一种高瞬态响应低压差线性稳压器及其控制方法技术

本发明专利技术公开了一种高瞬态响应低压差线性稳压器及其控制方法，涉及集成电路设计领域，在PMOS管的体端增加电位调节电路，这与原有阻容反馈网络、误差放大器组成的控制环路相互独立，对I

【技术实现步骤摘要】
一种高瞬态响应低压差线性稳压器及其控制方法


[0001]本专利技术涉及集成电路设计领域，具体为一种高瞬态响应低压差线性稳压器及其控制方法。

技术介绍

[0002]电源IC用于几乎所有的电气与电子系统，从消费电子到航空航天，每种应用都有不同的需求，主要用于管理、控制和监测这些应用中的电源电压变化。随着技术发展与场景的复杂化，电源IC数量和质量需求均大幅增加，衍生出多种电源IC种类，其中包括DC
‑
DC开关稳压器、电池管理集成电路、线性稳压器、电压基准等。低压差线性稳压器(Low
‑
Dropout Regulator，LDO)是电源管理IC的重要组成部分，相比其它电源电路具有高电源抑制比、低噪声等优点。但随着高集成度的5G射频收发机、多功能SOC处理器等系统的发展，LDO面临负载工作电流变化快、输出电压精度需求高等问题。如何在有限的空间内提高LDO的快速瞬态响应性能，成为需要克服的难题。
[0003]传统LDO芯片中包含基准电压源、误差放大器、PMOS管、阻容反馈网络，结构如图1所示。其中，基准电压源V1的正极接误差放大器的负输入，负极接地。PMOS管以MP1表示，栅极接误差放大器输出V
E1
，源极接电源VDD，漏极为LDO的输出V
OUT
，体端接自身源极。MP1工作在饱和区，源漏电流I
P1
与栅源电压差成正比。LDO输出连阻容反馈网络的输入，阻容反馈网络的输出连误差放大器的正输入，阻容反馈网络的输入端、输出端到地GND的阻抗高，端口电流很小。因此，I
P1
等于LDO的输出电流I
OUT
。在使用LDO时，需要在V
OUT
并联大电容C
L
确保LDO稳定性，LDO的输出负载可等效为电阻R
L
。LDO工作时，阻容反馈网络、误差放大器、MP1形成的信号环路会调节I
OUT
大小从而维持V
OUT
不变。当R
L
突然变小，I
OUT
未及时变化，V
OUT
会低于期望值，两者误差为负。误差放大器经信号环路处理，控制V
E1
下降，使I
OUT
增加，V
OUT
回升到期望值。相反的，当R
L
突然变大导致V
OUT
高于期望值，两者误差为正，信号环路控制I
OUT
减小使V
OUT
降低到期望值。图1的优点为控制环路稳定，V
OUT
受电源噪声影响小。缺点为提高响应速度需要大幅增加功耗，LDO效率下降明显；C
L
体积大，不利于小型化。
[0004]为了解决上述问题，有报道在图1基础上增加比较器和第二个PMOS管MP2，如图2所示。其中，比较器的负输入连V1正极，正输入连阻容反馈网络的输出。MP2的栅极接比较器的输出V
C1
，源极接VDD，漏极接V
OUT
，体端接自身源极。MP2受V
C1
控制，只工作在关闭或线性区，行为与开关的关闭与开启类似，源漏电流为I
P2
。当V
OUT
与期望值负误差变大，比较器触发使V
C1
为低电平，MP2开启。此时I
OUT
＝I
P1
+I
P2
，V
OUT
恢复速度变快。V
OUT
恢复后比较器触发使V
C1
为高电平，MP2关闭，此时I
OUT
＝I
P1
。当V
OUT
与期望值误差为正，V
C1
维持高电平，MP2维持关闭，I
OUT
＝I
P1
。图2的优点在于提高了V
OUT
与期望值误差为负时的V
OUT
恢复速度，MP2关闭后不影响MP1工作。缺点为I
P2
无法在V
OUT
与期望值误差为正时提高V
OUT
恢复速度；整个结构无法摆脱MP1、C
L
以及相关控制环路，增加开关管MP2导致LDO体积更大。
[0005]为解决以上问题，有报道在图1基础上删除C
L
，增加NMOS管MN1，MP1与MN1均工作在饱和区，形成Class
‑
AB结构，如图3所示。其中，误差放大器在原V
E1
输出之外增加另一路输出
V
E2
。MN1的漏极接V
OUT
，栅极接V
E2
，源极接GND，体端接自身源极。当V
OUT
与期望值误差为负，信号环路控制电流I
P1
增加、I
N1
减小，I
OUT
＝I
P1
‑
I
N1
增加，V
OUT
恢复到期望值。当V
OUT
与期望值误差为正，信号环路控制电流I
P1
减小、I
N1
增加，I
OUT
＝I
P1
‑
I
N1
减小，V
OUT
恢复到期望值。图3的优点为Class
‑
AB结构增益大对I
OUT
调节速度快，不需要C
L
系统体积小；V
OUT
与期望值的正与负误差均可以调节；继承了传统LDO结构低噪声、高稳定性的优点，缺点为提高调节速度会大幅增加功耗，LDO效率下降明显。

技术实现思路

[0006]结合现有技术优势并针对存在的问题，本专利技术提出了一种高瞬态响应低压差线性稳压器及其控制方法，在不用大幅增加静态功耗的条件下提高输出电流I
OUT
调节速度，降低V
OUT
在输出负载跳变后的恢复时间。
[0007]本专利技术是通过以下技术方案来实现：
[0008]一种高瞬态响应低压差线性稳压器，包括第一PMOS管、第二PMOS管、第一NMOS管、第二NMOS管、比较器VC1、比较器VC2、专用集成电路A1和自举电容C
BS1
；
[0009]所述第一PMOS管的栅极连接有误差放大器，第一PMOS管的漏极分别与阻容反馈网络的输入端、比较器VC1的输入端和比较器VC2的输入端连接，阻容反馈网络的输出端连接有误差放大器；
[0010]所述专用集成电路A1的输入端分别与比较器VC1的输出端和比较器VC2的输出端连接，专用集成电路A1的输出端分别与第二PMOS管的栅极、第一NMOS管的栅极和第二NMOS管的栅极连接，第一NMOS管的源极和自举电容C
BS1
的上极板均与第本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高瞬态响应低压差线性稳压器，其特征在于，包括第一PMOS管、第二PMOS管、第一NMOS管、第二NMOS管、比较器VC1、比较器VC2、专用集成电路A1和自举电容C
BS1
；所述第一PMOS管的栅极连接有误差放大器，第一PMOS管的漏极分别与阻容反馈网络的输入端、比较器VC1的输入端和比较器VC2的输入端连接，阻容反馈网络的输出端连接有误差放大器；所述专用集成电路A1的输入端分别与比较器VC1的输出端和比较器VC2的输出端连接，专用集成电路A1的输出端分别与第二PMOS管的栅极、第一NMOS管的栅极和第二NMOS管的栅极连接，第一NMOS管的源极和自举电容C
BS1
的上极板均与第一PMOS管的体端连接，第二PMOS管的源极与自举电容C
BS1
的下极板V
BS1
连接，第二NMOS管的漏极与自举电容C
BS1
的下极板V
BS1
连接。2.根据权利要求1所述的高瞬态响应低压差线性稳压器，其特征在于，所述第一PMOS管的栅极与误差放大器的输出端连接，误差放大器的负输入端与基准电压源V1的正极连接，阻容反馈网络的输出端与误差放大器的正输入端连接。3.根据权利要求1所述的高瞬态响应低压差线性稳压器，其特征在于，所述第一PMOS管的漏极分别与比较器VC1的负输入端和比较器VC2的正输入端连接，比较器VC1的正输入端与基准电压源V
H
的正极连接，比较器VC2的负输入端与基准电压源V
L
的正极连接，基准电压源V
H
的正极电位大于第一PMOS管漏极的期望值，基准电压源V
L
的正极电位小于第一PMOS管漏极的期望值；所述第二PMOS管的漏极与基准电压源V2的正极连接。4.如权利要求1～3中任意一项所述的高瞬态响应低压差线性稳压器的控制方法，其特征在于，包括如下三种情况：S1，当所述线性稳压器的输出负载R
L1
趋于稳定时，比较器VC1输出低电平、比较器VC2输出高电平，专用集成电路A1输出低电平使第二NMOS管关闭、专用集成电路A1输出低电平使第二PMOS管开启、专用集成电路A1输出高电平使第一NMOS管开启；S2，当所述线性稳压器的输出负载R
L1
由稳定向低阻值跳变，比较器VC1输出低电平、比较器VC2输出低电平，专用集成电路A1输出低电平使第一NMOS管关闭、专用集成电路A1输出高电平使第二PMOS管关闭、专用集成电路A1输出高电平使第二NMOS管开启；S3，当所述线性稳压器的输出负载R
L1
由稳定向高阻值跳变，比较器VC1输出高电平、比较器VC2输出高电平，专用集成电路A1输出高电平使第一NMOS管开启、专用集成电路A1输出高电平使第二PMOS管关闭、专用集成电路A1输出高电平使第二NMOS管开启，之后专用集成电路A1输出低电平使第一NMOS管关闭、专用集成电路A1输出低电平使第二NMOS管关闭、专用集成电路A1输出低电平使第二PMOS管开启。5.一种高瞬态响应低压差线性稳压器，其特征在于，包括第三PMOS管、第四PMOS管、第三NMOS管、第四NMOS管、第五NMOS管、比较器VC1、比较器VC2、专用集成电路A2和自举电容C
BS2
；所述第三PMOS管的栅极和第三NMOS管的栅极均连接有误差放大器，第三PMOS管的漏极分别与阻容反馈网络的输入端、比较器VC1的输入端和比较器VC2的输入端连接，阻容反馈网络的输出端连接有误差放大器，第三NMOS管的漏极与第三PMOS管的漏极连接；所述专用集成电路A2的输入端分别与比较器VC1的输出端和比较器VC2的输出端连接，
专用集成电路A2的输出端分别与第四PMOS管的栅极、第四NMOS管的栅极和第五NMOS管的栅极连接，第四NMOS管的源极与自举电容C
BS2
的上极板均与第三NMOS管的体端连接，第四PMOS管的源极与自举电容C
BS2
的下极板V
BS2
连接，第五NMOS管的漏极与自举电容C
BS2
的下极板V
BS2
连接。6.根据权利要求5所述的高瞬态响应低压差线性稳压器，其特征在于，所述第三PMOS管的栅极与误差放大器的第一输出端连接，第三NMOS管的栅极与误差放大器的第二输出端连接，误差放大器的负输入端与基准电压源V1的正极连接，阻容反馈网络的输出端与误差放大器的正输入端连接。7.根据权利要求5所述的高瞬态响应低压差线性稳压器，其特征在于，所述第三PMOS管的漏极分别与比较器VC1的负输入端和比较器VC2的正输入端连接，比较器VC1的正输入端与基准电压源V
H
的正极连接，比较器VC2的负输入端与基准电压源V
L
的正极连接，基准电压源V
H
的正极电位大于第三PMOS管漏极的期望值，基准电压源V
...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈泽强，姚思远，刘智，武琪，吴嘉祺，于洪波，魏海龙，王勇，张强，
申请(专利权)人：西安微电子技术研究所，
类型：发明
国别省市：