CN112947670A - 一种可快速响应的ldo电路 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种可快速响应的LDO电路，设计电源技术领域。所述的LDO电路包括：误差放大器；补偿电路，补偿电路的输入端与误差放大器的输出端连接，补偿电路具有温度保护功能；调整管，调整管的栅极连接补偿电路的输出端，调整管的源极连接输入电压。本申请通过将补偿电路设置在误差放大电路与调整管之间，且补偿电路具有温度保护功能，将误差放大器的高输出阻抗与调整管的高寄生电容隔开，通过将误差放大器输出端次极点移至高频处，使主次极点分离，降低了补偿难度，获得了更高的稳定性。

Description

一种可快速响应的LDO电路

技术领域

本申请涉及电源控制技术领域，特别涉及一种可快速响应的LDO电路。

背景技术

低压差线性稳压源，简称LDO电路，是稳压源的一种，但是相对于普通线性稳压源具有压差低，转换效率高的特点，在便携电子产品供电领域有广泛的应用前景。

LDO电路目前存在的关键技术问题就是环路稳定性的问题，由于LDO电路采用PMOS做输出调整管，增加一级共源反相放大，有着较高的输出阻抗，使得输出极点的位置会随着负载变化，电路稳定性不高，并且LDO是一个闭环系统，稳定性不高会直接导致输出电压振荡而不能使用，因此迫切需要对LDO进行严格的频率补偿来满足其环路稳定性要求。

目前国内外对LDO电路稳定性的补偿都比较单一，而混合采用多种补偿方式的LDO电路则能够很好的满足频率稳定性要求。

发明内容

本申请的目的是提供一种可快速响应的LDO电路，解决现有技术中LDO电路稳定性差的问题。

为实现上述目的，本申请实施例采用以下技术方案：一种可快速响应的LDO电路，包括：误差放大器；补偿电路，补偿电路的输入端与误差放大器的输出端连接，补偿电路具有温度保护功能；调整管，调整管的栅极连接补偿电路的输出端，调整管的源极连接输入电压；输出级，输出级为LDO电路的输出端，输出级与调整管的漏极连接；电阻反馈网络，电阻反馈网络与调整管的漏极连接，将输出级的输出电压分压后反馈回误差放大器的反相输入端，电阻反馈网络包括第三电阻和第四电阻，第三电阻与第四电阻串联；负载电容，负载电容与输出级连接。

在上述技术方案中，本申请实施例通过将补偿电路设置在误差放大电路与调整管之间，且补偿电路具有温度保护功能，将误差放大器的高输出阻抗与调整管的高寄生电容隔开，通过将误差放大器输出端次极点移至高频处，使主次极点分离，降低了补偿难度，获得了更高的稳定性。

进一步地，根据本申请实施例，其中，误差放大器的同相输入端连接基准电压。

进一步地，根据本申请实施例，其中，在补偿电路中，误差放大器的输出电压通过第二MOS管和第三MOS管的跟随作用输出电压与驱动管P7相连。

进一步地，根据本申请实施例，其中，在补偿电路中，MOS管连接的P6管和第一电阻为驱动管P7提供基极偏置。

进一步地，根据本申请实施例，其中，在补偿电路中，利用输出电流采样管与调整管组成电流镜结构，可实现采样缩小一定比例后的负载电流。

进一步地，根据本申请实施例，其中，在补偿电路中，负载发生变化的时候，采样电流管的电流也按照比例发生变化。

进一步地，根据本申请实施例，其中，调整管的射极面积比采样电流管的大N倍。

进一步地，根据本申请实施例，其中，在补偿电路中，通过P5管连接温度保护模块。

进一步地，根据本申请实施例，其中，当温度上升至最高阈值温度时，温度保护模块的电压输入至P5管，使该管关断，从而使该电路结构停止工作。当温度下降至最低阈值温度时，该管启动，恢复正常工作。

与现有技术相比，本申请具有以下有益效果：本申请通过将补偿电路设置在误差放大电路与调整管之间，且补偿电路具有温度保护功能，将误差放大器的高输出阻抗与调整管的高寄生电容隔开，通过将误差放大器输出端次极点移至高频处，使主次极点分离，降低了补偿难度，获得了更高的稳定性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本申请进一步说明。

图1是本申请一种LDO电路的具体结构。

图2是图1中补偿电路的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案进行清楚、完整地描述，及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明实施例进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，仅仅用以解释本发明实施例，并不用于限定本发明实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“中”、“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“顶”、“底”、“侧”、“竖直”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“一”、“第一”、“第二”、“第三”、“第四”、“第五”、“第六”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

出于简明和说明的目的，实施例的原理主要通过参考例子来描述。在以下描述中，很多具体细节被提出用以提供对实施例的彻底理解。然而明显的是，对于本领域普通技术人员，这些实施例在实践中可以不限于这些具体细节。在一些实例中，没有详细地描述公知方法和结构，以避免无必要地使这些实施例变得难以理解。另外，所有实施例可以互相结合使用。

本申请公开了一种LDO电路，包括误差放大电路L1、补偿电路L2、调整管P9、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、负载电容CL以及输出级。其中，第三电阻R3和第四电阻R4串联组成反馈电阻网络，将LDO的输出电压分压后反馈回误差放大器L1的反相输入端，误差放大器L1的同相输入端连接基准电压V_REF。调整管P9用于频率补偿，其栅极连接补偿电路L2的输出端，其源极连接输出级的输入端并连接输入电压V_IN，其漏极通过反馈电阻网络后接地；输出级的输出端作为LDO电路的输出端，将输出电压V_OUT输出；负载电容CL与第五电阻R5串联连接在该输出级的输出端。

补偿电路L2设置在误差放大电路L1与调整管P9之间，且补偿电路具有温度保护功能，将误差放大器L1的高输出阻抗与调整管P9的高寄生电容隔开，通过将误差放大器L1输出端次极点移至高频处，使主次极点分离，降低了补偿难度，获得了更高的稳定性。

具体地，设P₀为该电路结构的主极点，P_a为次极点，P_b为高频处的第三个极点，Z₀为负载电容CL等效串联电阻R5产生的左半平面零点，用输出电容等效串联电阻R_ESR产生的左半平面零点Z₀补偿次极点P_a，R₁是LDO等效的电阻，C是LDO等效电容。稳定工作时，第三极点P_b位于单位增益频率处。

零点的计算公式如下：

通过计算可以得到：

在误差放大器的输出端，R_par为误差放大器的输出电阻和调整管输入电阻的并联值，C_par表示调整管基极对地的等效电容。由于调整管尺寸较大，其寄生电容值也比较大，因此在该节点处将产生低频次极点P_a：

对于传统的拓扑，负载电容CL和输出电阻R₅较大，因此P₀是整个系统的主极点，它在较低频处。误差放大器的输出电阻和调整管的基极端等效电容也比较大，故次极点P_a和主极点P₀很接近，输出端旁路电容用于降低输出纹波，电容值较小，使P₀处于高频处，一般在单位增益频率范围之外。左半平面零点Z₀的位置由输出负载电容CL和R_ESR决定，通过选取合适的负载电容可以使Z₀补偿次极点P_a。通过调整旁路电容值C_par，使得第三高频极点P_b处于单位增益附近，这样既能够保证足够的相位裕度，同时也能够保证LDO电路具有良好的瞬态响应。由于R_ESR阻值随工艺和温度变化很大，系统容易出现欠补偿或过补偿的情况，降低了系统稳定性。

通过在误差放大器与调整管栅极间增加补偿电路，可以将该低频次极点分裂成两个高频极点P_a1和P_a2。计算公式如下：

R_oa表示误差放大器的输出电阻，C_buf表示缓冲级的输入电容，R_buf表示缓冲级的输出电阻，C_par表示调整管的栅极寄生电容。通常R_buf要远小于R_oa，C_buf远小于和C_par，因此P_a1和P_a2要远高于使用缓冲级前的低频次极点P_a，而且通常这两个极点位于单位增益带宽外，因此不会对环路稳定性产生影响。同时，次极点频率的提高使左半平面零点可以移至高频处，因此可以减小负载电容的等效串联电阻R_ESR的阻值，降低负载突变时产生的过冲电压和下冲电压。通过极点的分离，从而提高LDO的稳定性。

其次，本申请通过图2显示了补偿电路L2的具体结构。如图2所示，补偿电路L2输入端与误差放大器输L1的输出端V_EA连接，通过第二MOS管P2和第三MOS管P3的跟随作用输出电压V_L2与驱动管P7相连。MOS管连接的P6管和第一电阻为驱动管P7提供基极偏置。当调整管P9的集电极电压大于基极电压导致调整管P9进入饱和区时，V_COM引脚将输出高电平，补偿电路输出端V_L2引脚处电压降低，P7管关断，实现对调整管P9的异步关断功能。

由此，补偿电路L2利用输出电流采样管P8与调整管P9组成电流镜结构，可实现采样缩小一定比例后的负载电流，因此当负载电流变化时，流过采样管P8的负载电流也会按一定比例变化。当负载发生变化的时候，采样电流管P8的电流也按照比例发生变化，利用主极点计算公式，可以计算出主极点的频率。调整管P9的射极面积比P8管子大N倍，当负载发生变化的时候。主极点的频率也发生变化，次极点也会发生相同倍数的变化。因此选择合适的电容可以将左右两边的极点抵消次极点。

该快速响应电路可实现两个过程，一个是大信号响应，一个是小信号响应：

V_OUT出现较大的跳变时，误差放大器L1检测到的误差信号V_EA大于其最大输入电压范围，导致误差放大器L1进入非正常工作状态，从而使得反馈环路的调整功能暂时失效。从负载电流跳变到反馈环路恢复正常工作状态为止，此段时间内，输出响应过程即为大信号响应。因此，大信号响应时间的长短主要由误差放大器摆率决定，主要决定大信号响应过程的时间长短。而输出电容主要决定输出电压的变化斜率，而输出电容的等效串联电阻主要决定输出电压在负载电流跳变时所产生的瞬间跳变量。

当电流跳变量和充放电时间一定时，增大负载电容可以降低电容两端的纹波电压，同时为降低由于R_ESR导致的输出电压V_OUT的跳变，通常在负载电容(CL)两端并联较小的陶瓷电容，由于该电容值较小，通常不会影响LDO电路的稳定性。对于传统的补偿方式，由于负载变通常会导致零极点的频率发生改变，导致相位裕度降低，瞬态响应特性变差。而本申请所述的频率补偿方法，能够保证负载电流发生变化时依然能够拥有足够的相位裕度，可以在负载突变时依然保证电路具有较好的阻尼系数，保证环路稳定的同时，缩短稳定时间。

本电路结构在除在频率响应上增加LDO在不同负载下的相位裕度，提高瞬态响应特性外，增加了温度保护模块，该温度保护模块在L2模块中，其中当温度上升至最高阈值温度(如180度)的时候，温度保护模块的电压输入至P5管，使该管关断，从而使该电路结构停止工作。当温度下降至最低阈值温度(如120度)时候，该管启动，恢复正常工作。因此，从温度保护的角度来说，该结构具有较好的稳定性

尽管上面对本申请说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员能够理解本申请，但是本申请不仅限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员而言，只要各种变化只要在所附的权利要求限定和确定的本申请精神和范围内，一切利用本申请构思的申请创造均在保护之列。

Claims (9)

1.一种可快速响应的LDO电路，其特征在于，包括：

误差放大器；

补偿电路，所述补偿电路的输入端与所述误差放大器的输出端连接，所述补偿电路具有温度保护功能；

调整管，所述调整管的栅极连接补偿电路的输出端，所述调整管的源极连接输入电压；

输出级，所述输出级为所述LDO电路的输出端，所述输出级与所述调整管的漏极连接；

电阻反馈网络，所述电阻反馈网络与所述调整管的漏极连接，将所述输出级的输出电压分压后反馈回所述误差放大器的反相输入端，所述电阻反馈网络包括第三电阻和第四电阻，所述第三电阻与第四电阻串联；

负载电容，所述负载电容与所述输出级连接。

2.根据权利要求1所述的一种可快速响应的LDO电路，其特征在于，所述误差放大器的同相输入端连接基准电压。

3.根据权利要求1所述的一种可快速响应的LDO电路，其特征在于，在所述补偿电路中，误差放大器的输出电压通过第二MOS管和第三MOS管的跟随作用输出电压与驱动管P7相连。

4.根据权利要求1所述的一种可快速响应的LDO电路，其特征在于，在所述补偿电路中，MOS管连接的P6管和第一电阻为驱动管P7提供基极偏置。

5.根据权利要求1所述的一种可快速响应的LDO电路，其特征在于，在所述补偿电路中，利用输出电流采样管与调整管组成电流镜结构，可实现采样缩小一定比例后的负载电流。

6.根据权利要求5所述的一种可快速响应的LDO电路，其特征在于，在所述补偿电路中，负载发生变化的时候，所述采样电流管的电流也按照比例发生变化。

7.根据权利要求5所述的一种可快速响应的LDO电路，其特征在于，所述调整管的射极面积比所述采样电流管的大N倍。

8.根据权利要求1所述的一种可快速响应的LDO电路，其特征在于，在所述补偿电路中，通过P5管连接温度保护模块。

9.根据权利要求8所述的一种可快速响应的LDO电路，其特征在于，当温度上升至最高阈值温度时，温度保护模块的电压输入至P5管，使该管关断，从而使该电路结构停止工作。当温度下降至最低阈值温度时，该管启动，恢复正常工作。

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