DE102015216493A1

DE102015216493A1 - Linearer Regler mit verbesserter Stabilität

Info

Publication number: DE102015216493A1
Application number: DE102015216493.4A
Authority: DE
Inventors: Mihail Jefremow; Dan Ciomaga; Quiao Yang; Stephan Drebinger; Fabio Rigoni
Original assignee: Dialog Semiconductor UK Ltd
Current assignee: Dialog Semiconductor UK Ltd
Priority date: 2015-08-28
Filing date: 2015-08-28
Publication date: 2017-03-02
Anticipated expiration: 2035-08-29
Also published as: US10001795B2; DE102015216493B4; US20170060157A1

Abstract

Es wird ein linearer Regler vorgeschlagen, der eine erste Verstärkerstufe, die einen Eingang und einen Ausgang aufweist, wobei einer der Eingänge mit dem Ausgang des linearen Reglers gekoppelt ist; eine Zwischenverstärkerstufe, die einen Eingang und einen Ausgang aufweist, wobei der Eingang der Zwischenverstärkerstufe an den Ausgang der ersten Verstärkerstufe gekoppelt ist; eine Treiberstufe, die einen Eingang und einen Ausgang aufweist; eine Durchgangsvorrichtung, die durch den Ausgang der Treiberstufe angesteuert ist, wobei der Ausgang der Durchgangsvorrichtung den Ausgang des linearen Reglers schafft; und eine Spannung-zu-Strom-Rückkopplungsschaltung, die mit der Treiberstufe und dem Ausgang der ersten Verstärkerstufe gekoppelt ist, zum Regeln des Ausgangswiderstands der ersten Verstärkerstufe in Abhängigkeit von den Lastbedingungen des linearen Reglers, wobei die Spannung-zu-Strom-Rückkopplungsschaltung einen Transistor und eine Strombegrenzungsschaltung umfasst, um die Regelung des Ausgangswiderstands der ersten Verstärkerstufe auf die Bedingungen einer niedrigen Last des linearen Reglers zu begrenzen, umfasst.

Description

Technisches Gebiet
Das vorliegende Dokument bezieht sich auf lineare Regler und insbesondere auf Regler mit niedrigem Spannungsabfall (LDOs) und schafft eine erhöhte Stabilität und Robustheit der Regelung durch das Begrenzen der Verstärkung einer ersten Verstärkerstufe bei den Bedingungen einer niedrigen Last.
Hintergrund
Fast jede moderne Leistungsmanagement-IC enthält verschiedene Regler mit niedrigem Spannungsabfall, um stabile und genau geregelte Versorgungsschienen zu schaffen. Die Bauform der LDOs unterscheidet sich stark von der Bauform eines herkömmlichen Reglers, wo die Last des Ausgangsstroms gut definiert ist. Im Gegensatz müssen die LDO-Schaltungen von keinem Laststrom bis zu ihrem spezifizierten maximalen Laststrom stabil sein. Diese Anforderung ändert die Übertragungsfunktion des LDO signifikant und macht ihn zu einer Entwurfsherausforderung, um eine stabile Versorgung über verschiedene Lastbedingungen für die spezifizierte Genauigkeit und Leistungsaufnahme zu schaffen.
Die Kompensationsschemata des Standes der Technik für lineare Regler stützen sich auf eine Miller-Kompensationskapazität, um den dominierenden und den nicht dominierenden Pol zu trennen, um den Regler stabil zu machen. Der Vorstrom der ersten Stufe muss jedoch so niedrig wie möglich sein, um die Poltrennung bei keiner Stromlast (einer Bedingung ohne Last) zu garantieren.
Eine weitere wichtige Anforderung einer LDO-Schaltung ist eine Senkenfähigkeit, die eine Regelung der Versorgungsleitung für schnelle Laständerungen schafft. Die meisten Herangehensweisen des Standes der Technik weisen keine zeitkontinuierliche oder analoge Senkenfähigkeit auf; sie leiten den Strom auf digitale Weise ab, indem sie eine konstante Last ermöglichen, falls die Ausgangsspannung über einen bestimmten Schwellenwert ansteigt, was ein Überschwingen der Spannung an der Versorgungschiene verursachen und die Leistung der LDO-Schaltung unterbrechen kann.
Es gibt deshalb einen Bedarf, die Stabilität und die Robustheit eines linearen Reglers bei den Bedingungen ohne Last zu verbessern, so dass der Vorstrom der ersten Stufe für eine bessere Leistung unabhängig gewählt werden kann. Außerdem gibt es einen Bedarf, eine zeitkontinuierliche oder analoge Senkenstufe für eine verbesserte Lastübergangsleistung zu erzeugen.
Das vorliegende Dokument behandelt die obenerwähnten technischen Probleme. Insbesondere werden die obigen Probleme durch den beanspruchten Gegenstand gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst.
Zusammenfassung
Gemäß einem umfassenden Aspekt dieser Offenbarung wird ein linearer Regler geschaffen. Der lineare Regler umfasst eine erste Verstärkerstufe, die einen Eingang und einen Ausgang aufweist, wobei einer der Eingänge mit dem Ausgang des linearen Reglers gekoppelt ist, um eine Haupt-Rückkopplungsschleife zu schaffen. Der Regler umfasst ferner eine Zwischenverstärkerstufe, die einen Eingang und einen Ausgang aufweist. Der Eingang der Zwischenverstärkerstufe ist an den Ausgang der ersten Verstärkerstufe gekoppelt. Die Zwischenverstärkerstufe kann eine oder mehrere Spannungsverstärkungsstufen umfassen, die in Reihe geschaltet sind. Außerdem ist eine Treiberstufe, die einen Eingang und einen Ausgang aufweist, vorgesehen. Der Regler umfasst ferner eine Durchgangsvorrichtung, die durch den Ausgang der Treiberstufe angesteuert ist. Ein Anschluss der Durchgangsvorrichtung kann mit der Versorgungsspannung verbunden sein, z. B. der Source eines PMOS-Transistors. Der Ausgang der Durchgangsvorrichtung (z. B. der Drain des PMOS-Transistors) schafft den Ausgangsknoten des linearen Reglers, wo eine Last angeschlossen ist, um eine Ausgangsspannung und einen Ausgangsstrom des Reglers zu erhalten. In den Ausführungsformen ist der lineare Regler ein Regler mit niedrigem Spannungsabfall.
Außerdem wird eine Spannung-zu-Strom-Rückkopplungsschaltung (die außerdem als eine Reihennebenschlussrückkopplung bezeichnet wird), die mit der Treiberstufe und dem Ausgang der ersten Verstärkerstufe zum Regeln des Ausgangswiderstands der ersten Verstärkerstufe in Abhängigkeit von den Lastbedingungen des linearen Reglers gekoppelt ist, geschaffen. Die Spannung-zu-Strom-Rückkopplungsschaltung umfasst einen Transistor, der durch eine Zwischenspannung der Treiberstufe angesteuert werden kann, um dem Ausgangsknoten der ersten Verstärkerstufe einen geregelten Strom bereitzustellen. Die Spannung-zu-Strom-Rückkopplungsschaltung umfasst ferner eine Strombegrenzungsschaltung, um den dem Ausgangsknoten der ersten Verstärkerstufe bereitgestellten Strom zu begrenzen. Folglich ist der dem Ausgangsknoten der ersten Verstärkerstufe zugeführte Strom in Abhängigkeit von den Lastbedingungen des linearen Reglers gesteuert, wobei dadurch der Ausgangswiderstand der ersten Verstärkerstufe aktiv geregelt ist. Aufgrund der Strombegrenzungsschaltung ist die Regelung des Ausgangswiderstands der ersten Verstärkerstufe auf die Bedingungen einer niedrigen Last des linearen Reglers begrenzt. Im Fall einer niedrigen Last verringert z. B. die Spannung-zu-Strom-Rückkopplungsschaltung die Verstärkung der ersten Verstärkerstufe.
Die vorgeschlagene Regelung ermöglicht das Erreichen einer Stabilität bei einer Bedingung ohne Last, ohne den Vorstrom der ersten Verstärkerstufe verringern zu müssen, was die Leistung des Reglers signifikant verbessert und infolge der niedrigeren Miller-Kapazität, die für die Stabilität benötigt wird, Chip-Fläche einspart. Die Stabilität bei keiner Last kann eingestellt werden und macht die Schaltung äußerst robust.
Im Fall einer niedrigen Last verringert die Spannung-zu-Strom-Rückkopplungsschaltung die Verstärkung der ersten Verstärkerstufe.
Durch das Begrenzen der Verstärkung der ersten Verstärkerstufe schafft die Spannung-zu-Strom-Rückkopplungsschaltung eine aktive Poltrennung. Der Vorteil der vorgeschlagenen Verstärkungsregelung ist, dass außer der Verstärkungsverringerung außerdem der nicht dominierende Pol in der Gesamtübertragungsfunktion zu höheren Frequenzen verschoben ist, was die Stabilität des Reglers signifikant verbessert. Außerdem weist die Rückkopplungsschleife immer eine Gegenkopplung auf und ist deshalb in jedem Zustand stabil. Gleichzeitig sind die Lastübergangsreaktion und die Ausgangsrauschleistung verbessert. Es ist kein minimaler Reihenwiderstand in Reihe mit der Lastkapazität erforderlich.
Die Strombegrenzungsschaltung kann einen Transistor oder einen Stromspiegel, um den Strom zu begrenzen, der dem Ausgangsknoten der ersten Verstärkerstufe zugeführt werden kann, zum Einschränken der Regelung des Ausgangswiderstands der ersten Verstärkerstufe auf die Bedingungen einer niedrigen Last des linearen Reglers umfassen. Der Transistor oder der Stromspiegel kann z. B. als eine Stromquelle dienen, die einen maximalen Strom zuführt, um den Strom zu begrenzen, den die Spannung-zu-Strom-Rückkopplungsschaltung bereitstellen kann.
Der Eingang der Treiberstufe kann an den Ausgang der Zwischenverstärkerstufe gekoppelt sein. Die Treiberstufe kann einen ersten Transistor, der als ein Inverter arbeitet, und einen zweiten Transistor in Reihe mit dem ersten Transistor umfassen. Der zweite Transistor kann in einer Stromspiegelanordnung mit der Durchgangsvorrichtung konfiguriert sein, wobei das Gate des zweiten Transistors und das Gate der Durchgangsvorrichtung verbunden sind. Das Gate des Transistors der Spannung-zu-Strom-Rückkopplungsschaltung kann mit dem Gate der Durchgangsvorrichtung oder dem Gate des zweiten Transistors gekoppelt sein, wobei dadurch eine weitere Stromspiegelanordnung ausgebildet ist, so dass der Strom durch den Transistor der Spannung-zu-Strom-Rückkopplung (und folglich der dem Ausgangsknoten der ersten Verstärkerstufe zugeführte Strom) von der Last der Durchgangsvorrichtung, d. h., dem Laststrom des Reglers, abhängt. Dieser Strom durch den Transistor der Spannung-zu-Strom-Rückkopplung ist durch die Strombegrenzungsschaltung begrenzt, wie oben beschrieben worden ist.
Der lineare Regler kann eine Treiberstufenkopie umfassen, die zwischen den Ausgang der Zwischenverstärkerstufe und den Eingang der Treiberstufe gekoppelt ist. Die Treiberstufenkopie kann ähnlich zu der Treiberstufe konfiguriert sein, d. h., einen ersten Transistor, der als ein Inverter arbeitet, und einen zweiten Transistor in Reihe mit dem ersten Transistor umfassen. Das Gate des Transistors der Spannung-zu-Strom-Rückkopplungsschaltung kann mit der Treiberstufenkopie gekoppelt sein, insbesondere mit dem Gate des zweiten Transistors der Treiberstufenkopie gekoppelt sein, so dass beide Transistoren einen Stromspiegel bilden. Die Kopie der Treiberstufe hat die gleiche Struktur wie die Treiberstufe und den gleichen Eingang, der der Ausgang der Zwischenverstärkerstufe ist. Deshalb hat das Gate des zweiten Transistors der Treiberstufenkopie das gleiche Verhalten hinsichtlich des Laststroms wie das Gate der Durchgangsvorrichtung, was den Betrieb der Spannungs-zu-Strom-Rückkopplungsschaltung unterstützt. Im Ergebnis ist die Spannung-zu-Strom-Rückkopplungsschaltung durch die Treiberstufenkopie anstatt durch die Treiberstufe selbst gesteuert, wobei jedoch das Ergebnis das gleiche ist, nämlich, dass der dem Ausgang der ersten Verstärkungsstufe zugeführte Strom von der Last der Durchgangsvorrichtung abhängig ist.
In den Ausführungsformen befindet sich der Transistor der Spannung-zu-Strom-Rückkopplungsschaltung mit einem Treibertransistor in der Treiberstufe oder einem Transistor in der Treiberstufenkopie in einer Stromspiegelkonfiguration. Der Treibertransistor ist typischerweise der zweite Transistor der Treiberstufe oder der Treiberstufenkopie. Folglich hängt der Strom durch den Transistor der Spannung-zu-Strom-Rückkopplung (und folglich der dem Ausgangsknoten der ersten Verstärkerstufe zugeführte Strom) von dem Strom durch die Durchgangsvorrichtung, d. h., dem Laststrom des Reglers, ab. Dieser Strom durch den Transistor der Spannung-zu-Strom-Rückkopplung ist durch die Strombegrenzungsschaltung begrenzt, wie oben beschrieben worden ist.
Gemäß einem weiteren umfassenden Aspekt kann der lineare Regler eine Senkenvorrichtung umfassen, um den Strom vom Ausgang des linearen Reglers abzuleiten. Die Senkenvorrichtung schafft einen Stromweg zur Masse, um Strom vom Ausgang des Reglers abzuleiten, um die Lastübergangsleistung für schnelle Laständerungen zu verbessern. Dies unterstützt es, ein Überschwingen der Spannung an der Versorgungschiene zu vermeiden, insbesondere wenn die Senkenvorrichtung, welche auf die gleiche Weise wie die Durchgangsvorrichtung geregelt wird, gesteuert durch die Reglerausgangsspannung, zeitkontinuierlich arbeitet. Dieser analoge Weg einer Implementierung der Senkenstufe erlaubt es dem LDO, sofort auf geringe Überschwinger der Ausgangsspannung zu reagieren, anstatt die Ausgangsspannung nur dann zu entladen, wenn sie eine gewisse Schwelle übersteigt.
Der Regler kann ferner eine Senkentreiberstufe umfassen, um die Senkenvorrichtung anzusteuern, um während eines Überschwingens der Spannung Strom vom Reglerausgang abzuleiten. Die Senkentreiberstufe kann mit dem Ausgang der Zwischenverstärkerstufe oder der Treiberstufenkopie gekoppelt sein. Die Senkentreiberstufe kann eine erste invertierende Stufe, die mit der Versorgungsspannung gekoppelt ist, und eine zweite invertierende Stufe, die mit Masse gekoppelt ist, umfassen. Die erste invertierende Stufe kann einen Stromspiegel umfassen. Die zweite invertierende Stufe kann einen Transistor umfassen, der in einer Stromspiegelkonfiguration mit der Senkenvorrichtung konfiguriert ist.
Der lineare Regler kann ferner eine Senkenrückkopplungsschaltung, die mit der Senkentreiberstufe und dem Ausgang der ersten Verstärkerstufe gekoppelt ist, zum Regeln des Ausgangswiderstands der ersten Verstärkerstufe in Abhängigkeit von Lastbedingungen des linearen Reglers umfassen. Die Senkenrückkopplungsschaltung kann einen Transistor und eine Strombegrenzungsschaltung umfassen, um die Regelung des Ausgangswiderstands der ersten Verstärkerstufe auf die Bedingungen einer niedrigen Last zu begrenzen. Das Prinzip hinter der Senkenrückkopplungsschaltung und der Verstärkungsbegrenzung für die Senkenstufe ist das gleiche wie für die Quellenstufe (d. h., die Durchgangsvorrichtung). Das heißt, die Senkenrückkopplungsschaltung kann ähnlich zur Spannung-zu-Strom-Rückkopplungsschaltung konfiguriert sein, wobei aber Versorgungsspannung und Masse getauscht sind. Strom wird aus dem Ausgangsknoten der ersten Verstärkerstufe in Abhängigkeit von den Lastbedingungen des linearen Reglers abgezogen (abgeleitet), wobei dadurch der Ausgangswiderstand der ersten Verstärkerstufe aktiv geregelt wird.
Aufgrund der Strombegrenzungsschaltung in der Senkenrückkopplungsschaltung ist die Regelung des Ausgangswiderstands der ersten Verstärkerstufe auf die Bedingungen einer niedrigen Last des linearen Reglers begrenzt. Die Strombegrenzungsschaltung in der Senkenrückkopplungsschaltung begrenzt z. B. den Betrag des Stroms, der von dem Knoten zwischen der ersten Verstärkerstufe und der Zwischenspannungsverstärkerstufe abgezogen werden kann. In Ausführungsformen kann die Strombegrenzungsschaltung einen Transistor oder einen Stromspiegel umfassen, um den Strom, der von dem Ausgangsknoten der ersten Verstärkerstufe abgeleitet werden kann, zu begrenzen. Der Transistor oder der Stromspiegel kann z. B. als eine Stromsenke dienen, die einen maximalen Strom zieht, um den Strom zu begrenzen, den die Senkenrückkopplungsschaltung ableiten kann.
Die Regelung der Verstärkung der ersten Verstärkerstufe durch das Steuern des Ausgangswiderstands der ersten Verstärkerstufe vergrößert die Stabilität bei einer Bedingung ohne Last ohne die Notwendigkeit, den Vorstrom der ersten Verstärkerstufe zu verringern, was die Leistung des Reglers signifikant verbessert.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Betreiben eines linearen Reglers vorgeschlagen. Der lineare Regler umfasst eine erste Verstärkerstufe, eine Zwischenverstärkerstufe, eine Treiberstufe und eine Durchgangsvorrichtung. Der lineare Regler kann konfiguriert sein, wie oben offenbart worden ist. Das Verfahren umfasst. das Begrenzen der Verstärkung der ersten Verstärkerstufe bei den Bedingungen einer niedrigen Last des linearen Reglers durch. das Regeln des Ausgangswiderstands der ersten Verstärkerstufe in Abhängigkeit von den Lastbedingungen des linearen Reglers. Folglich ist die Stabilität des Reglers durch die aktive Poltrennung aufgrund der Verstärkungsbegrenzung der ersten Verstärkerstufe verbessert. Durch das Verringern des Ausgangswiderstands der ersten Verstärkerstufe bei den Bedingungen einer niedrigen Last ist der Pol bei höheren Frequenzen der Übertragungsfunktion des Reglers zu höheren Frequenzen verschoben, was den Phasenrand bzw. die Phasenreserve vergrößert und die Regelstabilität verbessert.
Das Begrenzen der Verstärkung der ersten Verstärkerstufe kann das Einspeisen von Strom in einen Knoten zwischen der ersten Verstärkerstufe und der Zwischenspannungsverstärkerstufe umfassen, wobei der eingespeiste Strom von dem durch den linearen Regler bereitgestellten Laststrom abhängt. Das Begrenzen der Verstärkung der ersten Verstärkerstufe ist typischerweise durch das Begrenzen des Betrags des eingespeisten Stroms auf die Bedingungen einer niedrigen Last eingeschränkt.
Der lineare Regler kann ferner eine Senkenvorrichtung umfassen, wie oben offenbart worden ist. In diesem Fall kann das Verfahren ferner das Ableiten von Strom von dem Knoten zwischen der ersten Verstärkerstufe und der Zwischenspannungsverstärkerstufe in Abhängigkeit von dem durch die Senkenvorrichtung abgeleiteten Strom umfassen. Folglich ist die Regelung des Ausgangswiderstands der ersten Verstärkerstufe außerdem durch den Betrieb der Senkenvorrichtung gesteuert, wobei die Verstärkung der ersten Verstärkerstufe während des Quellen- und Senkenmodus des Reglers begrenzt ist.
Es sei angegeben, dass die Verfahren und Systeme einschließlich ihrer bevorzugten Ausführungsformen, wie sie in dem vorliegenden Dokument umrissen sind, selbstständig oder in Kombination mit anderen Verfahren und Systemen, die in diesem Dokument offenbart sind, verwendet werden können. Außerdem sind die in dem Kontext eines Systems umrissenen Merkmale außerdem auf ein entsprechendes Verfahren anwendbar. Außerdem können alle Aspekte der Verfahren und Systeme, die in dem vorliegenden Dokument umrissen sind, beliebig kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale der Ansprüche in einer beliebigen Weise miteinander kombiniert werden.
In dem vorliegenden Dokument beziehen sich die Begriffe ”koppeln”, ”gekoppelt”, ”verbinden” und ”verbunden” auf Elemente, die miteinander in elektrischer Verbindung stehen, entweder direkt verbunden, z. B. über Drähte, oder in irgendeiner anderen Weise.
Kurzbeschreibung der Figuren
1 zeigt einen Stromlaufplan eines Reglers mit niedrigem Spannungsabfall (LDO);
2 zeigt eine Gesamtübertragungsfunktion des Reglers nach 1;
3 zeigt einen Stromlaufplan eines Reglers gemäß einer Ausführungsform;
4 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Reglers mit einer Treiberstufenkopie;
5 zeigt eine Gesamtübertragungsfunktion eines Reglers gemäß einer Ausführungsform;
6 zeigt einen Stromlaufplan eines Reglers, der eine Senkenvorrichtung umfasst;
7 zeigt ihnen weiteren Stromlaufplan für einen Regler gemäß einer Ausführungsform;
8 zeigt einen Ablaufplan für ein Verfahren zum Betreiben eines linearen Reglers gemäß den Ausführungsformen; und
9 zeigt Simulationsergebnisse für die frequenzabhängige Übertragungsfunktion eines LDO gemäß einer Ausführungsform.
Ausführliche Beschreibung
1 zeigt einen Regler mit niedrigem Spannungsabfall (LDO), der eine erste Verstärkungsstufe 1, eine Zwischenverstärkungsstufe 2, eine Treiberstufe 3 und eine Durchgangsvorrichtung 4 aufweist. Die erste Verstärkungsstufe 1 ist ein Differentialverstärker, wobei ein Eingang an die Bezugsspannung V_ref gekoppelt ist, während der andere Eingang über einen Spannungsteiler 5 an die Reglerausgangsspannung V_out gekoppelt ist. Eine Last 6 ist parallel mit einer Ausgangskapazität C_L 7 mit dem Reglerausgang gekoppelt. Die Last 6 bezieht einen Laststrom I_LOAD von dem Regler. Die Zwischenverstärkungsstufe 2 kann ein Inverter sein und kann mehrere Unterstufen umfassen. Die Treiberstufe 3 umfasst einen NMOS-Transistor T₆ in Source-Schaltung und einen Treibertransistor T₅, der ein PMOS-Transistor in Diodenkonfiguration ist. Das Gate des Treibertransistors T₅ ist mit dem Gate der Durchgangsvorrichtung verbunden, die außerdem ein PMOS-Transistor ist, wobei beide Transistoren einen Stromspiegel bilden. Eine Miller-Kapazität C_C 8 ist zwischen den Reglerausgang und den Knoten zwischen der ersten Verstärkungsstufe und der Zwischenverstärkungsstufe gekoppelt.
Bei einer Bedingung ohne Last (I_LOAD = 0 A) ist der Niederfrequenzpol p₁, während der Hochfrequenzpol p₂ ist, wobei R_L der am Ausgang V_out gesehene Widerstand ist, A_m die vom Ausgang der ersten Verstärkerstufe bis zum Ausgang V_out des Reglers gesehene Verstärkung ist und R₁ der Ausgangswiderstand der ersten Verstärkungsstufe ist:
Die Gesamtübertragungsfunktion des Reglers ist in 2 gezeigt. A₀ ist die Gesamtfrequenzverstärkung, während A₁ die Verstärkung der ersten Verstärkungsstufe ist: A₀ = A₁·A_m.
Ein Problem bei dieser LDO-Schaltung des Standes der Technik ist der niedrige Phasenrand bzw. die niedrige Phasenreserve an dem Punkt der Verstärkungsbandbreite (GBW), an dem die Verstärkung null wird, was zu einer geringen Stabilität und Robustheit bei niedrigen Lasten führt. Als eine Folge muss R₁ für die Stabilität so hoch wie möglich sein. Dies führt jedoch zu einem niedrigen Vorstrom in der ersten Stufe, der eine schlechte Lastübergangsleistung verursacht.
3 zeigt einen Regler, der ein Beispiel für die Verstärkungsbegrenzung der ersten Verstärkungsstufe verkörpert. Die gleichen Bezugszeichen bezeichnen die gleichen Elemente wie in dem in 1 gezeigten Regler. Außerdem ist eine Verstärkungsbegrenzungsschaltung 10 zum Regeln des Ausgangswiderstands der ersten Verstärkerstufe 1 und folglich der Verstärkung der ersten Verstärkerstufe 1 in Abhängigkeit von den Lastbedingungen des linearen Reglers vorgesehen.
Die Verstärkungsbegrenzungsschaltung 10 ist als eine Spannung-zu-Strom-Rückkopplungsschaltung (die außerdem als eine Reihennebenschlussrückkopplung bezeichnet wird) implementiert, die mit der Treiberstufe 3 und dem Ausgang der ersten Verstärkerstufe 1 gekoppelt ist. Die Verstärkungsbegrenzungsschaltung 10 umfasst einen Transistor T₁, der durch die Treiberspannung pdrive der Treiberstufe angesteuert ist. Der Transistor T₁ ist zwischen die erste Verstärkerstufe 1 und die Zwischenverstärkungsstufe 2 gekoppelt, um dem Ausgangsknoten der ersten Verstärkerstufe Strom bereitzustellen. Der dem Ausgangsknoten der ersten Verstärkerstufe zugeführte Strom ist in Abhängigkeit von den Lastbedingungen des linearen Reglers gesteuert, wobei dadurch der Ausgangswiderstand der ersten Verstärkerstufe aktiv geregelt ist.
Die Verstärkungsbegrenzungsschaltung 10 umfasst ferner eine Strombegrenzungsschaltung 11, um den dem Ausgangsknoten der ersten Verstärkerstufe bereitgestellten Strom zu begrenzen und dadurch die Regelung des Ausgangswiderstands der ersten Verstärkerstufe auf die Bedingungen einer niedrigen Last des linearen Reglers zu begrenzen. In der dargestellten Ausführungsform umfasst die Strombegrenzungsschaltung 11 einen Transistor T₃, dessen Source mit der Versorgungsspannung VDD gekoppelt ist, wobei der Drain mit der Source des Transistors T₁ gekoppelt ist. Das Gate des Transistors T₃ ist an eine konstante Spannung pbias gekoppelt, so dass der durch T₃ fließende Strom auf einen maximalen Strom begrenzt ist. Bei den Bedingungen einer hohen Last begrenzt der Transistor T₃ den Strom der Verstärkungsbegrenzungsschaltung 10, wenn er in den Sättigungsbereich eintritt und der Ausgangswiderstand der ersten Stufe nicht weiter verringert wird. Die Transistoren T₁ und T₂ können beide PMOS-Transistoren sein.
Als eine Alternative kann die Strombegrenzungsschaltung 11 einen Stromspiegel umfassen, wobei ein Zweig von ihm einen Transistor in einer Diodenkonfiguration und eine Stromquelle aufweist. Der andere Zweig des Stromspiegels weist einen zu T₃ ähnlichen Transistor auf, dessen Gate mit dem Gate und dem Drain des als Diode konfigurierten Transistors gekoppelt ist.
Die vorgeschlagene Regelung der Verstärkung der ersten Verstärkerstufe erreicht Stabilität bei der Bedingung ohne Last ohne die Notwendigkeit, den Vorstrom der ersten Verstärkerstufe zu verringern, was die Leistung des Reglers signifikant verbessert. Es wird nur eine kleinere Miller-Kapazität benötigt, um die Stabilität sicherzustellen, was die Fläche und die Kosten des Reglers verringert. Die Rückkopplungsschleife weist immer eine Gegenkopplung auf, wobei kein minimaler Reihenwiderstand in Reihe mit der Lastkapazität erforderlich ist. Durch die Begrenzung der Verstärkung der ersten Verstärkerstufe wird eine aktive Poltrennung erreicht. Außer der Verstärkungsverringerung ist außerdem der nicht dominierende Pol in der Gesamtübertragungsfunktion zu höheren Frequenzen verschoben, was die Stabilität signifikant verbessert.
4 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Reglers mit einer Verstärkungsbegrenzung für die erste Verstärkerstufe. In dieser Ausführungsform wird eine Treiberstufenkopie 20 zum Steuern der Verstärkungsbegrenzungsschaltung 10, die zu der obigen ähnlich ist, verwendet. Die Spannung-zu-Strom-Rückkopplungsschaltung umfasst folglich die Verstärkungsbegrenzungsschaltung 10 und die Treiberstufenkopie 20.
Die Treiberstufenkopie 20 ist zwischen den Ausgang der Zwischenverstärkerstufe 2 und den Eingang der Treiberstufe 3 gekoppelt. Die Treiberstufenkopie 20 ist ähnlich zur Treiberstufe 3 konfiguriert, d. h., sie umfasst einen ersten Transistor T₄, der als ein Inverter arbeitet, und einen zweiten Transistor T₂ in Reihe mit dem ersten Transistor. Das heißt, die Treiberstufenkopie 20 umfasst die Transistoren T₂, T₄, die zu den Transistoren T₅, T₆ ähnlich sind. Das Gate des Transistors T₁ der Verstärkungsbegrenzungsschaltung 10 ist mit dem Gate des zweiten Transistors T₂ der Treiberstufenkopie gekoppelt.
Der Transistor T₁ der Verstärkungsbegrenzungsschaltung 10 befindet sich in einer Stromspiegelkonfiguration mit dem Transistor T₂ in der Treiberstufenkopie 20. Folglich hängt der Strom durch den Transistor T₁ (und folglich der dem Ausgangsknoten der ersten Verstärkerstufe zugeführte Strom) von der Last durch die Durchgangsvorrichtung, d. h., der Last des Reglers, ab. Der Strom durch den Transistor T₁ ist durch die Strombegrenzungsschaltung 11 begrenzt, wie oben beschrieben worden ist.
Die Treiberstufenkopie 20 entkoppelt die große Gate-Kapazität der Durchgangsvorrichtung an dem pdrive-Knoten von der Rückkopplungsschaltung. Außerdem kann für die Durchgangsvorrichtung 4 und die Verstärkungsbegrenzungsschaltung 10 eine separate Versorgungsspannung verwendet werden, um es zu vermeiden, dass Rauschen in die Regelschleife gekoppelt wird, wobei dadurch das Leistungsversorgungs-Unterdrückungsverhältnis (PSSR) erhöht wird. Die Verstärkungsbegrenzungsschaltung T₃ und die Treiberstufenkopie T₂, T₄ regeln den Ausgangswiderstand der ersten Verstärkerstufe bei den Bedingungen einer niedrigen Last aktiv, wie oben erklärt worden ist.
5 zeigt die Gesamtübertragungsfunktion eines Reglers, der die Verstärkungsbegrenzung der vorliegenden Erfindung verkörpert. p₁ ist der Pool bei niedrigeren Frequenzen
während der Pol p₂ bei höheren Frequenzen
ist, wobei A_G die Gesamtverstärkung vom Ausgang der ersten Verstärkerstufe zum Drain von T1 ist.
Der Niederfrequenzpol p₁ ist fast unverändert, weil seine Frequenz durch C_LR_L dominiert ist.
Der Hochfrequenzpol p₂ ist zu höheren Frequenzen verschoben und ist nun hauptsächlich durch
dominiert.
Die Gesamtverstärkung ist nun zu
verringert.
Wie aus der graphischen Darstellung ersichtlich ist, ist die Phasenreserve der Übertragungsfunktion bei p₂, der zu höheren Frequenzen verschoben ist, viel größer als vorher, wobei folglich mehr Stabilität für die Rückkopplungsschleife geschaffen wird. Ferner kann die Phasenreserve unabhängig von der Vorspannung der ersten Verstärkerstufe eingestellt werden. Im Ergebnis schafft die vorgeschlagene aktive Verstärkungsbegrenzung im Vergleich zu den Reglern des Standes der Technik eine höhere Robustheit und eine bessere Leistung.
Um die Regelung für schnelle Lastübergänge zu verbessern, kann der Regler eine Senkenfähigkeit aufweisen, um Strom abzuleiten, falls die Ausgangsspannung über die Zielausgangsspannung ansteigt, um das Überschwingen der Spannung zu verringern. 6 zeigt einen Regler, der eine Senkenvorrichtung 30 umfasst, die mit dem Ausgangsknoten des Reglers gekoppelt ist. Die Senkenstufe ermöglicht eine bessere Lastübergangsleistung für schnelle Laständerungen.
Der Regler umfasst eine Senkentreiberstufe, um die Senkenvorrichtung 30 anzusteuern, um während eines Überschwingens der Spannung Strom vom Reglerausgang abzuleiten. Die Senkentreiberstufe ist mit dem Ausgang der Zwischenverstärkerstufe oder der Treiberstufenkopie gekoppelt. Die Senkentreiberstufe umfasst eine erste invertierende Stufe 32, die mit der Versorgungsspannung gekoppelt ist, und eine zweite invertierende Stufe 33, die mit Masse gekoppelt ist. Die erste invertierende Stufe umfasst einen Stromspiegel. Die zweite invertierende Stufe umfasst einen Transistor, der in einer Stromspiegelkonfiguration mit der Senkenvorrichtung 30 konfiguriert ist. Die Senktreiberstufe wird aktiviert sobald der Ausgang der Zwischenverstärkerstufe niedriger wird als die Vorspannung minus der Schwellenspannung von NMOS T₉. Diese Situation tritt nur in Überspannungsbedingungnen auf, da der Ausgang der Zwischenverstärkerstufe unter die Schwellenspannung von T₆ geht, um die Quellenstufe abzuschalten.
Die obige Verstärkungsbegrenzung für die erste Verstärkerstufe kann außerdem für die Senkenstufe des linearen Reglers implementiert sein. Das Prinzip hinter der Verstärkungsbegrenzung für die Senkenstufe ist das gleiche wie für die oben erklärte Quellenstufe. Die Übergabe zwischen Senken- und Quellenbetriebe kann mittels des Vorspannungspegels und der Schwellenspannung von T₉ abgepasst werden.
Der Regler umfasst ferner eine Verstärkungsbegrenzungsschaltung 31 für die Senkenstufe, die mit der Senkentreiberstufe und dem Ausgang der ersten Verstärkerstufe 1 zum Regeln des Ausgangswiderstands der ersten Verstärkerstufe in Abhängigkeit von den Lastbedingungen des linearen Reglers gekoppelt ist. Dies implementiert eine Senkenrückkopplungsschaltung, die einen Transistor T₈ und eine Strombegrenzungsschaltung umfasst, um die Regelung des Ausgangswiderstands der ersten Verstärkerstufe auf die Bedingungen einer niedrigen Last zu begrenzen. Die Strombegrenzungsschaltung kann als ein Transistor T₇ in Reihe mit dem Transistor T₈ verwirklicht sein. Das Gate des Transistors T₇ ist mit einer konstanten Spannung nbias versehen, während seine Source mit Masse gekoppelt ist. Der Transistor T₇ und der Transistor T₈ können NMOS-Transistoren sein.
Das Prinzip hinter der Senkenrückkopplungsschaltung und der Verstärkungsbegrenzung für die Senkenstufe ist das gleiche wie für die Quellenstufe (d. h., die Durchgangsvorrichtung). Das heißt, die Verstärkungsbegrenzungsschaltung 31 für die Senkenstufe ist ähnlich zur Verstärkungsbegrenzungsschaltung 10 für die Quellenstufe konfiguriert, wobei aber die Versorgungsspannung und Masse getauscht sind. Der Strom wird von dem Ausgangsknoten der ersten Verstärkerstufe in Abhängigkeit von den Lastbedingungen des linearen Reglers abgezogen (abgeleitet), wobei dadurch der Ausgangswiderstand der ersten Verstärkerstufe aktiv geregelt ist.
Aufgrund der Strombegrenzungsschaltung T₇ in der Verstärkungsbegrenzungsschaltung 31 ist die Regelung des Ausgangswiderstands der ersten Verstärkerstufe auf die Bedingungen einer niedrigen Last des linearen Reglers begrenzt. Die Strombegrenzungsschaltung begrenzt den Betrag des Stroms, der von dem Knoten zwischen der ersten Verstärkerstufe und der Zwischenspannungsverstärkerstufe abgeleitet werden kann. Die Strombegrenzungsschaltung kann außerdem einen Stromspiegel umfassen, um den Strom zu begrenzen, der vom Ausgangsknoten der ersten Verstärkerstufe abgeleitet werden kann. Der Transistor oder der Stromspiegel können als eine Stromsenke dienen, die einem maximalen Strom zieht, um den Strom zu begrenzen, den die Senkenrückkopplungsschaltung ableiten kann.
7 zeigt ein weiteres Schema für einen Regler gemäß einer Ausführungsform. Die Schaltung enthält eine Treiberstufenkopie 20, eine Verstärkungsbegrenzungsschaltung für die Quellenstufe 10, eine Durchgangsvorrichtung 4, eine Senkenvorrichtung 30, eine Senkentreiberstufe 32, 33 und eine Verstärkungsbegrenzungsschaltung für die Senkenstufe 31. Die gleichen Bezugszeichen bezeichnen die gleichen Elemente wie in den obigen Reglern.
Die erste Verstärkerstufe 1 ist als ein herkömmlicher Operationstranskonduktanzverstärker (OTA) hergestellt, wobei er aber außerdem irgendeine andere Verstärkerkonfiguration aufweisen kann, z. B. eine gefaltete Kascode oder eine vollständig symmetrische Konfiguration. Die Zwischenverstärkerstufe 2 ist als ein Verstärker in Source-Schaltung implementiert. Der Regler ist ein Regler mit niedrigem Spannungsabfall.
8 veranschaulicht ein beispielhaftes Verfahren zum Betreiben eines linearen Reglers. Der lineare Regler umfasst eine erste Verstärkerstufe, eine Zwischenverstärkerstufe, eine Treiberstufe und eine Durchgangsvorrichtung. Der lineare Regler kann konfiguriert sein, wie oben offenbart worden ist, und kann ferner eine Senkenvorrichtung umfassen.
Das Verfahren umfasst einen Schritt S1 des Vorsehens eines linearen Reglers und einen Schritt S2 des Begrenzens der Verstärkung der ersten Verstärkerstufe bei den Bedingungen einer niedrigen Last des linearen Reglers durch das Regeln des Ausgangswiderstands der ersten Verstärkerstufe in Abhängigkeit von den Lastbedingungen des linearen Reglers. Die Stabilität des Reglers ist durch die aktive Poltrennung aufgrund der Verstärkungsbegrenzung der ersten Verstärkerstufe verbessert. Durch das Verringern des Ausgangswiderstands der ersten Verstärkerstufe bei Bedingungen einer niedrigen Last wird der Pol bei höheren Frequenzen der Übertragungsfunktion des Reglers zu höheren Frequenzen verschoben, was den Phasenrand vergrößert und die Stabilität der Regelung verbessert. Das Begrenzen der Verstärkung der ersten Verstärkerstufe umfasst das Einspeisen von Strom in einen Knoten zwischen der ersten Verstärkerstufe und der Zwischenspannungsverstärkerstufe, wobei der eingespeiste Strom von dem durch den linearen Regler bereitgestellten Laststrom abhängt. Das Begrenzen der Verstärkung der ersten Verstärkerstufe ist durch das Begrenzen des Betrags des eingespeisten Stroms auf die Bedingungen einer niedrigen Last eingeschränkt.
Das Verfahren umfasst ferner einen Schritt S3 des Ableitens von Strom von dem Knoten zwischen der ersten Verstärkerstufe und der Zwischenspannungsverstärkerstufe in Abhängigkeit von dem durch die Senkenvorrichtung abgeleiteten Strom. Das Ableiten von Strom ist auf die Bedingungen einer niedrigen Last des linearen Reglers begrenzt. Folglich ist die Regelung des Ausgangswiderstands der ersten Verstärkerstufe außerdem durch den Betrieb der Senkenvorrichtung gesteuert, wobei die Verstärkung der ersten Verstärkerstufe während des Quellen- und des Senkenmodus des Reglers begrenzt ist.
9 zeigt Simulationsergebnisse für die frequenzabhängige Übertragungsfunktion eines LDO unter Verwendung der vorgeschlagenen aktiven Verstärkungsregelung gegen einen Regler des Standes der Technik. Die Kurve 40 zeigt die Verstärkung des Reglers unter Verwendung der vorgeschlagenen aktiven Verstärkungsregelung, während die Kurve 42 die Verstärkung eines Reglers des Standes der Technik zeigt. Die Kurve 44 zeigt die Phase des Reglers unter Verwendung der vorgeschlagenen aktiven Verstärkungsregelung, während die Kurve 46 die Phase eines Reglers des Standes der Technik zeigt.
Wie aus den graphischen Darstellungen ersichtlich ist, ist die Verstärkung für den vorgeschlagenen Regler von 88 dB (M5) auf 73 DB (M4) verringert. Ferner ist der erste nicht dominierende Pool zu höheren Frequenzen verschoben, wodurch die Phasenreserve, welche die Stabilität des Reglers definiert, bei der vorliegenden Erfindung bei einer Bedingung ohne Last größer als 60 Grad ist (siehe M1 mit 77 Grad bei Frequenz V1), während die Phasenreserve eines Reglers des Standes der Technik viel kleiner ist (siehe M3 mit 5 Grad bei etwas höherer Frequenz V2). Dies zeigt die Robustheit der vorgeschlagenen Herangehensweise.
Es sei angegeben, dass die Beschreibung und die Zeichnungen die Prinzipien der vorgeschlagenen Verfahren und Systeme lediglich veranschaulichen. Die Fachleute auf dem Gebiet sind imstande, verschiedene Anordnungen zu implementieren, die, obwohl sie hier nicht explizit beschrieben oder gezeigt sind, die Prinzipien der Erfindung verkörpern und innerhalb ihres Erfindungsgedankens und Schutzumfangs enthalten sind. Außerdem sind alle Beispiele und Ausführungsformen, die in dem vorliegenden Dokument umrissen sind, grundsätzlich ausdrücklich vorgesehen, nur Erklärungszwecken zu dienen, um den Leser beim Verstehen der Prinzipien der vorgeschlagenen Verfahren und Systeme zu unterstützen. Außerdem sind hier alle Aussagen, die sowohl Prinzipien, Aspekte und Ausführungsformen der Erfindung als auch deren spezifische Beispiele bereitstellen, vorgesehen, um deren Äquivalente einzuschließen.

Claims

Linearer Regler, der umfasst eine erste Verstärkerstufe, die einen Eingang und einen Ausgang aufweist, wobei einer der Eingänge mit dem Ausgang des linearen Reglers gekoppelt ist; eine Zwischenverstärkerstufe, die einen Eingang und einen Ausgang aufweist, wobei der Eingang der Zwischenverstärkerstufe an den Ausgang der ersten Verstärkerstufe gekoppelt ist; eine Treiberstufe, die einen Eingang und einen Ausgang aufweist; eine Durchgangsvorrichtung, die durch den Ausgang der Treiberstufe angesteuert ist, wobei der Ausgang der Durchgangsvorrichtung den Ausgang des linearen Reglers schafft; und eine Spannung-zu-Strom-Rückkopplungsschaltung, die mit der Treiberstufe und dem Ausgang der ersten Verstärkerstufe gekoppelt ist, zum Regeln des Ausgangswiderstands der ersten Verstärkerstufe in Abhängigkeit von den Lastbedingungen des linearen Reglers, wobei die Spannung-zu-Strom-Rückkopplungsschaltung einen Transistor und eine Strombegrenzungsschaltung umfasst, um die Regelung des Ausgangswiderstands der ersten Verstärkerstufe auf die Bedingungen einer niedrigen Last des linearen Reglers zu begrenzen.
Linearer Regler nach Anspruch 1, wobei die Spannung-zu-Strom-Rückkopplungsschaltung durch die Verstärkungsbegrenzung der ersten Verstärkerstufe eine aktive Poltrennung schafft.
Linearer Regler nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Strombegrenzungsschaltung einen Transistor oder einen Stromspiegel umfasst.
Linearer Regler nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei der Eingang der Treiberstufe an den Ausgang der Zwischenverstärkerstufe gekoppelt ist und das Gate des Transistors der Spannung-zu-Strom-Rückkopplungsschaltung mit dem Gate der Durchgangsvorrichtung gekoppelt ist.
Linearer Regler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, der ferner eine Treiberstufenkopie umfasst, die zwischen den Ausgang der Zwischenverstärkerstufe und den Eingang der Treiberstufe gekoppelt ist, wobei das Gate des Transistors der Spannung-zu-Strom-Rückkopplungsschaltung mit der Treiberstufenkopie gekoppelt ist.
Linearer Regler nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei sich der Transistor der Spannung-zu-Strom-Rückkopplungsschaltung in einer Stromspiegelkonfiguration mit einem Treibertransistor in der Treiberstufe oder einem Transistor in der Treiberstufenkopie befindet.
Linearer Regler nach einem vorhergehenden Anspruch, der ferner eine Senkenvorrichtung, um Strom vom Ausgang des linearen Reglers abzuleiten, und eine Senkentreiberstufe, um die Senkenvorrichtung anzusteuern, umfasst.
Linearer Regler nach Anspruch 7, der ferner eine Senkenrückkopplungsschaltung, die mit der Senkentreiberstufe und dem Ausgang der ersten Verstärkerstufe gekoppelt ist, zum Regeln des Ausgangswiderstands der ersten Verstärkerstufe in Abhängigkeit von den Lastbedingungen des linearen Reglers umfasst, wobei die Senkenrückkopplungsschaltung einen Transistor und eine Strombegrenzungsschaltung umfasst, um die Regelung des Ausgangswiderstands der ersten Verstärkerstufe auf die Bedingungen einer niedrigen Last zu begrenzen.
Linearer Regler nach Anspruch 8, wobei die Strombegrenzungsschaltung in der Senkenrückkopplungsschaltung den Betrag des Stroms begrenzt, der von dem Knoten zwischen der ersten Verstärkerstufe und der Zwischenspannungsverstärkerstufe abgeleitet wird.
Linearer Regler nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei die Senkentreiberstufe mit dem Ausgang der Zwischenverstärkerstufe oder der Treiberstufenkopie gekoppelt ist.
Linearer Regler nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei der lineare Regler ein Regler mit niedrigem Spannungsabfall ist.
Verfahren zum Betreiben eines linearen Reglers, der eine erste Verstärkerstufe; eine Zwischenverstärkerstufe; eine Treiberstufe und eine Durchgangsvorrichtung umfasst, wobei das Verfahren umfasst Begrenzen der Verstärkung der ersten Verstärkerstufe bei den Bedingungen einer niedrigen Last des linearen Reglers durch das Regeln des Ausgangswiderstands der ersten Verstärkerstufe in Abhängigkeit von den Lastbedingungen des linearen Reglers.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Begrenzen der Verstärkung der ersten Verstärkerstufe das Einspeisen von Strom in einen Knoten zwischen der ersten Verstärkerstufe und der Zwischenspannungsverstärkerstufe umfasst, wobei der eingespeiste Strom von dem durch den linearen Regler bereitgestellten Laststrom abhängig ist.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Begrenzen der Verstärkung der ersten Verstärkerstufe durch das Begrenzen des Betrags des eingespeisten Stroms auf die Bedingungen einer niedrigen Last eingeschränkt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei der lineare Regler ferner eine Senkenvorrichtung umfasst und wobei das Verfahren ferner das Ableiten von Strom von dem Knoten zwischen der ersten Verstärkerstufe und der Zwischenspannungsverstärkerstufe in Abhängigkeit von dem durch die Senkenvorrichtung abgeleiteten Strom umfasst.