CN103529895A

CN103529895A - 一种高稳定性电压调节器

Info

Publication number: CN103529895A
Application number: CN201310532371.XA
Authority: CN
Inventors: 王钊
Original assignee: Wuxi Vimicro Corp
Current assignee: Hefei Sino Microelectronics Co Ltd
Priority date: 2013-10-31
Filing date: 2013-10-31
Publication date: 2014-01-22
Anticipated expiration: 2033-10-31
Also published as: CN103529895B

Abstract

本发明提供一种电压调节器，其包括：输出电路，其具有输入端、输出端和连接于输入端和输出端之间的功率管，通过控制所述功率管将从输入端接收到的输入电压转换为输出端的输出电压，输出电容串联于输出端和地之间；输出电容检测电路，其基于检测到的输出电压确定所述输出端连接的输出电容的大小，并基于输出电容的大小输出相应的选择信号；反馈环路控制电路，根据输出电压来输出控制信号给功率管，其还根据所述选择信号来调整内部的补偿结构。与现有技术相比，本发明提供一种电压调节器，其根据不同的输出电容来调整不同的通过检测判断输出电容的大小来选用不同的补偿结构或调整补偿电容的大小，从而实现对更宽输出电容范围的兼容性。

Description

一种高稳定性电压调节器

【技术领域】

本发明涉及电路设计领域，特别涉及一种高稳定性电压调节器。

【背景技术】

现有技术中电压调节器的稳定性都只是针对一定范围的输出电容值能够稳定。如果输出电容超过一定范围，则无法稳定。由于现代电子设备越来越复杂，为了提高各种电子设备的兼容性，电压调节器可能被连接到不同的被供电设备上，对于不同供电设备产生的电压调节器等效输出电容大小可能差异很大。所以能实现更好兼容性的电压调节器越来越受到消费者青睐。例如汽车的USB(Universal Serial Bus)输出，可能被连接到等效输出电容较小的蓝牙耳机上，也能被连接到等效输出电容较大的平板电脑，甚至处于无负载的悬空状态(等效输出电容很小，接近可忽略)。通常兼容较小输出电容稳定的设计可能所需电容值较小，而兼容较大输出电容稳定的设计可能所需电容值较大，无法完全由一种内部补偿电容值来实现。另外兼容较小的输出电容的补偿方法经常将内部极点设计为反馈环路的主极点，而兼容较大的输出电容的补偿方法经常将外部输出极点设计为反馈环路的主极点。

因此，有必要提供一种兼容和适应较大输出电容范围的高稳定性电压调节器。

【发明内容】

本发明的目的在于提供电压调节器，其可以在较大输出电容范围都具有较高的稳定性。

为了解决上述问题，本发明提供一种电压调节器，其包括：输出电路，其具有输入端、输出端和连接于输入端和输出端之间的功率管，通过控制所述功率管将从输入端接收到的输入电压转换为输出端的输出电压，输出电容串联于输出电路的输出端和地之间；输出电容检测电路，其基于检测到的输出端的输出电压确定所述输出端连接的输出电容的大小，并基于所述输出电容的大小输出相应的选择信号；反馈环路控制电路，根据输出端的输出电压来输出控制信号给所述功率管，以实现对输出端的输出电压的调控，此外其还根据所述输出电容检测电路输出的选择信号来调整内部的补偿结构以使得该反馈环路控制电路能够兼容所述输出电容。

进一步的，所述电压调节器还包括电位维持电路和接收使能信号的使能端，

所述电位维持电路与所述使能端相连，所述输出电容检测电路与所述使能端相连，在所述使能信号为无效，所述电位维持电路将所述输出端的输出电压限定为固定的电位，在所述使能信号为有效时，所述电位维持电路对所述输出端的输出电压不起作用，在所述使能信号由无效跳变为有效后的一段时间内，所述输出电容检测电路切断所述反馈环路控制电路对所述功率管的控制，并控制所述功率管以预定电流给所述输出电容充电，所述输出电容检测电路在这段时间后检测输出端的输出电压，并将其与预定电压阈值进行比较以判断出所述输出电容的大小。

进一步的，所述电位维持电路包括连接在所述输出电路的输出端和地之间的开关S3，在所述使能信号无效时，所述开关S3导通，将所述输出电路的输出端的输出电压限定为地电平，在所述使能信号有效时，所述开关S3关断，所述输出电路的输出端的输出电压不再受地电位的限制。

进一步的，所述输出电容检测电路包括输出电容检测单元和逻辑控制电路，

所述输出电容检测单元在检测到所述使能信号由无效跳变为有效时，输出持续预定时间有效的切换信号，在该切换信号有效时，所述逻辑控制电路切断所述功率管的控制端与所述反馈环路控制电路的通路，而将所述功率管的控制端连接至所述输出电容检测单元输出的一偏置电压上，此时在所述偏置电压的驱动下所述功率管上流过预定电流给所述输出电容充电，所述输出电容检测单元检测在所述输出端的输出电压，并根据所述切换信号的有效时段的所述输出端的输出电压判定所述输出电容的大小，在所述切换信号无效时，所述逻辑控制电路切断所述输出电容检测单元提供的偏置电压与所述功率管的控制端的通路，而接通所述反馈环路控制电路与所述功率管的控制端的通路，此时所述反馈环路控制电路根据所述输出端的输出电压来输出控制信号给所述功率管的控制端，以实现对输出端的输出电压的调控。

进一步的，在所述切换信号由有效信号跳变为无效信号时，所述输出电容检测单元基于所述输出端的输出电压与预定电压阈值的比较结果，输出相应的选择信号，所述反馈环路控制电路根据所述输出电容检测单元输出的选择信号有选择性的将一补偿电容接入所述反馈环路控制电路或将该补偿电容从所述反馈环路控制电路中去除。

进一步的，所述反馈环路控制电路包括：采样所述输出电路的输出端的输出电压得到采样电压的分压电路；基于分压电压和第一参考电压输出控制信号的误差放大电路，所述误差放大电路中包括有所述补偿电容。

进一步的，所述输出电容检测单元包括延迟电路、第一反相器、第二与门、比较器、第二反相器和D触发器，所述延迟电路的输入端接收所述使能信号，所述延迟电路的输出端接第一反相器的输入端，第一反相器的输出端与第二与门的一输入端相连，第二与门的第二输入端接收所述使能信号，第二与门的输出端输出所述切换信号；所述比较器的一端接所述输出电路的输出端，另一个接第二参考电压，其输出端接D触发器的输入端d，第二与门的输出端连接所述D触发器的时钟端，所述使能信号经由第二反相器与所述D触发器的复位端r相连，所述D触发器的输出端q输出所述选择信号。

进一步的，所述补偿电容和一个选择开关串联于所述误差放大电路的输出端和输入电压之间，所述选择信号控制所述选择开关的导通和关断。

进一步的，所述功率管为MOS晶体管，所述MOS晶体管的源极为所述输出电路的输入端，其漏极为所述输出电路的输出端。

更进一步的，所述逻辑控制电路包括一个反相器INV1、控制开关S5和S6，所述控制开关S5的一端连接所述功率管的控制端，另一端连接所述反馈环路控制电路的输出端，所述控制开关S6的一端连接所述功率管的控制端，另一端接收所述输出电容检测单元的偏置电压PB，所述切换信号经由反相器INV1与所述控制开关S5的控制端相连，所述切换信号直接与所述控制开关S6相连。

与现有技术相比，本发明提供一种电压调节器，其根据不同的输出电容来调整不同的通过检测判断输出电容的大小来选用不同的补偿结构或调整补偿电容的大小，从而实现对更宽输出电容范围的兼容性。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为本发明中的高稳定性电压调节器在一个实施例中的结构示意图；

图2为图1所示的输出电容检测单元在一个实施例中的电路结构示意图；

图3为图1所示的具有可编程补偿电容的误差放大电路的电路结构示意图。

【具体实施方式】

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。除非特别说明，本文中的连接、相连、相接的表示电性连接的词均表示直接或间接电性相连。

请参考图1所示，其为本发明在一个实施例中的高稳定性电压调节器的电路示意图。所述电压调节器包括具有功率管的输出电路110和反馈环路控制电路120。所述输出电路110具有输入端、输出端和连接于输入端和输出端之间的功率管，通过控制所述功率管将从输入端接收到的输入电压VIN转换为输出端的输出电压VO。一个输出电容C2串联于所述输出电路的输出端和地之间。所述反馈环路控制电路120根据输出端的输出电压VO来输出控制信号给所述功率管，以实现对输出端的输出电压VO的调控。

在图1所示的实施例中，所述电压调节器110为低压差电压调节器（LDO），所述输出电路110包括功率管MP2，该功率管MP2为PMOS(P-channel MetalOxide Semiconductor)晶体管，其源极作为输入端接收输入电压VIN，其漏极作为输出端得到所述输出电压VO。所述反馈环路控制电路120包括采样所述输出电路的输出端的输出电压VO得到采样电压VC的分压电路；基于分压电压VC和第一参考电压VR输出控制信号的误差放大电路EA。所述误差放大电路输出的控制信号连接至所述PMOS晶体管的栅极，用于控制其上流过的电流。

本发明中的电压调节器还包括有输出电容检测电路（131和132），其可以基于检测到的输出端的输出电压VO确定所述输出端连接的输出电容C2的大小，并基于所述输出电容的大小选择相应的选择信号SEL。相应的，所述反馈环路控制电路120会根据所述输出电容检测电路输出的选择信号SEL来调整其内部的补偿结构以使得该反馈环路控制电路120能够兼容所述输出电容，从而可以实现更宽范围输出电容的兼容性。本发明的电压调节器实现更大输出电容范围的高稳定，最佳理想的效果是兼容无输出电容至无限大输出电容值。

在一个实施例中，所述电压调节器还包括电位维持电路140和接收使能信号EN的使能端。所述电位维持电路140与所述使能端相连，所述输出电容检测电路与所述使能端相连。在所述使能信号EN为无效，所述电位维持电路140将所述输出端的输出电压限定为固定的电位，在所述使能信号EN为有效时，所述电位维持电路140对所述输出端的输出电压不起作用。同时，在所述使能信号由无效跳变为有效后的一段时间(比如T1，可根据需要确定)内，所述输出电容检测电路切断所述反馈环路控制电路120对所述功率管的控制，并控制所述功率管以预定电流（比如I2）给所述输出电容C2充电，所述输出电容检测电路在这段时间后检测输出端的输出电压，并将其与预定电压阈值进行比较以判断出所述输出电容C2的大小，并据此输出相应的选择信号。

具体来说，所述电位维持电路140包括连接在所述输出电路110的输出端和地之间的开关S3，在所述使能信号无效时，所述开关S3导通，将所述输出电路的输出端的输出电压限定为地电平，在所述使能信号有效时，所述开关S3关断，所述输出电路的输出端的输出电压不再受地电位的限制。这样，在所述使能信号由无效跳变为有效时，即所述电压调节器启动时，所述功率管MP2会以预定电流给所述输出电容充电，最后根据输出电容的充电电压就可以得知所述输出电容的大小，并最后可以输出相应的选择信号，最终可以使得所述反馈环路控制电路选择相应的补偿结构或补偿电容，从而可以适应更宽的输出电容。

如图1所示，在一个实施例中，所述输出电容检测电路包括输出电容检测单元131和逻辑控制电路132。

所述输出电容检测单元131在检测到所述使能信号EN由无效跳变为有效时，输出持续预定时间有效的切换信号Ctrl，在该切换信号Ctrl有效时，所述逻辑控制电路132切断所述功率管MP2的控制端与所述反馈环路控制电路120的通路，而将所述功率管MP2的控制端连接至所述输出电容检测单元131输出的一偏置电压PB上，此时在所述偏置电压PB的驱动下所述功率管MP2上流过预定电流给所述输出电容C2充电。在所述切换信号Ctrl由有效信号跳变为无效信号时，所述输出电容检测单元131基于所述输出端的输出电压VO与预定电压阈值的比较结果，得知所述输出电容的大小，并据此输出相应的选择信号SEL，所述反馈环路控制电路120根据所述输出电容检测单元131输出的选择信号有选择性的将一补偿电容接入所述反馈环路控制电路或将该补偿电容从所述反馈环路控制电路120中去除。

在所述切换信号Ctrl无效时，所述逻辑控制电路132切断所述输出电容检测单元提供的偏置电压与所述功率管的控制端的通路，而接通所述反馈环路控制电路与所述功率管的控制端的通路，此时所述反馈环路控制电路根据所述输出端的输出电压来输出控制信号给所述功率管的控制端，以实现对输出端的输出电压的调控，此时所述反馈环路控制电路已经根据输出电容调整了匹配的补偿电容，从而可以获得较高的稳定性。

在图1所示的具体实施例中，所述逻辑控制电路132包括一个反相器INV1、控制开关S5和S6，所述控制开关S5的一端连接所述功率管MP2的控制端，另一端连接所述误差放大电路的输出端，所述控制开关S6的一端连接所述功率管MP2的控制端，另一端接收所述输出电容检测单元131的偏置电压PB。

在图1所示的一个实施例中，所述反馈环路控制电路120中的可编程补偿电容设置于误差放大电路EA中。图3示出了具有可编程补偿电容的误差放大电路的具体电路图。如图3所示，所述误差放大电路包括有PMOS晶体管MP1、MP2、MP3、MP4，NMOS晶体管MN1、MN2、MN3、MN4，以及电流源I5，其中MOS晶体管MP2和MN4的中间节点为该误差放大电路的输出端。该误差放大电路的结构的不同之处在于，其还包括有串联于所述误差放大电路的输出端和输入电压之间一个选择开关S7和可编程补偿电容Cc，所述输出电容检测单元131输出的选择信号控制所述选择开关S7的导通和关断，在其导通时，所述补偿电路Cc被接入所述误差放大电路中，在其关断时，所述补偿电容Cc被去除出所述误差放大电路中，从而改变了补偿结构，使得反馈环路控制电路120能够兼容更大范围的输出电容。

图2为图1所示的输出电容检测单元在一个实施例中的电路结构示意图。如图2所示，所述输出电容检测单元131包括延迟电路Delay、第一反相器INV3、第二与门And2、比较器1、第二反相器INV4和D触发器DFF1。所述延迟电路Delay的输入端接收所述使能信号EN，所述延迟电路的输出端接第一反相器INV3的输入端，第一反相器INV3的输出端与第二与门And2的一输入端相连，第二与门And2的第二输入端接收所述使能信号EN，第二与门And2的输出端输出所述切换信号Ctrl，该切换信号是一个脉冲信号。所述比较器1的一端接所述输出电路的输出端VO，另一个接第二参考电压V2，其输出端接D触发器DFF1的输入端d，第二与门的输出端连接所述D触发器DFF1的时钟端clk，所述使能信号经由第二反相器INV4与所述D触发器的复位端r相连，所述D触发器的输出端q输出所述选择信号SEL。所述输出电容检测单元131还包括有提供偏置电压PB的偏置电路，该电路包括PMOS晶体管MP5和电流源I1。Ctrl信号为上升沿与输入信号EN的上升沿对齐，脉冲宽度等于延迟电路Delay产生的延时。比较器1比较输出电压VO和参考电压V2的大小，D-触发器DFF1将比较器的输出信号COMP1在Ctrl信号下降沿时刻的值锁存到输出信号SEL。EN信号为低电平时，ENB为高电平，此时将D-触发器输出清零。

在一个具体应用的示例中，当EN为高电平时，电压调节器正常工作；当EN为低电平时，电压调节器处于关闭状态。反相器INV2、开关S3保证每次电压调节器的输出都是从零电压启动。输出电容检测单元的输入信号为EN和VO。当EN从低电平变成高电平时，即在EN信号的上升沿时刻，产生切换信号Ctrl，Ctrl为一脉冲信号，其上升沿与EN的上升沿对齐，经过设定的延迟时间后，Ctrl信号变为低电平。即Ctrl信号为以EN信号的上升沿为起点，固定时间长度的高电平的脉冲信号（此固定时间设为T1）。PB为功率管MP2提供偏置电压，使得功率管MP2为输出电容C2的充电电流为固定值。当Ctrl信号为高电平时，开关S5被关断，开关S6导通，此时功率管MP2输出固定电流，对输出电容C2充电。另外通过输出电容检测单元中的比较器比较输出电压VO与参考电压V2的大小。如果VO低于设定的参考电压，则说明输出电容大于设定值；如果VO电压大于设定的参考电压V2，则说明输出电容小于设定值。

在T1时间内，对输出电容充电的电压满足:

VO.Co=I2.T1

其中VO为T1时间结束时刻的输出电压值，Co为输出电容C2的电容值，I2为T1时间内MP2的输出电流，T1为Ctrl为高电平的时间。

所以VO=I2.T1/Co。

由此可知，输出电容越大，VO电压越低；输出电容越小，输出电压越高。

参考电压为V2，则对应VO等于V2的输出电容Co=I2.T1/V2。

所述领域内的普通技术人员可以理解的是，所述电压调节器也可以是其他类型的电压调节器，比如升压型DC-DC（直流-直流）转换器，降压型DC-DC转换器等，他们共同的特点都是具有输出电路进行电压转换以及具有反馈环路控制电路进行环路控制，至于具体的电压转换的方式以及环路控制的方式则会随着不同类型的电压调节器而不同，但是电压转换方式的改变以及环路控制的改变并不影响本发明的基于输出电容的大小来调整控制环路中的补偿电路的思路依然可以适用。

本发明中的在本发明中，“连接”、相连、“连”、“接”等表示电性相连的词语，如无特别说明，则表示直接或间接的电性连接。

需要指出的是，熟悉该领域的技术人员对本发明的具体实施方式所做的任何改动均不脱离本发明的权利要求书的范围。相应地，本发明的权利要求的范围也并不仅仅局限于前述具体实施方式。

Claims

1.一种电压调节器，其特征在于，其包括：

输出电路，其具有输入端、输出端和连接于输入端和输出端之间的功率管，通过控制所述功率管将从输入端接收到的输入电压转换为输出端的输出电压，输出电容串联于输出电路的输出端和地之间；

输出电容检测电路，其基于检测到的输出端的输出电压确定所述输出端连接的输出电容的大小，并基于所述输出电容的大小输出相应的选择信号；

反馈环路控制电路，根据输出端的输出电压来输出控制信号给所述功率管，以实现对输出端的输出电压的调控，此外其还根据所述输出电容检测电路输出的选择信号来调整内部的补偿结构以使得该反馈环路控制电路能够兼容所述输出电容。

2.根据权利要求1所述的电压调节器，其特征在于，其还包括电位维持电路和接收使能信号的使能端，

所述电位维持电路与所述使能端相连，所述输出电容检测电路与所述使能端相连，在所述使能信号为无效，所述电位维持电路将所述输出端的输出电压限定为固定的电位，在所述使能信号为有效时，所述电位维持电路对所述输出端的输出电压不起作用，

在所述使能信号由无效跳变为有效后的一段时间内，所述输出电容检测电路切断所述反馈环路控制电路对所述功率管的控制，并控制所述功率管以预定电流给所述输出电容充电，所述输出电容检测电路在这段时间后检测输出端的输出电压，并将其与预定电压阈值进行比较以判断出所述输出电容的大小。

3.根据权利要求2所述的电压调节器，其特征在于，所述电位维持电路包括连接在所述输出电路的输出端和地之间的开关S3，在所述使能信号无效时，所述开关S3导通，将所述输出电路的输出端的输出电压限定为地电平，在所述使能信号有效时，所述开关S3关断，所述输出电路的输出端的输出电压不再受地电位的限制。

4.根据权利要求3所述的电压调节器，其特征在于，所述输出电容检测电路包括输出电容检测单元和逻辑控制电路，

所述输出电容检测单元在检测到所述使能信号由无效跳变为有效时，输出持续预定时间有效的切换信号，在该切换信号有效时，所述逻辑控制电路切断所述功率管的控制端与所述反馈环路控制电路的通路，而将所述功率管的控制端连接至所述输出电容检测单元输出的一偏置电压上，此时在所述偏置电压的驱动下所述功率管上流过预定电流给所述输出电容充电，所述输出电容检测单元检测在所述输出端的输出电压，并根据所述切换信号的有效时段的所述输出端的输出电压判定所述输出电容的大小，

在所述切换信号无效时，所述逻辑控制电路切断所述输出电容检测单元提供的偏置电压与所述功率管的控制端的通路，而接通所述反馈环路控制电路与所述功率管的控制端的通路，此时所述反馈环路控制电路根据所述输出端的输出电压来输出控制信号给所述功率管的控制端，以实现对输出端的输出电压的调控。

5.根据权利要求4所述的电压调节器，其特征在于，

在所述切换信号由有效信号跳变为无效信号时，所述输出电容检测单元基于所述输出端的输出电压与预定电压阈值的比较结果，输出相应的选择信号，所述反馈环路控制电路根据所述输出电容检测单元输出的选择信号有选择性的将一补偿电容接入所述反馈环路控制电路或将该补偿电容从所述反馈环路控制电路中去除。

6.根据权利要求5所述的电压调节器，其特征在于，所述反馈环路控制电路包括：

采样所述输出电路的输出端的输出电压得到采样电压的分压电路；

基于分压电压和第一参考电压输出控制信号的误差放大电路，

所述误差放大电路中包括有所述补偿电容。

7.根据权利要求6所述的电压调节器，其特征在于，所述输出电容检测单元包括延迟电路、第一反相器、第二与门、比较器、第二反相器和D触发器，

所述延迟电路的输入端接收所述使能信号，所述延迟电路的输出端接第一反相器的输入端，第一反相器的输出端与第二与门的一输入端相连，第二与门的第二输入端接收所述使能信号，第二与门的输出端输出所述切换信号；

所述比较器的一端接所述输出电路的输出端，另一个接第二参考电压，其输出端接D触发器的输入端d，第二与门的输出端连接所述D触发器的时钟端，所述使能信号经由第二反相器与所述D触发器的复位端r相连，所述D触发器的输出端q输出所述选择信号。

8.根据权利要求7所述的电压调节器，其特征在于，所述补偿电容和一个选择开关串联于所述误差放大电路的输出端和输入电压之间，所述选择信号控制所述选择开关的导通和关断。

9.根据权利要求1所述的电压调节器，其特征在于，所述功率管为MOS晶体管，所述MOS晶体管的源极为所述输出电路的输入端，其漏极为所述输出电路的输出端。

10.根据权利要求4所述的电压调节器，其特征在于，所述逻辑控制电路包括一个反相器INV1、控制开关S5和S6，所述控制开关S5的一端连接所述功率管的控制端，另一端连接所述反馈环路控制电路的输出端，所述控制开关S6的一端连接所述功率管的控制端，另一端接收所述输出电容检测单元的偏置电压PB，所述切换信号经由反相器INV1与所述控制开关S5的控制端相连，所述切换信号直接与所述控制开关S6相连。