适用于无电容型大功率低压差线性稳压器的瞬态增强电路

摘要

本发明涉及一种适用于无电容型大功率低压差线性稳压器的瞬态增强电路，低压差线性稳压器包括功率调整管，瞬态增强电路包括电压取样部分和瞬态增强部分；电压取样部分与低压差线性稳压器的输出端相连接；瞬态增强部分的输入端与电压取样部分相连接，其输出端与功率调整管的栅极相连接；当低压差稳压器的负载由轻载变化到重载时，瞬态增强部分拉低功率调整管的栅极的电位而恢复被拉低的低压差稳压器的输出电压；当低压差稳压器的负载由重载变化到轻载时，瞬态增强部分提升功率调整管的栅极的电位而恢复被拉升的低压差稳压器的输出电压。本发明的瞬态增强电路结构简单，几乎不增加低压差稳压器的静态功耗电流，可实现低压差稳压器的快速响应。

说明书

技术领域

本发明涉及一种能够使无电容型低压差线性稳压器电路实现快速瞬态响 应的电路。

背景技术

LDO（Low Dropout Voltage Regulator：低压差线性稳压器）是最简单的 线性稳压电源，它具有体积小、噪声小、输出波纹低，无电磁干扰且设计简 单、外围原件少等优点。

同传统型的LDO相比，无电容型LDO的最大区别在于电路结构上少 了输出端并联的大电容。在传统LDO中，该输出端的大电容是一个非常重 要的电荷储存和提供器件，能有效减小由于负载电流阶跃变化时输出电压的 跌落和电压过冲。而对于无电容型LDO，负载的阶跃变化必须依靠调整管的 快速响应，即调整管的栅极电压根据负载的变化能够快速响应。

为了满足1A（安培）大输出电流和低压差的需要，LDO调整管尺寸要求 非常大。目前大功率低功耗LDO通常采用PMOS调整管，其宽度W通常为 几百毫米，这就意味着PMOS调整管存在巨大的栅源寄生电容。当LDO负载 变化时，如果仅依靠LDO自身环路反馈调节，如此巨大的寄生电容使LDO 稳定输出的调节时间很长，不能满足一些特殊供电系统的要求。因此，当负 载变化导致LDO输出电压的变化以及其变化的响应速度是LDO的一项重要 指标。

申请号为200610023879.7的专利申请公开了一种加快LDO输出电压的方 法，但其中负载电流的变化范围较小，最大负载仅为100mA；同时，为了减 小额外的静态功耗，产生比较电位的电阻分压网络需要较大的电阻值，无疑 占据了较大的芯片面积。

发明内容

本发明的目的是提供一种LDO系统的负载发生突变时能够使LDO的输出 电压实现快速稳定的瞬态增强电路。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种适用于无电容型大功率低压差线性稳压器的瞬态增强电路，与无电 容型大功率的低压差线性稳压器相连接，所述的低压差线性稳压器包括带隙基 准电压源、运算放大器、缓冲电路、功率调整管、反馈电阻网络，所述的功率 调整管的漏极为所述的低压差线性稳压器的输出端，所述的适用于无电容型大 功率低压差线性稳压器的瞬态增强电路包括

电压取样部分，所述的电压取样部分与所述的低压差线性稳压器的输出 端相连接并对其输出电压进行取样；

瞬态增强部分，所述的瞬态增强部分的输入端与所述的电压取样部分相 连接，且其输出端与所述的功率调整管的栅极相连接；

当所述的低压差稳压器的负载稳定时，所述的瞬态增强部分关闭；当所 述的低压差稳压器的负载由轻载变化到重载时，所述的低压差稳压器的输出电 压降低，所述的瞬态增强部分拉低所述的功率调整管的栅极的电位，进而增加 所述的功率调整管的电流而恢复被拉低的所述的低压差稳压器的输出电压；当 所述的低压差稳压器的负载由重载变化到轻载时，所述的低压差稳压器的输出 电压升高，所述的瞬态增强部分提升所述的功率调整管的栅极的电位，进而降 低所述的功率调整管的电流而恢复被拉升的所述的低压差稳压器的输出电压。

优选的，所述的瞬态增强部分包括在所述的低压差稳压器的负载由轻载 变化到重载时起作用的拉低模块、在所述的低压差稳压器的负载由重载变化到 轻载时起作用的拉升模块；

所述的电压取样部分与所述的拉低模块之间设置有控制所述的拉低模块 是否开启的第一开关管，所述的电压取样部分与所述的拉升模块之间设置有控 制所述的拉升模块是否开启的第二开关管。

优选的，所述的第一开关管的基极与所述的电压取样部分相连接，其集 电极与所述的拉低模块相连接；所述的第二开关管的基极与所述的电压取样部 分相连接，其集电极与所述的拉升模块相连接。

优选的，所述的拉低模块包括第五管、第六管、第七管，所述的第五管 的基极和集电极与所述的第一开关管相连接，所述的第五管的发射极与所述的 第六管的集电极相连接，所述的第六管的基极与所述的第七管的基极相连接， 所述的第六管的发射极和所述的第七管的发射极均接地，所述的第七管的集电 极连接至所述的功率调整管的栅极；

所述的拉升模块包括第九管、第十管、第十一管、第十二管，所述的第 九管的基极和发射极与所述的第二开关管相连接，所述的第九管的集电极与所 述的第十管的基极相连接，所述的第十管的集电极与所述的第十一管集电极相 连接，所述的第十一管的积极与所述的第十二管的基极相连接，所述的第十一 管的发射极和所述的第十二管的发射极与所述的第九管的发射极相连接，所述 的第十管的发射极接地，所述的第十二管的集电极连接至所述的功率调整管的 栅极。

优选的，电压取样部分包括第一管、第二管、第三管，所述的第二管的 发射极与所述的低压差稳压器的输出端相连接，所述的第二管的基极与所述的 第一管的发射极相连接，所述的第一管的集电极与所述的第一开关管的集电极 相连接，所述的第一管的基极与所述的缓冲电路的输入端相连接，所述的第二 管的集电极与所述的第三管的集电极和基极相连接，所述的第三管的发射极接 地，所述的第三管的基极为所述的电压取样部分的输出端与所述的第一开关管 和所述的第二开关管相连接。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明 的瞬态增强电路结构简单、占用芯片面积较小，几乎不增加低压差稳压器的静 态功耗电流，可以实现低压差稳压器的快速响应。

附图说明

附图1为无电容型低压差稳压器的原理框图。

附图2为本发明的适用于无电容型大功率低压差线性稳压器的瞬态增强 电路的电路图。

附图3为采用了本发明的瞬态增强电路的无电容型大功率低压差线性稳 压器的输出电压对负载变化的瞬态响应图。

具体实施方式

下面结合附图所示的实施例对本发明作进一步描述。

实施例一：参见附图1所示。

一种适用于无电容型大功率低压差线性稳压器的瞬态增强电路，与无电 容型大功率的低压差线性稳压器相连接。

低压差线性稳压器包括带隙基准电压源Bandgap、运算放大器Opamp、缓 冲电路Buffer、功率调整管PMOS、反馈电阻网络。带隙基准电压源Bandgap 与运算放大器Opamp的反相输入端相连接，运算放大器Opamp的输出端与缓 冲电路Buffer的输入端相连接，缓冲电路Buffer的输出端与功率调整管PMOS 的栅极相连接，功率调整管PMOS的源极与带隙基准电压源Bandgap相连接， 功率调整管PMOS的漏极连接反馈电阻网络，反馈电阻网络包括相串联的第 一电阻R₁和第二电阻R₂，第一电阻R₁和第二电阻R₂的共同端连接至运算放 大器Opamp的通向输入地，功率调整管PMOS的漏极为低压差线性稳压器的 输出端并连接有负载电阻R_L。

适用于无电容型大功率低压差线性稳压器的瞬态增强电路包括电压取样 部分和瞬态增强部分。瞬态增强部分的输入端与电压取样部分相连接，且其输 出端与功率调整管PMOS的栅极相连接。当低压差稳压器的负载稳定时，瞬 态增强部分关闭；当低压差稳压器的负载由轻载变化到重载时，低压差稳压器 的输出电压降低，瞬态增强部分拉低功率调整管PMOS的栅极的电位，进而 增加功率调整管PMOS的电流而恢复被拉低的低压差稳压器的输出电压；当 低压差稳压器的负载由重载变化到轻载时，低压差稳压器的输出电压升高，瞬 态增强部分提升功率调整管PMOS的栅极的电位，进而降低功率调整管PMOS 的电流而恢复被拉升的低压差稳压器的输出电压。

具体地说，瞬态增强部分包括在低压差稳压器的负载由轻载变化到重载 时起作用的拉低模块、在低压差稳压器的负载由重载变化到轻载时起作用的拉 升模块。电压取样部分与拉低模块之间设置有控制拉低模块是否开启的第一开 关管Q4，电压取样部分与拉升模块之间设置有控制拉升模块是否开启的第二 开关管Q8。第一开关管Q4的基极与电压取样部分相连接，其集电极与拉低 模块相连接；第二开关管Q8的基极与电压取样部分相连接，其集电极与拉升 模块相连接。

参见附图2所示，电压取样部分与低压差线性稳压器的输出端相连接并 对其输出电压进行取样。该电压取样部分包括第一管Q1、第二管Q2、第三管 Q3。第二管Q2的发射极与低压差稳压器的输出端相连接，第二管Q2的基极 与第一管Q1的发射极相连接，第一管Q1的集电极与第一开关管Q4的集电 极相连接，第一管Q1的基极与缓冲电路Buffer的输入端相连接，第二管Q2 的集电极与第三管Q3的集电极和基极相连接，第三管Q3的发射极接地，第 三管Q3的基极为电压取样部分的输出端与第一开关管Q4和第二开关管Q8 相连接。

拉低模块包括第五管Q5、第六管Q6、第七管Q7。第五管Q5的基极和 集电极与第一开关管Q4的集电极相连接，第五管Q5的发射极与第六管Q6 的集电极相连接，第六管Q6的基极与第七管Q7的基极相连接，第六管Q6 的发射极和第七管Q7的发射极均接地，第七管Q7的集电极连接至功率调整 管PMOS的栅极；

拉升模块包括第九管Q9、第十管Q10、第十一管Q11、第十二管Q12。 第九管Q9的基极和发射极与第二开关管Q8的集电极相连接，第九管Q9的 集电极与第十管Q10的基极相连接，第十管Q10的集电极与第十一管Q11集 电极相连接，第十一管Q11的积极与第十二管Q12的基极相连接，第十一管 Q11的发射极和第十二管Q12的发射极与第九管Q9的发射极相连接，第十管 Q10的发射极接地，第十二管Q12的集电极连接至功率调整管PMOS的栅极。

该瞬态增强电路的具体工作原理如下：

1、当低压差稳压器稳定输出时（负载不变化），瞬态增强电路关闭。

设第一开关管Q4的集电极偏置电流为I₁，第二开关管Q8的集电极偏置 电流为I₂。设第一开关管Q4与第二开关管Q8的基极-发射极电压 V_BE4=V_BE8=VA，第一开关管Q4的发射极面积S4等于第二开关管Q8的发射 极面积S 8，则I_S4=I_S8，令I_S4=I_S8=I_S。

如果第一开关管Q4的电流为第七管Q7关闭。（1）

如果第二开关管Q8的电流为第二开关管Q8关闭。（2）

即当时，瞬态增强电路关闭。（3）

其中，I_S为PN结反向饱和电流，正比于μ为硅的少数载流子 迁移率，n_i为硅的本征载流子浓度，T为绝对温度，k为波尔兹曼常数。因此 可以设置A节点的电压，当系统正常工作时保证上式（3）成立，则该瞬态增 强电路关闭。

2、当低压差稳压器的负载电流突然增加，即系统负载由轻载到重载变化 时，系统环路来不及做出反应，低压差稳压器的输出电压OUT瞬间降低。

由于第二管Q2的发射极采样低压差稳压器的输出电压OUT电压的变化， 在负载瞬间变化时，第二管Q2的基极电压不变，因此第二管Q2的发射极- 基极电压减小，导致第二管Q2的发射极电流减小，即第三管Q3的集电极电 流减小。由于VA=V_BE2*ln（I_C/I_S），因此A点的电压VA减低，第一开关管Q4 关闭，第五管Q5的基极电位被拉高，第五管Q5开启，导致第六管Q6和第 七管Q7开启，迅速把功率调整管PMOS的栅极电位拉低，即为其栅极电压提 供了一条快速放电回路，进而增加功率调整管PMOS的电流，迅速恢复被重 负载拉低的低压差稳压器的输出电压OUT。为了能快速恢复低压差稳压器的 输出电压OUT，第七管Q7的下拉能力要强，第七管Q7需要较大的发射极面 积。在此期间，第二开关管Q8、第九管Q9、第十管Q10、第十一管Q11和 第十二管Q12处于关闭模式。如图3所示，低压差稳压器的输出电压OUT稳 定输出为1.8V。当负载电流从10μA到1A瞬间增加，低压差稳压器的输出电 压突然降低，但由于瞬态增加电路的作用，低压差稳压器的输出电压OUT跌 落到1.71V时开始回升，在4μs趋于稳定，6μs内即恢复到稳定值。

当低压差稳压器的输出电压稳定后，即输出电压OUT由低恢复到常态后， 第五管Q5、第六管Q6和第七管Q7关闭；第九管Q9、第十 管Q10、第十一管Q11和第十二管Q12关闭，则瞬态增强电路完全关闭，不 增加低压差稳压器系统的静态功耗。

3、当低压差稳压器的负载电流突然降低，即系统负载由重载到轻载变化 时，系统环路来不及做出反应，低压差稳压器的输出电压OUT瞬间被抬高。

由于第二管Q2的发射极采样低压差稳压器的输出电压OUT的变化，负 载瞬间变化时，第二管Q2的基极电压不变，因此第二管Q2的发射极-基极电 压升高，导致第二管Q2的发射极电流增大，即第三管Q3的集电极电流增大。 由于VA=V_BE2*ln（I_C/I_S），因此A点的电压VA升高。当时，第二 开关管Q8的集电极电位被拉低，进而第九管Q9开启，导致第九管Q9的集 电极电位升高，进而第十管Q10、第十一管Q11和第十二管Q12开启。设置 第十二管Q12具有较大的发射极面积，因此当第十二管Q12开启后，它可以 迅速拉升功率调整管PMOS的栅极电位，即为其栅极电压提供了一条快速充 电的回路，降低了功率调整管PMOS的源漏电流，快速恢复被轻负载抬高的 输出电压OUT。同样，在此期间，第一开关管Q4、第五管Q5、第六管Q6 和第七管Q7处于关闭模式。当负载电流从1A到10μA瞬间降低后，低压差 稳压器的输出电压OUT突然升高，但由于瞬态增加电路的作用，低压差稳压 器的输出电压OUT升至1.88V时开始回落，在3μs趋于稳定，6μs内即恢复 到稳定值，如图3所示。

当低压差稳压器的输出电压OUT稳定后，即其由高压恢复到常压后，由 于第九管Q9、第十管Q10、第十一管Q11和第十二管Q12关 闭，则瞬态增强电路完全关闭，不增加低压差稳压器系统的静态功耗。

由于三极管的跨导较大，即使被偏置在很小的电流下也有较快的速度， 因此电压取样部分电路的第一管Q1、第二管Q2、第三管Q3和第一开关管 Q4和第二开关管Q8的功耗很低，因此几乎不增加整体静态功耗。

本发明的瞬态增强电路通过取样电路检测低压差稳压器的输出电压OUT 的瞬态过冲，一旦出现瞬态过冲，则为功率调整管PMOS的栅极节点提供额 外的充电或放电回路，因此提高了功率调整管PMOS的栅极的压摆率，进而 增加了低压差稳压器的瞬态响应速度。当输出电压接近于理想输出值时，瞬 态增强环路关闭，不增加静态功耗，最终由低压差稳压器的主环路完成输出 电压的精确调整。

为了保证较快的响应速度和较大泄放电流的需要，本发明的瞬态增强电 路采用双极工艺实现。MOS晶体管电流的大小与W/L成正比，电流越大，相 应面积就越大，寄生电容也越大，因此限制了电路的响应速度。双极晶体管 的跨导与发射极电流成正比，与发射极面积无关，它可以对调整管提供较大 的驱动能力。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项 技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护 范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保 护范围之内。