专利名称：具有快速过电压响应的无电容低压差稳压器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有快速过电压响应的无电容低压差稳压器。
技术背景传统的LD0稳压器需要外部电容以使输出电压稳定。为了在便 携式应用中提高电池寿命并节省PCB面积，人们越来越多地使用一种 低静态电流的"无电容"LD0稳压器。但是当负载电流快速变化时， 例如在小于Ins的时间内从几十毫安变为零时，这些无电容LDO稳压 器会出现问题。由于其片上输出电容有限并且环路响应缓慢，输出电 压将会跳变至电源电压。另外在跳变之后，依据电阻分压器的电阻和 片上电容器的电容，输出电压会缓慢地降至正常值。结果，LDO稳压器的输出电压将会偏离正常值并且在电源电压附近保持较长的时间。 结果是低电压负载的电路将不可避免地被毁坏或失效。需要一种改进的稳压器，其保持有无电容LDO稳压器的优点而 且不像所述稳压器那样易受到过电压状态的影响。发明内容提供一种稳压器和稳压的方法，其中一个或多个放电电路对较 小的片上输出电容和较慢的环路响应时间进行补偿。在一个实施例中，该稳压器包括耦合到输出电压线上的输出晶体管；耦合到输出 电压线上的输出电压感测装置，其用于产生输出反馈电压；以及耦合 到输出反馈电压、输出晶体管、和基准电压的误差放大器，其用于对 输出晶体管进行反馈控制。第一放电电路耦合到输出电压线和基准电 势上，其中该第一放电电路由急剧上升的过电压情况触发。在另一个 实施例中，使用快速放电电路和慢速放电电路的组合来改善负载阶跃
响应一一即，阻止输出电压跳变过高并快速将其拉回至稳定值，从而 保护负载电路。该电路会消耗非常低的功率(例如大约5uA静态电 流)并表现出很高的速度。在一个示例实施例中，该电路能够在lns 内处理全程的负载阶跃(上升/下降)。通过阅读并理解下文结合已给出简述的附图对示例实施例进行 的详细说明，能够理解本发明的其它特征和优点。
图1是具有快速负载阶跃响应的稳压器的简化电路图； 图2是详细说明图1中的快速放电电路的电路图； 图3是详细说明图1中的慢速放电电路的电路图； 图4是说明图1中的稳压器的一种应用的框图。
具体实施方式
下面是对本发明的详细说明。本领域的技术人员将会认识到 以下的详细说明仅是说明性的而非进行任何限定。通过了解本公开， 技术人员能够容易地推想出本发明的其它实施例。现对附图中所示的 本发明的实施例进行具体的参考。贯穿附图和以下详细说明中的相同 参考标号表示相同或类似的部分。首先参考图4，其中示出了稳压器100的一种可能的应用，下文将作详细说明。稳压器100构成了为核心处理器203供电的功率管理 IC 201的一部分。核心处理器203可以是例如移动电子设备的处理 器。从外部电池或USB装置205对功率管理IC 201供电，这提供了 输入电压Vin。该输入电压Vin被施加到稳压器100并被施加到包含 了低压脉宽调制(PWM)控制器211和开关213的开关电源210。稳 压器100的输出电压Vout用作P丽控制器211的内部电源。该P丽 控制器产生了与输入电压Vin —起供给开关213的控制信号(例如 PWM1、 PWM2)。通过对开关213的适当控制，输入电压Vin被转换成 用来供给核心处理器203的电压Voutcp。现参考图1，其示出了具有快速过电压响应的稳压器(无电容LDO稳压器)的电路图。该稳压器优选地以单集成电路的形式来实现。该稳压器的基本结构包括输出晶体管M，以电阻分压器R1、 R2的 形式构成的输出电压感测装置，误差放大器OTA，以及输出电容Co。 该输出晶体管M优选的是PMOS晶体管。其与电阻分压器R1、R2串联。 输出晶体管M和电阻分压器Rl、 R2的串联组合连接在供电电压Vin 和地之间。输出电压线L连接至输出晶体管M和电阻分压器R1、 R2 之间的节点Nl上，跨接其上的即是输出电压Vout。在电阻分压器Rl、 R2的中间节点N2处产生了指示输出电压Vout的反馈电压。误差放大器OTA的电源端也连接至供电电压Vin和地。误差放 大器OTA的反相输入端连接至基准电压Vref。误差放大器OTA的同 相输入端连接至反馈电压Voutfb。误差放大器0TA的输出端连接至 输出晶体管M的门极。于是输出晶体管M的导通状态由反馈回路根据 基准电压Vref和反馈电压Voutfb之差来控制。输出电容Co耦合在 输出线L和地之间，用来使输出电压V o u t的输出变化平滑。快速放电电路2连接在输出电压线L和地之间。快速放电电路 将结合图2进行详细说明。可选的是，也可以把慢速放电电路3连接 在输出电压线L和地之间。慢速放电电路3将结合图3进行详细说明。现参考图2，快速放电电路包括放电晶体管Md，其可以是连接 在输出电压线L和地之间的丽0S晶体管。触发电路与放电晶体管Md 并联，该触发电路包括电容Cd和电阻Rd。放电晶体管Md的门极连 接至电容Cd和电阻Rd之间的节点N3上。在工作时，当Vout快速升 高时，Cd表现为短路，于是晶体管Md被触发为0N以拉低Vout。启动晶体管Ms与电阻Rd并联。其用于在加电事件期间为电阻 Rd形成旁路，以避免误触发放电晶体管Md。延迟单元D连接至输出 电压线L，并且产生连接至启动晶体管Ms的门极的控制信号CS。延 迟单元D也连接至供电电压Vin和地。通常控制信号CS为低，启动 晶体管Ms为0FF状态。然而，在加电事件期间，控制信号CS上升为 高，导通启动晶体管Ms并且防止放电晶体管Md被导通。当输出电压 Vout稳定时，控制信号CS降低，将启动晶体管Ms变为0FF状态。快速放电器2不消耗静态电流，并且当输出电压开始快速上升 时，该快速放电电路2将以零时间延迟触发并对输出节点放电。于是 其能够有效地把输出电压的峰值限制在安全的范围内，并快速地把输 出电压拉回至正常值，从而保护低电压负载的电路免受破坏。快速放电电路2应对突然的过电压情况非常有效。为了提高针对较不突然的过电压情况的效率，可以提供慢速放电电路3。慢速放 电电路3可以具有如图3所示的结构。放电晶体管Mt (优选为丽0S) 连接在输出电压线和地之间。其受到不平衡电压比较器31的控制。 电压比较器31的电源端连接至供电电压Vin和地。电压比较器的反 相输入端连接至基准电压Vref。电压比较器31的同相输入端连接至 反馈电压Voutfb。当输出电压较不突然地上升时，慢速放电电路3能够确保输出 电压快速地减小至正常值。比较器的不平衡特征可以确保晶体管Mt 不会在由于处理和失配变化而出现偏移电压时被误触发为0N状态。尽管已对本发明的实施例进行了详细说明，但应当理解，在不 偏离由权利要求所限定的发明精神和范围的前提下可以做出各种改 变、替换和修改。
权利要求
1. 一种稳压器，包括输出晶体管，其耦合到输出电压线上；输出电压感测装置，其耦合到输出电压线上，用于产生输出反馈电压；误差放大器，其耦合到输出反馈电压、输出晶体管、和基准电压，用于对输出晶体管进行反馈控制；以及第一放电电路，其耦合至输出电压线和基准电势，所述第一放电电路由急剧上升的过电压情况触发。
2. 如权利要求l所述的设备，其中第一放电电路包括 第一分流晶体管，其耦合在输出电压线和基准电势之间；和 触发电路，其耦合至输出电压线和第一分流晶体管。
3. 如权利要求2所述的设备，其中所述触发电路包括电容和电 阻的串联组合。
4. 如权利要求3所述的设备，其中所述电容和电阻的串联组合 耦合在输出电压线和基准电势之间。
5. 如权利要求2所述的设备，其中第一放电电路包括耦合至电 阻的旁路晶体管，该旁路晶体管紧随着加电事件被导通。
6. 如权利要求5所述的设备，包括耦合至输出电压线和旁路晶 体管的延迟电路，其用于在加电事件之后过了一定延迟时间以后关闭 所述旁路晶体管。
7. 如权利要求l所述的设备，包括第二放电电路，该第二放电 电路具有比所述第一放电电路的响应时间长的响应时间。
8. 如权利要求7所述的设备，其中第二放电电路包括第二分 流晶体管和耦合至输出电压线、基准电压、和所述第二分流晶体管的 比较器，该比较器用于控制第二分流晶体管。
9. 如权利要求8所述的设备，其中比较器是不平衡比较器，以 避免由于制造过程偏差而导致误触发第二分流晶体管。
10. 如权利要求1所述的设备，其中误差放大器是共源共栅跨 导放大器。
11. 如权利要求l所述的设备，其形成在单个集成电路上。
12. 如权利要求ll所述的设备，包括输出电容，其耦合在输出 电压线上并且形成在所述集成电路上。
13. —种对输出电压稳压的方法，该方法使用耦合至输出电压线的输出晶体管和放电电路来对输出电压稳压，该方法包括 感测输出电压；根据感测得到的输出电压来对输出晶体管进行反馈控制，所述 反馈控制必须伴有延迟；以及除了所述反馈控制之外，急剧上升的过电压情况导致第一放电 电路从输出电压线分流电流。
14. 如权利要求13所述的方法，其中第一放电电路具有远低于 所述延迟的响应时间。
15. 如权利要求13所述的方法，包括步骤避免第一放电电路在加电事件期间工作。
16. 如权利要求13所述的方法，包括步骤使第二放电电路响 应于感测到的输出电压来从输出电压线分流电流。
17. 如权利要求16所述的方法，其中第一放电电路提供对突然 过电压情况的快速响应，并且第二放电电路在不太突然的过电压情况 下提供更为有效的放电。
18. 如权利要求7所述的设备，其中第一放电电路提供对突然过电压情况的快速响应，并且第二放电电路在不太突然的过电压情况 下提供更为有效的放电。
全文摘要
提供一种稳压器，其具有一个或多个放电电路，该稳压器对较小的片上输出电容和较长的环路响应时间进行补偿。在一个实施例中，该稳压器包括耦合到输出电压线上的输出晶体管；耦合到输出电压线上的输出电压感测装置，其用于产生输出反馈电压的；以及耦合到输出反馈电压、输出晶体管、和基准电压的误差放大器，其用于对输出晶体管进行反馈控制。第一放电电路耦合到输出电压线和基准电势上，其中该第一放电电路由急剧上升的过电压情况触发。在另一个实施例中，使用快速放电电路和慢速放电电路的组合来改善负载阶跃响应——即，阻止输出电压跳变过高并快速将其拉回至稳定值，从而保护负载电路。
文档编号G05F1/56GK101398694SQ20071016421
公开日2009年4月1日 申请日期2007年9月30日 优先权日2007年9月30日
发明者张晓博, 钢 邬, 霓 马 申请人:Nxp股份有限公司