CN107092296B - 一种快速瞬态响应低压差电压调整器 - Google Patents

一种快速瞬态响应低压差电压调整器 Download PDF

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Abstract

一种快速瞬态响应低压差电压调整器，涉及模拟集成电路领域，本发明包括误差放大器、功率管Mp和反馈采样电阻，其特征在于，还包括缓冲器、PNP晶体管和NPN晶体管，误差放大器的输出端接PNP晶体管的基极，PNP晶体管的发射极接电压调整器的输出端；NPN晶体管的集电极和基极接PNP晶体管的集电极，NPN晶体管的发射极接地，基极还与缓冲器的第一输入端连接；缓冲器的输出端接功率管的栅极；功率管的输入端接输入电压，输出端接PNP晶体管的发射极；PNP晶体管的发射极通过串联的第一反馈采样电阻和第二反馈采样电阻接地，第一反馈采样电阻和第二反馈采样电阻的连接点接误差放大器的反向输入端。本发明在不需要增加额外静态功耗的情况下，减小***环路延时，实现快速瞬态响应。

Description

一种快速瞬态响应低压差电压调整器
技术领域
本发明涉及模拟集成电路领域，特别涉及到具有快速瞬态响应的低压差电压调整器。
背景技术
低压差电压调整器是电源管理电路中一个重要的组成部分，通常用在DC-DC开关转换电路的后级，用作负载点电源，为负载点提供稳定可靠的电源电压，由于其压降小、PSRR高、成本低等优点，在便携式电子产品中得到了广泛的应用。
在便携式应用领域，提高电源的转换效率对于延长电池寿命很重要：***设计方面，通过引入使能关断功能，在特定的工作模式下，只有部分模块工作，部分模块处于关断状态，因此在不同工作模式切换过程中，负载电流会瞬间跳变，从几毫安跳变到几安培，为了减小负载电流瞬间变化对输出电压的影响，这就对低压差电压调整器的负载瞬态响应速度提出了更高的要求。
低压差电压调整器的低压差电压和静态电流这两个参数很重要，低压差要求增大功率管面积，会造成功率管的栅极电容过大，低静态电流会影响栅极充放电的压摆率，从而影响环路负载瞬态响应速度。传统的低压差电压调整器结构如图1所示，VOUT会在负载瞬态变化时产生尖峰，由于环路响应需要经过环路补偿电容即内部米勒补偿的延时和功率管栅极的充放电延时，VOUT重新恢复稳定需要一定的时间，要获得快速负载瞬态响应，需要增大运放静态电流对米勒电容快速充放电，但是对于1A以上的大电流电压调整器，单纯通过增加静态电流改善负载瞬态响应，很难保证环路的稳定性，因此传统低压差电压调整器无法同时兼顾低静态电流和快速负载瞬态响应，必须从电路结构上改进。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提出一种低压差电压调整器结构，能够有效提高低压差电压调整器负载瞬态响应速度。
本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，一种快速瞬态响应低压差电压调整器，包括误差放大器、功率管和反馈采样电阻，其特征在于，还包括缓冲器、PNP晶体管和NPN晶体管，
误差放大器的输出端接PNP晶体管的基极，PNP晶体管的发射极接电压调整器的输出端；NPN晶体管的集电极和基极接PNP晶体管的集电极，NPN晶体管的发射极接地，基极还与缓冲器的第一输入端连接；缓冲器的输出端接功率管的栅极；功率管的输入端接输入电压，输出端接PNP晶体管的发射极；PNP晶体管的发射极通过串联的第一反馈采样电阻和第二反馈采样电阻接地，第一反馈采样电阻和第二反馈采样电阻的连接点接误差放大器的反向输入端。
发明的有益效果为，本发明的低压差电压调整器，与现有类似的低压差电压调整器相比，引入了由两个晶体管和缓冲器形成的快速瞬态响应回路，使输出电压的瞬态变化直接通过PNP晶体管的发射级输入转化成电流，然后通过NPN晶体管镜像到跨阻缓冲器驱动控制输出功率管，快速调整输出电压，跳过运算放大环节米勒补偿电容引入的延时，在不需要增加额外静态功耗的情况下，减小***环路延时，实现快速瞬态响应。
附图说明
图1为传统低压差电压调整器结构示意图。
图2为本发明的快速瞬态响应低压差电压调整器结构示意图。
图3为本发明运算放大器电路原理图。
图4为本发明缓冲器电路原理图。
具体实施方式
参见图2-4。
本发明提出一种快速瞬态响应低压差电压调整器电路，所述快速瞬态响应低压差电压调整器电路包括：参考电压，误差放大器，两个反馈比例电阻Rf1、Rf2，输出功率管MP，缓冲器，PNP晶体管Q5，NPN晶体管Q6，其特征在于，引入了Q5、Q6和缓冲器形成的快速瞬态响应回路，使输出电压随负载的瞬态变化直接通过Q5的发射级输入转化成电流，然后通过Q6镜像到跨阻缓冲器，跳过运算放大环节米勒补偿电容引入的延时，实现快速瞬态响应。
所述快速瞬态响应低压差电压调整器具体连接关系为：参考电压接误差放大器同向输入端，第一反馈采样电阻Rf1一端接输出电压VOUT，另一端接误差放大器反向输入端，第二反馈采样电阻Rf2一端接误差放大器反向输入端，另一端接地，误差放大器输出端接PNP晶体管Q5基极，PNP晶体管Q5发射级接输出电压VOUT，PNP晶体管Q5集电极接NPN晶体管Q6的集电极和基级，PNP晶体管Q5成共射极放大组态，NPN晶体管Q6的集电极和基级连接在一起连接缓冲器输入，NPN晶体管Q6发射极接地，缓冲器输出连接PMOS功率管MP栅极，PMOS功率管源极接输入电压VIN，PMOS功率管漏极接输出VOUT
所述误差放大器电路包括PMOS管MP1、MP2、MP3、MP4、MP5，NMOS管MN1、MN2、MN3，NPN晶体管Q1、Q2、Q3，电阻RC，电容CC，偏置电流IB，具体连接关系为：偏置电流IB一端连接输入电压VIN，另一端连接NMOS管MN1的栅极和漏极，同时连接NMOS管MN2、MN3的栅极，NMOS管MN1、MN2、MN3的源极接地，形成电流镜结构，NMOS管MN2漏极连接PMOS管MP1的栅极和漏极，同时连接PMOS管MP2、MP3的栅极，PMOS管MP1、MP2、MP3的源极接输入电压VIN，形成电流镜结构，MP4栅极连接反馈采样电压VFB，漏极连接Q1集电极和Q1、Q2基极，MP5栅极连接参考电压Vref，漏极连接Q2集电极，MP4、MP5源极连接MP2漏极，组成差分输入对管，Q1、Q2发射机接地，形成有源负载，Q3基极连接Q2集电极，发射极接地，集电极连接MP3漏极，形成放大结构，Q4基极连接Q3集电极，集电极连接输入电压VIN，发射极连接MN3漏极，形成跟随器结构，CC一端连接Q3集电极，另一端连接RC，RC一端连接CC，另一端连接Q3基极，形成带有零点的米勒补偿结构。
所述缓冲器包括PMOS管MP6、MP7、MP8，NMOS管MN4、MN5，NPN晶体管Q7、Q8，偏置电流IB，具体连接关系为：偏置电流IB一端连接输入电压VIN，另一端连接NMOS管MN4的栅极和漏极，同时连接NMOS管MN5的栅极，NMOS管MN4、MN5的源极接地，形成电流镜结构，NMOS管MN5漏极连接PMOS管MP6的栅极和漏极，同时连接PMOS管MP7、MP8的栅极，PMOS管MP6、MP7、MP8的源极接输入电压VIN，形成电流镜结构，MP7漏极连接Q7集电极和Q8基极，Q7发射极接地，基极接Q6基极电压VBQ6，Q8发射极接地，集电极连接MP8漏极并连接功率管MP栅极。
实施例
如图2所示，本发明的快速瞬态响应低压差电压调整器包括：参考电压，误差放大器，反馈比例电阻Rf1、Rf2，输出功率管MP，缓冲器，PNP晶体管Q5，NPN晶体管Q6，其中参考电压接误差放大器同向输入端，反馈采样电阻Rf1一端接输出电压VOUT，另一端接误差放大器反向输入端，反馈采样电阻Rf2一端接误差放大器反向输入端，另一端接地，误差放大器输出端接PNP晶体管Q5基极，PNP晶体管Q5发射级接输出电压VOUT，PNP晶体管Q5集电极接NPN晶体管Q6的集电极和基级，Q5成共射极放大组态，NPN晶体管Q6的集电极和基级连接在一起连接缓冲器输入，NPN晶体管Q6发射极接地，缓冲器输出连接PMOS功率管MP栅极，PMOS功率管源极接输入电压VIN，PMOS功率管漏极接输出VOUT。
如图3所示，本发明的误差放大器电路包括PMOS管MP1、MP2、MP3、MP4、MP5，NMOS管MN1、MN2、MN3，NPN晶体管Q1、Q2、Q3，电阻RC，电容CC，偏置电流IB，具体连接关系为：偏置电流IB一端连接输入电压VIN，另一端连接NMOS管MN1的栅极和漏极，同时连接NMOS管MN2、MN3的栅极，NMOS管MN1、MN2、MN3的源极接地，形成电流镜结构，NMOS管MN2漏极连接PMOS管MP1的栅极和漏极，同时连接PMOS管MP2、MP3的栅极，PMOS管MP1、MP2、MP3的源极接输入电压VIN，形成电流镜结构，MP4栅极连接反馈采样电压VFB，漏极连接Q1集电极和Q1、Q2基极，MP5栅极连接参考电压Vref，漏极连接Q2集电极，MP4、MP5源极连接MP2漏极，组成差分输入对管，Q1、Q2发射机接地，形成有源负载，Q3基极连接Q2集电极，发射极接地，集电极连接MP3漏极，形成放大结构，Q4基极连接Q3集电极，集电极连接输入电压VIN，发射极连接MN3漏极，形成跟随器结构，CC一端连接Q3集电极，另一端连接RC，RC一端连接CC，另一端连接Q3基极，形成带有零点的米勒补偿结构，引入一个主极点和一个零点，加上输出电容引入的第二极点，整个***带内包含两极点一零点，减小了***对输出电容ESR的依赖性，保证***环路的稳定性。
如图4所示，所述缓冲器包括第六PMOS管MP6、第七PMOS管MP7、第八PMOS管MP8、第四NMOS管NMOS管MN4、第五NMOS管MN5，第七晶体管Q7、第八晶体管Q8，
偏置电流源IB的一端接输入电压VIN，另一端连接第四NMOS管MN4的栅极和漏极，同时连接第五NMOS管MN5的栅极；第四NMOS管MN4、第五NMOS管MN5的源极接地，形成电流镜结构；第五NMOS管MN5漏极连接第六PMOS管MP6的栅极和漏极，同时连接第七PMOS管MP7、第八POS管MP8的栅极，第六PMOS管MP6、第七PMOS管MP7、第八PMOS管MP8的源极接输入电压VIN，形成电流镜结构；
第七PMOS管MP7漏极连接第七晶体管Q7集电极和第八晶体管Q8基极，第七晶体管Q7发射极接地，基极接第六晶体管Q6基极电压VBQ6，和第六晶体管Q6形成电流镜结构；第八晶体管Q8发射极接地，集电极连接第八PMOS管MP8漏极并连接功率管MP栅极。缓冲器形成跨阻结构，将Q6的镜像电流信号转换成电压信号，驱动PMOS功率管的栅极。
当低压差电压调整器的负载电流在短时间内发生较大增加时，会使输出电压VOUT迅速降低，输出电压VOUT的降低会通过Q5的发射极输入，使Q5集电极电流减小，Q5集电极电流通过Q6镜像到跨阻缓冲器的输入端，由于Q5集电极电流的减小，使跨阻缓冲器的输出电压减小，调整PMOS功率管栅极下降，增加功率管输出电流，补偿VOUT的降低。
反之，当低压差电压调整器的负载电流在短时间内发生较大减小时，会使输出电压VOUT迅速升高，输出电压VOUT的升高会通过Q5的发射极输入，使Q5集电极电流增加，Q5集电极电流通过Q6镜像到跨阻缓冲器的输入端，由于Q5集电极电流的增加，使跨阻缓冲器的输出电压增加，调整PMOS功率管栅极上升，减小功率管输出电流，补偿VOUT的升高。
误差放大器环节由于受静态电流限制，PMOS管MP3的有限电流对米勒补偿电容Cc充电，会产生较大的延迟时间，极大的影响环路瞬态响应速度，引入Q5、Q6和缓冲器形成的快速瞬态响应回路，输出电压VOUT的瞬态变化不需要经过反馈采样电阻Rf1和Rf2，和误差放大器环节，减小了环路延时，可以在不增加静态电流的前提下实现快速瞬态响应。

Claims (1)

1.一种快速瞬态响应低压差电压调整器，包括误差放大器、功率管Mp和反馈采样电阻，其特征在于，还包括缓冲器、PNP晶体管(Q5)和NPN晶体管(Q6)，
误差放大器的输出端接PNP晶体管(Q5)的基极，PNP晶体管(Q5)的发射极接电压调整器的输出端(VOUT)；NPN晶体管(Q6)的集电极和基极接PNP晶体管(Q5)的集电极，NPN晶体管(Q6)的发射极接地，基极还与缓冲器的第一输入端连接；缓冲器的输出端接功率管(Mp)的栅极；功率管(Mp)的输入端接输入电压(VIN)，输出端接PNP晶体管(Q5)的发射极；PNP晶体管(Q5)的发射极通过串联的第一反馈采样电阻(Rf1)和第二反馈采样电阻(Rf2)接地，第一反馈采样电阻(Rf1)和第二反馈采样电阻(Rf2)的连接点接误差放大器的反向输入端；
所述缓冲器包括第六PMOS管(MP6)、第七PMOS管(MP7)、第八PMOS管(MP8)、第四NMOS管(MN4)、第五NMOS管(MN5)，第七晶体管(Q7)、第八晶体管(Q8)，
偏置电流源IB的一端接输入电压VIN，另一端连接第四NMOS管(MN4)的栅极和漏极，同时连接第五NMOS管(MN5)的栅极；第四NMOS管(MN4)、第五NMOS管(MN5)的源极接地，形成电流镜结构；第五NMOS管(MN5)漏极连接第六PMOS管(MP6)的栅极和漏极，同时连接第七PMOS管(MP7)、第八POS管(MP8)的栅极，第六PMOS管(MP6)、第七PMOS管(MP7)、第八PMOS管(MP8)的源极接输入电压VIN，形成电流镜结构；
第七PMOS管(MP7)漏极连接第七晶体管(Q7)集电极和第八晶体管(Q8)基极，第七晶体管(Q7)发射极接地，基极接第六晶体管(Q6)基极电压VBQ6，和第六晶体管(Q6)形成电流镜结构；第八晶体管(Q8)发射极接地，集电极连接第八PMOS管(MP8)漏极并连接功率管MP栅极。
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