低壓差穩壓器及其負載電流跟蹤補償方法與流程

2023-12-02 11:54:51

本發明涉及一種低壓差穩壓器。特別地，涉及一種可以跟蹤補償負載電流的低壓差穩壓器，以及相應的負載電流的跟蹤補償方法。

背景技術：

高性能的電源電路中經常使用低壓差穩壓器(Low Drop-out Voltage Regulator，LDO)作為電源變換器，其具有高效率、低噪聲的特點。由於LDO的這些特點，其被廣泛應用在各種設備上，如行動電話、儀器儀表、可攜式計算機等。

典型的LDO包括誤差放大器、輸出級與取樣反饋電路。取樣反饋電路對輸出級所產生的輸出電壓進行取樣，並反饋給誤差放大器，從而形成對LDO的電壓反饋迴路，使LDO的輸出達到穩定。

在應用中，LDO的輸出電流會由於實際連接的負載的不同而產生變化。特別地，在一些應用中，負載的實際變化範圍較大，對於給定的LDO來說，這將會導致其輸出電流的波動範圍超出其迴路的穩定工作範圍，並且，負載與LDO本身控制迴路之間也存在互相干擾。在這些情況下，LDO的頻率響應會受到負載的影響，並且進而影響到LDO輸出的穩定性。

技術實現要素：

從而，有必要提供一種可以根據負載電流的實際情況而提升輸出穩定性的低壓差穩壓器。

此外，還有必要提供一種相應的低壓差穩壓器的負載電流跟蹤補償方法。

一種低壓差穩壓器，包括：

誤差放大器，其包括正輸入端、負輸入端與輸出端，所述正輸入端 與負輸入端之一連接基準電壓；

輸出電路，連接所述誤差放大器的輸出端以及外部負載，配置為生成輸出電流與輸出電壓至外部負載；

電流跟蹤電路，與所述輸出電路連接，所述電流跟蹤電路配置為接收所述輸出電流並生成跟蹤所述輸出電流的跟蹤電流；

負載跟蹤補償電路，與所述電流跟蹤電路及所述輸出電路相連，所述負載跟蹤補償電路配置為根據所述跟蹤電流而生成控制電壓，並將所述控制電壓送至所述輸出電路。

一種低壓差穩壓器的負載電流跟蹤補償方法，所述低壓差穩壓器包括誤差放大器與輸出電路，所述跟蹤補償方法包括：

接收所述輸出電路的輸出電流，並生成跟蹤所述輸出電流的跟蹤電流；

根據所述跟蹤電流而生成控制電壓，並將所述控制電壓送至所述輸出電路。

從而，根據本發明的低壓差穩壓器及其負載電流的跟蹤補償方法，可以在低壓差穩壓器接入負載的情況下，基於負載電流的變化適應性地調節對於輸出電路所進行的補償，從而使得低壓差穩壓器的頻率響應特性得以提升，並提高了低壓差穩壓器在接入較大、較小負載的情況下的穩定性。

附圖說明

以下將結合附圖對於本發明的實施方式進行進一步描述，其中：

圖1為一種實施方式的低壓差穩壓器的結構示意圖；

圖2為一種實施方式的LDO的負載跟蹤補償電路的電路結構示意圖；

圖3為具有負載電流跟蹤補償的LDO的小信號模型；

圖4為一種實施方式的LDO的直流功能波形圖；

圖5為LDO的電流迴路的頻率響應的波特圖；

圖6為LDO的電壓迴路的頻率補償的波特圖；

圖7為一種實施方式的LDO的負載電流跟蹤的方法的流程圖。

具體實施方式

圖1所示的是一種實施方式的低壓差穩壓器的結構示意。該低壓差穩壓器(LDO)100包括誤差放大器102、輸出電路104、電流跟蹤電路106、負載跟蹤補償電路108等。

誤差放大器102包括正輸入端、負輸入端與輸出端。其中，誤差放大器102的正輸入端連接基準電壓Vref，輸出端耦接輸出電路104。

在一種實施方式中，基準電壓Vref是由帶隙基準電壓源(圖未示)所提供的，該帶隙基準電壓源可以實現為各種已知的方式。

輸出電路104連接到誤差放大器102的輸出端，用以接收誤差放大器102的輸出，並據以輸出相應的輸出電流與輸出電壓。輸出電路104的輸出電流Iout與輸出電壓Vout作為該LDO 100的輸出電流與輸出電壓而提供給外部負載。

在一種可選的實施方式中，該輸出電路104可以實施為一個電晶體，例如MOS電晶體，其柵極連接誤差放大器102的輸出端，接收誤差放大器102的輸出以作為該電晶體的柵極電壓Vgate。從而，該電晶體的源極或漏極即可輸出作為該LDO 100的輸出的輸出電流Iout與輸出電壓Vout。

如圖1所示，在另一種實施方式中，在該誤差放大器102與輸出電路104之間，還可以連接緩衝級電路110，用於對誤差放大器102的輸出進行緩衝及/或放大。應當理解的是，該緩衝級電路110僅在本實施方式中示出為可選的，並不必然應當包括在LDO 100的結構中。

在輸出電路104的輸出與誤差放大器102的負輸入端之間，還連接有電壓反饋電路112。電壓反饋電路112接收輸出電路104的輸出電壓Vout，對輸出電壓Vout進行取樣，並將取樣電壓饋送到誤差放大器102的負輸入端。從而，通過該電壓反饋電路112，形成了誤差放大器102的閉環反饋。

如圖1所示，在一種可選的實施方式中，電壓反饋電路112可以實現為由電阻R1、R2串聯的形式，電阻R1、R2之間的節點連接到誤差放大器102的負輸入端。

應當理解的是，根據實際的電路及各元件的配置，誤差放大器102 的正輸入端、負輸入端可以進行互換，而不必然實施為圖1中的連接方式。

電流跟蹤電路106包括電流鏡像電路162、放大電路164以及跟蹤發生電路166。如圖1所示，電流鏡像電路162可以實現為與輸出電路104的電晶體具有相同或者成比例的參數的電晶體，其連接為與輸出電路104的電晶體形成鏡像，從而在電流鏡像電路162的電晶體的源極或漏極輸出與輸出電流Iout構成鏡像的感測電流Isns。

放大電路164的一端連接在電流鏡像電路162的輸出端，用於接收電流鏡像電路162所輸出的感測電流Isns，並據以生成相應的反饋控制電壓。在圖1所示的實施方式中，放大電路164包括具有相同參數的兩個電晶體T1、T2。電晶體T1、T2的柵極互相連接，電晶體T1的源極與漏極中的一個連接至輸出電路104的電晶體的輸出所述輸出電壓Vout的一端，另一個則與電晶體T1的柵極相連。電晶體T2的源極或漏極中的一個與電流鏡像電路162的用於輸出感測電流Isns的輸出端相連，並在其源極或漏極中的另一個上生成該反饋控制電壓。通過該放大電路164所生成的反饋控制電壓可以反映感測電流Isns，從而使得反饋控制電壓可以用於該LDO 100的電流反饋迴路。

跟蹤發生電路166連接在電流鏡像電路162的輸出端上，用以接收所述感測電流Isns，並生成跟蹤電流Itrack以提供給負載跟蹤補償電路108。應當理解的是，跟蹤電流Itrack反映了該LDO 100在接有負載的情況下的電流輸出情況。

根據圖1中所示的實施方式，跟蹤發生電路166包括柵極相連的電晶體T3與T4，電晶體T3的柵極連接放大電路164的輸出反饋控制電壓的一端，並且也與電晶體T4的柵極相連，從而可以由電晶體T3與T4的柵極將該反饋控制電壓VI_ctrl引出，以提供給LDO 100的電流反饋迴路。電晶體T3的源極或漏極中的一個連接電流鏡像電路162的輸出，以接收所述感測電流Isns。電晶體T4可以與電晶體T3連接為鏡像，從而在電晶體T4的與電晶體T3連接到電流鏡像電路162的輸出的一端互為鏡像的源極或漏極之一上，輸出與所述感測電流Isns成鏡像的跟蹤電流Itrack。

負載跟蹤補償電路108連接在電流跟蹤電路106與輸出電路104之 間。負載跟蹤補償電路108配置為接收前述的跟蹤電流Itrack與反饋控制電壓VI_ctrl，並據以生成控制電壓Vctrl提供給輸出電路104。在本實施方式中，控制電壓Vctrl通過緩衝級電路110而提供給輸出電路104。負載跟蹤補償電路108根據LDO 100在接入負載的情況下的輸出電流而適應性地調整控制電壓Vctrl，從而適應性地調整了對LDO本級電路的補償，使得LDO 100可以更好地適應於負載的變化。

如圖2所示，其為本發明一種實施方式的LDO的負載跟蹤補償電路的電路結構示意圖。優選地，該負載跟蹤補償電路可以是圖1中的負載跟蹤補償電路108。

負載跟蹤補償電路108包括電流反饋電路202、電流補償電路204等。電流反饋電路202配置為接收反饋控制電壓VI_ctrl，並通過控制電壓Vctrl來形成LDO 100的電流反饋迴路。電流補償電路204配置為接收跟蹤電流Itrack，並通過控制電壓Vctrl來對於LDO 100的負載電流的變化進行補償。

在圖2所示的實施方式中，電流反饋電路202包括反饋電晶體T5，反饋電晶體T5具有連接點G51、G52、G53，其中G51為柵極節點，G52、G53分別為源極或漏極其中之一。柵極節點G51連接用於接收反饋控制電壓VI_ctrl，並且柵極節點G51與連接點G52之間連接有電容C1。通過電晶體T5與電容C1的連接，可以形成基於反饋控制電壓VI_ctrl的電流反饋迴路，從而通過控制電壓Vctrl來使得LDO 100的輸出穩定。可以理解的是，由電晶體T5與電容C1所形成的連接構成了一個密勒補償電路，其基於反饋控制電壓VI_ctrl而補償LDO 100的頻率響應。

電流補償電路204包括第一電容Cm1、第二電容Cm2、開關元件Tsw；第一電容Cm1連接在電流反饋電路202的輸出端與負載跟蹤補償電路108的輸出端控制電壓Vctrl之間；第二電容Cm2與開關元件Tsw串聯後與第一電容Cm1並聯。開關元件Tsw接收跟蹤電流Itrack，並據以控制第二電容Cm2與第一電容Cm1之間的並聯連接。在圖2所示的實施方式中，開關元件Tsw可以實現為開關電晶體，該開關電晶體的柵極連接並接收跟蹤電流Itrack，該開關電晶體根據跟蹤電流Itrack而導通或關斷，從而與之相連的第二電容Cm2實現與第一電容Cm1並聯或不並聯。應當提出的 是，該開關元件Tsw也可以實現為其他種類的開關元件，或者由其他具有可控開關功能的電路或元件，而並不限制為該實施方式中的開關電晶體。

電流補償電路204還包括柵極相連的電晶體T6、T7；電晶體T6具有連接點G61、G62、G63，其中G61為柵極節點，G62、G63分別為源極或漏極其中之一；電晶體T7具有連接點G71、G72、G73，其中G71為柵極節點，G72、G73分別為源極或漏極其中之一。電晶體T6、T7的連接點G62、G72彼此相連以接收跟蹤電流Itrack，由前述第一電容Cm1與第二電容Cm2形成的並聯連接則連接在電晶體T6、T7的連接點G63、G73之間。電晶體T6的連接點G63與連接點G61相連。電晶體T7的輸出端連接點G73連接到負載跟蹤補償電路108所輸出的控制電壓Vctrl上。

根據該電流補償電路204，其中的第一電容Cm1、第二電容Cm2形成的電容與電晶體T6、T7實現為密勒補償網絡，第一電容Cm1的電容或者其與第二電容Cm2並聯後的電容構成該密勒補償網絡的密勒電容。

根據以上所述的本發明的LDO，可以得到系統的傳遞函數如下：

其中，A是環路增益，ε是阻尼係數，ω是共軛極點頻率，s為s域頻率。

其中，阻尼係數ε可以表示如下：

其中，Iout為該LDO的輸出電流，Cm為密勒補償中的密勒電容值。

可以看到，當負載增加而使得負載電流增大時，開關元件Tsw打開，使得接入輸出端控制電壓Vctrl節點的電容增加，可以保持阻尼係數維持在一個較穩定的值，確保環路的穩定性。

電流反饋電路202還包括連接在反饋電晶體T5與電流補償電路204之間的電晶體T8。電晶體T8的源極或漏極之一連接電流補償電路204，另一個則連接反饋電晶體T5的連接點G52。電晶體T8的源極與漏極之間連接電阻R1。如前所述，由電晶體T5與電容C1所形成的連接構成了一 個密勒補償電路，其增益由下式確定：

Av＝gm·Rout

其中，Av為密勒補償電路的增益，gm為跨導，Rout為外部阻抗。可以看出，該電流反饋電路202的增益在很大程度上受到與電容C1所連接的外部阻抗，即電流補償電路204、尤其是其中的電晶體T6的阻抗的影響。而另一方面，由於電流補償電路204中電晶體T6的柵接形成了類似於反接二極體的結果，而使得該電流補償電路204的阻抗有限，進而使得該電流反饋電路202的增益存在著不能達到預定的效果的可能性。連接在電流補償電路204與電流反饋電路202的電晶體T5之間的電晶體T8，可以增大由電晶體T5與電容C1所構成的密勒補償電路的外部阻抗，從而提升電流反饋電路202的增益。

電流反饋電路202進一步包括連接在電晶體T8的柵極的電晶體T9，電晶體T9採用柵接，以使得電晶體T8工作在飽和區而保證電晶體T8的阻抗。可以預見的是，當控制電流Ictrl增大時，電晶體T8將會進入線性區而不能維持其阻抗，連接在電晶體T8的源極與漏極之間的電阻R1可以箝位電晶體T8的源漏電壓，以使得電晶體T8工作在飽和區而保證電晶體T8的阻抗。

結合圖3所示，其為本發明的實施方式中，具有負載電流跟蹤補償的LDO的小信號模型。其中Fz表示由輸出電流Iout至輸出電壓Vout的增益模塊，Fp表示控制電壓Vctrl至輸出電壓Vout的增益模塊，Fg表示由輸出電流Iout至感測電流Isns的增益模塊，Fs表示由控制電壓Vctrl至感測電流Isns的增益模塊。可以看出，除了由Fv所表示的從輸出電壓Vout反饋而形成的電壓反饋迴路之外，本發明的實施方式中利用取樣電流Isns至控制電壓Vctrl(由Fi表示)的反饋迴路Ti，形成對於輸出電流Iout的跟蹤與補償。基於跟蹤電流Itrack的控制，電容器Cm2被控制接入或不接入，其與電容器Cm1所形成的密勒電容由此而得以調節。通過這樣的方式，當LDO 100接入較大負載時在電流迴路中所產生的次諧波振蕩的風險得以消除；並且，在接入較小負載時對於電壓迴路穩定性所產生的負面影響也可以減輕或忽略。

圖4所示的是根據本發明實施方式的LDO的直流功能波形圖。由 圖4可以看出，當負載電流低於最大運行限制時，電路中以電壓迴路的調節為主。當負載電流逐步增大並超過安全運行區域(Safe Operating Area，SOA)時，電路中以電流迴路的調節為主，並且存在最高輸出電流的箝位。在正常運行與SOA運行之間，電路中的電壓迴路與電流迴路的調節並存。

如圖5所示，其為LDO的電流迴路的頻率響應的波特圖。圖5中包括了使用負載電流跟蹤補償與不使用負載電流跟蹤補償的情況下的頻率響應波形的對比。可以看出，在該電流迴路中具有兩個極點，其阻尼因數是由圖2中所示的電容Cm1和Cm2來控制的。在接入較大負載時，只有固定密勒電容而無負載跟蹤補償的電流迴路將會在單位增益頻率後出現頻率尖峰，從而使得閉環迴路的運行變得不穩定。如前述的圖2中所示的，根據本發明實施方式的LDO中，使用可調節接入與否的電容Cm2配合固定電容Cm1來形成為根據負載電流情況而可調節的密勒電容，該補償迴路可以跟蹤次極點(non-dominant pole)，並且消除頻率尖峰，使迴路的運行穩定。

類似地，如圖6所示，其為LDO的電壓迴路的頻率補償的波特圖。與圖5中所示的類似，圖6中也包括了使用負載電流跟蹤補償與不使用負載電流跟蹤補償的情況下二者頻率響應的對比。若電路中採用的是固定的密勒電容，則電壓迴路的相位餘量將會較小。通過本發明的實施方式的LDO中所採用的可調節密勒補償電容，可以提升電壓迴路的穩定性，在接入較小負載的情況下尤其明顯。

根據本發明一種實施方式的LDO，可以得出，其系統的單位增益帶寬可以表示如下：

其中，gin是輸入級跨導，gp是輸出級跨導，ro1是輸出阻抗，CL是負載電容；

該LDO的次極點可表示為：

其中，Cm是密勒補償中的密勒電容值。

可以得出，系統的相位裕度為：

由以上可以看出，若補償電容Cm過大，會導致輕負載時相位裕度降低，影響系統的穩定性。本發明的LDO在輕負載時，斷開開關元件Tsw，可以確保在輕負載情況下接入一個較小的接入電容。

如圖7所示，其示出了本發明一種實施方式的低壓差穩壓器(LDO)的負載電流跟蹤的方法的流程圖。為方便起見，以下結合圖1、圖2所示的LDO對於該方法的各流程進行說明。

模塊702，生成感測電流。具體地，參考圖1、圖2中的LDO，利用電流鏡像電路162來與輸出電路104形成鏡像，從而使電流鏡像電路162基於輸出電路104的輸出電流Iout而鏡像地生成並輸出感測電流Isns。

模塊704，生成跟蹤電流。具體地，在圖1、圖2所示的LDO中，利用跟蹤發生電路166來接收所述感測電流Isns，並生成跟蹤電流Itrack。

模塊706，根據跟蹤電流而控制第二電容是否接入而與第一電容並聯。根據圖1、圖2所示的，使用開關元件Tsw來接收跟蹤電流Itrack，開關元件Tsw根據跟蹤電流Itrack來打開或者閉合，從而使第二電容Cm2接入或不接入電路，以形成或不形成與第一電容Cm1的並聯。具體地，開關元件Tsw可以實現為開關電晶體，該開關電晶體的柵極連接並接收跟蹤電流Itrack，該開關電晶體根據跟蹤電流Itrack而導通或關斷，從而與之相連的第二電容Cm2實現與第一電容Cm1並聯或不並聯。

模塊708，生成控制電壓。如圖1、圖2中所示的，通過控制電流Ictrl，經過電流補償電路204而生成控制電壓Vctrl。

可以看到，由於LDO在連接負載時會出現由負載所影響的輸出電流的變化，從而影響到LDO的頻率響應。為使得LDO不受到所接入的負載對其輸出電流的影響，實現頻率響應的穩定，需要對電流迴路進行相應的補償。相比於採用固定電容來實現的密勒補償而言，本發明的LDO中通過可控制接入與否的電容，來實現對於密勒補償效果的調節，進而可以控制對於電路進行補償的程度。進一步地，由於對補償程度的 控制是基於由接入負載情況下的輸出電流的反饋而進行的，能夠實際地反映出LDO本身對於補償的需求並適應性地給予補償。通過本發明的LDO，實現了對於電流補償的適應性控制，可以改善頻率響應特性，提升穩定性。

在此參考了特定的所示的例子對於各種示例的實施方式進行了描述。所述示例的例子被選擇為輔助本領域的技術人員來形成對於各實施方式的清晰理解並得實施。然而，可以構建為包括一個或多個實施方式的系統、結構和器件的範圍，以及根據一個或多個實施方式實施的方法的範圍，並不為所展示的示例性例子所限制。相反地，所屬技術領域的技術人員基於本說明書可以理解：可以根據各實施方式來實施出很多其他的配置、結構和方法。

應當理解的是，就於本發明在前描述中所使用的各種位置指示來說，例如頂、底、上、下，彼等指示僅是參考了相應的附圖而給出，並且當器件的朝向在製造或工作中發生變化時，可以代替地具有其他位置關係。如上所述，那些位置關係只是為清楚起見而描述，並非限制。

本說明的前述描述是參考特定的實施方式和特定的附圖，但本發明不應當限制於此，而應當由權利要求書所給出。所描述的各附圖都是示例性的而非限制性的。在附圖中，為示例的目的，各元件的尺寸可能被放大，且可能沒有繪製為特定的比例尺。本說明也應當包括各元件、工作方式在容限和屬性上的不連續的變換。還應當包括本發明的各種弱化實施。

本說明及權利要求書中所使用的詞彙「包括」並不排除其他元件或步驟。除非特別指出，在使用單數形式如「一」、「一個」指代確定或不確定的元件時，應當包括該元件的複數。從而，詞彙「包括」不應當被理解為限於在其後所列出的條目，不應當理解為不包括其他元件或步驟；描述「器件包括項目A和B」的範圍不應當限制為只包括元件A和B的器件。該描述表示，就於本說明而言，只有器件的元件A和B是相關的。

對於所屬領域的技術人員而言，在不背離本發明的權利要求的範疇內可以作出多種具體變化。