CN117631735A - 一种模拟数字双环ldo电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种模拟数字双环LDO电路，采用数字环路和模拟环路双环的形式，将功率管分为模拟功率管和数字功率管，这样在相同功率管尺寸情况下，负载电流更大；另外，由于模拟数字双环LDO的数字功率管负担了一部分电流，模拟功率管负载电流变化为总电流的一部分，使得模拟数字双环LDO的模拟功率管尺寸小于单模拟环路LDO中承担全部负载电流的功率管尺寸，这样模拟功率管栅极寄生电容更小，充放电速度更快，有效改善了电路的瞬态响应，栅极处极点位置更高频，环路容易补偿，同时模拟功率管负载电流变化为总电流的一部分，输出端极点位置变化也较小，环路更易补偿。

Description

一种模拟数字双环LDO电路

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，具体涉及一种模拟数字双环LDO(Low DropoutRegulaor，低压差线性稳压器)电路。

背景技术

LDO因具有结构简单、成本低、尺寸小等突出优点而广泛应用于电源管理电路中，是电子设备中不可或缺的一部分。随着可穿戴便携式电子设备的快速发展，电子设备微型化越来越重要，其中不可或缺的电源管理芯片的面积是一个重要指标，所以需要尽可能降低其中LDO的面积。在设备微型化的今天，无片外电容LDO因面积小而广泛应用于可穿戴便携式电子设备。然而，无片外电容LDO设计过程中的一个难点在于环路稳定性的设计，其主要原因是：LDO输出端的极点随着负载电流的变化而变化，当系统负载电流的迅速变化时，LDO输出端的极点位置也随之迅速变化，这势必影响环路稳定性，尤其在负载电流变化范围较大的情况下该问题显得尤为突出；过大的功率管尺寸会产生很大的寄生电容，影响瞬态响应的同时在功率管栅极产生低频极点，也会影响环路稳定性。为此，无片外电容LDO需要在大负载电流、稳定性以及瞬态响应方面做出相应的改善。

发明内容

本发明所要解决的是现有无片外电容LDO电路的环路稳定性问题，提供一种模拟数字双环LDO电路。

为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种模拟数字双环LDO电路，其特征是，包括模拟环路和数字环路；模拟环路由误差放大电路、缓冲级电路和模拟功率管电路组成；数字环路由电流检测电路、控制电路和数字功率管电路组成；误差放大电路的输入接偏置电压VB1～VB3、参考电压VREF3和反馈电压VFB；误差放大电路用于放大参考电压VREF3与LDO电路的输出VOUT的反馈电压VFB的差值，并输出对应的误差信号Vg；缓冲级电路的输入接偏置电压VB4和误差放大电路输出的误差信号Vg；缓冲级电路用于放大误差信号Vg，并输出放大误差信号VG来驱动模拟功率管电路，同时补偿模拟环路的稳定性；模拟功率管电路的输入接缓冲级电路的输出，模拟功率管电路用于采样LDO电路的输出VOUT作为输入误差放大电路的反馈电压VFB；电流检测电路的输入接模拟功率管电路的输出；电流检测电路用于检测模拟功率管电路的电流，并产生相应的电压V1；控制电路的输入接参考电压VREF1～VREF2和电流检测电路的输出的电压V1；控制电路在电压V1的触发下产生3位数字码，以控制数字功率管电路的数字功率管的导通个数；数字功率管电路输出LDO电路的输出VOUT。

上述方案中，误差放大电路包括MOS管M1～M8、以及MOS管MB1；MOS管M3的源极、MOS管M4的源极和MOS管MB1的源极接电源电压VDD；MOS管M7的源极和MOS管M8的源极接地GND；MOS管MB1的栅极接偏置电压VB1；MOS管M6的栅极和MOS管M6接偏置电压VB2；MOS管M8和MOS管M8的栅极接偏置电压VB3；MOS管M2的栅极接参考电压信号VREF3；MOS管M1的栅极形成误差放大电路的采样输入端，与模拟功率管电路的采样输出端连接；MOS管MB1的漏极、MOS管M1的源极和MOS管M2的源极相连；MOS管M1的漏极、MOS管M5的源极和MOS管M7的漏极相连；MOS管M2的漏极与MOS管M6的源极、MOS管M8的漏极相连；MOS管M3的栅极与漏极、MOS管M3的栅极和MOS管M5的漏极相连；MOS管M4的漏极和MOS管M6的漏极相连，并形成误差放大电路的输出端，与缓冲级电路的输入端连接。

上述方案中，缓冲级电路包括MOS管M9～M13、MOS管MB2、补偿电容Cm、以及反馈电阻Rz；MOS管M9的源极、MOS管M10的源极和MOS管M12的源极接电源电压VDD；MOS管M11的源极、MOS管M13的源极和MOS管MB2的源极接地GND；MOS管MB2的栅极接偏置电压VB4；MOS管M9的栅极、MOS管M10的栅极和补偿电容Cm一端形成缓冲级电路的输入端，与误差放大电路的输出端连接；补偿电容Cm的另一端与LDO电路的输出VOUT连接；MOS管M9的漏极、MOS管M12的栅极、MOS管MB2的漏极和反馈电阻Rz的一端相连；反馈电阻Rz的另一端、MOS管M12的栅极和MOS管M13的栅极相连，并形成缓冲级电路的输出端，与模拟功率管电路的输入端和电流检测电路的输入端连接；MOS管M11的栅极与漏极和MOS管M131的栅极相连。

上述方案中，模拟功率管电路包括模拟功率管MPA、以及电阻R1～R2；模拟功率管MPA的源极接电源电压VDD；模拟功率管MPA的栅极形成模拟功率管MPA的输入端，与缓冲级电路的输出端连接；模拟功率管MPA的漏极和电阻R1的一端接LDO电路的输出VOUT；电阻R1的另一端与电阻R2的一端相连，并形成，模拟功率管电路的采样输出端，与误差放大电路的采样输入端连接；电阻R2的另一端接地GND。

上述方案中，电流检测电路包括MOS管M14～M15；MOS管M14的源极接电源电压VDD；MOS管M15的源极接地GND；MOS管M14的栅极形成电流检测电路的输入端，与缓冲级电路的输出端连接；MOS管M14的漏极和MOS管M15的栅极和漏极相连，并形成，电流检测电路的输出端，与控制电路的输入端相连。

上述方案中，控制电路包括施密特触发器SCHFF、比较器COM1～COM2、以及或门OR1～OR2；比较器COM1的2个输入端分别接参考电压VREF1和电源电压VDD；比较器COM2的2个输入端分别参考电压VREF2和电源电压VDD；施密特触发器SCHFF的输入端形成控制电路的输入端，与电流检测电路的输出端连接；或门OR1的2个输入端分别连接比较器COM1的输出端和施密特触发器SCHFF的输出端，或门OR1的输出端形成控制电路的第一输出端，与数字功率管电路的第一输入端连接；或门OR2的2个输入端分别连接比较器COM2的输出端和施密特触发器SCHFF的输出端，或门OR2的输出端形成控制电路的第二输出端，与数字功率管电路的第二输入端连接；施密特触发器SCHFF的输出端形成控制电路的第三输出端，与数字功率管电路的第三输入端连接。

上述方案中，数字功率管电路包括3个数字功率管MPD1～MPD3；数字功率管MPD1的源极、数字功率管MPD2的源极和数字功率管MPD3的源极接电源电压VDD；数字功率管MPD1的漏极形成数字功率管电路的第一输入端，与控制电路的第一输出端连接；数字功率管MPD2的漏极形成数字功率管电路的第二输入端，与控制电路的第二输出端连接；数字功率管MPD3的漏极形成数字功率管电路的第三输入端，与控制电路的第三输出端连接；数字功率管MPD1的漏极、数字功率管MPD2的漏极和数字功率管MPD3的漏极相连，并形成LDO电路的输出VOUT。

相较于传统单模拟环路LDO，本发明采用数字环路和模拟环路双环的形式，将功率管分为模拟功率管和数字功率管，这样在相同功率管尺寸情况下，负载电流更大；另外，由于模拟数字双环LDO的数字功率管负担了一部分电流，模拟功率管负载电流变化为总电流的一部分，使得模拟数字双环LDO的模拟功率管尺寸小于单模拟环路LDO中承担全部负载电流的功率管尺寸，这样模拟功率管栅极寄生电容更小，充放电速度更快，有效改善了电路的瞬态响应，栅极处极点位置更高频，环路容易补偿，同时模拟功率管负载电流变化为总电流的一部分，输出端极点位置变化也较小，环路更易补偿。

附图说明

图1为一种模拟数字双环LDO电路结构示意图；

图2为一种模拟数字双环LDO电路有无数字环路负载能力仿真图；

图3为一种模拟数字双环LDO电路轻载和重载环路波特图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

参见图1，一种模拟数字双环LDO电路，包括模拟环路和数字环路两部分。模拟环路由误差放大电路、缓冲级电路和模拟功率管电路组成。数字环路由电流检测电路、控制电路和数字功率管电路组成。误差放大电路的输入接偏置电压VB1～VB3、参考电压VREF3和反馈电压VFB。误差放大电路用于放大参考电压VREF3与LDO电路的输出VOUT的反馈电压VFB的差值，并输出对应的误差信号Vg。缓冲级电路的输入接偏置电压VB4和误差放大电路输出的误差信号Vg。缓冲级电路用于放大误差信号Vg，并输出放大误差信号VG来驱动模拟功率管电路，同时补偿模拟环路的稳定性。模拟功率管电路的输入接缓冲级电路的输出，模拟功率管电路用于采样LDO电路的输出VOUT作为输入误差放大电路的反馈电压VFB。电流检测电路的输入接模拟功率管电路的输出。电流检测电路用于检测模拟功率管电路的电流，并产生相应的电压V1。控制电路的输入接参考电压VREF1～VREF2和电流检测电路的输出的电压V1。控制电路在电压V1的触发下产生3位数字码，以控制数字功率管电路的数字功率管的导通个数。数字功率管电路输出LDO电路的输出VOUT。

误差放大电路包括MOS管M1～M8、以及MOS管MB1。MOS管M3的源极、MOS管M4的源极和MOS管MB1的源极接电源电压VDD。MOS管M7的源极和MOS管M8的源极接地GND。MOS管MB1的栅极接偏置电压VB1。MOS管M6的栅极和MOS管M6接偏置电压VB2。MOS管M8和MOS管M8的栅极接偏置电压VB3。MOS管M2的栅极接参考电压信号VREF3。MOS管M1的栅极形成误差放大电路的采样输入端，与模拟功率管电路的采样输出端连接。MOS管MB1的漏极、MOS管M1的源极和MOS管M2的源极相连。MOS管M1的漏极、MOS管M5的源极和MOS管M7的漏极相连。MOS管M2的漏极与MOS管M6的源极、MOS管M8的漏极相连。MOS管M3的栅极与漏极、MOS管M3的栅极和MOS管M5的漏极相连。MOS管M4的漏极和MOS管M6的漏极相连，并形成误差放大电路的输出端，与缓冲级电路的输入端连接。

缓冲级电路包括MOS管M9～M13、MOS管MB2、补偿电容Cm、以及反馈电阻Rz。MOS管M9的源极、MOS管M10的源极和MOS管M12的源极接电源电压VDD。MOS管M11的源极、MOS管M13的源极和MOS管MB2的源极接地GND。MOS管MB2的栅极接偏置电压VB4。MOS管M9的栅极、MOS管M10的栅极和补偿电容Cm一端形成缓冲级电路的输入端，与误差放大电路的输出端连接。补偿电容Cm的另一端与LDO电路的输出VOUT连接。MOS管M9的漏极、MOS管M12的栅极、MOS管MB2的漏极和反馈电阻Rz的一端相连。反馈电阻Rz的另一端、MOS管M12的栅极和MOS管M13的栅极相连，并形成缓冲级电路的输出端，与模拟功率管电路的输入端和电流检测电路的输入端连接。MOS管M11的栅极与漏极和MOS管M131的栅极相连。

模拟功率管电路包括模拟功率管MPA、以及电阻R1～R2。模拟功率管MPA的源极接电源电压VDD。模拟功率管MPA的栅极形成模拟功率管MPA的输入端，与缓冲级电路的输出端连接。模拟功率管MPA的漏极和电阻R1的一端接LDO电路的输出VOUT。电阻R1的另一端与电阻R2的一端相连，并形成，模拟功率管电路的采样输出端，与误差放大电路的采样输入端连接。电阻R2的另一端接地GND。

电流检测电路包括MOS管M14～M15。MOS管M14的源极接电源电压VDD。MOS管M15的源极接地GND。MOS管M14的栅极形成电流检测电路的输入端，与缓冲级电路的输出端连接。MOS管M14的漏极和MOS管M15的栅极和漏极相连，并形成，电流检测电路的输出端，与控制电路的输入端相连。

控制电路包括施密特触发器SCHFF、比较器COM1～COM2、以及或门OR1～OR2。比较器COM1的2个输入端分别接参考电压VREF1和电源电压VDD。比较器COM2的2个输入端分别参考电压VREF2和电源电压VDD。其中参考电压VREF1＞参考电压VREF2。施密特触发器SCHFF的输入端形成控制电路的输入端，与电流检测电路的输出端连接。或门OR1的2个输入端分别连接比较器COM1的输出端和施密特触发器SCHFF的输出端，或门OR1的输出端形成控制电路的第一输出端，与数字功率管电路的第一输入端连接。或门OR2的2个输入端分别连接比较器COM2的输出端和施密特触发器SCHFF的输出端，或门OR2的输出端形成控制电路的第二输出端，与数字功率管电路的第二输入端连接。施密特触发器SCHFF的输出端形成控制电路的第三输出端，与数字功率管电路的第三输入端连接。

数字功率管电路包括3个数字功率管MPD1～MPD3，其中3个数字功率管MPD1～MPD3的尺寸相同。数字功率管MPD1的源极、数字功率管MPD2的源极和数字功率管MPD3的源极接电源电压VDD。数字功率管MPD1的漏极形成数字功率管电路的第一输入端，与控制电路的第一输出端连接。数字功率管MPD2的漏极形成数字功率管电路的第二输入端，与控制电路的第二输出端连接。数字功率管MPD3的漏极形成数字功率管电路的第三输入端，与控制电路的第三输出端连接。数字功率管MPD1的漏极、数字功率管MPD2的漏极和数字功率管MPD3的漏极相连，并形成LDO电路的输出VOUT。

下面对图1所示的模拟数字双环LDO电路的具体工作原理及性能通过应用示例进行详细介绍。

当模拟数字双环LDO电路的输出端VOUT的总负载电流为1mA时，由于电流较小，电路只有模拟环路工作，模拟功率管MPA承当了全部负载电流，此时由于镜像作用，流过MOS管M14的电流也很小，产生的V1电压较低，所以V2为高电平，数字功率管MPD全部关闭。

当模拟数字双环LDO电路的输出端VOUT的总负载电流跳变至140mA时，流过模拟功率管MPA的电流也随之增大到140mA，由于镜像作用流过MOS管M14的电流也逐渐增大，此时产生的V1电压增大至迟滞比较的上门限电压，使得迟滞比较器的输出由低到高，V2变为低电平，数字功率管MPD导通，为负载提供110mA的电流，同时模拟功率管MPA的负载电流由140mA减小到30mA。

当模拟数字双环LDO电路的输出端VOUT的总负载电流继续增大到最大负载250mA时，数字功率管MPD导通状态保持不变，模拟功率管MPA的负载电流由30mA继续增大至140mA。

当模拟数字双环LDO电路的输出端VOUT的总负载电流由250mA跳变到115mA时，此时数字功率管MPD负载电流为110mA，模拟功率管MPA负载电流为减小至5mA，由于镜像作用流过MOS管M14的电流也逐渐减小，此时产生的V1电压减小至迟滞比较的下门限电压，V2变为高电平，数字功率管MPD关闭，模拟功率管MPA承担了全部负载电流，模拟功率管MPA的负载电流由5mA增大到115mA。

当模拟数字双环LDO电路的输出端VOUT的总负载电流减小至最小负载1mA时，全部负载电流被模拟功率管MPA承担，模拟功率管MPA的负载电流也逐渐减小至1mA。

控制模块用于控制数字功率管MPD导通时的负载电流。

当VDD＜VREF2时，数字功率管MPD1～MPD3栅极电压都不受限制，完全导通时的负载电流不大于110mA。

当VREF2≤VDD≤VREF1时，V2<0>电压为高电平，对应的数字功率管MPD1栅极的电压被限制为高电平，无法开启；其余数字功率管MPD2和MPD3栅极电压都不受限制，完全导通时的负载电流不大于110mA。

当电源电压VDD＞VREF1时，V2<0>和V2<1>电压为高电平，对应的数字功率管MPD1和MPD2栅极的电压被限制为高电平，无法开启；其余数字功率管MPD3栅极电压都不受限制，完全导通时的负载电流不大于110mA。

图2为一种模拟数字双环LDO电路有无数字环路负载能力仿真图，从图中可知在有数字环路的情况下，带载能力最大达250mA，而无数字环路的情况下最大负载电流仅160mA。数字环路使得带载能力从160mA增加到270mA，扩大了110mA。为了留有裕度，设定最大负载电流为250mA。

图3为一种模拟数字双环LDO电路轻载和重载环路波特图。可以看出轻载和重载下环路均具有较好的稳定性，相位裕度均在60°左右，随负载电流变化较小。

传统单模拟环路LDO电路的模拟功率管在承载250mA负载电流时所需尺寸为2500u/0.18u。而本发明所提出的模拟数字双环LDO电路同样在负载电流250mA时，模拟功率管MPA的尺寸仅需1400u/0.18u，数字功率管MPD的尺寸800u/0.18u，功率管总尺寸只有2200u/0.18u，总尺寸减小了13％。可见本发明提出的电路较大程度上减小了模拟功率管的尺寸及其栅极的寄生电容，使得模拟环路频率补偿更容易实现，降低了模拟环路设计难度，且总尺寸有所减小。

需要说明的是，尽管以上本发明所述的实施例是说明性的，但这并非是对本发明的限制，因此本发明并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本发明原理的情况下，凡是本领域技术人员在本发明的启示下获得的其它实施方式，均视为在本发明的保护之内。

Claims (7)

1.一种模拟数字双环LDO电路，其特征是，包括模拟环路和数字环路；模拟环路由误差放大电路、缓冲级电路和模拟功率管电路组成；数字环路由电流检测电路、控制电路和数字功率管电路组成；

误差放大电路的输入接偏置电压VB1～VB3、参考电压VREF3和反馈电压VFB；误差放大电路用于放大参考电压VREF3与LDO电路的输出VOUT的反馈电压VFB的差值，并输出对应的误差信号Vg；

缓冲级电路的输入接偏置电压VB4和误差放大电路输出的误差信号Vg；缓冲级电路用于放大误差信号Vg，并输出放大误差信号VG来驱动模拟功率管电路，同时补偿模拟环路的稳定性；

模拟功率管电路的输入接缓冲级电路的输出，模拟功率管电路用于采样LDO电路的输出VOUT作为输入误差放大电路的反馈电压VFB；

电流检测电路的输入接模拟功率管电路的输出；电流检测电路用于检测模拟功率管电路的电流，并产生相应的电压V1；

控制电路的输入接参考电压VREF1～VREF2和电流检测电路的输出的电压V1；控制电路在电压V1的触发下产生3位数字码，以控制数字功率管电路的数字功率管的导通个数；

数字功率管电路输出LDO电路的输出VOUT。

2.根据权利要求1所述的一种模拟数字双环LDO电路，其特征是，误差放大电路包括MOS管M1～M8、以及MOS管MB1；

MOS管M3的源极、MOS管M4的源极和MOS管MB1的源极接电源电压VDD；MOS管M7的源极和MOS管M8的源极接地GND；MOS管MB1的栅极接偏置电压VB1；MOS管M6的栅极和MOS管M6接偏置电压VB2；MOS管M8和MOS管M8的栅极接偏置电压VB3；MOS管M2的栅极接参考电压信号VREF3；MOS管M1的栅极形成误差放大电路的采样输入端，与模拟功率管电路的采样输出端连接；MOS管MB1的漏极、MOS管M1的源极和MOS管M2的源极相连；MOS管M1的漏极、MOS管M5的源极和MOS管M7的漏极相连；MOS管M2的漏极与MOS管M6的源极、MOS管M8的漏极相连；MOS管M3的栅极与漏极、MOS管M3的栅极和MOS管M5的漏极相连；MOS管M4的漏极和MOS管M6的漏极相连，并形成误差放大电路的输出端，与缓冲级电路的输入端连接。

3.根据权利要求1所述的一种模拟数字双环LDO电路，其特征是，缓冲级电路包括MOS管M9～M13、MOS管MB2、补偿电容Cm、以及反馈电阻Rz；

MOS管M9的源极、MOS管M10的源极和MOS管M12的源极接电源电压VDD；MOS管M11的源极、MOS管M13的源极和MOS管MB2的源极接地GND；MOS管MB2的栅极接偏置电压VB4；

MOS管M9的栅极、MOS管M10的栅极和补偿电容Cm一端形成缓冲级电路的输入端，与误差放大电路的输出端连接；补偿电容Cm的另一端与LDO电路的输出VOUT连接；MOS管M9的漏极、MOS管M12的栅极、MOS管MB2的漏极和反馈电阻Rz的一端相连；反馈电阻Rz的另一端、MOS管M12的栅极和MOS管M13的栅极相连，并形成缓冲级电路的输出端，与模拟功率管电路的输入端和电流检测电路的输入端连接；MOS管M11的栅极与漏极和MOS管M131的栅极相连。

4.根据权利要求1所述的一种模拟数字双环LDO电路，其特征是，模拟功率管电路包括模拟功率管MPA、以及电阻R1～R2；

模拟功率管MPA的源极接电源电压VDD；模拟功率管MPA的栅极形成模拟功率管MPA的输入端，与缓冲级电路的输出端连接；模拟功率管MPA的漏极和电阻R1的一端接LDO电路的输出VOUT；电阻R1的另一端与电阻R2的一端相连，并形成，模拟功率管电路的采样输出端，与误差放大电路的采样输入端连接；电阻R2的另一端接地GND。

5.根据权利要求1所述的一种模拟数字双环LDO电路，其特征是，电流检测电路包括MOS管M14～M15；

MOS管M14的源极接电源电压VDD；MOS管M15的源极接地GND；MOS管M14的栅极形成电流检测电路的输入端，与缓冲级电路的输出端连接；MOS管M14的漏极和MOS管M15的栅极和漏极相连，并形成，电流检测电路的输出端，与控制电路的输入端相连。

6.根据权利要求1所述的一种模拟数字双环LDO电路，其特征是，控制电路包括施密特触发器SCHFF、比较器COM1～COM2、以及或门OR1～OR2；

比较器COM1的2个输入端分别接参考电压VREF1和电源电压VDD；比较器COM2的2个输入端分别参考电压VREF2和电源电压VDD；施密特触发器SCHFF的输入端形成控制电路的输入端，与电流检测电路的输出端连接；或门OR1的2个输入端分别连接比较器COM1的输出端和施密特触发器SCHFF的输出端，或门OR1的输出端形成控制电路的第一输出端，与数字功率管电路的第一输入端连接；或门OR2的2个输入端分别连接比较器COM2的输出端和施密特触发器SCHFF的输出端，或门OR2的输出端形成控制电路的第二输出端，与数字功率管电路的第二输入端连接；施密特触发器SCHFF的输出端形成控制电路的第三输出端，与数字功率管电路的第三输入端连接。

7.根据权利要求1所述的一种模拟数字双环LDO电路，其特征是，数字功率管电路包括3个数字功率管MPD1～MPD3；

数字功率管MPD1的源极、数字功率管MPD2的源极和数字功率管MPD3的源极接电源电压VDD；数字功率管MPD1的漏极形成数字功率管电路的第一输入端，与控制电路的第一输出端连接；数字功率管MPD2的漏极形成数字功率管电路的第二输入端，与控制电路的第二输出端连接；数字功率管MPD3的漏极形成数字功率管电路的第三输入端，与控制电路的第三输出端连接；数字功率管MPD1的漏极、数字功率管MPD2的漏极和数字功率管MPD3的漏极相连，并形成LDO电路的输出VOUT。