CN113625810A - 无片外电容低功耗全范围稳定ldo线性稳压器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无片外电容低功耗全范围稳定LDO线性稳压器，包括：偏置模块、反馈模块、功率级选择模块和功率级模块，其中，偏置模块根据输入的外接电压产生偏置电压，用于为反馈模块和功率级选择模块提供偏置电压；反馈模块用于根据功率级模块的输出电压产生反馈信号；功率级选择模块用于根据反馈信号，检测LDO线性稳压器的工作模式，并根据检测结果产生控制信号；功率级模块用于根据反馈信号和控制信号调整其输出电压。本发明的LDO线性稳压器，在FVF结构基础上添加一个辅助功率管，通过设计，选择功率晶体管在二级和三级级联拓扑之间转换，保证无片外电容LDO在任意负载模式下稳定性和瞬态响应的要求。

Description

无片外电容低功耗全范围稳定LDO线性稳压器

技术领域

本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种无片外电容低功耗全范围稳定LDO线性稳压器。

背景技术

传统的低压差线性稳压器LDO出于稳定性要求，需要在输出端挂接大电容，因此在设计时需要留出专门的管脚连接外部电容，不仅增加了产品复杂度，还增加了产品的体积和成本。同时随着SoC的不断发展，要求LDO能够完全集成于芯片上，因此需要除去片外电容，无片外电容型LDO可以减小面积和成本，成为当今研究热点。同时在电池供电的便携式设备系统中，要求线性稳压器具有极低的静态功耗，延长电池的寿命和电子系统的待机时间。低功耗高稳定性无片外电容LDO成为模拟集成电路领域研究的热点。

通常功率管尺寸都很大，在超低功耗设计中，空载工作模式下，功率管进入亚阈值区，只提供很小的电流，功率管跨导急剧减小，当密勒补偿电容比较大且功率管跨导较小时，零点便不能忽略，功率换跨导所决定的零点将进入低频段，造成空载工作模式时LDO不稳定。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种无片外电容低功耗全范围稳定LDO线性稳压器。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

本发明提供了一种无片外电容低功耗全范围稳定LDO线性稳压器，包括：偏置模块、反馈模块、功率级选择模块和功率级模块，其中，

所述偏置模块根据输入的外接电压产生偏置电压，用于为所述反馈模块和所述功率级选择模块提供偏置电压；所述反馈模块用于根据所述功率级模块的输出电压产生反馈信号；所述功率级选择模块用于根据所述反馈信号，检测LDO线性稳压器的工作模式，并根据检测结果产生控制信号；所述功率级模块用于根据所述反馈信号和所述控制信号调整其输出电压；

所述反馈模块、所述功率级选择模块和所述功率级模块形成环路，以对所述功率级模块的输出电压进行调整，当检测所述LDO线性稳压器在空载工作模式下，所述功率级选择模块作为电流比较器，以使环路工作在两级级联结构，当检测所述LDO线性稳压器在带载工作模式下，所述功率级选择模块作为同相放大器，以使环路工作在三级级联结构。

在本发明的一个实施例中，所述功率级模块的输出端与所述反馈模块的输出端之间设置有第一密勒补偿电容，所述第一密勒补偿电容用于在空载工作模式下对LDO线性稳压器电路进行密勒补偿。

在本发明的一个实施例中，所述功率级模块内设置有第二密勒补偿电容，所述第二密勒补偿电容用于在带载工作模式下对LDO线性稳压器电路进行密勒补偿。

在本发明的一个实施例中，所述偏置模块包括第一MOS管和第二MOS管，其中，

所述第一MOS管的栅极作为所述偏置模块的输入端输入所述外接电压，源极连接接地端，漏极连接所述第二MOS管的漏极；

所述第二MOS管的源极连接电源端，栅极连接其漏极，漏极作为所述偏置模块的输出端输出所述偏置电压。

在本发明的一个实施例中，所述反馈模块包括第三MOS管、第四MOS管、第五MOS管和第六MOS管，其中，

所述第三MOS管的栅极输入所述外接电压，源极连接接地端，漏极分别连接所述第四MOS管的漏极和所述第五MOS管的源极；

所述第四MOS管的栅极输入第一外接参考电压，源极连接所述功率级模块的输出端；

所述第五MOS管的栅极输入第二外接参考电压，漏极作为所述反馈模块的输出端输出所述反馈信号；

所述第六MOS管的源极连接电源端，漏极接所述第五MOS管的漏极，栅极连接所述偏置模块的输出端。

在本发明的一个实施例中，所述功率级选择模块包括第七MOS管、第八MOS管、第九MOS管和第十MOS管，其中，

所述第七MOS管的源极连接电源端，栅极连接所述反馈模块的输出端，漏极分别连接所述第八MOS管的漏极、所述第八MOS管的栅极以及所述第九MOS管的栅极；

所述第八MOS管的源极和所述第九MOS管的源极均连接接地端，所述第九MOS管的漏极连接所述第十MOS管的漏极；

所述第十MOS管的源极连接所述电源端，栅极连接所述偏置模块的输出端，漏极作为所述功率级选择模块的输出端输出所述控制信号。

在本发明的一个实施例中，所述功率级模块包括主功率管和辅助功率管，其中，

所述主功率管的源极和所述辅助功率管的源极均连接电源端；

所述辅助功率管的栅极连接所述反馈模块的输出端；

所述主功率管的栅极连接所述功率级选择模块的输出端；

所述主功率管的漏极和所述辅助功率管的漏极作为所述功率级模块的输出端。

在本发明的一个实施例中，所述第二密勒补偿电容串接在所述主功率管的栅极和漏极之间。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1.本发明的无片外电容低功耗全范围稳定LDO线性稳压器，通过实现自适应的动态环路控制，在带载工作模式下为三级环路结构，在空载工作模式下自动切换到二级环路结构，保证所有工作模式下的环路稳定性。

2.本发明的无片外电容低功耗全范围稳定LDO线性稳压器，结构简单，且无需额外静态功耗，实现了超底静态功耗灵活设计。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种无片外电容低功耗全范围稳定LDO线性稳压器的模块图；

图2是本发明实施例提供的另一种无片外电容低功耗全范围稳定LDO线性稳压器的模块图；

图3是本发明实施例提供的一种无片外电容低功耗全范围稳定LDO线性稳压器的电路结构示意图；

图4是本发明实施例提供的LDO线性稳压器在空载工作模式下的小信号模型图；

图5是本发明实施例提供的LDO线性稳压器在带载工作模式下的小信号模型图。

具体实施方式

为了进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及具体实施方式，对依据本发明提出的一种无片外电容低功耗全范围稳定LDO线性稳压器进行详细说明。

有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合附图的具体实施方式详细说明中即可清楚地呈现。通过具体实施方式的说明，可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效进行更加深入且具体地了解，然而所附附图仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明的技术方案加以限制。

实施例一

请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种无片外电容低功耗全范围稳定LDO线性稳压器的模块图，如图所示，本实施例的无片外电容低功耗全范围稳定LDO线性稳压器，包括：偏置模块1、反馈模块2、功率级选择模块3和功率级模块4。

其中，偏置模块1根据输入的外接电压BIAS产生偏置电压，用于为反馈模块2和功率级选择模块3提供偏置电压；反馈模块2用于根据功率级模块4的输出电压产生反馈信号；功率级选择模块3用于根据反馈信号，检测LDO线性稳压器的工作模式，并根据检测结果产生控制信号；功率级模块4用于根据反馈信号和控制信号调整其输出电压。

在本实施例中，反馈模块2、功率级选择模块3和功率级模块4形成环路，反馈模块2用于将功率级模块4的输出电压VOUT的变化反馈至功率级选择模块3和功率级模块4，以对功率级模块4的输出电压VOUT进行调整。

具体地，LDO线性稳压器的工作模式包括空载工作模式和带载工作模式，需要说明的是，在本实施例中，空载工作模式设计为负载电流小于等于5μA，带载工作模式为负载电流大于5μA。

在本实施例中，当检测LDO线性稳压器在空载工作模式下，功率级选择模块3作为电流比较器，以使环路工作在两级级联结构，即在该工作模式下，反馈模块2与功率级模块4中的辅助功率管MP0形成两级级联结构。

当检测LDO线性稳压器在带载工作模式下，功率级选择模块3作为同相放大器，以使环路工作在三级级联结构，即在该工作模式下，反馈模块2、作为同相放大器的功率级选择模块3以及功率级模块4形成三级级联结构，其中，功率级模块4中的主功率管MP和辅助功率管MP0均打开。

进一步地，请参见图2，图2是本发明实施例提供的另一种无片外电容低功耗全范围稳定LDO线性稳压器的模块图，如图所示，在功率级模块4的输出端与反馈模块2的输出端之间设置有第一密勒补偿电容C_M1，第一密勒补偿电容C_M1用于在空载工作模式下对LDO线性稳压器电路进行密勒补偿。

进一步地，功率级模块4内设置有第二密勒补偿电容C_M2，第二密勒补偿电容C_M2用于在带载工作模式下对LDO线性稳压器电路进行密勒补偿。

本实施例的无片外电容低功耗全范围稳定LDO线性稳压器，通过实现自适应的动态环路控制，在带载工作模式下为三级环路结构，在空载工作模式下自动切换到二级环路结构，保证所有工作模式下的环路稳定性。

进一步地，请参见图3，图3是本发明实施例提供的一种无片外电容低功耗全范围稳定LDO线性稳压器的电路结构示意图，如图所示，偏置模块1包括第一MOS管M1和第二MOS管M2，其中，第一MOS管M1的栅极作为偏置模块1的输入端输入外接电压BIAS，源极连接接地端GND，漏极连接第二MOS管M2的漏极；第二MOS管M2的源极连接电源端VDD，栅极连接其漏极，漏极作为偏置模块1的输出端输出偏置电压。在本实施例中，偏置模块1输出P型偏置电压PBIAS，为P型MOS管提供偏置电压。

进一步地，反馈模块2包括第三MOS管M3、第四MOS管M4、第五MOS管M5和第六MOS管M6，其中，第三MOS管M3的栅极输入外接电压BIAS，源极连接接地端GND，漏极分别连接第四MOS管M4的漏极和第五MOS管M5的源极；第四MOS管M4的栅极输入第一外接参考电压VSET，源极连接功率级模块4的输出端；第五MOS管M5的栅极输入第二外接参考电压VREF，漏极作为反馈模块2的输出端输出反馈信号；第六MOS管M6的源极连接电源端VDD，漏极接第五MOS管M5的漏极，栅极连接偏置模块1的输出端。

进一步地，功率级选择模块3包括第七MOS管M7、第八MOS管M8、第九MOS管M9和第十MOS管M10，其中，第七MOS管M7的源极连接电源端VDD，栅极连接反馈模块2的输出端，漏极分别连接第八MOS管M8的漏极、第八MOS管M8的栅极以及第九MOS管M9的栅极；第八MOS管M8的源极和第九MOS管M9的源极均连接接地端GND，第九MOS管M9的漏极连接第十MOS管M10的漏极；第十MOS管M10的源极连接电源端VDD，栅极连接偏置模块1的输出端，漏极作为功率级选择模块3的输出端输出控制信号。

在本实施例中，第十MOS管M10连接偏置模块1的输出端，产生固定电流，用于使功率级选择模块3在空载工作模式时输出高电平，在带载工作模式时输出低电平，同时，在带载工作模式时功率级选择模块3作为同相放大器接入环路。

进一步地，功率级模块4包括主功率管MP和辅助功率管MP0，其中，主功率管MP的源极和辅助功率管MP0的源极均连接电源端VDD；辅助功率管MP0的栅极连接反馈模块2的输出端；主功率管MP的栅极连接功率级选择模块3的输出端；主功率管MP的漏极和辅助功率管MP0的漏极作为功率级模块4的输出端。

在本实施例中，辅助功率管MP0在全范围工作，主功率管MP在带载时打开，空载时关闭；

进一步地，在本实施例中，第一密勒补偿电容C_M1的一端连接第五MOS管M5的漏极，另一端分别连接主功率管MP的漏极和辅助功率管MP0的漏极，第一密勒补偿电容C_M1，用于对LDO线性稳压器进行密勒补偿，保证稳定性。第二密勒补偿电容C_M2串接在主功率管MP的栅极和漏极之间，第二密勒补偿电容C_M2用于耦合功率级模块4的输出电压VOUT的变化，使调整管更快响应。

需要说明的是，在本实施例中，当检测LDO线性稳压器在空载工作模式下，第四MOS管M4、第五MOS管M5和辅助功率管MP0形成环路，主功率管MP关断，同时，第一密勒补偿电容C_M1对LDO线性稳压器进行密勒补偿，保证稳定性。当检测LDO线性稳压器在带载工作模式下，第三MOS管M3、第四MOS管M4、第五MOS管M5、第六MOS管M6、第七MOS管M7、第八MOS管M8、第九MOS管M9、第十MOS管M10、主功率管MP和辅助功率管MP0，形成环路，同时，第一密勒补偿电容C_M1和第二密勒补偿电容C_M2对LDO线性稳压器进行密勒补偿，以保证系统稳定性和瞬态响应。

本实施例的无片外电容低功耗全范围稳定LDO线性稳压器，低功耗背景下，在FVF(The Flipped Voltage Follower，FVF)结构基础上添加一个辅助功率管MP0，通过设计，选择功率晶体管在二级和三级级联拓扑之间转换，空载情况下工作在两级环路，为单级米勒补偿；带载时为三级电路，采用嵌套密勒补偿(NMC)，将低频主极点放置在第一级输出，保证无片外电容LDO线性稳压器在任意负载模式下稳定性和瞬态响应的要求。解决了空载工作模式的稳定性问题，未增加结构复杂度以及额外静态电流，负载电流范围为0～20mA，无片外电容，结构简单。

实施例二

本实施例对实施例一的无片外电容低功耗全范围稳定LDO线性稳压器的工作原理进行了具体说明。

请参见图4，图4是本发明实施例提供的LDO线性稳压器在空载工作模式下的小信号模型图。当LDO线性稳压器处于空载工作模式时，结合参见图2，此时，辅助功率管MP0与第七MOS管M7作为一对电流比为M:1的电流镜，辅助功率管MP0在所有工作模式下均有电流流过，第七MOS管M7复制辅助功率管MP0电流能够检测到负载的变化。

在空载工作模式下，第七MOS管M7的静态电流I7＝ILOAD/M，第九MOS管M9被偏置，产生一个为ILOAD/M的电流，第十MOS管M10栅极接偏置模块1输出端，第十MOS管M10作为电流源，提供一个阈值电流ION，此时，ILOAD/M<ION，第十MOS管M10被迫工作在三极管区，节点电位VG被拉高到使主功率管MP关断的电位，此时，环路只包括了反馈级以及由辅助功率管MP0组成的功率级，LDO线性稳压器工作在二级增益状态。

如图4所示，在空载工作模式下的小信号模型的零点表示为：

主极点P1表示为：

次极点P2表示为：

带宽GBW1表示为：

其中，g_mp0表示辅助功率管MP0的等效跨导，r₀₁表示反馈模块的等效输出电阻，C₁表示反馈模块的等效输出电容，r_L表示负载电阻，C_L表示负载电容，g_m1表示反馈模块的等效跨导。

由于g_mp0远大于g_m1，由式(1)和(4)可知，零点在GBW外，同时通过第一密勒补偿电容C_M1的补偿，可以将主极点P1调整到低频位置，而把次极点P2挤到带宽外，使得此时的环路稳定。

请参见图5，图5是本发明实施例提供的LDO线性稳压器在带载工作模式下的小信号模型图。当LDO线性稳压器处于带载(重载)工作模式时，结合参见图2，与空载工作模式类似地，第九MOS管M9被偏置，产生一个为ILOAD/M的电流，第十MOS管M10栅极接偏置模块1输出端，第十MOS管M10作为电流源，提供一个阈值电流ION，此时，ILOAD/M>ION，VG被拉低，主功率管MP打开，第十MOS管M10开始在饱和区工作，第七MOS管M7，第八MOS管M8，第九MOS管M9和第十MOS管M10，作为同相放大器进入环路，LDO线性稳压器工作在三级增益状态，从而巧妙实现第七MOS管M7，第八MOS管M8，第九MOS管M9和第十MOS管M10的双重功能，优化了LDO线性稳压器性能，又节省了功耗面积，消除了多级结构中的最小负载电流和稳定性问题。在本实施例中，M＝10；在空载时，第十MOS管M10的电流I10设计为100nA，作为阈值电流。

如图5所示，在带载(重载)工作模式下的小信号模型的第一零点fz1表示为：

第二零点f_z2表示为：

主极点f_p1表示为：

第一次极点f_p2表示为：

第二次极点f_p3表示为：

带宽GBW2表示为：

其中，g_m1表示反馈模块的等效跨导，g_mb表示功率级选择模块的等效跨导，g_mp0表示辅助功率管MP0的等效跨导，g_mp表示主功率管MP的等效跨导，r₀₁表示反馈模块的等效输出电阻，C₁表示反馈模块的等效输出电容，r_0b表示功率级选择模块的等效输出电阻，C₂表示功率级选择模块的等效输出电容，R_oeq表示负载电阻，C_L表示负载电容。

第一密勒补偿电容C_M1的密勒效应决定了主极点的位置，为获得较好的相位裕度PM，主极点P1应位于低频处而2个非主极点P2和P3分别置于高频位置。对于一个三阶的巴特沃斯响应，采用极点分离法，增加输出级的跨导，使非主极点P2和P3频率至少是增益带宽积(GBW)的2倍和4倍，即：

应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”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。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种无片外电容低功耗全范围稳定LDO线性稳压器，其特征在于，包括：偏置模块(1)、反馈模块(2)、功率级选择模块(3)和功率级模块(4)，其中，

所述偏置模块(1)根据输入的外接电压(BIAS)产生偏置电压，用于为所述反馈模块(2)和所述功率级选择模块(3)提供偏置电压；所述反馈模块(2)用于根据所述功率级模块(4)的输出电压产生反馈信号；所述功率级选择模块(3)用于根据所述反馈信号，检测LDO线性稳压器的工作模式，并根据检测结果产生控制信号；所述功率级模块(4)用于根据所述反馈信号和所述控制信号调整其输出电压；

所述反馈模块(2)、所述功率级选择模块(3)和所述功率级模块(4)形成环路，以对所述功率级模块(4)的输出电压进行调整，当检测所述LDO线性稳压器在空载工作模式下，所述功率级选择模块(3)作为电流比较器，以使环路工作在两级级联结构，当检测所述LDO线性稳压器在带载工作模式下，所述功率级选择模块(3)作为同相放大器，以使环路工作在三级级联结构。

2.根据权利要求1所述的无片外电容低功耗全范围稳定LDO线性稳压器，其特征在于，所述功率级模块(4)的输出端与所述反馈模块(2)的输出端之间设置有第一密勒补偿电容(C_M1)，所述第一密勒补偿电容(C_M1)用于在空载工作模式下对LDO线性稳压器电路进行密勒补偿。

3.根据权利要求1所述的无片外电容低功耗全范围稳定LDO线性稳压器，其特征在于，所述功率级模块(4)内设置有第二密勒补偿电容(C_M2)，所述第二密勒补偿电容(C_M2)用于在带载工作模式下对LDO线性稳压器电路进行密勒补偿。

4.根据权利要求1所述的无片外电容低功耗全范围稳定LDO线性稳压器，其特征在于，所述偏置模块(1)包括第一MOS管(M1)和第二MOS管(M2)，其中，

所述第一MOS管(M1)的栅极作为所述偏置模块(1)的输入端输入所述外接电压(BIAS)，源极连接接地端(GND)，漏极连接所述第二MOS管(M2)的漏极；

所述第二MOS管(M2)的源极连接电源端(VDD)，栅极连接其漏极，漏极作为所述偏置模块(1)的输出端输出所述偏置电压。

5.根据权利要求1所述的无片外电容低功耗全范围稳定LDO线性稳压器，其特征在于，所述反馈模块(2)包括第三MOS管(M3)、第四MOS管(M4)、第五MOS管(M5)和第六MOS管(M6)，其中，

所述第三MOS管(M3)的栅极输入所述外接电压(BIAS)，源极连接接地端(GND)，漏极分别连接所述第四MOS管(M4)的漏极和所述第五MOS管(M5)的源极；

所述第四MOS管(M4)的栅极输入第一外接参考电压(VSET)，源极连接所述功率级模块(4)的输出端；

所述第五MOS管(M5)的栅极输入第二外接参考电压(VREF)，漏极作为所述反馈模块(2)的输出端输出所述反馈信号；

所述第六MOS管(M6)的源极连接电源端(VDD)，漏极接所述第五MOS管(M5)的漏极，栅极连接所述偏置模块(1)的输出端。

6.根据权利要求1所述的无片外电容低功耗全范围稳定LDO线性稳压器，其特征在于，所述功率级选择模块(3)包括第七MOS管(M7)、第八MOS管(M8)、第九MOS管(M9)和第十MOS管(M10)，其中，

所述第七MOS管(M7)的源极连接电源端(VDD)，栅极连接所述反馈模块(2)的输出端，漏极分别连接所述第八MOS管(M8)的漏极、所述第八MOS管(M8)的栅极以及所述第九MOS管(M9)的栅极；

所述第八MOS管(M8)的源极和所述第九MOS管(M9)的源极均连接接地端(GND)，所述第九MOS管(M9)的漏极连接所述第十MOS管(M10)的漏极；

所述第十MOS管(M10)的源极连接所述电源端(VDD)，栅极连接所述偏置模块(1)的输出端，漏极作为所述功率级选择模块(3)的输出端输出所述控制信号。

7.根据权利要求3所述的无片外电容低功耗全范围稳定LDO线性稳压器，其特征在于，所述功率级模块(4)包括主功率管(MP)和辅助功率管(MP0)，其中，

所述主功率管(MP)的源极和所述辅助功率管(MP0)的源极均连接电源端(VDD)；

所述辅助功率管(MP0)的栅极连接所述反馈模块(2)的输出端；

所述主功率管(MP)的栅极连接所述功率级选择模块(3)的输出端；

所述主功率管(MP)的漏极和所述辅助功率管(MP0)的漏极作为所述功率级模块(4)的输出端。

8.根据权利要求7所述的无片外电容低功耗全范围稳定LDO线性稳压器，其特征在于，所述第二密勒补偿电容(C_M2)串接在所述主功率管(MP)的栅极和漏极之间。

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