CN117331395B - 一种适用于ldo的极限负载跳变动态加速电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于LDO的极限负载跳变动态加速电路，包含动态加速模块、偏置电流模块、误差放大器、第一PMOS管、补偿电容、电阻反馈网络、电流负载和第十NMOS管。本发明可以在电流负载从空载跳变满载的极限跳变过程中动态的给LDO电路提供加速功能，使LDO能够快速响应。

Description

一种适用于LDO的极限负载跳变动态加速电路

技术领域

本发明涉及一种动态加速电路，特别是一种适用于LDO的极限负载跳变动态加速电路，属于半导体集成电路技术领域。

背景技术

LDO以其低成本，外围器件需求小，输出noise低，静态电流小等优势广泛应用于各种供电场合。LDO在便携电子系统中应用十分广泛，比如手机、智能手表和Pad等。而移动设备的低功耗和高可靠性要求使得LDO设计任务十分艰巨。当LDO输出供电的负载从一种运行模式切换到另一种运行模式时，LDO的负载电流需求会快速变化。负载电流的这种快速变化将使输出电压产生抖动。大部分的电路模块都会对很大的电压变化产生不良反应。因此，改善LDO的负载跳变性能十分重要，尤其是空载跳变满载的这种极限情况。

现有的技术如图4所示，从这种结构可以很容易看出负载电路变化对LDO运行的影响。LDO的负载电流瞬间剧烈的变化会改变LDO的输出电压电平，直到误差放大器感知负载电流的变化而驱动功率晶体管来补偿这种变化。然而，在输出电流变化与误差放大器作出反应之间往往有一定的延迟，在这个延迟时间内，LDO输出会出现过充和欠充电压。传统的负载跳变动态加速电路通过加sense管13可以添加这种动态加速功能，当电流负载19发生负载跳变时，其利用sens管13检测功率管12的gate端电压，从而产生一个电流信号，注入到误差放大器11的尾电流源，从而提供一个负载跳变加速的功能，但是这种结构的缺点第一个是在空载跳变满载的极限情况下基本不起作用，因为在空载13管检测的电流很小，无法提供极限跳变加速功能；第二个是加速响应很慢，由于其需要通过功率管的gate端来检测负载跳变信号，其必然会经过一个LDO反馈环路响应时间，这种情况下其响应速度会受到LDO环路速度的影响，所以无法对负载跳变做快速响应。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种适用于LDO的极限负载跳变动态加速电路，可以在电流负载从空载跳变满载的极限跳变过程中动态的给LDO电路提供加速功能，使LDO能够快速响应。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种适用于LDO的极限负载跳变动态加速电路，包含动态加速模块、偏置电流模块、误差放大器、第一PMOS管、补偿电容、电阻反馈网络、电流负载和第十NMOS管，动态加速模块的输出端与偏置电流模块的输入端连接，偏置电流模块的输出端与第十NMOS管的栅极连接，第十NMOS管的源极接地，第十NMOS管的漏极连接误差放大器的第一偏置端，误差放大器的反向输入端连接基准电压，误差放大器的输出端与补偿电容的一端和第一PMOS管的栅极连接，第一PMOS管的漏极与补偿电容的另一端、电阻反馈网络的输入端、电流负载的一端和动态加速模块的输入端连接，电流负载的另一端接地，电阻反馈网络的输出端连接误差放大器的同向输入端，误差放大器的第二偏置端和第一PMOS管的源极连接电源VDD。

进一步地，所述动态加速模块包含第一电流源、第一NMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管、第四NMOS管、第五NMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管、电容器，第一电流源的正极连接电源VDD，第一电流源的负极与第一NMOS管的漏极、第一NMOS管栅极、第二NMOS管的栅极和第四NMOS管的栅极连接，第一NMOS管、第二NMOS管、第四NMOS管和第五NMOS管的源极接地，第二NMOS管的漏极与电容器的一端、第二PMOS管的漏极、第二PMOS管的栅极和第三PMOS管的栅极连接，电容器的另一端作为动态加速模块的输入端，第二PMOS管和第三PMOS管的源极连接电源VDD，第三PMOS管的漏极与第三NMOS管的漏极、第三NMOS管栅极和第五NMOS管的栅极连接，第三NMOS管的源极与第四NMOS管的漏极连接，第五NMOS管的漏极作为动态加速模块的输出端。

进一步地，所述偏置电流模块包含第二电流源、第六NMOS管、第七NMOS管、第八NMOS管、第九NMOS管、第四PMOS管和第五PMOS管，第二电流源的正极连接电源VDD，第二电流源的负极与第六NMOS管的漏极、第六NMOS管的栅极、第七NMOS管的栅极和第九NMOS管的栅极连接，第六NMOS管、第七NMOS管和第八NMS管的源极接地，第七NMOS管的漏极与第九NMOS管的漏极、第四PMOS管的漏极、第四PMOS管的栅极和第五PMOS管的栅极连接，第九NMOS管的源极作为偏置电流模块的输入端，第四PMOS管和第五PMOS管的源极连接电源VDD，第五PMOS管的漏极与第八NMOS管的漏极和第八NMOS管的栅极连接并作为偏置电流模块的输出端。

进一步地，所述补偿电容为米勒频率补偿电容。

进一步地，所述电阻反馈网络包含第一电阻和第二电阻，第一电阻的一端与第一PMOS管的漏极、补偿电容的另一端、电流负载的一端和动态加速模块的输入端连接，第一电阻的另一端与第二电阻的一端和误差放大器的同向输入端连接，第二电阻的另一端接地。

进一步地，所述误差放大器采用单级运放或多级运放。

进一步地，所述第一NMOS管、第二NMOS管和第四NMOS管构成第二电流镜电路，流经第一NMOS管、第二NMOS管和第四NMOS管的电流的比为1：n：m，第二PMOS管和第三PMOS管构成第三电流镜电路，流经第二PMOS管和第三PMOS管的电流的比为1：n，第三NMOS管和第五NMOS管构成第四电流镜电路，流经第三NMOS管和第五NMOS管的电流的比为1：n。

进一步地，所述流经第四NMOS管的电流大于流经第三PMOS管的电流。

进一步地，所述第六NMOS管和第七NMOS管构成第五电流镜电路，流经第六NMOS管和第七NMOS管的电流比为1：n，第六NMOS管和第九NMOS管构成第六电流镜电路，流经第六NMOS管和第九NMOS管的电流比为1：n，第四PMOS管和第五PMOS管构成第七电流镜电路，流经第四PMOS管和第五PMOS管的电流比为1：n，第八NMOS管和第十NMOS管构成第一电流镜电路，流经第八NMOS管和第十NMOS管的电流比为1：n。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：

1、本发明提供了一种适用于LDO的极限负载跳变动态加速电路，可以在电流负载从空载跳变满载的极限跳变过程中动态的给LDO电路提供加速功能，使LDO能够快速响应；

2、本发明的电路结构区别于传统的负载跳变动态加速电路，可以以较小的静态功耗电流和简单的电路结构快速实现极限负载跳变动态加速的功能。

附图说明

图1是本发明的一种适用于LDO的极限负载跳变动态加速电路的示意图。

图2是本发明的动态加速模块的电路图。

图3是本发明的偏置电流模块的电路图。

图4是现有技术的LDO动态加速电路的电路图。

具体实施方式

为了详细阐述本发明为达到预定技术目的而所采取的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清晰、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的部分实施例，而不是全部的实施例，并且，在不付出创造性劳动的前提下，本发明的实施例中的技术手段或技术特征可以替换，下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1所示，本发明的一种适用于LDO的极限负载跳变动态加速电路，包含动态加速模块29、偏置电流模块28、误差放大器21、第一PMOS管22、补偿电容23、电阻反馈网络、电流负载26和第十NMOS管27，动态加速模块29的输出端与偏置电流模块28的输入端连接，偏置电流模块28的输出端与第十NMOS管27的栅极连接，第十NMOS管27的源极接地，第十NMOS管27的漏极连接误差放大器21的第一偏置端，误差放大器21的反向输入端连接基准电压203，误差放大器21的输出端与补偿电容23的一端和第一PMOS管22的栅极连接，第一PMOS管22的漏极与补偿电容23的另一端、电阻反馈网络的输入端、电流负载26的一端和动态加速模块29的输入端连接并输出信号201，电流负载26的另一端接地，电阻反馈网络的输出端连接误差放大器21的同向输入端，误差放大器21的第二偏置端和第一PMOS管22的源极连接电源VDD。

本发明的适用于LDO的极限负载跳变动态加速电路，其应用有2种典型工作状态：第一种是电流负载26稳定时，整体LDO正常工作，此时动态加速模块29只提供一个静态偏置电流I1,同时偏置电流模块28也提供一个静态偏置电流I2，其合并起来的偏置电流Iout=I1+I2通过电流镜27输出给误差放大器21的静态偏置电流。第二种工作状态是电流负载26从空载跳到满载时，此时输出电压201会被下拉，动态加速模块29检测到输出点201的电压变化，然后将这个信号转换成内部动态电流信号I3传输到偏置电流模块28，此时偏置电流模块28输出的偏置电流为Iout=I1+I2+I3,Iout通过电流镜27给误差放大器21提供一个动态的成比例的偏置电流，从而增强并加快功率管22对电流负载的响应速度。此外，非极限情况下本发明提出的极限负载跳变动态加速电路也能提供动态加速功能。

如图2所示，动态加速模块29包含第一电流源41、第一NMOS管42、第二NMOS管45、第三NMOS管47、第四NMOS管48、第五NMOS管49、第二PMOS管43、第三PMOS管46、电容器44，第一电流源41的正极连接电源VDD，第一电流源41的负极与第一NMOS管42的漏极、第一NMOS管42的栅极、第二NMOS管45的栅极和第四NMOS管48的栅极连接，第一NMOS管42、第二NMOS管45、第四NMOS管48和第五NMOS管49的源极接地，第二NMOS管45的漏极与电容器44的一端、第二PMOS管43的漏极、第二PMOS管43的栅极和第三PMOS管46的栅极连接，电容器44的另一端作为动态加速模块的输入端并输入信号201，第二PMOS管43和第三PMOS管46的源极连接电源VDD，第三PMOS管46的漏极与第三NMOS管47的漏极、第三NMOS管47的栅极和第五NMOS管49的栅极连接，第三NMOS管47的源极与第四NMOS管48的漏极连接，第五NMOS管49的漏极作为动态加速模块29的输出端并输出信号202。

动态加速模块29的工作原理：第一是给偏置电流模块28提供静态偏置电流I2，然后偏置电流模块28提供给误差放大器21偏置电流Iout。第二是通过电容器44来检测LDO的输出端信号201，然后通过此信号来调整其输出到电流偏置模块的动态电流I3，进而调整电流偏置模块28偏置到误差放大器21的偏置电流大小，实现动态调整。

如图3所示，偏置电流模块28包含第二电流源31、第六NMOS管32、第七NMOS管34、第八NMOS管36、第九NMOS管37、第四PMOS管33和第五PMOS管35，第二电流源31的正极连接电源VDD，第二电流源31的负极与第六NMOS管32的漏极、第六NMOS管32的栅极、第七NMOS管34的栅极和第九NMOS管37的栅极连接，第六NMOS管32、第七NMOS管34和第八NMS管36的源极接地，第七NMOS管34的漏极与第九NMOS管37的漏极、第四PMOS管33的漏极、第四PMOS管33的栅极和第五PMOS管35的栅极连接，第九NMOS管37的源极作为偏置电流模块28的输入端并输入信号202，第四PMOS管33和第五PMOS管35的源极连接电源VDD，第五PMOS管35的漏极与第八NMOS管36的漏极和第八NMOS管36的栅极连接并作为偏置电流模块28的输出端并输出信号205。

偏置电流模块28的工作原理：第一是给后边的误差放大器21提供静态偏置电流I1；第二是参与动态加速电路提供的电流源运算，其输出Iout=I1+I2+I3。

其中，基准电压203由其他模块提供。电流负载26主要用于模拟描述电流负载。补偿电容23为米勒频率补偿电容。

电阻反馈网络包含第一电阻24和第二电阻25，第一电阻24的一端与第一PMOS管22的漏极、补偿电容23的另一端、电流负载26的一端和动态加速模块29的输入端连接，第一电阻24的另一端与第二电阻25的一端和误差放大器21的同向输入端连接，第二电阻25的另一端接地。

第一电流镜电路包含第十NMOS管27，第十NMOS管27的栅极与偏置电流模块28的输出端连接，第十NMOS管27的源极接地，第十NMOS管27的漏极连接误差放大器21的第一偏置端。第一电流镜电路是给误差放大器21提供偏置电流的电流镜，可以根据误差放大器内部所需要的偏置支路来添加电流镜，并不局限于一个电流镜支路。

误差放大器21的级数和结构并不限定，误差放大器21采用单级运放或多级运放，误差放大器21的结构可以采用二级运放，也可以采用共源共栅结构。

第一电流源41由外部其他电路提供，第二电流源31由外部其他电路提供。

第一NMOS管42、第二NMOS管45和第四NMOS管48构成第二电流镜电路，流经第一NMOS管42、第二NMOS管45和第四NMOS管48的电流的比为1：n：m，其中n：m的比例决定了404端电压，从而影响动态加速性能，第四NMOS管48存在两种工作状态，分别为线性区和饱和区，当其正常工作时，其处于线性区；当负载电流从空载跳到满载时，其处于饱和区。第二PMOS管43和第三PMOS管46构成第三电流镜电路，流经第二PMOS管43和第三PMOS管46的电流的比为1：n。第三NMOS管47和第五NMOS管49构成第四电流镜电路，其由于各自的源端电压不同，存在失配，流经第三NMOS管47和第五NMOS管49的电流的比为1：n。

主要通过调整第一NMOS管42和第二NMOS管45的个数和第二PMOS管43和第三PMOS管46的个数来调整动态加速电流I2的值，通过调整第三NMOS管47和第五NMOS管49的个数来调整动态加速电流I3的值，从而决定整体动态加速的性能。

流经第四NMOS管的电流大于流经第三PMOS管的电流。

第六NMOS管32和第七NMOS管34构成第五电流镜电路，流经第六NMOS管32和第七NMOS管34的电流比为1：n。第六NMOS管32和第九NMOS管37构成第六电流镜电路，流经第六NMOS管32和第九NMOS管37的电流比为1：n。第四PMOS管33和第五PMOS管35构成第七电流镜电路，流经第四PMOS管33和第五PMOS管35的电流比为1：n。第八NMOS管36和第十NMOS管27构成第一电流镜电路，流经第八NMOS管36和第十NMOS管27的电流比为1：n。

主要通过调整第六NMOS管32和第七NMOS管34的个数来调整静态偏置电流I1的值，通过第四PMOS管33和第五PMOS管35的个数来调整Iout的值，通过调整第八NMOS管36和第十NMOS管27的个数来调整输出到误差放大器的偏置电流值，调整第六NMOS管32和第九NMOS管37的个数来加入的I2+I3的上限和下限，进而决定整体动态加速的性能。

所有的存在电流镜关系的mos管，其w，l，w/l，m为可以相同也可以不同，不影响电路功能。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种适用于LDO的极限负载跳变动态加速电路，其特征在于：包含动态加速模块、偏置电流模块、误差放大器、第一PMOS管、补偿电容、电阻反馈网络、电流负载和第十NMOS管，动态加速模块的输出端与偏置电流模块的输入端连接，偏置电流模块的输出端与第十NMOS管的栅极连接，第十NMOS管的源极接地，第十NMOS管的漏极连接误差放大器的第一偏置端，误差放大器的反向输入端连接基准电压，误差放大器的输出端与补偿电容的一端和第一PMOS管的栅极连接，第一PMOS管的漏极与补偿电容的另一端、电阻反馈网络的输入端、电流负载的一端和动态加速模块的输入端连接，电流负载的另一端接地，电阻反馈网络的输出端连接误差放大器的同向输入端，误差放大器的第二偏置端和第一PMOS管的源极连接电源VDD；

所述动态加速模块包含第一电流源、第一NMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管、第四NMOS管、第五NMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管、电容器，第一电流源的正极连接电源VDD，第一电流源的负极与第一NMOS管的漏极、第一NMOS管栅极、第二NMOS管的栅极和第四NMOS管的栅极连接，第一NMOS管、第二NMOS管、第四NMOS管和第五NMOS管的源极接地，第二NMOS管的漏极与电容器的一端、第二PMOS管的漏极、第二PMOS管的栅极和第三PMOS管的栅极连接，电容器的另一端作为动态加速模块的输入端，第二PMOS管和第三PMOS管的源极连接电源VDD，第三PMOS管的漏极与第三NMOS管的漏极、第三NMOS管栅极和第五NMOS管的栅极连接，第三NMOS管的源极与第四NMOS管的漏极连接，第五NMOS管的漏极作为动态加速模块的输出端。

2.根据权利要求1所述的一种适用于LDO的极限负载跳变动态加速电路，其特征在于：所述偏置电流模块包含第二电流源、第六NMOS管、第七NMOS管、第八NMOS管、第九NMOS管、第四PMOS管和第五PMOS管，第二电流源的正极连接电源VDD，第二电流源的负极与第六NMOS管的漏极、第六NMOS管的栅极、第七NMOS管的栅极和第九NMOS管的栅极连接，第六NMOS管、第七NMOS管和第八NMS管的源极接地，第七NMOS管的漏极与第九NMOS管的漏极、第四PMOS管的漏极、第四PMOS管的栅极和第五PMOS管的栅极连接，第九NMOS管的源极作为偏置电流模块的输入端，第四PMOS管和第五PMOS管的源极连接电源VDD，第五PMOS管的漏极与第八NMOS管的漏极和第八NMOS管的栅极连接并作为偏置电流模块的输出端。

3.根据权利要求1所述的一种适用于LDO的极限负载跳变动态加速电路，其特征在于：所述补偿电容为米勒频率补偿电容。

4.根据权利要求1所述的一种适用于LDO的极限负载跳变动态加速电路，其特征在于：所述电阻反馈网络包含第一电阻和第二电阻，第一电阻的一端与第一PMOS管的漏极、补偿电容的另一端、电流负载的一端和动态加速模块的输入端连接，第一电阻的另一端与第二电阻的一端和误差放大器的同向输入端连接，第二电阻的另一端接地。

5.根据权利要求1所述的一种适用于LDO的极限负载跳变动态加速电路，其特征在于：所述误差放大器采用单级运放或多级运放。

6.根据权利要求1所述的一种适用于LDO的极限负载跳变动态加速电路，其特征在于：所述第一NMOS管、第二NMOS管和第四NMOS管构成第二电流镜电路，流经第一NMOS管、第二NMOS管和第四NMOS管的电流的比为1：n：m，第二PMOS管和第三PMOS管构成第三电流镜电路，流经第二PMOS管和第三PMOS管的电流的比为1：n，第三NMOS管和第五NMOS管构成第四电流镜电路，流经第三NMOS管和第五NMOS管的电流的比为1：n。

7.根据权利要求1所述的一种适用于LDO的极限负载跳变动态加速电路，其特征在于：流经所述第四NMOS管的电流大于流经第三PMOS管的电流。

8.根据权利要求2所述的一种适用于LDO的极限负载跳变动态加速电路，其特征在于：所述第六NMOS管和第七NMOS管构成第五电流镜电路，流经第六NMOS管和第七NMOS管的电流比为1：n，第六NMOS管和第九NMOS管构成第六电流镜电路，流经第六NMOS管和第九NMOS管的电流比为1：n，第四PMOS管和第五PMOS管构成第七电流镜电路，流经第四PMOS管和第五PMOS管的电流比为1：n，第八NMOS管和第十NMOS管构成第一电流镜电路，流经第八NMOS管和第十NMOS管的电流比为1：n。