CN114281142A - 一种高瞬态响应的无片外电容ldo - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高瞬态响应的无片外电容LDO,在现有LDO基础上,将反馈电阻网络产生的反馈电压通过额外的一条反馈支路引回到LDO的基准电路,这样基准电路所产生的基准电流大小就可以通过反馈电压的大小来调整,该基准电流作为输入误差放大器的尾电流管的尾电流,通过提高尾电流来提高误差放大器的摆率,提高了LDO的瞬态特性,从而减小了LDO的过冲电压和恢复时间。与通过增加数字控制环路、摆率增强电路来提高LDO的瞬态响应的方式相比,本发明提供的方法切实有效,电路结构简单易于实现,且静态功耗低,没有往误差放大器电路中引入额外的极、零点,不影响系统本身的稳定性。

Description

一种高瞬态响应的无片外电容LDO
技术领域
本发明涉及一种线性稳压器,具体涉及一种LDO低压差线性稳压器。
背景技术
LDO(low dropout regulator,低压差线性稳压器)用于给其他电路供电,提供高精度的输出电压和极低的电压纹波。LDO作为电源管理芯片中的一种类型在电子产品中应用广泛。而消费类电子产品不仅仅对电路所使用的电源要求有高的噪声和纹波抑制,并要求其静态功耗尽可能的低,占用PCB板面积小。低功耗无片外电容便针对于此类应用场合应运而生。
如图1所示,LDO的结构主要包括基准电路、误差放大器、功率器件、反馈电阻网络和辅助电路。其中,误差放大器和功率器件为LDO的核心模块,通过反馈电阻网络构成一个负反馈闭环系统。基本工作原理是反馈电阻网络采样输出电压,得到反馈电压,误差放大器将反馈电压和基准电压之间的误差放大,控制功率器件导通状态,从而得到额外的输出电压。当LDO输出电压下降时,通过反馈电阻网络提供反馈信号,误差放大器同向输入端的电压下降,并通过和误差放大器反向输入端的基准电压进行比较,调整误差放大器的输出信号VOPOUT,从而驱使功率器件对外提供更大的电流,抬升LDO的输出电压;反之,当LDO输出电压上升时,通过反馈电阻网络提供反馈信号,误差放大器同向输入端的电压上升,并通过和误差放大器反向输入端的基准电压进行比较,调整误差放大器的输出信号VOPOUT,驱使功率器件减小对外提供的电流,拉低LDO的输出电压。
当LDO的负载电流发生突变或者功率器件输出电流发生突变时,会造成LDO输出电压的剧烈波动,反馈电阻网络产生的反馈电压VFB也随之剧烈波动。当VFB的电压值超过误差放大器的输入电压范围后,误差放大器即进入饱和状态。此时误差放大器将根据自身的输出电流特性对功率管的栅电容进行充放电。
因此,在低功耗无片外电容的LDO设计中,过冲电压和恢复时间是一个比较棘手的问题。首先,低功耗意味着芯片的静态电流必然设计得非常低,第一级放大器和第二级放大器只能使用很少的偏置电流,这就需要更长的时间来对其负载电容进行充放电,这就造成了最大过冲电压的上升。而无片外电容的设计则造成了LDO负载端电容的减小,这对与过冲电压的影响是非常直接的,当负载电容从1uF减小到1nF时,过冲电压理论上可直接上升三个数量级。
现有技术下解决低功耗无片外电容的LDO瞬态响应问题的方法主要基于以下两种思路:一是利用数字控制方式对功率器件进行额外的充放电电流补充;二是增加额外的模拟控制环路给功率器件,以此来提高额外的充放电电流,此环路一般称之为摆率增强电路。第一种思路基于当功率器件的输出电流与负载电流不相同时,利用数字开关的方式通过额外的支路给负载端提供或泄放电流。此种方式的好处在于当负载端电流无突变时数字部分的电路支路关断,无静态功耗。而且数字控制方式反应速度快,可有效降低LDO的过冲电压。不足之处在于额外补充的电流大小不易控制,电流太大易造成LDO工作不稳定、输出电压振荡,电流过小则造成LDO的恢复时间过长,增强其瞬态响应的效果不明显。
第二种思路比较常见,常见的结构有直馈检测、推挽级电路和动态偏置电流调整。直馈检测的方式采用直接对反馈电压点进行检测的方式,把检测出来的过冲或跌落电压直接通过额外的支路来放大,再将放大信号分别来控制并联在调整管和反馈电路旁的副控制管,进而来提高LDO的瞬态响应能力。此方案结构较为简单且调整效果明显,不足之处在于能供调整的负载电流能力太低,而且静态功耗比较大。推挽级电路连接在误差放大器的输出端和功率器件的输入端之间,其基本原理就是扩展功率管栅极电压的变化范围,从而增大功率器件输出电流的变化率,进而来提高LDO的瞬态响应能力。此方案不仅仅能够提高LDO的瞬态响应特性,还能有效的分离主次极点,提高系统的稳定性。不足之处在于电压调整能力过小,可供调整的负载电流范围太小,增强LDO的瞬态响应的效果不明显,且电路的引入降低了误差放大器整体的增益,降低了LDO输出电压的精度。动态偏置电流调整电路采用了电压检测和放大电路将输出电压的过冲和跌落放大后给偏置电流增强电路,当负载电流突变时导致偏置支路的偏置电流增强,进而提高比较电路的尾电流源大小,从而提高对调整管的调整能力。此方案可以有效化解高瞬态响应特性和低功耗之间的矛盾,不足之处在于电压检测和放大电路敏感度低,对器件尺寸和工艺偏差要求高。
发明内容
发明目的:针对上述现有技术,提出一种高瞬态响应的无片外电容LDO,能够在LDO负载端电流突变时较快恢复。
技术方案:一种高瞬态响应的无片外电容LDO,包括LDO主体电路以及基准电流调整电路;
所述LDO主体电路包括基准电路、误差放大器、功率器件以及反馈电阻网络;
所述基准电路用于输出基准电压和基准电流;
所述误差放大器用于对所述基准电压和所述反馈电阻网络的反馈电压进行差分放大后,输出所述功率器件的调整电压;
所述功率器件用于根据输入电压和所述调整电压获得压降电压,当所述压降电压保持恒定时,获得所述输出电压;
所述反馈电阻网络用于对所述输出电压进行采样获得所述反馈电压,并将所述反馈电压输出至所述误差放大器;
所述基准电流调整电路用于根据所述反馈电压来调整所述基准电路输出的基准电流的大小,所述基准电流输入所述误差放大器的尾电流管,所述基准电流与所述反馈电压正相关。
进一步的,所述基准电流调整电路包括同相比例运算器;所述基准电路包括基准电流源,所述基准电流源包括PMOS管M1、PMOS管M2、PMOS管M5、NMOS管M3、NMOS管M4、NMOS管M6以及电阻R1;PMOS管M1、PMOS管M2及PMOS管M5的源极均连接VDD,PMOS管M1的漏极连接NMOS管M3的漏极,PMOS管M2的漏极连接NMOS管M4的漏极,PMOS管M1、PMOS管M2及PMOS管M5的栅极相连并连接PMOS管M2的漏极,NMOS管M3和NMOS管M4的栅极相连并连接PMOS管M1的漏极,NMOS管M3的源极连接NMOS管M6的漏极,NMOS管M6的源极连接电阻R1的一端,电阻R1的另一端以及NMOS管M4的源极均接地;所述NMOS管M6的栅极连接所述同相比例运算器的输出端,所述PMOS管M5的漏极输出所述基准电流。
一种实现无片外电容LDO高瞬态响应的方法,对所述LDO的输出电压进行采样获得反馈电压,根据所述反馈电压调整输入到所述LDO中误差放大器的尾电流大小,所述尾电流与所述反馈电压正相关。
有益效果:本发明通过检测反馈电压的值来调整基准电流的方式从而增强无片外电容LDO的瞬态响应。与通过增加数字控制环路、摆率增强电路来提高LDO的瞬态响应的方式相比,本发明提供的方法切实有效,电路结构简单易于实现,且静态功耗低,没有往误差放大器电路中引入额外的极、零点,不影响系统本身的稳定性。
附图说明
图1为现有的LDO结构示意图;
图2为本发明的LDO结构示意图;
图3为本发明中基准电流调整电路与基准电流源的电路图;
图4为本发明的原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
如图2所示,一种高瞬态响应的无片外电容LDO,包括LDO主体电路以及基准电流调整电路。
LDO主体电路包括基准电路、误差放大器、功率器件以及反馈电阻网络。基准电路用于输出基准电压和基准电流。误差放大器用于对基准电压和反馈电阻网络的反馈电压进行差分放大后,输出功率器件的调整电压。功率器件为PMOS功率管,功率器件用于根据输入电压和调整电压获得压降电压,当压降电压保持恒定时,获得输出电压。反馈电阻网络用于对输出电压进行采样获得反馈电压,并将反馈电压输出至误差放大器。
基准电流调整电路用于根据反馈电压来调整基准电路输出的基准电流的大小,基准电流输入误差放大器的尾电流管,基准电流与反馈电压正相关。
本发明在现有LDO结构的基础之上,将反馈电阻网络产生的反馈电压VFB通过额外的一条反馈支路,即基准电流调整电路引回到LDO的基准电路,这样基准电路所产生的基准电流大小就可以通过反馈电压VFB的大小来调整。当LDO输出电压出现过冲电压时,反馈电压VFB随之增加,经过基准电流调整电路之后输出一个电压信号或电流信号给基准电路,提高输出的基准电流的大小,该基准电流作为输入误差放大器的尾电流管的尾电流,通过提高尾电流来提高误差放大器的摆率,提高了LDO的瞬态特性,从而减小了LDO的过冲电压和恢复时间。
由过冲电压
Figure BDA0003427866410000041
可知,造成LDO过冲电压的主要原因是功率器件输出电流和LDO的负载电流之间的差值电流。其中,CL为负载电容,在无片外电容的LDO的设计中,CL一般都较小;IDS,POW(τ)为PMOS功率管的漏级电流,IOUT(τ)为LDO的输出电流,ΔIOUT(τ)为IDS,POW(τ)和IOUT(τ)的差值电流,t0为负载发生变化的起始时间。由此可见,如图4所示,减小过冲电压大小的途径还可以经过减小差值电流存在的时间来实现,即提高功率器件输出电流的变化率。功率器件为功率管,功率器件的输出电流具体是通过误差放大器的输出电压控制功率管的栅极来实现的。因此,提高误差放大器的输出电压变化率就是提高功率管栅极电压的变化率、功率管输出电流的变化率。误差放大器的输出电压变化率与误差放大器的摆率正相关,误差放大器的摆率与误差放大器的尾电流大小正相关,因此,本发明通过在负载电流发生突变的时候动态的调整误差放大器的尾电流管的电流大小来改善LDO的瞬态响应。
如图3所示,基准电流调整电路包括同相比例运算器,基准电路包括一个基准电流源。基准电流源包括PMOS管M1、PMOS管M2、PMOS管M5、NMOS管M3、NMOS管M4、NMOS管M6以及电阻R1。PMOS管M1、PMOS管M2及PMOS管M5的源极均连接VDD;PMOS管M1的漏极连接NMOS管M3的漏极,PMOS管M2的漏极连接NMOS管M4的漏极;PMOS管M1、PMOS管M2及PMOS管M5的栅极相连并连接PMOS管M2的漏极;NMOS管M3和NMOS管M4的栅极相连并连接PMOS管M1的漏极;NMOS管M3的源极连接NMOS管M6的漏极,NMOS管M6的源极连接电阻R1的一端,电阻R1的另一端以及NMOS管M4的源极均接地;NMOS管M6的栅极连接同相比例运算器的输出端,PMOS管M5的漏极输出基准电流Iref,为LDO中误差放大器的尾电流管提供尾电流。
上述电路中,NMOS管M6工作在可变电阻区,充当一个阻值可变的电阻。反馈电压VFB经过一个同相比例运算电路对其放大后加到NMOS管M6的栅极,由MOS管线性区电阻公式
Figure BDA0003427866410000051
可知,改变栅极电压大小就改变其电阻值。而由基准电流源电路可得,流经PMOS管M1、PMOS管M2的漏源电流为
Figure BDA0003427866410000052
Figure BDA0003427866410000053
从而可知,改变电阻值就改变了基准电流源的输出电流大小;其中,中W/L为PMOS管M1、PMOSM2的宽长比,电阻Rs为NMOS管M6和电阻R1的阻值之和,K为NMOS管M3、NMOS管M4的宽长比的比值,μn为NMOS管的载流子迁移率,Cox为栅氧化层电容。
一种实现无片外电容LDO高瞬态响应的方法,对LDO的输出电压进行采样获得反馈电压,根据反馈电压调整输入到LDO中误差放大器的尾电流大小,尾电流与反馈电压正相关。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种高瞬态响应的无片外电容LDO,其特征在于,包括LDO主体电路以及基准电流调整电路;
所述LDO主体电路包括基准电路、误差放大器、功率器件以及反馈电阻网络;
所述基准电路用于输出基准电压和基准电流;
所述误差放大器用于对所述基准电压和所述反馈电阻网络的反馈电压进行差分放大后,输出所述功率器件的调整电压;
所述功率器件用于根据输入电压和所述调整电压获得压降电压,当所述压降电压保持恒定时,获得所述输出电压;
所述反馈电阻网络用于对所述输出电压进行采样获得所述反馈电压,并将所述反馈电压输出至所述误差放大器;
所述基准电流调整电路用于根据所述反馈电压来调整所述基准电路输出的基准电流的大小,所述基准电流输入所述误差放大器的尾电流管,所述基准电流与所述反馈电压正相关。
2.根据权利要求1所述的高瞬态响应的无片外电容LDO,其特征在于,所述基准电流调整电路包括同相比例运算器;所述基准电路包括基准电流源,所述基准电流源包括PMOS管M1、PMOS管M2、PMOS管M5、NMOS管M3、NMOS管M4、NMOS管M6以及电阻R1;PMOS管M1、PMOS管M2及PMOS管M5的源极均连接VDD,PMOS管M1的漏极连接NMOS管M3的漏极,PMOS管M2的漏极连接NMOS管M4的漏极,PMOS管M1、PMOS管M2及PMOS管M5的栅极相连并连接PMOS管M2的漏极,NMOS管M3和NMOS管M4的栅极相连并连接PMOS管M1的漏极,NMOS管M3的源极连接NMOS管M6的漏极,NMOS管M6的源极连接电阻R1的一端,电阻R1的另一端以及NMOS管M4的源极均接地;所述NMOS管M6的栅极连接所述同相比例运算器的输出端,所述PMOS管M5的漏极输出所述基准电流。
3.一种实现无片外电容LDO高瞬态响应的方法,其特征在于,对所述LDO的输出电压进行采样获得反馈电压,根据所述反馈电压调整输入到所述LDO中误差放大器的尾电流大小,所述尾电流与所述反馈电压正相关。
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