CN101581947A - 稳压器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种稳压器，其用于将输入电压调整为稳定的输出电压，包括：跟随级；和接受来自所述跟随级输出并对负载输出稳定电压的驱动级；在所述跟随级和所述驱动级之间连接有随所述负载的负载电流增大而改善相位裕度的相位裕度动态补偿装置。

Description

稳压器

技术领域

本发明涉及一种稳压器，尤其涉及一种低压降(Low Drop-out)稳压器。

背景技术

几乎所有的电子电路都需要一个维持在特定容差范围内的稳定的电压源，向特定部件供电以确保其正常运行。该稳定电压由稳压器提供。

常见的稳压器主要包括：差分放大级，驱动级(例如以P-FET、PNP作为驱动管)和用于将输出电压以一定比例反馈给差分放大级的反馈电路。在现有稳压器技术中，为了保持输出电压的稳定性，通常在差分放大级和驱动级之间加入跟随级，使得差分放大级引入的极点向高频方向移动从而改善相位裕度。但是加入跟随级后会引入新的极点，其对相位裕度改善产生负面影响。于是，可在上述结构中加入密勒RC补偿装置进行相位裕度改善，但是这样做，往往由于电容的影响而导致稳压器具有瞬态响应较差的缺点。

因此，希望寻求一种相位裕度改善效果好，同时具有较为出色的瞬态响应的稳压器。

发明内容

本发明一方面提供一种稳压器，其用于将输入电压调整为稳定的输出电压，包括：跟随级；和接受来自所述跟随级输出并对负载输出稳定电压的驱动级；在所述跟随级和所述驱动级之间连接有随所述负载的负载电流增大而增大相位裕度的相位裕度动态补偿装置。

本发明的另一方面提供一种双模式工作设备，其包括低功耗稳压器和高功耗稳压器，所述双模式工作设备可在低功耗稳压器工作的低功耗模式和高功耗稳压器工作的高功耗模式之间切换，其特征在于，所述低功耗稳压器上述本发明一方面提供的稳压器。

本发明在使用增加跟随级进行相位补偿的方法的基础上，加入一相位裕度动态补偿装置作为跟随级的负载，该相位裕度动态补偿装置随着负载的负载电流增大而改善相位裕度。从而可在获得出色的相位改善效果的同时，消除使用密勒RC补偿方法中的密勒电容所带来的降低瞬态响应的负面效果。

附图说明

图1是现有技术中采用跟随级进行相位补偿的稳压器的框图；

图2是实施本发明的稳压器的框图；

图3是显示如图1所示的现有技术稳压器的***整体的增益-频率曲线的示意图；

图4是实现本发明稳压器的一实施例的具体电路图；

图5是表示稳压器***整体的增益-频率曲线的示意图；

图6是表示跟随级的相位-频率曲线的示意图；

图7是表示在负载电流为5mA的条件下，未加入相位裕度动态补偿装置的稳压器和加入相位裕度动态补偿装置的稳压器的***整体的增益-相位-频率曲线的示意图；

图8是对比使用密勒RC相位补偿方法和使用本发明的相位补偿方法的***对负载电流瞬态响应的示意图；

图9是本发明稳压器的一个应用实例。

具体实施方式

通常，利用增加跟随级的方法进行相位补偿的稳压器的结构框图如图1所示，包括相互级联的差分放大级10、跟随级20、驱动级30，以及从驱动级30的输出反馈到差分放大级输入端的反馈电路40。稳压器通过调节输入电压，最后由驱动级30输出稳定的输出电压。跟随级与差分放大级10级联，其用于对整个稳压器的***相位裕度进行改善。其中，如果驱动级30的输出电压可以略过反馈电路40直接反馈给差分放大级10。

本发明的改进在于，在跟随级20之后加入相位裕度动态补偿装置50作为跟随级20的负载，如图2所示。该相位裕度动态补偿装置50一实施例的具体结构和具体如何对***的相位裕度改善将在下面结合图4和图5进行详细说明。

图3显示如图1所示现有技术稳压器的***整体的增益-频率曲线。其中曲线R，S，T分别表示负载电流为10μA，1mA，5mA时***的各个增益-频率曲线.极点Pole1为驱动级30引入的极点，从上述曲线可见，随着负载电流增大，Pole1逐渐向频率增大的方向移动至Pole1’和Pole1”。Pole2为差分放大级10引入的极点，Pole3为跟随级20引入的极点，从上述曲线可见，Pole2的频率f_Pole2和Pole3的频率f_Pole3都不会随着负载电流的变化而变化。由于Pole3的频率靠近单位增益频率处，因此稳压器***相位裕度受到跟随级20引入的Pole3的频率影响。综合上述分析，在现有技术稳压器***中，随着负载电流增大，驱动级极点向频率增大方向移动，差分放大级极点频率和跟随级极点频率并不受负载电流增大的影响即保持大小不变，而单位增益频率向频率增大方向移动，这样导致***相位裕度减小，进而导致***不稳定。

本发明的改进思路在于在跟随级20与驱动级30之间接有相位裕度动态补偿装置50，该相位裕度动态补偿装置50能使得跟随级极点Pole3的极点频率f_Pole3随着驱动级30的负载电流的增大而向高频方向移动(增大)，也就是说使跟随级极点Pole3的频率f_Pole3与单位增益频率UGF的变化趋势一致，即，单位增益频率UGF发生后移时跟随级极点频率也随之后移，这样抑制了在不加相位裕度动态补偿装置50的情况下***相位裕度随着负载电流增大而减小的趋势，从而提高***的稳定性。

其中跟随级极点Pole3的极点频率f_Pole3随负载电流的增大而增大是基于跟随级极点频率计算公式 $f_{\mathrm{Pole}3}=\frac{1}{2\mathrm{\πRoCo}}$ (R_O表示跟随级与驱动级间的等效并联电阻，C_O表示跟随级与驱动级间的并联电容)得到的，只要使该公式中的参数R_O，C_O至少之一能随负载电流的增大而减小，就可使f_Pole3随负载电流的增大而增大。在下面的一实施例中，本发明从实现的方便性考虑，采用了使R_O随着负载电流增大而减小的方式。

图4是实现本发明稳压器的作为一实施例的低压降稳压器的具体电路图，下面对其进行具体描述。图1中的差分放大级10通过两个PMOS场效应管P1和P2以及三个NMOS场效应管N1、N2、N3实现；跟随级20可由作为恒流源的PMOS场效应管P3和作为跟随管的PMOS场效应管P4所组成的源跟随级来实现；驱动级30由一PMOS场效应管P6实现，这样的稳压管也称为低压降稳压管；图2中的相位裕度动态补偿装置50由PMOS场效应管P5实现，在本实施例中，其作为跟随级20的负载，即，PMOS场效应管P5的源极连接驱动管P6的源极(也就是图4中的正向电压VDD)，起到二极管正向端的作用，PMOS场效应管P5的的栅极和漏极连接在驱动管P6的栅极与跟随级20的输出端的连线上，起到相当于二极管的负向端的作用。通过这样的连接，P5实际起到二极管正向运用的作用。反馈电路40由Rtop和Rbot串联组成，用以将输出电压成比例缩小后取出反馈给差分放大级10。当然在变化例中，可以不通过Rtop和Rbot串联电路取出反馈电压，而可以直接将输出电压反馈给差分放大级10。关于差分放大级10、跟随级20，驱动级30和反馈电路40实现的具体构造，本领域技术人员可对各级的实现做出合理的变化。例如差分放大级10可由双极型晶体管实现，并且跟随级20也可用射极跟随级替换；除了本实施例所列举的源跟随级的形式之外，可采用其他形式的跟随级，例如由电阻代替本实施例中的恒流源和跟随管一起组成的源跟随级；另驱动级30可由PNP晶体管来实现，以替代本实施例中的PMOS场效应管；图4中的PMOS管也可用NMOS替代，NMOS管也可用PMOS替代，例如，输出负电压时就是如此。所有这些本领域技术人员根据技术常识能够作出的替换和改动皆不脱离本发明的保护范围。

下面结合图5对作为相位裕度动态补偿装置50的PMOS场效应管P5如何改善相位裕度进行说明。图5是本发明***的增益-频率曲线图，图5列举负载电流为10μA，1mA，5mA逐渐增大的三种情况，在这三种情况下，***的增益-频率曲线分别由曲线A，曲线B和曲线C表示。如图4所示，随着负载电流增大加在PMOS驱动管P6源极和栅极之间的电压增大，从而施加在PMOS型场效应管P5上的电压也增大。根据二极管正向运用的等效输出电阻随着电压增大而减小的特性，作为二极管连接的PMOS型场效应管P5的正向电阻R随其两端施加电压的增大而变小。另外，由于驱动级的输入电阻和跟随级的输出电阻相对于PMOS型场效应管P5的电阻R来说很大，尤其在大负载电流的情况下，它们对计算极点Pole3的频率的影响可以忽略，因而将R_O近似为电阻R，也就是说跟随级的负载电阻由作为正向运用的二极管使用的PMOS场效应管的电阻值R决定。

如图4所示，当稳压器负载电流逐渐从10μA增大到1mA再增大到5mA时，加在PMOS驱动管P6的源极和栅极间的电压逐渐增大，因此，加在PMOS场效应管P5的电压也变大。根据二极管的正向电阻随着电压增大而减小的特性，代入极点Pole3频率计算公式 $f_{\mathrm{Pole}3}=\frac{1}{2\mathrm{\πRCo}}$ 计算跟随级引入的极点Pole3的频率，可见极点Pole3的频率f_Pole3将随着PMOS型场效应管P5的电阻R的变小而增大，也就是说，随着稳压器的负载电流从10μA增大到1mA在增大到5mA，极点Pole3向高频方向移动，参见图5，极点Pole3的频率从f_Pole3增大到f_Pole3’再增大至f_Pole3”。

图6是表示以相位裕度动态补偿装置50作为负载的跟随级的相位-频率曲线的示意图。随着极点频率从f_Pole3增大到f_Pole3’再增大至f_Pole3”，极点Pole3引入的相位变化如图6中曲线D到曲线E再到曲线F的变化所示，呈现上抬的趋势。

图7是在负载电流为5mA的条件下，未加入相位裕度动态补偿装置50的稳压器(如图1所示的稳压器)和加入相位裕度动态补偿装置50的稳压器(如图2所示的稳压器)的增益-相位-频率曲线的示意图。在负载电流不变，为5mA的前提下，相位裕度动态补偿装置50对驱动级极点和差分放大级极点频率都不产生影响，因此未加入相位裕度动态补偿装置50的稳压器和加入相位裕度动态补偿装置50的稳压器的***整体的增益-频率曲线如图7中的曲线H，G所示，曲线H，G在遇到跟随级极点之前相互重合。在未加入相位裕度动态补偿装置50的稳压器中，跟随级极点的频率不会随着负载电流的增大而增大，相当于其始终位于大致如图5所示的当负载电流为10μA时的频率f_Pole3；而对于加入了相位裕度动态补偿装置50的稳压器***来说，如前文所述，跟随级的极点频率会随着负载电流的增大而增大，也即跟随级的极点频率与***零增益频率UGF的差大于未加相位裕度动态补偿装置50的两频率的差，其对应的相位-频率曲线也随着负载电流的增大而相对于负载电流较小时的相位-频率曲线抬高，因此未使用相位裕度动态补偿装置50的稳压器和使用了相位裕度动态补偿装置50的稳压器的源跟随级的相位-频率曲线如图7中的曲线I，J所示，曲线J相对于曲线I抬高了。图7中曲线M，N分别表示未加入相位裕度动态补偿装置50的稳压器和加入相位裕度动态补偿装置50的稳压器整体***的相位-频率曲线。由于跟随级的相位曲线的叠加效果，使得在曲线N与曲线M相比在单位增益频率UGF处的相位得到上抬(见图7中PM1和PM2所示)，即***相位裕度得到改善(增大)。

另，本领域的技术人员容易想到作为相位裕度动态补偿装置50的可变电阻器件，除了PMOS场效应管还可以使用NMOS型场效应管或简单的二极管来实现。除了可变电阻器件，本领域的技术人员在不脱离本发明思想的前提下，也可以考虑利用可变电容器件等来实现该相位裕度动态补偿装置50。

本发明相比常用的相位裕度改善方法密勒RC相位补偿来说，由于不需要用到电容，可有效提高稳压器负载电流的瞬态响应。负载电流的瞬态响应可以用：负载电流瞬态变化导致***输出电压的电压差ΔVtr的大小来衡量。

ΔVtr＝Ioutmax＊Δt/Cout+ΔVesr

其中，Δt＝1/Bwcl+ΔVpgate＊Cpgate/Iss，

Ioutmax：最大输出电流

Cout：外置输出电容

ΔVesr：输出电容的等效串联电阻ESR上的电压差：

Bwcl：闭环带宽

ΔVpgate：驱动管栅极电压差

Cpgate：驱动管栅极对地等效电容

Iss：驱动管栅极对地放电电流。

在其他各参数相等的情况下，如果省去密勒RC相位补偿方法中的密勒电容C，Cpgate值将会大大减小，Δt减小，从而ΔVtr也相应减小。图8示出了使用密勒RC相位补偿方法和使用本发明的相位补偿方法的***对负载电流瞬态响应的对比图。通过仿真软件的模拟，得到对比结果如图8所示，图中曲线X表示使用密勒RC相位补偿方案的瞬态响应曲线，Y表示使用本发明的相位裕度动态补偿方案获得的瞬态响应曲线。由图8可知，在采用密勒RC相位补偿的方案中，当负载电流在最小电流和最大电流之间切换时，瞬态波动幅度在0.02倍输出电压理想值的范围内。在采用本发明的相位裕度动态补偿的方案中，负载电流发生变化时，输出电压曲线Y的瞬态波动幅度不到曲线X的一半，最大为输出电压理想值的0.01倍。从中可看出使用本发明的相位裕度动态补偿方法比使用密勒RC相位补偿方法的负载电流瞬态响应要好。

另，本发明也可以结合密勒RC相位补偿方法一起实施，从而可在更宽的范围内调节***的相位裕度和瞬态响应。此时，通过减小密勒电容C，可获得相位裕度的补偿更好，但是瞬态响应稍差的***。

本发明的应用

由于本发明的稳压器对负载电流瞬态响应较好，将本发明的采用相位裕度动态补偿装置50对相位裕度进行补偿的稳压器作为低功耗稳压器，运用在能够在低功耗模式和高功耗模式之间切换的双模式稳压器中，可以提高双模式稳压器在两种模式之间切换的切换噪声，尤其是改善从高功耗模式到低功耗模式的切换噪声。

图9给出了将本发明的稳压器运用于双模式工作设备中的一个实例的连接框图。如图9所示，低功耗差分放大级10，跟随级20，相位裕度动态补偿装置50，驱动级30和反馈电路40，构成了本说明书前述的稳压器。其作为低功耗稳压器与与另一个高功耗稳压器各自通过使能端EN1和EN2进行控制，从而可以选择双模式工作设备的输出电压由低功耗稳压器输出还是高能耗稳压器输出。由于本发明的稳压器具有瞬态响应好的特点，因此可以很好地改善从高能耗模式切换到低能耗模式的切换噪声。其中，使能端EN1和EN2可以通过硬件或是软件方法实现。另外，高能耗稳压器同样可以运用本发明所揭示的稳压器来实现，以进一步改善切换噪声。

Claims (8)

1.一种稳压器，用于将输入电压调整为稳定的输出电压，包括：

跟随级；和

接受来自所述跟随级输出并对负载输出稳定电压的驱动级；

其特征在于，在所述跟随级和所述驱动级之间连接有随所述负载的负载电流增大而改善相位裕度的相位裕度动态补偿装置。

2.如权利要求1所述的稳压器，其特征在于，所述相位裕度动态补偿装置由可变电阻器件构成，该可变电阻器件的电阻随着加在其上的电压的增大而减小。

3.如权利要求2所述的稳压器，其特征在于，所述可变电阻器件由二极管构成，该二极管正向运用连接在所述跟随级的输出端。

4.如权利要求3所述的稳压器，其特征在于，所述二极管由二极管连接方法的MOS场效应管构成。

5.如权利要求4所述的稳压器，其特征在于，所述驱动级由MOS场效应管构成，所述二极管连接方法的MOS场效应管正向运用连接在构成驱动级的MOS场效应管的源极和栅极之间。

6.如权利要求1-5任一项所述的稳压器，其特征在于，所述跟随级为源跟随级。

7.如权利要求6所述的稳压器，其特征在于，所述源跟随级由作为恒流源和PMOS跟随管构成。

8.一种双模式工作设备，其包括低功耗稳压器和高功耗稳压器，所述双模式工作设备可在低功耗稳压器工作的低功耗模式和高功耗稳压器工作的高功耗模式之间切换，其特征在于，所述低功耗稳压器为如权利要求1所述的稳压器。

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