一種具有實時頻率補償功能的線性穩壓器的製作方法

2023-06-04 22:08:16

本發明屬於模擬集成電路技術領域，具體涉及一種具有實時頻率補償功能的線性穩壓器。

背景技術：

集成電路中，線性穩壓器是一種很常用的電路模塊，線性穩壓器的基本結構如圖1所示。例如在高速MOSFET驅動器中，為了向功率MOSFET提供穩定的電壓，需要使用線性穩壓器來產生驅動電壓。

以線性穩壓器在半橋MOSFET驅動器中的應用為例，如圖2所示，MOSFET具有電容值較大的柵電容Cgd、Cgd,，在此將它們等效為單個柵電容CG。由於MOSFET驅動器需要控制MOSFET周期性開關，MOSFET驅動電路需要對CG進行快速的充放電操作，對當MOSFET驅動電路狀態切換時，線性穩壓器的負載情況也會發生突變。以低端N型MOSFET驅動及對應的線性穩壓器N為例，如圖3，當MOSFET關斷時，線性穩壓器輸出與MOSFET斷開，此時線性穩壓器的負載電容很小，輸出極點位置很高，這對於內置主極點的線性穩壓器是穩定的，而當MOSFET開啟時，線性穩壓器輸出與MOSFET的柵極相連，此時MOSFET驅動電路的負載主要為MOSFET的柵電容CG，此時輸出極點位置顯著降低，降低線性穩壓器環路的相位裕量，容易降低環路性能甚至引起自激振蕩。當MOSFET驅動電路狀態切換時，將使MOSFET驅動電路周期性地接入、斷開CG，這將嚴重影響無外置電容的線性穩壓器的穩定性和響應速度。產生這種問題的原因主要是無電容線性穩壓器通常是為電阻型負載和電容值穩定的電容性負載設計的。而處於開關中的MOSFET及驅動電路是一種周期性變化的電容負載，其穩定性與響應速度以及對應最優化的頻率補償電路需要依據負載的兩種狀態來分別討論。

該類問題同樣出現在其他負載電容可能發生突變的線性穩壓器應用環境中，尤其是使用片外無電容技術的線性穩壓器的穩定性更容易受到此類特殊負載的威脅。

技術實現要素：

本發明的目的，就是針對上述傳統線性穩壓器電路存在的問題，提出一種具有實時頻率補償功能的線性穩壓器，採用可預知開關容性負載環境的線性穩壓器頻率補償技術，為線性穩壓器提供與容性負載開關同步的優化的頻率補償。

本發明的技術方案是：一種具有實時頻率補償功能的線性穩壓器，所述線性穩壓器由誤差放大器EA、調整管MP、受開關信號控制的容性負載CG、雙頻率補償網絡及補償切換開關和脈衝延時電路組成；

所述誤差放大器EA的同相輸入端與線性穩壓器的輸出端Vo相連接，反相輸入端與穩壓器基準電壓VREF相連接，誤差放大器EA的輸出端與調整管MP的柵極相連接；調整管MP的源極接電源，調整管MP的漏極作為線性穩壓器的輸出端Vo；受開關信號控制的容性負載CG一端與調整管MP的漏極相連接，另一端接地；雙頻率補償網絡及補償切換開關的一端接誤差放大器EA輸出端和調整管MP柵極的連接點，另一端與線性穩壓器的輸出相連接或者連接至信號地，雙頻率補償網絡及補償切換開關的控制端接外部輸入的開關脈衝信號脈衝延時電路的輸入端Pi與外部輸入的開關脈衝信號相連接，脈衝延時電路的輸出端Po與容性負載CG的控制開關相連接；

所述雙頻率補償網絡及補償切換開關由第一補償網絡、第二補償網絡和補償切換開關構成；所述補償切換開關用於控制並實時切換開關第一補償網絡、第二補償網絡的連接方式，並至少包括兩個補償網絡單獨接入、並聯接入、串聯接入等連接方式；

所述脈衝延時電路用於產生一個固定的延遲時間，使補償網絡的切換稍提前於接入線性穩壓器電容負載的開關；

所述第一補償網絡、第二補償網絡用於為兩種不同負載環境下的線性穩壓器提供對應的頻率補償。

本發明的方案中，所述第一補償網絡、第二補償網絡通常由電阻、電容等無源器件構成，設計者須根據所需的頻率特性來選取對應元器件的值；補償切換開關通常由MOSFET開關或者CMOS傳輸門構成。

本發明所述脈衝延時電路通常由RC延時電路和反相器延時鏈等常規延時電路構成。

本發明所述雙頻率補償網絡中補償網絡1、補償網絡2與補償切換開關的連接方式有多種等同結構。補償網絡1、補償網絡2可以通過單個選通、並聯接通、串聯短接三種方法實施。單個選通方式中，開關僅接通兩個補償網絡中的一個，另一個補償網絡開路；並聯接通方式中，補償網絡1常接，當開關斷開時，補償網絡的特性與補償網絡1相同，當開關閉合時，補償網絡將呈現補償網絡1、2並聯的特性；串聯短接方法中，開關並聯接在補償網絡2的兩端後，與補償網絡1串聯後構成新的補償網絡，當開關斷開時，將呈現補償網絡1、2串聯的特性，當開關閉合時，補償網絡的特性與補償網絡1相同。補償網絡的接入方式有雙端接入與單端接入兩種，其中雙端接入時A端連接至誤差放大器EA輸出，B端連接至線性穩壓器輸出，單端接入時A端連接至誤差放大器EA輸出，B端接至小信號地。因此以上三種方式又分別存在兩種形式，總計6種。

本發明所涉及技術方案中，補償網絡1、補償網絡2的作用是分別為兩種不同負載環境下的線性穩壓器提供對應的頻率補償，以保證在不同的負載環境下，線性穩壓器具有最優的穩定性和負載瞬態響應時間；補償切換開關為接入不同的頻率補償網絡切換線性穩壓器的內部信號通路；脈衝延時電路的功能為產生一個固定的延遲時間，使補償網絡的切換稍提前於接入線性穩壓器電容負載的開關。當有從外部輸入的開關脈衝信號脈衝時，延時電路將開關脈衝信號進行延遲，產生稍滯後於的脈衝信號用於控制容性負載接入開關，而將原始脈衝信號作為補償切換開關的控制信號，其作用是使補償切換開關控制信號稍超前於容性負載接入開關信號延遲時間應大於補償切換開關的建立時間，以保證每次線性穩壓器負載出現容性突變時，與負載所對應的補償網絡已經切換就緒。

本發明的有益效果為，電路結構簡單、額外功率消耗極低、沒有複雜的反饋控制電路，針對特殊的具有開關容性負載的線性穩壓器應用，實時優化環路頻率補償，保證在不同的負載環境下，線性穩壓器具有最優的穩定性和負載瞬態響應時間，相對於傳統頻率補償技術，本發明的線性穩壓器的容性瞬態響應性能得到了極大的提高。

附圖說明

圖1為傳統線性穩壓器結構示意圖，其中(a)採用P型調整管，(b)採用N型調整管；

圖2為線性穩壓器在半橋MOSFET驅動器中的應用以及其電容負載的示意圖；

圖3為MOSFET驅動的狀態與線性穩壓器容性負載的關係示意圖；

圖4為本發明所涉及的頻率補償技術在線性穩壓器中的應用原理圖；

圖5為本發明的頻率補償技術一種實現方式示意圖；

圖6為本發明中描述的頻率補償技術的其他等同結構；

圖7為本發明所述頻率補償技術的一種實際應用電路原理圖；

圖8為本發明中所涉及技術對線性穩壓器容性負載瞬態響應的改善示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明的具體實施方式進行描述：

本發明所涉及技術的一個電路實例如圖7所示，本例為該技術在MOSFET驅動器中線性穩壓器中的應用，具體電路結構為，本例由PMOS管M3、M4、M5、MP、MC，NMOS管M1、M2、M6，反相器X1、X2、X3，電流源IBIAS，基準電壓源VREF電阻RC1、RC2，電容CC、CG構成。M1的柵極接VREF的正極，其源極接IBIAS的負極，其漏極接M3的漏極；基準電壓源VREF的負極接地；電流源IBIAS的正極接地；M2的源極接IBIAS的負極，同時與M1的源極相連接，其柵極接穩壓輸出節點Vo，其漏極接M4漏極；M3的柵極接M4的柵極並與M3的漏極、M1的漏極相連接，其源極接電源VDD；M4的源極接電源VDD，其漏極接M2的漏極並與MP的柵極相連接；MP的源極接電源VDD，其漏極接穩壓輸出節點Vo；RC1、RC2、CC依次串聯後RC1端接至穩壓輸出節點Vo，CC端接至MP的柵極、M2和M4的漏極；MC的源極接穩壓輸出節點Vo，其漏極接到RC1、RC2之間的節點，其柵極接至外部輸入的開關脈衝信號X1、X2、X3三個反相器依次首尾相連接，即X1的輸出接X2的輸入，X2的輸出接X3的輸入，且X1的輸入接開關脈衝信號X3的輸出接M5、M6的柵極；M5、M6構成MOSFET驅動的末級反相器，其柵極相連接，其漏極相連接，M5的源極接穩壓輸出節點Vo，M6的源極接地；功率MOSFET的柵電容等效為CG，其一端接地，另一端接至M5、M6的漏極。

本實例中，M1、M2、M3、M4、IBIAS構成誤差放大器，RC1構成補償網絡1，RC2、CC構成補償網絡2，MC為補償切換開關，X1、X2、X3串聯構成脈衝延時電路，MP為線性穩壓器的調整管。CG為MOSFET MN的等效柵電容，M5、M6、CG構成了接入線性穩壓器輸出的脈衝容性負載。

本實例的工作原理為：

M1～M4構成一個典型的單級誤差放大器，其同相輸入端和反相輸入端分別接至基準電壓源VREF和穩壓輸出節點Vo，與調整管MP構成一個線性穩壓器。可以得出該穩壓器的低頻增益為：

|Av|≈gm1ro3gmprop

其中gm1，gmp分別表示M1、MP的跨導，ro1，rop表示M1、MP的小信號輸出阻抗，考慮其頻率特性，在未加入補償電路之前，系統包含兩個極點，則系統的交流小信號增益可以表示為：

其中極點1位於誤差放大器輸出節點處，極點2位於線性穩壓器輸出節點Vo。極點1在引入米勒補償後，遠遠低於極點2的位置，成為主極點，同時也引入了一個零點：

該零點位置通常處於極點1、極點2之間。因此在未加入電容負載CG之前，系統是穩定的，而當CG接入後，極點2的位置發生了變化，CG電容式節點處原有電容的百倍以上，此時極點的位置可能靠近甚至降至極點1與零點之間，這將導致環路的相位裕度的降低。

極點2的位置的表達式可以寫作：

在引入補償切換開關MC後，CG接入以前，MC關斷使零點補償電阻RC的值增大了，根據表達式可知，RC增大可以使零點頻率位置降低。因此零點頻率位置將隨著MC的關斷降低，隨著MC的導通上升，利用信號控制MC的開關，可以使補償零點的位置隨著極點p2的位置變化同步移動。

由於MOSFET的柵電容CG的值是已知的，如果依據CG引入極點2變化量精確設計RC1、RC2的取值，可以保證當補償零點始終低於或者靠近極點2的位置，無論負載電容CG是否接入穩壓器負載中，系統始終有足夠的相位裕量。

利用本發明中的技術，本實例中的電路的容性負載瞬態響應有一定程度的改善。通過軟體仿真對比，其瞬態響應波形如圖8所示，未使用該技術的瞬態響應較長，建立時間約6.6μs；使用該技術後，瞬態響應更快，建立時間約3.1μs。可見該頻率補償技術相對於傳統頻率補償在線性穩壓器的容性瞬態響應性能的改善幅度可超過50％。