一种数字辅助模拟LDO电路

本发明属于电源管理模拟集成电路，具体涉及一种数字辅助模拟ldo电路，尤其适用于物联网终端、便携式电子设备、低功耗片上系统等对瞬态响应速度、输出电压精度、低静态功耗同时具备高要求的电源供电场景。

背景技术：

1、随着便携式电子设备和物联网终端的快速发展，电子系统对高性能、低功耗、高集成度的电源管理方案提出了越来越高的要求，电源管理芯片的性能直接决定了系统的工作效率与续航能力。低压差线性稳压器因其结构简单、尺寸小、集成度高、噪声低、响应速度快、电磁干扰低等优点，已成为片上系统中实现精细电源管理的关键单元，广泛应用于各类小型化电子设备。现有ldo分为纯模拟ldo与纯数字ldo（dldo）两类，二者均存在固有性能缺陷：

2、传统模拟ldo由带隙基准、误差放大器、反馈电阻、主功率管及补偿电容构成连续负反馈环路。为保障环路稳定、提升瞬态响应性能，必须配置大容量片内/片外补偿电容，不利于芯片全集成；在先进低电压工艺下，误差放大器增益与带宽设计难度大幅提升；负载电流快速跳变时环路带宽受限，输出电压过冲/下冲幅度大、电压恢复时间长，瞬态响应性能差；工艺移植性弱，更换制造工艺后需对放大器、补偿网络整体重新设计。

3、数字ldo依靠时钟驱动数字逻辑、二进制功率管阵列实现离散步进调压，无需补偿电路、瞬态调节速度快、工艺移植便捷，但存在显著短板：离散开关控制带来固定量化纹波与极限环振荡，输出电压精度不足；高频电源抑制性能差、噪声水平高；时钟、比较器全程持续工作，轻载静态功耗偏高；功率管阵列整体面积大于同规格模拟ldo。

4、针对现有技术还存在以下问题：

5、现有混合同步-异步数字ldo采用多环路、多组移位寄存器分层调控，通过多级辅助环路改善瞬态下冲问题，但系统环路架构繁杂，多组逻辑控制器协同控制提升电路分析难度，多环路耦合易引发系统稳定性隐患，硬件逻辑资源占用量大、静态功耗优化空间有限。

6、当前低功耗便携芯片、物联网soc同时提出三项硬性需求：无片外大容量电容、负载跳变瞬态恢复快、稳态输出纹波小且静态功耗低，单一模拟或数字架构、传统多环路数模混合架构均无法同时满足上述需求。

技术实现思路

1、本发明针对现有纯模拟ldo瞬态响应慢、补偿电路复杂，纯数字ldo量化纹波大、稳态精度低，传统多环路混合dldo架构复杂、稳定性差的缺陷，提供一种数字辅助模拟ldo电路，融合模拟环路稳态高精度低纹波优势与数字环路瞬态快速粗调优势，简化整体电路架构，在无片外大电容条件下，同时实现快速瞬态响应、极低输出纹波、低静态功耗与高系统稳定性。

2、为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

3、第一方面，本发明提供一种数字辅助模拟ldo电路，包括带隙基准模块、模拟稳压环路、数字辅助环路、功率管阵列与反馈分压网络；

4、所述带隙基准模块分别向模拟稳压环路、数字辅助环路输出基准电压vref、输出预设参考电压vref0，并输出多路偏置电流；

5、所述模拟稳压环路与数字辅助环路并行连接至功率管阵列输出端vout，模拟稳压环路调控辅助功率管m1、模拟主功率管m2，数字辅助环路调控功率管阵列输出电流；

6、所述反馈分压网络一端连接vout，另一端接地，分压节点向模拟稳压环路反馈分压电压；

7、所述模拟稳压环路包括误差放大器ea、缓冲器buffer、辅助电压比较器cmp、辅助功率管m1、模拟主功率管m2；

8、所述数字辅助环路包括三路动态电压比较器comp1、comp2、comp3、数字逻辑控制器、多路反相缓冲器。

9、优选的，所述误差放大器采用共源共栅cascode结构，并非简单五管运放，同相输入端接入vref，反相输入端接入反馈分压电压，误差放大器输出端连接缓冲器输入，缓冲器输出驱动模拟主功率管m2栅极，误差放大器与缓冲器之间并联片上补偿电容c1；

10、所述辅助电压比较器cmp同相端接入vref0、反相端接入vout，比较器输出驱动辅助功率管m1栅极，辅助功率管m1、模拟主功率管m2源极共接电源vdd，漏极共接vout。

11、优选的，comp1输出下限检测信号vol，comp2输出上限检测信号voh，vol、voh接入数字逻辑控制器划定输出电压死区范围；comp3输出cout信号反馈vout与vref0的高低关系；

12、所述数字逻辑控制器内置6位逐次逼近二分法控制逻辑，输入信号包括vol、voh、cout、系统时钟clk、复位信号rst_n，输出6位控制码字，每一路控制码字经一路反相缓冲器驱动功率管阵列单路功率管栅极。

13、优选的，所述功率管阵列为6路二进制加权pmos管阵列，所有pmos源极统一接vdd，漏极并联输出vout；6路pmos管沟道长度相同，导通宽度配比为1:2:4:8:16:32；pmos管低电平导通，由反相缓冲器输出电平控制通断。

14、优选的，所述带隙基准模块为多级共源共栅电流镜耦合差分放大器的ptat带隙基准电路，输出两路基准信号vref、vref0，同时向误差放大器、三路动态电压比较器、辅助电压比较器分别输出独立偏置电流ib_ea、ib_cmp。

15、优选的，所述反馈分压网络由串联电阻r0、r1构成，r0上端接vout，r1下端接地，r0与r1中间分压节点输出反馈电压接入误差放大器反相输入端。

16、优选的，所述数字逻辑控制器工作逻辑为：复位后控制码字全部清零、关闭模拟环路使能，时钟上升沿持续监测vol、voh，vout跳出死区范围时启动二分法粗调，遍历6位二进制权重得到最优导通码字，粗调完成后拉高模拟环路使能，数字环路锁存控制码字停止动态调节，切换模拟环路稳态细调模式。

17、第二方面，基于上述第一方面，本发明还提供一种数字辅助快速瞬态响应模拟ldo设计方法，包括以下步骤：

18、s1、搭建基准生成单元：采用多级共源共栅电流镜耦合差分放大的ptat带隙基准电路，生成稳态基准电压vref、输出目标参考电压vref0，并分别输出独立偏置电流ib_ea、ib_cmp供给模拟环路与数字环路各有源器件；

19、s2、构建并行双调控环路架构，所述并行双调控环路包括模拟稳压环路、数字辅助环路，二者并联至输出端vout，搭配二进制加权功率管阵列、反馈分压网络构成完整ldo主体；

20、s3、模拟环路稳态细调控制：通过cascode结构误差放大器采集vout分压反馈电压与vref差值，经缓冲器驱动模拟主功率管m2实现连续线性调压；同步增设独立电压比较器cmp与辅助功率管m1构成瞬时电流辅助通路，负载瞬变时同步补充输出电流；稳态区间仅模拟环路持续工作，消除离散量化误差；

21、s4、数字环路死区触发二分法粗调控制：设置三路动态电压比较器生成输出电压死区区间[vrefl,vrefh]，仅当vout超出死区阈值时，数字逻辑控制器触发逐次逼近二分法，遍历二进制功率管阵列权重位快速求解最优导通控制码字；粗调完成后锁存数字控制码字，关闭数字动态翻转行为，使能模拟环路单独完成精细稳压；

22、s5、功率管协同调压控制：瞬态负载跳变阶段，数字环路输出控制码字驱动二进制pmos功率管阵列提供大跨度粗调电流；稳态阶段，数字阵列维持固定导通状态，由模拟环路中的辅助功率管m1、模拟主功率管m2提供连续可调微电流，二者配合实现宽负载范围高精度稳压。

23、由于采用了上述技术方案，本发明相对现有技术来说，取得的技术进步是：

24、1、本发明摒弃传统多组移位寄存器、多辅助环路叠加架构，仅设置单模拟环路加上单数字辅助环路两套调控通路，电路拓扑简洁，环路耦合干扰少，电路仿真、流片后调试难度低，规避多环路耦合振荡风险。

25、2、本发明数字环路采用6位二进制功率管阵列搭配逐次逼近二分法，负载跳变超出死区时仅需6个时钟周期完成粗调；模拟环路增设独立辅助功率管快速通路，数字、模拟两路同步瞬时补充输出电流，输出电压过冲、下冲幅度显著减小，无片外大容量补偿电容即可实现快速瞬态恢复。

26、3、本发明瞬态粗调完成后数字环路锁存控制码停止开关动作，消除数字量化纹波；模拟环路持续连续线性微调输出电压，继承模拟ldo高电源抑制、低噪声优势，稳态输出无极限环振荡，电压精度远优于纯数字ldo。

27、4、本发明稳态工作阶段数字环路仅静态锁存、无动态时钟翻转功耗，仅模拟环路持续低功耗工作；误差放大器采用低功耗cascode运放结构，带隙基准多级共源共栅结构减少偏置电流消耗，整体轻载静态电流远低于传统dldo方案。