CN107102665A - 低压差线性稳压器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低压差线性稳压器，包括：分压电路，用于根据低压差线性稳压器的输出电压产生反馈电压；误差放大器，包括第一输入端和第二输入端，接收参考电压以及反馈电压，将反馈电压和参考电压进行比较，并根据比较结果从输出端生成驱动电压；输出晶体管，包括耦接至误差放大器的输出端的第一端以及耦接至分压电路并输出输出电压的第二端；电流反馈电路，包括输入控制端和电流输出端，输入控制端接收输出电压，电流输出端耦接误差放大器的第一输入端，其中电流反馈电路响应于输出电压的变化产生反馈电流至误差放大器的第一输入端。本发明的低压差线性稳压器具有更快的响应速度，能够快速抑制输出电压的变化，以保持的输出电压的平稳。

Description

低压差线性稳压器

技术领域

本发明涉及电源管理技术领域，特别是涉及一种低压差线性稳压器(Low Dropout Regulator,LDO)。

背景技术

低压差线性稳压器具有成本低、输出电压稳定、低输出纹波、低噪声以及无电磁干扰等优点，因此被广泛应用于通信设备、汽车电子产品和医疗仪器设备中。

图1为传统的低压差线性稳压器结构的示意图。如图1所示，传统的低压差线性稳压器包括误差放大器EA1、分压电路、输出晶体管T。***通过分压电路(包括电阻R1和R2)对输出电压V_O进行分压采样生成反馈电压V_FB。误差放大器EA1的一个输入端接收该反馈电压V_FB，另一输入端接收参考电压V_REF，误差放大器EA1的输出端连接输出晶体管T的栅极。误差放大器EA1将反馈电压V_FB与参考电压V_REF进行比较后，将其差值放大后用于驱动输出晶体管T的栅极。

当由于负载条件或其他条件使得输出电压V_O发生变化时，误差放大器EA1的输出电压也会随之改变，进而控制输出晶体管T的导通程度，从而使输出电压V_O保持不变。

然而，当外部条件变化导致输出电压V_O变化时，对变化的响应速度是考察低压差线性稳压器性能的重要指标。例如，在负载电流发生急剧变化时，输出电压V_O也会急剧变化，这种变化通过分压电阻反馈到误差放大器EA1的输入端，而误差放大器EA1的响应需要一定的时间，使得输出晶体管T的栅极不能很快的响应输出电压的急剧变化，影响输出电压的稳定性和低压差线性稳压器的响应特性。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种低压差线性稳压器，具有更快的响应速度，能够快速抑制低压差线性稳压器的输出电压的变化。

基于本发明的实施方式，本发明提供一种低压差线性稳压器，包括：分压电路，用于根据所述低压差线性稳压器的输出电压产生反馈电压；误差放大器，包括第一输入端和第二输入端，所述第一输入端接收参考电压以及所述第二输入端接收所述反馈电压，所述误差放大器将所述反馈电压和所述参考电压进行比较，并根据比较结果从所述误差放大器的输出端生成驱动电压；输出晶体管，包括耦接至所述误差放大器的输出端的第一端，以及耦接至所述分压电路并输出所述输出电压的第二端；电流反馈电路，包括输入控制端和电流输出端，所述输入控制端接收所述输出电压，所述电流输出端耦接所述误差放大器的第一输入端，其中所述电流反馈电路响应于所述输出电压的变化产生反馈电流至所述误差放大器的第一输入端。

本发明提供的低压差线性稳压器具有更快的响应速度，能够快速抑制低压差线性稳压器的输出电压的变化，以保持低压差线性稳压器的输出电压的平稳。

附图说明

图1是为传统的低压差线性稳压器结构的示意图；

图2是本发明一实施方式中的低压差线性稳压器的结构示意图；

图3为输出晶体管的输出电流随时间变化，现有技术中低压差线性稳压器的输出电压、误差放大器的参考电压和驱动输出晶体管的电压随时间随时间变化，本发明低压差线性稳压器中输出电压、误差放大器的参考电压以及驱动输出晶体管的电压随时间变化的示意图。

具体实施方式

本发明公开了一种低压差线性稳压器，如图2所示，图2是本发明一实施方式中的低压差线性稳压器的结构示意图。该低压差线性稳压器包括分压电路10、误差放大器EA1、输出晶体管T和电流反馈电路11。

分压电路10根据低压差线性稳压器的输出电压V_O产生反馈电压V_FB。具体地，分压电路10包括第一电阻器R1和第二电阻器R2，第一电阻器R1的第一端与输出晶体管T的第二端连接，第一电阻器R1的第二端与第二电阻器R2的第一端连接，第二电阻器R2的第二端接地GND。在本实施例中，由第一电阻器R1的第二端和第二电阻器R2的第一端输出反馈电压V_FB，即，以第二电阻器R2的电压作为反馈电压V_FB。应理解，第一电阻器R1和第二电阻器R2的电阻值根据实际需要特定设置。

误差放大器EA1包括第一输入端和第二输入端，分别接收反馈电压V_FB与参考电压V_REF1，将反馈电压V_FB与参考电压V_REF1进行比较，并根据比较结果在误差放大器EA1的输出端生成电压V_EA1，并经缓冲器BF缓冲后形成用于驱动晶体管T的驱动电压Vg。具体地，在此实施方式中，误差放大器EA1的正相输入端接收参考电压V_REF1，误差放大器EA1的反相输入端耦接于第一电阻器R1的第二端和第二电阻器R2的第一端之间，以接收反馈电压V_FB。误差放大器EA1比较反馈电压V_FB与参考电压V_REF1，并将二者的差值放大后经缓冲器BF缓冲形成驱动电压Vg，用于驱动输出晶体管T。

在本实施方式中，图2所示的低压差线性稳压器还可以包括电压跟随器12，其输入电压V_BG与该低压差线性稳压器处于稳定状态时的反馈电压V_FB相等，其输出端与误差放大器EA1的第一输入端连接。因此，在输出电压Vo处于稳定状态时，误差放大器EA1接收的参考电压V_REF1与电压跟随器12的输入电压V_BG相等，此时参考电压V_REF1值为其初始值。通过该电压跟随器12，将该低压差线性稳压器与其他电路(例如提供参考电压V_REF1初始值的电路)相隔离，可以避免低压差线性稳压器负载条件变化时对参考电压提供电路造成影响。

输出晶体管T的第一端通过缓冲器BF与误差放大器EA1的输出端连接，输出晶体管T的第二端耦接分压电路10并输出输出电压V_O，即，输出晶体管T的第二端作为低压差线性稳压器的输出端，输出晶体管T的第三端作为低压差线性稳压器的输入端，接收输入电压Vin。

在本实施例中，输出晶体管T可以为N型MOS管，输出晶体管T的第一端为N型MOS管的栅极，输出晶体管T的第二端为N型MOS管的源极，输出晶体管T的第三端为N型MOS管的漏极。

应理解，在其他实施例中，输出晶体管T可以为NPN型三极管，输出晶体管T的第一端为NPN型三极管的基极，输出晶体管T的第二端为NPN型三极管的发射极，输出晶体管T的第三端为NPN型三极管的集电极。

在一些实施方式中，在图2所示的低压差线性稳压器中，误差放大器EA1的输出端还可以不通过缓冲器BF而直接与输出晶体管T的第一端连接，即误差放大器EA1的输出端的电压直接为驱动输出晶体管T的驱动电压Vg。

电流反馈电路11包括输入控制端和电流输出端，其输入控制端接收该低压差线性稳压器的输出电压V_O，电流输出端耦接至误差放大器EA1的参考电压V_REF1端，即误差放大器EA1的正向输入端。

电流反馈电路11用于根据低压差线性稳压器的输出电压V_O的变化生成反馈电流，反馈电流通过其电流输出端施加至误差放大器EA1的正相输入端，以导致参考电压V_REF1在其初始值的基础上发生变化，影响输出晶体管T的驱动电压Vg，从而对输出电压V_O的变化进行抑制。

具体地，在本实施方式中，电流反馈电路11包括第一电流镜电路、第二电流镜电路、第一电容器C1和第二电容器C2。第一电流镜电路的控制端通过第一电容器C1耦接至电流反馈电路11的输入控制端，第二电流镜电路的控制端通过第二电容器C2耦接至电流反馈电路11的输入控制端。即，第一电容器C1的第一端耦接电流反馈电路11的输入控制端，第一电容器C1的第二端耦接第一电流镜电路的控制端；第二电容器C2的第一端耦接耦接电流反馈电路11的输入控制端，第二电容器C2的第二端耦接第二电流镜电路的控制端。第一电流镜电路的输出端和第二电流镜电路的输出端共同连接至电流反馈电路11的电流输出端。

其中，第一电流镜电路包括晶体管T1、晶体管T2和第一电流源Is1。第二电流镜电路包括晶体管T3、晶体管T4和第二电流源Is2。在此实施方式中，晶体管T1和晶体管T2为PMOS晶体管，晶体管T3和晶体管T4为NMOS晶体管。但在其他实施方式中，晶体管T1、T2、T3、T4并不限于此，只要能实现本申请中电流镜电路的功能即可，本领域技术人员可以采用其他类型的晶体管。

晶体管T1和晶体管T2的栅极相连接作为第一电流镜电路的控制端，晶体管T1和晶体管T2的漏极共同连接至第一固定电压(例如，电源电压Vcc)，晶体管T1的源极作为第一电流镜电路的的输出端，晶体管T2的源极通过第一电流源Is1连接至第二固定电压(例如，接地电压GND)，并且晶体管T2的源极和栅极接通。晶体管T3和晶体管T4的栅极相连接作为第二电流镜电路的控制端，晶体管T3和晶体管T4的源极共同连接至第二固定电压(例如，接地电压GND)，晶体管T3的漏极作为第二电流镜电路的的输出端，晶体管T4的漏极通过第二电流源Is2耦接至第一固定电压，并且晶体管T4的漏极和栅极接通。

此外，在一些实施方式中，在低压差线性稳压器的输出端还可以通过第三电容器C3接地，第三电容器C3的一端连接输出晶体管T的第二端，另一端接地GND。第三电容器C3是重要的电荷存储和提供器件，能有效减小由于负载电流急剧变化时输出电压的跌落和过冲。

在本实施方式中，反馈电压V_FB与输出电压V_O是线性比例关系，具体如下式所示：

V_FB＝V_O*R2/(R1+R2) (1)

其中，R1为第一电阻器，R2为第二电阻器。即，反馈电压V_FB随输出电压V_O成正比例地变化。

输出至输出晶体管T的驱动电压Vg的变化量ΔVg与参考电压V_REF1和反馈电压V_FB的差值是线性比例关系，具体如下式所示：

ΔVg＝a*[V_REF1-V_FB] (2)

其中，a为误差放大器EA1的放大倍数，[V_REF1-V_FB]表示参考电压V_REF1与反馈电压V_FB的差值。

在低压差线性稳压器处于稳定状态时，输出电压Vo变化为零。此时，第一电流镜电路中第一电流源Is1的提供的电流与第二电流镜电路中第二电流源Is1的提供的电流相等，晶体管T1源极的电流Ic与晶体管T3漏极的电流Ib相等。由于电流反馈电路11的电流输出端的电流Ia＝Ic-Ib，因而，此时电流反馈电路11的电流输出端的电流Ia为零。此时，误差放大器EA1的第一输入端的参考电压V_REF1与电压跟随器12的输入电压V_BG和反馈电压V_FB相等，误差放大器EA1输出端的电压V_EA1(经缓冲器后形成驱动输出晶体管T的驱动电压Vg)为取决于负载电流(即输出电流)Io的一个初始固定值V_initial。在低压差线性稳压器连接的负载RL确定的情况下，该初始固定值V_initial为确定值。在负载RL发生变化而导致输出电压V_O发生变化时，驱动电压Vg为其初始固定电压V_initial加上其变化量ΔVg。

下面结合图2和图3对该低压差线性稳压器的工作原理进行说明。

其中，图3为输出晶体管的输出电流Io随时间变化，现有技术中低压差线性稳压器的输出电压Vo’、误差放大器的参考电压V_REF1’和输出晶体管T的驱动电压Vg’随时间变化，本发明低压差线性稳压器中输出电压Vo、误差放大器的参考电压V_REF1以及输出晶体管T的驱动电压Vg随时间变化的示意图。

具体地，在时间t1之前，低压差线性稳压器处于稳定状态，输出电压V_O变化为零，电流反馈电路11的电流输出端的电流Ia为零，误差放大器EA1的参考电压V_REF1与反馈电压V_FB相等，驱动电压Vg的变化值ΔVg为零。

从时间t1开始，输出晶体管T的输出电流Io逐渐下降，输出电压V_O由稳定状态开始上升，即第一电容器C1的第一端的电压和第二电容器C2的第一端的电压也上升，由于电容器两端电压的连续性，使得第一电容器C1的第二端(即第一电流镜电路的控制端)的电压以及第二电容器C2的第二端(即第二电流镜电路的控制端)的电压也跟随着输出电压Vo上升，从而，晶体管T1的栅极的电压和晶体管T3的栅极的电压上升。因此，晶体管T1源极的电流Ic减小，而晶体管T3漏极的电流Ib增加，而在时间t1之前的稳定状态时，电流Ic与电流Ib相等。因而，从时间t1开始，电流反馈电路11的电流输出端的电流Ia(Ia＝Ic-Ib)为从误差放大器EA1的正向输入端流向电流反馈电路11的电流输出端，并且电流Ia的值逐渐增大，使得误差放大器EA1的参考电压V_REF1下降。

同时，反馈电压V_FB随着上升的输出电压Vo成比例地上升，由于经由误差放大器EA1后ΔVg＝a*[V_REF1-V_FB]，因而，在参考电压V_REF1下降而反馈电压V_FB上升的情况下，驱动电压Vg更大幅度的下降，如图3所示。而在现有技术中，误差放大器EA1所接收的参考电压V_REF1为固定值，在输出电压Vo上升的过程中，误差放大器正向输入端的参考电压V_REF1保持恒定值，只有反馈电压V_FB上升，因而驱动电压Vg’下降幅度小于本实施方式中的驱动电压Vg。

由于在本实施方式中输出晶体管T的驱动电压Vg以更快的速率更大幅度下降，因而驱动电压Vg使得输出晶体管T的导通程度迅速变小甚至截止，因而本发明中的输出电压Vo与现有技术中不包含微分电路时的输出电压Vo’相比，以更缓慢的速率上升，即本发明中输出电压Vo的变化受到了更明显的抑制。

到时间t2，输出电压V_O的值达到最大电压值后开始向稳定状态回落，从图3可以看出，在时间t1至t2期间，在电流反馈电路11和误差放大器EA1的共同作用下，本实施方式中的输出电压Vo比现有技术中输出电压Vo’以更缓慢的速率并且更早地上升到其最高值，之后开始向稳定状态回落。而现有技术中，直至时间t3，输出电压Vo’才能上升到其最高值，之后才开始向稳定状态回落，且输出电压Vo’上升的最高值也高于输出电压Vo上升的最高值。显然，本实施方式中输出电压Vo的变化受到了更明显更快的抑制。

到时间t4，输出电压Vo恢复至稳定状态，相比现有技术中需要在时间t5输出电压Vo’才恢复至稳定状态，本发明的输出电压Vo能够更加快速地恢复到稳定状态，大大地降低了电路的响应时间。

从时间t6开始，输出晶体管T的输出电流Io逐渐上升，输出电压V_O由稳定状态开始下降，即第一电容器C1的第一端的电压和第二电容器C2的第一端的电压也开始下降，由于电容器两端电压的连续性，使得第一电容器C1的第二端(即第一电流镜电路的控制端)的电压以及第二电容器C2的第二端(即第二电流镜电路的控制端)的电压也跟随着输出电压Vo下降，从而，晶体管T1的栅极的电压和晶体管T3的栅极的电压下降。因此，晶体管T1源极的电流Ic增加，而晶体管T3漏极的电流Ib减少，而在时间t1之前的稳定状态时，电流Ic与电流Ib相等。因而，从时间t1开始，电流反馈电路11的电流输出端的电流Ia(Ia＝Ic-Ib)从电流反馈电路11的电流输出端流向误差放大器EA1的正向输入端，并且电流Ia的值逐渐增大，使得误差放大器EA1的参考电压V_REF1迅速上升。

同时，反馈电压V_FB随着下降的输出电压Vo成比例地下降，由于经由误差放大器EA1后ΔVg＝a*[V_REF1-V_FB]，因而，在参考电压V_REF1上升而反馈电压V_FB下降的情况下，驱动电压Vg以更大幅度的上升，如图3所示。而在现有技术中，误差放大器EA1所接收的参考电压V_REF1为固定值，在输出电压Vo下降的过程中，误差放大器正向输入端的参考电压V_REF1保持恒定值，只有反馈电压V_FB下降，因而驱动电压Vg’上升幅度小于本实施方式中的驱动电压Vg。

由于在本实施方式中输出晶体管T的驱动电压Vg以更快的速率更大幅度上升，因而驱动电压Vg使得输出晶体管T的导通程度迅速变大，使得输出晶体管T的第二端的电流增加，从而更大程度的向上拉升正在逐渐下降的输出电压V_O，限制输出电压V_O的进一步下降。本发明中的输出电压Vo与现有技术中不包含电流反馈电路11时的输出电压Vo’相比，以更缓慢的速率下降，即本发明中输出电压Vo的变化受到了更明显的抑制。

到时间t7，输出电压V_O的值达到最小电压值后开始向稳定状态回升，从图3可以看出，在时间t6至t7期间，在电流反馈电路11和误差放大器EA1的共同作用下，本实施方式中的输出电压Vo相比现有技术中输出电压Vo’以更缓慢的速率并且更早地下降到其最低值，之后开始向稳定状态回升。而现有技术中，直至时间t8，输出电压Vo’才能下降到其最低值，之后才开始向稳定状态回升，且输出电压Vo’下降的最低值也低于输出电压Vo下降的最低值。显然，本实施方式中输出电压Vo的变化受到了更明显更快的抑制。

到时间t9，输出电压Vo恢复至稳定状态，相比现有技术中需要在时间t10输出电压Vo’才恢复至稳定状态，本发明的输出电压Vo能够更加快速地恢复到稳定状态，大大地降低了电路的响应时间。

因此，本发明中增加了电流反馈电路，通过以低压差线性稳压器的输出电压控制电流反馈电路的输出电流，使得误差放大器的参考电压与反馈电压相反地变化，从而增强了输出晶体管T的驱动电压的变化，因此能更快速的对输出电压的变化进行响应，快速抑制低压差线性稳压器的输出电压的变化，能够有效保持低压差线性稳压器的输出电压的平稳。

以上仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种低压差线性稳压器，其特征在于，包括：

分压电路，用于根据所述低压差线性稳压器的输出电压产生反馈电压；

误差放大器，包括第一输入端和第二输入端，所述第一输入端接收参考电压以及所述第二输入端接收所述反馈电压，所述误差放大器将所述反馈电压和所述参考电压进行比较，并根据比较结果从所述误差放大器的输出端生成驱动电压；

输出晶体管，包括耦接至所述误差放大器的输出端的第一端，以及耦接至所述分压电路并输出所述输出电压的第二端；以及

电流反馈电路，包括输入控制端和电流输出端，所述输入控制端接收所述输出电压，所述电流输出端耦接所述误差放大器的第一输入端，其中所述电流反馈电路响应于所述输出电压的变化产生反馈电流至所述误差放大器的第一输入端。

2.根据权利要求1所述的低压差线性稳压器，其特征在于，所述电流反馈电路包括第一电流镜电路、第二电流镜电路、第一电容器和第二电容器，

其中，所述第一电流镜电路的控制端通过所述第一电容器耦接至所述电流反馈电路的输入控制端，所述第二电流镜电路的控制端通过所述第二电容器耦接至所述电流反馈电路的输入控制端，

所述第一电流镜电路的输出端和所述第二电流镜电路的输出端共同连接至所述电流反馈电路的电流输出端。

3.根据权利要求2所述的低压差线性稳压器，其特征在于，所述第一电流镜电路包括第一晶体管、第二晶体管和第一电流源，

所述第一晶体管和所述第二晶体管的栅极相连接作为所述第一电流镜电路的控制端，

所述第一晶体管和所述第二晶体管的漏极共同连接第一固定电压，

所述第一晶体管的源极作为所述第一电流镜电路的的输出端，所述第二晶体管的源极通过所述第一电流源连接至第二固定电压，并且所述第二晶体管的源极和栅极接通。

4.根据权利要求3所述的低压差线性稳压器，其特征在于，所述第一晶体管和所述第二晶体管为P MOS晶体管。

5.根据权利要求2所述的低压差线性稳压器，其特征在于，所述第二电流镜电路包括第三晶体管、第四晶体管和第二电流源，

所述第三晶体管和所述第四晶体管的栅极相连接作为所述第二电流镜电路的控制端，

所述第三晶体管和所述第四晶体管的源极共同连接第二固定电压，

所述第三晶体管的漏极作为所述第二电流镜电路的的输出端，所述第四晶体管的漏极通过所述第二电流源连接至第一固定电压，并且所述第四晶体管的源极和漏极接通。

6.根据权利要求5所述的低压差线性稳压器，其特征在于，所述第三晶体管和所述第四晶体管为NMOS晶体管。

7.根据权利要求1所述的低压差线性稳压器，其特征在于，所述低压差线性稳压器还包括电压跟随器，所述电压跟随器的输出端耦接所述误差放大器的第一输入端，所述电压跟随器的输入电压与所述低压差线性稳压器处于稳定状态时的反馈电压相等。

8.根据权利要求1所述的低压差线性稳压器，其特征在于，所述低压差线性稳压器还包括耦接于所述误差放大器的输出端与所述输出晶体管的第一端之间的缓冲器。

9.根据权利要求1所述的低压差线性稳压器，其特征在于，所述误差放大器的正相输入端接收所述参考电压，所述误差放大器的反相输入端接收所述反馈电压。

10.根据权利要求1所述的低压差线性稳压器，其特征在于，所述输出晶体管为NMOS晶体管，其第一端为所述NMOS晶体管的栅极，第二端为所述NMOS晶体管的源极，第三端为所述NMOS晶体管的漏极；或者

所述输出晶体管为NPN型三极管，其第一端为所述NPN型三极管的基极，第二端为所述NPN型三极管的发射极，第三端为所述NPN型三极管的集电极。