CN117348658A - 驱动级电路、线性稳压器及电源装置 - Google Patents

驱动级电路、线性稳压器及电源装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种驱动级电路、线性稳压器和电源装置，包括：NMOS源跟随器，连接在误差放大器和功率管的控制端之间，用于在开启时向功率管输出第一驱动电流；PMOS源跟随器，连接在误差放大器和功率管的控制端之间，用于在开启时向功率管输出第二驱动电流；以及切换电路，用于将功率管的控制端电压相对参考地的压差与设定的阈值进行比较，并根据比较结果互补开启PMOS源跟随器和NMOS源跟随器，无论LDO的负载状态如何，驱动级电路总是可以选择最优的驱动类型来驱动功率管，从而改善了现有技术的驱动级电路的环路稳定性容易受到工作电压范围限制的问题。

Description

驱动级电路、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，具体涉及一种驱动级电路、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)简称为线性稳压器，是一种电源管理模块，其广泛应用于各种手持设备和便携式电子产品中。LDO的核心部分由误差放大器、驱动级电路和功率管等三个基本模块组成，其中驱动级电路用于驱动功率管，其对于改善LDO的瞬态响应性能和提高整个环路的稳定性起着非常重要的作用。
图1示出了根据现有技术的一种驱动级电路的结构示意图。如图1所示，现有技术的驱动级电路NMOS晶体管Ms和电流源I1构成的NMOS源跟随器向功率管提供驱动电流。现有技术的驱动级电路的环路稳定性容易受到工作电压范围的限制，例如在LDO为轻载或者电源电压Vcc较大时，该驱动级电路可能导致前级的误差放大器进入线性区而导致整体的环路异常，影响环路的稳定性。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种驱动级电路、线性稳压器及电源装置，改善了现有技术的驱动级电路的容量容易受到工作电压范围限制，导致前级的误差放大器进入线性区而使得整体的环路异常的问题。
根据本发明的一方面，提供一种应用于线性稳压器的驱动级电路，所述驱动级电路连接在误差放大器和功率管之间，包括：NMOS源跟随器，连接在所述误差放大器和所述功率管的控制端之间，用于在开启时向所述功率管输出第一驱动电流；PMOS源跟随器，连接在所述误差放大器和所述功率管的控制端之间，用于在开启时向所述功率管输出第二驱动电流；以及切换电路，分别与所述NMOS源跟随器、所述PMOS源跟随器以及所述功率管的控制端连接，其用于将所述功率管的控制端电压相对参考地的压差与设定的阈值进行比较，并根据比较结果互补开启所述PMOS源跟随器和所述NMOS源跟随器。
可选地，当所述压差大于所述设定的阈值时，所述切换电路开启所述PMOS源跟随器，并关闭所述NMOS源跟随器，当所述压差小于所述设定的阈值时，所述切换电路开启所述NMOS源跟随器，并关闭所述PMOS源跟随器。
可选地，所述NMOS源跟随器包括：串联连接于电源电压和所述参考地之间的具有NMOS源跟随晶体管和第一电流源，所述NMOS源跟随晶体管的控制端与所述误差放大器连接，所述NMOS源跟随晶体管和所述第一电流源的公共端与所述功率管的控制端连接。
可选地，所述PMOS源跟随器包括：串联连接于所述切换电路和所述参考地之间的第二电流源和PMOS源跟随晶体管，所述PMOS源跟随晶体管的控制端与所述误差放大器连接，所述第二电流源和所述PMOS源跟随晶体管的公共端与所述功率管的控制端连接。
可选地，所述切换电路包括：连接于所述电源电压和所述第二电流源之间的第一晶体管；连接于所述电源电压和所述第一晶体管的控制端之间的第三电流源；以及位于所述第一晶体管和所述第三电流源的公共端与所述参考地之间的第一支路上的第二晶体管、连接成MOS二极管的第三晶体管以及第一电阻，所述第二晶体管的控制端与所述功率管的控制端连接。
可选地，所述第二电流源提供的电流大于所述第一电流源提供的电流。
可选地，所述切换电路通过根据所述压差与所述预设的阈值的比较结果控制所述第一晶体管的导通或关断来控制所述PMOS源跟随晶体管和所述NMOS源跟随晶体管的静态工作电流，以互补开启所述PMOS源跟随器和所述NMOS源跟随器。
可选地，所述第一晶体管和所述第三晶体管为PMOS晶体管，所述第二晶体管为NMOS晶体管。
根据本发明的另一方面，提供一种线性稳压器，包括：功率管，具有连接于电源电压和输出电压之间的电流传导路径；误差放大器，用于将所述输出电压的反馈电压与参考电压进行比较；以及上述的驱动级电路，所述驱动级电路连接在误差放大器和功率管之间，并根据所述误差放大器的输出驱动所述功率管。
根据本发明的另一方面，提供一种电源装置，包括：上述的线性稳压器，所述线性稳压器用于将电源电压转换为稳定的输出电压。
综上所述，本发明实施例的应用于线性稳压器的驱动级电路包括PMOS源跟随器、NMOS源跟随器和切换电路，该切换电路通过检测驱动级电路的输出电压与参考地之间的电压余量来互补切换PMOS源跟随器和NMOS源跟随器。无论LDO的负载状态如何，驱动级电路总是可以选择最优的驱动类型来驱动功率管，从而改善了现有技术的驱动级电路的容量容易受到工作电压范围限制，导致前级的误差放大器进入线性区而使得整体的环路异常的问题。
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一种驱动级电路的示意性结构图。
图2示出了根据本发明第一实施例提供的一种应用于线性稳压器的驱动级电路的示意性电路图。
图3示出了根据本发明第二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PMOS晶体管或NMOS晶体管。PMOS晶体管的第一端、第二端和控制端分别为源极、漏极和栅极，NMOS晶体管的第一端、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2示出了根据本发明第一实施例提供的一种应用于线性稳压器的驱动级电路100的示意性电路图。如图2所示，所述驱动级电路100连接在误差放大器的输出和功率管的控制端之间，其用于根据误差放大器的输出向功率管提供驱动电流，以驱动所述功率管。该驱动级电路100包括：NMOS源跟随器110、PMOS源跟随器120以及切换电路130。其中，NMOS源跟随器110连接在电源电压Vcc和参考地之间，其输入端与误差放大器的输出连接于节点A，NMOS源跟随器110的输出端与功率管的控制端连接于节点B，NMOS源跟随器110用于在开启时向功率管输出第一驱动电流。PMOS源跟随器120连接在切换电路130和参考地之间，其输入端与误差放大器的输出连接于节点A，PMOS源跟随器120的输出端与功率管的控制端连接于所述节点B，PMOS源跟随器120用于在开启时向所述功率管输出第二驱动电流。所述切换电路130分别与所述NMOS源跟随器110、所述PMOS源跟随器120以及所述功率管的控制端连接，用于将所述功率管的控制端电压(也即，节点B处的电压)相对参考地的压差与设定的阈值进行比较，并根据比较结果互补开启所述PMOS源跟随器120和所述NMOS源跟随器110。
进一步的，所述切换电路130用于在所述节点B相对参考地的余量充足时，即二者之间的压差大于所述设定的阈值时，开启所述PMOS源跟随器120，并关闭所述NMOS源跟随器110。所述切换电路130用于在所述节点B相对所述参考地的余量不足时，即二者之间的压差小于所述设定的阈值时，开启所述NMOS源跟随器110，并关闭所述PMOS源跟随器120。
进一步的，所述切换电路130被设置为通过根据所述节点B相对参考地的差值与所述设定的阈值之间的比较结果控制所述NMOS源跟随器110和所述PMOS源跟随器120的静态工作电流，以互补开启NMOS源跟随器110和所述PMOS源跟随器120。
进一步的，所述NMOS源跟随器110包括NMOS源跟随晶体管Mn1和电流源I1。其中NMOS源跟随晶体管Mn1和电流源I1串联连接在所述电源电压Vcc和所述参考地之间，NMOS源跟随晶体管Mn1的栅极作为NMOS源跟随器110的输入端与所述节点A连接，NMOS源跟随晶体管Mn1的源极与所述电流源I1的公共端作为所述NMOS源跟随器110的输出端与所述节点B连接。
所述PMOS源跟随器120包括PMOS源跟随晶体管Mp1和电流源I2。其中，电流源I2和PMOS源跟随晶体管Mp1串联连接在切换电路130和所述参考地之间，PMOS源跟随晶体管Mp1的栅极作为PMOS源跟随器120的输入端与所述节点A连接，所述电流源I2与所述PMOS源跟随晶体管Mp1的源极的公共端作为PMOS源跟随器120的输出端与所述节点B连接。
所述切换电路130包括PMOS晶体管Mp2、PMOS晶体管Mp3、NMOS晶体管Mn2、电流源I3以及电阻R3。其中，所述PMOS晶体管Mp2连接在电源电压Vcc和电流源I2之间，PMOS晶体管Mp2的源极与电源电压Vcc连接，PMOS晶体管Mp2的漏极与电流源I2连接。电流源I3的第一端与电源电压Vcc连接，电流源I3的第二端与PMOS晶体管Mp2的栅极连接。NMOS晶体管Mn2、PMOS晶体管Mp3以及电阻R3位于PMOS晶体管Mp2的栅极和电流源I3的公共端与参考地之间的支路上，其中NMOS晶体管Mn2的漏极与电流源I3和PMOS晶体管Mp2的公共节点D连接，NMOS晶体管Mn2的栅极与节点B连接，NMOS晶体管Mn2的源极与PMOS晶体管Mp3的源极连接。PMOS晶体管Mp3连接成MOS二极管，即PMOS晶体管Mp3的栅极和漏极彼此连接。电阻R3的第一端与PMOS晶体管Mp3的栅极和漏极连接于节点C，电阻R3的第二端与所述参考地连接。
其中，所述切换电路130通过根据节点B相对参考地的压差与预设的阈值的比较结果控制PMOS晶体管Mp2的导通或关断来控制PMOS源跟随晶体管Mp1和NMOS源跟随晶体管Mn1的静态工作电流，以互补开启所述PMOS源跟随器120和NMOS源跟随器110。
在本实施例中，节点D和参考地之间的支路上的电流Ic＝VC/R3，其中VC为节点C处的电压，R3为电阻R3的电阻值，且节点C处的电压可以通过节点B、NMOS晶体管Mn2以及PMOS晶体管Mp3得到，即：
VC＝VB―VgsMn2―VgsMp3 (1)
根据公式(1)可以得到，当节点B相对参考地的压差大于预设的阈值时，节点D和参考地之间的支路上的电流Ic大于电流源I3提供的电流，节点D处的电压VD＜Vcc，PMOS晶体管Mp2导通，此时NMOS源跟随晶体管Mn1的静态工作电流等于I1-I2，PMOS源跟随晶体管Mp1的静态工作电流等于I2-I1。此外，在本实施例中，设置电流源I2提供的电流大于电流源I1提供的电流，因此NMOS源跟随晶体管Mn1的静态工作电流I1-I2＜0，即NMOS源跟随器110关闭；PMOS源跟随晶体管Mp1的静态工作电流I2-I1＞0，即PMOS源跟随器120开启。
当节点B相对参考地的压差小于预设的阈值时，节点D和参考地之间的支路上的电流Ic小于电流源I3提供的电流，节点D处的电压VD＝Vcc，PMOS晶体管Mp2关断，此时PMOS源跟随晶体管Mp1的静态工作电流等于0，即PMOS源跟随器120关闭，而NMOS源跟随晶体管Mn1的静态工作电流大于0，即NMOS源跟随器110开启。
进一步的，本实施例中的节点B的电流经过共源极NMOS晶体管Mn2连接到节点D，而节点D的电流再经过共源极PMOS晶体管Mp2反馈回节点B，从而在节点B和节点D之间构成一个小的正反馈环路，因此本实施例的驱动级电路100中不存在NMOS源跟随器110和PMOS源跟随器120均不工作的情况，无论LDO的负载状态如何，切换电路130均能够选择一个最优的驱动器类型来驱动功率管。
在本实施例中，PMOS源跟随器120与NMOS源跟随器110相比，PMOS源跟随器120的瞬态响应更好，且会使得系统的电源抑制比(PSRR)更好，因此本实施例在节点B的余量允许的条件下，优先驱动PMOS源跟随器120，将其设计为默认的驱动类型，使得驱动级电路100可以取得更好的驱动效果。
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，本实施例的线性稳压器200包括功率管Mpwr、误差放大器210、驱动级电路220以及电阻分压网络。
其中，功率管Mpwr为芯片的主要输出管，具有耦接于电源电压Vcc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PMOS晶体管，其第一端(其中，第一端是源极并且第二端是漏极)耦接至电源电压Vcc，第二端耦接至输出电压Vout的输出端，功率管Mpwr的控制端(例如，MOS晶体管的栅极)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电源电压Vcc向后级负载提供输出电压Vout，以驱动芯片外的负载电阻和负载电容。
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NMOS晶体管、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VREF进行比较，得到表征二者之间的差值的输出信号，该输出信号用于调整功率管Mpwr的导通程度，从而稳定输出电压Vout。虽然图3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。驱动级电路220连接在误差放大器210的输出和功率管Mpwr的控制端之间，用于根据误差放大器210的输出来产生所述栅极驱动信号GATE，以驱动所述功率管Mpwr。
进一步的，所述驱动级电路220可以通过本发明第一实施例提供的驱动级电路100来实现，该驱动级电路100可以根据LDO的负载状态自适应选择PMOS源跟随器或NMOS源跟随器来驱动功率管，改善了现有技术的驱动级电路的容量容易受到工作电压范围限制，导致前级的误差放大器进入线性区而使得整体的环路异常的问题。
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。
综上所述，本发明实施例的应用于线性稳压器的驱动级电路包括PMOS源跟随器、NMOS源跟随器和切换电路，该切换电路通过检测驱动级电路的输出电压与参考地之间的电压余量来互补切换PMOS源跟随器和NMOS源跟随器。无论LDO的负载状态如何，驱动级电路总是可以选择最优的驱动类型来驱动功率管，从而改善了现有技术的驱动级电路的容量容易受到工作电压范围限制，导致前级的误差放大器进入线性区而使得整体的环路异常的问题。
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 (10)

1.一种应用于线性稳压器的驱动级电路，所述驱动级电路连接在误差放大器和功率管之间，包括：
NMOS源跟随器，连接在所述误差放大器和所述功率管的控制端之间，用于在开启时向所述功率管输出第一驱动电流；
PMOS源跟随器，连接在所述误差放大器和所述功率管的控制端之间，用于在开启时向所述功率管输出第二驱动电流；以及
切换电路，分别与所述NMOS源跟随器、所述PMOS源跟随器以及所述功率管的控制端连接，其用于将所述功率管的控制端电压相对参考地的压差与设定的阈值进行比较，并根据比较结果互补开启所述PMOS源跟随器和所述NMOS源跟随器。
2.根据权利要求1所述的驱动级电路，其中，
当所述压差大于所述设定的阈值时，所述切换电路开启所述PMOS源跟随器，并关闭所述NMOS源跟随器，
当所述压差小于所述设定的阈值时，所述切换电路开启所述NMOS源跟随器，并关闭所述PMOS源跟随器。
3.根据权利要求2所述的驱动级电路，其中，所述NMOS源跟随器包括：
串联连接于电源电压和所述参考地之间的具有NMOS源跟随晶体管和第一电流源，
所述NMOS源跟随晶体管的控制端与所述误差放大器连接，所述NMOS源跟随晶体管和所述第一电流源的公共端与所述功率管的控制端连接。
4.根据权利要求3所述的驱动级电路，其中，所述PMOS源跟随器包括：
串联连接于所述切换电路和所述参考地之间的第二电流源和PMOS源跟随晶体管，
所述PMOS源跟随晶体管的控制端与所述误差放大器连接，所述第二电流源和所述PMOS源跟随晶体管的公共端与所述功率管的控制端连接。
5.根据权利要求4所述的驱动级电路，其中，所述切换电路包括：
连接于所述电源电压和所述第二电流源之间的第一晶体管；
连接于所述电源电压和所述第一晶体管的控制端之间的第三电流源；以及
位于所述第一晶体管和所述第三电流源的公共端与所述参考地之间的第一支路上的第二晶体管、连接成MOS二极管的第三晶体管以及第一电阻，
所述第二晶体管的控制端与所述功率管的控制端连接。
6.根据权利要求5所述的驱动级电路，其中，所述第二电流源提供的电流大于所述第一电流源提供的电流。
7.根据权利要求6所述的驱动级电路，其中，所述切换电路通过根据所述压差与所述预设的阈值的比较结果控制所述第一晶体管的导通或关断来控制所述PMOS源跟随晶体管和所述NMOS源跟随晶体管的静态工作电流，以互补开启所述PMOS源跟随器和所述NMOS源跟随器。
8.根据权利要求5所述的驱动级电路，其中，所述第一晶体管和所述第三晶体管为PMOS晶体管，所述第二晶体管为NMOS晶体管。
9.一种线性稳压器，包括：
功率管，具有连接于电源电压和输出电压之间的电流传导路径；
误差放大器，用于将所述输出电压的反馈电压与参考电压进行比较；以及
权利要求1-8任一项所述的驱动级电路，所述驱动级电路连接在误差放大器和功率管之间，并根据所述误差放大器的输出驱动所述功率管。
10.一种电源装置，包括：如权利要求9中所述的线性稳压器，所述线性稳压器用于将电源电压转换为稳定的输出电压。
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