CN103207637A - 低压降稳压器中的频率补偿电路 - Google Patents

Abstract

低压降稳压器中的频率补偿电路，一个低压降稳压器中的一个三端控制电路具有一个PNP导通三极管。该控制电路能够拉动基极驱动点下降到3.0伏或更低的电压，以允许一个电流限制电阻被嵌入在基极驱动点和PNP导通三极管基极之间。控制电路包括一对小值的电容器，用于给不同的输出电容器提供稳定的运行。控制电路也可以与p-沟道晶体管一起使用。

Description

低压降稳压器中的频率补偿电路

技术领域

本发明涉及一个控制电路，它用来在串联电压调节电路中提供低压差调节。更特别地是，本发明涉及到一个三端控制，用于驱动一个离散的PNP三极管或p-沟道晶体管，以提供一个低压差正极串联稳压器电路。

背景技术

串联电压调节器电路需要一个最低的电源电压和稳压输出电压之间的电压差，以提供适当的调控。这个最小的电压差作为调节器电路的压差。具有低压差的一个电压调节电路拥有许多有用的用途。

PNP稳压器中的三端集成电路(IC)控制装置的设计意图通常是，基极驱动端子直接与离散PNP三极管的基极相连接。这最大限度地提高了供电电路中的可用电压，这必须使用基极驱动端作为一个供应电压。因此，电路的一般设计不是把基极驱动端的电压提高到大于0伏低于稳压输入电压。

在一些稳压器应用中，它可能是希望使用FET作为导通三极管。然而，这样的应用可能需要FET，该FET的栅极电压被拉到接近接地(例如，创建一个几伏的栅极——源极电压差)。常规的稳压器控制电路的设计并不以这种方式操作，如上面讨论的。

一个三端IC控制电路的设计(对一个PNP型稳压器)，稳压器的输出电流和输入电压不能被检测作为限流的目的。这是因为任一类型的传感需要额外的端子。因此，IC内部基极驱动限流电路的限流点必须被设置基于离散三极管的预期电流增益以及预期稳压器输出电流之上，以避免稳压器操作条件超过离散PNP三极管的电流和额定功率的限制。

但是，如果用户选择了一个离散PNP三极管，保护将变得不可预知，该三极管不同的电流增益和额定功率的特性超过了制造商所预期的。例如，用户可能选择一个PNP三极管，不能安全地在最大基极驱动电流内操作，该电流由控制电路的内部限流电路控制。

相对于频率补偿电路产生的类似问题。一个IC稳压器控制电路可以使用在各种应用电路中，应用电路具有广泛不同电容值的输出电容和等效串联电阻(ESR)。然而，常规的IC稳压器控制电路中的频率补偿电路通常只在输出电容有限的范围内提供了稳定性。

因此，这将有可能提供一个三端电压稳压器控制电路，该电路可以被使用在低压降稳压器设计中，其中不同PNP导通三极管和不同的应用中的限流可以被调整。这将进一步被可取的，如果控制电路可以承受宽范围的输出电容，并且如果该控制电路在一个低电压电路中可以为一个FET导通三极管提供几伏的栅极——源极驱动电压。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种三端控制电路，用来驱动一个在稳压器电路中的PNP导通三极管，该电路具有一个低压差和可控限流。

本发明的另一个目的是提供一种频率补偿电路，它可以在调节器电路中与不同尺寸的稳压器电路输出电容结合以提供稳定性。

本发明的另一个目的是提供一种三端稳压器控制电路，在源极电压被限制到一个低输入电压时，可以驱动一个p-沟道晶体管。

控制电路被设计为在一个基极驱动端电压小于3伏时饱和，在某些低电流条件下优先选择低于1.1伏，这样一个电阻可以被嵌入在基极驱动端和PNP三极管基极之间，从而限制稳压器输出电流和控制电路中的功耗，并使得p-沟道FET可被用作导通三极管。

本发明的技术解决方案

控制电路还包括一个频率补偿电路，在没有一个较大值的内部电容时可以被实现，并且在具有不同的输出电容器中的稳压电路中提供稳定性。

对比文献，发明专利：电源管理电路及其频率补偿方法，申请号：200810088822.4

附图说明

本发明以上或其它的目的及优势将在下面详细的描述中出现，并结合附图：

图1是根据发明的原则设计的一个应用电路的控制电路的示意图；

图2是本发明实施案例的控制电路的简化框图；

图3是本发明优选的控制电路实施的示意图。

具体实施方式

图1阐明了本发明预期类型中电压调节器控制电路的示例应用电路100。应用电路100的配置是作为一个正极串联稳压电路。当一个未经调节的正极输入电压V1N应用到电压输入节点102(就接地点106的电压而言是正的)，电压调节器电路100为连接在电压输出节点104上的负载提供一个调节过的正极输出电压VOUT(就接地点106额外电压而言也是正的)。在图1中，一个简单的电阻负载RL由电阻108表示。

控制电路110，它最好是一个单片集成电路装置，有3个端子，分别标志为DRIVE(基极驱动)，FB(反馈)和GND(接地)。在图1中，控制电路110与一个离散PNP三极管120连在一起，一个上拉电阻140和一个输出电容160，均来自电压调节器电路100。控制电路110调节输出电压VOUT，它在反馈端FB被检测到，通过控制PNP三极管120的基极电流来保持控制电路端子FB的电压为一个预定的电压。虽然限流电阻130是异常的，电压调节器电路100的结构是正常的。

限流电阻130，它是可选的，为PNP三极管120的基极驱动电流提供了一个可控制的限制，可以适应不同的输入电压和不同的PNP三极管。电阻130的值可被选，为一个给定的输入电压提供一个所需的限流值。例如，假设输出电阻VOUT突然低于由于超载情况引起调节器100调节的值。控制电路110将通过把一个大的基极驱动电流IDR切入到驱动端，尝试把PNP三极管120导通。这电流将产生一个通过电阻130的电压。当基极驱动电流增加时，将达到一个点，此时通过电阻130的电压驱动控制电路110进入饱和。基极驱动电流受控制电路的饱和限制。

假设控制电路110的饱和电压和PNP三极管120的正向基极——发射极压降加起来大约是2伏，限流电阻130的值很容易地被选来以提供一个所需的基极驱动电流IDR，通过以下公式：RPL＝(VMIN-2)/IDR，其中VMIN是最小期望输入电压。

常规的调节器控制电路设计意图是，驱动端工作在约1伏的稳压器输入电压。这种设计不需要一个限流电阻，以及其他可能值非常小的电阻，如图1所示，不需要大幅度增加稳压器的压降。

申请人已构思的设计控制电路110，允许驱动端的饱和电压在低约1.1伏。这使得限流电阻有一个更宽的范围(例如20-110欧姆)，它被嵌在驱动端和PNP三极管基极之间，同时维持一个低压降。虽然申请人更喜欢这样的低饱和电压，但申请人认为有效的限流(即限流避免PNP三极管在低于高输入电压和输出短路条件下损坏的悲惨情况)可以达到更高的饱和电压。例如，申请人设想，在根据本发明的原则限制的电流，可以实现具有高达3伏的饱和电压的控制电路稳压器电压为5伏。

在另一个方面，本发明特征是一个频率补偿电路，当控制电路与不同的输出电容器使用时，其可以实现在控制电路中以提供稳定性。这是通过提供一个组合反馈和包含一组小值的电容器的前置方案完成，将引起调节器环路增益在高频率平稳前降低到远远低于0分贝。因此，电路允许足够的相位和增益幅度来容忍一个宽范围的输出电容。

图2以框图的形式表明，一个典型的控制电路体系适合本发明中的控制电路110。控制电路110包括一个差分放大电路200，其具有一个连接到反馈端FB的反相输入端，以及一个连接到电压参考电路210的非反相输入端。差分放大电路200将端子FB的电压与一个由参考电路210产生的固定电压进行比较，并且为驱动电路220提供一个差分信号。该差分信号控制驱动电路220，其中，响应于差分信号，在控制电路驱动和接地端传递驱动电流。控制电路110也包括一个内部基极驱动限流电路230，它限制由驱动电路220传递的电流为一个预定值，当控制电路110的工作温度超过阈值温度时，驱动电路220关闭。

图3表明了电路的一个优选方案，在一个具有图2一般结构的集成电路设备中，用于实现本发明的控制电路110。此特定实施的目的是提供一个大约为5伏的稳定的输出电压。该电路通常包括三个部分：一个启动区，一个偏置区和一个控制区。

启动区的目的是，当电压差第一次通过驱动和接地端时，启动控制电路110工作。启动区包括在图3左手侧的三极管Q1，Q2，Q3和Q4A。三极管Q1是一个由外延生长产生的结晶型场效应管，当电压差第一次通过驱动和接地端时，它为连接二极管的三极管Q2提供电流。三极管Q2被制造具有较高的导通电压(VBE在25摄氏度时大约为850mV)。用小电流流过三极管Q2，Q3，然后导通随即传递电流通过电阻R2和R3，仅当两者同时吸收来自三极管Q4A-G公共基极点的电流时。这将导致三极管Q4A-F导通，在它们的基极——发射极电路并联时。三极管Q4E的导通会导致额外的电流流经电阻R2和R3。额外的电流提高三极管Q3发射极的电压(即通过电阻R2和R3)，以便最终使Q3的基极——发射极节点反向偏置，因此，在Q4A-F三极管导通后，从电路剩余部分切断启动区。一旦控制电路110工作，启动区中的组件是没有影响的。

进一步移动到图3的右侧，三极管Q5，Q6和Q7组成了偏置区。这些三极管偏置PNP三极管串Q4A-G来提供来自所有PNP集电极的基本恒定的电流，即使改变输出/驱动电压。此基本恒定电流也被用来产生一个经过电阻R2和R3的基本恒定的电压。

该偏置区可以在大约1伏以下操作。三极管Q5和Q6，连接在镜像电流配置上，具有不相等的发射极面积比例10∶1，当三极管Q5和Q6传递相等的电流时，引起大约为60mV的电压VBE通过电阻R1。这个电压，将电流设置在偏置三极管Q4B-F上，具有一个正的温度系数。三极管Q7的连接是用来提供一个反馈回路。这个反馈回路确保一个基本恒定的电流，同时改变驱动端的电压。电容C1用于为反馈回路提供频率补偿。

控制电路110的控制区是带隙参照型的，并包括一个组合的参考电压发生器和差分放大器电路(对应于图2的区域200和210)，它驱动一个电流增益级(对应于图2的驱动电路区220)。更具体地说，在图3右侧的三极管Q15-20组成了带隙电路的有源元件。这一带隙型的电路的输出驱动电流增益级三极管Q12，Q9和Q10，这反过来又驱动控制电路的基极驱动点(即驱动端)。图3带隙电路是由来自控制电路110的反馈端(FB)的电流提供能量。总所周知，因此这里只进行简单的讨论，一个带隙电路通过平衡正极和负极温度系数以提供一个温度稳定的参考电压而工作。在图3中，当电压被施加到FB端子上时，电流流至三极管/电阻串R9，Q19(二极管连接的)，Q18(及其相关的偏置电阻R10和R11)，Q17(二极管连接的)，R13，Q16和R15。借助于三极管Q19和Q20的镜像电流装置，相等的电流将流过电阻R8和三极管Q20。经过三极管Q19和Q20的电流，以及电阻R9，R13和R16的电压，具有正温度系数，抵消了三极管Q16-Q19的基极——发射极电压中的负温度系数。

三极管Q15和Q20作为一个差分放大器，它的输出是一个差分信号，在三极管Q15的集电极出现。这个节点的电压由三极管Q13强制压制用作限流保护，如下面所讨论。

随着反馈端子处电压上升，流经三极管/电阻串R9，Q19，Q18，Q17，R13，Q16，R16的电流，以及经过电阻R8和三极管Q20的电流，等量相加。然而，当电流提高经过电阻R16的电压VBE时，将会引起三极管Q16和Q15的电流比降低，例如三极管Q15的集电极电压，最初是高的，开始降低。当通过电阻R16的压降达到大约60mV时，三极管Q15和Q16之间的电流比变为大约1∶1。控制电路110被设计用来调节这一点，这等同于反馈端一个5伏的电压。

三极管Q15集电极的电压驱动由三极管Q12，Q9和Q10以及偏置电阻R4，R5和R6组成的电流增益级。三极管Q12，其接收来自三极管Q14和Q4F的工作电流，作为一个射级跟随缓冲器。当反馈端的电压小于5伏时，三极管Q15的集电极电压保持三极管Q12的基极和发射极电压是高的，这反过来又导致输出驱动三极管Q9和Q10从驱动端吸收电流。当驱动时，三极管Q9和Q10的输出端能够使驱动端的电压降低到小于1.5伏，驱动电流为10mA。这个饱和电压在驱动电流为150mA时上升到大约2伏。因此，一个外部的限流电阻可以被嵌在控制电路110的驱动端和离散的PNP三极管之间，用来限制基极驱动电流，而不提高稳压器电路的压降。电阻的值如前讨论，可被选择。

如果反馈端的电压上升到5伏，三极管Q15集电极的电压向下摆动，从而减少提供给Q9和Q10的驱动信号，并且导致控制电路从驱动端渗进更少的基极驱动电流。控制电路110可以容易地被修改来调节电压而不是5伏。申请人设想，图3电路结构可以被用来调节正极电压，在15伏到低至2.5伏的范围，在只有轻微变化的电路的基本结构中。调节的范围通过修改三极管Q17和Q18以及电阻R10，R11和R13的I/V特性实现。这些元素可以被看作统称为包括一个可调节的阻抗元件300(在图3中所示)，这是设置所需调节电压的目的。为了降低调节电压，例如，三极管Q17和Q18一个或两个可以被移除，偏置电阻R10和R11(其增加经过三极管Q18的压降)可以被移除或者改变，或者R13的阻值可以被降低。

标准的阻抗元件300可以是一个简单的电阻或一个电阻组合，三极管和二极管或类似的，被选择因此穿过它的压降可以产生适当的所需的调节电压。然而，应当牢记的是，当选择特定的元件，组成标准的阻抗元件300，该电路的温度漂移可能会受到影响。元件组合区域应该是这样的，控制电路所需的温度漂移(通常为零)在电压为所需调节电压时得到。

还应当指出，对于比较低的调节电压(例如2.85伏)，由于Q12的基极电压被三极管Q20的寄生集电极——基极二极管保持为低电压，一个启动的问题可能会遇到，它可以通过包括三极管Q19的电阻或三极管被拉低。为了避免这个问题，从驱动端供电，可在启动时提供电流到三极管Q12的基极和集电极，从而使三极管Q9和Q10被接通。

控制电路110还包括一个频率补偿电路，该电路可以为一个大范围的输出电容(例如电容等于或大于10微法)提供稳定的操作。频率补偿电路包括一对小值的电容C2和C3，它们的值被选择用以提供一个衰减的增益低于0dB(例如低于单位1的6db)，然后衰减的增益在更高的频率时变得平缓。这允许电路适应不同数量的输出电容和ESR值。电容C2为三极管Q15的集电极中的放大器输出增益提供一个6dB/倍频的衰减。电阻R15与电容C2结合，设置电容C2的极点频率(电阻R14被添加以平衡三极管Q16的基极电流来补偿电阻R15的存在)，电容C3提供了一个零。

在一个允许调节环路增益远远小于单位1的频率下，这个零抵消了由电容C2产生的零点。这为允许一个宽范围的输出电容提供了相位容限。零频率，元件300的阻抗以及电阻R15和R16的阻值由电容C3的电容值确定。电容C2和C3的适当的值可凭经验决定。电阻R12已经被添加到电容器C3以提供ESD保护。

控制电路110其它一些方面的特征是显著的。再次参照到三极管Q4F，三极管协助控制电路的启动。在启动时，三极管Q14不提供电流(假设反馈端子FB的电压是低的)。三极管Q4F，由驱动端供电，因此用来给输出驱动三极管Q10的基极提供电流，以开始驱动外部PNP导通三极管。三极管Q14可以从电路中移除。然而，它提供了一个额外的电流限制折返功能。如果稳压器的输出短路，三极管Q14将被关闭。在正常操作期间，该三极管为三极管Q10和Q12提供约四分之三(75微安)的工作电流。因此，输出短路导致三极管Q10可用的驱动电流显着降低，从而有效地折回控制电路内部电流限制。三极管Q4G提供一个夹板的目的以及保持三极管Q4F不饱和，这会扰乱其它在偏置串中PNP三极管的偏置电压。电阻R6被添加到输出驱动级上来阻止高频率振荡。三极管Q13提供一个内部电流限制，其工作方式如下。三极管Q13上的基极——发射极节点通常反向偏置三极管Q9和Q10的小电流，因为穿过电阻R2和R3的电压高于三极管Q12的基极电压，Q12的基极与Q13的发射极相连接。然而，对于更大的电流，三极管Q13的基极——发射极节点正向偏置，从而导通三极管Q12，这将导致电流其通常会通过三极管Q13的集电极强制三极管Q12的基极变高然后接地，从而产生夹紧作用。内部限流值由电阻R4的值设定。在图3具体实施中，内部限流电路在驱动端限制电流为170mA。

热保护由三极管Q8提供，如果超过阈值温度，其使电流远离Q10的基极。三极管Q8基极的电压具有正温度系数。三极管Q8基极——发射极节点具有一个负温度系数。三极管Q8在约165摄氏度的温度下导通。

因此，一种新的电压调节器控制电路产生了。本技术领域中的技术人员将会理解，本发明可实行的所描述的实施例外，在实际电路中的各种附加成分和替代彼此联系，虽在图中未示出，但可以使用。所描述的具体实施作为目的呈现而不是限制，并且本发明只受权利要求限制。

Claims (7)

1.一个低压降稳压器中的频率补偿电路，其特征是：电压调节器电路包括一个驱动端，一个反馈端和一个接地端，一个连接到反馈端和接地端的差分信号发生电路，它在PNP三极管的集电极具有一个输出节点，频率补偿电路包括：第一电容器耦合在输出节点和NPN三极管基极之间，它使差分信号发生电路的增益下降；第二电容器耦合在NPN三极管基极和反馈端之间，它提供一个零点，可取消由第一电容器在允许稳压器环路增益远远低于单位1时的频率产生的极点。

2.根据权利要求1所述的低压降稳压器中的频率补偿电路，其特征是：所述的差分信号产生电路时一个带隙电路，包括：

一个差分放大器包括一个第一PNP三极管，它的发射极耦合到反馈端，集电极耦合到输出节点，一个第一NPN三极管，它的发射极耦合到接地端，集电极耦合到输出节点，其中差分放大器在输出节点产生一个差分信号，包括由第一PNP三极管和第一NPN三极管传递的电流之间的误差，差分信号导致电压调节器电路在一个期望的电压点充分地调节输出电压；

第二NPN三极管，它具有一个发射极——基极电路，与在串联环路中的第一NPN三极管中的基极——发射极电路耦合，串联环路包括耦合在第一和第二NPN三极管的发射极之间的第一电阻，第二NPN三极管的集电极通过至少一个阻抗元件耦合到反馈端，这样第一和第二NPN三极管按比例传递电流，随着反馈端和接地端之间的电势差的变化而变化；

第二PNP三极管的基极耦合到第一PNP三极管的基极，它的发射极耦合到反馈端，第二PNP三极管的发射极——集电极电路与在反馈端和接地端之间至少一个阻抗元件串联耦合，其中第一和第二PNP三极管使来自反馈端的电流在一个大致固定的比例，电流的水平随着反馈端和接地端之间电势差的变化响应地改变；其中，差分信号由差分放大器产生，随着反馈端和接地端之间的电势差的变化而响应地改变，以及通过第二NPN三极管集电极的至少一个阻抗元件耦合到反馈端，并且与第二PNP三极管的发射极——集电极电路串联耦合在反馈端和接地端之间，有助于电压调节器所需调节电压点的设置。

3.根据权利要求2所述的低压降稳压器中的频率补偿电路，其特征是：还包括一个与在第一NPN三极管基极和反馈端之间的第二电容串联耦合的电阻，电阻为第二电容提供静电放电保护。

4.根据权利要求3所述的低压降稳压器中的频率补偿电路，其特征是：所述第二NPN三极管的集电极通过至少一个阻抗元件耦合在反馈端，该阻抗元件可以串联耦合在反馈端和接地端之间的第二PNP三极管的集电极——发射极电路。

5.根据权利要求4所述的低压降稳压器中的频率补偿电路，其特征是：所述的差分信号产生电路包括一个耦合到第一NPN三极管基极的第二电阻，它与第一电容器的电容联合起来设置第一电容器的极点频率。

6.根据权利要求5所述的低压降稳压器中的频率补偿电路，其特征是：差分信号产生电路包括一个耦合在第二NPN三极管基极和集电极之间的第三电阻，用来平衡差分产生电路中的电流。

7.根据权利要求5所述的低压降稳压器中的频率补偿电路，其特征是：所述第二电容的零点频率由第二电容器的电容，至少一个阻抗元件的阻抗以及第一和第二电阻的阻值共同决定。

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