CN114138043B - 线性稳压电路及电子设备 - Google Patents

Abstract

一种线性稳压电路及电子设备，包括：误差放大器，用于对输入的参考电压和反馈电压进行误差放大；输出缓冲模块，与所述误差放大器连接，用于提高信号增益；功率输出模块，与所述输出缓冲模块连接，用于输出驱动电压；带宽调整模块，连接于所述误差放大器与所述输出缓冲模块之间，用于提高所述线性稳压电路的环路带宽。通过宽度调整模块，用于提高所述线性稳压电路的环路带宽，在空载到重载的瞬态响应时，提高了空载到重载过程的响应速度，提高了输出瞬态响应速度。

Description

线性稳压电路及电子设备

技术领域

本申请涉及电子技术领域，具体涉及一种线性稳压电路及电子设备。

背景技术

线性稳压电路，例如LDO(low dropout regulator，低压差线性稳压器)，是一种重要的电源类产品，广泛用于手机、电脑等消费类电子设备。随着电子设备对续航要求的提高，电源要求具备更高的效率，对低功耗LDO的需求越来越多，以提高在低负载情况下整个电路的效率，延长电源寿命。

但是现有的低功耗LDO电路因为要保持极低的静态功耗，轻载或空载时候的带宽很低，空载到重载的过程响应慢，输出瞬态响应差。

发明内容

鉴于此，本申请提供一种线性稳压电路及电子设备，以解决现有的低功耗LDO电路因为要保持极低的静态功耗，轻载或空载时候的带宽很低，空载到重载的过程响应慢，输出瞬态响应差的问题。

本申请提供的一种线性稳压电路，包括：误差放大器，用于对输入的参考电压和反馈电压进行误差放大；输出缓冲模块，与所述误差放大器连接，用于提高信号增益；功率输出模块，与所述输出缓冲模块连接，用于输出驱动电压；带宽调整模块，连接于所述误差放大器与所述输出缓冲模块之间，用于提高所述线性稳压电路的环路带宽。

可选的，所述线性稳压电路还包括频率补偿模块，连接于所述误差放大器和所述功率输出模块之间，用于形成一个零极点对以提高所述驱动电压的相位裕度。

可选的，所述带宽调整模块包括带宽调整单元；所述带宽调整单元的输入端与所述输出缓冲模块的输出端连接、输出端与所述误差放大器连接，用于在所述线性稳压电路从空载模式到重载模式时为所述误差放大器提供尾电流以提高所述线性稳压电路的环路带宽。

可选的，所述带宽调整单元包括至少一第一开关管、第二开关管和第三开关管；所述第一开关管的第二端连接电压源、第三端与所述输出缓冲模块连接、第一端与所述第二开关管和所述第三开关管的第三端连接，所述第二开关管和所述第三开关管的第二端接地、所述第二开关管的第一端与所述误差放大器连接，所述第三开关管的第一端与所述第一开关管的第一端连接。

可选的，所述误差放大器包括偏置电流单元和误差放大单元；所述偏置电流单元，用于提供偏置电流；所述误差放大单元，与所述偏置电流单元连接，用于在所述偏置电流的作用下对输入的参考电压和反馈电压进行误差放大。

可选的，所述偏置电流单元包括至少一电流源、第四开关管和第五开关管；所述误差放大单元包括至少一第六开关管、第七开关管、第八开关管和第九开关管；所述电流源的输入端与电压源连接、输出端与所述第四开关管的第一端连接，所述第四开关管的第二端接地、第三端接所述第五开关管的第三端，所述第五开关管的第二端接地，所述第五开关管的第一端与所述第六开关管和所述第七开关管的第二端连接，所述第六开关管的第三端接收所述反馈电压，所述第七开关管的第三端接收所述参考电压，所述第六开关管的第一端与所述第八开关管的第一端和第三端连接，所述第七开关管的第一端与所述第九开关管的第一端连接，所述第八开关管的第三端与所述第九开关管的第三端连接，所述第八开关管的第二端和所述第九开关管的第二端均连接所述电压源。

可选的，所述频率补偿模块包括至少一电阻电容单元；所述电阻电容单元的一端与所述第七开关管的第一端连接、另一端与所述功率输出模块连接，用于形成一个零极点对以提高所述线性稳压电路输出的驱动电压的相位裕度。

可选的，所述电阻电容单元包括至少一电阻和一电容，所述电阻的一端与所述第七开关管的第一端连接、另一端与所述电容的一端连接，所述电容的另一端与所述功率输出模块连接。

可选的，所述输出缓冲模块包括至少一第十开关管和第十一开关管；所述第十开关管的第二端与电压源连接、第三端与所述第一开关管的第三端、所述第十开关管的第一端和所述第十一开关管的第一端连接，所述第十一开关管的第二端接地，所述第十一开关管的第三端与所述第七开关管的第一端连接。

本申请还提供一种电子设备，包括所述的线性稳压电路。

本申请的线性稳压电路，通过宽度调整模块，可以提高所述线性稳压电路的环路带宽，在空载到重载的瞬态响应时，提高了空载到重载过程的响应速度，进而提高了线性稳压电路的输出瞬态响应速度。

进一步的，通过增加频率补偿模块，能对误差放大器的输出端分布的极点进行补偿，提高相位裕度。

进一步的，通过带宽调整单元在所述线性稳压电路从空载模式到重载模式时为所述误差放大器提供尾电流以提高所述线性稳压电路的环路带宽，以提高线性稳压电路的输出瞬态响应速度。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例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申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，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为一实施例的线性稳压电路的结构示意图；

图2为一实施例的线性稳压电路的结构示意图；

图3为一实施例的线性稳压电路的结构示意图。

具体实施方式

如背景技术所述，发明人研究发现，低功耗LDO电路因为要保持极低的静态功耗，轻载或空载时候的带宽很低，空载到重载的过程响应慢，输出瞬态响应差。

为了解决现有的低功耗LDO电路因为要保持极低的静态功耗，轻载或空载时候的带宽很低，空载到重载的过程响应慢，输出瞬态响应差的问题，本申请提供一种快速输出瞬态响应的线性稳压电路，通过宽度调整模块，在空载到重载的瞬态响应时，为误差放大器提供足够的尾电流，提高了信号带宽，提高了空载到重载过程的响应速度，输出瞬态响应快。

下面结合附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而非全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。在不冲突的情况下，下述各个实施例及其技术特征可以相互组合。

请参看图1，本申请一实施例的线性稳压电路的结构示意图。

本实施例的线性稳压电路，包括：误差放大器1、输出缓冲模块2、功率输出模块3和带宽调整模块4。

误差放大器1，用于对输入的参考电压VREF和反馈电压VFB进行误差放大。在可选的一种实施方式中，所述误差放大器包括偏置电流单元和误差放大单元；所述偏置电流单元，用于提供偏置电流；所述误差放大单元，与所述偏置电流单元连接，用于在所述偏置电流的作用下对输入的参考电压VREF和反馈电压VFB进行误差放大。

输出缓冲模块2，与所述误差放大器1连接，用于提高信号增益；

功率输出模块3，与所述输出缓冲模块2连接，用于输出驱动电压VOUT。本实施例中，所述功率输出模块3包括输出开关管和输出电阻；输出电阻包括第一输出电阻R0和第二输出电阻R1，第一输出电阻R0和第二输出电阻R1相串联。输出开关管包括二极管、三极管、场效应管、晶闸管、功率管等，优选为功率管M0。功率管M0的第三端(栅极)与输出缓冲模块2连接、第二端(源极)连接电压源VCC、第一端(漏极)通过所述第一输出电阻R0和第二输出电阻R1接地。

带宽调整模块4，连接于所述误差放大器1与所述输出缓冲模块2之间，用于提高所述线性稳压电路的环路带宽。

本申请的线性稳压电路为一种快速输出瞬态响应的线性稳压电路，通过宽度调整模块，用于提高所述线性稳压电路的环路带宽，在空载到重载的瞬态响应时，提高了空载到重载过程的响应速度，提高了输出瞬态响应速度。

请参看图2，本申请一实施例的线性稳压电路的结构示意图。

所述线性稳压电路还包括频率补偿模块5，连接于所述误差放大器1和所述功率输出模块3之间，用于形成一个零极点对以提高所述驱动电压的相位裕度。

所述频率补偿模块3包括至少一电阻电容单元；所述电阻电容单元的一端与所述误差放大器1连接、另一端与所述功率输出模块4连接，用于形成一个零极点对以提高所述线性稳压电路输出的驱动电压的相位裕度。所述电阻电容单元包括至少一电阻和一电容，所述电阻的一端与所述误差放大器1连接、另一端与所述电容的一端连接，所述电容的另一端与所述功率输出模块4连接。所述电阻电容单元为密勒补偿电路，所述电容可以为密勒补偿电容。该电阻为固定电阻，也可以为可调电阻。

在驱动电流变高时，误差放大器1处分布的极点由于补偿电路的补偿效果而降低成为主极点，通过增大零点可以补偿线性稳压电路输出端处变高的非主极点，从而提高线性稳压电路的稳定性，还有利于将误差放大器输出端处的非主极点推至高频，实现这些非主极点跟主极点更进一步的分离，从而进一步增加相位裕度，因此能更进一步地提高系统稳定性。另外，在驱动电流变低时，线性稳压电路输出端处输出电阻变大，线性稳压电路输出端处分布的极点变低为主极点，并且随驱动电流增加会越来越向原点靠近，误差放大器由于补偿电路的补偿作用，产生的极点也较低频，主极点与非主极点的距离变小，相位裕度就会比较小，这时通过降低零点可以补偿非主极点，提高相位裕度，拉大主极点与非主极点的距离从而确保系统的稳定性。

因此，通过增加频率补偿模块5，能对误差放大器1的输出端分布的极点进行补偿，提高相位裕度，当电阻电容单元中的电阻为可调电阻时，还能根据驱动电流的变化进行动态调节零点，使得零点变化跟随极点的变化，从而提升系统的稳定性。

在可选的一种实施方式中，所述带宽调整模块包括带宽调整单元；所述带宽调整单元的输入端与所述输出缓冲模块的输出端连接、输出端与所述误差放大器连接，用于在所述线性稳压电路从空载模式到重载模式时为所述误差放大器提供尾电流以提高所述线性稳压电路的环路带宽。带宽调整单元包括镜像电流源和恒定电流源。

通过带宽调整单元在所述线性稳压电路从空载模式到重载模式时为所述误差放大器提供尾电流以提高所述线性稳压电路的环路带宽，以提高线性稳压电路的输出瞬态响应速度。

在可选的另一种实施方式中，所述带宽调整单元包括至少一第一开关管、第二开关管和第三开关管；所述第一开关管的第二端连接电压源、第三端与所述输出缓冲模块连接、第一端与所述第二开关管和所述第三开关管的第三端连接，所述第二开关管和所述第三开关管的第二端接地、所述第二开关管的第一端与所述误差放大器连接，所述第三开关管的第一端与所述第一开关管的第一端连接。第一开关管、第二开关管和第三开关管包括二极管、三极管、场效应管、晶闸管、功率管等，优选为功率管。

通过第一开关管、第二开关管和第三开关管在输出驱动电压VOUT从空载到重载的瞬态响应时，为误差放大器提供足够的尾电流，提供更大的驱动电流，使输出驱动电压快速稳定到设定值，以提高电路响应速度。在其他可选的实施方式中，带宽调整单元包括多个开关管。

在可选的另一种实施方式中，所述偏置电流单元包括至少一电流源、第四开关管和第五开关管；所述误差放大单元包括至少一第六开关管、第七开关管、第八开关管和第九开关管；所述电流源的输入端与电压源连接、输出端与所述第四开关管的第一端(漏极)连接，所述第四开关管的第二端(源极)接地、第三端(栅极)接所述第五开关管的第三端，所述第五开关管的第二端接地，所述第五开关管的第一端与所述第六开关管和所述第七开关管的第二端连接，所述第六开关管的第三端接收所述反馈电压，所述第七开关管的第三端接收所述参考电压，所述第六开关管的第一端与所述第八开关管的第一端和第三端连接，所述第七开关管的第一端与所述第九开关管的第一端连接，所述第八开关管的第三端与所述第九开关管的第三端连接，所述第八开关管的第二端和所述第九开关管的第二端均连接所述电压源。本实施例中的第四开关管、第五开关管、第六开关管、第七开关管、第八开关管和第九开关管包括二极管、三极管、场效应管、晶闸管、功率管等，优选为功率管。第四开关管、第五开关管、第六开关管、第七开关管、第八开关管和第九开关管的数量可以为多个。

在可选的一种实施方式中，所述输出缓冲模块包括至少一第十开关管和第十一开关管；所述第十开关管的第二端与电压源连接、第三端与所述第一开关管的第三端、所述第十开关管的第一端和所述第十一开关管的第一端连接，所述第十一开关管的第二端接地，所述第十一开关管的第三端与所述第七开关管的第一端连接。第十开关管和第十一开关管包括二极管、三极管、场效应管、晶闸管、功率管等，优选为功率管。

请参看图3，本申请一实施例的线性稳压电路的电路图。

本实施例的线性稳压电路为一种具有快速输出瞬态响应的低功耗电路。

其中，带宽调整单元41包括第一开关管M1、第二开关管M2和第三开关管M3；所述偏置电流单元11包括电流源I、第四开关管M4和第五开关管M5；所述误差放大单元12包括第六开关管M6、第七开关管M7、第八开关管M8和第九开关管M9；所述输出缓冲模块2包括第十开关管M10和第十一开关管M11。所述频率补偿模块5包括一个电阻电容单元51；所述电阻电容单元51包括一个电阻R2和一个电容C0；所述功率输出模块3包括输出功率管M0和输出电阻，该输出电阻包括第一输出电阻R0和第二输出电阻R1。所述功率输出模块3还包括输出电容C1，电容C1连接于第二输出电阻R1的两端，用于对反馈电压VFB进行滤波，提高信号的准确性。本实施例中，开关管M1到M11均为功率管。

所述电流源I的输入端与电压源VCC连接、输出端与所述第四开关管M4的漏极连接，所述第四开关管M4的源极接地、栅极接所述第五开关管M5的栅极，所述第五开关管M5的源极接地，所述第五开关管M5的漏极与所述第六开关管M6和所述第七开关管M7的源极连接，所述第六开关管M6的栅极接收所述反馈电压VFB，所述第七开关管M7的栅极接收所述参考电压VREF，所述第六开关管M6的漏极与所述第八开关管M8的漏极和栅极连接，所述第七开关管M7的漏极与所述第九开关管M9的漏极连接并输出一中间输出电压EA_OUT，所述第八开关管M8的栅极与所述第九开关管M9的栅极连接，所述第八开关管M8的源极和所述第九开关管M9的源极均连接所述电压源VCC。所述第十开关管M10的源极与电压源VCC连接、栅极与所述第一开关管M1的栅极和所述第十开关管M10的漏极和所述第十一开关管M11的漏极连接，所述第十一开关管M11的源极接地，所述第十一开关管M11的栅极与所述第七开关管M7的漏极连接。所述第一开关管M1的源极连接电压源VCC、栅极与第十开关管M10的栅极连接、漏极与所述第二开关管M2和所述第三开关管M3的漏极连接，所述第二开关管M2和所述第三开关管M3的源极接地、所述第二开关管M2的漏极与第五开关管M5的漏极连接，所述第三开关管M3的漏极与所述第一开关管M1的漏极连接。所述电阻R2的一端与所述第七开关管M7的漏极连接、另一端与所述电容C0的一端连接，所述电容C0的另一端与功率管M0的漏极连接。功率管M0的源极与电压源VCC连接、栅极与第十一开关管M11的栅极连接，功率管M0的漏极依次与第二输出电阻R1、第一输出电阻R0依次连接，第一输出电阻R0一端接地，第一输出电阻R0和第二输出电阻R1构成反馈分压电阻，第一输出电阻R0和第二输出电阻R1的连接端输出反馈电压VFB。功率输出模块3还包括滤波电容C1，滤波电容C1的两端与第二电阻R1的两端并联。功率管M0的漏极用于输出驱动电压VOUT。

本实施例的线性稳压电路中，第四开关管M4和第五开关管M5为电流镜，为误差放大器提供偏置电流；第八开关管M8和第九开关管M9为误差放大器的有源负载。

第一开关管M1、第十开关管M10和第十一开关管M11用于负载检测调节，根据负载调节信号带宽。具体的，第十开关管M10和第十一开关管M11构成镜像电流源，在线性稳压电路在空载的时候，第十开关管M10和第十一开关管M11不提供镜像电流，保持低功耗，在线性稳压电路在输出连接负载的时候，第十开关管M10和第十一开关管M11镜像输出电流到误差放大器，提供尾电流，提高线性稳压电路的环路带宽。

第十开关管M10和第十一开关管M11构成的缓冲电路能将误差放大信号输出作用至功率管M0的控制端(即栅端)，还能提供额外的输出电流作用到功率管M0的栅端，增强功率管M0的导通特性，因此该缓冲电路可以提高单位增益的输出能力，实现功率级输出电路输出大的驱动电流。

电容C1与输出反馈电阻形成一个零极点对，用于提高相位裕度。

具体的，线性稳压电路在轻载时，即线性稳压电路提供的驱动电流较小时，线性稳压电路输出端产生的输出电阻比较大，因此输出端处分布的极点变低成为主极点，且随驱动电流的增大会更靠近原点，误差放大器输出端处分布的极点为非主极点，但由于被补偿电路补偿，也向低频移动，因此两个极点都较低，因此相位裕度小，线性稳压电路会不稳定。因此在轻载时通过频率补偿电路可以得到一低频的零点来补偿相位裕度，可以提高线性稳压电路的稳定性。

重载时，即线性稳压电路提供的驱动电流变大，输出电阻减小，线性稳压电路输出端处分布的极点变高而成为非主极点，而误差放大器的输出端处分布的极点由于被补偿电路补偿，变得较低而成为了主极点，此时需要一个零点来补偿变高的非主极点，所以频率补偿电路产生一个相比于轻载时向高频移动的零点来补偿非主极点，补偿电路还有利于将误差放大器输出端处的极点推至高频，实现跟主极点的分离，从而增加相位裕度，从而提高系统的稳定性。

电容C1与电阻R0、R1形成一个零点Z0＝1/(2π*R1*C1)

和一个极点P0＝1/(2π*R1//R0*C1)，其中符合“//”表示或的关系。

由于，零点会超前极点，会提供额外相位裕度，提高了带宽和响应速度，并且不会影响电路功耗。

另外，通过电容C0和电阻R2跨接在输出级和误差放大器之间，既给低功耗LDO提供了频率补偿，又提高了输出瞬态响应速度。

本实施例的线性稳压电路，当输出驱动电压VOUT从空载到重载的瞬态响应时，输出电压的变化会在中间输出电压EA_OUT和驱动电压VOUT之间的电阻R2和电容C0上产生电流，该电流使得中间输出电压EA_OUT即第十一开关管M11的栅极电压下拉，第十一开关管M11和第十开关管M10构成一个源跟随器，进而会驱动第十开关管M10并镜像到输出功率管M0，从而驱动输出电压回到设定值，另外第十开关管M10的电流也会镜像到第一开关管M1、第二开关管M2和第三开关管M3，为误差放大器提供足够的尾电流，进一步拉低第十一开关管M11的栅极电压，提供更大的驱动电流，使输出驱动电压稳定到设定值。该设定值为LDO电路的目标输出电压值，当输出有负载瞬态时，LDO输出的电压会低于这个设定电压值，当LDO电路检测到输出的电压与设定值之间存在误差后会通过环路调整输出的电压回到目标输出值。

本发明的实施例还提供一种包括上述线性稳压电路的电子设备，例如充电器、智能终端等。该电子设备采用上述的线性稳压电路，提高了电子设备的响应速度。

以上所述仅为本申请的实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，例如各实施例之间技术特征的相互结合，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种线性稳压电路，其特征在于，包括：

误差放大器，用于对输入的参考电压和反馈电压进行误差放大；

输出缓冲模块，与所述误差放大器连接，用于提高信号增益；

功率输出模块，与所述输出缓冲模块连接，用于输出驱动电压；

带宽调整模块，连接于所述误差放大器与所述输出缓冲模块之间，用于提高所述线性稳压电路的环路带宽；

所述带宽调整模块包括带宽调整单元；所述带宽调整单元的输入端与所述输出缓冲模块的输出端连接、输出端与所述误差放大器连接，用于在所述线性稳压电路从空载模式到重载模式时为所述误差放大器提供尾电流以提高所述线性稳压电路的环路带宽；

所述带宽调整单元包括至少一第一开关管、第二开关管和第三开关管；所述第一开关管的第二端连接电压源、第三端与所述输出缓冲模块的输出端连接、第一端与所述第二开关管和所述第三开关管的第三端连接，所述第二开关管和所述第三开关管的第二端接地、所述第二开关管的第一端与所述误差放大器连接，所述第三开关管的第一端与所述第一开关管的第一端连接。

2.如权利要求1所述的线性稳压电路，其特征在于，所述线性稳压电路还包括频率补偿模块，连接于所述误差放大器和所述功率输出模块之间，用于形成一个零极点对以提高所述驱动电压的相位裕度。

3.如权利要求2所述的线性稳压电路，其特征在于，所述误差放大器包括偏置电流单元和误差放大单元；

所述偏置电流单元，用于提供偏置电流；

所述误差放大单元，与所述偏置电流单元连接，用于在所述偏置电流的作用下对输入的参考电压和反馈电压进行误差放大。

4.如权利要求3所述的线性稳压电路，其特征在于，所述偏置电流单元包括至少一电流源、第四开关管和第五开关管；

所述误差放大单元包括至少一第六开关管、第七开关管、第八开关管和第九开关管；

所述电流源的输入端与电压源连接、输出端与所述第四开关管的第一端连接，所述第四开关管的第二端接地、第三端接所述第五开关管的第三端，所述第五开关管的第二端接地，所述第五开关管的第一端与所述第六开关管和所述第七开关管的第二端连接，所述第六开关管的第三端接收所述反馈电压，所述第七开关管的第三端接收所述参考电压，所述第六开关管的第一端与所述第八开关管的第一端和第三端连接，所述第七开关管的第一端与所述第九开关管的第一端连接，所述第八开关管的第三端与所述第九开关管的第三端连接，所述第八开关管的第二端和所述第九开关管的第二端均连接所述电压源。

5.如权利要求4所述的线性稳压电路，其特征在于，所述频率补偿模块包括至少一电阻电容单元；

所述电阻电容单元的一端与所述第七开关管的第一端连接、另一端与所述功率输出模块连接，用于形成一个零极点对以提高所述线性稳压电路输出的驱动电压的相位裕度。

6.如权利要求5所述的线性稳压电路，其特征在于，所述电阻电容单元包括至少一电阻和一电容，所述电阻的一端与所述第七开关管的第一端连接、另一端与所述电容的一端连接，所述电容的另一端与所述功率输出模块连接。

7.如权利要求6所述的线性稳压电路，其特征在于，所述输出缓冲模块包括至少一第十开关管和第十一开关管；

所述第十开关管的第二端与电压源连接、第三端与所述第一开关管的第三端、所述第十开关管的第一端和所述第十一开关管的第一端连接，所述第十一开关管的第二端接地，所述第十一开关管的第三端与所述第七开关管的第一端连接。

8.一种电子设备，其特征在于，包括权利要求1-7中任意一项所述的线性稳压电路。

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