CN114510107A

CN114510107A - 一种改善全负载稳定性的ldo电路

Info

Publication number: CN114510107A
Application number: CN202210418076.0A
Authority: CN
Inventors: 杨国江; 王海波
Original assignee: Jiangsu Changjing Technology Co ltd
Current assignee: Jiangsu Changjing Technology Co ltd
Priority date: 2022-04-21
Filing date: 2022-04-21
Publication date: 2022-05-17
Anticipated expiration: 2042-04-21
Also published as: CN114510107B

Abstract

一种改善全负载稳定性的LDO电路，采用双控制环路，LDO电路的误差放大器EA的输出连接环路1和环路2的输入端，环路1和环路2的输出共同连接LDO的输出端Vout，通过一个负载检测电路检测负载电流，控制环路2的工作状态，负载轻载时，环路1工作，环路2被关闭；当负载增加到高于负载检测电路的门限值，即变为重载时，环路2开启，环路1和环路2同时工作。本发明提供一种能够改善全负载稳定性的LDO电路，通过利用两个控制环路来降低轻载时LDO传输晶体管的栅极电容，从而将轻载时的传输晶体管的栅极极点推远，并且引入密勒补偿，进一步将负载极点推远，可以明显改善宽带宽应用中，轻载和重载稳定性不能兼容的问题。

Description

一种改善全负载稳定性的LDO电路

技术领域

本发明属于集成电路技术领域，涉及线性稳压器，尤其涉及一种改善全负载稳定性的低压差线性稳压器LDO电路。

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，其对供电电源的性能提出了更高的要求，尤其是集成度、系统成本以及性能指标等等。低压差线性稳压器LDO（Low Dropout Linear voltage regulator）属于电源中的一种降压电路，从原理上来将，低压差线性稳压器LDO根据负载电阻的变化情况来调节自身的输出阻抗，从而维持输出电压保持稳定。LDO现有基本的电路，为图1所示传统现有的LDO的结构。在图1中，误差放大器EA的输出接传输晶体管，传输晶体管为PMOS管Ppower，Ppower的漏极为输出端Vout，并通过反馈电阻R1和R2分压产生反馈电压VFB，反馈输出到误差放大器EA的正相端，基准电压Vref接误差放大器EA的负相端。

当负载电流在大范围变化时，包括变大或者变小，LDO需要快速响应来满足这种负载要求，LDO电路是否可以维持稳定的输出，其中一个重要的技术要求就是要有合适的频率补偿，以保证LDO系统环路稳定，不会出现振荡。LDO电路具有两个低频极点，一个是传输晶体管的栅极极点，一个是输出端的极点，也称为负载极点，为保证LDO稳压器的频率稳定性和足够的相位裕度，两个极点间距即两者的比值应足够大。但是现有的LDO电路只有反馈电阻网络R1/R2、误差放大器EA、功率管Ppower构成的一个控制环路，所配置的补偿电路的补偿电阻R和补偿电容C都是固定的，补偿零点为fz，fz=1/2πRC，即补偿零点是固定的。而Ppower管的栅极由于有较大的电容，会引入一个高频的栅极极点，同时输出极点为fo，fo=1/(2π*Rload*Cout)=Iload/(2π*Vout*Cout)，Rload为负载电阻，Cout 为补偿电容，Iload为负载电流，Vout 为负载电压，由此可见fo是随负载电流变化的，fo随着LDO稳压器的输出电流的增大，逐渐向高频移动，使栅极极点和输出极点fo的间距缩小，造成频率稳定性变差。固定补偿零点只能够针对特定的某一负载条件实现最佳的补偿效果，对其他负载情况的补偿效果就会减弱，对于输出负载发生大范围变化的情况，就会导致轻载和重载的稳定状况不能兼容。

采用相位裕度PM对负载电流Iload的关系图来说明LDO稳定性和负载的关系。众所周知，相位裕度PM大于45°的系统比较稳定，低于45°，稳定性变差，小于0时甚至会出现震荡。图2所示为传统LDO的采用RC补偿偏向轻载的补偿效果图，由于补偿偏向轻载，因此在轻载时相位裕度PM远大于45°，整个LDO电路的系统环路稳定性很好，但是在重载部分，相位裕度开始下降，远低于45°，甚至可能会出现负值，导致系统出现震荡，即LDO电路的电压输出出现振荡。图3所示为传统LDO的采用RC补偿偏向重载的补偿效果图，由于补偿偏向重载，因此在重载时相位裕度远大于45°，环路稳定性很好，但是在轻载部分，相位裕度开始下降，远低于45°，甚至可能会出现负值，导致系统出现震荡。特别是对于快速瞬态响应的宽带宽应用，宽带宽应用是指需要快速的应用，对应频率高，那么就会更容易受到其他影响而不稳定，现有LDO电路由于会在带宽范围内引入Ppower管栅极的极点，因此系统的稳定性会出现明显的减弱。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术中，当负载电流在大范围变化时，现有LDO电路无法维持稳定的输出，对轻载和重载的稳定状况不能兼容，无法适用于快速瞬态响应的宽带宽应用要求。

本发明采用的技术方案如下：一种改善全负载稳定性的LDO电路，线LDO电路采用双控制环路，LDO电路的误差放大器EA的输出分别连接环路1和环路2的输入端，环路1和环路2的输出共同连接LDO的输出端Vout，LDO电路的输出端Vout经反馈电阻Rfb1和Rfb2分压产生反馈电压fb，与基准电压Vref一起输入误差放大器EA；LDO电路通过一个负载检测电路检测负载电流，并控制环路2的工作状态，负载轻载时，环路1工作，环路2被关闭，当负载增加到高于负载检测电路的门限值，即变为重载时，环路2开启，环路1和环路2同时工作；误差放大器EA还配设有补偿电容Cc和补偿电阻Rc，补偿电容Cc和补偿电阻Rc串联为RC固定补偿电路，输出端Vout和误差放大器EA之间还跨接有密勒补偿电容Cm；

其中，环路1包括N1、P1、R3、R4和Ppower1，N1栅极作为环路1的输入端，N1源衬相接并接地，N1的漏极连接P1和Ppower1的栅极，并经R4连接LDO电路的输入端VIN，P1栅漏相连，源极串联R3后与衬底并联连接输入端VIN，Ppower1源衬相接，Ppower1的漏极连接LDO电路的输出端Vout；

环路2包括N2、N3、P2、R1、R2和Ppower2，N2栅极作为环路2的输入端，N2源衬相接并接地，N2的漏极连接N3的源衬，N3的栅极接负载检测电路的输出端，N3的漏极连接P2和Ppower2的栅极，并经R2连接LDO电路的输入端VIN，P2栅漏相连，源极串联R1后与衬底并联连接输入端VIN，Ppower2源衬相接，Ppower2的漏极连接LDO电路的输出端Vout；

所述N1、N2和N3为N型增强MOS管，P1、P2、Ppower1和Ppower2为P型增强MOS管，R1、R2、R3和R4为环路电阻，负载检测电路通过控制N3的通断控制环路2的关闭或开启。

进一步的，Ppower1为环路1控制的功率管，Ppower2为环路2控制的功率管，Ppower1和Ppower2的宽长比的尺寸比例大于50：1。

进一步的，负载检测电路包括N型耗尽管ND1、N型增强MOS管N4以及施密特触发器SFF，ND1的漏极接输入端VIN，栅源衬相接，并连接N4的漏极和施密特触发器SFF的输入端In，施密特触发器SFF的输出连接环路2中N3的栅极，N4的源衬相接并接地，N4的栅极连接误差放大器EA的输出。

进一步的，N4和环路1的N1的宽长比成比例，使得N4和Ppower1中的负载电流也成比例，ND1提供参考电流源，作为基准电流源用于和N4的电流比较，通过ND1和N1/N4尺寸来设置负载检测电路的门限值Ilimit，用于启动环路2。

本发明针对快速响应的宽带宽应用场合，提供一种能够改善低压差线性稳压器全负载稳定性的电路，通过双环路来兼容轻载和负载两种情况。快速响应是指针对负载快速变化的快速响应，而宽带宽指的是应用频率指标，本发明双环路的电路结构相同，环路2仅比环路1多一个开关N3，用于启动或关断环路2，根据重载设计电路参数，即补偿偏向重载，补偿由两个环路分担，重载时两个环路一起工作，轻载时只有一个环路工作，重载时Ppower1和Ppower2共同作为LDO的传输晶体管，LDO中的栅极电容为Ppower1和Ppower2栅极电容之和，轻载时关闭环路2后，由于只有环路1的传输晶体管Ppower1工作，LDO中的栅极电容降低，从而使得轻载时的传输晶体管的栅极极点推远，即远离单位增益频率点，并且引入密勒补偿，进一步将负载极点推远，推到单位增益频率点以外，从而可以明显改善宽带宽应用中，轻载和重载稳定性不能兼容的问题。

附图说明

图1为传统现有的LDO的电路示意图。

图2传统LDO的采用RC补偿偏向轻载的补偿效果图。

图3传统LDO的采用RC补偿偏向重载的补偿效果图。

图4为本发明的实现全负载范围稳定性的宽带宽LDO原理图。

图5为本发明的实现全负载范围稳定性的宽带宽LDO电路实施例图。

图6为本发明应用的一种反相施密特触发器SFF的电路示意图。

具体实施方式

本发明针对现有技术存在的缺陷，提供一种在快速响应的宽带宽应用中，改善低压差线性稳压器全负载稳定性的电路。本发明通过利用两个控制环路来降低轻载时传输晶体管栅极电容，从而将轻载时的传输晶体管栅极极点推远，并且引入密勒补偿，将负载极点推远，可以明显改善宽带宽应用中，轻载和重载稳定性不能兼容的问题。

下面结合附图说明本发明的实施。

如图4所示，为本发明一种改善全负载稳定性的LDO电路的一个实施例。采用双控制环路，包括N型增强MOS管N1、N2和N3，P型增强MOS管P1、P2、Ppower1和Ppower2，控制环路电阻R1、R2、R3和R4，反馈电阻Rfb1和Rfb2，以及负载检测电路；LDO电路的误差放大器EA的输出连接控制环路1和控制环路2的输入端以及补偿电阻Rc和电容Cc。其中补偿电阻Rc和电容Cc代表误差放大器EA的固定补偿，具体位置会由于运放结构不同，而存在于运放内部的不同位置。LDO电路的输出端Vout经反馈电阻Rfb1和Rfb2分压产生反馈电压fb，与基准电压Vref一起输入误差放大器EA；误差放大器的正相端接基准电压Vref，负相端接Rfb1和Rfb2产生的反馈电压fb。

其中，环路1包括N1、P1、R3、R4和Ppower1，N1栅极作为环路1的输入端，N1源衬相接并接地，N1的漏极连接P1和Ppower1的栅极，并经R4连接LDO电路的输入端VIN，P1栅漏相连，源极串联R3后与衬底并联连接输入端VIN，Ppower1源衬相接，Ppower1的漏极连接LDO电路的输出端Vout；环路2包括N2、N3、P2、R1、R2和Ppower2，N2栅极作为控制环路2的输入端，N2源衬相接并接地，N2的漏极连接N3的源衬，N3的栅极接负载检测电路的输出端，N3的漏极连接P2和Ppower2的栅极，并经R2连接LDO电路的输入端VIN，P2栅漏相连，源极串联R1后与衬底并联连接输入端VIN，Ppower2源衬相接，Ppower2的漏极连接LDO电路的输出端Vout。本发明电路中，负载检测电路用于检测负载电流，通过控制N3的通断控制环路2的开关，当负载轻载时，环路1工作，环路2被关闭；当负载增加到高于负载检测电路的门限值，即变为重载时，环路2开启，环路1和环路2同时工作。作为优选，Ppower1和Ppower2的宽长比的尺寸比例大于50：1。

除了补偿电阻Rc和电容Cc组成的固定补偿，本发明LDO电路还包括密勒补偿电容Cm，密勒补偿电容Cm跨接在输出端Vout和误差放大器EA之间。本发明改善全负载特性一方面由双环路实现负载从小到大的范围，同时还需要配合密勒补偿电容Cm以及Rc&Cc固定补偿。

另外，对于LDO电路的输出，还根据实际电路需要可以配合设置输出电容Cout及其等效电阻Resr，负载Rload与输出电容Cout及其等效电阻Resr并联在Vout与地电位之间。

本发明电路的工作原理为：误差放大器EA检测基准电压Vref和反馈电压fb，通过控制环路1和环路2的工作状态，实现全负载稳定的输出电压Vout。负载检测电路通过N3来控制环路2是否接入EA的控制。

设置负载检测电路开启环路2的门限为Ilimit，当负载电流低于Ilimit时，负载检测电路关闭N3，那么Ppower2由于R2电阻将栅极拉至VIN而关闭，因此，环路2关闭。EA通过Rfb1和Rfb2检测Vout电压的分压fb，和基准电压Vref比较，从而控制N1的电流。由于N1和P1串联，同时Ppower1镜像P1电流，因此Ppower1的输出电流也受到EA的控制。当负载Rload减小，输出电流增加时，输出电压Vout降低，导致fb<Vref，因此EA输出电压升高。众所周知，NMOS管的栅源电压增加，漏端电流增加，因此N1的电流增加。N1和P1串联，电流相同，又由于Ppower1和P1镜像，因此Ppower1的电流增加，从而保持Vout维持稳定。

当负载电流高于Ilimit时，负载检测电路开启N3，N2受到EA控制，同时N2和P2串联而电流相等。Ppower2镜像P2的电流，因此Ppower2也受到EA的控制。由于N2和N1同时受到EA的控制，Ppower2和Ppower1一起输出电流，因此，环路2和环路1同时工作。当负载Rload减小，输出电流增加时，输出电压Vout降低，导致fb<Vref，因此EA输出电压升高，使得N1和N2的电流增加，导致P1和P2的电流增加，同时镜像的Ppower1和Ppower2的输出电流增加，从而保持Vout维持稳定。

图5是进一步表明了误差放大器EA和负载检测电路的电路示意图。其中BIAS为P型电流源的偏置电压，SFF为施密特触发器。ND1为N型耗尽管，N4、N11、N12为N型增强MOS，P11、P12、P13为P型增强MOS。Rc和Cc分别为误差放大器的补偿电阻和电容。

本实施例中，误差放大器EA由P11、P12、P13、N11、N12，配设Rc和Cc也属于EA的一部分，密勒补偿点电容Cm跨接在N11的栅漏和LDO的输出端Vout之间。P11的源衬接输入端VIN，栅极接BIAS电压，漏极接P12和P13的源衬。P12的栅极连接基准电压Vref，漏极接N11的栅漏和N12的栅极。N11和N12的源衬接地。N12的漏极接P13的漏极，N12的漏极作为误差放大器的输出，Rfb1和Rfb2产生的反馈电压fb输入P13的栅极，Rc和Cc串联为RC补偿电路并联在N12的漏极于地电位之间。

负载检测电路由ND1，N4以及施密特触发器SFF组成。连接关系为：ND1的漏极接输入端VIN，栅源衬相接，并连接N4的漏极以及施密特触发器SFF的输入端In。施密特触发器SFF的输出控制N3的栅极。N4的源衬相接接地。

图5的电路中，当环路2关闭时，Vout输出的电流只来源于Ppower1，同时Ppower1的电流镜像于P1，而P1和N1串联而电流相等，因此Ppower1电流和N1电流成比例。在负载检测电路中，N4和N1的宽长比成比例，使得N4和Ppower1中的负载电流也成比例，由ND1提供参考电流源，ND1的电流源作为基准电流源用于和N4的电流比较。可以根据实际应用情况，通过ND1和N1/N4尺寸来设置负载门限Ilimit，用于启动环路2。当负载电流低于负载检测门限电流Ilimit时，N4镜像电流低于ND1的电流，因此施密特触发器SFF输入端In为高电位，同时SFF输出为低电位，关闭N3，即关闭环路2。当负载电流高于负载检测门限电流Ilimit时，N4镜像电流高于ND1的电流，因此施密特触发器SFF输入端In为低电位，输出为高电位，开启N3，即将环路2和环路1并联，同时工作。

本发明通过这种双环路控制的方式可以将传输晶体管栅极电容带来的极点影响降低，避免对全负载环路的稳定性影响。环路2的功率管Ppower2和环路1的功率管Ppower1，比例大于50：1，从而降低轻载时的传输晶体管栅极处电容及其极点。

另外本发明引入Cm密勒电容接入运放，利用其极点分裂特性，在内部设置一个主极点，同时将输出Vout的负载极点推远，避免负载变化对环路的影响。

图6为本发明使用的反相施密触发器SFF，提供电压整形作用。具体连接关系为：PA/PB/PC为P型增强MOS，NA/NB/NC为N型增强MOS，RP和RN为电阻。PA源衬相接、PB和PC的衬底一起连接至VIN，PA漏极连接PB和PC的源极。PB的漏极连接NB漏极，PC和NC的栅极，以及输出Out。NB的源极接NA的漏极。NA的源衬相接、NB和NC的衬底一起接至地。PA、PB、NA、NB的栅极连接至输入端In。PC的漏极接RP的一端。RP的另一端接至地。NC的漏极接RN的一端。RN的另一端接至VIN。

综合以上，本发明提出一种改善宽带宽低压差线性稳压器全负载稳定性电路，采用双控制环路，其中轻载时环路1工作，环路2关闭，重载时环路1和环路2共同工作。从而降低轻载时的传输晶体管栅极处电容及其极点。另外，运放有补偿电阻和补偿电容构成的RC固定补偿网络，并且引入密勒补偿电容，将负载极点推远，避免负载极点对环路稳定性的影响。本发明结合双环路控制和密勒补偿，能够针对宽带宽应用，实现包含轻载和重载的全负载范围内的最佳补偿。

Claims

1.一种改善全负载稳定性的LDO电路，其特征在于LDO电路采用双控制环路，LDO电路的误差放大器EA的输出分别连接环路1和环路2的输入端，环路1和环路2的输出共同连接LDO的输出端Vout，LDO电路的输出端Vout经反馈电阻Rfb1和Rfb2分压产生反馈电压fb，与基准电压Vref一起输入误差放大器EA；LDO电路通过一个负载检测电路检测负载电流，并控制环路2的工作状态，负载轻载时，环路1工作，环路2被关闭，当负载增加到高于负载检测电路的门限值，即变为重载时，环路2开启，环路1和环路2同时工作；误差放大器EA还配设有补偿电容Cc和补偿电阻Rc，补偿电容Cc和补偿电阻Rc串联为RC固定补偿电路，输出端Vout和误差放大器EA之间还跨接有密勒补偿电容Cm；

2.根据权利要求1所述的一种改善全负载稳定性的LDO电路，其特征在于Ppower1为环路1控制的功率管，Ppower2为环路2控制的功率管，Ppower1和Ppower2的宽长比的尺寸比例大于50：1。

3.根据权利要求1所述的一种改善全负载稳定性的LDO电路，其特征在于负载检测电路包括N型耗尽管ND1、N型增强MOS管N4以及施密特触发器SFF，ND1的漏极接输入端VIN，栅源衬相接，并连接N4的漏极和施密特触发器SFF的输入端In，施密特触发器SFF的输出连接环路2中N3的栅极，N4的源衬相接并接地，N4的栅极连接误差放大器EA的输出。

4.根据权利要求3所述的一种改善全负载稳定性的LDO电路，其特征在于N4和环路1的N1的宽长比成比例，使得N4和Ppower1中的负载电流也成比例，ND1提供参考电流源，作为基准电流源用于和N4的电流比较，通过ND1和N1/N4尺寸来设置负载检测电路的门限值Ilimit，用于启动环路2。