专利名称：具有负载检测电路及动态零点补偿电路的线性稳压器的制作方法
技术领域：
本发明涉及低压差线性稳压器技术领域，更具体地是指一种具有负载检测电路及动态零点补偿电路的快速瞬态响应低压差线性稳压器。
背景技术：
低压差线性稳压器是片上电源管理系统模块中的重要组成部分，由于其具有需要输入输出压差小，面积小，电流利用率高，易于集成等优势而得到广泛应用。然而，当外界负载发生变化时，输出电压将存在尖脉冲并且需要一个瞬态响应时间k才能回到稳定状态。这些尖脉冲的存在将对所供电模块特别是模拟模块性能产生致命影响。另外，为保证低压差线性稳压器正常工作，通常需要外接具有特殊参数(Crat及有效串联电阻Resk)的片外耦合电容。图1示出的是传统低压差线性稳压器的电路示意图，传统低压差线性稳压器由误差放大器、电压缓冲器、功率管PM0S、第一反馈电阻Rfl和第二反馈电阻Rf2构成。误差放大器用来比较基准电压Vkef及线性稳压器的输出反馈电压Vf并生成控制信号调节功率管PMOS ;电压缓冲器加在误差放大器及功率管PMOS之间用以驱动功率PMOS大的栅电容，加快反应速度；反馈电阻Rfl及Rf2用来产生供误差放大器比较的适当的反馈电压\。目前很多低压差线性稳压器的设计及优化都在致力于提高线性稳压器瞬态响应性能，如在误差放大器及电压缓冲器之间加入其它环路增益调节电路或者对电压缓冲器进行优化，但这些设计往往造成电路结构复杂且因为引入附加电路而造成功耗加大。
发明内容
(一 )要解决的技术问题有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种简单有效的提高线性稳压器瞬态响应性能的方法，在获得高性能的同时简化电路结构并降低功耗。( 二 )技术方案为达到上述目的，本发明提供了一种具有负载检测电路及动态零点补偿电路的线性稳压器，包括误差放大器、电压缓冲器、功率管PM0S、第一反馈电阻Rfl和第二反馈电阻Rf2,该误差放大器用以比较基准电压Vkef及该线性稳压器输入的反馈电压Vf，并生成控制信号来调节该功率管PMOS ；电压缓冲器连接于该误差放大器与功率管PMOS之间，用以驱动功率PMOS大的栅电容，加快反应速度；反馈电阻Rfl及Rf2连接于该线性稳压器的输出端与误差放大器之间，用以产生反馈电压Vf，供误差放大器使用；该线性稳压器还包括:连接于该低压差线性稳压器输出端与该电压缓冲器之间的一负载检测电路，以及连接于该低压差线性稳压器输出端与该误差放大器之间的一动态零点补偿电路；其中，该负载检测电路用于检测负载电流的变化，进而控制该动态零点补偿电路产生动态零点zD跟踪并补偿掉该线性稳压器的第一非主极点PEA。上述方案中，该负载检测电路进一步用于检测该功率管PMOS与该线性稳压器的输出端Vwt之间的压差，从而判断负载大小。该负载检测电路的两输入端分别连接于该电压缓冲器的输出端及该线性稳压器的输出端Vrat，该负载检测电路的输出端连接于该动态零点补偿电路。上述方案中，该动态零点补偿电路由具有固定值的电阻及压控可变电容串联构成，或者由具有固定值的电容及压控可变电阻串联构成。该动态零点补偿电路进一步用于根据该负载检测电路的输出信号调整零点位置，对带内零极点进行补偿调整。该动态零点补偿电路的输入端连接于该负载检测电路的输出端，该动态零点补偿电路的输出端连接于该电压缓冲器的输入端。该动态零点补偿电路进一步根据负载检测电路提供信号对带内零极点进行补偿调整，从而达到该线性稳压器对不同负载情况稳定的目的，降低对片外耦合电容的要求。上述方案中，该线性稳压器的第二非主极点Pvb由外接电容生成的零点Ze补偿。该误差放大器的两输入端分别为基准电压Vref及负反馈电压vf，该误差放大器的输出端连接到该电压缓冲器输入端及该动态零点补偿电路；该电压缓冲器的输入端连接到该误差放大器的输出端，该电压缓冲器的输出端连接到该功率管PMOS的栅极以及该负载检测电路的输入端；该功率管PMOS的栅极连接于该电压缓冲器的输出端，该功率管PMOS的源极连接于电源Vin，该功率管PMOS的漏极连接于该第一反馈电阻Rfl的一端。(三)有益效果本发明提供的具有负载检测电路及动态零点补偿电路的快速瞬态响应低压差线性稳压器，是通过增加系统环路增加单位频率来达到提高线性稳压器瞬态响应性能目的。其中引入的负载检测电路能够检测负载变化并调节动态零点补偿电路产生一个动态零点跟踪并精确补偿带内第一非主极点。低压差线性稳压器第一非主极点可以由该动态零点精确抵消，而第二非主极点可以由外接电容产生的零点抵消。整个系统因此相当于单极点系统，单位增益频率得到了显著提高，并且对于不同负载位增益频率也可以保持很好的恒定。这种动态补偿技术使得低压差线性稳压器较传统结构具有对负载变化更快瞬态响应能力以及小的电压尖脉冲。负载检测电路及动态零点补偿电路并无静态功耗，对整个低压差线性稳压器的电流效率无影响。
图1示出的是传统低压差线性稳压器的电路图。图2示出的是具有负载检测电路及动态零点补偿电路的线性稳压器的电路图。图3示出的是传统低压差线性稳压器及本发明低压差线性稳压器的零极点分布对比波特图。图4示出的是一种具体的电路实现方式。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。在下文中，通过参照附图，本发明的实例将被详细地描述。但是，本发明可以以许多不同的形式加以实施，并不应限定于这里给出的实例，该实例的提供是为了使本公开是彻底的和完整的，并且向熟悉本领域的人员全面地传达本发明的思想。图1示出的是传统低压差线性稳压器电路示意图，传统低压差线性稳压器由误差放大器、电压缓冲器、功率管PM0S、第一反馈电阻Rfl和第二反馈电阻Rf2构成。误差放大器用来比较基准电压Vkef及线性稳压器的输出反馈电压Vf并生成控制信号调节功率管PMOS ；电压缓冲器加在误差放大器及功率管PMOS之间用以驱动功率PMOS大的栅电容，加快反应速度；第一反馈电阻Rfl和第二反馈电阻Rf2用来产生适当的反馈电压Vf，供误差放大器比较。其中环带内零极点分别为:位于低压差线性稳压器输出端主极点pD，位于误差放大器输出端第一非主极点Pea，位于电压缓冲器输出端第二非主极点Pvb以及由外接电容引入的零点ζε。当负载电流变化时，环带内零极点位置将发生变化，进而造成环路增益及单位增益带宽发生变化。由于外接电容引入的零点位置固定，负载变化导致的极点位置变化将影响系统的瞬态响应并造成稳定性问题。图2示出的是本发明提供的具有负载检测电路及动态零点补偿电路的低压差线性稳压器电路示意图。图2较图1增加了负载检测电路及动态零点补偿电路:在电压缓冲器与低压差线性稳压器输出端加入负载检测电路以及在误差放大器与低压差线性稳压器输出端加入动态零点补偿电路。在本发明中，负载检测电路将检测负载电流的变化，进而控制动态零点补偿电路产生动态零点zD跟踪并补偿掉第一非主极点ρΕΑ，另外一个非主极点Pvb可以由外接电容生成的零点％补偿，从而使整个系统相当于单主极点系统，不存在稳定性问题，并且单位增益带宽被增大，加速了电路的瞬态响应。图2示出的具有负载检测电路及动态零点补偿电路的线性稳压器，包括误差放大器、电压缓冲器、功率管PM0S、第一反馈电阻Rfl和第二反馈电阻Rf2，该误差放大器用以比较基准电压Vkef及该线性稳压器输入的反馈电压Vf，并生成控制信号来调节该功率管PMOS ；电压缓冲器连接于该误差放大器与功率管PMOS之间，用以驱动功率PMOS大的栅电容，加快反应速度；反馈电阻Rfl及Rf2连接于该线性稳压器的输出端与误差放大器之间，用以产生反馈电压Vf，供误差放大器使用；该线性稳压器还包括:连接于该低压差线性稳压器输出端与该电压缓冲器之间的一负载检测电路，以及连接于该低压差线性稳压器输出端与该误差放大器之间的一动态零点补偿电路；其中，该负载检测电路用于检测负载电流的变化，进而控制该动态零点补偿电路产生动态零点zD跟踪并补偿掉该线性稳压器的第一非主极点PEA，该线性稳压器的第二非主极点Pvb由外接电容生成的零点Ze补偿。其中，该负载检测电路进一步用于检测该功率管PMOS与该线性稳压器的输出端Vwt之间的压差，从而判断负载大小。该负载检测电路的两输入端分别连接于该电压缓冲器的输出端及该线性稳压器的输出端Vwt，该负载检测电路的输出端连接于该动态零点补偿电路。该动态零点补偿电路由具有固定值的电阻及压控可变电容串联构成，或者由具有固定值的电容及压控可变电阻串联构成。该动态零点补偿电路进一步用于根据该负载检测电路的输出信号调整零点位置，对带内零极点进行补偿调整。该动态零点补偿电路的输入端连接于该负载检测电路的输出端，该动态零点补偿电路的输出端连接于该电压缓冲器的输入端。该动态零点补偿电路进一步根据负载检测电路提供信号对带内零极点进行补偿调整，从而达到该线性稳压器对不同负载情况稳定的目的，降低对片外耦合电容的要求。图3示出的是传统低压差线性稳压器及本发明的零极点分布对比波特图。在图3中示意性的给出了传统低压差线性稳压器及本发明的零极点随着负载电流变化的分布对t匕。可以看到，随着负载由小变大，主极点Pd及非主极点Pea将向高频移动同时环路增益将降低。由于片外电容生成的零点位置固定，对非主极点补偿能力有限，因此随负载变化很容易出现稳定性问题。同时可以看到，单位增益带宽随负载变化显著变化从而导致瞬态响应能力差。本发明引入的负载检测及动态零点补偿电路可以精确跟踪并补偿第一非主极点Pea，保证了系统的稳定性。由于环路单位增益频率与瞬态响应能力直接相关，从图3中可以看到，将片外电容生成的零点％移向低频，可以大大增加环路的单位增益带宽，从而显著加快了电路对负载的瞬态响应能力。图4示出的是一种具体的电路实现方式。如图所示，PMOS管Md为负载检测管；NM0S管Mz及Ce构成动态零点补偿电路。通过调控Mz的栅压调节其沟道电阻从而实现动态零点。PMOS管Md以一定系数k (本例中为1/200)复制功率PMOS管Mp的电流，并通过PMOS管M^s调节Mz栅压以保证Mz工作在线性电阻区。本发明利用0.2μπι SOI CMOS工艺投片并测试。测试结果显示:本发明较传统结构低压差线性稳压器在负载瞬态响应方面有明显改进；在负载电流陡变过程中产生的电压尖脉冲也远远小于传统结构。以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围 之内。
权利要求
1.一种具有负载检测电路及动态零点补偿电路的线性稳压器，包括误差放大器、电压缓冲器、功率管PMOS、第一反馈电阻Rfl和第二反馈电阻Rf2，该误差放大器用以比较基准电压Vkef及该线性稳压器输入的反馈电压Vf，并生成控制信号来调节该功率管PMOS ；电压缓冲器连接于该误差放大器与功率管PMOS之间，用以驱动功率PMOS大的栅电容，加快反应速度；反馈电阻Rfl及Rf2连接于该线性稳压器的输出端与误差放大器之间，用以产生反馈电压Vf，供误差放大器使用；其特征在于，该线性稳压器还包括: 连接于该低压差线性稳压器输出端与该电压缓冲器之间的一负载检测电路，以及连接于该低压差线性稳压器输出端与该误差放大器之间的一动态零点补偿电路；其中，该负载检测电路用于检测负载电流的变化，进而控制该动态零点补偿电路产生动态零点zD跟踪并补偿掉该线性稳压器的第一非主极点PEA。
2.根据权利要求1所述的具有负载检测电路及动态零点补偿电路的线性稳压器，其特征在于，该负载检测电路进一步用于检测该功率管PMOS与该线性稳压器的输出端Vwt之间的压差，从而判断负载大小。
3.根据权利要求2所述的具有负载检测电路及动态零点补偿电路的线性稳压器，其特征在于，该负载检测电路的两输入端分别连接于该电压缓冲器的输出端及该线性稳压器的输出端V-，该负载检测电路的输出端连接于该动态零点补偿电路。
4.根据权利要求1所述的具有负载检测电路及动态零点补偿电路的线性稳压器，其特征在于，该动态零点补偿电路由具有固定值的电阻及压控可变电容串联构成，或者由具有固定值的电容及压控可变电阻串联构成。
5.根据权利要求1所述的具有负载检测电路及动态零点补偿电路的线性稳压器，其特征在于，该动态零点补偿电路进一步用于根据该负载检测电路的输出信号调整零点位置，对带内零极点进行补偿调整。
6.根据权利要求5所述的具有负载检测电路及动态零点补偿电路的线性稳压器，其特征在于，该动态零点补偿电路的输入端连接于该负载检测电路的输出端，该动态零点补偿电路的输出端连接于该电压缓冲器的输入端。
7.根据权利要求1所述的具有负载检测电路及动态零点补偿电路的线性稳压器，其特征在于，该动态零点补偿电路进一步根据负载检测电路提供信号对带内零极点进行补偿调整，从而达到该线性稳压器对不同负载情况稳定的目的，降低对片外耦合电容的要求。
8.根据权利要求1所述的具有负载检测电路及动态零点补偿电路的线性稳压器，其特征在于，该线性稳压器的第二非主极点Pvb由外接电容生成的零点Ze补偿。
9.根据权利要求1所述的具有负载检测电路及动态零点补偿电路的线性稳压器，其特征在于， 该误差放大器的两输入端分别为基准电压Vref及负反馈电压Vf，该误差放大器的输出端连接到该电压缓冲器输入端及该动态零点补偿电路； 该电压缓冲器的输入端连接到该误差放大器的输出端，该电压缓冲器的输出端连接到该功率管PMOS的栅极以及该负载检测电路的输入端； 该功率管PMOS的栅极连接于该电压缓冲器的输出端，该功率管PMOS的源极连接于电源Vin，该功率管PMOS的漏极连接于该第一反馈电阻Rfl的一端。
全文摘要
本发明公开了一种具有负载检测电路及动态零点补偿电路的线性稳压器，包括误差放大器、电压缓冲器、功率管PMOS、第一反馈电阻Rf1和第二反馈电阻Rf2、连接于该低压差线性稳压器输出端与该电压缓冲器之间的一负载检测电路，以及连接于该低压差线性稳压器输出端与该误差放大器之间的一动态零点补偿电路。其中，该负载检测电路用于检测负载电流的变化，进而控制该动态零点补偿电路产生动态零点zD跟踪并补偿掉该线性稳压器的第一非主极点pEA。这种动态补偿技术使得低压差线性稳压器较常规结构具有对负载变化更好的瞬态响应性能以及小的电压尖脉冲。负载检测电路及动态零点补偿电路并无静态功耗，对整个低压差线性稳压器的电流效率无影响。
文档编号G05F1/565GK103105883SQ20111035670
公开日2013年5月15日 申请日期2011年11月11日 优先权日2011年11月11日
发明者乔宁, 于芳, 赵凯, 高见头 申请人:中国科学院微电子研究所