专利名称：低噪声线性调节器的快速启动电路及方法
技术领域：
本发明涉及一种上电快速启动的电路与方法，尤其是一种用于低噪声低压降线性 调节器的上电快速启动电路及方法。
背景技术：
低压降线性调节器(LD0:Low Drop-out Regulator)是电源管理芯片的一个很重 要的分支，与开关电源相比，它具有成本低、噪声小、结构简单、功耗小等优点，而且不会引 入电磁干扰的问题，所以在便携式电子系统，尤其是移动电话中得到广泛的应用。如图1所示，一个基本的低压降线性调节器由基准电压产生模块、PM0S输出元件、 电阻分压网络和误差放大器组成。基准电压产生模块产生了一个几乎不随电源电压和温度 等外界条件变化的带隙(Bandgap)基准电压，该基准电压被接到误差放大器的负输入端； 电阻分压网络对输出电压Vout进行采样和分压之后送到误差放大器的正输入端；误差放 大器的输出接到输出PM0S管的栅极上；调节器的输出Vout驱动芯片外的负载电阻RL和负 载电容CL。通过推导可以得到调节器的输出电压为 当工作条件的变化而引起Vout发生变化的时候，电阻分压网络将Vout的变化反 馈到误差放大器的输入端，误差放大器的输出发生相应的变化来调节PM0S管的导通程度， 从而调整输出电压Vout，使Vout在各种工作条件下基本保持不变。整个系统形成一个负反 馈的环路，负载电容用于补偿系统的零极点，使系统稳定。在应用于对电源噪声要求较高的系统中，如射频电路和高性能的音频系统，一般 先在带隙基准电压之后加上一低通滤波器来滤除带隙基准电路产生的噪声，再将滤波后的 基准电压送到误差放大器的输入端，从而降低整个调节器输出Vout的噪声。低通滤波器的 带宽越小，噪声滤除效果越好，Vout的输出噪声就越低。在实际设计中，该滤波器一般由一 个大电阻和一个芯片外的大电容组成，其带宽在几Hz到几百Hz之间。所以，加入滤波器以 后会给基准电压引入很大的时间常数，造成在LD0上电启动期间，基准电压需要花费很长 (一般为毫秒级)的建立时间，大大增加了 LD0的上电等待时间，造成时间浪费。现有加快的上电启动时间的技术方案主要有以下两种方案1、增加带隙(Bandgap)基准电压产生电路的电流，从而增加对滤波电容充电 的电流，减小充电时间。方案2、在上电启动期间将滤波电阻短路来减小滤波器的时间常数。采用上述的技术方案1，会大大增加LD0本身的功耗。采用技术方案2，则需要产 生另外的控制信号，增加系统控制的复杂度，而且最终还是得通过增加带隙基准电路本身 的电流来获得较快的启动速度。
发明内容
为了解决上述的技术问题，本发明的目的是提供一种结构简单且稳定性好的低噪 声线性调节器的快速启动电路。本发明的另一个目的是提供一种成本低的低噪声线性调节器的快速启动方法。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是低噪声线性调节器的快速启动电路，包括一阈值电压产生模块，其用于产生一上电快速建立的阈值电压；一电压检测和控制模块，所述阈值电压产生模块产生的阈值电压和线性调节器的 基准电压分别作为所述电压检测和控制模块的输入信号，所述电压检测和控制模块根据阈 值电压和基准电压的大小关系产生相应的控制信号；一快速充电模块，所述电压检测和控制模块的输出端与快速充电模块的输入端相 连并控制其开启和关断，所述快速充电模块的输出端与线性调节器的基准电压滤波电容相 连接。进一步，所述快速充电模块由一 PM0S开关管和一限流电阻串联而成。进一步，所述快速充电模块为一 PM0S开关管。进一步，所述快速充电模块为大比例电流镜，所述大比例电流镜首先产生一恒定 小电流，然后通过大比例关系电流镜将I放大N倍。低噪声线性调节器的快速启动方法，包括以下步骤A、电路上电，基准电压V_ref小于阈值电压V_th，电压检测和控制模块输出控制 快速充电模块开启，快速充电模块为基准电压滤波电容充电，基准电压V_ref快速上升；B、当基准电压V_ref大于阈值电压V_th，电压检测和控制模块输出控制快速充电 模块关断，基准电压滤波电容的充电方式改为带隙基准电路本身的小电流来完成。进一步，所述阈值电压产生模块产生的阈值电压V_th大于或等于0. 96倍基准电 SV_ref的终值电压。本发明的有益效果是本发明电路仅由阈值电压产生模块、电压检测和控制模块、 快速充电模块三部分组成，结构简单，占用芯片面积小，由于本发明电路大部分为数字电 路，所以LD0的正常工作中本发明电路不会增加LD0本身的功耗。本发明的另一个有益效果是低噪声线性调节器的快速启动方法采用具有高增益 和迟滞功能的比较器使得线性调节器在上电以后能迅速到达正常工作的状态，并在工作中 调整到最终的输出电压值，控制准确、稳定性好，成本低且性能优越。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。图1是典型低噪声低压降线性调节器的结构图；图2是本发明的启动电路结构示意图；图3是本发明的实例电路图；图4是采用本发明以后低压降线性调节器的上电启动仿真波形；图5是快速充电模块采用大比例电流镜的原理图。
具体实施例方式参照图2，低噪声线性调节器的快速启动电路，包括一阈值电压产生模块，其用于产生一上电快速建立的阈值电压；一电压检测和控制模块，所述阈值电压产生模块产生的阈值电压和线性调节器的 基准电压分别作为所述电压检测和控制模块的输入信号，所述电压检测和控制模块根据阈 值电压和基准电压的大小关系产生相应的控制信号；—快速充电模块，所述电压检测和控制模块的输出端与快速充电模块的输入端相 连并控制其开启和关断，所述快速充电模块的输出端与线性调节器的基准电压滤波电容相 连接。进一步，所述快速充电模块由一 PM0S开关管和一限流电阻串联而成。进一步，所述快速充电模块为一 PM0S开关管。在原有的快速充电模块中去掉限流电阻，只用一个PM0S管来实现。限流电阻起保 护电路，并控制启动时间的作用。进一步，所述快速充电模块为大比例电流镜，所述大比例电流镜首先产生一恒定 小电流，然后通过大比例关系电流镜将I放大N倍。如图5所示，采用大比例的电流镜来控制充电电流的大小。在电路中产生一小电流I，通过大比例关系的电流镜将I放大N倍，在启动的时候， 控制开关的闭合，用该大电流对滤波电容充电。通过控制电流镜的比例，就可以控制充电电 流的大小，从而控制充电的时间。低噪声线性调节器的快速启动方法，包括以下步骤A、电路上电，基准电压V_ref小于阈值电压V_th，电压检测和控制模块输出控制 快速充电模块开启，快速充电模块为基准电压滤波电容充电，基准电压V_ref快速上升；B、当基准电压V_ref大于阈值电压V_th，电压检测和控制模块输出控制快速充电 模块关断，基准电压滤波电容的充电方式改为带隙基准电路本身的小电流来完成。进一步，所述阈值电压产生模块产生的阈值电压V_th大于或等于0. 96倍基准电 SV_ref的终值电压。本发明提供的快速启动电路主要由阈值电压产生模块、电压检测和控制模块、快 速充电模块三部分组成。如图2所示。在上述的电路中，阈值电压产生模块主要产生一个略小于基准电压V_ref且上电 时快速建立的阈值电压v_th，阈值电压V_th和基准电压V_ref分别作为电压检测和控制 模块的输入信号，电压检测和控制模块根据输入的V_ref和V_th的电压值大小关系产生控 制快速充电模块开启和关闭的控制信号。快速充电模块的输出接到V_ref (亦即滤波电容 Cbp的上极板)上。由于采用了上述的技术解决方案，在LD0刚上电的时候，由于V_th上升较快而V_ ref上升较慢，所以V_ref < V_th,此时电压检测和控制模块产生控制信号开启快速充电电 路，快速充电电路提供了一个从电源到电容上极板的较大电流通路对滤波电容Cbp进行充 电，使得被滤波后的基准电压很快地上升到接近于稳定时最终电压值。当V_ref上升到大 于V_th的时候，电压检测和控制模块产生控制信号关闭快速充电模块，大电流的充电过程 结束，基准产生模块利用本身的电流对滤波电容继续充电，使得V_ref到达最终稳定的电压。所以，采用了本发明的方法之后，LD0的上电过程可以分为两个阶段，在上电的初始阶 段，采用大电流的充电通路使得LD0的输出电压快速上升到接近于最终值；而之后又采用 基准产生模块本身的电流充电，使LD0的输出电压达到终值。大大提高了 LD0的上电速度， 节省了系统的等待时间。而且当LD0上电完成以后，启动电路不影响LD0的正常工作，且不 消耗任何功耗。另外，该发明中可以根据实际应用的要求，通过调整快速充电电流的大小很 容易的调整LD0的上电时间。 由于业界在定义LD0的上电启动时间的时候，一般用LD0的输出电压Vout从0V上 升达到最终值的96%所花费的时间来计算，所以可以选择V_th彡0. 96XV_reffinal来使得 LD0上电的时候快速的达到正常的工作状态，然后在工作状态中慢慢达到最终的电压值，这 里 V_reffinal 为 V_ref 的终值。图3为依据本发明的低噪声线性调节器的快速启动电路的实例示意图。图中包含 了一高电源抑制比(PSRR :Power-Supply RejectionRatio)的带隙基准电路，阈值电压产 生模块集成于该带隙基准电路中，阈值电压^让通过V_bandgap的电阻分压形式得到。电 压检测和控制模块由一比较器构成，这里使用迟滞比较器使得操作更加稳定，Ml M6组成 带使能信号的缓冲器，用于对比较器的输出信号进行进一步的整形和缓冲，而快速充电模 块由一个PM0S开关M7和一限流电阻Rc构成，限流电阻Rc不仅用于保护电路中的器件不 受大电流的破坏，而且可以方便的调整线性调节器的启动时间。该电路的具体工作方式如下所述，首先，当LD0的启动信号PWR为低电平的时候， LD0处于关断的工作模式，V_ref与Vout均为0V。当系统拉高PWR信号来启动LD0的时候， 带隙基准电路开始工作，V_ref和V_th慢慢由0V开始上升，由于V_ref需要驱动具有很大 RC时间常数的滤波器而上升较慢，所以在刚开始的时候，V_ref小于V_th，此时迟滞比较器 的输出为低电平，PM0S开关M7导通，开启快速充电电路，大电流I_large通过PM0S开关M7 和限流电阻Rc对滤波电容Cbp充电，由于该充电电流较大，所以V_ref快速上升。当充电 到V_ref大于V_th的时候，比较器的输出发生翻转，关断PM0S开关M7而断开快速充电电 路。对滤波电容充电改为带隙基准电路本身的小电流I_small来完成，使V_ref最终达到 稳定的终值，从而完成整个上电的过程。图4为该电路工作时的仿真波形，当PWR信号从低电平被拉高的时候，刚开始电路 工作于1阶段，带隙基准电路开始工作，V_ref和V_th慢慢上升，但是V_ref上升较慢，比 较器的输出为高电平。接着为阶段2，V_th上升到大于V_ref的时候，比较器输出变为低电 平，快速充电电路开启，V_ref和Vout快速上升。阶段3，当V_ref上升到大于V_th的时 候，比较器输出翻转，快速充电过程结束，V_ref与Vout由快速上升变为缓慢上升，最后达 到稳定的最终电压值，整个上电启动过程大约为30us的时间，大大节省了时间。替代方案中模块划分不一定与本发明相同，但是它也许会通过不同的方法来产生 阈值电压，并根据阈值电压与基准电压大小来加快基准电压建立时间。产生阈值电压的方 法可以通过电阻分压、二极管电压、M0S管分压等不同的形式得到。以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施 例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变形或替 换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
权利要求
低噪声线性调节器的快速启动电路，其特征在于包括一阈值电压产生模块，其用于产生一上电快速建立的阈值电压；一电压检测和控制模块，所述阈值电压产生模块产生的阈值电压和线性调节器的基准电压分别作为所述电压检测和控制模块的输入信号，所述电压检测和控制模块根据阈值电压和基准电压的大小关系产生相应的控制信号；一快速充电模块，所述电压检测和控制模块的输出端与快速充电模块的输入端相连并控制其开启和关断，所述快速充电模块的输出端与线性调节器的基准电压滤波电容相连接。
2.根据权利要求1所述的低噪声线性调节器的快速启动电路，其特征在于所述快速 充电模块由一 PM0S开关管和一限流电阻串联而成。
3.根据权利要求1所述的低噪声线性调节器的快速启动电路，其特征在于所述快速 充电模块为一 PM0S开关管。
4.根据权利要求1所述的低噪声线性调节器的快速启动电路，其特征在于所述快速 充电模块为大比例电流镜，所述大比例电流镜首先产生一恒定小电流，然后通过大比例关 系电流镜将I放大N倍。
5.低噪声线性调节器的快速启动方法，其特征在于包括以下步骤A、电路上电，基准电压V_ref小于阈值电压V_th，电压检测和控制模块输出控制快速 充电模块开启，快速充电模块为基准电压滤波电容充电，基准电压V_ref快速上升；B、当基准电压V_ref大于阈值电压V_th，电压检测和控制模块输出控制快速充电模块 关断，基准电压滤波电容的充电方式改为带隙基准电路本身的小电流来完成。
6.根据权利要求5所述的低噪声线性调节器的快速启动方法，其特征在于所述阈值 电压产生模块产生的阈值电压V_th大于或等于0. 96倍基准电压V_ref的终值电压。
全文摘要
本发明公开了一种低噪声线性调节器的快速启动电路及方法，电路包括一阈值电压产生模块；一电压检测和控制模块；一快速充电模块。方法包括以下步骤A、电路上电，基准电压V_ref小于阈值电压V_th，电压检测和控制模块输出控制快速充电模块开启，快速充电模块为基准电压滤波电容充电，基准电压V_ref快速上升；B、当基准电压V_ref大于阈值电压V_th，电压检测和控制模块输出控制快速充电模块关断，基准电压滤波电容的充电方式改为带隙基准电路本身的小电流来完成。本发明使得线性调节器在上电以后能迅速到达正常工作状态，并在工作中调整到最终输出电压值。本发明作为低噪声线性调节器快速启动电路及方法应用于电子系统。
文档编号H02M1/36GK101847928SQ20101015155
公开日2010年9月29日 申请日期2010年4月14日 优先权日2010年4月14日
发明者张建强, 徐肯 申请人:广州市广晟微电子有限公司