CN115309221A - 应用于ldo的快速瞬态响应增强电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于LDO的快速瞬态增强电路，该结构改善了传统LDO负载发生瞬态时，过冲及下冲电压过大，稳定时间过长的问题。通过引入push‑pull的放大器结构，使得当瞬态发生变化时，对功率管充放电的变化电流加倍。另外利用push‑pull放大器两支路电流可复制的特点，将放大器的两路电流成倍复制出去分别进行同相和反相的减法运算，从而控制两路瞬态增强电路的开通和关断，由于瞬态增强电流是由电流镜复制得到，在一定程度上能控制瞬态增强电流的大小，本发明的瞬态响应速度对比传统的LDO电路有了显著的提升。
Description
技术领域
本发明属于模拟电源管理技术领域，涉及一种应用于LDO的快速瞬态响应增强电路。
背景技术
随着手机，电脑等便携式电子产品的普及，对电源管理芯片的输出精度和负载瞬态能力提出了要求。低压差线性稳压器(LDO)在电源管理芯片中具有结构简单，规模小，成本低，抗噪声强的特点，在小型电子产品中得到了广泛应用。
图1为传统的LDO，由基准电压源，误差放大器，功率管和反馈电路构成，当负载发生变化时，通过负反馈回路调节功率管栅极电压，为负载提供相应电流的同时，保证输出电压的稳定性。但在传统电路中，负载调整能力有限，不能及时的做出响应，从而产生过冲或下冲时钟的现象，经过一段时间才能恢复输出值。
当负载电流在很短的时间内发生瞬态变化时，由轻载变为重载时，由于功率管的栅极没有办法立刻做出响应进行电压的调整，此时由负载电容为负载提供相应的电流，从而使得输出电压降低，经过反馈回路栅极电压响应进行降低时，提供负载电流后，输出电压升高到稳定输出电压值，输出电压瞬态呈现先降低在升高的情况；相应地，由重载变为轻载时，由于功率管的栅极没有办法立刻做出响应升高，输出电压会先升高再降低，最终稳定。当负载发生瞬态变化时，功率管栅极没有办法通过误差放大器立即升高，从而出现过冲和下冲的现象。由于功率管用于驱动后级电路，宽长比很大，栅极电容也随之增大，当负载发生瞬态变化时，栅极的摆率较小，导致电路的瞬态响应较差。而其它一些通过增强功率管栅极摆率的方式提升瞬态响应的电路，往往只是通过控制充放电MOS管的开通与关断进行瞬态改善，并不能控制瞬态增强电路充放电电流的大小，从而改善能力有限，且不易控制。
发明内容
本发明的目的是提供一种应用于LDO的快速瞬态响应增强电路，解决了传统LDO电路瞬态响应差以及现有增强功率管栅极摆率的瞬态增强电路无法控制充放电电流大小的问题。
本发明所采用的技术方案是，应用于LDO的快速瞬态响应增强电路，包括push-pull结构的误差放大器电路，误差放大器电路通过功率管驱动电路连接瞬态增强电路。
本发明的特点还在于：
push-pull结构的误差放大器电路包括输入对管NMOS管MN1和MN2，NMOS管MN1和MN2的源极相接并连接电流源I，NMOS管MN1的漏极连接PMOS管MP2的栅极和漏极以及PMOS管MP1的栅极，PMOS管MP1的漏极连接NMOS管MN3的栅极和漏极以及NMOS管MN4的栅极；NMOS管MN2的漏极连接PMOS管MP3的栅极和漏极以及PMOS管MP4的栅极，PMOS管MP4的漏极连接MN4的漏极作为误差放大器的输出。
功率管驱动电路包括PMOS管MP，PMOS管MP的漏极依次连接电阻R1和R2，PMOS管MP的漏极为整个LDO的输出极。
瞬态增强电路包括放电通路和充电通路；
放电通路包括电流减法电路I、电流镜复制电路I和功率管栅极放电MOS；
PMOS管M2的漏极连接NMOS管M10的栅极和漏极以及NMOS管M9的栅极，PMOS管M1的漏极连接NMOS管M9和M8的漏极，从而构成电流减法电路I；NMOS管M7的栅极连接M8的栅极和漏极，使得M7和M8构成电流镜复制电路I；M7作为功率管栅极放电MOS管；
充电通路由电流减法电路II、电流镜复制电路II和功率管栅极充电MOS；
PMOS管M3的漏极连接NMOS管M11的栅极和漏极以及NMOS管M12的栅极，PMOS管M4的漏极连接NMOS管M12的漏极，NMOS管M13的漏极，从而构成电流减法电路II；M13的栅极和漏极连接NMOS管M14的栅极，M14的漏极连接PMOS管M5的栅极和漏极以及PMOS管M6的栅极，构成电流镜复制电路II；M6作为功率管栅极充电MOS管。
负载发生瞬态变化时，提高功率管栅端的摆率，具体包括如下过程：当电路处于稳态时，记流过MP2和MN1的电流为I1，流过MP3和MN2的电流为I2，I1与I2相等，两路瞬态增强电路检测不到电流差值，均不工作；当负载由轻载向重载发生变化时，VFB下降导致放电支路检测到n(I1-I2)的电流变化，控制放电MOS管M7对功率管栅极进行放电，VFB上升，此时充电通路由于n(I2-I1)电流小于0，充电MOS管M6不工作；当负载由重载向轻载发生变化时，VFB上升导致充电通路检测到n(I2-I1)的电流变化，控制放电MOS管M6对功率管栅极进行充电，VFB下降此时放电支路由于n(I1-I2)电流小于0，放电MOS管M7不工作。
本发明的有益效果是，由于LDO为芯片提供一个稳定电压，芯片工作时容易使得LDO的负载发生瞬态变化，而传统的LDO负载瞬态调整能力有限。本发明提出的一种应用于LDO的瞬态增强电路，结构比较简单，采用push-pull为误差放大器，在LDO负载瞬态发生变化时，功率管栅端的充放电电流变化量加倍，另外利用push-pull结构两路电流可复制的特点，将电流成倍复制到两路电流减法电路，利用电流减法电路控制增强电路充放电MOS的开通与关断的同时，能够控制充放点电流的大小，在很大程度上改善了LDO的瞬态响应。
附图说明
图1为传统的低压差线性稳压器(LDO)的结构；
图2为本发明应用于LDO的快速瞬态响应增强电路的结构示意图；
图3为瞬态发生变化时，相较于传统LDO，本发明应用于LDO的快速瞬态响应增强电路的瞬态增强效果的仿真结果图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
图1为传统的LDO电路，LDO电路在稳态下正常工作时，输入为VIN，LDO的输出端电压VOUT1通过电阻R11和R12分压后，将反馈电压VFB1与基准电压VREF1进行误差放大输出至功率管M1P的栅极，通过调节流过LDO功率管的电流来控制LDO输出电压的稳定，但在负载发生瞬态变化时，LDO自身的瞬态调整率不高，环路响应过慢，导致了过冲下冲电压过大，且稳定时间过长，如图3中未经改善(before)的波形图所示。
本发明应用于LDO的快速瞬态响应增强电路，如图2所示，包括误差放大器电路和功率管驱动电路，瞬态增强电路中的放电通路和充电电路。
误差放大器由于增强电路的要求采用了push-pull结构的电路，NMOS管MN1和MN2作为输入对管，源极相接并连接电流源I。MN1的漏极连接PMOS管MP2的栅极和漏极以及PMOS管MP1的栅极，MP1的漏极连接NMOS管MN3的栅极和漏极以及NMOS管MN4的栅极；MN2的漏极连接PMOS管MP3的栅极和漏极以及PMOS管MP4的栅极，MP4的漏极连接MN4的漏极作为误差放大器的输出。记流过MP2和MN1的电流为I1，流过MP3和MN2的电流为I2。
功率管驱动电路由PMOS管MP和电阻R1，电阻R2构成，MP的漏极依次连接R1和R2，MP的漏极为整个LDO的输出极。
放电通路由电流减法电路I，电流镜复制电路I和功率管栅极放电MOS构成。PMOS管M2的漏极连接NMOS管M10的栅极和漏极以及NMOS管M9的栅极，PMOS管M1的漏极连接NMOS管M9和M8的漏极，从而构成电流减法电路I；NMOS管M7的栅极连接M8的栅极和漏极，使得M7和M8构成电流镜复制电路I；M7作为功率管栅极放电MOS管。其中M8的宽长比与M7的宽长比之比为1:m，使得流过M7的电流为流过M8电流的m倍。
充电通路由电流减法电路II，电流镜复制电路II和功率管栅极充电MOS构成。PMOS管M3的漏极连接NMOS管M11的栅极和漏极以及NMOS管M12的栅极，PMOS管M4的漏极连接NMOS管M12的漏极，NMOS管M13的漏极，从而构成电流减法电路II；M13的栅极和漏极连接NMOS管M14的栅极，M14的漏极连接PMOS管M5的栅极和漏极以及PMOS管M6的栅极，构成电流镜复制电路II；M6作为功率管栅极充电MOS管。其中M5的宽长比与M6的宽长比之比为1:m，使得流过M6的电流为流过M5电流的m倍。
误差放大器的输入对管MN1和MN2的栅极分别是基准电压VREF和功率管驱动电路中电阻R1和R2之间的电压VFB。误差放大器的输出一条支路直接连接功率管驱动电路中MP的栅极构成LDO的负反馈回路，MP的栅极电压记为VG，另一条支路连接电容CH并连接MP的漏极作为LDO的补偿。误差放大器中MP2的栅极和漏极相接记为VG1并连接放电通路中M1的栅极和充电通路中M3的栅极，控制M1，M3宽长比和MP2宽长比之比为1:n，使得流过M1，M3的电流为流过MP2电流的n倍即nI1；MP3的栅极和漏极相接记为VG2并连接放电通路中M2和充电通路中M4的栅极，控制M2，M4宽长比和MP3宽长比之比为1:n，使得流过M2，M4的电流为流过MP3电流的n倍即nI2。通过放电通路和充电通路使得流过功率管栅极充电MOS管M6和功率管栅极放电MOS管M7的电流分别为m*n(I2-I1)和m*n(I1-I2)。放电通路中M7和充电通路中M6的漏极都连接功率管驱动电路中MP的栅极VG，当发生瞬态响应时对MP栅极进行大小可控的自适应充电或放电。
本发明应用于LDO的快速瞬态响应增强电路的工作原理为：
当电路处于稳态时，误差放大器中流过MP2的电流I1与流过MP3的电流I2相等，从而使得流过M1,M2的电流nI1和nI2相等，流过M8的电流为0，M8截止使得M7截止，同时流过M3和M4的电流也相等，导致M12没有电流流过，M12截止使得M6截止，充放电通路的充放电MOS管M6和M7均不工作；当负载由轻载向重载发生变化时，VOUT下降导致VFB下降，误差放大器中流过MP2的电流I1大于流过MP3的电流I2，从而使得流过M1的电流nI1大于流过M2的电流nI2，M8栅极电压上升使得M8导通，使得M7导通，对功率管MP的栅极进行电流放电，放电电流大小为m*n(I1-I2)，同时流过M3的电流nI1大于流过M4的电流nI2，导致M13栅极电压下降使得M13截止，从而使得M6截止，放电通路的MOS管M7工作而充电通路的MOS管M6截止，加快功率管MP栅极电压下降的过程，使得流过MP的电流增大的更快，从而使得VOUT更快上升到稳定值；当负载由重载向轻载发生变化时，VOUT上升导致VFB上升，误差放大器中流过MP2的电流I1小于流过MP3的电流I2，从而使得流过M1的电流nI1小于流过M2的电流nI2，M8栅极电压下降导致M8截止，使得M7截止，同时流过M3的电流nI1小于流过M4的电流nI2，使得M13栅极电压上升使得M13导通，从而使得M6导通，对功率管MP的栅极进行电流充电，充电电流大小为m*n(I2-I1)，放电通路的MOS管M7截止而充电通路的MOS管M6导通，加快功率管MP栅极电压上升的过程，使得流过MP的电流减小的更快，从而使得VOUT更快下降到稳定值。
本发明应用于LDO的快速瞬态增强电路，相比于传统的LDO结构，首先在误差放大器的选取上采用了push-pull结构的放大器，当负载瞬态发生变化时，push-pull误差放大器的输出电流的变化量为恒流源负载放大器的两倍，在一定程度上对负载瞬态能力进行了改善。此外利用了push-pull放大器两路电流可复制的特点，通过电流镜复制电路将放大器的两路电流进行倍数放大输入到两路电流减法的支路中，分别产生n(I1-I2)大小电流和n(I2-I1)大小的电流，通过产生的这两路电流分别对功率管栅极放电支路和功率管栅极充电通路进行控制，当负载瞬态发生变化时，控制充电通路和放电支路其中之一的导通，另外由于充放点MOS的电流大小为电流镜复制所得到，因此可以通过电流镜复制得到m*n(I1-I2)大小电流和m*n(I2-I1)大小的电流，相较于其他功率管栅极摆率增强电路，充放电电流可以控制大小，从而更好地实现LDO电路进行瞬态响应的增强。
当负载不发生瞬态变化时，整个电路工作在稳态下，push-pull误差放大器的两支路电流相等，放电和充电通路的电流n(I1-I2)，n(I2-I1)均等于0，因此瞬态增强电路在稳态下不工作，减少了整个电路的静态功耗；当负载由轻载向重载发生变化时，VFB下降导致放电支路检测到n(I1-I2)的电流变化，控制放电MOS管M7对功率管栅极进行放电，电流大小为m*n(I1-I2)，VFB上升，此时充电通路由于(I2-I1)电流小于0，将充电MOS管M6的栅端电压拉高，M6不工作；当负载由重载向轻载发生变化时，VFB上升导致充电通路检测到n(I2-I1)的电流变化，控制充电MOS管M6对功率管栅极进行充电，电流大小为m*n(I2-I1)，VFB下降，此时放电支路由于n(I1-I2)电流小于0，放电MOS管M7的栅端电压被拉低，M7不工作。
本发明在LDO中应用push-pull误差放大器，由MP1、MP2、MP3、MP4、MN1、MN2、MN3、MN4以及I构成，其中I作为尾电流源。MP作为LDO的功率管，R1、R2为LDO的反馈分压电阻，CH用作频率补偿。利用电流镜复制电路的MOS管M1、M2、M3、M4分别将push-pull误差放大器的两路电流分别成n倍复制到电流减法电路；
两路电流减法支路分别是MOS管M8、M9、M10构成的放电减法电路和MOS管M5、M11、M12、M13、M14构成的充电减法电路，设push-pull误差放大器的左边支路电流大小为I1，右边支路电流大小为I2，放电减法电路产生n(I1-I2)大小的电流，充电减法电路产生n(I2-I1)大小的电流。两条支路的输出分别控制功率管栅极充电MOS管M6和功率管栅极放电MOS管M7的开通与关断，另外通过电流镜M8、M7的比例和M5，M6的比例设计为1:m，得到增强电路充电和放电电流分别为m*n(I1-I2)，m*n(I2-I1)，当减法电路的电流n(I1-I2)或n(I2-I1)小于等于0时，放电或充电通路关断。
栅极充电MOS管M6和栅极放电MOS管M7的漏极分别连接功率管栅极，当发生瞬态变化时增强功率管栅端的充放电电流大小。
负载发生瞬态变化时，提高功率管栅端的摆率。具体包括如下过程：当电路处于稳态时，误差放大器的两路电流I1与I2相等，两路瞬态增强电路检测不到电流差值，均不工作；当负载由轻载向重载发生变化时，VFB下降导致放电支路检测到n(I1-I2)的电流变化，控制放电MOS管M7对功率管栅极进行放电，VFB上升，此时充电通路由于n(I2-I1)电流小于0，充电MOS管M6不工作；当负载由重载向轻载发生变化时，VFB上升导致充电通路检测到n(I2-I1)的电流变化，控制放电MOS管M6对功率管栅极进行充电，VFB下降此时放电支路由于n(I1-I2)电流小于0，放电MOS管M7不工作。
如图3所示，稳态下LDO的输出为1.5V，当负载在1微秒内由1mA变化为50mA时，输出电压由改善前的最大下冲电压1.35V变化为最大下冲电压1.44V；当负载在1微秒内由50mA变化为1mA时，输出电压由改善前的最大上冲电压1.64V变化为最大上冲电压1.52V。本发明所提出的瞬态增强电路在很大程度上改善了LDO的瞬态响应，使得上冲电压控制在24mV以内，下冲电压控制在56mV以内。
本发明从电路的角度，当LDO的负载瞬态发生变化时，使得瞬态增强电路进行工作，通过可控的对功率管栅极充放电电流进行增大，从而减小过冲和下冲电压，减小输出电压的稳定时间，如附图3中经过改善(after)的波形图所示。
Claims (5)
1.应用于LDO的快速瞬态响应增强电路，其特征在于：包括push-pull结构的误差放大器电路，误差放大器电路通过功率管驱动电路连接瞬态增强电路。
2.根据权利要求1所述的应用于LDO的快速瞬态响应增强电路，其特征在于：所述push-pull结构的误差放大器电路包括输入对管NMOS管MN1和MN2，NMOS管MN1和MN2的源极相接并连接电流源I，NMOS管MN1的漏极连接PMOS管MP2的栅极和漏极以及PMOS管MP1的栅极，PMOS管MP1的漏极连接NMOS管MN3的栅极和漏极以及NMOS管MN4的栅极；NMOS管MN2的漏极连接PMOS管MP3的栅极和漏极以及PMOS管MP4的栅极，PMOS管MP4的漏极连接MN4的漏极作为误差放大器的输出。
3.根据权利要求2所述的应用于LDO的快速瞬态响应增强电路，其特征在于：所述功率管驱动电路包括PMOS管MP，PMOS管MP的漏极依次连接电阻R1和R2，PMOS管MP的漏极为整个LDO的输出极。
4.根据权利要求3所述的应用于LDO的快速瞬态响应增强电路，其特征在于：所述瞬态增强电路包括放电通路和充电通路；
所述放电通路包括电流减法电路I、电流镜复制电路I和功率管栅极放电MOS；
PMOS管M2的漏极连接NMOS管M10的栅极和漏极以及NMOS管M9的栅极，PMOS管M1的漏极连接NMOS管M9和M8的漏极，从而构成电流减法电路I；NMOS管M7的栅极连接M8的栅极和漏极，使得M7和M8构成电流镜复制电路I；M7作为功率管栅极放电MOS管；
所述充电通路由电流减法电路II、电流镜复制电路II和功率管栅极充电MOS；
PMOS管M3的漏极连接NMOS管M11的栅极和漏极以及NMOS管M12的栅极，PMOS管M4的漏极连接NMOS管M12的漏极，NMOS管M13的漏极，从而构成电流减法电路II；M13的栅极和漏极连接NMOS管M14的栅极，M14的漏极连接PMOS管M5的栅极和漏极以及PMOS管M6的栅极，构成电流镜复制电路II；M6作为功率管栅极充电MOS管。
5.根据权利要求4所述的应用于LDO的快速瞬态响应增强电路，其特征在于负载发生瞬态变化时，提高功率管栅端的摆率，具体包括如下过程：当电路处于稳态时，记流过MP2和MN1的电流为I1，流过MP3和MN2的电流为I2，I1与I2相等时，两路瞬态增强电路检测不到电流差值，均不工作；当负载由轻载向重载发生变化时，VFB下降导致放电支路检测到n(I1-I2)的电流变化，控制放电MOS管M7对功率管栅极进行放电，VFB上升，此时充电通路由于n(I2-I1)电流小于0，充电MOS管M6不工作；当负载由重载向轻载发生变化时，VFB上升导致充电通路检测到n(I2-I1)的电流变化，控制放电MOS管M6对功率管栅极进行充电，VFB下降此时放电支路由于n(I1-I2)电流小于0，放电MOS管M7不工作。
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