电源管理芯片、线性稳压电路及其偏置电流补偿方法与流程

1.本技术涉及电源技术领域，特别是涉及一种电源管理芯片、线性稳压电路及其偏置电流补偿方法。


背景技术：

2.随着科技发展，人们对手机、平板等消费类电子产品的要求越来越高。对于消费类电子芯片的性能也提出了更高的要求。尤其是电源管理芯片，不仅要保证高精度和输出的稳定性，还要尽可能的降低功耗以保证更长的待机时间。电源管理芯片中线性稳压器对这些性能的影响很大。线性稳压器的偏置电流影响着大部分的性能指标。因此为线性稳压器提供更加合理的偏置电流，能够提高芯片的性能。


技术实现要素：

3.为解决上述问题，本技术提供一种线性稳压电路，包括差分放大电路，差分放大电路的第一端输入基准电压，差分放大电路的偏置电流端连接第一电流源，第一电流源向差分放大电路提供第一电流；功率输出电路，功率输出电路的第一端连接差分放大电路的输出端，功率输出电路的第二端连接负载；补偿电路，补偿电路分别与功率输出电路和偏置电流端连接，其中补偿电路从功率输出电路获取负载电流，并根据负载电流产生第二电流，以向偏置电流端提供第二电流，第二电流随负载电流增大而呈幂函数增长。
4.进一步地，功率输出电路包括：功率输出管驱动电路，功率输出管驱动电路的第一端连接差分放大器的输出端；功率输出管，功率输出管的第一端输入第一电压，功率输出管的第二端连接负载，功率输出管的控制端连接功率输出管驱动电路的输出端；其中，补偿电路的第二端连接功率输出管的控制端，补偿电路获取功率输出管的控制端的第二电压，并根据第二电压计算出负载电流。
5.进一步地，补偿电路包括电流生成电路，电流生成电路包括：第二场效应管，第二场效应管的第一端输入第一电压，第二场效应管的第二端连接第二电流源，第二场效应管的控制端连接第二场效应管的第二端，第二电流源提供第三电流；第三场效应管，第三场效应管的第一端连接第二场效应管的第一端，第三场效应管的控制端连接第二场效应管的控制端；第四场效应管，第四场效应管的第一端连接第三场效应管的第二端，第四场效应管的控制端连接功率输出管的控制端；其中，第四场效应管的控制端获取功率输出管控制端的第二电压，电流生成电路根据第二电压生成第一输出电流，以使第四场效应管的第二端输出第一输出电流。
6.进一步地，补偿电路包括电流镜电路，电流镜电路包括：第五场效应管，第五场效应管的第一端连接差分放大电路的偏置电流端，并向偏置电流端输出第二电流，第五场效应管的第二端接地；第六场效应管，第六场效应管的第一端连接第四场效应管的第二端，第六场效应管的第二端接地，第六场效应管的控制端连接第四场效应管第二端和第五场效应管的控制端；其中，第五场效应管的宽长比与第六场效应管的宽长比的比值为第一比值，第
二电流等于第一输出电流乘以第一比值，第二电流随着负载电流的增大而呈幂函数增长。
7.进一步地，第二电流源所提供的第三电流大于第一电流源所提供的第一电流。
8.进一步地，差分放大电路包括：差分放大器，差分放大器的第一端获取基准电压，差分放大器的第二端连接功率输出电路的第二端；相位补偿电路，相位补偿电路包括电阻和第一电容，电阻的第一端连接差分放大器的输出端，电阻的第二端连接第一电容的第一端，第一电容的第二端接地；其中，差分放大器获取功率输出电路的第二端的当前负载电压，差分放大器基于基准电压和当前负载电压调整功率输出电路第二端输出的负载电压。
9.进一步地，线性稳压电路还包括第二电容，功率输出管的第二端连接第二电容的第一端，第二电容的第二端接地。
10.为解决上述问题，本技术还提供一种线性稳压电路的偏置电流补偿方法，应用于前述的线性稳压电路。该方法包括：获取负载电流；根据负载电流调整补偿电路输出的第二电流，第二电流随着负载电流的增大，呈幂函数增长。
11.进一步地，获取负载电流包括：获取功率输出管的控制端的第二电压，并根据第二电压计算出负载电流。
12.为解决上述问题，本技术还提供一种包括前述的线性稳压电路的电源管理芯片。
13.本技术所提供的线性稳压电路能够以幂函数方式提供其差分放大电路的偏置电流。偏置电流补偿曲线由常规的线性补偿改为了非线性。负载电流较小时，偏置电流能够迅速达到设定值，电路响应速度快。且幂函数方式使得负载电流较大时，次级正反馈的增益较小，不会影响电路稳定性。改善了轻载等应用场景下的输出噪声以及响应速度等关键性能指标，静态功耗小，同时环路稳定性好。
附图说明
14.图1是本技术线性稳压电路第一实施方式的电路图；图2是图1中线性稳压电路的第二电流与负载电流的关系曲线；图3是本技术线性稳压电路第二实施方式的电路图；图4是图3中线性稳压电路的第二电流与负载电流的关系曲线；图5是本技术线性稳压电路的偏置电流补偿方法一实施方式的流程图。
具体实施方式
15.为使本技术的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图，对本技术的具体实施方式做详细的说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本技术，而非对本技术的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本技术相关的部分而非全部结构。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本技术保护的范围。
16.本技术中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
17.在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本技术的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
18.图1是本技术线性稳压电路第一实施方式的电路图。
19.如图1所示，本技术提供了一种线性稳压电路1，包括差分放大电路10、功率输出电路20和补偿电路30。差分放大电路10的第一端输入基准电压v
ref
，差分放大电路10的偏置电流端连接第一电流源15，第一电流源15向差分放大电路10提供第一电流。功率输出电路20的第一端连接差分放大电路10的输出端，功率输出电路20的第二端连接负载2。补偿电路30分别与功率输出电路20和差分放大电路10的偏置电流端连接。其中，补偿电路30从功率输出电路20获取负载电流i
out
，并根据负载电流i
out
产生第二电流，以向偏置电流端提供第二电流，第二电流随着负载电流i
out
的增大而呈幂函数增长。
20.在线性稳压电路1中，差分放大电路10是控制环路中影响大部分性能指标的最终要一环。差分放大电路10的偏置电流的大小，直接影响到环路带宽，环路稳定性，环路响应速度，输出噪声等核心指标。通常来说，偏置电流越大，对提高以上性能指标都有较大帮助。具体地，噪声可以是工艺噪声、热燥等，与偏置电流有关，偏置电流越大，热噪声对电路的影响越小。可选地，第一电流为静态偏置电流。可选地，第二电流随着负载电流i
out
的增大而呈幂函数增长。这里的“幂函数增长”为近似幂函数曲线的增长关系，并非理想情况下的幂函数曲线。
21.在本实施方式中，差分放大电路10的偏置电流由第一电流和第二电流组成。即该偏置电流满足以下计算公式：q1：i
bias
=i1 i2在上述公式中i1为第一电流，i2为第二电流，i
bias
为差分放大电路10实际获取的偏置电流。
22.图2是图1中线性稳压电路的第二电流与负载电流的关系曲线。
23.如图2所示，第二电流与负载电流i
out
呈幂函数关系。由于电路本身存在一个负反馈，补偿电路30就是这个电路中的反馈环路，反馈环路的输出与负载电流i
out
负相关。而在补偿电路30中，偏置电流也会随着负载电流i
out
变化，并且是随着负载电流i
out
增大而增大。这相当于在电路中引入了一个次级正反馈，曲线的斜率代表着动态偏置电流跟随稳压器输出电流变化而变化的趋势，和这个次级正反馈的增益相关。当负载电流i
out
小时，曲线斜率大，代表着电路的响应速度也快，此时虽然次级正反馈的增益虽然大，但是负载电流i
out
非常小，动态补偿电流部分在整体偏置电流中占比较小，所以总体来看次级正反馈增益并不大，对主环路的稳定性的影响小；随着负载电流i
out
增大，动态补偿电流部分在整体偏置电流中占比逐渐变大，曲线斜率慢慢变小，次级正反馈的增益始终保持不会过大并逐渐变小直到为零，不会因为次级正反馈的增益过大而影响主环路的稳定性。
24.图中i2表示第二电流，i3可以是第二电流的最大值。
25.可选地，第一电流源15可以是恒定电流源。第一电流可以是恒定不变的电流。
26.图3是本技术线性稳压电路第二实施方式的电路图。
27.如图3所示，线性稳压电路1中差分放大电路10的偏置电流由第一电流源15和可变
电流源16提供。可变电流源16从功率输出管22处获取负载电流i
out
，并根据负载电流i
out
向电流源提供第二电流。可变电流源16先通过镜像功率输出管22的负载电流i
out
，然后按照一定比例放大或者缩小。因此可变电流源16提供的第二电流的计算公式为：q2：i2=k*i
out
在公式q2中，k指的是放大或者缩小的比例。
28.图4是图3中线性稳压电路的第二电流与负载电流的关系曲线。
29.如图4所示，空载时，第二电流为零，仅有第一电流源15耗电，能够有效降低功耗。随着负载电流i
out
慢慢变大，第二电流也跟着变大；当负载电流i
out
达到额定电流之前，第二电流达到预设的最大值，能够有效改善各项性能指标。且在额定工作条件下，这部分增加的功耗相对消耗在功率管上的功耗，可以忽略不计。一旦负载2恢复到轻载或者空载，第二电流也相应变小或者为零。第二电流是动态偏置电流，随负载电流i
out
而变化。
30.在负载2较小的条件下，差动运放输出极点和负载电压输出极点都出现在中低频段。受限于静态功耗的性能指标要求，带宽较小，电路稳定性良好。随着负载2变大，负载电压输出极点向高频移动，适当增加差动运放的偏置电流有助于保证稳定性。同时能够提高带宽，加快响应速度，且增加的功耗相对于整体输出而言可以忽略不计。
31.但是公式q2中，系数k反映的是第二电流和负载电流i
out
之间的固定镜像倍率。k值越大，第二电流越容易到达预设的最大值，从而更早的介入对性能指标的改善。但另一方面，这个补偿会在线性稳压电路1的负反馈主环路中引入一个新的次级正反馈，且k值越大，次级正反馈的增益越大，进而影响负反馈主环路的稳定性。所以通常k值取的较小，从而能够弱化次级正反馈带来的副作用。但是同时，第二电流难以在轻载时达到预设的最大值，对于电路整体的性能改善效果不佳。
32.而图1中的补偿电路30提供的第二电流与负载电流i
out
呈幂函数关系。轻载时，第二电流也容易达到预设的最大值。在负载电流i
out
较小的区域，曲线的斜率较大，第二电流增长迅速。但此时功率输出管22的负载电流i
out
非常小，相应的功率输出管22的跨导也非常小，因此不会影响到环路的稳定性。随着负载电流i
out
的增加，曲线的斜率慢慢变小并趋近于零，即等效的k值慢慢变小并趋近于零，在负载电流i
out
较大时，k值较小，次级正反馈的增益较小，也不会影响到环路的稳定性。从整体来看，在负载电流i
out
较小的条件下对电路的性能有明显改善，同时当负载电流i
out
较大时，其引入的次级正反馈对电路几乎没有负面影响，有助于电路的稳定性。
33.可选地，本技术中所说的“负载电流i
out
较小”、“负载电流i
out
较大”均为到达额定工作状态之前的负载电流i
out
。在到达额定工作状态之前，负载电流i
out
的较大和较小的具体数据可以根据具体情况设置。若有必要，较大和较小也可以是在其他工作范围内的负载电流i
out
。
34.具体地，功率输出电路20包括功率输出管驱动电路21和功率输出管22。功率输出管驱动电路21的第一端连接差分放大器11的输出端；功率输出管22的第一端连接第一电压v
in
，功率输出管22的第二端连接负载2；功率输出管22的控制端连接功率输出管驱动电路21的输出端。其中，补偿电路30的第二端连接功率输出管22的控制端，补偿电路30获取第一控制端的第二电压，并根据第二电压计算出负载电流i
out
。
35.可选地，最终得出的是第二电流与负载电流i
out
之间的关系，而第二电压与负载电
流i
out
有着密不可分的关系。第二电压可以影响负载电流i
out
的大小。因此，获取第二电压，然后根据功率输出管22的特性是可以得出与负载电流i
out
的关系的。
36.具体地，补偿电路30包括电流生成电路31，电流生成电路31包括第二场效应管312、第三场效应管313和第四场效应管314。第二场效应管312的第一端输入第一电压v
in
，第二场效应管312的第二端连接第二电流源311，第二场效应管312的控制端连接第二场效应管312的第二端，第二电流源311提供第三电流。第三场效应管313的第一端连接第二场效应管312的第一端，第三场效应管313的控制端连接第二场效应管312控制端。第四场效应管314的第一端连接所述第三场效应管313的第二端，第四场效应管314的控制端连接功率输出管22的控制端。其中，第四场效应管314的控制端获取功率输出管22控制端的第二电压，电流生成电路31生成第一输出电流。第四场效应管314的第二端输出第一输出电流。
37.图2中的i3可以是第三电流，第二电流源311提供的第三电流可以用于限制差分放大电路10的偏置电流的最大值。第三电流的大小可以根据需要设置。
38.轻载条件下，也就是负载电流i
out
较小的情况下，第二电压近似等于第一电压v
in
与阈值电压vth的差值。因为此时功率输出管22的栅源之间的压降与阈值电压vth的差值非常小，几乎可以近似为零。当负载电流i
out
变大，负载电压v
out
也会变大，补偿电路30会通过负反馈控制维持负载电压v
out
与基准电压v
ref
相同。此时功率输出管22栅源之间的压降vgs与阈值电压vth的差值不变，依旧非常小。因此第二电压等于第一电压v
in
与功率输出管22栅源之间的压降的差值，也就等于第一电压v
in
与阈值电压vth之间的差值。
39.可选地，第四场效应管314可以与功率输出管22相同。因此，当第四场效应管314的栅极电压等于第二电压时，第四场效应管314栅源之间的电压与功率输出管22栅源之间的电压相同。第四场效应管314源极电压被顶到接近于零。也就是第三场效应管313的漏源之间的电压此时接近于零。第三场效应管313工作在线性区，第三场效应管313和第四场效应管314中的电流由第四场效应管314决定，可以认为第四场效应管314的电流近似正比于负载电流i
out
，即此时第一输出电流正比于负载电流i
out
。但其实际上的电流关系为幂函数关系，近似为正比关系在部分应用场景下能够方便计算。
40.随着负载2慢慢变大，第二电压也慢慢降低，第三场效应管313的漏源之间的电压慢慢变大，但还不足以保证第三场效应管313工作在饱和区。所以流经第三场效应管313和第四场效应管314的电流仍然由第四场效应管314决定。但是，由于第三场效应管313确实存在着的漏源之间的电压，第四场效应管314的栅源之间的电压要略低于功率输出管22漏源之间的电压。所以，第三场效应管313和第四场效应管314中的电流仍然随着负载电流i
out
变大而变大。但是，变大的趋势慢慢变缓，呈现幂函数增长的趋势。
41.当负载2继续增大，第三场效应管313的漏源之间的电压达到过驱动电压，即线性区和饱和区的临界点。此后，流经第三场效应管313和第四场效应管314的电流由第三场效应管313决定。而第三场效应管313中的电流与第二场效应管312中的电流相同，即第三场效应管313中的电流等于第三电流。因此，第三电流限制着差分放大电路10的偏置电流的最大值。第三电流可以根据需要预设。
42.具体地，补偿电路30包括电流镜电路32，电流镜电路32包括第五场效应管321和第六场效应管322。第五场效应管321的第一端连接差分放大电路10的偏置电流端，并向偏置电流端输出第二电流，第五场效应管321的第二端接地。第六场效应管322的第一端连接第
四场效应管314的第二端。第六场效应管322的第二端接地，第六场效应管322的控制端连接第四场效应管314第二端和第五场效应管321的控制端。其中，第五场效应管321的宽长比与第六场效应管322的宽长比的比值为第一比值，第二电流等于第一输出电流乘以第一比值，因此第二电流随着负载电流i
out
的增大而呈幂函数增长。
43.由前文的描述可以得出图4的斜率计算公式：q3：di2/di
out
=【1/(gm_pm1)/(1/gm_pm2 ro_pm3)】*【(w5/l5)/(w6/l6)】公式q3中，gm_pm1是功率输出管22的跨导，ro_pm3是第三场效应管313的小信号电阻。gm_pm2是场效应管314的跨导。w5/l5是第五场效应管321的宽长比，w6/l6是第六场效应管322的宽长比，(w5/l5)/(w6/l6)为第一比值。其中，gm_mp1正比于√i
out
，即负载电流i
out
的平方根。gm_pm2也会随负载电流i
out
的增大而增大。
44.q3的公式化简后得到：di2/di
out
=1/【（gm_pm1/gm_pm2） gm_pm1*ro_pm3】*【(w5/l5)/(w6/l6)】由化简之后的公式可以看出，随着i
out
增大gm_pm1/gm_pm2没有gm_pm1* ro_pm3增大的显著。因此，di2/di
out
的大小主要由gm_pm1决定，由于gm_pm1随i
out
增大而增大，所以di2/di
out
随i
out
增大而变小。最终体现出来i2与i
out
之间的关系就是i2随i
out
的增大而呈现近似幂函数的增长关系。
45.本技术中的第二电流与负载电流i
out
之间的幂函数关系，均为该负载电流i
out
值下电路在稳态时的关系，并非变化过程中的关系。
46.可选地，第二场效应管312的宽长比与第三场效应管313的宽长比之间的比值可以是第二比值。当第三场效应管313工作在饱和区时，第三场效应管313中的电流可以等于第三电流乘以第二比值。可选地，第二比值可以是1，也可以是其他数值。
47.差分放大电路10可以包括差分放大器11和相位补偿电路12。差分放大器11用于放大负载电压v
out
与基准电压v
ref
之间的差值，其输出用于作用于功率输出管驱动电路21，从而实现对功率输出管22的控制，进而能够调节负载电压v
out
。
48.差分放大器11的第一端获取基准电压v
ref
，差分放大器11的第二端连接功率输出电路20的第二端，从而能够获取负载电压v
out
。相位补偿电路12包括电阻121和第一电容122。电阻121的第一端连接差分放大器11的输出端，电阻121的第二端连接第一电容122的第一端，第一电容122的第二端接地。其中，差分放大器11获取功率输出电路20第二端的负载电压v
out
，并基于负载电压v
out
和基准电压v
ref
调整功率输出电路20第二端的负载电压v
out
。从而实现负反馈控制，能够稳定电压。相位补偿电路12能够起到相位补偿作用，有利于电路的稳定。
49.线性稳压电路1还包括第二电容40，第二电容40的第一端连接功率输出管22的第二端，第二电容40的第二端接地。第二电容40作为输出电容同样有稳定负载电压v
out
和相位补偿的作用。
50.图5为本技术线性稳压电路的偏置电流补偿方法一实施方式的流程图。该偏置电流补偿方法能够应用于前述线性稳压电路1的任一实施方式。
51.如图5所示，该偏置电路补偿方法包括：s11：获取负载电流。
52.偏置电流与负载电流i
out
有着密不可分的关系。获取的负载电流i
out
后续会用到。
53.可选地，步骤s11还可以包括：s111：获取功率输出管的控制端的第二电压，并根据第二电压计算出负载电流。
54.获取负载电压v
out
的方式有很多种。这里第二电压与负载电流i
out
有着对应关系。在本技术线性稳压电路1中可以从功率输出管22的控制端获取负载电流i
out
，也可以从功率输出管22的第二端获取负载电流i
out
，也可以是其他方式。
55.s12：根据负载电流调整补偿电路的第二电流，第二电流随着负载电流的增大，呈幂函数增长。
56.呈幂函数增长的偏置电流使得电路在低负载时功耗小，响应速度快，随着负载电流i
out
的增长，偏置电流增长速度变缓，对稳定性的影响较小，有利于电路系统的稳定。
57.本技术还提供一种电源管理芯片。该电源管理芯片包括前述本实施例中任一种实施方式的线性稳压电路1。
58.应用了偏置电流随负载电流i
out
呈幂函数增长的线性稳压电路1的电源管理芯片在低负载时功耗小、响应速度快。随着负载2变大，电路依旧保持良好的稳定性，减少了为调整偏置电流所引入的次级正反馈对电路稳定性的影响。
59.本技术所提供的线性稳压电路1能够以幂函数方式提供其差分放大电路10的偏置电流。偏置电流补偿曲线由常规的线性补偿改为了非线性。负载电流i
out
较小时，偏置电流能够迅速达到设定值，电路响应速度快。且幂函数方式使得负载电流i
out
较大时，次级正反馈的增益较小，不会影响电路稳定性。改善了轻载应用场景下的输出噪声以及响应速度等关键性能指标，静态功耗小，同时环路稳定性好。
60.以上所述仅为本技术的实施方式，并非因此限制本技术的专利范围，凡是利用本技术说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本技术的专利保护范围内。