耦接至参考地；
其中补偿电路还包括：
运算放大器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端耦接至反馈电路的输出端以接收反馈电压，输出端耦接以提供补偿电压；
第三电阻器，与补偿电容器并联，耦接在运算放大器的第二输入端与参考地之间；以及
第四电阻器，耦接在运算放大器的第二输入端与运算放大器的输出端之间。
2.如权利要求1所述的线性电压调节器，还包括：
电流源，耦接至第一误差放大器的第一输入端以及软启电容器的第一端，软启电容器的第二端耦接至参考地。
3.如权利要求1所述的线性电压调节器，还包括：
第二晶体管，具有第一端、第二端和控制端，其中第一端耦接至第一晶体管的控制端，第二端耦接至参考地，控制端耦接至第一误差放大器的输出端。
4.一种半导体集成电路，包括：
第一引脚，用于接收输入电压；
第二引脚，用于提供输出电压；
第三引脚，用于耦接至参考地；
第一晶体管，具有第一端、第二端和控制端，其中第一端耦接至第一引脚，第二端耦接至第二引脚；
第一误差放大器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端耦接以接收参考电压，输出端耦接至第一晶体管的控制端；
第一电阻器，具有第一端和第二端，其中第一端耦接至第二引脚；
第二电阻器，具有第一端和第二端，其中第二电阻器的第一端与第一电阻器的第二端耦接在一起以提供反馈电压，第二电阻器的第二端耦接至参考地；以及
补偿电路，具有输入端和输出端，其中输入端耦接以接收反馈电压，输出端耦接至第一误差放大器的第二输入端以提供补偿电压；
其中补偿电路包括：
运算放大器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中输出端耦接至第一误差放大器的第二输入端以提供补偿电压；
第三电阻器，耦接至运算放大器的第二输入端；
补偿电容器，具有第一端和第二端，其中第一端耦接至运算放大器的第二输入端，第二端耦接至参考地；以及
第四电阻器，耦接在补偿电容器的第一端与运算放大器的输出端之间。
5.如权利要求4所述的半导体集成电路，还包括：
第四引脚，用于接收使能信号，以决定半导体集成电路的工作状态。
6.如权利要求4所述的半导体集成电路，还包括：
电流源，耦接至第一误差放大器的第一输入端；
第五引脚，耦接至第一误差放大器的第一输入端，用于连接软启电容器。
7.如权利要求4所述的半导体集成电路，还包括：
第二晶体管，具有第一端、第二端和控制端，其中第一端耦接至第一晶体管的控制端，第二端耦接至参考地，控制端耦接至第一误差放大器的输出端。
8.权利要求4所述的半导体集成电路，还包括：
第六引脚，用于连接检测电阻器；
电流检测电路，耦接至第六引脚，检测流过第一晶体管的电流，并在第六引脚上产生检测电压；
第二误差放大器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端耦接至第六引脚以接收检测电压，第二输入端接收阈值电压；以及
第三晶体管，具有第一端、第二端和控制端，其中第一端耦接至第一晶体管的控制端，第二端耦接至参考地，控制端耦接第二误差放大器的输出端。
9.一种用于线性电压调节器的稳定性补偿方法，其中线性电压调节器包括耦接在输入电压与输出电压之间的晶体管、以及耦接至晶体管控制端的误差放大器，该稳定性补偿方法包括：
通过电阻分压器将输出电压转换为低于输出电压的反馈电压；
在电阻分压器的输出端与误差放大器的输入端之间耦接一补偿电路，从而在线性电压调节器的开环传递函数中引入零点以提高线性电压调节器的稳定性，其中补偿电路包括补偿电容器；
其中电阻分压器包括：
第一电阻器，具有第一端和第二端，其中第一端耦接至第一晶体管的第二端；以及
第二电阻器，具有第一端和第二端，其中第二电阻器的第一端与第一电阻器的第二端耦接在一起以提供反馈电压，第二电阻器的第二端耦接至参考地；
其中补偿电路还包括：
运算放大器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端耦接至反馈电路的输出端以接收反馈电压，输出端耦接以提供补偿电压；
第三电阻器，与补偿电容器并联，耦接在运算放大器的第二输入端与参考地之间；以及
第四电阻器，耦接在运算放大器的第二输入端与运算放大器的输出端之间。
10.一种半导体集成电路，包括：
第一引脚，用于接收输入电压；
第二引脚，用于提供输出电压；
第三引脚，用于耦接至参考地；
第四引脚，用于接收使能信号，以决定半导体集成电路的工作状态；
第五引脚，用于连接软启电容器；
第六引脚，用于连接检测电阻器；
第一晶体管，具有第一端、第二端和控制端，其中第一端耦接至第一引脚，第二端耦接至第二引脚；
第一误差放大器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端耦接至第五引脚以接收参考电压；
电流源，耦接至第一误差放大器的第一输入端；
第一电阻器，具有第一端和第二端，其中第一端耦接至第二引脚；
第二电阻器，具有第一端和第二端，其中第二电阻器的第一端与第一电阻器的第二端耦接在一起以提供反馈电压，第二电阻器的第二端耦接至参考地；
补偿电路，具有输入端和输出端，其中输入端耦接以接收反馈电压，输出端耦接至第一误差放大器的第二输入端以提供补偿电压；
第二晶体管，具有第一端、第二端和控制端，其中第一端耦接至第一晶体管的控制端，第二端耦接至参考地，控制端耦接至第一误差放大器的输出端；
电流检测电路，耦接至第六引脚，检测流过第一晶体管的电流，并在第六引脚上产生检测电压；
第二误差放大器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端耦接至第六引脚以接收检测电压，第二输入端接收阈值电压；以及
第三晶体管，具有第一端、第二端和控制端，其中第一端耦接至第一晶体管的控制端，第二端耦接至参考地，控制端耦接第二误差放大器的输出端。
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