CN118034449A - 一种栅压动态调节的低功耗低压差线性稳压器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种栅压动态调节的低功耗低压差线性稳压器，涉及稳压器技术领域，稳压器包括：输入电压源、低压带隙基准电路、电压差‑时间转换电路、电荷泵电路、电阻反馈网络电路、电容反馈电路、功率调整电路和输出电路。本发明将原有LDO中的误差放大模块设计成动态放大的电压差‑时间转换电路以及给功率管M_P栅极充放电的电荷泵电路，并在功率管M_P栅漏端引入直接输出反馈的耦合电容C_C，前者实现由时钟控制的动态主要调节环路，后者实现输出的即时调节，两者效果叠加，达到了良好的调整性能，解决了现有低压差线性稳压器良好负载瞬态响应和低功耗目标难以实现的问题。

Description

一种栅压动态调节的低功耗低压差线性稳压器

技术领域

本发明涉及稳压器技术领域，具体地，涉及一种栅压动态调节的低功耗低压差线性稳压器。

背景技术

低压差线性稳压器(Low Drop-out Regulator，LDO)因为良好的调节性能、小尺寸等特点广泛应用于便携式电子设备、可穿戴应用及片上系统(SOC)等领域；典型的低压差线性稳压器为实现良好的负载瞬态响应，通常会使用几μF范围内的大输出电容，以减轻负载急剧变化时的输出波动，然而大的输出电容，削弱了建立瞬态响应，需要更大的静态电流来进行缓解。同时其若是用于片上系统(SOC)，则需要增加一个PAD(引脚焊盘)和一个分立电容元件，造成芯片面积的较大牺牲，不利于系统的集成。

为了克服上述问题，现有技术已经提出了无输出电容的低压差线性稳压器，但良好的负载瞬态响应及低功耗目标仍难以实现，并且往往伴随着更加复杂的设计技术，如需要复杂的频率补偿技术来保证环路的稳定性等。

故，亟需一种可实现良好的负载瞬态响应性能以及低功耗，而无需大的输出电容甚至无输出电容的低压差线性稳压器。

发明内容

为解决现有低压差线性稳压器良好负载瞬态响应和低功耗目标难以实现的问题，本发明提供了一种栅压动态调节的低功耗低压差线性稳压器。

本发明目的，是通过以下技术方案来实现的：

一种栅压动态调节的低功耗低压差线性稳压器包括：输入电压源V_IN、低压带隙基准电路、电压差-时间转换电路、电荷泵电路、电阻反馈网络电路、电容反馈电路、功率调整电路和输出电路；

所述输入电压源V_IN与所述低压带隙基准电路输入端、所述电荷泵电路和所述功率调整电路连接，所述低压带隙基准电路输出端与所述电压差-时间转换电路输入端连接，所述电压差-时间转换电路输出端与所述电荷泵电路输入端连接，所述电荷泵电路输出端通过所述功率调整电路与所述电阻反馈网络电路连接，所述电容反馈电路两端分别与所述电荷泵电路和所述功率调整电路连接，所述电阻反馈网络电路与所述电压差-时间转换电路反馈连接，所述输出电路与所述功率调整电路连接；

所述电压差-时间转换电路用于基于所述带隙基准电路提供的参考电压V_REF和所述电阻反馈网络电路提供的反馈电压V_FB，产生数字脉冲信号，所述数字脉冲信号用于控制所述电荷泵电路对所述功率调整电路进行充放电；所述输出电路用于输出电压V_OUT，所述电容反馈电路用于减少所述功率调整电路对所述输出电压V_OUT调节的时间。

本方案首先通过输入电压源和带隙基准电路来提供参考电压V_REF，再通过电阻反馈网络电路提供来提供反馈电压V_FB，电压差-时间转换电路再基于参考电压和反馈电压差值的极性，产生数字脉冲信号并同时对差值信号进行动态放大，而数字脉冲信号则去控制电荷泵电路对功率调整电路中功率管M_P的栅极进行充放电，达到稳定输出电压的目的，而电容反馈电路中电容C_C连接于功率管M_P的栅漏端，输出电压的瞬间快速变化会被C_C即时反馈到功率管M_P栅极，继而通过功率管M_P实现对输出电压的调节，另外由于此时功率管栅极没有其他充放电通路，电容C_C的栅极补偿效果也会叠加在动态主环路调节中，实现更快的输出电压调节，电阻反馈网络电路再对调节后的输出电压进行采集，并将采集的电压反馈至电压差-时间转换电路的负向输入端，构成负反馈调节电路。

本方案改进点在于将原有LDO中的误差放大模块设计成动态放大的电压差-时间转换电路以及给功率管M_P栅极充放电的电荷泵电路，并在功率管M_P栅漏端引入直接输出反馈的耦合电容C_C，前者实现由时钟控制的动态主要调节环路，后者实现输出的即时调节，两者效果叠加，达到了良好的调整性能，解决了现有低压差线性稳压器良好负载瞬态响应和低功耗目标难以实现的问题。

本发明提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本发明公开一种栅压动态调节的低功耗低压差线性稳压器，通过一个动态放大的电压差-时间转换电路、控制充放电的电荷泵电路和直接输出反馈的电容反馈电路，实现了良好的负载瞬态响应性能以及低功耗，而无需大的输出电容甚至无输出电容。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本发明的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；

图1是本发明中稳压器结构示意图；

图2是本发明中稳压器具体电路示意图；

图3是本发明中稳压器的电压环路等效分析示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

实施例一

请参考图1和图2，图1为本发明中稳压器结构示意图，图2是本发明中稳压器具体电路示意图，该稳压器包括：

输入电压源V_IN、低压带隙基准电路、电压差-时间转换电路、电荷泵电路、电阻反馈网络电路、电容反馈电路、功率调整电路和输出电路；

所述输入电压源V_IN与所述低压带隙基准电路输入端、所述电荷泵电路和所述功率调整电路连接，所述低压带隙基准电路输出端与所述电压差-时间转换电路输入端连接，所述电压差-时间转换电路输出端与所述电荷泵电路输入端连接，所述电荷泵电路输出端通过所述功率调整电路与所述电阻反馈网络电路连接，所述电容反馈电路两端分别与所述电荷泵电路和所述功率调整电路连接，所述电阻反馈网络电路与所述电压差-时间转换电路反馈连接，所述输出电路与所述功率调整电路连接；

所述电压差-时间转换电路用于基于所述带隙基准电路提供的参考电压V_REF和所述电阻反馈网络电路提供的输出反馈电压V_FB，产生数字脉冲信号，所述数字脉冲信号用于控制所述电荷泵电路对所述功率调整电路进行充放电；所述输出电路用于输出电压V_OUT，所述电容反馈电路用于减少所述功率调整电路对所述输出电压V_OUT调节的时间。

其中，本发明发明点在于将现有LDO中的误差放大器模块设计成动态放大的电压差-时间转换电路以及给功率调整电路中功率管M_P栅极充放电的电荷泵电路，同时在功率管M_P栅漏端引入直接输出反馈的耦合电容，前者实现由时钟控制的动态主要调节环路，而后者实现输出的即时调节，两者效果叠加，达到了良好的调整性能。同时主要调节环路的开关数字特性也实现了低电压低静态电流的目标。

其中，本发明具体技术方案如下：首先低压带隙基准电路与晶体管D₄的栅极连接，为电路提供参考电压V_REF，带隙基准电路具有高精度、低温漂移、低电压噪声以及稳定性好等优点，可以提供稳定的参考电压。电阻R_F1和电阻R_F2负责采集输出电压信号V_OUT，并将采集的输出信号输入到晶体管D₃的栅极，此时信号为反馈电压V_FB，然后通过动态放大子电路对参考电压V_REF和反馈电压V_FB进行比较，并将差值进行放大，具体分析可参考实施例二，在此不再具体阐述，再通过脉冲发生子电路去控制电荷泵电路的关断，实现对功率管M_P栅极的充放电，来调整功率管的栅极电压产生相应的负载电流，达到稳定输出电压的目的，同时由于功率管M_P栅漏端连接有直接输出反馈耦合电容C_C的存在，输出电压的瞬间快速变化会被C_C即时反馈到功率管栅极，继而通过功率管M_P实现对输出电压更快调节，最后通过电阻反馈网络电路对调节后的输出电压V_OUT进行采样，并返回至晶体管D₃的栅极，起到负反馈调节的效果。当输出电压与输入电压相差较大的时候，稳压器输出信号变强，从而晶体管压降变小，输出电压电压变小，从而使输入电压与输出电压变得更加接近，提高电压转换效率。

其中，所述电压差-时间转换电路包括动态放大子电路和脉冲发生子电路，所述动态放大子电路由时钟信号源具体为CLK控制；

所述动态放大子电路包括：晶体管D₃的源极与晶体管D₄的源极均与晶体管D₅的漏极连接，所述晶体管D₃的栅极与所述反馈电压V_FB连接，所述晶体管D₄的栅极与所述参考电压V_REF连接，所述晶体管D₅的栅极与信号V_B连接，所述晶体管D₅的源极与晶体管D₆的漏极连接，所述晶体管D₆的源极接地，所述晶体管D₆的栅极与所述时钟信号源连接，所述晶体管D₃的漏极与晶体管D₁的漏极连接，输入电容C3的正端与所述晶体管D₁的源极连接，所述输入电容C3的负端与所述晶体管D₁的漏极连接，所述晶体管D₄的漏极与晶体管D₂的漏极连接，输入电容C2的正端与所述晶体管D₂的源极连接，所述输入电容C2的负端与所述晶体管D₂的漏极连接，所述晶体管D₁的栅极和所述晶体管D₂的栅极均与所述时钟信号源连接。

所述脉冲发生子电路包括：与非门电路T1的输出端用于输出信号TP，与门电路T2的输出端用于输出信号TN，非门电路S1的输入端与所述晶体管D3的漏极具体连接于V_M节点，非门电路S4的输入端与所述晶体管D4的漏极具体连接于V_R节点，所述非门电路S1的输出端与非门电路S2的输入端连接，所述非门电路S2的输出端分别与非门电路S3的输入端和所述与门电路T2的一个输入端连接，所述非门电路S3的输出端与所述与非门电路T1的一个输入端连接，所述非门电路S4的输出端与非门电路S5的输入端连接，所述非门电路S5的输出端分别与非门电路S6的输入端和所述与非门电路T1的另一个输入端连接，所述非门电路S6的输出端与所述与门电路T2的另一个输入端连接。

其中，对于输入电容C2和C3，亦可以设计成调节脉冲宽度的延时电容，本发明不做具体限定。D₆管为动态放大电路的尾电流管，能实现动态放大子电路的增益调控以及动态调节时的最大电流(ISS)限制，当CLK＝0时，晶体管D₂和D₁打开，V_M和V_R被充电至V_IN，此时D₅管关闭，动态放大子电路与后级电荷泵电路关断，电路处于低静态电流工作状态，当CLK＝1时，晶体管D₂和D₁关闭，D₅管开启，动态放大子电路处于运算求值阶段，V_M和V_R的放电根据V_REF-V_FB的极性决定，从而在脉冲发生子电路产生对应的脉冲。

对于TP信号而言，V_M信号经过三次非门变化后为非V_M信号，V_R信号经过两次非门变化后为V_R信号，然后非V_M信号与V_R信号再通过与非门电路T1变换一次，最终得到TP脉冲信号生成的逻辑表达式为同理也可得到TN脉冲信号生成的逻辑表达式为/>

低压差线性稳压器是要尽可能降低输出电压与输入电压之间的电压差，电压差越小，稳压器电压转换效率越高以及能量损耗就越小。如果V_REF-V_FB＞0，说明此时输入电压小于参考电压，V_R会迅速放电，TN信号输出端会产生一个高脉冲，而晶体管M_TN属于N型MOS管，N型MOS管在高电平下导通，因此会驱动晶体管M_TN工作，从而拉低功率管M_P栅极电压，来调节输出电压提升。同理，若V_REF-V_FB＜0，说明此时输入电压大于参考电压，V_M节点会迅速放电，TP信号输出端会产生一个低脉冲，而晶体管M_TP属于P型MOS管，P型MOS管在低电平下导通，因此会驱动晶体管M_TP工作，从而拉高功率管M_P栅极电压，来调节输出电压回落，其中脉冲宽度由公式T＝K_VDT·|V_REF-V_FB|得到，K_VDT为电压差-时间转换电路的动态增益。

所述电荷泵电路具体为晶体管M_TP和晶体管M_TN，所述电容反馈电路具体为反馈电容C_C，所述功率调整电路具体为功率管M_P，所述晶体管M_TP的栅极与所述与非门电路T1的输出端连接，所述晶体管M_TN的栅极与所述与门电路T2的输出端连接，所述晶体管M_TP的源极和所述功率管M_P的源极均与所述输入电压源V_IN连接，所述晶体管M_TP的漏极分别与所述晶体管M_TN的漏极和所述晶体管M_P的栅极连接，所述反馈电容C_C的正端与所述功率管M_P的栅极连接，所述反馈电容C_C的负端与所述晶体管M_P的漏极连接，所述晶体管M_TN的源极接地。

其中，电荷泵电路通过晶体管M_TP和晶体管M_TN的关断，实现对功率管M_P栅极的充电电，以调整功率管的栅极电压产生相应的负载电路I_LOAD，达到稳定输出电压的目的。同时由于功率管M_P栅漏端连接有直接输出反馈耦合电容C_C的存在，输出电压的瞬间快速变化会被C_C即时反馈到功率管栅极，继而通过功率管M_P实现对输出电压的调节，另外由于此时功率管栅极没有其他充放电通路，电容C_C的栅极补偿效果也会叠加在动态主环路调节中，实现更快的输出电压调节。

所述电阻反馈网络电路包括电阻R_F1和电阻R_F2，所述电阻R_F2一端与所述功率管M_P的漏极连接，所述电阻R_F2另一端与所述晶体管D₃的栅极和所述电阻R_F1一端连接，所述电阻R_F1另一端接地。

其中，电阻反馈网络电路是通过电阻R_F1和电阻R_F2对输出电压V_OUT进行采集，并将采集的电压信号V_FB输入到晶体管D₃的栅极，相当于构成负反馈调节电路。

所述稳压器还包括输出电容C_O，所述输出电容C_O的正端与所述功率管M_P的漏极连接，所述输出电容C_O的负端接地。

其中，输出电容C_O可用于电路中的普遍性分析，因此可根据实际需求，添加或者不使用该电容。

所述稳压器还包括电阻R_L，所述电阻R_L一端与所述输出电容C_O正端连接，所述电阻R_L另一端接地。

其中，电阻R_L与输出端连接，起到模拟输出负载的效果。

实施例二

请参考图3，图3为本发明中稳压器的电压环路等效分析示意图，基于该分析示意图，其稳定性分析如下：

因电压差-时间转换电路和电荷泵组合来调节功率管M_P栅极电位，采用诺顿等效后其等效跨导为gme，计算表达式为：

g_me＝K_VDT·I_CP·f_S (1)

其中，f_S为时钟频率，等效输出阻抗为电荷泵的输出阻抗R_CP，电压差-时间转换电路中动态放大器的尾电流为I_SS，电荷泵的充放电流为I_CP。

其环路小信号传输函数可计算为：

R_OUT＝R_L//R_OP//(R_F1+R_F2)

(4)

其中，C₁为功率管M_P栅极等效电容，R_CP为功率管M_P的输出阻抗，R_OUT为等效输出阻抗，B为反馈系数。因设计有C_C>>C₁，C_C≥C_O，g_mpR_CP>>1，g_mpR_OUT>>1，两个左极点以及一个右零点可表示为：

式(8)显示了以式(5)表示的左极点为主极点且在单级点近似下的环路单位增益带宽UGB，对于稳定性而言，全负载条件下P₂以及Z₂须处于单位增益带宽以外，尽量高频处，其中空载条件是最坏情况，此时g_mp最小，需满足g_me≤g_mp，对于本发明而言，g_me由多个因素共同作用，易在低功耗下，实现更大的输出电流范围。

综上所述，本发明公开了一种栅压动态调节的低功耗低压差线性稳压器，通过一个动态放大的电压差-时间转换电路和直接输出反馈的耦合电容，实现了良好的负载瞬态响应性能以及低功耗，而无需大的输出电容甚至无输出电容。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种栅压动态调节的低功耗低压差线性稳压器，其特征在于，所述稳压器包括：输入电压源V_IN、低压带隙基准电路、电压差-时间转换电路、电荷泵电路、电阻反馈网络电路、电容反馈电路、功率调整电路和输出电路；

所述输入电压源V_IN与所述低压带隙基准电路输入端、所述电荷泵电路和所述功率调整电路连接，所述低压带隙基准电路输出端与所述电压差-时间转换电路输入端连接，所述电压差-时间转换电路输出端与所述电荷泵电路输入端连接，所述电荷泵电路输出端通过所述功率调整电路与所述电阻反馈网络电路连接，所述电容反馈电路两端分别与所述电荷泵电路和所述功率调整电路连接，所述电阻反馈网络电路与所述电压差-时间转换电路反馈连接，所述输出电路与所述功率调整电路连接；

所述电压差-时间转换电路用于基于所述带隙基准电路提供的参考电压V_REF和所述电阻反馈网络电路提供的反馈电压V_FB，产生数字脉冲信号，所述数字脉冲信号用于控制所述电荷泵电路对所述功率调整电路进行充放电；所述输出电路用于输出电压V_OUT，所述电容反馈电路用于减少所述功率调整电路对所述输出电压V_OUT调节的时间。

2.根据权利要求1所述的一种栅压动态调节的低功耗低压差线性稳压器，其特征在于，所述电压差-时间转换电路包括动态放大子电路和脉冲发生子电路，所述动态放大子电路由时钟信号源控制。

3.根据权利要求2所述的一种栅压动态调节的低功耗低压差线性稳压器，其特征在于，所述动态放大子电路包括：晶体管D₃的源极与晶体管D₄的源极均与晶体管D₅的漏极连接，所述晶体管D₃的栅极与所述反馈电压V_FB连接，所述晶体管D₄的栅极与所述参考电压V_REF连接，所述晶体管D₅的栅极与信号V_B连接，所述晶体管D₅的源极与晶体管D₆的漏极连接，所述晶体管D₆的源极接地，所述晶体管D₆的栅极与所述时钟信号源连接，所述晶体管D₃的漏极与晶体管D₁的漏极连接，输入电容C3的正端与所述晶体管D₁的源极连接，所述输入电容C3的负端与所述晶体管D₁的漏极连接，所述晶体管D₄的漏极与晶体管D₂的漏极连接，输入电容C2的正端与所述晶体管D₂的源极连接，所述输入电容C2的负端与所述晶体管D₂的漏极连接，所述晶体管D₁的栅极和所述晶体管D₂的栅极均与所述时钟信号源连接。

4.根据权利要求3所述的一种栅压动态调节的低功耗低压差线性稳压器，其特征在于，所述脉冲发生子电路包括：与非门电路T1的输出端用于输出信号TP，与门电路T2的输出端用于输出信号TN，非门电路S1的输入端与所述晶体管D3的漏极连接，非门电路S4的输入端与所述晶体管D4的漏极连接，所述非门电路S1的输出端与非门电路S2的输入端连接，所述非门电路S2的输出端分别与非门电路S3的输入端和所述与门电路T2的一个输入端连接，所述非门电路S3的输出端与所述与非门电路T1的一个输入端连接，所述非门电路S4的输出端与非门电路S5的输入端连接，所述非门电路S5的输出端分别与非门电路S6的输入端和所述与非门电路T1的另一个输入端连接，所述非门电路S6的输出端与所述与门电路T2的另一个输入端连接。

5.根据权利要求4所述的一种栅压动态调节的低功耗低压差线性稳压器，其特征在于，所述电荷泵电路具体为晶体管M_TP和晶体管M_TN，所述电容反馈电路具体为反馈电容C_C，所述功率调整电路具体为功率管M_P，所述晶体管M_TP的栅极与所述与非门电路T1的输出端连接，所述晶体管M_TN的栅极与所述与门电路T2的输出端连接，所述晶体管M_TP的源极和所述功率管M_P的源极均与所述输入电压源V_IN连接，所述晶体管M_TP的漏极分别与所述晶体管M_TN的漏极和所述晶体管M_P的栅极连接，所述反馈电容C_C的正端与所述功率管M_P的栅极连接，所述反馈电容C_C的负端与所述晶体管M_P的漏极连接，所述晶体管M_TN的源极接地。

6.根据权利要求5所述的一种栅压动态调节的低功耗低压差线性稳压器，其特征在于，所述电阻反馈网络电路包括电阻R_F1和电阻R_F2，所述电阻R_F2一端与所述功率管M_P的漏极连接，所述电阻R_F2另一端与所述晶体管D₃的栅极和所述电阻R_F1一端连接，所述电阻R_F1另一端接地。

7.根据权利要求5所述的一种栅压动态调节的低功耗低压差线性稳压器，其特征在于，所述稳压器还包括输出电容C_O，所述输出电容C_O的正端与所述功率管M_P的漏极连接，所述输出电容C_O的负端接地。

8.根据权利要求7所述的一种栅压动态调节的低功耗低压差线性稳压器，其特征在于，所述稳压器还包括电阻R_L，所述电阻R_L一端与所述输出电容C_O正端连接，所述电阻R_L另一端接地。