CN113970949B - 一种快速响应的高速线性稳压器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种快速响应的高速线性稳压器,包括PMOS管P1、P2、P3、P4和NMOS管N1、N2构成第一级运算放大器,NMOS管N3、N4、N5以及电阻R2和电阻R1构成第二级运算放大器,NMOS管Nc和电容Cc构成动态补偿电路,第一和第二两级运算放大器、PMOS功率管Ppower以及电阻Rfb1和Rfb2构成反馈网络,通过电阻Rfb1与电阻Rfb2连接点产生的反馈电压fb连接P4的栅极与连接P3栅极的基准电压Vref进行比较,控制PMOS功率管Ppower产生稳定的输出电压Vout,Vout=Vref(Rfb1+Rfb2)/Rfb2。
Description
技术领域
本发明涉及电源管理芯片,尤其涉及一种快速响应的高速线性稳压器,属于集成电路技术领域。
背景技术
随着便携式电子产品的广泛使用于工作和生活的各个方面,对供电电源的性能提出了更高的要求,尤其是系统的抗干扰能力、低电压工作能力以及低功耗等等。线性稳压器(LDO)电源可以提供优良的抗电源干扰能力和低噪声特性,被广泛应用于电路设计中,但是随着通信技术的发展,对电子终端的导通时间、切换时间和关闭时间等性能提出了更高的要求,因此需要模拟集成电路具有更快的响应速度,而负责为模拟集成电路提供直流工作点的电源偏置电路首当其冲。LDO电路作为一种常用的电源偏置电路,面临着减少响应时间的迫切要求。
如图1,传统的LDO电路偏置和基准用于提供基准电压和偏置电流的参考电压,Rfb1和Rfb2为反馈电阻网络,反馈电压为fb,P11/P12/P13/P14/N11/N12/N13/RC/CC组成两级运放,通过比较基准电压和反馈电压fb,来控制功率管Ppower输出电压Vout稳定。其中运放的第一级只有P11供电,是固定的偏置电流,导致运放的带宽受限;运放的第二级由电流源P12和输出管N13组成,会在在功率管Power的栅极形成一个大的极点,会明显影响环路稳定性。此外,Rc和Cc组成固定补偿,针对全负载范围的应用,只能补偿负载范围的一端,要么轻载,要么重载,不能实现全负载范围内补偿的兼顾。
中国专利ZL 201710905386.4提供了一种快速响应LDO电路,通过AB类驱动电路实现很小的静态功耗情况下产生很大的电流驱动,在功耗一定的情况下加快了功率管控制端信号的建立,进而加快了环路的调整速度;申请号为201711004540.7的中国专利申请也提供了一种LDO电路,通过采用瞬态反应电路实现快速响应输出电压的变化,迅速调节功率器件的驱动电压,进而改善LDO电路的瞬态特性,增加LDO电路的交流精度。
上述两种现有技术LDO电路的不足在于:增加了电路级数和反馈电容,会影响电路的环路稳定性,甚至会恶化原LDO电路的性能;并且不能根据负载变化实时调节快速响应电路,从而局限了应用范围。芯片面积和成本大幅增加,因此并不适用于目前的便携式设备的发展趋势。
发明内容
为解决现有技术存在的缺陷,本发明提供一种快速响应的高速线性稳压器,可以明显提升LDO的环路带宽,在显著提升响应速度的基础上还可以明显降低成本,简化芯片的外围电路。
为实现上述发明目的,本发明采用的技术方案如下:一种快速响应的高速线性稳压器,其特征在于,包括PMOS管P1、P2、P3、P4和Ppower,NMOS管N1、N2、N3、N4和Nc,电阻R1、R2、Rfb1、Rfb2和Rload以及电容Cc1和电容Cout;
PMOS管P1的栅极连接偏置和基准模块的输出的偏置电压BIAS,PMOS管P1的漏极与PMOS管P2的漏极互连并连接PMOS管P3的源极和衬底以及PMOS管P4的源极和衬底,PMOS管P3的栅极连接偏置和基准模块输出的基准电压Vref,PMOS管P3的漏极连接NMOS管N1的漏极和栅极以及NMOS管N2的栅极,NMOS管N1的源极和衬底与NMOS管N2的源极和衬底、NMOS管Nc的源极和衬底、NMOS管N3的源极和衬底以及NMOS管N4的源极和衬底连接在一起并接地,NMOS管N2的漏极连接PMOS管P4的漏极和电容Cc1的一端、NMOS管Nc的栅极以及NMOS管N3的栅极和NMOS管N4的栅极,电容Cc1的另一端连接NMOS管Nc的漏极,NMOS管N3的漏极连接NMOS管N5的栅极和电阻R2的一端,NMOS管N4的漏极连接NMOS管N5的源极和衬底以及PMOS管P2的栅极、电阻R1的一端和PMOS管Ppower的栅极,PMOS管Ppower的源极和衬底与电阻R1的另一端和NMOS管N5的漏极、电阻R2的另一端、PMOS管P1的源极和衬底以及PMOS管P2的源极和衬底连接在一起并连接电源电压VIN,PMOS管Ppower的漏极连接电阻Rfb1的一端、电容Cout的一端和电阻Rload的一端并输出电压Vout,电阻Rfb1的另一端与电阻Rfb2的一端连接,电阻Rfb1与电阻Rfb2的连接端产生的反馈电压fb连接PMOS管P4的栅极,电阻Rfb2的另一端以及电容Cout的另一端和电阻Rload的另一端均接地。
所述PMOS管P1与PMOS管P2、PMOS管P3、PMOS管P4、NMOS管N1和NMOS管N2构成运算放大器的第一级,NMOS管N3与NMOS管N4、NMOS管N5、电阻R2和电阻R1构成运算放大器的第二级,NMOS管Nc和电容Cc构成动态补偿电路,第一、第二两级运算放大器、PMOS管Ppower以及电阻Rfb1和Rfb2构成反馈网络,通过电阻Rfb1与电阻Rfb2连接点产生的反馈电压fb与基准电压Vref进行比较,控制PMOS管Ppower产生稳定的输出电压Vout,Vout=Vref*(Rfb1+Rfb2)/Rfb2。
进一步地,所述PMOS管P1、PMOS管P2、PMOS管P3、PMOS管P4和PMOS管Ppower均为增强PMOS管,其中PMOS管Ppower为高速线性稳压器的输出功率管。
进一步地,所述NMOS管N1、NMOS管N2、 NMOS管N3、NMOS管N4、NMOS管N5和NMOS管Nc均为增强NMOS管。
本发明的优点及显著效果:与现有技术图1相比较,在运放的第二级,引入N5构成NMOS输出的跟随器,作为输出power栅极的上拉电阻,降低输出阻抗,提升上拉能力;增加下拉NMOS管N4的尺寸,增强下拉能力;在运放的第一级中引入随负载增加而增加的动态偏置电流源P2,从而提升补偿电容Cc1的上电速度;同时采用动态补偿(Nc和Cc1)替代固定补偿(Rc和Cc),以实现全负载范围内的环路稳定性。在运放的第一级、第二级驱动能力显著提升的基础上,由于又引入动态补偿来保证全范围环路稳定性,可以明显提升LDO的环路带宽,从而可以在显著提升响应速度的基础上还可以明显降低成本,简化芯片的外围电路。
附图说明
图1为传统的LDO电路。
图2为本发明快速响应的高速LDO电路。
具体实施方式
在图2为本发明快速响应的高速LDO电路图中,偏置和基准模块分别用于提供运放所需要PMOS电流源偏置电压BIAS,和基准电压Vref。其中P1/P2/P3/P4/Ppower为增强PMOS管,并且Ppower为LDO的输出功率管。N1/N2/N3/N4/N5/Nc为增强NMOS管。R1/R2/Rfb1/Rfb2为电阻,Cc为补偿电容,Cout为输出电容,Rload为负载电阻。
P1和P2的源衬相接,连接至VIN。P1的栅极接偏置和基准模块的BIAS电压。P1的漏极和P2的漏极一起连接至P3及P4的源衬。P3的栅极接基准电压Vref。P3的漏极接N1的栅漏极,和N2的栅极。N1、N2、Nc、N3、N4的源衬相接,连接至地。N2的漏极接P4的漏极、Nc的栅极、补偿电容Cc的上极板、N3和N4的栅极。P4的栅极接至Rfb1和Rfb2的交点fb处。Cc的下级板接Nc的漏极。N3的漏极接N5的栅极和电阻R2的一端。R2的另一端和N5的漏极接至VIN。N5的源衬相接,连接N4的漏极、Ppower的栅极、P2的栅极、电阻R1的一端。R1的另一端和Ppower的源衬一起,连接至VIN。Ppower的漏极接Rfb1的一端、Cout的上极板、Rload的一端和Vout。Rfb1的另一端与Rfb2的一端连接, Rfb1与Rfb2的连接端产生的反馈电压fb连接P4的栅极,Rfb2和Rload另一端、Cout的下级板一起接地。
本发明图2的运行方式如下:
P1/P2/P3/P4/N1/N2组成运放的第一级,Nc和Cc构成动态补偿电路,N3/N4/N5/R2/R1构成运放的第二级,用于驱动Ppower的栅极。两级运放、输出管Ppower以及反馈电阻Rfb1和Rfb2形负反馈环路,通过比较反馈电压fb和基准电压Vref,从而控制输出管Ppower产生稳定的输出Vout,并且Vout=Vref*(Rfb1+Rfb2)/Rfb2。其中P1/P3/P4/N1/N2与现有技术图1第一级运放结构P11/P13/P14/N11/N12相同,但元器件参数有调整。且图2中增加了P2管作为运放第一级中的动态电流源,可以随负载电流增加而增加。N3/N4/N5/R2/R1构成运放的第二级,改进了图1现有技术,采用跟随器N5大幅提升了栅极驱动能力,并且由于跟随器的低输出阻抗,将功率管Ppower的栅电容形成的极点推向带宽范围外,在提升响应速度的基础上,还可显著提升环路稳定性。此外,采用动态补偿替代图1传统的固定补偿,补偿电阻随负载电流增加而减小,有利于补偿全负载范围内的环路稳定性,对宽带宽应用的适用性更强。
当反馈节点fb处的电压等于基准电压Vref时,误差放大器是平衡的,此时线性稳压器的输出稳定。当负载减小,反馈fb电压大于基准电压Vref时,误差放大器的平衡被打破,P3电流大于P4,N1串联P3,并且和N2镜像相等的电流,因此N2电流大于P4。从而导致增强管N3和N4的栅极电压下降,漏极电流减小。由于R2和N3串联,因此R2的分压减小,即N5的栅极上升,同时N4电流减小,导致N5的源极电位也上升。造成Ppower的栅极上升,漏极电流减小。负载分压减小,进而造成反馈电阻Rfb2的分压减小,即反馈电压FB减小,直至反馈电压重新等于基准电压Vref,此时,误差放大器被平衡。同理,当负载增加,反溃电压fb小于基准电压Vre3时,P4电流大于P3,进而大于N2电流,即增强管N3栅极电压上升,增强管N3漏极电流增加。由于R2和N3串联,因此R2的分压增加,即N5的栅极下降,同时N4电流增加,导致N5的源极电位也下降。造成Ppower的栅极下降,漏极电流增加。负载分压增加,进而造成反馈电阻Rfb2的分压增加,即反馈电压FB增加,直至反馈电压重新等于基准电压Vref,此时,误差放大器被平衡。
空载时,由于负载电流为0,Ppower管输出电流只有反馈电阻的电流,在uA级别,因此P2镜像Ppower的电流可以忽略不计,运放只有P1供电,因此可以实现空载时的低功耗。
带载时,由于Ppower管输出负载电流增加,P2电流增加,此时运放的偏置电流由P1和P2共同提供,增加了偏置电流,明显提升了运放第一级对补偿电容的充电速度。同时,运放的第二级,由于N5作为跟随器引入,输出阻抗很小,N4可以增加尺寸以提供强下拉作用,但是此处Ppower栅极极点由于N5的低阻抗而被推远,从而有利于实现宽带宽的应用,提升响应速度。此外,补偿方式采用动态补偿,补偿电阻随负载电流增加而减小,有利于补偿全负载范围内的环路稳定性,对宽带宽应用的适用性更强。
综上所述,由于本发明线性稳压器采用了运放第一级的动态偏置,运放第二级的跟随器结构以及动态补偿,相比于传统的线性稳压器,可以显著增加带宽,进而实现快速响应的高速LDO电路。
Claims (4)
1.一种快速响应的高速线性稳压器,其特征在于,包括PMOS管P1、P2、P3、P4和Ppower,NMOS管N1、N2、N3、N4和Nc,电阻R1、R2、Rfb1、Rfb2和Rload以及电容Cc1和电容Cout;
PMOS管P1的栅极连接偏置和基准模块的输出的偏置电压BIAS,PMOS管P1的漏极与PMOS管P2的漏极互连并连接PMOS管P3的源极和衬底以及PMOS管P4的源极和衬底,PMOS管P3的栅极连接偏置和基准模块输出的基准电压Vref,PMOS管P3的漏极连接NMOS管N1的漏极和栅极以及NMOS管N2的栅极,NMOS管N1的源极和衬底与NMOS管N2的源极和衬底、NMOS管Nc的源极和衬底、NMOS管N3的源极和衬底以及NMOS管N4的源极和衬底连接在一起并接地,NMOS管N2的漏极连接PMOS管P4的漏极和电容Cc1的一端NMOS管Nc的栅极以及NMOS管N3的栅极和NMOS管N4的栅极,电容Cc1的另一端连接NMOS管Nc的漏极,NMOS管N3的漏极连接NMOS管N5的栅极和电阻R2的一端,NMOS管N4的漏极连接NMOS管N5的源极和衬底以及PMOS管P2的栅极、电阻R1的一端和PMOS管Ppower的栅极,PMOS管Ppower的源极和衬底与电阻R1的另一端和NMOS管N5的漏极、电阻R2的另一端、PMOS管P1的源极和衬底以及PMOS管P2的源极和衬底连接在一起并连接电源电压VIN,PMOS管Ppower的漏极连接电阻Rfb1的一端、电容Cout的一端和电阻Rload的一端并输出电压Vout,电阻Rfb1的另一端与电阻Rfb2的一端连接,电阻Rfb1与电阻Rfb2的连接端产生的反馈电压fb连接PMOS管P4的栅极,电阻Rfb2的另一端以及电容Cout的另一端和电阻Rload的另一端均接地。
2.根据权利要求1所述的快速响应的高速线性稳压器,其特征在于,所述PMOS管P1与PMOS管P2、PMOS管P3、PMOS管P4、NMOS管N1和NMOS管N2构成第一级运算放大器,NMOS管N3与NMOS管N4、NMOS管N5、电阻R2和电阻R1构成第二级运算放大器,NMOS管Nc和电容Cc1构成动态补偿电路,第一和第二两级运算放大器、PMOS管Ppower以及电阻Rfb1和Rfb2构成反馈网络,通过电阻Rfb1与电阻Rfb2连接点产生的反馈电压fb与基准电压Vref进行比较,控制PMOS管Ppower产生稳定的输出电压Vout,Vout=Vref*(Rfb1+Rfb2)/Rfb2。
3.根据权利要求1所述的快速响应的高速线性稳压器,其特征在于,所述PMOS管P1、PMOS管P2、PMOS管P3、PMOS管P4和PMOS管Ppower均为增强PMOS管,其中PMOS管Ppower为高速线性稳压器的输出功率管。
4.根据权利要求1所述的快速响应的高速线性稳压器,其特征在于,所述NMOS管N1、NMOS管N2、 NMOS管N3、NMOS管N4、NMOS管N5和NMOS管Nc均为增强NMOS管。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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