低压差稳压电路和低压差稳压器

摘要

本发明公开了低压差稳压电路和低压差稳压器，其中，输入端口用于输入待稳压电压，输出端口接入外部负载并输出稳压电压至外部负载，放大单元用于将待稳压电压转换为具有高阻抗差分特性的输出电流；下峰单元用于抑制当稳压电压突然下降时，稳压电压的下冲电压峰值；上峰单元用于降低当输出端口输出的稳压电压突然上升时，稳压电压的上冲电压峰值；传输单元用于依据流经外部负载的输出电流的变化控制静态电流呈比例地同步变化；缓冲单元用于缓冲当稳压电压突变时，流经外部负载的输出电流的变化幅度；本发明有效地减少并控制了负载突然变化而引起的过冲和下冲电压尖峰，有效增强电流驱动能力。

说明书

技术领域

本发明涉及稳压器制造技术领域，尤其涉及低压差稳压电路和低压差稳压器。

背景技术

随着电子移动产品的强大需求与电池密度的快速发展，电子产品使用电池供电的比例不断增加，甚至乎汽车也趋向于使用电池作为驱动源。所有这些电子产品都需要设计并集成一套电源管理系统来满足稳定供电的要求。其中，低压差LDO（low dropoutvoltage）稳压器具有良好的电源效率，瞬态响应和抗扰性，是较为常用的一种电路。

低压差稳压器是一种直流线性稳压器，即使电源电压非常接近输出电压，也可以调节输出电压。低压差稳压器相对于其他DC-DC稳压器的优势包括：没有开关噪声；器件尺寸更小；电路更简单；缺点是线性直流稳压器必须通过调节电路耗散功率，散发热量，才得以调节输出电压。低压差稳压器的关键性能指标包括线性调整率（line regulation），负载调节率（load regulation），最大负载电流，瞬态响应，片上电容值，稳定性，静态电流幅度和电源抑制比（power supply rejection ratio）等。它们之间都有相互取舍关系，如降低静态电流时，瞬态响应会受到影响。近年出现出了不少新的低压差稳压器架构和设计优化方案，然而，现有的各种架构及设计均都具有一些局限，如使用局部共模反馈技术来增加传输特性的阶数，令在低静态电流下可以实现更好的调节，该方法虽然可以改善线性调整率和负载调节率，但负载过渡期间的电压尖峰却很高。又如使用多个小增益级，以避免稳压器的负载分配在两个传输晶体管之间和片上电容，但线性调整率和负载调节率并不理想。再如使用一个翻转的电压跟随器输出级来改善响应时间并减少负载转换期间的电压尖峰，但是输出电流不高。

另外，采用集成片上电容是一种低压差稳压器的常见设计手段，所以低压差稳压器占用的芯片面积在很大程度上取决于片上电容器的尺寸，但是，如果为减小电容值来减小芯片面积，则瞬态响应和稳定性会下降。

发明内容

本发明的目的是提供低压差稳压电路和低压差稳压器，能够有效地减少并控制了负载突然变化而引起的过冲和下冲电压尖峰，且能够有效增强电流驱动能力。

为了实现上有目的，本发明公开了一种低压差稳压电路，其包括输入端口、输出端口、放大单元、下峰单元、上峰单元、传输单元和缓冲单元，所述输入端口用于输入待稳压电压，所述输出端口接入外部负载并输出稳压电压至所述外部负载，所述放大单元用于将所述待稳压电压转换为具有高阻抗差分特性的输出电流；所述下峰单元用于抑制当所述稳压电压突然下降时，所述稳压电压的下冲电压峰值；所述上峰单元用于降低当所述输出端口输出的稳压电压突然上升时，所述稳压电压的上冲电压峰值；所述传输单元用于依据流经所述外部负载的输出电流的变化控制静态电流呈比例地同步变化；所述缓冲单元用于缓冲当所述稳压电压突变时，流经所述外部负载的输出电流的变化幅度。

与现有技术相比，本发明通过设置放大单元、下峰单元、上峰单元、传输单元和缓冲单元，下峰单元抑制当所述稳压电压突然下降时，所述稳压电压的下冲电压峰值，上峰单元降低当所述输出端口输出的稳压电压突然上升时，所述稳压电压的上冲电压峰值，而传输单元依据流经所述外部负载的输出电流的变化控制静态电流呈比例地同步变化，使得本发明能够有效地减少并控制了负载突然变化而引起的过冲和下冲电压尖峰，且能够有效增强电流驱动能力，另外，本发明所采用的电容均为皮发拉级别的电容，有效减小芯片的集成面积，适于制成小型化的低压差稳压器；

所述放大单元包括第四场效应管M4和第七场效应管M7，所述第四场效应管M4和第七场效应管M7的源极分别接所述输入端口，所述第四场效应管M4和第七场效应管M7的漏极之间短接；

所述下峰单元包括第一场效应管M1、第一电阻R1、第一电容C1和第一恒流源I1，所述第一电阻R1的一端接所述第一场效应管M1的栅极，另一端分别接所述第一电容C1和第四场效应管M4的栅极，所述第一场效应管M1的源极接所述输入端口，所述第一恒流源I1的输入端接所述第一场效应管M1的漏极，输出端接地，所述第一电阻R1和第一电容C1共同构成第一微分器，以在所述第四场效应管M4的VGS值瞬时增加时，通过提供较大的静态电流并对寄生电容充电，以降低所述稳压电压的下冲电压峰值；

所述上峰单元包括第十二场效应管M12、第十三场效应管M13、第十四场效应管M14、第二电阻R2、第二电容C2、第三电容C3和第二恒流源I2，所述第十二场效应管M12的栅极接所述第七场效应管M7的栅极，源极接所述输入端口，漏极接所述第十三场效应管M13的漏极，所述第十三场效应管M13的栅极通过所述第二电阻R2接所述第十四场效应管M14的栅极，所述第十三场效应管M13和第十四场效应管M14的源极分别接地，所述第十四场效应管M14的栅极和漏极之间短接，所述第二恒流源I2的输入端接所述输入端口，输出端接所述第十四场效应管M14的漏极，所述第二电容C2和第三电容C3串联，所述输出端口接于所述第二电容C2和第三电容C3之间，所述第一电容C1远离所述第一电阻R1的一端接于所述第二电容C2和第三电容C3之间，所述第三电容C3远离所述第二电容C2的一端接于所述第十三场效应管M13的栅极和第二电阻R2之间，所述第二电阻R2和第三电容C3共同构成第二微分器，以通过所述第十三场效应管M13、第十二场效应管M12和第七场效应管M7反馈并调节静态电流，以降低所述稳压电压的上冲电压峰值。

较佳地，所述传输单元包括第十五场效应管M15、第十六场效应管M16、第十七场效应管M17、第十八场效应管M18、第十九场效应管M19、第二十场效应管M20、第三恒流源I3和肖特基二极管D1，所述肖特基二极管D1集成于芯片上，所述第十五场效应管M15的栅极接所述第二电容C2远离所述第三电容C3的一端，漏极接所述输入端口，源极接所述第十六场效应管M16的源极，衬底接所述肖特基二极管D1的输出端，所述第十八场效应管M18的栅极接所述第十五场效应管M15的栅极，漏极接所述输入端口，源极接所述输出端口，衬底接所述肖特基二极管D1的输出端，所述第十六场效应管M16的栅极接所述第十九场效应管M19的栅极，漏极接所述第十七场效应管M17的漏极，所述第十九场效应管M19的漏极接所述第三恒流源I3的输入端，所述第十九场效应管M19的漏极还与所述第十九场效应管M19的栅极短接，所述第三恒流源I3的输出端接地，所述第十七场效应管M17的源极接地，栅极接所述第二十场效应管M20的栅极，所述第二十场效应管M20的漏极接所述肖特基二极管D1的输出端，源极接地，所述肖特基二极管D1的输入端接所述输入端口，所述第十六场效应管M16和第十九场效应管M19共同构成电流镜，以使所述第十八场效应管M18和第十五场效应管M15具有相同的漏极电压，所述第十七场效应管M17和第二十场效应管M20共同构成晶体管结构，以自适应地依据所述外部负载的输出电流的变化控制所述肖特基二极管D1的偏置点，从而使所述静态电流能够依据所述外部负载的输出电流的变化呈比例地同步变化。

较佳地，所述缓冲单元包括第二十一场效应管M21、第三电阻R3、第四电阻R4和第四电容C4，所述第二十一场效应管M21的栅极接所述第四电容C4的一端，源极接地，漏极接所述输出端口，所述第四电容C4的另一端接于所述第二十一场效应管M21的漏极和第十九场效应管M19的源极之间，所述第三电阻R3的一端接于所述第四电容C4和第二十一场效应管M21的漏极之间，另一端接于所述第四电容C4和第二十一场效应管M21的栅极之间，所述第四电阻R4的一端接于所述第四电容C4和第二十一场效应管M21的栅极之间，另一端接地。

较佳地，所述静态电流为所述低压差稳压电路断开与所述外部负载的电连接后，所述低压差稳压电路的内部电流。

相应地，本发明还公开了一种低压差稳压器，其包括如上所述的低压差稳压电路。

附图说明

图1是本发明的低压差稳压电路的电路图。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。

请参阅图1所示，本实施例的低压差稳压器能够有效改善负载突变期间的电流与电压尖峰，被大量使用小体积电容，能够满足稳定且小型化的需求。该低压差稳压器包括低压差稳压电路。下面对低压差稳压电路的具体电路结构进行详细描述。

请参阅图1所示，本实施例的低压差稳压电路包括输入端口10、输出端口20、放大单元30、下峰单元40、上峰单元50、传输单元60和缓冲单元70，其中，该输入端口10用于输入待稳压电压，输出端口20接入外部负载（图中未示）并输出稳压电压至外部负载。可以理解的是，待稳压电压经由输入端口10进入低压差稳压电路后进行稳压处理，并从输出端口20输出至外部负载。这里的外部负载包括但不限于各种用电设备。

当低压差稳压电路接入外部负载并正常运行时，流经低压差稳压电路的是工作电流，而当低压差稳压电路断开与外部负载的电连接后，低压差稳压电路的内部电流为静态电流。

放大单元30用于将待稳压电压转换为具有高阻抗差分特性的输出电流；下峰单元40用于抑制当稳压电压突然下降时，稳压电压的下冲电压峰值；上峰单元50用于降低当输出端口20输出的稳压电压突然上升时，稳压电压的上冲电压峰值；传输单元60用于依据流经外部负载的输出电流的变化控制静态电流呈比例地同步变化；缓冲单元70用于缓冲当稳压电压突变时，流经外部负载的输出电流的变化幅度。

具体地，放大单元30为一压控电流源，放大单元30设有具有高阻抗差分特性的高阻抗差分输入级，待稳压电压接入高阻抗差分输入级。待稳压电压经放大单元30的放大处理后，产生具有高阻抗差分特性的输出电流。

较佳地，放大单元30包括第四场效应管M4和第七场效应管M7，第四场效应管M4和第七场效应管M7的源极分别接输入端口10，第四场效应管M4和第七场效应管M7的漏极之间短接。

可以理解的是，这里的放大单元30可以看做运算跨导放大器，以实现待稳压电压的高阻抗差分放大处理。

较佳地，下峰单元40包括第一场效应管M1、第一电阻R1、第一电容C1和第一恒流源I1，第一电阻R1的一端接第一场效应管M1的栅极，另一端分别接第一电容C1和第四场效应管M4的栅极，第一场效应管M1的源极接输入端口10，第一恒流源I1的输入端接第一场效应管M1的漏极，输出端接地，第一电阻R1和第一电容C1共同构成第一微分器，以在第四场效应管M4的VGS值瞬时增加时，通过提供较大的静态电流并对寄生电容充电，以降低稳压电压的下冲电压峰值。

可以理解的是，当外部负载急剧变化而导致输出端口20的稳压电压突然下降时，第一微分器能够使第四场效应管M4的VGS值瞬时增加，以使低压差稳压电路获得较大的静态电流，且第一微分器能够对低压差稳压电路形成的寄生电容充电，从而降低稳压电压的下冲电压峰值。第一微分器工作时，上峰单元50处于截止状态。

较佳地，上峰单元50包括第十二场效应管M12、第十三场效应管M13、第十四场效应管M14、第二电阻R2、第二电容C2、第三电容C3和第二恒流源I2，第十二场效应管M12的栅极接第七场效应管M7的栅极，源极接输入端口10，漏极接第十三场效应管M13的漏极，第十三场效应管M13的栅极通过第二电阻R2接第十四场效应管M14的栅极，第十三场效应管M13和第十四场效应管M14的源极分别接地，第十四场效应管M14的栅极和漏极之间短接，第二恒流源I2的输入端接输入端口10，输出端接第十四场效应管M14的漏极，第二电容C2和第三电容C3串联，输出端口20接于第二电容C2和第三电容C3之间，第一电容C1远离第一电阻R1的一端接于第二电容C2和第三电容C3之间，第三电容C3远离第二电容C2的一端接于第十三场效应管M13的栅极和第二电阻R2之间，第二电阻R2和第三电容C3共同构成第二微分器，以通过第十三场效应管M13、第十二场效应管M12和第七场效应管M7反馈并调节静态电流，以降低稳压电压的上冲电压峰值。

可以理解的是，当输出端口20的稳态电压过冲时，上峰单元50启动，第二微分器透过第十三场效应管M13、第十二场效应管M12和第七场效应管M7反馈并调节静态电流，以降低稳压电压的上冲电压峰值。第二微分器工作时，下峰单元40处于截止状态。

较佳地，传输单元60包括第十五场效应管M15、第十六场效应管M16、第十七场效应管M17、第十八场效应管M18、第十九场效应管M19、第二十场效应管M20、第三恒流源I3和肖特基二极管D1，肖特基二极管D1集成于芯片上，第十五场效应管M15的栅极接第二电容C2远离第三电容C3的一端，漏极接输入端口10，源极接第十六场效应管M16的源极，衬底接肖特基二极管D1的输出端，第十八场效应管M18的栅极接第十五场效应管M15的栅极，漏极接输入端口10，源极接输出端口20，衬底接肖特基二极管D1的输出端，第十六场效应管M16的栅极接第十九场效应管M19的栅极，漏极接第十七场效应管M17的漏极，第十九场效应管M19的漏极接第三恒流源I3的输入端，第十九场效应管M19的漏极还与第十九场效应管M19的栅极短接，第三恒流源I3的输出端接地，第十七场效应管M17的源极接地，栅极接第二十场效应管M20的栅极，第二十场效应管M20的漏极接肖特基二极管D1的输出端，源极接地，肖特基二极管D1的输入端接输入端口10，第十六场效应管M16和第十九场效应管M19共同构成电流镜，以使第十八场效应管M18和第十五场效应管M15具有相同的漏极电压，第十七场效应管M17和第二十场效应管M20共同构成晶体管结构，以自适应地依据外部负载的输出电流的变化控制肖特基二极管D1的偏置点，从而使静态电流能够依据外部负载的输出电流的变化呈比例地同步变化。

可以理解的是，为了降低外部负载突变期间的静态电流和稳态电压的尖峰，上述晶体管结构依据外部负载的电流的变化自适应地改变肖特基二极管D1的偏置点，这样静态电流的大小由外部负载电流控制并且成比例地变化，仅在外部负载突然变化期间才出现较大的静态电流值。肖特基二极管D1集成在芯片上。

较佳地，缓冲单元70包括第二十一场效应管M21、第三电阻R3、第四电阻R4和第四电容C4，第二十一场效应管M21的栅极接第八场效应管M8的栅极，源极接地，漏极接输出端口20，第四电容C4的一端接于第二十一场效应管M21的栅极和第八场效应管M8的栅极之间，另一端接于第二十一场效应管M21的漏极和第十九场效应管M19的源极之间，第三电阻R3的一端接于第四电容C4和第二十一场效应管M21的漏极之间，另一端接于第四电容C4和第二十一场效应管M21的栅极之间，第四电阻R4的一端接于第四电容C4和第二十一场效应管M21的栅极之间，另一端接地。

可以理解的是，第二十一场效应管M21在瞬时外部负载转变期间充当电流缓冲器，当外部负载在短时间内从最小值变为最大值时，第二十一场效应管M21的输出和栅极处的电压会下降，从而迫使第二十一场效应管M21接收较少的电流。与此同时，传输单元60将电流导向输出，从而改善本实施例的低压差稳压电路的瞬态响应，有效提升稳压性能。

需要说明的是，本实施例所理解的所有元器件或部分元器件可以共同集成在芯片上，以进一步缩小整体体积。

结合图1，本发明通过设置放大单元30、下峰单元40、上峰单元50、传输单元60和缓冲单元70，下峰单元40抑制当稳压电压突然下降时，稳压电压的下冲电压峰值，上峰单元50降低当输出端口20输出的稳压电压突然上升时，稳压电压的上冲电压峰值，而传输单元60依据流经外部负载的输出电流的变化控制静态电流呈比例地同步变化，使得本发明能够有效地减少并控制了负载突然变化而引起的过冲和下冲电压尖峰，且能够有效增强电流驱动能力，另外，本发明所采用的电容均为皮发拉级别的电容，有效减小芯片的集成面积，适于制成小型化的低压差稳压器。

以上所揭露的仅为本发明的优选实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。