低压差稳压器及其负载电流跟踪补偿方法与流程

本发明涉及一种低压差稳压器。特别地，涉及一种可以跟踪补偿负载电流的低压差稳压器，以及相应的负载电流的跟踪补偿方法。

背景技术：

高性能的电源电路中经常使用低压差稳压器(Low Drop-out Voltage Regulator，LDO)作为电源变换器，其具有高效率、低噪声的特点。由于LDO的这些特点，其被广泛应用在各种设备上，如移动电话、仪器仪表、便携式计算机等。

典型的LDO包括误差放大器、输出级与取样反馈电路。取样反馈电路对输出级所产生的输出电压进行取样，并反馈给误差放大器，从而形成对LDO的电压反馈回路，使LDO的输出达到稳定。

在应用中，LDO的输出电流会由于实际连接的负载的不同而产生变化。特别地，在一些应用中，负载的实际变化范围较大，对于给定的LDO来说，这将会导致其输出电流的波动范围超出其回路的稳定工作范围，并且，负载与LDO本身控制回路之间也存在互相干扰。在这些情况下，LDO的频率响应会受到负载的影响，并且进而影响到LDO输出的稳定性。

技术实现要素：

从而，有必要提供一种可以根据负载电流的实际情况而提升输出稳定性的低压差稳压器。

此外，还有必要提供一种相应的低压差稳压器的负载电流跟踪补偿方法。

一种低压差稳压器，包括：

误差放大器，其包括正输入端、负输入端与输出端，所述正输入端 与负输入端之一连接基准电压；

输出电路，连接所述误差放大器的输出端以及外部负载，配置为生成输出电流与输出电压至外部负载；

电流跟踪电路，与所述输出电路连接，所述电流跟踪电路配置为接收所述输出电流并生成跟踪所述输出电流的跟踪电流；

负载跟踪补偿电路，与所述电流跟踪电路及所述输出电路相连，所述负载跟踪补偿电路配置为根据所述跟踪电流而生成控制电压，并将所述控制电压送至所述输出电路。

一种低压差稳压器的负载电流跟踪补偿方法，所述低压差稳压器包括误差放大器与输出电路，所述跟踪补偿方法包括：

接收所述输出电路的输出电流，并生成跟踪所述输出电流的跟踪电流；

根据所述跟踪电流而生成控制电压，并将所述控制电压送至所述输出电路。

从而，根据本发明的低压差稳压器及其负载电流的跟踪补偿方法，可以在低压差稳压器接入负载的情况下，基于负载电流的变化适应性地调节对于输出电路所进行的补偿，从而使得低压差稳压器的频率响应特性得以提升，并提高了低压差稳压器在接入较大、较小负载的情况下的稳定性。

附图说明

以下将结合附图对于本发明的实施方式进行进一步描述，其中：

图1为一种实施方式的低压差稳压器的结构示意图；

图2为一种实施方式的LDO的负载跟踪补偿电路的电路结构示意图；

图3为具有负载电流跟踪补偿的LDO的小信号模型；

图4为一种实施方式的LDO的直流功能波形图；

图5为LDO的电流回路的频率响应的波特图；

图6为LDO的电压回路的频率补偿的波特图；

图7为一种实施方式的LDO的负载电流跟踪的方法的流程图。

具体实施方式

图1所示的是一种实施方式的低压差稳压器的结构示意。该低压差稳压器(LDO)100包括误差放大器102、输出电路104、电流跟踪电路106、负载跟踪补偿电路108等。

误差放大器102包括正输入端、负输入端与输出端。其中，误差放大器102的正输入端连接基准电压V_ref，输出端耦接输出电路104。

在一种实施方式中，基准电压V_ref是由带隙基准电压源(图未示)所提供的，该带隙基准电压源可以实现为各种已知的方式。

输出电路104连接到误差放大器102的输出端，用以接收误差放大器102的输出，并据以输出相应的输出电流与输出电压。输出电路104的输出电流I_out与输出电压V_out作为该LDO 100的输出电流与输出电压而提供给外部负载。

在一种可选的实施方式中，该输出电路104可以实施为一个晶体管，例如MOS晶体管，其栅极连接误差放大器102的输出端，接收误差放大器102的输出以作为该晶体管的栅极电压V_gate。从而，该晶体管的源极或漏极即可输出作为该LDO 100的输出的输出电流I_out与输出电压V_out。

如图1所示，在另一种实施方式中，在该误差放大器102与输出电路104之间，还可以连接缓冲级电路110，用于对误差放大器102的输出进行缓冲及/或放大。应当理解的是，该缓冲级电路110仅在本实施方式中示出为可选的，并不必然应当包括在LDO 100的结构中。

在输出电路104的输出与误差放大器102的负输入端之间，还连接有电压反馈电路112。电压反馈电路112接收输出电路104的输出电压V_out，对输出电压V_out进行取样，并将取样电压馈送到误差放大器102的负输入端。从而，通过该电压反馈电路112，形成了误差放大器102的闭环反馈。

如图1所示，在一种可选的实施方式中，电压反馈电路112可以实现为由电阻R₁、R₂串联的形式，电阻R₁、R₂之间的节点连接到误差放大器102的负输入端。

应当理解的是，根据实际的电路及各元件的配置，误差放大器102 的正输入端、负输入端可以进行互换，而不必然实施为图1中的连接方式。

电流跟踪电路106包括电流镜像电路162、放大电路164以及跟踪发生电路166。如图1所示，电流镜像电路162可以实现为与输出电路104的晶体管具有相同或者成比例的参数的晶体管，其连接为与输出电路104的晶体管形成镜像，从而在电流镜像电路162的晶体管的源极或漏极输出与输出电流I_out构成镜像的感测电流I_sns。

放大电路164的一端连接在电流镜像电路162的输出端，用于接收电流镜像电路162所输出的感测电流I_sns，并据以生成相应的反馈控制电压。在图1所示的实施方式中，放大电路164包括具有相同参数的两个晶体管T₁、T₂。晶体管T₁、T₂的栅极互相连接，晶体管T₁的源极与漏极中的一个连接至输出电路104的晶体管的输出所述输出电压V_out的一端，另一个则与晶体管T₁的栅极相连。晶体管T₂的源极或漏极中的一个与电流镜像电路162的用于输出感测电流I_sns的输出端相连，并在其源极或漏极中的另一个上生成该反馈控制电压。通过该放大电路164所生成的反馈控制电压可以反映感测电流I_sns，从而使得反馈控制电压可以用于该LDO 100的电流反馈回路。

跟踪发生电路166连接在电流镜像电路162的输出端上，用以接收所述感测电流I_sns，并生成跟踪电流I_track以提供给负载跟踪补偿电路108。应当理解的是，跟踪电流I_track反映了该LDO 100在接有负载的情况下的电流输出情况。

根据图1中所示的实施方式，跟踪发生电路166包括栅极相连的晶体管T₃与T₄，晶体管T₃的栅极连接放大电路164的输出反馈控制电压的一端，并且也与晶体管T₄的栅极相连，从而可以由晶体管T3与T4的栅极将该反馈控制电压V_{I_ctrl}引出，以提供给LDO 100的电流反馈回路。晶体管T₃的源极或漏极中的一个连接电流镜像电路162的输出，以接收所述感测电流I_sns。晶体管T₄可以与晶体管T₃连接为镜像，从而在晶体管T₄的与晶体管T₃连接到电流镜像电路162的输出的一端互为镜像的源极或漏极之一上，输出与所述感测电流I_sns成镜像的跟踪电流I_track。

负载跟踪补偿电路108连接在电流跟踪电路106与输出电路104之 间。负载跟踪补偿电路108配置为接收前述的跟踪电流I_track与反馈控制电压V_{I_ctrl}，并据以生成控制电压V_ctrl提供给输出电路104。在本实施方式中，控制电压V_ctrl通过缓冲级电路110而提供给输出电路104。负载跟踪补偿电路108根据LDO 100在接入负载的情况下的输出电流而适应性地调整控制电压V_ctrl，从而适应性地调整了对LDO本级电路的补偿，使得LDO 100可以更好地适应于负载的变化。

如图2所示，其为本发明一种实施方式的LDO的负载跟踪补偿电路的电路结构示意图。优选地，该负载跟踪补偿电路可以是图1中的负载跟踪补偿电路108。

负载跟踪补偿电路108包括电流反馈电路202、电流补偿电路204等。电流反馈电路202配置为接收反馈控制电压V_{I_ctrl}，并通过控制电压V_ctrl来形成LDO 100的电流反馈回路。电流补偿电路204配置为接收跟踪电流I_track，并通过控制电压V_ctrl来对于LDO 100的负载电流的变化进行补偿。

在图2所示的实施方式中，电流反馈电路202包括反馈晶体管T₅，反馈晶体管T₅具有连接点G₅₁、G₅₂、G₅₃，其中G₅₁为栅极节点，G₅₂、G₅₃分别为源极或漏极其中之一。栅极节点G₅₁连接用于接收反馈控制电压V_{I_ctrl}，并且栅极节点G₅₁与连接点G₅₂之间连接有电容C₁。通过晶体管T₅与电容C₁的连接，可以形成基于反馈控制电压V_{I_ctrl}的电流反馈回路，从而通过控制电压V_ctrl来使得LDO 100的输出稳定。可以理解的是，由晶体管T₅与电容C₁所形成的连接构成了一个密勒补偿电路，其基于反馈控制电压V_{I_ctrl}而补偿LDO 100的频率响应。

电流补偿电路204包括第一电容C_m1、第二电容C_m2、开关元件T_sw；第一电容C_m1连接在电流反馈电路202的输出端与负载跟踪补偿电路108的输出端控制电压V_ctrl之间；第二电容C_m2与开关元件T_sw串联后与第一电容C_m1并联。开关元件T_sw接收跟踪电流I_track，并据以控制第二电容C_m2与第一电容C_m1之间的并联连接。在图2所示的实施方式中，开关元件T_sw可以实现为开关晶体管，该开关晶体管的栅极连接并接收跟踪电流I_track，该开关晶体管根据跟踪电流I_track而导通或关断，从而与之相连的第二电容C_m2实现与第一电容C_m1并联或不并联。应当提出的 是，该开关元件T_sw也可以实现为其他种类的开关元件，或者由其他具有可控开关功能的电路或元件，而并不限制为该实施方式中的开关晶体管。

电流补偿电路204还包括栅极相连的晶体管T₆、T₇；晶体管T₆具有连接点G₆₁、G₆₂、G₆₃，其中G₆₁为栅极节点，G₆₂、G₆₃分别为源极或漏极其中之一；晶体管T₇具有连接点G₇₁、G₇₂、G₇₃，其中G₇₁为栅极节点，G₇₂、G₇₃分别为源极或漏极其中之一。晶体管T₆、T₇的连接点G₆₂、G₇₂彼此相连以接收跟踪电流I_track，由前述第一电容C_m1与第二电容C_m2形成的并联连接则连接在晶体管T₆、T₇的连接点G₆₃、G₇₃之间。晶体管T6的连接点G₆₃与连接点G₆₁相连。晶体管T₇的输出端连接点G₇₃连接到负载跟踪补偿电路108所输出的控制电压V_ctrl上。

根据该电流补偿电路204，其中的第一电容C_m1、第二电容C_m2形成的电容与晶体管T₆、T₇实现为密勒补偿网络，第一电容C_m1的电容或者其与第二电容C_m2并联后的电容构成该密勒补偿网络的密勒电容。

根据以上所述的本发明的LDO，可以得到系统的传递函数如下：

其中，A是环路增益，ε是阻尼系数，ω是共轭极点频率，s为s域频率。

其中，阻尼系数ε可以表示如下：

其中，I_out为该LDO的输出电流，C_m为密勒补偿中的密勒电容值。

可以看到，当负载增加而使得负载电流增大时，开关元件T_sw打开，使得接入输出端控制电压V_ctrl节点的电容增加，可以保持阻尼系数维持在一个较稳定的值，确保环路的稳定性。

电流反馈电路202还包括连接在反馈晶体管T₅与电流补偿电路204之间的晶体管T₈。晶体管T₈的源极或漏极之一连接电流补偿电路204，另一个则连接反馈晶体管T₅的连接点G₅₂。晶体管T₈的源极与漏极之间连接电阻R₁。如前所述，由晶体管T₅与电容C₁所形成的连接构成了一 个密勒补偿电路，其增益由下式确定：

A_v＝g_m·R_out

其中，A_v为密勒补偿电路的增益，g_m为跨导，R_out为外部阻抗。可以看出，该电流反馈电路202的增益在很大程度上受到与电容C₁所连接的外部阻抗，即电流补偿电路204、尤其是其中的晶体管T₆的阻抗的影响。而另一方面，由于电流补偿电路204中晶体管T₆的栅接形成了类似于反接二极管的结果，而使得该电流补偿电路204的阻抗有限，进而使得该电流反馈电路202的增益存在着不能达到预定的效果的可能性。连接在电流补偿电路204与电流反馈电路202的晶体管T₅之间的晶体管T₈，可以增大由晶体管T₅与电容C₁所构成的密勒补偿电路的外部阻抗，从而提升电流反馈电路202的增益。

电流反馈电路202进一步包括连接在晶体管T₈的栅极的晶体管T₉，晶体管T₉采用栅接，以使得晶体管T₈工作在饱和区而保证晶体管T₈的阻抗。可以预见的是，当控制电流I_ctrl增大时，晶体管T₈将会进入线性区而不能维持其阻抗，连接在晶体管T₈的源极与漏极之间的电阻R₁可以箝位晶体管T₈的源漏电压，以使得晶体管T₈工作在饱和区而保证晶体管T₈的阻抗。

结合图3所示，其为本发明的实施方式中，具有负载电流跟踪补偿的LDO的小信号模型。其中F_z表示由输出电流I_out至输出电压V_out的增益模块，F_p表示控制电压V_ctrl至输出电压V_out的增益模块，F_g表示由输出电流I_out至感测电流I_sns的增益模块，F_s表示由控制电压V_ctrl至感测电流I_sns的增益模块。可以看出，除了由F_v所表示的从输出电压V_out反馈而形成的电压反馈回路之外，本发明的实施方式中利用取样电流I_sns至控制电压V_ctrl(由F_i表示)的反馈回路T_i，形成对于输出电流I_out的跟踪与补偿。基于跟踪电流I_track的控制，电容器C_m2被控制接入或不接入，其与电容器C_m1所形成的密勒电容由此而得以调节。通过这样的方式，当LDO 100接入较大负载时在电流回路中所产生的次谐波振荡的风险得以消除；并且，在接入较小负载时对于电压回路稳定性所产生的负面影响也可以减轻或忽略。

图4所示的是根据本发明实施方式的LDO的直流功能波形图。由 图4可以看出，当负载电流低于最大运行限制时，电路中以电压回路的调节为主。当负载电流逐步增大并超过安全运行区域(Safe Operating Area，SOA)时，电路中以电流回路的调节为主，并且存在最高输出电流的箝位。在正常运行与SOA运行之间，电路中的电压回路与电流回路的调节并存。

如图5所示，其为LDO的电流回路的频率响应的波特图。图5中包括了使用负载电流跟踪补偿与不使用负载电流跟踪补偿的情况下的频率响应波形的对比。可以看出，在该电流回路中具有两个极点，其阻尼因数是由图2中所示的电容C_m1和C_m2来控制的。在接入较大负载时，只有固定密勒电容而无负载跟踪补偿的电流回路将会在单位增益频率后出现频率尖峰，从而使得闭环回路的运行变得不稳定。如前述的图2中所示的，根据本发明实施方式的LDO中，使用可调节接入与否的电容C_m2配合固定电容C_m1来形成为根据负载电流情况而可调节的密勒电容，该补偿回路可以跟踪次极点(non-dominant pole)，并且消除频率尖峰，使回路的运行稳定。

类似地，如图6所示，其为LDO的电压回路的频率补偿的波特图。与图5中所示的类似，图6中也包括了使用负载电流跟踪补偿与不使用负载电流跟踪补偿的情况下二者频率响应的对比。若电路中采用的是固定的密勒电容，则电压回路的相位余量将会较小。通过本发明的实施方式的LDO中所采用的可调节密勒补偿电容，可以提升电压回路的稳定性，在接入较小负载的情况下尤其明显。

根据本发明一种实施方式的LDO，可以得出，其系统的单位增益带宽可以表示如下：

其中，g_in是输入级跨导，g_p是输出级跨导，r_o1是输出阻抗，C_L是负载电容；

该LDO的次极点可表示为：

其中，C_m是密勒补偿中的密勒电容值。

可以得出，系统的相位裕度为：

由以上可以看出，若补偿电容C_m过大，会导致轻负载时相位裕度降低，影响系统的稳定性。本发明的LDO在轻负载时，断开开关元件T_sw，可以确保在轻负载情况下接入一个较小的接入电容。

如图7所示，其示出了本发明一种实施方式的低压差稳压器(LDO)的负载电流跟踪的方法的流程图。为方便起见，以下结合图1、图2所示的LDO对于该方法的各流程进行说明。

模块702，生成感测电流。具体地，参考图1、图2中的LDO，利用电流镜像电路162来与输出电路104形成镜像，从而使电流镜像电路162基于输出电路104的输出电流I_out而镜像地生成并输出感测电流I_sns。

模块704，生成跟踪电流。具体地，在图1、图2所示的LDO中，利用跟踪发生电路166来接收所述感测电流I_sns，并生成跟踪电流I_track。

模块706，根据跟踪电流而控制第二电容是否接入而与第一电容并联。根据图1、图2所示的，使用开关元件T_sw来接收跟踪电流I_track，开关元件T_sw根据跟踪电流I_track来打开或者闭合，从而使第二电容C_m2接入或不接入电路，以形成或不形成与第一电容C_m1的并联。具体地，开关元件T_sw可以实现为开关晶体管，该开关晶体管的栅极连接并接收跟踪电流I_track，该开关晶体管根据跟踪电流I_track而导通或关断，从而与之相连的第二电容C_m2实现与第一电容C_m1并联或不并联。

模块708，生成控制电压。如图1、图2中所示的，通过控制电流I_ctrl，经过电流补偿电路204而生成控制电压V_ctrl。

可以看到，由于LDO在连接负载时会出现由负载所影响的输出电流的变化，从而影响到LDO的频率响应。为使得LDO不受到所接入的负载对其输出电流的影响，实现频率响应的稳定，需要对电流回路进行相应的补偿。相比于采用固定电容来实现的密勒补偿而言，本发明的LDO中通过可控制接入与否的电容，来实现对于密勒补偿效果的调节，进而可以控制对于电路进行补偿的程度。进一步地，由于对补偿程度的 控制是基于由接入负载情况下的输出电流的反馈而进行的，能够实际地反映出LDO本身对于补偿的需求并适应性地给予补偿。通过本发明的LDO，实现了对于电流补偿的适应性控制，可以改善频率响应特性，提升稳定性。

在此参考了特定的所示的例子对于各种示例的实施方式进行了描述。所述示例的例子被选择为辅助本领域的技术人员来形成对于各实施方式的清晰理解并得实施。然而，可以构建为包括一个或多个实施方式的系统、结构和器件的范围，以及根据一个或多个实施方式实施的方法的范围，并不为所展示的示例性例子所限制。相反地，所属技术领域的技术人员基于本说明书可以理解：可以根据各实施方式来实施出很多其他的配置、结构和方法。

应当理解的是，就于本发明在前描述中所使用的各种位置指示来说，例如顶、底、上、下，彼等指示仅是参考了相应的附图而给出，并且当器件的朝向在制造或工作中发生变化时，可以代替地具有其他位置关系。如上所述，那些位置关系只是为清楚起见而描述，并非限制。

本说明的前述描述是参考特定的实施方式和特定的附图，但本发明不应当限制于此，而应当由权利要求书所给出。所描述的各附图都是示例性的而非限制性的。在附图中，为示例的目的，各元件的尺寸可能被放大，且可能没有绘制为特定的比例尺。本说明也应当包括各元件、工作方式在容限和属性上的不连续的变换。还应当包括本发明的各种弱化实施。

本说明及权利要求书中所使用的词汇“包括”并不排除其他元件或步骤。除非特别指出，在使用单数形式如“一”、“一个”指代确定或不确定的元件时，应当包括该元件的复数。从而，词汇“包括”不应当被理解为限于在其后所列出的条目，不应当理解为不包括其他元件或步骤；描述“器件包括项目A和B”的范围不应当限制为只包括元件A和B的器件。该描述表示，就于本说明而言，只有器件的元件A和B是相关的。

对于所属领域的技术人员而言，在不背离本发明的权利要求的范畴内可以作出多种具体变化。