CN113110665B - 低压差稳压器 - Google Patents

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Abstract

本公开提供一种低压差稳压器，可包括：核心电路，用于向输出节点提供输出电压并衰减来自输入电压的波纹；和反向隔离电路，耦合到所述输出节点并配置为响应于所述输出节点上的波纹来提供/调节流经所述反向隔离电路的电流。实施本发明实施例可以具有高PSRR和良好的反向隔离性能。

Description

低压差稳压器
【技术领域】
本发明一般涉及稳压器，更具体地涉及低压差稳压器(Low-Dropout Regulators，LDO)。
【背景技术】
稳压器将不稳定的电源电压转换为稳定的电源电压。低压差稳压器(LDO)在输入了不稳定电源电压的输入端与输出了稳定电源电压的输出端之间具有较低的输入至输出电压差。“压差电压”(dropout voltage)是指输入到输出的电压差，通过稳压器停止调节的动作防止当输入电压过低时，影响到输出电压的情况。理想情况下，压差电压应尽可能低，以允许输入电压相对较低，同时仍保持稳压。
【发明内容】
本发明因此提供一种LDO，具有高电源抑制比(Power-Supply Rejection Ratio，PSRR)和良好的反向隔离性能。
本发明一些实施例的低压差稳压器可包括：核心电路，用于向输出节点提供输出电压并衰减来自输入电压的波纹；和反向隔离电路，耦合到所述输出节点并配置为响应于所述输出节点上的波纹来提供/调节流经所述反向隔离电路的电流。
如前所述，实施本发明的技术方案的LDO通过核心电路衰减来自输入电压的波纹及通过反向隔离电路响应输出节点上的波纹来提供/调节流经反向隔离电路的电流，由此可以具有高PSRR和良好的反向隔离性能。
【附图说明】
图1根据一些实施例描绘了具有多个LDO的系统100。
图2根据一些实施例描绘了LDO的框图。
图3根据一些实施例描绘了LDO 300的示意图。
图4根据一些实施例描绘了LDO 400的示意图。
图5根据一些实施例描绘了LDO 500的示意图。
图6A是示出传统LDO的RF杂散测量(spur measurement)结果的示意图。
图6B是根据本发明一些实施例示出的LDO的RF杂散测量结果的示意图。
图7A是示出传统LDO的反向隔离性能的示意图。
图7B是根据本发明一些实施例示出的LDO的反向隔离性能的示意图。
【具体实施方式】
在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定的组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同的名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”及“包括”为一开放式的用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大体上”是指在可接受的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决该技术问题，基本达到该技术效果。此外，“耦合”一词在此包含任何直接及间接的电性连接手段。因此，若文中描述一第一装置耦合至于一第二装置，则代表该第一装置可直接电性连接于该第二装置，或通过其它装置或连接手段间接地电性连接至该第二装置。以下该为实施本发明的较佳方式，目的在于说明本发明的精神而非用以限定本发明的保护范围，本发明的保护范围当视后附的权利要求所界定者为准。
接下面的描述为本发明预期的最优实施例。这些描述用于阐述本发明的大致原则而不应用于限制本发明。本发明的保护范围应在参考本发明的权利要求的基础上进行认定。
本文描述了具有高电源抑制比(Power-Supply Rejection Ratio，PSRR)和良好的反向隔离的低压差稳压器(LDO)。发明人已经认识并意识到，传统的LDO被设计为在PSRR性能和反向隔离性能之间进行折衷(trade off)。一种传统的LDO可能会牺牲反向隔离性能以实现高PSRR。替代地，另一种传统的LDO可能折衷PSRR性能以获得良好的反向隔离。此外，具有良好的反向隔离的传统LDO可能比具有高PSRR的传统LDO消耗更多的功率。
发明人已经开发了可以同时具有高PSRR(例如，在2MHz带宽中至少为30dB)和良好的反向隔离(例如，至少为10dB)的LDO。在一些实施例中，对于期望的反向隔离性能，LDO可以是可配置的和/或可重新配置的。在一些实施例中，反向隔离电路可以是可配置的和/或可重新配置的，以在由反向隔离电路消耗的功率与流经核心电路的泄漏电流之间进行折衷。
一种系统可以包括一个或多个配置为向相应的负载电路提供稳定的电源电压的低压差稳压器(LDO)。图1根据一些实施例描绘了具有多个LDO的系统100。系统100可以从一个或多个电源(包括例如一个或多个电池)接收电压VIN。系统100可以包括一个或多个LDO，每个LDO可以接收输入电压VIN并且向相应的负载电路提供输出电压VOUT。尽管输入电压VIN和输出电源电压VOUT之间的电压差可能较低，但是与输入电压VIN相比，输出电压VOUT可以是更稳定的电压。图1中示出的示例示出了两个LDO 112和122，它们分别向模拟电路114和数字电路124提供电压VOUT1和VOUT2。
系统100可以包括一个或多个模拟电路LDO分支102和一个或多个数字电路LDO分支104。尽管所示的示例示出为LDO分支102和104共享电压VIN，但是应当理解，LDO分支可以访问单独的输入电源。
模拟电路LDO分支102可以包括向模拟电路114提供电源的LDO112。模拟电路114的示例可以包括CMOS图像传感器和/或常平架(gimbal)，它们仅是出于说明目的而提供的，不应限制模拟电路的范围。类似地，数字电路LDO分支104可以包括向数字电路124提供电源的LDO122。数字电路124的示例可以包括电子速度控制器和/或处理器，它们仅是出于说明目的而提供的，不应限制数字电路的范围。尽管示出的示例示出了模拟电路114和数字电路124，但是应当理解，LDO可以向混合信号电路提供电源。
在一些实施例中，电压VIN在理想情况下可以是直流(DC)电源。然而，实际上，电压VIN可以包括迭加有波纹(ripple)的DC分量，这可能是电压VIN不太稳定和/或有噪声的原因之一。波纹可以是包括基频的谐波(harmonics)的复合波形，该基频可以是用于产生电压VIN的原始交流(AC)源的线频率。波纹可能是由于交流电源整流后没有完全地抑制交流波形而引起的。波纹的幅度可能取决于与波纹相关的谐波。波纹可能是由电路引起的，这些电路包括例如开关模式电源，电容器输入整流器和主动(active)整流器。
在一些实施例中，LDO可以配置为衰减来自电源的波纹并且向负载电路提供更少的噪声功率。在图1所示的示例中，LDO 112可以从电压VIN接收迭加有AC分量116A的DC分量116D。LDO 112可以配置为向模拟电路114提供DC分量116D。LDO112可以配置为减少AC分量116A，使得模拟电路114接收幅度小于AC分量116A的AC分量118A。LDO 112的PSRR可以指定LDO 112的输入端的AC电源分量116A和LDO 112的输出端的AC电源分量118A之间的比率。LDO112的PSRR越高，模拟电路114遭遇的噪声越低。
在一些实施例中，LDO可以配置为减少由波纹引起的串扰(crosstalk)并且提供良好的反向隔离。在图1所示的示例中，模拟电路114可能受到诸如数字电路LDO分支104之类的另一电路通过公共接地和/或公共电源引起的波纹的影响。数字电路124可以将波纹作为AC分量126A传递到LDO 122的输出。LDO 122可以将AC分量126A作为AC分量128A传递到其输入，该AC分量128A可以被传递到模拟电路114并影响模拟电路114。反向隔离可以减轻由数字电路和/或混合信号电路的操作引起的公共接地和/或公共电源的电流。LDO的反向隔离越好，则更少的来自数字电路和/或混合信号电路的噪声将会注入到公共接地和/或公共电源。应当理解，本文的AC分量的图示被简化并且未按比例绘制，其仅出于图示的目的而提供。
根据一些实施例，LDO可以配置为具有高PSRR和良好的反向隔离。图2示出了这种LDO 200的框图，LDO 200可以将输入电压VIN转换为输出节点208处的输出电压VOUT。输出电压VOUT可以提供给负载电路(未示出)。输出电压VOUT可以包括迭加有幅度可能为Δ的AC分量216A的DC分量216D。AC分量216A可以至少部分对应于由相邻电路通过公共接地和/或公共电源引起的波纹。
LDO 200可以包括：有电流I1在其中流经的核心电路202，以及有电流I2在其中流经的反向隔离电路204。在一些实施例中，核心电路202可以配置为在输出节点208处提供输出电压VOUT。在一些实施例中，核心电路202可以配置为以比反向隔离电路204的带宽低的带宽进行操作，由此使得核心电路202提供DC和低频功能。在一些实施例中，核心电路202可以配置为衰减来自电压VIN的波纹，使得LDO 200具有高的PSRR。
反向隔离电路204可以配置为响应输出节点208处的波纹。在一些实施例中，反向隔离电路204可以配置为以高带宽(例如，在40MHz至160MHz的范围内)操作，由此使得反向隔离电路204可以比核心电路202更快地响应输出节点208处的波纹。在一些实施例中，反向隔离电路204可以配置为感测输出节点208处的输出电压VOUT的瞬态(transient)波形，并响应于输出电压VOUT的AC分量216A调整流经反向隔离电路204的电流I2，以使不管输出节点208处的波纹是怎样的，流经核心电路202的电流I1恒定。
在一些实施例中，反向隔离电路204可以是可配置的和/或可重新配置的，以在由反向隔离电路204消耗的功率与流经核心电路202的泄漏电流之间进行折衷。例如，在对应于第一输入电源和/或第一负载电路耦合到LDO 200的第一操作条件下，反向隔离电路204可以配置为使得LDO 200具有10dB的反向隔离性能。在对应于第二输入电源和/或第二负载电路耦合到LDO 200的第二操作条件下，可以重新配置反向隔离电路204使得LDO 200具有20dB的反向隔离性能。在对应于第三输入电源和/或第三负载电路耦合到LDO 200的第三操作条件下，可以重新配置反向隔离电路204使得LDO 200具有15dB的反向隔离性能。
在一些实施例中，响应于输出节点208处的AC分量216A，反向隔离电路204可以是可配置的和/或可重新配置的，以调节流经反向隔离电路204中的电流I2，以在反向隔离电路204消耗的功率与流经核心电路202的泄漏电流之间进行折衷。例如，流经核心电路的电流I2可配置为小于完全补偿输出节点208处的波纹所需要的AC分量。流经核心电路202的电流I1可以包括泄漏电流，诸如核心电路202由于响应输出节点208处未被电流I 2补偿的波纹而产生的AC分量。
具有高PSRR和良好的反向隔离的LDO 200可以在各种配置中实现。图3根据一些实施例描绘了LDO 300的示意图。LDO 300可以包括配置为在输出节点308提供输出电压VOUT的核心电路302，以及耦合到输出节点308的反向隔离电路304。
核心电路302可以包括PSRR电路312，DC电路320和增益减小电路314。PSRR电路312可以配置为提供高PSRR。PSRR电路312可以包括p型通道晶体管(pass transistor)MP1，回馈电路316，运算放大器318和补偿电路326。p型通道晶体管MP1可以耦合在输出节点308和电流源324之间。可以通过栅极电压VG来控制p型通道晶体管MP1的漏极-源极电阻，使得在输出节点308处产生稳定的输出电压VOUT。在一些示例中，116A自VIN端输入，118A为VOUT端输出，116A自VIN端输入后，经MP2来到VOUT端，并经由回馈电路316进入运算放大器318，最后由运算放大器318经MP1产生一个反向抑制的讯号回到VOUT端，所述反向抑制的讯号在VOUT端将116A衰减为118A。
回馈电路316可以包括串联连接在输出节点308和地之间的两个电阻器R1和R2。应当理解，接地不需要连接到大地，而是可以承载参考电位，该参考电位可以包括地，DC电压或其他合适的参考电位。回馈电路316可以产生回馈电压VFB，其可以是输出电压VOUT被电阻器R1和R2分压的电压。运算放大器318可以将回馈电压VFB与参考电压VREF进行比较，并且产生可以根据参考电压VREF和回馈电压VFB之间的电压差而变化的栅极电压VG。
补偿电路326可以耦合到p型通道晶体管MP1的栅极，以对栅极电压VG提供期望的滤波并增强输出电压VOUT的稳定性。补偿电路326可以包括串联连接在p型通道晶体管MP1的栅极和地之间的电容器C1和电阻器R3。
DC电路320可以配置为在输出节点308处提供稳定的输出电压。DC电路320可以被耦合到输出节点308。DC电路320可以在电压VIN和输出节点308之间包括p型功率晶体管(power transistor)MP2。p型功率晶体管MP2可以配置为在输出节点308处提供输出电压VOUT。DC电路320可以包括电流源322和与电流源322串联连接的n型晶体管MN3。n型晶体管MN3可以耦合在输出节点308和电流源324之间。可基于电流源322和p型功率晶体管MP2的栅极-源极电压确定p型功率晶体管MP2的栅极处的控制电压VC。晶体管MN3的栅极可以接收偏置电压VBIASN，该偏置电压可以确定节点328处的电压以防止p型信道晶体管MP1和电流源324进入三极管区域/线性区域(triode region)。电容器C2可以耦接在电压VIN和p型功率晶体管MP2的栅极之间，并配置为增强输出电压VOUT的稳定性。在一些实施例中，电容器C2的电容可以在0.1pF至5pF的范围内，或在1PF至2PF的范围内，或介于两者之间的任何合适的数值，其可以明显小于传统LDO中的电容器的电容。
增益减小电路314可以配置为减小DC电路320的增益。增益减小电路314可以耦合到输出节点308。增益减小电路314可以包括耦合在输出节点308和电流源324之间的n型晶体管MN4。n型晶体管MN4的栅极可以接收偏置电压VBIASN。
反向隔离电路304可以配置为响应于输出节点308处的波纹而提供流经它自己的电流。反向隔离电路304可以包括串联连接并且耦合在输出节点308和地之间的p型晶体管MP5和n型晶体管MN6。p型晶体管MP5可以接收由运算放大器318产生的栅极电压VG。反向隔离电路304可以包括串联连接并耦合在n型晶体管MN6的漏极和地之间的电容器C3和电阻器R4。电容器C3和电阻器R4可以配置为增强反向隔离电路304的增益。n型晶体管MN6的栅极可以耦合到将电容器C3和电阻器R4分开的节点。晶体管MP5和MN6可以至少部分地基于由运算放大器318产生的栅极电压VG产生反向隔离控制电压VR。反向隔离电路304可以包括耦合在输出节点308与地之间的可重新配置的n型晶体管MN7。可重新配置的n型晶体管MN7的栅极可以接收反向隔离控制电压VR。可以至少部分地基于反向隔离控制电压VR来调整可重新配置的晶体管MN7，以在由反向隔离电路304消耗的功率与流经核心电路302的泄漏电流之间进行折衷。在一些实施例中，可重新配置的n型晶体管MN7可以包括并联连接的多个n型晶体管。可以至少部分地基于反向隔离控制电压VR来配置导通的n型晶体管的数量，以在反向隔离电路304消耗的功率与流经核心电路302的泄漏电流之间进行折衷。
反向隔离电路304可以包括串联连接并且耦合在可重新配置的n型晶体管MN7的栅极与地之间的电容器C4和电阻器R5。电容器C4和电阻器R5可以配置为增强输出电压VOUT的稳定性。
图4根据一些实施例描绘了LDO 400的示意图。LDO 400可以包括配置成可在输出节点408处提供输出电压VOUT的核心电路402，以及耦合到输出节点408的反向隔离电路404。核心电路402可以包括PSRR电路412和DC电路420。DC电路420可以类似于图3的DC电路320那样被配置。
PSRR电路412可以配置为提供高PSRR。PSRR电路412可以包括p型通道晶体管MP41和回馈电路416。p型通道晶体管MP41可以耦合在输出节点408和电阻器R之间。p型晶体管MP41的漏极-源极电阻可以由栅极电压V4G控制，使得在输出节点408处产生稳定的输出电压VOUT。电容器C41可以耦合到通道晶体管MP41的栅极。电容器C41可以被配置具有与图3中的电容器C1类似的功能。在一些示例中，116A自MP42的源极输入，118A为VOUT端输出。116A自MP42的源极输入后，经MP42的漏极来到VOUT端，并经由回馈电路416的MP44传送到MN43的栅极，由MN43产生反向的增益讯号V4G来驱动MP41，在VOUT端产生一个与116A反向的抑制讯号，该反向的抑制信号在VOUT端将116A衰减为118A。
回馈电路416可以包括耦合在输出节点408和电流源424之间的p型晶体管MP44。p型晶体管MP44可以接收栅极电压VCORE，使得当栅极电压VCORE与输出电压VOUT之间的差大于p型晶体管MP44的阈值电压时导通p型晶体管MP44。p型晶体管MP44的栅极电压VCORE可以配置为确定输出电压VOUT的DC分量。回馈电路416可以包括增益级，该增益级可以包括耦合在电流源422和地之间的n型晶体管MN43。n型晶体管MN43的栅极可以耦合到p型晶体管MP44的漏极，使得n型晶体管MN43的漏极可以至少部分地基于栅极电压VCORE和输出电压VOUT之间的差来产生栅极电压V4G。
反向隔离电路404可以包括耦合在输出节点408和地之间的可重新配置的p型晶体管MP46。可重新配置的p型晶体管MP46可以至少部分地基于栅极电压V4G来调整，以在反向隔离电路404消耗的功率与流经核心电路402的泄漏电流之间进行折衷。在一些实施例中，可重新配置的晶体管p型MP46可以包括并联连接的多个p型晶体管。可以至少部分地基于栅极电压V4G配置导通的p型晶体管的数量，以在反向隔离电路404消耗的功率与流经核心电路402的泄漏电流之间进行折衷。
图5根据一些实施例描绘了LDO 500的示意图。LDO 500可以包括核心电路402和反向隔离电路504。在所示的示例中，核心电路402配置为在输出节点508产生输出电压VOUT。
反向隔离电路504可以包括耦合在输出节点508和电阻器R51之间的可重新配置的p型晶体管MP51，耦合在输出节点508和地之间的可重新配置的n型晶体管MN52以及耦合在输出节点508和可重配置的晶体管MN52的栅极之间的电容器C51。可重新配置的p型晶体管MP51的栅极可以接收由回馈电路416产生的栅极电压V4G并将其施加到p型通道晶体管MP41的栅极。可至少部分地基于栅极电压V4G来调整可重新配置的p型晶体管MP51和可重新配置的n型晶体管MN52，以在由反向隔离电路504消耗的功率与流经核心电路402的泄漏电流之间进行折衷。
尽管在图5中图标LDO包括核心电路402和反向隔离电路504，但是应当理解，LDO可以包括任何适当的核心电路，包括例如核心电路302和核心电路402之一。LDO也可以包括任何适当的反向隔离电路，例如反向隔离电路304，反向隔离电路404和反向隔离电路504之一。
尽管图3-图5的所示示例示出了以特定类型(例如，n型或p型)实现的晶体管，但是应当理解，可以以不同的方式实现晶体管。例如，示例中的n型晶体管可以被实现为p型晶体管，而示例中的p型晶体管可以被实现为n型晶体管。
根据一些实施例的LDO具有比传统LDO更好的反向隔离性能。图6A是示出传统LDO的RF杂散测量(spur measurement)结果的示意图。图6B是根据本发明一些实施例示出的LDO的RF杂散测量结果的示意图。在图6A和图6B中可以清楚地看到，与传统的LDO相比，通过本发明一些实施例的LDO可以更好地抑制例如波纹(例如，标记为“2”-“5”的不想要的信号)。
根据本发明一些实施例的LDO具有比传统LDO更好的反向隔离性能。图7A是示出传统LDO的反向隔离性能的示意图。图7B是根据本发明一些实施例示出的LDO的反向隔离性能的示意图。在图7A和图7B中可以清楚地看到，例如在80MHz，根据本发明一些实施例的LDO具有大约12dB的反向隔离性能，而传统的LDO具有大约114mdB的更差的反向隔离性能。
在权利要求中使用诸如“第一”，“第二”，“第三”等的序数术语来修改权利要求要素本身并不意味着一个权利要求要素优先于另一个或者时间的任何优先权，优先权或顺序。执行方法的行为的顺序，但仅用作标签以将具有特定名称的一个权利要求元素与具有相同名称的另一个元素(但是用于使用序数术语)区分，以区分权利要求元素。
本发明虽以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明的范围，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求所界定者为准。

Claims (11)

1.一种低压差稳压器，其特征在于，包括：
核心电路，用于向输出节点提供输出电压并衰减来自输入电压的波纹；和
反向隔离电路，耦合到所述输出节点并配置为响应于所述输出节点上的波纹来提供/调节流经所述反向隔离电路的电流；
其中，所述反向隔离电路包括第一晶体管，耦合到所述输出节点并且包括第一栅极节点，所述第一栅极节点由至少部分地基于在所述输出节点处的输出电压产生的栅极电压控制；
所述核心电路包括第二晶体管，耦合到所述输出节点并且包括第二栅极节点，所述第二栅极节点由至少部分地基于在所述输出节点处的所述输出电压产生的所述栅极电压控制以在所述输出节点产生反向抑制的讯号用于衰减来自所述输入电压的波纹；
以及所述反向隔离电路配置为不管所述输出节点处的波纹怎样都使流经所述核心电路的电流恒定，或使得流经所述核心电路的电流的交流电分量小于响应于所述输出节点上的波纹所需的交流分量。
2.根据权利要求1所述的低压差稳压器，其特征在于，
所述反向隔离电路的带宽配置为高于所述核心电路的带宽，使得所述反向隔离电路对所述输出节点的波纹的响应速度比所述核心电路快。
3.根据权利要求1所述的低压差稳压器，其特征在于，
所述反向隔离电路根据所述输出节点上波纹的幅度来调整流经所述反向隔离电路的电流。
4.根据权利要求1所述的低压差稳压器，其特征在于，
所述反向隔离电路的所述第一晶体管是并联连接的多个晶体管。
5.根据权利要求1所述的低压差稳压器，其特征在于，所述核心电路包括：
直流电路，耦合到所述输出节点并包括功率晶体管，所述功率晶体管配置为在所述输出节点上提供输出电压，以及
电源抑制比电路，耦合到所述输出节点并配置为提供电源抑制比；其中所述电源抑制比电路包括所述第二晶体管。
6.根据权利要求5所述的低压差稳压器，其特征在于，所述电源抑制比电路还包括：
运算放大器，配置为至少部分地基于所述输出节点处的输出电压来提供栅极电压，以及
所述第二晶体管的所述栅极节点由至少部分地基于所述运算放大器提供的所述栅极电压控制以在所述输出节点产生反向抑制的讯号用于衰减来自所述输入电压的波纹。
7.根据权利要求5所述的低压差稳压器，其特征在于，所述电源抑制比电路还包括：
回馈电路，配置为至少部分地基于所述输出节点处的输出电压来提供栅极电压，以及
所述第二晶体管的所述栅极节点由至少部分地基于所述回馈电路提供的所述栅极电压控制以在所述输出节点产生反向抑制的讯号用于衰减来自所述输入电压的波纹。
8.根据权利要求1所述的低压差稳压器，其特征在于，
至少部分地调节流经所述反向隔离电路的电流，以在所述反向隔离电路消耗的功率与流经所述核心电路的泄漏电流之间进行折衷。
9.根据权利要求1所述的低压差稳压器，其特征在于，
所述反向隔离电路包括并联连接的多个晶体管，以及
基于所述反向隔离电路消耗的功率与流经所述核心电路的泄漏电流之间的折衷，导通多个晶体管中的一个或多个。
10.根据权利要求5所述的低压差稳压器，其特征在于，所述核心电路还包括：
增益减小电路，耦合到所述输出节点并配置为减小所述直流电路的增益。
11.根据权利要求1所述的低压差稳压器，其特征在于，所述流经所述反向隔离电路的电流是可配置的和/或可重新配置的。
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