CN117093047A - 加速稳压电路、低压差线性稳压器及电子产品 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种加速稳压电路、低压差线性稳压器及电子产品，包括：微电流源，为充放电模块提供充放电电流；充放电模块，基于第一比较结果控制充放电，使得第一电容上的中间电压跟随输出电压；第一电容，将充放电模块的输出电流转换为电压信号；比较模块，比较中间电压与输出电压得到第一比较结果；电压调整模块，基于第一比较结果调整输出电压的大小；其中，中间电压的变化频率小于输出电压的变化频率。本发明通过输出电压与中间电压的比较结果控制中间电压的充放电，使中间电压跟随输出电压，同时基于两者的差值加速输出电压的稳定，适用于高速数字电路；处于动态平衡状态，反应速度更快；采用动态充放电控制方式，控制电路设计更简单。

Description

加速稳压电路、低压差线性稳压器及电子产品

技术领域

本发明集成电路设计领域，特别是涉及一种加速稳压电路、低压差线性稳压器及电子产品。

背景技术

电路中各种电压(尤其是电源电压)的稳定性对于电路的影响非常大，稳定的电压能够减少对电路的干扰，优化电路性能。以电源电压为例，目前基于CMOS的各个模块供电电源基本上由低压差线性稳压器(Low Dropout Regulator，LDO)提供，具有面积小、功耗低、稳定性好等优点。如图1所示，低压差线性稳压器1的基本架构由基准电压VREF、误差放大器11、功率管Q、反馈电路(R1、R2)以及负载组成，误差放大器11将基准电压VREF与反馈电路的反馈电压进行比较，基于比较结果调整功率管Q，进而实现对输出电压VLDO的调整，以使得所述输出电压VLDO稳定于所述基准电压VREF。负载恒定时，低压差线性稳压器的电压稳定性很好；当负载电流变化较大时(例如，负载电流从100uA变化到50mA)，由于其反馈电路响应慢，稳定时间较长，从几十纳秒到几十微秒不等，因此，无法适应高速数字电路研发需求。

如何加速电压稳定以适应高速数字电路，已成为本领域技术人员亟待解决的问题之一。

应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本申请的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本申请的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种加速稳压电路、低压差线性稳压器及电子产品，用于解决现有技术中电压稳定时间长，不适用于高速数字电路等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种加速稳压电路，所述加速稳压电路至少包括：

微电流源、充放电模块、第一电容、比较模块及电压调整模块；

所述微电流源连接所述充放电模块，为所述充放电模块提供充电电流及放电电流；

所述充放电模块连接于所述比较模块的输出端，基于所述比较模块输出的第一比较结果控制充放电，以使得所述第一电容上的中间电压跟随输出电压；

所述第一电容的上极板连接所述充放电模块的输出端，下极板接地，用于将所述充放电模块的输出电流转换为电压信号；

所述比较模块连接于所述充放电模块的输出端，将所述中间电压与所述输出电压进行比较，以得到所述第一比较结果；

所述电压调整模块的第一端接收输入电压，第二端连接输出所述输出电压，基于所述第一比较结果调整所述输出电压的大小，以稳定所述输出电压；

其中，所述中间电压的变化频率小于所述输出电压的变化频率。

可选地，所述充放电模块包括充电开关管及放电开关管；所述充电开关管的一端接收所述充电电流，另一端连接所述第一电容的上极板，控制端受控于所述第一比较结果；所述放电开关管的一端连接所述放电电流，另一端连接所述第一电容的上极板，控制端受控于所述第一比较结果；所述充电开关管与所述放电开关管互补导通。

可选地，所述电压调整模块包括功率开关管。

更可选地，所述功率开关管为PMOS管或NMOS管。

可选地，所述加速稳压电路还包括第二电容；所述第二电容的上极板连接所述电压调整模块的第二端，下极板接地。

更可选地，所述比较模块采用比较器、灵敏放大器或运算放大器实现。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明还提供一种低压差线性稳压器，所述低压差线性稳压器至少包括：

比较电路及上述加速稳压电路；

所述比较电路将输出电压与基准电压进行比较，并输出第二比较结果；

所述加速稳压电路接收所述第二比较结果，基于所述第二比较结果调节所述加速稳压电路的充电电流、放电电流、充电时长或放电时长，以得到快速稳定的输出电压；其中，所述输出电压跟随所述基准电压。

可选地，所述比较电路采用比较器、灵敏放大器或运算放大器实现。

可选地，所述低压差线性稳压器还包括带隙基准电路，所述带隙基准电路提供所述基准电压。

可选地，所述第二比较结果作用于所述微电流源的控制端，用于调节所述充电电流或所述放电电流；和/或所述第二比较结果作用于所述充放电模块的控制端，用于调节所述充电时长或所述放电时长，所述第二比较结果的优先级高于所述第一比较结果。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明还提供一种电子产品，所述电子产品至少包括上述加速稳压电路。

如上所述，本发明的加速稳压电路、低压差线性稳压器及电子产品，具有以下有益效果：

1、本发明的加速稳压电路、低压差线性稳压器及电子产品通过输出电压与中间电压的比较结果控制中间电压的充放电，使中间电压跟随输出电压，同时基于两者的差值加速输出电压的稳定，适用于高速数字电路。

2、本发明的加速稳压电路、低压差线性稳压器及电子产品处于动态平衡状态，反应速度比固定电压值比较的方式更快。

3、本发明的加速稳压电路、低压差线性稳压器及电子产品采用动态充放电控制方式，控制电路设计更简单。

附图说明

图1显示为现有技术中低压差线性稳压器的结构示意图。

图2显示为本发明的加速稳压电路的结构示意图。

图3显示为本发明的加速稳压电路的具体结构示意图。

图4显示为本发明的中间电压的波形示意图。

图5显示为本发明的输出电压的波形示意图。

图6显示为本发明的输出电流的波形示意图。

图7显示为本发明的第一比较结果的波形示意图。

图8显示为本发明的低压差线性稳压器的结构示意图。

元件标号说明

1 低压差线性稳压器

11 误差放大器

2 加速稳压电路

21 微电流源

22 充放电模块

23 比较模块

231 比较器

232 第一反相器

233 第二反相器

24 电压调整模块

3 比较电路

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图2～图8。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

如图2所示，本发明提供一种加速稳压电路2，所述加速稳压电路2包括：

微电流源21、充放电模块22、第一电容C1、比较模块23及电压调整模块24。

如图2所示，所述微电流源21连接所述充放电模块22，为所述充放电模块22提供充电电流及放电电流。

具体地，如图3所示，在本实施例中，所述微电流源21包括第一电流源I1及第二电流源I2，所述第一电流源I1为所述充放电模块22提供充电电流，所述第二电流源I2为所述充放电模块22提供放电电流。在本示例中，所述充电电流设置为1μA～40μA，所述放电电流设置为1μA～40μA，例如5μA、7μA、10μA、13μA、18μA、20μA、25μA、30μA、35μA，且在本示例中所述充电电流等于所述放电电流；在实际使用中可根据需要分别设定所述充电电流和所述放电电流的值，不以本实施例为限。

如图2所示，所述充放电模块22连接于所述比较模块23的输出端，基于所述比较模块23输出的第一比较结果控制充放电，以使得所述第一电容C1上的中间电压跟随输出电压Vout。

具体地，如图3所示，在本实施例中，所述充放电模块22包括充电开关管M1及放电开关管M2。所述充电开关管M1的一端接收所述充电电流，另一端连接所述第一电容C1的上极板，控制端受控于所述第一比较结果fbc。所述放电开关管M2的一端连接所述放电电流，另一端连接所述第一电容C1的上极板，控制端受控于所述第一比较结果fbc。其中，所述充电开关管M1与所述放电开关管M2互补导通。作为示例，所述充电开关管M1采用PMOS实现，所述放电开关管M2采用NMOS管实现，所述充电开关管M1及所述放电开关管M2的控制端均连接所述第一比较结果fbc；在实际使用中，所述充电开关管M1及所述放电开关管M2可采用相同类型的开关管，此时，所述充电开关管M1与所述放电开关管M2的控制信号反相，也就是说，所述充电开关管M1及所述放电开关管M2受控于所述第一比较结果fbc，但控制端的信号并不一定是所述第一比较结果fbc，可能是所述第一比较结果fbc的反信号或经过缓冲后的所述第一比较结果fbc，根据控制逻辑做适应性调整，在此不一一赘述。此外，任意能实现开关功能的器件(包括但不限于MOS管、IGBT)均适用于本发明，不以本实施例为限。

如图2所示，所述第一电容C1的上极板连接所述充放电模块22的输出端，下极板接地，用于将所述充放电模块22的输出电流转换为电压信号。

具体地，在本实施例中，所述第一电容C1的容值设定为10PF～30PF，例如15PF、20PF、25PF。所述第一电容C1的容值与所述微电流源21提供的充电电流和放电电流的大小相关，能实现大电容小电流，进而使得所述第一电容C1的中间电压Vcp的变化频率小于所述输出电压Vout的变化频率即可，不以本实施例列举的数值为限。

如图2所示，所述比较模块23连接于所述充放电模块22的输出端，将所述中间电压Vcp与所述输出电压Vout进行比较，以得到所述第一比较结果fbc。

具体地，如图3所示，在本实施例中，所述比较模块23包括比较器231、第一反相器232及第二反相器233；所述比较器231的反相输入端连接所述充放电模块22的输出端，正相输入端连接所述输出电压Vout；所述第一反相器232的输入端连接所述比较器231的输出端，输出所述第一比较结果fbc；所述第二反相器233的输入端连接所述第一反相器232的输出端，输出所述第一比较结果fbc的反相信号。当所述中间电压Vcp小于所述输出电压Vout时，所述第一比较结果fbc(在本示例中为低电平)控制所述充放电模块22充电，以抬高所述中间电压Vcp；当所述中间电压Vcp大于所述输出电压Vout时，所述第一比较结果fbc(在本示例中为高电平)控制所述充放电模块22放电，以降低所述中间电压Vcp。所述比较模块23的具体电路结构以及所述比较模块23的输出信号与所述第一比较结果fbc的关系可根据实际电路需要进行设定，不以本实施例为限，能实现本发明的逻辑关系即可。

需要说明的是，所述比较模块23还可采用灵敏放大器或运算放大器获得比较结果，此时的比较结果并不只表示大小关系，还包含差值信息，具体电路结构在此不一一赘述。

如图2所示，所述电压调整模块24的第一端接收输入电压Vin，第二端连接输出所述输出电压Vout，基于所述第一比较结果fbc调整所述输出电压Vout的大小，以稳定所述输出电压Vout。

具体地，如图3所示，在本实施例中，所述电压调整模块24包括功率开关管M3，所述功率开关管M3的一端连接所述输入电压Vin，另一端输出所述输出电压Vout，控制端连接所述比较模块23。当所述中间电压Vcp小于所述输出电压Vout时，所述第一比较结果fbc(在本示例中为低电平)控制所述电压调整模块24减小所述输出电压Vout；当所述中间电压Vcp大于所述输出电压Vout时，所述第一比较结果fbc(在本示例中为高电平)控制所述电压调整模块24增大所述输出电压Vout。在本实施例中，所述功率开关管M3为PMOS管，所述功率开关管M3的控制信号为所述第一比较结果fbc的反相信号；在实际使用中，所述功率开关管M3也可配置为NMOS管，此时所述功率开关管M3的控制信号(及所述比较模块23的结构)适应性调整，在此不一一赘述。

需要说明的是，任意能实现电压调节的功率器件(包括但不限于MOS管、IGBT)均适用于本发明，不以本实施例为限。

如图2及图3所示，所述加速稳压电路2还包括第二电容C2；所述第二电容C2的上极板连接所述电压调整模块24的第二端，下极板接地。在本实施例中，所述第二电容C2的容值设定为450PF～550PF，例如480PF、500PF、530PF。

如图2及图3所示，所述加速稳压电路2的工作原理如下：

所述加速稳压电路2启动时，采用微小的充电电流对所述第一电容C1充电，并在所述第一电容C1上产生所述中间电压Vcp，所述中间电压Vcp与所述输出电压Vout比较得到所述第一比较结果fbc；当所述中间电压Vcp小于所述输出电压Vout时，对所述第一电容C1充电；当所述中间电压Vcp大于所述输出电压Vout时，对所述第一电容C1放电，以使得所述中间电压Vcp处于一个动态平衡点，跟随所述输出电压Vout。

所述加速稳压电路2启动后，正常工作状态下，从所述中间电压Vcp到所述第一比较结果fbc，再到所述中间电压Vcp形成动态稳定***，所述中间电压Vcp跟随所述输出电压Vout，具体工作过程参见上文，在此不一一赘述。若输出端瞬时电流过大，造成所述输出电压Vout过低，则，基于所述第一比较结果fbc控制所述电压调整模块24提高输出能力，进而增大所述输出电压Vout，直至所述输出电压Vout高于所述中间电压Vcp时关闭所述电压调整模块24，使所述输出电压Vout快速稳定；本发明可有效解决瞬时电流过大造成的输出电压无法稳定或者输出电压过低等情况。此外，由于所述比较模块23对所述电压调整模块24的控制，还可能会造成输出电压Vout高于中间电压Vcp，若所述输出电压Vout过高，则，基于所述第一比较结果fbc控制所述电压调整模块24减少所述输出电压Vout的充电时间，使所述输出电压Vout下降，同时，升高所述中间电压Vcp，使所述输出电压Vout处于动态平衡。

如图4～图7所示，当输出电流Iout稳定(在本示例中，所述输出电流Iout设定为1mA)时，所述第一比较结果fbc以一定频率跳变，循环对所述第一电容C1充放电，以维持所述中间电压Vcp和所述输出电压的动态平衡，所述中间电压Vcp及所述输出电压Vout电流Iout均稳定在预设值。如图6所示，当输出电流Iout(即负载电流)从1mA变化到60mA时，由于所述第一比较结果fbc控制所述功率开关管M3打开，因此，所述输出电压Vout仅仅降低20mV，如图5所示；如图6所示，所述输出电流Iout结束后(所述输出电流Iout从60mA下降至1mA)，在SS工艺角下所述输出电压Vout仅仅3.2ns(在ff工艺角下一般小于1ns，作为示例，仅需800ps)就回复到正常状态，如图5所示；在此过程中，如图4所示，所述中间电压Vcp跟随所述输出电压Vout缓慢变化(所述中间电压Vcp可以维持在所述输出电压Vout附近1mv范围内高低变化)，如图7所示，所述第一比较结果fbc维持高电平以持续打开所述功率开关管M3，进而增加驱动。如图7所示，当所述输出电流Iout恢复到1mA时，为了防止所述输出电压Vout过充，需要短暂关闭所述功率开关管M3，随后所述第一比较结果fbc以新的频率跳变，循环对所述第一电容C1充放电，维持所述中间电压Vcp和所述输出电压的动态平衡。

相较于采用电阻分压实现反馈的方式，本发明的加速稳压电路2直接通过比较结果控制功率开关管调整输出电压，且中间电压的变化频率小于输出电压的变化频率，因此可大大加快响应速度。而且，本发明的加速稳压电路2采用动态充放电控制方式，控制电路设计更简单。此外，本发明对工艺不匹配不敏感，由于动态调整电路的存在，会自动将所述中间电压翻转到电平附近。

如图8所示，本发明还提供一种低压差线性稳压器，所述低压差线性稳压器包括：

所述加速稳压电路2及比较电路3。

如图8所示，所述比较电路3将所述输出电压Vout与基准电压VREF进行比较，并输出第二比较结果。

具体地，所述比较电路3可采用比较器、灵敏放大器或运算放大器实现，在此不一一赘述。

如图8所示，所述加速稳压电路2接收所述第二比较结果，基于所述第二比较结果调节所述加速稳压电路2的充电电流、放电电流、充电时长或放电时长，以得到快速稳定的输出电压Vout；其中，所述输出电压Vout跟随所述基准电压VREF。

具体地，所述加速稳压电路2基于所述第二比较结果确定所述输出电压Vout稳定时的电压值。作为一示例，所述第二比较结果作用于所述微电流源21的控制端，用于调节所述充电电流或所述放电电流；假设所述输出电压Vout小于预设电压值，则基于所述第二比较结果增大所述充电电流(或减小所述放电电流)，以将所述中间电压Vcp抬高，此时所述输出电压Vout相当于降低了，再基于所述加速稳压电路2的控制增大所述输出电压Vout，直至所述输出电压Vout接近所述基准电压VREF，将所述充电电流(或所述放电电流)恢复至原始值，实现对所述输出电压Vout的电压值的设定；所述输出电压Vout大于预设电压值时的逻辑相反，在此不一一赘述。作为另一示例，所述第二比较结果作用于所述充放电模块22的控制端，用于调节所述充电时长或所述放电时长，此时，所述第二比较结果的优先级高于所述第一比较结果；假设所述输出电压Vout小于预设电压值，则基于所述第二比较结果增大充电时间(或减小放电时间)，同样抬高所述中间电压Vcp，进而使所述输出电压Vout跟随所述基准电压VREF；所述输出电压Vout大于预设电压值时的逻辑相反，在此不一一赘述。

作为本发明的另一种实现方式，所述低压差线性稳压器还包括带隙基准电路(图中未显示)，所述带隙基准电路提供所述基准电压VREF，所述基准电压VREF的值根据实际需要的输出电压设定。

需要说明的是，在本实施例中，所述加速稳压电路2应用于低压差线性稳压器中，基于输出电压与基准电压的差值控制中间电压，实现对输出电压的设定；再通过输出电压与中间电压的比较结果控制中间电压的充放电，使中间电压跟随输出电压，同时基于两者的差值加速输出电压的稳定；以此得到稳定速度快的电源，适用于高速数字电路。在实际使用中，所述加速稳压电路2可应用于任意需要快速稳点电压的电路中，不以本实施例为限。

本发明还提供一种电子产品，所述电子产品至少包括所述加速稳压电路2，用于获得稳定高效的性能。

综上所述，本发明提供一种加速稳压电路、低压差线性稳压器及电子产品，包括：微电流源、充放电模块、第一电容、比较模块及电压调整模块；所述微电流源连接所述充放电模块，为所述充放电模块提供充电电流及放电电流；所述充放电模块连接于所述比较模块的输出端，基于所述比较模块输出的第一比较结果控制充放电，以使得所述第一电容上的中间电压跟随输出电压；所述第一电容的上极板连接所述充放电模块的输出端，下极板接地，用于将所述充放电模块的输出电流转换为电压信号；所述比较模块连接于所述充放电模块的输出端，将所述中间电压与所述输出电压进行比较，以得到所述第一比较结果；所述电压调整模块的第一端接收输入电压，第二端连接输出所述输出电压，基于所述第一比较结果调整所述输出电压的大小，以稳定所述输出电压；其中，所述中间电压的变化频率小于所述输出电压的变化频率。本发明通过输出电压与中间电压的比较结果控制中间电压的充放电，使中间电压跟随输出电压，同时基于两者的差值加速输出电压的稳定；以此得到稳定速度快的电源，适用于高速数字电路。本发明处于动态平衡状态，反应速度比固定电压值比较的方式更快。本发明采用动态充放电控制方式，控制电路设计更简单。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (11)

1.一种加速稳压电路，其特征在于，所述加速稳压电路至少包括：

微电流源、充放电模块、第一电容、比较模块及电压调整模块；

所述微电流源连接所述充放电模块，为所述充放电模块提供充电电流及放电电流；

所述充放电模块连接于所述比较模块的输出端，基于所述比较模块输出的第一比较结果控制充放电，以使得所述第一电容上的中间电压跟随输出电压；

所述第一电容的上极板连接所述充放电模块的输出端，下极板接地，用于将所述充放电模块的输出电流转换为电压信号；

所述比较模块连接于所述充放电模块的输出端，将所述中间电压与所述输出电压进行比较，以得到所述第一比较结果；

所述电压调整模块的第一端接收输入电压，第二端连接输出所述输出电压，基于所述第一比较结果调整所述输出电压的大小，以稳定所述输出电压；

其中，所述中间电压的变化频率小于所述输出电压的变化频率。

2.根据权利要求1所述的加速稳压电路，其特征在于：所述充放电模块包括充电开关管及放电开关管；所述充电开关管的一端接收所述充电电流，另一端连接所述第一电容的上极板，控制端受控于所述第一比较结果；所述放电开关管的一端连接所述放电电流，另一端连接所述第一电容的上极板，控制端受控于所述第一比较结果；所述充电开关管与所述放电开关管互补导通。

3.根据权利要求1所述的加速稳压电路，其特征在于：所述电压调整模块包括功率开关管。

4.根据权利要求3所述的加速稳压电路，其特征在于：所述功率开关管为PMOS管或NMOS管。

5.根据权利要求1所述的加速稳压电路，其特征在于：所述加速稳压电路还包括第二电容；

所述第二电容的上极板连接所述电压调整模块的第二端，下极板接地。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的加速稳压电路，其特征在于：所述比较模块采用比较器、灵敏放大器或运算放大器实现。

7.一种低压差线性稳压器，其特征在于，所述低压差线性稳压器至少包括：

比较电路及如权利要求1-6任意一项所述的加速稳压电路；

所述比较电路将输出电压与基准电压进行比较，并输出第二比较结果；

所述加速稳压电路接收所述第二比较结果，基于所述第二比较结果调节所述加速稳压电路的充电电流、放电电流、充电时长或放电时长，以得到快速稳定的输出电压；其中，所述输出电压跟随所述基准电压。

8.根据权利要求7所述的低压差线性稳压器，其特征在于：所述比较电路采用比较器、灵敏放大器或运算放大器实现。

9.根据权利要求7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带隙基准电路，所述带隙基准电路提供所述基准电压。

10.根据权利要求7所述的低压差线性稳压器，其特征在于：所述第二比较结果作用于所述微电流源的控制端，用于调节所述充电电流或所述放电电流；和/或所述第二比较结果作用于所述充放电模块的控制端，用于调节所述充电时长或所述放电时长，所述第二比较结果的优先级高于所述第一比较结果。

11.一种电子产品，其特征在于，所述电子产品至少包括如权利要求1-6任意一项所述的加速稳压电路。