CN113359928A - 一种电压产生电路 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种电压产生电路，包括运算放大电路、补偿网络、驱动级及分压电路和瞬态响应加强电容，运算放大电路的输出端与补偿网络的输入端连接，补偿网络的输出端与驱动级及分压电路的输入端连接，驱动级及分压电路的输出端通过等效负载电阻及等效负载电容输出电压，瞬态响应加强电容分别与所述运算放大电路和驱动级及分压电路连接。本发明可以兼容无电容及有电容应用，即负载电容不受约束，在瞬态响应要求不严苛的场合，可以选用无电容应用，节省成本；在瞬态响应要求严苛的应用场合，可以外挂电容；在使用无电容结构时，设计增加了瞬态响应加强电路，提高无电容应用时的瞬态响应时间；无电容应用时，降低启动过程中产生的故障。
Description
技术领域
本发明涉及电源电路技术领域，特别是涉及一种电压产生电路。
背景技术
电源是电子产品中必不可少的组成部分，电路应用中使用的电源类型主要分为低压差线性稳压电源(LDO)及开关电源，LDO电路不会使用到面积开销大的电感且具有输出纹波小等特点被广泛应用。LDO按照负载电容分类可以分为有电容LDO及无电容LDO，其各自特点如下：
有电容LDO：外挂电容一般1uF及以上，瞬态响应好，启动故障小，但输出需要独立封装PIN脚，且需要PCB版级外挂电容，增加成本；
无电容LDO：无外挂电容，不需要封装PIN脚，内部直接连接，节省成本，负载电容一般pF～nF级，瞬态响应较差，设计不好，启动容易产生故障小。
所以有必要提出一种兼容性强能够适应电容LDO及无电容LDO的电压产生电路。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种电压产生电路，兼容性强能够适应电容LDO及无电容LDO。
为了达到上述目的，本发明所采用的具体技术方案如下：
一种电压产生电路，包括运算放大电路、补偿网络、驱动级及分压电路和瞬态响应加强电容，所述运算放大电路的输出端与所述补偿网络的输入端连接，所述补偿网络的输出端与所述驱动级及分压电路的输入端连接，所述驱动级及分压电路的输出端通过等效负载电阻及等效负载电容输出电压，所述瞬态响应加强电容分别与所述运算放大电路和驱动级及分压电路连接。
优选的，所述运算放大电路包括电流源IS、NMOS管NM1～NM4和PMOS管PM1～PM4，PMOS管PM1与PM2为输入对管，电流源IS分别与PM1和PM2连接，NM1与NM3，NM2 与NM4，PM3与PM4为镜像对管。
优选的，PMOS管PM1与PM2的宽长比比值为1:1，NM1与NM3、NM2与NM4、 PM3与PM4的宽长比比值分别1:1、1:N、1:N。
优选的，所述补偿网络包括电阻R0、电容C0、电容C1，电阻R0的一端与PM4和 NM4的公共端连接，另一端与电容C0的一端连接，电容C0的另一端接地，电容C1的一端 PM4和NM4的公共端连接，另一端接地。
优选的，所述驱动级及分压电路包括NMOS管NM5、电阻R1、电阻R2，NMOS管 NM5的栅极与补偿网络连接，NMOS管NM5的源极与电阻R1的一端连接，电阻R1的另一端与电阻R2的一端连接，电阻R2的另一端接地，电阻R1和电阻R2的公共端与瞬态响应加强电容C3的一端连接，瞬态响应加强电容C3的另一端与NM2与NM4的公共端连接。
优选的，所述等效负载电容在无电容应用时由内部集成电路的寄生电容构成。
优选的，无电容LDO电路的CL的等效电容为nF量级。
优选的，所述等效负载电容在有电容应用时由外挂电容、封装电容，内部电路寄生电容构成。
优选的，有电容LDO电路的CL的等效电容为μF量级。
本发明的有益效果在于：
1、可以兼容无电容及有电容应用，即负载电容不受约束，在瞬态响应要求不严苛的场合，可以选用无电容应用，节省成本；在瞬态响应要求严苛的应用场合，可以外挂电容；
2、在使用无电容结构时，设计增加了瞬态响应加强电路，提高无电容应用时的瞬态响应时间；
3、无电容应用时，降低启动过程中产生的故障。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一种电压产生电路的电路原理图；
图中，1-运算放大电路、2-补偿网络、3-驱动级及分压电路、4-瞬态响应加强电容
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的其他实施例，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“竖直”、“上”、“下”、“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。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“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，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1所示，本发明提出了一种电压产生电路，包括运算放大电路1、补偿网络2、驱动级及分压电路3和瞬态响应加强电容4，所述运算放大电路的输出端与所述补偿网络的输入端连接，所述补偿网络的输出端与所述驱动级及分压电路的输入端连接，所述驱动级及分压电路的输出端通过等效负载电阻及等效负载电容输出电压，所述瞬态响应加强电容分别与所述运算放大电路和驱动级及分压电路连接。
优选的，所述运算放大电路包括电流源IS、NMOS管NM1～NM4和PMOS管PM1～PM4，PMOS管PM1与PM2为输入对管，电流源IS分别与PM1和PM2连接，NM1与NM3，NM2 与NM4，PM3与PM4为镜像对管。PMOS管PM1与PM2的宽长比比值为1:1，NM1与NM3、 NM2与NM4、PM3与PM4的宽长比比值分别1:1、1:N、1:N。VREF为运算放大器的正向端，连接基准电压源的输出，VDIV为运放放大器的反向端，接R1、R2的分压输出，电路中设计宽长比(W/L)PM4＝N*(W/L)PM3，(W/L)NM4＝N*(W/L)NM2，使得流经PM4源级的电流为流经PM3 源级电流的N倍，目的是提高VOA点的摆率，提高瞬态响应能力。
优选的，所述补偿网络包括电阻R0、电容C0、电容C1，电阻R0的一端与PM4和 NM4的公共端连接，另一端与电容C0的一端连接，电容C0的另一端接地，电容C1的一端 PM4和NM4的公共端连接，另一端接地。主要目的是保证LDO的稳定性，保证正常工作时，环路稳定不振荡。
优选的，所述驱动级及分压电路包括NMOS管NM5、电阻R1、电阻R2，NMOS管 NM5的栅极与补偿网络连接，NMOS管NM5的源极与电阻R1的一端连接，电阻R1的另一端与电阻R2的一端连接，电阻R2的另一端接地，电阻R1和电阻R2的公共端与瞬态响应加强电容C3的一端连接，瞬态响应加强电容C3的另一端与NM2与NM4的公共端连接。
优选的，所述等效负载电容在无电容应用时由内部集成电路的寄生电容构成。无电容 LDO电路的CL的等效电容为nF量级。
优选的，所述等效负载电容在有电容应用时由外挂电容、封装电容，内部电路寄生电容构成。有电容LDO电路的CL的等效电容为μF量级。
瞬态响应加强电容C3主要作用是通过R1及R2电阻的分压点检测VOUT输出电压的瞬态变化，通过反馈环路，是VOA能够快速响应VOUT的瞬态变化趋势，从而提高在无电容应用时LDO瞬态响应能力；
驱动级及分压电路主要有NOMS驱动级NM5、电阻R1、R2构成，主要作用是结合运算放大电路产生LDO的输出电压，在整个环路稳定建立时，VREF＝VDIV，输出电压大小如下：
以下对本发明提出的电压产生电路进行分析：
1)、电路稳定性分析：
电路中的零极点具体如下：
其中ωZ为电路零点，ωp1、ωp2为电路主要的两个极点，rOP4及rON4分别为MOS管PM4及NM4小信号漏源等效阻抗，gmN5为驱动管NM5的跨导,其他的极点都在单位增益带宽外。
当无电容应用时，负载CL的等效电容由内部电路的寄生电容组成，一个较大规模的 SOC电路，无电容LDO电路的CL的等效电容为nF量级，此时ωp1<ωp2<ωZ，而其他的极点在单位增益带宽外，可以保证LDO的稳定性。
当有电容应用时，CL的等效电容在μF量级，此时ωp2<ωp1<ωZ，同样其他极点在单位增益带宽外，同样可以保证LDO的稳定性。
2)、瞬态响应分析：
在有电容应用时，外挂电容在μF量级，其大的电容电荷量可以保证瞬态响应的良好效果，本专利主要针对无电容应用时的瞬态响应加以说明，具体工作原理如下：
如果等效负载RL瞬态变化为重载，即RL等效阻抗瞬态变小，此时VOUT会由于整个环路带宽不够，造成瞬态下降，经过分压后的VDIV也会瞬态下降，此时运算放大器电路的VDIV<VREF，电流i1对电容C0及C1充电，从而使得驱动管NM5的栅极电压VOA升高，增大NM5的驱动能力，为输出VOUT提供电流，补偿瞬态下降的电压，从而整个环路再次建立并稳定。
如果等效负载RL瞬态变化为轻载，即RL等效阻抗瞬态变大，此时VOUT会由于整个环路带宽不够，造成瞬态上升，经过分压后的VDIV也会瞬态上升，此时运算放大器电路的VDIV>VREF，电容C0及C1通过电流i2放电，从而使得驱动管NM5的栅极电压VOA降低，减小NM5的驱动能力，降低输出VOUT驱动电流，补偿瞬态上升的电压，从而整个环路再次建立并稳定。
由上所述，无电容LDO的瞬态响应主要决定与VOA点的充放电速度决定。在VOUT 瞬态变化为μs量级时，瞬态响应主要由运算放大器电路的带宽与摆率决定。
①当RL为重载时，VDIV瞬态降低，此时电流源IS的绝大部分电流主要流经PM1及NM1支路，由于NM3一倍镜像NM1电流，从而NM3及PM3支路电流与PM1及NM1支路相等，假设为Ip。本专利设计时，令(W/L)PM4＝N*(W/L)PM3,从而使得VOA点的充电流i1为 N倍Ip，大大提高了充电速度，而其他支路均为一倍镜像，降低了功耗。
②当RL为轻载时，VDIV瞬态升高，此时电流源IS的绝大部分电流主要流经PM2及NM2支路，假设为Ip，本专利设计时，令(W/L)NM4＝N*(W/L)NM2,由于NM4N倍镜像NM2 电流，从而VOA点的放电电流i2为N倍Ip，大大提高了放电速度，而其他支路均为一倍镜像，降低了功耗。
在VOUT瞬态变化为100ns量级以下时，此时运算放大器电路的带宽与摆率已经受限，主要是通过瞬态响应加强电容完成VOA充放电速度的加快。
①当RL为重载时，VOUT瞬态降低，通过电阻分压VDIV也瞬态降低，由于电容C3 的电荷不能突变，当C3右极板接入的电压VDIV瞬态降低时，C3的左极板也会瞬态降低，从而NM4的栅极电压瞬态降低。此时运放放大器局部电路NM4及PM4组成的比较器电路，当 NM4栅极降低时，VOA由PM4提供瞬态充电电流，由于NM4及PM4组成的比较器电路只有两个器件，其带宽及摆率远大于运算放大器的带宽及摆率，从而提高了100ns量级以下的瞬态响应能力。
②当RL为轻载时，VOUT瞬态升高，通过电阻分压VDIV也瞬态升高，由于电容C3 的电荷不能突变，当C3右极板接入的电压VDIV瞬态升高时，C3的左极板也会瞬态升高，从而NM4的栅极电压瞬态升高。此时可以认为NM4只是一个开关管，其开关速度远大于运算放大器的带宽及摆率，从而提高了100ns量级以下的瞬态响应能力。
3)、故障抑制分析：
故障主要产生原因为瞬态上电时，VOA处NM5的漏电电容CDGN5及PM4的源漏电容CSDP4电荷不能瞬态变化引起，电路设计时，由于驱动能力要求较大，NM5管的寄生电容也很大，所以容值CDGN5>>CSDP4，瞬态的故障主要CDGN5决定。由当电源AVD瞬态上电时，NM5的漏极电压瞬态上升，当上电速度很快时，由于CDGN5的存在，其电荷不能突变，造成NM5的栅极电压瞬态上升，此时整个环路的带宽决定的时间常数远大于瞬态上电速度，因此，NM5工作在一个类似的开关状态，且栅极电压随电源电压瞬态上升，造成输出VOUT 有向上的故障，造成稳定速度变慢，甚至造成后级电路的耐压问题。
电路设计时，引入了电容C1及电容C2，其容值较大，当电路不工作时，电荷为0，且下极板节地电压，此时上极板电压也为0，当电源瞬态上电时，电容C0及C1的电荷不能突变，且容值大于CDGN5，NM5的栅极电压会从一个较低的值逐渐上升，而不是随着电源电压 AVD变化，从而输出电压VOUT也是从低电压逐渐上升，有效抑制了故障的产生。
本发明的有益效果在于：
1、可以兼容无电容及有电容应用，即负载电容不受约束，在瞬态响应要求不严苛的场合，可以选用无电容应用，节省成本；在瞬态响应要求严苛的应用场合，可以外挂电容；
2、在使用无电容结构时，设计增加了瞬态响应加强电路，提高无电容应用时的瞬态响应时间；
3、无电容应用时，降低启动过程中产生的故障。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，本领域技术人员完全可以在不偏离本发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求书范围来确定其技术性范围。
Claims (9)
1.一种电压产生电路，其特征在于，包括运算放大电路、补偿网络、驱动级及分压电路和瞬态响应加强电容，所述运算放大电路的输出端与所述补偿网络的输入端连接，所述补偿网络的输出端与所述驱动级及分压电路的输入端连接，所述驱动级及分压电路的输出端通过等效负载电阻及等效负载电容输出电压，所述瞬态响应加强电容分别与所述运算放大电路和驱动级及分压电路连接。
2.根据权利要求1所述的一种电压产生电路，其特征在于，所述运算放大电路包括电流源IS、NMOS管NM1～NM4和PMOS管PM1～PM4，PMOS管PM1与PM2为输入对管，电流源IS分别与PM1和PM2连接，NM1与NM3，NM2与NM4，PM3与PM4为镜像对管。
3.根据权利要求2所述的一种电压产生电路，其特征在于，PMOS管PM1与PM2的宽长比比值为1:1，NM1与NM3、NM2与NM4、PM3与PM4的宽长比比值分别1:1、1:N、1:N。
4.根据权利要求2所述的一种电压产生电路，其特征在于，所述补偿网络包括电阻R0、电容C0、电容C1，电阻R0的一端与PM4和NM4的公共端连接，另一端与电容C0的一端连接，电容C0的另一端接地，电容C1的一端PM4和NM4的公共端连接，另一端接地。
5.根据权利要求2所述的一种电压产生电路，其特征在于，所述驱动级及分压电路包括NMOS管NM5、电阻R1、电阻R2，NMOS管NM5的栅极与补偿网络连接，NMOS管NM5的源极与电阻R1的一端连接，电阻R1的另一端与电阻R2的一端连接，电阻R2的另一端接地，电阻R1和电阻R2的公共端与瞬态响应加强电容C3的一端连接，瞬态响应加强电容C3的另一端与NM2与NM4的公共端连接。
6.根据权利要求1所述的一种电压产生电路，其特征在于，所述等效负载电容在无电容应用时由内部集成电路的寄生电容构成。
7.根据权利要求6所述的一种电压产生电路，其特征在于，无电容LDO电路的CL的等效电容为nF量级。
8.根据权利要求1所述的一种电压产生电路，其特征在于，所述等效负载电容在有电容应用时由外挂电容、封装电容，内部电路寄生电容构成。
9.根据权利要求8所述的一种电压产生电路，其特征在于，有电容LDO电路的CL的等效电容为μF量级。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114510107A (zh) * | 2022-04-21 | 2022-05-17 | 江苏长晶科技股份有限公司 | 一种改善全负载稳定性的ldo电路 |
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2021
- 2021-07-16 CN CN202110806116.4A patent/CN113359928A/zh active Pending
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