一种基于多种频率补偿方式的高瞬态响应LDO电路

一种基于多种频率补偿方式的高瞬态响应ldo电路
技术领域
1.本发明涉及一种基于多种频率补偿方式的高瞬态响应ldo电路，属于低压差线性稳压器领域。


背景技术：

2.ldo(low dropout regulator)是一种低压差线性稳压器，通常在集成电路芯片中作为电源管理模块，为其他功能模块输出稳定的电压。ldo在手机、平板、智能家电、笔记本电脑等广大轻便式电子产品中有着巨大的市场份额，这是由于ldo芯片可以为后续电路提供稳定低噪的电压,并且有着低功耗、高电源纹波抑制比、较好的线性调整率和负载瞬态响应、以及占用芯片面积小等优点。随着市场的变化和技术的进步,人们对ldo芯片的性能要求也在不断地提高。更高的转换效率、更低的功耗以及更高的电源噪声抑制逐渐成为ldo芯片的研究热点和发展趋势。
3.ldo是闭环线性负反馈系统的一种典型应用,其主要功能是为后级电路提供一个稳定的电源电压。如图1所示，ldo的主要结构分为四个模块：带隙基准电路产生的电压基准源、误差放大器、输出功率管和反馈电阻组成的分压反馈网络。实际应用中一般还有改善ldo性能的各种辅助电路。
4.ldo的稳压功能主要由闭环负反馈环路通过运算放大器调节实现，负反馈环路的自稳定性调整，使其在负载发生改变的情况下仍然可以保持稳定的输出电压v
out
。具体稳压过程为：输出端负载r
l
减小时，假设流过负载的电流不变，则输出端电压v
out
减小，于是两电阻间的反馈电压v
ref
也减小。v
fb
反馈到误差放大器的同相输入端，与误差放大器反相输入端的基准电压v
ref
作比较，使得误差放大器的输出电压减小。从而输出功率管的栅源电压|v
gsp
|增大，流过功率管的电流也增加，负载上的压降随之增加，从而抬升了ldo的输出电压使其保持稳定。反之同理。
5.传统的ldo芯片在输出端添加一负载电容，该电容与其等效串联电阻产生一低频零点以平抑主极点导致的相位裕度的减少，最终达到增强系统稳定性的目的。但由此产生的问题也是显而易见的：首先，输出端的大电容(通常为微法级)很难集成到芯片中，浪费了相当的芯片面积；其次，由于其等效串联电阻通常做得较大，这会影响ldo的瞬态响应；最后，受工艺水平影响，电容的等效串联电阻误差较大，导致这一零点的位置可能存在偏差，若零点频率过低，系统过高的带宽可能使其他高频极点进入带宽内，若零点频率过高，可能超出系统单位增益带宽，失去频率补偿的能力。
6.从2006年起，无片外负载电容的ldo(capless-ldo)逐渐成为研究热点，这种全新的ldo大大减小了成本和芯片面积成本。但由于失去了片外大电容的补偿作用，如何保证系统的稳定性成为新的挑战，没有频率补偿的capless-ldo不具有实用意义。
7.频率补偿的实质是改变系统零极点的分布，由于失去片外大电容导致系统的主极点从输出端改为系统内部，许多传统的频率补偿如基于电容等效串联电阻的补偿方法已不适用，各种全新的频率补偿方法被提出，如反馈环路中并联压控电流源补偿法，基于密勒效
应的密勒电容补偿的改进型，嵌套式密勒补偿，有源反馈补偿和电流缓冲技术，基于控制理论的阻尼系数补偿等。但是现有技术很难同时保证轻载下的环路稳定性和重载下的快速瞬态响应。本发明能够克服现有技术的不足，在保证更高相位裕度的同时增强瞬态响应。


技术实现要素：

8.本发明采用多种技术相结合的方式来实现频率补偿，同时提出一种新的方式实现快速瞬态响应，具有超高相位裕度、结构简单、pvt稳定性好、瞬态响应迅速、带载能力强的优点。
9.本发明采用的技术方案为一种基于多种频率补偿方式的高瞬态响应ldo电路，分为两部分，第一部分将对第二部分采集到的电压信号与基准电压作比较并获得残差电压，将残差电压进行采样和放大处理，将残差电压放大处理后的差值信号传递至缓冲级电路；第二部分利用经过缓冲级电路的电压信号调整功率管的导通程度，并获得新的电压信号，然后将新的电压信号采样后传递回第一部分。
10.上述目的通过以下技术方案实现：
11.所述的高瞬态响应ldo电路包括五部分：折叠式共源共栅放大器、前馈电路、缓冲级电路、频率补偿电路(零极点追踪补偿和采用嵌入式电流缓冲技术的密勒补偿)和功率级电路。实现了对传统ldo电路的动态频率补偿，保证了ldo环路的稳定性。如图2所示，折叠式共源共栅放大器反相输入端接基准电压v
ref
，同相输入端接反馈电压v
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，输出端接缓冲级。缓冲级与功率管栅极之间连接零极点追踪频率补偿电路。功率管漏极接输出端，输出端与地之间还有两个串联反馈分压电阻r
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、r
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，两电阻之间的反馈电压v
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接回到折叠式共源共栅放大器同相输入端，形成负反馈回路。为了增强环路稳定性，本发明在折叠式共源共栅放大器与输出之间连接采用了嵌入式电流缓冲技术的米勒补偿电路。为了达到更快速的瞬态响应，本发明从折叠式共源共栅放大器直接连接前馈电路到功率管栅极。
12.进一步地，所述的折叠式共源共栅放大器电路包含pmos管m1、m2、m7、m8、m9、m10，nmos管m3、m4、m5、m6和尾电流源i
tail1
。pmos管m1的栅极连接v
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，源极连接尾电流源i
tail1
，漏极连接pmos管m3的源极和nmos管m5的漏极；pmos管m2的栅极连接基准电压v
ref
，源极连接尾电流源i
tail1
，漏极连接pmos管m4的源极和nmos管m6的漏极；pmos管m7和m8的栅极均连接pmos管m9的漏极，源极均连v
in
,漏极分别连pmos管m9的源极和pmos管m10的源极；pmos管m9和m10的栅极均连偏置电压v
b1
，漏极分别连接pmos管m3的漏极和m4的漏极；nmos管m3和m4的栅极均连偏置电压v
b2
，源极分别连接nmos管m5和m6的漏极；nmos管m5和m6的栅极均连偏置电压v
b3
，源极均接地。
13.所述的前馈电路包含pmos管m11、m12、m13和nmos管m14、m15和尾电流源i
tail2
。pmos管m11和m12的源极均连尾电流源i
tail2
，栅极分别连接nmos管m3和m4的源极，pmos管m11的漏极接地，pmos管m12的漏极连接pmos管m13的源极；pmos管m13的栅极接限制电压v
limit
；nmos管m14与m15的栅极均连pmos管m13的漏极，源极均接地，nmos管m14栅漏短接；nmos管m15漏极接pmos管m18的栅极。
14.所述缓冲级电路包含pmos管m16和尾电流源i
tail3
，pmos管m16的源极连尾电流源i
tail3
，栅极连pmos管m10的漏极，漏极接地。
15.所述频率补偿电路包含pmos管m17和电容c1、c2以及电阻r1。pmos管m17的源极接vin
，栅极连接电容c1的一端，漏极连接电容c1的另一端；电阻r1一端连接nmos管m4的源极，另一端连接电容c2；电容c2的另一端连接输出端。
16.所述功率级电路包含分压电阻r
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、r
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和pmos管m18。pmos管m18的源极接v
in
，栅极接pmos管m17的栅极，漏极接输出端；分压电阻r
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一端接输出端，另一端接分压电阻r
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；分压电阻r
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另一端接地；两分压电阻之间形成的反馈电压v
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给到pmos管m1的栅极。
17.本发明采用零极点追踪和密勒补偿相结合的方式来实现频率补偿，在保持极高相位裕度的同时增大了系统的单位增益带宽。通过一前馈通路模块在电压突变时将信号绕过缓冲级直接传递至功率管,实现更快的瞬态响应，在结构简单的同时具有良好的pvt特性。
附图说明
18.图1是ldo基本结构示意图
19.图2是本发明的ldo结构框图
20.图3是本发明的ldo电路原理图
具体实施方式
21.以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
22.一种基于多种频率补偿方式的高瞬态响应ldo电路，分为两部分，第一部分将对第二部分采集到的电压信号与基准电压作比较并获得残差电压，将残差电压进行采样和放大处理，将残差电压放大处理后的差值信号传递至缓冲级电路；第二部分利用经过缓冲级电路的电压信号调整功率管的导通程度，并获得新的电压信号，然后将新的电压信号采样后传递回第一部分。
23.频率补偿原理：
24.频率补偿模块分为两部分，第一部分是pmos管m17和电容c1组成的零极点追踪补偿部分；第二部分是电容c2和电阻r1组成的采用嵌入式电流缓冲技术的密勒补偿部分。
25.工作在深度线性区的pmos管m17的等效电阻和电容c1可在缓冲器源端与交流地之间产生动态零点。pmos管m17与m18的栅端相连，控制了m17的栅源电压，进而控制其等效电阻。在适当地选择pmos管m17的尺寸后，可实现该零点与输出端极点的抵消，从而达到零极点追踪补偿的效果。
26.电容c2可看作跨接在放大器两端，由密勒效应可知该电容在输入端产生了一个较大的对地等效电容，这使原本相近的两极点中低频的向更低频移动，输出端同理，从而产生了“极点分裂”。密勒电容在用这种方式提高了系统的稳定性的同时，还增加了系统的带宽，增强了系统的瞬态性能。但它同时也产生了一个右半平面零点，使得系统相位交点左移，增益交点右移，影响了系统稳定性，与电容c2串联的电阻r1正是为了解决这一问题。当电阻r1足够大时，将产生一左半平面零点以增加相位裕度，增强系统稳定性。
27.除此之外，本发明还采用了嵌入式电流缓冲技术，pmos管m4和m6除了作为误差放大器中的一部分，同时还与密勒电容c2一起组成了电流缓冲电路。因为流过密勒电容支路的不仅有反馈电流，还有带来负面影响的前馈电流，pmos管m4和m6能使流过密勒电容的电流具有方向性，阻断了前馈电流，消除了负面影响。由于该嵌入式电流缓冲技术没有增加新的mos管，并没有产生额外功耗。
28.前馈通路原理：
29.电路启动时，系统的输入电压瞬态变化后，m1、m3和m2、m4两组共源共栅管所在通路电流紧接着发生变化，从而导致m11、m12的栅压发生变化，进一步影响了m12～m14支路的电流。此处m13栅端接限制电压v
limit
，作为保护管，防止此支路电流过大。m15拷贝m14的电流后，绕过缓冲级的m16，直接对功率管m18的栅端电压产生影响。该前馈通路跳过了缓冲级，直接从误差放大器到输出功率管，减少了电路从启动开始建立稳态的时间，很大程度改善了电路的瞬态响应。
30.稳压原理：
31.当ldo输出端电压发生改变时，反馈电阻r
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和电阻r
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将分压后的采样电压信号传递至pmos管m1的栅端，与基准电压进行比较，二者的差值电压经折叠式共源共栅放大器放大，源跟随器增加摆幅后，传递至功率管m18的栅端控制其导通程度。从而流过两反馈电阻的电流发生变化，两电阻间的反馈电压v
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也随之变化，最后v
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又被反馈回m1，形成负反馈环路，实现稳压。其中，差分输入端m1，m2选择pmos管而非nmos管，因为前者的热噪声更小，增益级放大器选择折叠式共源共栅结构，因为它在提供相当高的增益的同时有良好的瞬态性能。
32.本发明的有益效果是：
33.本发明是无片外电容ldo，最终设计完成的电路仅需几pf的电容，实现了整个系统的完全集成，大大提高了ldo的集成程度，节约了芯片面积，减少了芯片成本。得益于多种补偿方式的共同作用，即使在轻载时仍具有88deg的超高相位裕度，为系统的稳定运行提供保障。同时，如此高的相位裕度允许了更大尺寸的功率管的存在，这提高了后者能通过的最大电流，也即提高了系统的驱动能力。前馈通路模块的存在加快了反馈环路的速度，使得系统在面对输入电压的突变时能在更短的时间内恢复正常工作的状态。
34.当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。