CN117348667B - 一种负载切换瞬态增强的超低静态功耗ldo电路、工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种负载切换瞬态增强的超低静态功耗LDO电路、工作方法，其可提高LDO输出电压的建立速度，具有较好的稳定性与瞬态响应能力；其包括主路模块，所述主路模块包括误差放大级，所述误差放大级的输出节点端连接有泄放模块、瞬态增强模块；其中，所述泄放模块，用于在所述误差放大级输出节点的电压小于设定阈值时，进行过充电荷泄放；所述瞬态增强模块，用于当负载电流突变时，对所述误差放大级的输出节点端进行充电或放电，维持所述误差放大级输出电压稳定。

Description

一种负载切换瞬态增强的超低静态功耗LDO电路、工作方法

技术领域

本发明涉及低功耗电源电路技术领域，具体为一种负载切换瞬态增强的超低静态功耗LDO电路、工作方法。

背景技术

在电子雷管控制芯片中，要求LDO(low dropout regulator，低压差线性稳压器)要有超低静态功耗性能，但在LDO结构中，当输出端发生负载跳变，即负载电流进行切换时，一方面，会受到LDO的误差放大级小的直流电流的限制，LDO误差放大级输出电压摆率往往很小，大大限制了LDO的误差放大级输出电压在负载电流跳变之后的切换速度，从而影响LDO输出电压的建立速度；另一方面，对于输出负载电流突然减小的切换情况，LDO的输出节点会产生过充电压，但由于超低功耗的需求输出级的反馈电阻阻值很大，因此LDO输出节点的过充电荷会泄放很慢，因此又大大降低了LDO输出节点电压的建立速度。

目前有一些工作是动态调整LDO的误差放大级的直流电流来加快负载电流切换时LDO误差放大级输出电压的建立速度，但是这样的方式往往会增加多路直流电流增加LDO的静态功耗；另外也有一些工作使用了快的反馈环路来增加LDO功率管栅极电压的建立速度，从而增加LDO输出电压的建立速度，但这些工作往往具有较为复杂的电路结构。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种负载切换瞬态增强的超低静态功耗LDO电路、工作方法，其可提高LDO输出电压的建立速度，具有较好的稳定性与瞬态响应能力。

本发明采用如下技术方案，一种负载切换瞬态增强的超低静态功耗LDO电路，其包括主路模块，所述主路模块包括误差放大级，其特征在于，所述误差放大级的输出节点端连接有泄放模块、瞬态增强模块；

其中，所述泄放模块，用于在所述误差放大级输出节点的电压小于设定阈值时，进行过充电荷泄放；

所述瞬态增强模块，用于当负载电流突变时，对所述误差放大级的输出节点端进行充电或放电，维持所述误差放大级输出电压稳定。

进一步地，所述主路模块还包括源跟随器缓冲级、功率输出级，所述源跟随器缓冲级的输入端与所述误差放大级的输出节点端连接，用于对所述误差放大级的输出电压进行电压缓冲；所述源跟随器缓冲级的输出端与所述功率输出级的输入端连接；

进一步地，所述误差放大级包括MOS管M1～M10、电容C1；所述泄放模块包括MOS管M11；所述MOS管M6的漏极端与所述MOS管M8的漏极端相连后与所述电容C1的一端、MOS管M11的栅极端均相连接，且相连的节点作为所述误差放大级的输出节点端VEA；所述MOS管M11的源极端作为所述误差放大级的输出电压端VLDO；所述电容C1的另一端与所述MOS管M11的漏极端相连后接地；

进一步地，所述源跟随器缓冲级包括MOS管M12、M13,所述MOS管M12的栅极端接于所述MOS管M5、M6栅极相连的节点端VM；所述MOS管M13的栅极端连接于所述输出节点端VEA；

进一步地，所述功率输出级包括MOS管M14、电阻R1、R2、电容C2；所述MOS管M12的漏极端与所述MOS管M13的源极端相连，且该相连节点端VGATE与所述MOS管M14的栅极端相连接；

进一步地，所述瞬态增强模块包括MOS管M15～M18、电阻R3、R4、电容C3、C4；所述MOS管M16、M18的源极端相连后与所述MOS管M11的漏极端相连接；所述电容C3、C4的串联连接端与所述输出电压端VLDO相连，所述MOS管M17、M18的漏极连接端与所述输出节点端VEA相连；

一种负载切换瞬态增强的超低静态功耗LDO电路的工作方法，其特征在于，包括：当输出电压端VLDO出现欠充而小于正常输出电压阈值时，在所述瞬态增强模块中，欠冲电压通过电容C3传输到MOS管M17的栅极端，MOS管M17的漏电流增加使得输出节点端VEA快速充电以增大欠充电压值；

当输出电压端VLDO出现过充而大于正常输出电压阈值时，在所述瞬态增强模块中，过冲电压通过电容C4传输到MOS管M18的栅极端，MOS管M18的漏电流增加使得输出节点端VEA快速放电以减小过充电压值；

当MOS管M11的栅源电压大于设定阈值电压时，MOS管M11导通以进行过充电荷泄放。

本发明的有益效果是，其通过设置的瞬态增强模块，可使得在LDO电路的输出电压端VLDO出现过充或欠充时，对输出节点端VEA进行快速充放电，以及在输出节点端VEA的电压小于设定阈值电压时，进行过充电荷泄放，不仅实现了超低功耗LDO在负载切换时输出节点端VEA快速建立，且实现了超低功耗LDO在负载电流突降时过充电荷的快速泄放，从而提高了LDO输出电压的建立速度，具有较好的稳定性与瞬态响应能力。

附图说明

图1是本发明的电路原理图；

图2是本发明中过充瞬态响应曲线图；

图3是本发明中欠充瞬态响应曲线图。

具体实施方式

如图1～图3所示，本发明一种负载切换瞬态增强的超低静态功耗LDO电路，其包括主路模块，主路模块包括误差放大级1，误差放大级1被配置为根据负载电流生成输出电压，误差放大级1的输出节点端VEA连接有泄放模块、瞬态增强模块4；

其中，泄放模块，用于在误差放大级1输出节点端VEA的电压小于设定阈值时，进行过充电荷泄放；

瞬态增强模块4，用于当负载电流突变时，对误差放大级1的输出节点端VEA进行充电或放电，维持误差放大级1输出电压稳定，也就是说，在负载突变时对误差放大级1输出节点端VEA的电压快速建立做补偿。

LDO电路的主极点位于输出节点端VEA，为了拉开主极点和次主级点频率之间的距离，在输出节点端VEA增加了电容C1，从而使主极点左移，误差放大级1的输出电压端VLDO、节点端VGATE、节点端VM分别为次主极点；另外在电阻R1上并联一个电容C2以产生一个零点用于相位补偿；在误差放大级1与功率输出级3之间插入的源跟随器缓冲级2，可将输出节点端VEA的直流电压降低。

主路模块还包括源跟随器缓冲级2、功率输出级3，源跟随器缓冲级2的输入端与误差放大级1的输出节点端连接，用于对误差放大级1的输出电压进行电压缓冲；源跟随器缓冲级2的输出端与功率输出级3的输入端连接。

误差放大级1包括MOS管M1～M10、电容C1；泄放模块包括MOS管M11；MOS管M6的漏极端与MOS管M8的漏极端相连后与电容C1的一端、MOS管M11的栅极端均相连接，且相连的节点作为误差放大级1的输出节点端VEA；MOS管M11的源极端作为误差放大级1的输出电压端VLDO；电容C1的另一端与MOS管M11的漏极端相连后接地；源跟随器缓冲级2包括MOS管M12、M13,MOS管M12的栅极端接于MOS管M5、M6栅极相连的节点端VM；MOS管M13的栅极端连接于输出节点端VEA；功率输出级3包括MOS管M14、电阻R1、R2、电容C2；MOS管M12的漏极端与MOS管M13的源极端相连，且该相连节点端VGATE与MOS管M14的栅极端相连接；瞬态增强模块4包括MOS管M15～M18、电阻R3、R4、电容C3、C4；MOS管M16、M18的源极端相连后与MOS管M11的漏极端相连接；电容C3、C4的串联连接端与输出电压端VLDO相连，MOS管M17、M18的漏极连接端与输出节点端VEA相连。

本发明还提出了一种负载切换瞬态增强的超低静态功耗LDO电路的工作方法，包括：

当输出电压端VLDO出现欠充而小于正常输出电压阈值时，在所述瞬态增强模块4中，欠冲电压通过电容C3传输到MOS管M17的栅极端，MOS管M17的漏电流增加使得输出节点端VEA快速充电以增大欠充电压值；

当输出电压端VLDO出现过充而大于正常输出电压阈值时，在所述瞬态增强模块4中，过冲电压通过电容C4传输到MOS管M18的栅极端，MOS管M18的漏电流增加使得输出节点端VEA快速放电以减小过充电压值；

当MOS管M11的栅源电压大于MOS管M11的阈值电压VTH11时，MOS管M11导通以进行过充电荷泄放。

具体地：

当负载电流突然增加时，LDO电路的输出电压端VLDO出现欠充，从而低于正常输出电压阈值时，欠充电压会通过瞬态增强模块4的电容C3耦合到MOS管M17的栅极，从而增加MOS管M17的漏电流，使得误差放大级1的输出节点端VEA快速充电，进而使得LDO电路的欠充电压降到最低点就开始恢复，从而减小欠充电压的值，并缩短欠充电压恢复时间；

当负载电流突然减小时，LDO电路的输出电压端VLDO出现过充，从而高于正常输出电压阈值时，过充电压会通过瞬态增强模块4的电容C4耦合到MOS管M18的栅极，从而增加MOS管M18的漏电流，使得误差放大级1的输出节点端VEA快速放电，进而减小过充电压的值；

上述瞬态增强模块4只在负载电流突变的时候，会产生大电流对输出节点端VEA进行快速充放电，在静态时电流很小对LDO电路的稳定性基本不会造成影响；

当误差放大级1输出节点端VEA的电压下降到使得MOS管M11的栅源电压大于其阈值电压VTH11时，MOS管M11会导通，过充电荷可从MOS管M11泄放，而不必从反馈电阻R1的高阻值通路缓慢泄放，从而大大加快了过充电压的恢复；

作为电流补偿管的MOS管M17、M18的栅极电压会通过电阻R3、R4放电，自动回到初始的稳态，不会对LDO电路的静态功耗造成影响。

在本发明中，设置的瞬态增强模块4需要直流电流可以十分小，因此瞬态增强模块4基本上没有增加直流静态功耗，另外，由于给误差放大级1的输出节点端VEA充放电不需要误差放大级1的直流电流，因此误差放大级1的直流电流也可大大减小；相比现有的动态调整LDO电路的误差放大级1的直流电流的方式，可以大大降低LDO电路的直流功耗，且相比于现有的一些增加快的反馈环路增强瞬态响应的方式，本发明提出的瞬态增强模块4具有更加简单的电路结构。

本发明针对过充瞬态响应、欠充瞬态响应，进行举例解释说明如下：

图2、图3中的ILOAD作为负载电流；

当负载电流突减时，LDO电路输出电压端VLDO的电压出现过充，在瞬态增强模块4和泄放模块未使能时，过充电荷要经过电阻R1形成的高阻通路放电，过充电压的恢复速度受限于高阻的泄放通路；如图2中自上往下的第二条波形所示，LDO电路的过充电压接近0.3V，LDO电路的恢复时间接近4ms；当负载电流突增时，LDO电路输出电压端VLDO的电压出现欠充，欠充电压的恢复受限于误差放大级1输出节点端VEA的摆率，如图3中自上往下的第二条波形所示，LDO电路的欠充电压接近0.45V，电压恢复时间接近30us。

当使能泄放模块时，LDO电路输出的过冲电压信号直接体现在MOS管M11的源极端，而MOS管M11的栅极端节点VEA则是由功率输出级3的输出VLDO经由误差放大级1的反馈网络进行控制，因此反应速度滞后于VLDO信号对MOS管M11的源极端的直接控制，从而存在一段时间，使得功率输出级3输出电压端VLDO的电压与误差放大级1的输出节点端VEA之间的电压差大于MOS管M11的阈值电压时，MOS管M11导通，加速LDO电路输出级过充电荷的泄放，直到过充电荷泄放；如图2中自上往下的第三条波形所示，此时LDO电路的恢复时间仅仅为100us，值得一提的是，如图3中自上往下的第三条波形所示，泄放模块对欠充电压的恢复不会起作用。

MOS管M11只有在功率输出级3的输出电压端VLDO的电压与误差放大级1的输出节点端VEA之间的电压差大于MOS管M11的阈值电压时才打开，由于误差放大级1静态电流很小，输出节点端VEA的电压摆率很小使得误差放大级1的输出节点端VEA下降的很慢；瞬态增强模块4用于增加负载电流突变时候的误差放大级1的输出节点端VEA的电压建立过程。如图2和图3中自上往下的第四条波形所示，瞬态增强模块4使过充电压和欠冲电压分别下降到0.2V和0.35V，过充恢复时间和欠冲恢复时间分别下降到20us和5us。

图中，MOS管M3、M4的栅极端相连接，且MOS管M3的栅极端作为误差放大级的输入端；

MOS管M3、M4的偏置电流由MOS管M2提供；

IBIASE1、IBIASE2、IBIASE3作为偏置电流，以用于设置静态工作点。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (5)

1.一种负载切换瞬态增强的超低静态功耗LDO电路，其包括主路模块，所述主路模块包括误差放大级，其特征在于，所述误差放大级的输出节点端连接有泄放模块、瞬态增强模块；

其中，所述泄放模块，用于在所述误差放大级输出节点的电压小于设定阈值时，进行过充电荷泄放；

所述瞬态增强模块，用于当负载电流突变时，对所述误差放大级的输出节点端进行充电或放电，维持所述误差放大级输出电压稳定；

所述误差放大级包括MOS管M1~M10、电容C1；所述泄放模块包括MOS管M11；所述MOS管M6的漏极端与所述MOS管M8的漏极端相连后与所述电容C1的一端、MOS管M11的栅极端均相连接，且相连的节点作为所述误差放大级的输出节点端VEA；所述MOS管M11的源极端作为所述误差放大级的输出电压端VLDO；所述电容C1的另一端与所述MOS管M11的漏极端相连后接地；所述主路模块还包括源跟随器缓冲级、功率输出级，所述源跟随器缓冲级的输入端与所述误差放大级的输出节点端连接，用于对所述误差放大级的输出电压进行电压缓冲；所述源跟随器缓冲级的输出端与所述功率输出级的输入端连接。

2.根据权利要求1所述的一种负载切换瞬态增强的超低静态功耗LDO电路，其特征在于，所述源跟随器缓冲级包括MOS管M12、M13，所述MOS管M12的栅极端接于所述MOS管M5、M6栅极相连的节点端VM；所述MOS管M13的栅极端连接于所述输出节点端VEA。

3.根据权利要求2所述的一种负载切换瞬态增强的超低静态功耗LDO电路，其特征在于，所述功率输出级包括MOS管M14、电阻R1、R2、电容C2；所述MOS管M12的漏极端与所述MOS管M13的源极端相连，所述MOS管M12的漏极端与所述MOS管M13的源极端相连的接点作为节点端VGATE，所述节点端VGATE与所述MOS管M14的栅极端相连接。

4.根据权利要求1所述的一种负载切换瞬态增强的超低静态功耗LDO电路，其特征在于，所述瞬态增强模块包括MOS管M15~M18、电阻R3、R4、电容C3、C4；所述MOS管M16、M18的源极端相连后与所述MOS管M11的漏极端相连接；所述电容C3、C4的串联连接端与所述输出电压端VLDO相连，所述MOS管M17、M18的漏极连接端与所述输出节点端VEA相连。

5.一种负载切换瞬态增强的超低静态功耗LDO电路的工作方法，其特征在于，应用于如权利要求1~4任一所述的一种负载切换瞬态增强的超低静态功耗LDO电路，所述工作方法包括：

当输出电压端VLDO出现欠充而小于正常输出电压阈值时，在所述瞬态增强模块中，欠冲电压通过电容C3传输到MOS管M17的栅极端，MOS管M17的漏电流增加使得输出节点端VEA快速充电以增大欠充电压值；

当输出电压端VLDO出现过充而大于正常输出电压阈值时，在所述瞬态增强模块中，过冲电压通过电容C4传输到MOS管M18的栅极端，MOS管M18的漏电流增加使得输出节点端VEA快速放电以减小过充电压值；

当MOS管M11的栅源电压大于设定阈值电压时，MOS管M11导通以进行过充电荷泄放。