CN102495656A - 一种低压差线性稳压器 - Google Patents

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代高强
刘焱
周泽坤
张波
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Abstract

本发明属于电源管理技术领域，公开了一种低压差线性稳压器，具体包括：误差放大器、第一阻抗单元、第二阻抗单元和采样网络，其特征在于，还包括一N型调整管、电源欠压比较器、第一PMOS管和第二PMOS管。本发明的低压差线性稳压器利用N型调整管代替P型调整管，使负载跳变直接反映到调整管的栅源电压，无需经过反馈环路，实现对负载变化的快速响应；同时由于采用N型调整管的LDO压降较大，会影响LDO的效率等性能，又借助电源欠压比较器，解决了电源供电不足的问题。

Description

一种低压差线性稳压器
技术领域
本发明属于电源管理技术领域，具体涉及一种低压差线性稳压器(LDO，Low DropoutRegulator)的设计。
背景技术
低压差线性稳压器能够为模拟电路和射频电路等噪声敏感提供低输出纹波的电源，而且结构相对简单，***元器件少，因而被广泛应用于片上***芯片中。多数应用中，需要给每个电路模块的旁边放一个不挂载有输出电容的LDO，这样对每个电路模块电源供电的优化能够带来***整体性能的提高。
传统的LDO如图1所示，其中，VREF为基准电路产生的基准电压，EA为误差放大器，MP为PMOS输出调整管，R1和R2为反馈电阻，RL、CL分别为输出电阻和电容。该电路通过误差放大器和输出调整管的负反馈来稳定输出电压VOUT。
对于图1所示的传统LDO电路，当负载发生瞬变(ns级)时，有两种机制来稳定输出电压：一是通过大的负载电容CL来提供负载瞬变时所需的瞬态电流，从而稳定输出电压，采用大的负载电容将增加芯片的面积，提高了成本；二是通过反馈环路调整P型调整管的栅源电压VGS响应负载瞬变，为了达到快速响应，环路必须有较大的带宽。
对于为数字电路供电的线性稳压器，由于负载电流变化很快且幅值较大，要求LDO有快速的环路响应速度，而精度要求相对不高。目前，学术界也提出了许多提高LDO瞬态响应的方案，比如采用buffer级拓展带宽，采用快慢双环控制结构提高相应速度等。但是这些方案存在的缺陷是电路结构比较复杂，且增加了额外的功耗。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的低压差线性稳压器响应速度存在的缺陷，提出了一种低压差线性稳压器。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种低压差线性稳压器，包括：误差放大器、第一阻抗单元、第二阻抗单元和采样网络，其特征在于，还包括一N型调整管、电源欠压比较器、第一PMOS管和第二PMOS管，
其中，误差放大器的正向输出端接第一基准电压，输出端接N型调整管的栅极；N型调整管的漏极接外部电源，源极作为线性稳压器的输出端；第一阻抗单元的一端接线性稳压器的输出端，另一端接误差放大器的负向输入端和第二阻抗单元的一端，第二阻抗单元的另一端接地；第一PMOS管的源极接外部电源，漏极接N型调整管的栅极，栅极接电源欠压比较器的输出端；第二PMOS管的源极接外部电源，漏极接线性稳压器的输出端，栅极接电源欠压比较器的输出端；电源电压欠压比较器的负向输入端接第二基准电压，正向输入端接采样网络的输出端；采样网络的输入端接外部电源。
本发明的有益效果：本发明的低压差线性稳压器利用N型调整管代替P型调整管，使负载跳变直接反映到调整管的栅源电压，无需经过反馈环路，实现对负载变化的快速响应；同时由于采用N型调整管的LDO压降较大，会影响LDO的效率等性能，本发明又借助电源欠压比较器，解决了电源供电不足的问题。
附图说明
图1为现有的LDO电路结构示意图。
图2为本发明的LDO基本结构示意图。
图3为本发明实施例的LDO一种实现方式的结构示意图。
图4为本发明实施例的LDO另一种实现方式结构示意图。
图5为本发明的LDO瞬态仿真波形图。
图6为本发明的电源欠压比较器仿真波形图。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步的阐述。
本发明的LDO基本结构示意图如图2所示，具体包括：误差放大器、第一阻抗单元RF1、第二阻抗单元RF2和采样网络，还包括一N型调整管MN0、电源欠压比较器、第一PMOS管MP1和第二PMOS管MP2，其中，误差放大器的正向输出端接第一基准电压VREF1，输出端接N型调整管的栅极；N型调整管的漏极接外部电源VDD，源极作为线性稳压器的输出端；第一阻抗单元RF1的一端接线性稳压器的输出端，另一端接误差放大器的负向输入端和第二阻抗单元RF2的一端，第二阻抗单元RF2的另一端接地；第一PMOS管MP1的源极接外部电源，漏极接N型调整管MN0的栅极，栅极接电源欠压比较器的输出端；第二PMOS管MP2的源极接外部电源VDD，漏极接线性稳压器的输出端，栅极接电源欠压比较器的输出端；电源电压欠压比较器的负向输入端接第二基准电压VREF2，正向输入端接采样网络的输出端；采样网络的输入端接外部电源VDD。
这里，误差放大器用于调节N型调整管MN0的栅极电压；N型调整管MN0的输出电路用于驱动负载；电源电压欠压比较器用于解决由于采用N型调整管的LDO DROPOUT电压较大带来的电源供电不足的问题，电源电压欠压比较器可以采用常规的比较器结构。
图3给出了LDO一种实现方式的结构示意图，这里的第一阻抗单元RF1、第二阻抗单元RF2分别为第一电阻R1、第二电阻R2。
图4给出了LDO另一种实现方式的结构示意图，这里的第一阻抗单元RF1、第二阻抗单元RF2可以通过二极管形式连接的PMOS管实现，具体的可以通过四个二极管形式连接的PMOS管MP11、MP12、MP13和MP14来实现，具体连接关系为：MP11的源极作为第一阻抗单元的一端，MP11的漏极和栅极接MP12的源极，MP12的漏极和栅极接MP13的源极，MP13的漏极和栅极相连接作为第一阻抗单元的另一端，MP14的源极接第二阻抗单元的一端，MP14的漏极和栅极相连接作为第二阻抗单元的另一端。
图4也给出了采样网络的一种实现方式，具体为：采样网络包括第三电阻R3和第四电阻R4，其中，第三电阻R3的一端作为采样网络的输入端，另一端作为采样网络的输出端并且与第四电阻R4的一端相连，第四电阻R4的另一端接地。
本发明的低压差线性稳压器的工作原理为：当输入电压比较高时，若输出负载稳定，LDO的输出电压由误差放大器环路控制，环路的反馈电压VFb等于基准电压VREF1。
当输出负载由轻负载变为重负载时，输出电压下降，即N型调整管MN0的源极电压下降，进而其栅源电压VGS升高，同时，通过误差放大器的反馈环路，使N型调整管MN0的栅极电压升高，进一步使其栅源电压VGS升高，使调整管MN0输出电流快速增加，以提供负载由轻负载跳变为重负载所需的瞬态电流，使输出电压能够快速的恢复稳定。
当输出负载由重负载变为轻负载时，输出电压上升，即N型调整管MN0的源极电压上升，进而其栅源电压VGS下降，通过误差放大器的反馈环路，使N型调整管MN0的栅极电压下降，进一步使其栅源电压VGS降低，使调整管MN0输出电流快速减小，使输出电压快速的恢复稳定。
当输入电压较高时，电源采样电压LDO_SW高于基准电压VREF2，电源欠压比较器的输出端为高电平，MP1和MP2处于关断状态；当电源电压与LDO输出电压的差值小于N型调整管MN0上的压降时，采样电压LDO_SW低于基准电压VREF2，电源欠压比较器输出为低电平，MP1和MP2导通。MP1导通，将N型调整管MN0的栅极电压拉高，使误差放大器输出保持，当电源电压恢复后，误差放大器不需要重新启动就能立即进入工作状态；MP2导通，提供额外的供电支路，使输出稳定在：
VOUT＝VDD-Iload×Ron    (1-1)
其中，Iload是负载电流，Ron是MP2的导通电阻。VREF1与VREF2均为外部基准电路提供的基准电压，具体大小可以根据设计要求确定。
如图5所示，LDO的瞬态仿真波形图，负载发生瞬变，输出电压的峰值跳变约500mV，响应时间约500ns，从图中可以看出，本发明的LDO的瞬态特性很好，具有快速的负载响应能力。
如图6所示，电源欠压比较器的仿真波形图，其中，实线的VOUT表示的是VDD上升时的仿真结果，虚线表示的是VDD下降时的仿真结果，从图中可以看出，迟滞空间约0.5V，比较器能有效的解决电源供电不足的问题。
综上可以看出，本发明的低压差线性稳压器采用N型调整管代替P型调整管，使负载跳变直接反映到调整管的栅源电压，用以控制输出电流来稳定输出电压，无需经过反馈环路，实现对负载变化的快速响应；采用了电源欠压保护电路，有效的解决了由于采用N型调整管的LDO压降较大带来的电源供电不足的问题。此外，本发明的线性稳压器结构简单，还避免了LDO的输出需要外接大电容的需求。本发明的线性稳压器可以用于为模拟或数模混合集成电路中的数字电路部分供电。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种低压差线性稳压器，包括：误差放大器、第一阻抗单元、第二阻抗单元和采样网络，其特征在于，还包括一N型调整管、电源欠压比较器、第一PMOS管和第二PMOS管，
其中，误差放大器的正向输出端接第一基准电压，输出端接N型调整管的栅极；N型调整管的漏极接外部电源，源极作为线性稳压器的输出端；第一阻抗单元的一端接线性稳压器的输出端，另一端接误差放大器的负向输入端和第二阻抗单元的一端，第二阻抗单元的另一端接地；第一PMOS管的源极接外部电源，漏极接N型调整管的栅极，栅极接电源欠压比较器的输出端；第二PMOS管的源极接外部电源，漏极接线性稳压器的输出端，栅极接电源欠压比较器的输出端；电源电压欠压比较器的负向输入端接第二基准电压，正向输入端接采样网络的输出端；采样网络的输入端接外部电源。
2.根据权利要求1所述的低压差线性稳压器，其特征在于，所述的第一阻抗单元、第二阻抗单元分别为第一电阻、第二电阻。
3.根据权利要求1所述的低压差线性稳压器，其特征在于，所述的第一阻抗单元、第二阻抗单元具体通过二极管形式连接的PMOS管实现。
4.根据权利要求3所述的低压差线性稳压器，其特征在于，所述的第一阻抗单元、第二阻抗单元具体通过四个二极管形式连接的PMOS管MP11、MP12、MP13和MP14来实现，具体连接关系为：MP11的源极作为第一阻抗单元的一端，MP11的漏极和栅极接MP12的源极，MP12的漏极和栅极接MP13的源极，MP13的漏极和栅极相连接作为第一阻抗单元的另一端，MP14的源极接第二阻抗单元的一端，MP14的漏极和栅极相连接作为第二阻抗单元的另一端。
5.根据权利要求1至4所述的任一低压差线性稳压器，其特征在于，所述的采样网络包括第三电阻和第四电阻，其中，第三电阻的一端作为采样网络的输入端，另一端作为采样网络的输出端并且与第四电阻的一端相连，第四电阻的另一端接地。
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