CN113655837A - 快速瞬态响应的线性稳压器 - Google Patents

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马迎
岑远军
刘中伟
冯浪
李永凯
张得力
岳平
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    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F1/00—Automatic systems in which deviations of an electric quantity from one or more predetermined values are detected at the output of the system and fed back to a device within the system to restore the detected quantity to its predetermined value or values, i.e. retroactive systems
    • G05F1/10—Regulating voltage or current
    • G05F1/46—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc
    • G05F1/56—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in series with the load as final control devices
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Abstract

快速瞬态响应的线性稳压器，涉及集成电路技术。本发明包括误差放大器、驱动电路、功率管，功率管的电流输出端连接稳压器的输出端，其特征在于，所述功率管为PNP三极管，功率管的基极和驱动电路的输出端连接，集电极作为电流输出端，功率管的基极与反馈三极管的基极连接，所述反馈三极管为PNP管，其发射极与功率管的集电极连接，反馈三极管的发射极还通过一个电容连接集电极，集电极通过电阻接地。本发明的线性稳压器在负载变化量为重载大电流值时，具有优异的瞬态响应特性。

Description

快速瞬态响应的线性稳压器
技术领域
本发明涉及集成电路技术。
背景技术
具有快速瞬态响应功能的线性稳压器在电源管理应用中属于非常重要的一 个组成部分，主要应用在移动电源、数字信号处理DSP、射频RF、模数转换ADC、 蓝牙、接口芯片等环境中。其具有体积小，成本低，噪声低，应用方便等优点， 因此得到广泛的应用。
在实际应用环境中，线性稳压器可以作为数字芯片的电源。数字芯片在工作 期间，呈现开启与关闭状态相互转换，因此就会导致数字芯片的电源电压瞬间地 下降和上升。如果数字芯片的电源电压不能及时恢复到目标电压(即线性稳压器 的响应时间过长和过冲电压波动大)，那么就会造成数字芯片无法正常工作，产 生错误数字逻辑输出结果，造成严重后果。这就要求线性稳压器具有快速瞬态响 应功能，使响应时间更短、过冲电压越小，这就为数字芯片正常工作，提高了其 可靠性。
参见图1，为了线性稳压器具有快速瞬态响应功能，常见的技术方法就是在 输出端OUT1与驱动电路的输入端连接反馈电容C1，避开主环路(即避开误差放 大器电路)。在负载发生变化时，输出电压OUT1的变化量可以迅速地通过C1反 馈到驱动电路的输入端，之后驱动电路再控制功率管PMOS1，这就形成了快速 负反馈环路，使芯片具有快速瞬态响应功能。但是，当线性稳压器的负载变化量 为5A电流甚至更大负载电流时，必然会增大响应时间和过冲电压。
因此，为了避免上述问题，需要在传统常见的技术基础上，从整体电路结构 上进行优化，设计出使快速瞬态响应功能更加优异的线性稳压器。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种快速瞬态响应的线性稳压器，能够 有效地提高瞬态响应特性，解决负载电流变化量在重载5A及其以上时，响应时 间过长和过冲电压过大的缺点。
本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，快速瞬态响应的线性稳压器， 包括误差放大器、驱动电路、功率管，功率管的电流输出端连接稳压器的输出端， 其特征在于，所述功率管为PNP三极管，功率管的基极和驱动电路的输出端连 接，集电极作为电流输出端，功率管的基极与反馈三极管的基极连接，所述反馈 三极管为PNP管，其发射极与功率管的集电极连接，反馈三极管的发射极还通 过一个电容连接集电极，集电极通过电阻接地。
本发明的线性稳压器在负载变化量为重载大电流值时，具有优异的瞬态响应 特性。在实际应用过程中，本发明的线性稳压器可以为DSP等大电流负载提供稳 定的电源电压，提高了***的可靠性和稳定性。
附图说明
图1为线性稳压器具有瞬态响应功能的常见技术方法示意图。
图2为过冲电压和恢复时间示意图。
图3为本发明技术方法示意图。
图4为仿真结果波形图。
图5为产品实测结果波形图。
具体实施方案
参见图3，本发明的内容是在主环路基础上，设计了反馈电路(PNP2、C2、 RF3)。主环路包括反馈电阻RF2、RF22、误差放大器、驱动电路、功率管PNP2。 当负载电流发生变化时，输出端OUT2上的电压变化量避开主环路和驱动电路， 其通过反馈电路(PNP2、C2、RF3)直接控制功率管PNP2的基极，形成了环路 负反馈。
参见图2～图5，图2示出了影响瞬态响应的主要参数。瞬态响应的定义为当 负载电流阶跃突变时，输出电压的最大允许变化量。
当输出负载阶跃变化时，线性稳压器会产生上冲和下冲，该上冲和下冲一方 面可以代表负载瞬态响应的速度，同时直接影响输出电压的精度。当输出电流从 0突变到最大输出电流Ioutmax，那么最大过冲电压Vdip。
Figure BDA0003176834610000021
Figure BDA0003176834610000022
过冲电压与输出电流Ioutmax、寄生电阻ESR上的电压、寄生电感ESL上的电压 成正比，输出电容Cout成反比。在电路中，功率管栅极的寄生电容值很大，直 接影响到响应时间t1。所以，响应时间t1与闭环带宽BW、功率管栅极的驱动电 流ISR成反比，与功率管栅极的寄生电容Cpar、功率管栅极电位改变量△VG成正比。
为了提高瞬态响应速度，如图1，常见的技术方法是设计驱动电路，同时在 驱动电路输入端与线性稳压器输出端OUT1连接一个反馈电容，通过检测线性稳 压器输出电压OUT1变化，将检测信号反馈到驱动电路，驱动电路快速地对调整 管的栅极进行充电和放电，进而改善了调整管输出状态，提高瞬态响应速度。此 反馈信号没有经过误差放大器，因此缩短了响应时间。
图3是本发明的示意图。
本发明的特点在于反馈回路(由反馈三极管PNP23、反馈电阻RF3、反馈电 容C2组成)，功率管PNP2采用PNP管，线性稳压器输出端OUT2连接反馈三极 管PNP23的发射极，反馈三极管PNP23的基极连接功率管PNP2的基极。
反馈三极管PNP23的主要作用是减少功率管基极电位改变量△VG。
反馈电容C2的主要作用是减少线性稳压器输出端OUT2上的噪声，避免噪 声对功率管PNP2基极电压的负面影响。
当负载电流由0A突然间变为5A时，线性稳压器输出端OUT2电压值下降， 下降值通过反馈三极管PNP23的BE结，使功率管PNP2基极上的电压下降，最 终使线性稳压器输出端OUT2电压上升。因此，形成环路负反馈，并且避开了由 误差放大器组成的环路，提高了瞬态响应功能。反之，当负载电流由5A变为0A 时，工作原理亦然。
图4示出了仿真结果波形(软件界面截图)。
仿真条件是电源电压Vin＝4.3V，输出电压是3.3V。当负载电流由0A，突然 间变为5A时，通过仿真可知过冲电压Vdip是51mV左右，恢复时间在15us左 右。
图5是整体版图及器件PNP23、RF3、C2位置。
图5是产品实测结果波形。利用示波器测试采用本发明技术的芯片，可知过 冲电压Vdip是50mV左右，恢复时间在20us左右。

Claims (1)

1.快速瞬态响应的线性稳压器，包括误差放大器、驱动电路、功率管，功率管的电流输出端连接稳压器的输出端，其特征在于，所述功率管为PNP三极管，功率管的基极和驱动电路的输出端连接，集电极作为电流输出端，功率管的基极与反馈三极管的基极连接，所述反馈三极管为PNP管，其发射极与功率管的集电极连接，反馈三极管的发射极还通过一个电容连接集电极，集电极通过电阻接地。
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