CN116185110A - 线性稳压器及电源装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种线性稳压器和电源装置。该线性稳压器包括：功率管，具有耦接于输入电压和输出电压之间的电流传导路径以及接收栅极驱动信号的控制端子；误差放大器，用于将输出电压的反馈电压与预设的参考电压进行比较，并根据比较结果产生栅极驱动信号；以及上冲和负冲抑制电路，用于根据输出电压的产生一基准电压，并将输出电压与基准电压进行比较，根据比较结果产生一控制栅极驱动信号的控制信号，以减小输出电压的过冲或负冲，其中，基准电压的电位与输出电压的静态电位相等，从而使得输出的过冲或负冲的最大幅度不会被衰减，且与输出电压的静态电位无关，不会随着输出电压的静态电位的变化而改变，电路稳定性更好。

Description

线性稳压器及电源装置

技术领域

本发明涉及电源技术领域，具体涉及一种线性稳压器及电源装置。

背景技术

低压差线性稳压器(Low Dropout Regulator，LDO)简称线性稳压器，通过它可以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。

线性稳压器具有电路结构简单、占用芯片面积小和噪声低等优点，已成为电源管理芯片中的重要组成部分。线性稳压器能够为模数转换电路和射频电路等噪声敏感电路提供高精度、低噪声的电源，被广泛应用于片上系统芯片中。

当负载电流快速变化时，需要线性稳压器对此做出相应的调整，然而LDO自身的环路调整较慢，所以会导致输出电压出现较大的过冲或负冲，因此需要在线性稳压器中额外加入快速有效的调整电路，以减小输出过冲或负冲的幅度。

图1示出了根据现有技术的线性稳压器的电路示意图。如图1所示，线性稳压器100包括功率管Mpwr、误差放大器110、比较器电路120和电阻分压网络。功率管Mpwr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，以驱动芯片外的负载电阻RL和负载电容CL。电阻R1和R2组成的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与参考电压VREF0进行比较，根据二者之间的误差信号产生栅极驱动信号GATE，以调整功率管Mpwr的导通程度，从而稳定输出电压Vout。比较器电路120用于将反馈电压VFB与基准电压VREF1和VREF2进行比较，根据比较结果产生控制信号CTRL，控制误差放大器110输出的栅极驱动信号GATE，以对输出电压进行放电或充电，减小输出的过冲或负冲电压，提高瞬态响应的效率和效果。

图2示出了根据现有技术的线性稳压器在输出电压发生过冲和负冲时的电压示意图，图2中分别示出了输出电压Vout和输出负载电流Iout的波形示意图。其中，基准电压VREF1大于基准电压VREF2，当输出负载电流Iout突然减小时，输出电压Vout会被推高，即反馈电压VFB也会被相应地推高，当反馈电压VFB大于基准电压VREF1时，比较器电路120产生控制信号CTRL，控制栅极驱动信号GATE的上拉，减小功率管Mpwr对输出的充电，快速抑制输出的过冲。同理，当输出负载电流Iout突然增大时，输出电压Vout会被拉低，即反馈电压VFB也会被相应地拉低，当反馈电压VFB小于基准电压VREF2时，比较器电路120产生控制信号CTRL，控制栅极驱动信号GATE的下拉，加大功率管Mpwr对输出的充电，快速抑制输出的负冲电压。

现有的线性稳压器电路100存在以下缺点：输出电压Vout的静态电位由外部和内部的电阻分压决定，即Vout＝VREF0×(R1+R2)/R2，所以当输出电压Vout波动时只能采用ΔVFB来表征输出电压的波动幅度ΔVout，即ΔVFB＝ΔVout×R2/(R1+R2)，输出电压Vout的变化幅度实际上被衰减了R1/(R1+R2)，导致对于固定的基准电压VREF1和VREF2，对应控制的输出电压的最大过冲或负冲幅度为ΔVout_MAX＝(VFB-VREF)×(R1+R2)/R2，即控制幅度被放大了k＝(R1+R2)/R2倍，并且对于不同静态电位的Vout对应的k值也不同，且输出电压Vout的静态电位越高，k值越大。

因此，现有的线性稳压器电路存在输出电压过冲或负冲的幅度范围会受到输出电压的静态电位影响，无法提供稳定的抑制效果的问题。

因此，有必要提供改进的技术方案以克服现有技术中存在的以上技术问题。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种线性稳压器及电源装置，输出的过冲或负冲的最大电压幅度不会受到输出端电压的影响，可以提供稳定的输出电压。

根据本发明实施例的一方面，提供了一种线性稳压器，包括：功率管，具有耦接于输入电压和输出电压之间的电流传导路径以及接收栅极驱动信号的控制端子；误差放大器，用于将所述输出电压的反馈电压与预设的参考电压进行比较，并根据比较结果产生所述栅极驱动信号；以及上冲和负冲抑制电路，用于根据所述输出电压的产生一基准电压，并将所述输出电压与所述基准电压进行比较，根据比较结果产生一控制所述栅极驱动信号的控制信号，以减小所述输出电压的过冲或负冲，其中，所述基准电压的电位与所述输出电压的静态电位相等。

可选的，所述输出电压的过冲或负冲的最大电压幅度等于所述输出电压与所述基准电压之间的电压差。

可选的，所述上冲和负冲抑制电路包括一滤波网络和比较器电路，其中，所述滤波网络的一端与所述输出电压耦接，另一端与所述比较器电路的一个输入端耦接，并在二者之间的公共节点提供所述基准电压，所述比较器电路的另一个输入端与所述输出电压耦接，输出端与所述误差放大器的输出端耦接，以提供所述控制信号。

可选的，所述滤波网络包括：第一电阻，其具有与所述输出电压耦接的第一端以及第二端；以及第一电容，其具有与所述第一电阻的第二端耦接的第一端，以及接地的第二端，其中所述第一电阻与所述第一电容之间的公共节点与所述比较器电路的一个输入端耦接。

可选的，所述线性稳压器还包括：电阻分压网络，用于对所述输出电压进行采样和分压以得到所述反馈电压。

可选的，所述电阻分压网络包括：耦接于所述输出电压的输出端和地之间的第二电阻和第三电阻，二者的中间节点用于提供所述反馈电压。

根据本发明实施例的另一方面，提供了一种电源装置，包括：上述的线性稳压器，所述线性稳压器用于将输入电压转换为稳定的输出电压。

本发明的有益效果是：上冲和负冲抑制电路根据输出电压的静态电位产生基准电压，并在输出电压动态变化时根据输出电压与基准电压的比较产生抑制输出过冲或负冲的控制信号，从而使得输出的过冲或负冲的最大幅度不会被衰减，且与输出电压的静态电位无关，不会随着输出电压的静态电位的变化而改变，电路稳定性更好。

应当说明的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。

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。

图1示出了根据现有技术的线性稳压器的电路示意图；

图2示出了根据现有技术的线性稳压器在输出电压发生过冲和负冲时的电压示意图；

图3示出了根据本发明实施例提供的线性稳压器的示意性电路图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以通过不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反的，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

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，控制端用于接收控制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，参照附图对本发明进行详细说明。

图3示出了根据本发明实施例提供的线性稳压器的示意性电路图。如图3所示，本实施例中，线性稳压器200包括功率管Mpwr、误差放大器210、过冲和负冲抑制电路220和电阻分压网络。

其中，功率管Mpwr为芯片的主要输出管，具有耦接于输入电压Vin和输出电压Vout之间的电流传导路径以及接收栅极驱动信号GATE的控制端子。在本实施例中，功率管Mpwr为NMOS晶体管，其第一端(其中第一端是漏极端子并且第二端是源极端子)耦接至输入电压Vin，第二端耦接至输出电压Vout的输出端，控制端子(例如，MOS晶体管的栅极端子)与栅极驱动信号GATE耦接。功率管Mpwr主要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，以驱动芯片外的负载电阻RL和负载电容CL。

在其他实施例中，功率管Mpwr也可以采用其他类型的晶体管，例如NPN达林顿管以及NPN型双极性晶体管等。

电阻R1和R2组成的电阻分压网络耦接于输出电压Vout的输出端和地之间，用于对输出电压Vout进行采样和分压之后得到反馈电压VFB，即电阻R1和R2之间的节点提供该反馈电压VFB。误差放大器210用于将反馈电压VFB与参考电压VREF0进行比较，根据二者之间的误差信号产生栅极驱动信号GATE，以调整功率管Mpwr的导通程度，从而稳定输出电压Vout。虽然图1中所示实施例采用了误差放大器210，但本领域技术人员可知，其他合适的模拟或者数字的电路也同样适用，只要能实现误差放大功能即可。

过冲和负冲抑制电路220具有耦接至所述输出电压Vout的输入端，其根据输出电压Vout得到一个静态的基准电压VB，所述输出电压Vout与该基准电压VB进行比较，根据比较结果产生控制信号CTRL，控制误差放大器210输出的栅极驱动信号GATE，以对输出进行放电或充电，减小输出的过冲或负冲电压。

进一步的，过冲和负冲抑制电路包括滤波网络221和比较器电路222。滤波网络221的一端与所述输出电压Vout耦接，另一端与比较器电路222的一个输入端耦接，并在滤波网络221与比较器电路222的公共节点处(即节点B)提供该静态的基准电压VB，比较器电路222的另一输入端(即节点A)与输出电压Vout耦接，即当输出电压Vout变化时，节点A的电压VA跟随输出电压Vout而变化，其中当输出电压Vout出现波动时，比较器电路222根据电压VA与参考电压VB之间的比较结果产生控制信号CTRL，以上拉或下拉栅极驱动信号GATE。

在一些实施例中，滤波网络221包括电阻R3和电容C1，电阻R3的一端与输出电压Vout耦接，另一端与电容C1的一端耦接，电容C1的另一端接地，且电阻R3和电容C1之间的公共节点与比较器电路222的一个输入端耦接，以提供该基准电压VB。

假设输出电压Vout的静态电位为Vout0，则当输出电压Vout处于静态时，电压VA＝Vout0，通过电阻R3与电容C1的RC滤波网络，B点的电位与A点的电位相等，即VB＝VA＝Vout0。当输出电压Vout动态变化时，假设输出电压Vout发生过冲ΔVout，由于滤波网络221的存在，B点的电位几乎没有变化，即VB＝Vout0，而A点的电位此时变为VA＝Vout0+ΔVout，此时输出的过冲电压的最大调整幅度为ΔVout_MAX＝VA-VB＝(Vout0+ΔVout)-Vout0＝ΔVout，即本实施例的线性稳压器200中的输出的过冲或负冲电压的最大幅度并没有像现有技术那样被衰减，与输出电压的静态电位无关，不会随着输出电压的静态电位的变化而改变，无论输出电压配置的静态电位如何，都可以提供稳定的抑制效果，电路稳定性更好。

本发明还公开了一种电源装置，用于提供供电电压。该电源装置包括如上述的线性稳压器，用以实现供电电压的稳定输出。

综上，本实施例公开的线性稳压器可以实现稳定的电压输出，结构简单，性能良好，所需晶体管的数量少，能够实现版图设计的最优化，满足芯片内大部分场合的需求，且输出电压的过冲或负冲幅度不会受到输出端的静态电位的影响，电压的稳定性更强。

应当说明的是，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。

最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (7)

1.一种线性稳压器，包括：

功率管，具有耦接于输入电压和输出电压之间的电流传导路径以及接收栅极驱动信号的控制端子；

误差放大器，用于将所述输出电压的反馈电压与预设的参考电压进行比较，并根据比较结果产生所述栅极驱动信号；以及

上冲和负冲抑制电路，用于根据所述输出电压的产生一基准电压，并将所述输出电压与所述基准电压进行比较，根据比较结果产生一控制所述栅极驱动信号的控制信号，以减小所述输出电压的过冲或负冲，其中，所述基准电压的电位与所述输出电压的静态电位相等。

2.根据权利要求1所述的线性稳压器，其中，所述输出电压的过冲或负冲的最大电压幅度等于所述输出电压与所述基准电压之间的电压差。

3.根据权利要求1所述的线性稳压器，其中，所述上冲和负冲抑制电路包括一滤波网络和比较器电路，

其中，所述滤波网络的一端与所述输出电压耦接，另一端与所述比较器电路的一个输入端耦接，并在二者之间的公共节点提供所述基准电压，

所述比较器电路的另一个输入端与所述输出电压耦接，输出端与所述误差放大器的输出端耦接，以提供所述控制信号。

4.根据权利要求3所述的线性稳压器，其中，所述滤波网络包括：

第一电阻，其具有与所述输出电压耦接的第一端以及第二端；以及

第一电容，其具有与所述第一电阻的第二端耦接的第一端，以及接地的第二端，其中所述第一电阻与所述第一电容之间的公共节点与所述比较器电路的一个输入端耦接。

5.根据权利要求1所述的线性稳压器，其中，还包括：

电阻分压网络，用于对所述输出电压进行采样和分压以得到所述反馈电压。

6.根据权利要求5所述的线性稳压器，其中，所述电阻分压网络包括：

耦接于所述输出电压的输出端和地之间的第二电阻和第三电阻，二者的中间节点用于提供所述反馈电压。

7.一种电源装置，包括：

如权利要求1-6中任一项所述的线性稳压器，所述线性稳压器用于将输入电压转换为稳定的输出电压。

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