CN115454183A - 低压差线性稳压器 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种低压差线性稳压器，包括输出管、误差放大器和下冲补偿模块。其中，输出管连接于电源端和输出端之间，用于将电源端的输入电压转换为输出电压；误差放大器用于根据输出电压的反馈电压与参考电压之间的电压差驱动输出管；下冲补偿模块用于在输出电压下冲时对输出端进行充电，从而将输出电压钳位于预设电压上，由于下冲补偿模块为开环电路，因此比电路的主环路的响应速度更快，避免了输出电压过低而导致后级电路无法正常工作的问题，从而在不用增大输出电容的面积的基础上解决了输出电压下冲的问题，不需要增大芯片面积和电路成本。
Description
技术领域
本发明涉及线性调整器技术领域，更具体地，涉及一种低压差线性稳压器。
背景技术
低压差线性稳压器(Low Dropout Regulator，LDO)是将不稳定的输入电压转换为可调节的直流输出电压，以便于作为其它系统的供电电源。由于线性稳压器具有结构简单、静态功耗小、输出电压纹波小等特点，因此线性稳压器常被用于移动消费类电子设备芯片的片内电源管理。
图1示出了根据现有技术的低压差线性稳压器的电路示意图。如图1所示，低压差线性稳压器100包括输出管Mpout、电阻分压网络、误差放大器110和输出电容Cout。输出管Mpout用于根据电源端提供的输入电压Vin向后级负载提供输出电压Vout。电阻分压网络对输出电压Vout进行采样和分压之后得到反馈电压VFB，误差放大器110用于将反馈电压VFB与基准电压Vref进行比较，以获得二者之间的误差信号，并根据二者之间的误差信号调整输出管Mpout的导通程度，从而稳定输出电压Vout。输出电容Cout连接于输出电压Vout的输出端和地之间。
现有的低压差线性稳压器存在以下缺陷：当后级负载突然增大时，稳压器环路还没有响应过来，输出电压Vout会被负载拉低，当输出电压Vout过低时，会导致后级电路将无法正常工作。此外，根据Cout*Vout＝i*t(其中，i表示负载电流，t表示环路响应时间)可知，为了使得输出电压Vout不会降低过多，现有技术会将输出电容Cout的电容增大，当稳压器环路还没有响应过来时，首先由输出电容Cout为负载供电，但是这样会导致电容面积的增大，增大了芯片的尺寸，从而增加了电路成本。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种低压差线性稳压器，在不增大电路面积的前提下解决了输出电压过低的问题。
根据本发明实施例，提供了一种低压差线性稳压器，包括：输出管，连接于电源端和输出端之间，用于将所述电源端的输入电压转换为输出电压；误差放大器，用于根据所述输出电压的反馈电压与所述参考电压之间的电压差驱动所述输出管；以及下冲补偿模块，用于在所述输出电压下冲时对所述输出端进行充电，从而将所述输出电压钳位于预设电压上，其中，所述下冲补偿模块包括：第一晶体管，连接于所述电源端和所述输出端之间；以及偏置单元，与所述第一晶体管的控制端连接，用于提供一偏置电压，其中，所述第一晶体管用于在导通时提供所述电源端至所述输出端的电流通路。
可选的，所述输出电压小于所述偏置电压与所述第一晶体管的导通阈值的电压差时，所述第一晶体管的导通。
可选的，所述偏置单元包括：电流源，第一端与所述电源端连接；以及第二晶体管至第四晶体管，所述第二晶体管至第四晶体管依次连接于所述电源端和地之间，其中，所述第二晶体管和所述第四晶体管分别构成二极管形式，所述第二晶体管的控制端与所述第一晶体管的控制端连接以提供所述偏置电压。
可选的，所述偏置电压等于所述第二晶体管至第四晶体管的栅源电压的电压和。
可选的，所述预设电压等于所述偏置电压与所述第一晶体管的栅源电压的电压差。
可选的，所述第一晶体管至所述第四晶体管分别通过N型MOSFET实现。
本发明的低压差线性稳压器包括输出管、误差放大器和下冲补偿模块。其中，输出管连接于电源端和输出端之间，用于将电源端的输入电压转换为输出电压；误差放大器用于根据输出电压的反馈电压与参考电压之间的电压差驱动输出管；下冲补偿模块用于在输出电压下冲时对输出端进行充电，从而将输出电压钳位于预设电压上，由于下冲补偿模块为开环电路，因此比电路的主环路的响应速度更快，避免了输出电压过低而导致后级电路无法正常工作的问题，从而在不用增大输出电容的面积的基础上解决了输出电压下冲的问题，不需要增大芯片面积和电路成本。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1示出了根据现有技术的低压差线性稳压器的电路示意图；
图2示出了根据本发明实施例的低压差线性稳压器的电路示意图。
具体实施方式
以下将参照附图更详细地描述本发明的各种实施例。在各个附图中，相同的元件采用相同或类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。
应当理解，在以下的描述中，“电路”是指由至少一个元件或子电路通过电气连接或电磁连接构成的导电回路。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件/电路“连接在”两个节点之间时，它可以直接耦合或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦合到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。
在本申请中，功率晶体管是工作在线性模式以提供电流路径的晶体管，包括选自双极晶体管或场效应晶体管的一种。功率晶体管的第一端和第二端分别是电流路径上的高电位端和低电位端，控制端用于接收驱动信号以控制功率晶体管的压降。功率晶体管可以为P型MOSFET或N型MOSFET。P型MOSFET的第一端、第二端和控制端分别为源极、漏极和栅极，N型MOSFET的第一端、第二端和控制端分别为漏极、源极和栅极。下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图2示出根据本发明实施例的低压差线性稳压器的电路示意图。如图2所示，该低压差线性稳压器200包括误差放大器210、输出管Mpout、电阻分压网络、输出电容Cout以及下冲补偿模块220。输出管Mpout用于根据电源端提供的输入电压Vin向后级负载提供输出电压Vout。输出管Mpout例如选用P型MOSFET，其第一端接收输入电压Vin，第二端向芯片外的负载提供输出电压Vout。
在其他实施例中，输出管Mpout也可以选自NPN达林顿管、NPN型双极性晶体管、PNP型双极性晶体管、或者N型MOSFET等。
电阻分压网络包括电阻R1和电阻R2，电阻R1和电阻R2用于对输出电压Vout进行分压之后得到反馈电压VFB，误差放大器210用于将反馈电压VFB与基准电压Vref进行比较，以获得二者之间的误差信号，并根据二者之间的误差信号调整输出管Mpout的导通程度，从而稳定输出电压Vout。输出电容Cout连接于输出电压Vout的输出端和地之间，用于对输出电压Vout进行平滑滤波。
下冲补偿模块220用于在输出电压Vout下冲时对负载进行充电，从而将输出电压Vout钳位在预设电压上。可选的，下冲补偿模块220包括晶体管Mn1和偏置单元201，晶体管Mn1连接在输入电压Vin和低压差线性稳压器200的输出端之间，偏置单元201与晶体管Mn1的控制端连接，用于向晶体管Mn1提供偏置电压Vbias。当输出电压Vout小于(Vbias-Vth1)时，其中，Vth1表示晶体管Mn1的导通阈值，晶体管Mn1导通，由于这个通路是开环的，所以比低压差线性稳压器200的主环路的响应速度快，可以提前提供输入电压Vin至后级负载的电流通路，从而将输出电压Vout钳位在(Vbias-Vgs1)，其中，Vgs1表示晶体管Mn1的栅源电压。
可选的，偏置单元201包括电流源I1和晶体管Mn2-Mn4，其中，电流源I1和晶体管Mn2-Mn4依次串联连接于输入电压Vin和地之间，晶体管Mn2-Mn4分别连接成二极管形式，晶体管Mn2的控制端与晶体管Mn1的控制端连接以提供所述偏置电压Vbias。偏置电压Vbias＝Vgs2+Vgs3+Vgs4，其中，Vgs2、Vgs3和Vgs4分别表示晶体管Mn2、Mn3和Mn4的栅源电压。
示例的，晶体管Mn1-Mn4分别通过N型MOSFET实现，假设晶体管Mn1-Mn4的栅源电压为1V，则当输出电压Vout下冲时，晶体管Mn1导通，可将输出电压Vout钳位在2V左右，保证后级电路可以正常工作。
此外，可以通过设计使得(Vbias-Vout)<Vth1，则可以保证在低压差线性稳压器200正常工作时晶体管Mn1不导通，输出电压Vout仍然由电路的主环路确定，只有当输出电压Vout因为负载变低时，晶体管Mn1才会导通，不影响低压差线性稳压器200的正常工作。
综上所述，本发明实施例的低压差线性稳压器还包括下冲补偿模块，下冲补偿模块在输出电压下冲时对负载进行充电，由于下冲补偿模块为开环电路，因此比电路的主环路的响应速度更快，从而可以将输出电压钳位于预设的电压上，避免了输出电压过低而导致后级电路无法正常工作的问题，从而在不用增大输出电容的面积的基础上解决了输出电压下冲的问题，不需要增大芯片面积和电路成本。
应当说明，尽管在本文中，将器件说明为某种N沟道或P沟道器件、或者某种N型或者P型掺杂区域，然而本领域的普通技术人员可以理解，根据本发明，互补器件也是可以实现的。本领域的普通技术人员可以理解，导电类型是指导电发生的机制，例如通过空穴或者电子导电，因此导电类型不涉及掺杂浓度而涉及掺杂类型，例如P型或者N型。本领域普通技术人员可以理解，本文中使用的与电路运行相关的词语“期间”、“当”和“当……时”不是表示在启动动作开始时立即发生的动作的严格术语，而是在其与启动动作所发起的反应动作(reaction)之间可能存在一些小的但是合理的一个或多个延迟，例如各种传输延迟等。本文中使用词语“大约”或者“基本上”意指要素值(element)具有预期接近所声明的值或位置的参数。然而，如本领域所周知的，总是存在微小的偏差使得该值或位置难以严格为所声明的值。本领域已恰当的确定了，至少百分之十(10％)(对于半导体掺杂浓度，至少百分之二十(20％))的偏差是偏离所描述的准确的理想目标的合理偏差。当结合信号状态使用时，信号的实际电压值或逻辑状态(例如“)的或““的)取决于使用正逻辑还是负逻辑。
此外，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
依照本发明的实施例如上文，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。
Claims (6)
1.一种低压差线性稳压器，包括：
输出管，连接于电源端和输出端之间，用于将所述电源端的输入电压转换为输出电压；
误差放大器，用于根据所述输出电压的反馈电压与所述参考电压之间的电压差驱动所述输出管；以及
下冲补偿模块，用于在所述输出电压下冲时对所述输出端进行充电，从而将所述输出电压钳位于预设电压上，
其中，所述下冲补偿模块包括：
第一晶体管，连接于所述电源端和所述输出端之间；以及
偏置单元，与所述第一晶体管的控制端连接，用于提供一偏置电压，其中，所述第一晶体管用于在导通时提供所述电源端至所述输出端的电流通路。
2.根据权利要求1所述的低压差线性稳压器，其中，所述输出电压小于所述偏置电压与所述第一晶体管的导通阈值的电压差时，所述第一晶体管的导通。
3.根据权利要求1所述的低压差线性稳压器，其中，所述偏置单元包括：
电流源，第一端与所述电源端连接；以及
第二晶体管至第四晶体管，所述第二晶体管至第四晶体管依次连接于所述电源端和地之间，
其中，所述第二晶体管和所述第四晶体管分别构成二极管形式，所述第二晶体管的控制端与所述第一晶体管的控制端连接以提供所述偏置电压。
4.根据权利要求3所述的低压差线性稳压器，其中，所述偏置电压等于所述第二晶体管至第四晶体管的栅源电压的电压和。
5.根据权利要求1所述的低压差线性稳压器，其中，所述预设电压等于所述偏置电压与所述第一晶体管的栅源电压的电压差。
6.根据权利要求3所述的低压差线性稳压器，其中，所述第一晶体管至所述第四晶体管分别通过N型MOSFET实现。
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