CN116225117A - 基于零点补偿的低压差线性稳压器 - Google Patents

基于零点补偿的低压差线性稳压器 Download PDF

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CN116225117A CN202211733048.4A CN202211733048A CN116225117A CN 116225117 A CN116225117 A CN 116225117A CN 202211733048 A CN202211733048 A CN 202211733048A CN 116225117 A CN116225117 A CN 116225117A
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周先立
王永进
赵少敏
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Abstract

本发明公开了一种基于零点补偿的低压差线性稳压器，包括：第一分压单元，于第一分压节点输出第一分压电压；第二分压单元，于第二分压节点输出第二分压电压；第三分压单元，于第三分压节点输出第三分压电压；误差放大器EA，其第一输入端与第二分压节点相连，第二输入端与第一分压节点相连，第三输入端与第三分压节点相连；频率补偿单元，包括MOS管MP1、MOS管MP2、电容电阻RC和前馈电容CF，MOS管MP1和MOS管MP2共栅连接且构成第一电流镜，前馈电容CF与误差放大器EA的第四输入端相连；以及输出负载单元。本发明在等效串联电阻较小甚至不存在的情况下实现低压差线性稳压器的频率补偿，且反馈电阻的大小不需受限，扩展了传统伪ESR结构的应用范围。

Description

基于零点补偿的低压差线性稳压器
技术领域
本发明是关于低压差线性稳压器技术领域，特别是关于一种基于零点补偿的低压差线性稳压器。
背景技术
目前低压差线性稳压器(Low dropout regulator，LDO)被广泛用于中小型功率的电力电子系统中。一般带片外电容的LDO中有两个低频极点，分别位于误差放大器EA的输出端和LDO的输出端，为保证LDO的稳定性，需要引入零点来进行频率补偿。
传统的频率补偿方法是利用片外电容引入的等效串联电阻(Equivalent SeriesResistance，ESR)零点来进行补偿，但输出电容的ESR会随温度变化，因此引入的ESR零点会随温度漂移。此外针对ESR较小的情况，ESR零点往往位于较高频而无法实现频率补偿。
如图1所示，目前常见的解决方法是采用伪ESR结构，利用反馈电阻RF1和前馈电容CF构造一条前馈通路，其中Rc/k可等效看作是输出电容的ESR。但是为了实现伪ESR零点的频率补偿作用，需要确保CL*Rc/k<<CFRF1，由于片内电容CF的取值有限，因此RF1的取值将受限，需要满足：
Figure BDA0004031683000000011
才能实现频率补偿的作用。并且对于反馈电阻位于片外的LDO结构，无法保证反馈电阻的取值大小满足条件，因此此结构的应用场景受限。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于零点补偿的低压差线性稳压器，其用以解决如何在ESR较小甚至不存在ESR的情况下实现LDO的频率补偿的技术问题。
为实现上述目的，本发明的实施例提供了一种基于零点补偿的低压差线性稳压器，所述低压差线性稳压器包括：
第一分压单元，电性连接于基准电压VREF与地电位之间，所述第一分压单元于第一分压节点输出第一分压电压；
第二分压单元，电性连接于基准电压VREF与地电位之间，所述第二分压单元于第二分压节点输出第二分压电压；
第三分压单元，电性连接于低压差线性稳压器的输出节点VOUT与地电位之间，所述第三分压单元于第三分压节点输出第三分压电压；
误差放大器EA，所述误差放大器EA的第一输入端与第二分压节点相连，第二输入端与第一分压节点直接或间接相连，第三输入端与第三分压节点相连；
频率补偿单元，包括第一电流镜，第一电流镜与输入电压VIN、电容电阻RC和前馈电容CF相连，所述前馈电容CF还与误差放大器EA的第四输入端相连。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述第一分压单元包括电性连接于基准电压VREF与第一分压节点之间的第一电阻R1、以及电性连接于第一分压节点与地电位之间的第二电阻R2。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述第二分压单元包括电性连接于基准电压VREF与第二分压节点之间的第三电阻R3、以及电性连接于第二分压节点与地电位之间的第四电阻R4。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述第一电流镜包括MOS管MP1和MOS管MP2，所述MOS管MP1和MOS管MP2的栅极均与误差放大器EA的输出端相连，源极均与输入电压VIN相连，MOS管MP1的漏极与低压差线性稳压器的输出节点VOUT相连，MOS管MP2的漏极分别与电容电阻RC和前馈电容CF相连。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述MOS管MP2和MP1之间的宽长比为1：k，所述第一电流镜输出电压VX满足VX＝VOUT+Iload*Rc/k＝VOUT*(1+Rc/(ZL*k))；RC为电容电阻；
其中，Iload为低压差线性稳压器的输出节点VOUT上的负载电流，在直流电下Iload＝VOUT/RL，在交流电下Iload＝VOUT/ZL；
ZL为交流电下的负载阻抗，
Figure BDA0004031683000000031
RESR为等效串联电阻，RESR≥0，/>
Figure BDA0004031683000000032
为输出电容CL的容抗值。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述等效串联电阻RESR的阻值为零时，所述输出电容CL和电容电阻RC构成低压差线性稳压器的补偿零点为
Figure BDA0004031683000000033
所述等效串联电阻RESR的阻值不为零时，所述输出电容CL、电容电阻RC和等效串联电阻RESR构成低压差线性稳压器的补偿零点为/>
Figure BDA0004031683000000034
在本发明的一个或多个实施方式中，所述低压差线性稳压器还包括第五电阻R5和第一电容C1，所述第五电阻R5的第一端与第一分压节点相连、第二端与误差放大器EA的第二输入端相连；所述第一电容C1的第一端连接于第五电阻R5的第二端和误差放大器EA的第二输入端之间、第二端与地电位相连。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述第一电阻R1、第二电阻R2、第五电阻R5和第一电容C1与前馈电容CF、电容电阻RC满足
Figure BDA0004031683000000041
Figure BDA0004031683000000042
时，所述低压差线性稳压器引入补偿零点的大小为：
Figure BDA0004031683000000043
其中，
Figure BDA0004031683000000044
为反馈系数；gm1为误差放大器EA的第三输入端和第一输入端的跨导；gm2为误差放大器EA的第四输入端和第二输入端的跨导。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述低压差线性稳压器还包括第五电阻R5，所述第五电阻R5的第一端与误差放大器EA的第二输入端相连、第二端与第一分压节点相连。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述频率补偿单元还包括MOS管MP3，所述MOS管MP3与MOS管MP2共栅连接且构成第二电流镜，所述MOS管MP3的栅极和漏极均与误差放大器EA的输出端相连，源极与输入电压VIN相连。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述频率补偿单元与误差放大器EA之间连接有MOS管MP4，所述MOS管MP4的栅极与误差放大器EA的输出端相连，源极分别与MOS管MP1的栅极、MOS管MP2的栅极以及MOS管MP3的栅极和漏极相连，所述MOS管MP4的漏极与地电位相连。
与现有技术相比，根据本发明实施方式的基于零点补偿的低压差线性稳压器，利用前馈电容CF和电容电阻RC构造一条快通路，与慢通路共同通过误差放大器EA来调节低压差线性稳压器的输出电压，环路中的快慢两条通路使得电路中引入一个零点，零点效果近似于ESR零点，在ESR较小甚至不存在ESR的情况下实现LDO的频率补偿，可大大减小成本和板级面积，且引入的零点相比ESR零点更牢靠，不易漂移。
另一方面，片外反馈电阻的大小不需受限，可用于外部反馈电阻输出电压可调的LDO，扩展了传统伪ESR结构的应用范围。
附图说明
图1为现有技术中低压差线性稳压器的电路原理图。
图2为本发明实施例一中低压差线性稳压器的电路原理图；
图3为本发明实施例二中低压差线性稳压器的电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
应当理解，在以下的描述中，“电路”可包括单个或多个组合的硬件电路、可编程电路、状态机电路和/或能存储由可编程电路执行的指令的元件。当称元件或电路“连接到”另一元件，或与另一元件“相连”，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。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
实施例一
如图2所示，本实施例中公开了一种基于零点补偿的低压差线性稳压器，其包括：
第一分压单元10，电性连接于基准电压VREF与地电位之间，第一分压单元10于第一分压节点A输出第一分压电压；
第二分压单元20，电性连接于基准电压VREF与地电位之间，第二分压单元20于第二分压节点B输出第二分压电压；
第三分压单元30，电性连接于低压差线性稳压器的输出节点VOUT与地电位之间，第三分压单元30于第三分压节点C输出第三分压电压；
误差放大器EA，其第一输入端与第二分压节点B相连，第二输入端与第一分压节点A直接或间接相连，第三输入端与第三分压节点C相连；
频率补偿单元40，包括第一电流镜，第一电流镜与输入电压VIN、电容电阻RC和前馈电容CF相连，所述前馈电容CF还与误差放大器EA的第四输入端相连。
具体地，如图2的电路中，第一电流镜包括MOS管MP1和MOS管MP2，MOS管MP1和MOS管MP2的栅极均与误差放大器EA的输出端相连，源极均与输入电压VIN相连，MOS管MP1的漏极与低压差线性稳压器的输出节点VOUT相连，MOS管MP2的漏极分别与电容电阻RC和前馈电容CF相连。
本发明利用频率补偿单元40为低压差线性稳压器(Low dropout regulator，LDO)电路提供零点，从而完成频率补偿。
本实施例中的第一分压单元10包括电性连接于基准电压VREF与第一分压节点A之间的第一电阻R1、以及电性连接于第一分压节点A与地电位之间的第二电阻R2。基准电压VREF经第一分压单元10分压后于第一分压节点A输出参考电压VREF2(即第一分压电压)至误差放大器EA的第二输入端。
第二分压单元20包括电性连接于基准电压VREF与第二分压节点B之间的第三电阻R3、以及电性连接于第二分压节点B与地电位之间的第四电阻R4。基准电压VREF经第二分压单元20分压后于第二分压节点B输出参考电压VREF1(即第二分压电压)至误差放大器EA的第一输入端。
第三分压单元30包括电性连接于低压差线性稳压器的输出节点VOUT和第三分压节点C之间的第一反馈电阻RF1、及电性连接于第三分压节点C与地电位之间的第二反馈电阻RF2。第三分压单元30于第三分压节点C输出反馈电压VFB1(即第三分压电压)至误差放大器EA的第三输入端。
进一步地，本实施例中，电容电阻RC和前馈电容CF构成低压差线性稳压器的快通路，该快通路中电容电阻RC和前馈电容CF所产生的反馈电压VFB2以及参考电压VREF2作为误差放大器EA的一对输入电压，分别对应输入至误差放大器EA的第四输入端和第二输入端。
第一反馈电阻RF1和第二反馈电阻RF2构成低压差线性稳压器的慢通路，该慢通路中第一反馈电阻RF1和第二反馈电阻RF2所产生的反馈电压VFB1以及参考电压VREF1作为误差放大器EA的一对输入电压，分别对应输入至误差放大器EA的第三输入端和第一输入端。
上述过程中，误差放大器EA用于比较快通路中的一对反馈电压VFB2和参考电压VREF2，以及比较慢通路中的一对反馈电压VFB1和参考电压VREF1，并生成控制信号控制MOS管MP1。
通过将采样得到的输出信息连接于误差放大器EA的第二输入端，即参考电压VREF2上，当低压差线性稳压器的输出节点VOUT的输出电压变化时，电容电阻RC和前馈电容CF构成的快通路所产生的反馈电压VFB2将同步发生变化，并通过误差放大器EA迅速反应来调节低压差线性稳压器的输出节点VOUT的输出电压。
本实施例中，低压差线性稳压器还包括输出负载单元50，输出负载单元50与低压差线性稳压器的输出节点VOUT相连。具体地，输出负载单元50包括输出电容CL和负载电阻RL，输出电容CL和负载电阻RL的一端与低压差线性稳压器的输出节点VOUT直接或间接相连、另一端与地电位相连。
低压差线性稳压器的输出节点VOUT与输出电容CL之间串联有等效串联电阻RESR，本实施例中，等效串联电阻RESR的阻值可以很小甚至为零。
进一步地，MOS管MP2和MOS管MP1之间的宽长比(尺寸)为1：k。第一电流镜输出电压VX满足VX＝VOUT+Iload*Rc/k＝VOUT*(1+Rc/(ZL*k))；RC为电容电阻；Iload为低压差线性稳压器的输出节点VOUT上的负载电流，在直流电下Iload＝VOUT/RL，在交流电下Iload＝VOUT/ZL；ZL为交流电下的负载阻抗，
Figure BDA0004031683000000081
RESR为等效串联电阻，RESR≥0，/>
Figure BDA0004031683000000082
为输出电容CL的容抗值。当电容电阻RC的第一端电压VX满足上述关系时，从而采样得到相关输出信息。
本实施例中，低压差线性稳压器还包括第五电阻R5和第一电容C1，第五电阻R5的第一端与第一分压节点A相连、第二端与误差放大器EA的第二输入端相连；第一电容C1的第一端连接于第五电阻R5的第二端和误差放大器EA的第二输入端之间、第二端与地电位相连。
第五电阻R5和第一电容C1构成滤波网络，快通路中电容电阻RC和前馈电容CF所产生的反馈电压VFB2经过第五电阻R5和第一电容C1滤波后得到参考电压VREF2。这样，可以保证参考电压VREF2和反馈电压VFB2的直流电压(DC)值相同，实现快通路中只有交流电压(AC)值对误差放大器EA起作用。
由于低压差线性稳压器的环路中存在快慢两条通路，因此环路中将引入一个补偿零点。当等效串联电阻RESR存在且阻值不为零时，输出电容CL、电容电阻RC和等效串联电阻RESR构成低压差线性稳压器的补偿零点为
Figure BDA0004031683000000083
当等效串联电阻RESR不存在或阻值为零时，输出电容CL和电容电阻RC构成低压差线性稳压器的补偿零点为/>
Figure BDA0004031683000000084
此时所达到的效果类似等效串联电阻RESR补偿，RESR的阻值近似看作RC/k。
经过环路传函的推导可知，当第一电阻R1、第二电阻R2、第五电阻R5和第一电容C1与前馈电容CF、电容电阻RC满足
Figure BDA0004031683000000085
时，低压差线性稳压器引入补偿零点的大小为：
Figure BDA0004031683000000091
其中，
Figure BDA0004031683000000092
为反馈系数；gm1为误差放大器EA的第三输入端和第一输入端的跨导；gm2为误差放大器EA的第四输入端和第二输入端的跨导。
本实施例中，频率补偿单元40还包括MOS管MP3，MOS管MP3为PMOS管，MOS管MP3与MOS管MP2共栅连接且构成第二电流镜，MOS管MP3的栅极和漏极均与误差放大器EA的输出端直接或间接相连，源极与输入电压VIN相连。
进一步地，频率补偿单元40与误差放大器EA之间连接有MOS管MP4，MOS管MP4同样为PMOS管，MOS管MP4的栅极与误差放大器EA的输出端相连，源极分别与MOS管MP1的栅极、MOS管MP2的栅极以及MOS管MP3的栅极和漏极相连，MOS管MP4的漏极与地电位相连。
此处所设置的MOS管MP3和MOS管MP4是用做低压差线性稳压器的环路中的buffer级，用于提升瞬态响应和推远MOS管MP1栅极的极点。
实施例二
如图3所示，本实施例中的基于零点补偿的低压差线性稳压器与实施例一中的基于零点补偿的低压差线性稳压器大致相同，区别在于：第五电阻R5的第一端与误差放大器EA的第二输入端相连、第二端与第一分压节点A相连。第五电阻R5可起到限流的作用。
上述技术方案可知：本发明利用前馈电容CF和电容电阻RC构造一条快通路，与慢通路共同通过误差放大器EA来调节低压差线性稳压器的输出电压，环路中的快慢两条通路使得电路中引入一个零点，零点效果近似于ESR零点，在ESR较小甚至不存在ESR的情况下实现LDO的频率补偿，可大大减小成本和板级面积，且引入的零点相比ESR零点更牢靠，不易漂移。
另一方面，片外反馈电阻的大小不需受限，可用于外部反馈电阻输出电压可调的LDO，扩展了传统伪ESR结构的应用范围。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (11)

1.一种基于零点补偿的低压差线性稳压器，其特征在于，所述低压差线性稳压器包括：
第一分压单元，电性连接于基准电压VREF与地电位之间，所述第一分压单元于第一分压节点输出第一分压电压；
第二分压单元，电性连接于基准电压VREF与地电位之间，所述第二分压单元于第二分压节点输出第二分压电压；
第三分压单元，电性连接于低压差线性稳压器的输出节点VOUT与地电位之间，所述第三分压单元于第三分压节点输出第三分压电压；
误差放大器EA，所述误差放大器EA的第一输入端与第二分压节点相连，第二输入端与第一分压节点直接或间接相连，第三输入端与第三分压节点相连；
频率补偿单元，包括第一电流镜，第一电流镜与输入电压VIN、电容电阻RC和前馈电容CF相连，所述前馈电容CF还与误差放大器EA的第四输入端相连。
2.如权利要求1所述的基于零点补偿的低压差线性稳压器，其特征在于，所述第一分压单元包括电性连接于基准电压VREF与第一分压节点之间的第一电阻R1、以及电性连接于第一分压节点与地电位之间的第二电阻R2。
3.如权利要求1所述的基于零点补偿的低压差线性稳压器，其特征在于，所述第二分压单元包括电性连接于基准电压VREF与第二分压节点之间的第三电阻R3、以及电性连接于第二分压节点与地电位之间的第四电阻R4。
4.如权利要求1所述的基于零点补偿的低压差线性稳压器，其特征在于，所述第一电流镜包括MOS管MP1和MOS管MP2，所述MOS管MP1和MOS管MP2的栅极均与误差放大器EA的输出端相连，源极均与输入电压VIN相连，MOS管MP1的漏极与低压差线性稳压器的输出节点VOUT相连，MOS管MP2的漏极分别与电容电阻RC和前馈电容CF相连。
5.如权利要求4所述的基于零点补偿的低压差线性稳压器，其特征在于，所述MOS管MP2和MP1之间的宽长比为1：k，所述第一电流镜输出电压VX满足VX＝VOUT+Iload*Rc/k＝VOUT*(1+Rc/(ZL*k))；RC为电容电阻；
其中，Iload为低压差线性稳压器的输出节点VOUT上的负载电流，在直流电下Iload＝VOUT/RL，在交流电下Iload＝VOUT/ZL；
ZL为交流电下的负载阻抗，
Figure FDA0004031682990000021
RESR为等效串联电阻，RESR≥0，/>
Figure FDA0004031682990000022
为输出电容CL的容抗值。
6.如权利要求5所述的基于零点补偿的低压差线性稳压器，其特征在于，所述等效串联电阻RESR的阻值为零时，所述输出电容CL和电容电阻RC构成低压差线性稳压器的补偿零点为
Figure FDA0004031682990000023
所述等效串联电阻RESR的阻值不为零时，所述输出电容CL、电容电阻RC和等效串联电阻RESR构成低压差线性稳压器的补偿零点为/>
Figure FDA0004031682990000024
7.如权利要求2所述的基于零点补偿的低压差线性稳压器，其特征在于，所述低压差线性稳压器还包括第五电阻R5和第一电容C1，所述第五电阻R5的第一端与第一分压节点相连、第二端与误差放大器EA的第二输入端相连；所述第一电容C1的第一端连接于第五电阻R5的第二端和误差放大器EA的第二输入端之间、第二端与地电位相连。
8.如权利要求7所述的基于零点补偿的低压差线性稳压器，其特征在于，所述第一电阻R1、第二电阻R2、第五电阻R5和第一电容C1与前馈电容CF、电容电阻RC满足
Figure FDA0004031682990000025
时，所述低压差线性稳压器引入补偿零点的大小为：
Figure FDA0004031682990000031
其中，
Figure FDA0004031682990000032
为反馈系数；gm1为误差放大器EA的第三输入端和第一输入端的跨导；gm2为误差放大器EA的第四输入端和第二输入端的跨导。
9.如权利要求1所述的基于零点补偿的低压差线性稳压器，其特征在于，所述低压差线性稳压器还包括第五电阻R5，所述第五电阻R5的第一端与误差放大器EA的第二输入端相连、第二端与第一分压节点相连。
10.如权利要求1所述的基于零点补偿的低压差线性稳压器，其特征在于，所述频率补偿单元还包括MOS管MP3，所述MOS管MP3与MOS管MP2共栅连接且构成第二电流镜，所述MOS管MP3的栅极和漏极均与误差放大器EA的输出端相连，源极与输入电压VIN相连。
11.如权利要求10所述的基于零点补偿的低压差线性稳压器，其特征在于，所述频率补偿单元与误差放大器EA之间连接有MOS管MP4，所述MOS管MP4的栅极与误差放大器EA的输出端相连，源极分别与MOS管MP1的栅极、MOS管MP2的栅极以及MOS管MP3的栅极和漏极相连，所述MOS管MP4的漏极与地电位相连。
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