本发明涉及集成电路电源技术领域，更具体地，涉及一种基于双环路模数转化模块的数字线性稳压器。
背景技术：
电源管理系统是大多数电子设备的重要组成部分，它将电能进行变换、分配、检测、稳压和降噪之后，为后续电路系统提供一个相对稳定的工作电压，其性能的优劣将直接影响到电子设备的安全性和可靠性。近年来随着国际IC市场对电源管理类芯片的需求量大幅度增加，电源管理技术也日趋成熟。直流稳压电源作为电源系统的一个分支，被广泛应用在计算机、通信和便携式消费电子等领域中。
根据内部结构的不同，稳压电源又可分为线性稳压电源和开关稳压电源两大类。前者具有稳定性高、输出电压纹波小、低噪声、瞬态响应速度快和隔离性高等优点，但效率不高(一般只有45％)；后者有较高的转换效率，但缺点是成本高、体积大、噪音大，需要电感、电容，设计时还需考虑其电磁(Electromagnetic Interference，EMI)辐射。如果一个系统要求电源模块既要有低噪声和低纹波的特性，又要尽可能地降低功耗，那么低压差线性稳压器(Low Drop-out Regulator,LDO)无疑是最佳的选择。
在高速数字电路里，成千上万的逻辑门电路快速的进行开关动作，因此对电源要求非常高。它要求LDO电源必须有足够快的响应速度以能及时调整输出电压，避免输出电压过低或过高导致电路逻辑发生紊乱。同时，由于芯片集成度的不断提高和外围电路的简化要求，使得LDO电路的低功耗小面积设计成为热点问题。
根据功率晶体管的电流控制方式将LDO进行分类，模拟LDO控制功率晶体管的栅极到源极的电压，而数字LDO控制晶体管的导通数目(ON或OFF)。因此，数字LDO的功率晶体管的栅源电压更大，在相同的电源电压和负载电流条件下能够显著减小芯片面积，具有传统模拟LDO技术所无法比拟的优势。随着摩尔定律的不断发展以及芯片集成度的不断提高，芯片设计尺寸和外部输入电压也不断减小，模拟LDO电路的设计已经愈发困难。同时，对于模拟LDO而言，负载电流的波动导致输出极点位置不断变化，增加了输出的不稳定性和设计难度。而数字LDO的设计对于小信号变化不敏感，有更少的负载稳定性问题。
最早的数字LDO电路由一个时钟比较器、一个串行输入、并行输出的双向移位寄存器以及PMOS管开关阵列构成，双向移位寄存器作为一个控制器工作，仅在每个时钟边缘进行开关活动，这样大大降低了瞬态响应速率。而仅仅使用单个ADC作为PMOS的控制逻辑，能够同时控制多个PMOS的开关，提高了瞬态速率，但缺点在于输出电压纹波较大。因此，研究出一种能够提高瞬态响应速率且同时不影响输出电压纹波的方法具有重要意义。
技术实现要素：
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于双环路ADC的数字LDO电路，其目的在于解决现有的数字LDO电路由于电压调节能力有限导致瞬态响应能力差的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供一种基于双环路模数转化模块的数字线性稳压器，包括：
开关管组，其包括第一开关管组和第二开关管组，第一开关管组的漏极同第二开关管组的漏极连接构成开关管组输出端，第一开关管组的源极同第二开关管组的源极连接构成开关管组的输入端，第一开关管组的栅极作为开关管组的第一控制端，第二开关管组的栅极作为开关管组的第二控制端；第一控制信号用于控制第一开关管组中开关管导通数量，第二控制信号用于控制第二开关管组中开关管导通数量，第一开关管组的宽长比远大于第二开关管组的宽长比，实现开关管组根据第一控制信号和第二控制信号输出稳定电压；
电压采集模块，其输入端与开关管组的输出端连接，用于将负载电流转化为反馈电压；
电流采集模块，其输入端与开关管组的输出端连接，用于采集负载电流；
第一使能控制模块，其输入端与电流采集模块的输出端连接，用于根据负载电流的大小输出第一使能信号；
第一模数转化模块，其输入端与电压采集模块的第二输出端连接，其使能端同第一使能控制模块的输出端连接，其输出端与开关管组的第一控制端连接，用于根据第一使能信号、反馈电压及第一参考电压输出第一控制信号；
第二使能控制模块，其输入端与第一模数转化模块的输出端连接，其第二输入端与电流采集模块的输出端连接，用于根据第一控制信号变化及负载电流大小输出第二使能信号；
第二模数转化模块，其输入端与电压采集模块的输出端连接，其使能端同第二使能控制模块的输出端连接，其输出端与开关管组的第二控制端连接，用于根据第二使能信号、反馈电压及第二参考电压输出第二控制信号。
优选地，数字线性稳压器还包括带隙基准模块，其第一输出端与第一模数转化模块的参考端连接，其第二输出端与第二模数转化模块的参考端连接，用于输出第一参考电压和第二参考电压。
优选地，数字线性稳压器还包括：
过温保护模块，其设有五个输出端，其第一输出端与带隙基准模块的使能端连接，其第二输出端同第一使能控制模块的使能端连接，其第三输出端同电流采集模块的使能端连接，用于根据检测到环境温度输出保护使能信号，保护使能信号用于控制带隙基准模块和第二模数转化模块是否工作，第一使能控制模块根据保护使能信号和负载电流输出第一使能控制信号；
第一保护开关管，其控制端与过温保护模块的第四输出端连接，其漏极同开关管组的第一控制端连接，用于根据保护使能控制信号输出第一附加控制信号，第一附加控制信号和第一控制信号共同控制第一开关管组使第一开关管组输出稳定的电压；
第二保护开关管，其控制端与过温保护模块的第五输出端连接，其漏极同开关管组的第二控制端连接，用于根据保护使能控制信号输出第二附加控制信号，第二附加控制信号和第二控制信号共同控制第二开关管组使第二开关管组输出稳定的电压。
优选地，数字线性稳压器还包括限流保护模块，其输入端同开关管组的输出端连接，用于根据负载电流大小输出过流保护使能信号；以及
保护使能控制模块，其第一输入端同限流保护模块的输出端连接，其第二输入端同过温保护模块的输出端连接，用于根据过流保护使能信号和由过温保护模块输出的过温保护使能信号输出保护使能信号。
优选地，电压采集模块包括串联的第一电阻和第二电阻，其中，第一电阻的一端作为电压采集模块的输入端，第一电阻和第二电阻的连接点作为电压采集模块的输出端，第二电阻的另一端接地。
优选地，当输入至电流采集模块的负载电流大于电流阈值时，第一使能控制模块输出第一使能信号使第一模数转化模块工作，进行第一开关管组中相应器件的开关动作调节输出电压恢复到稳定值；当输入至电流采集模块的负载电流小于电流阈值时，进而使能控制模块输出第二使能信号使第二模数转化模块工作，进行第二开关管组中相应器件的开关动作调节输出电压恢复到稳定值。
优选地，当反馈电压使第一模数转化模块的输出端中的某一位重复变化时，第二使能控制模块输出第二使能信号使第二模数转化模块工作，第二开关管组的部分开关管的控制端变化进而调节输出电压恢复到稳定值。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1、本发明提供的数字线性稳压器，由第一模数转化模块输出第一控制信号，第一控制信号控制第一开关管组的输出电压，由第二模数转化模块输出第二控制信号，第二控制信号控制第二开关管组的输出电压；当负载电流大于电流阈值时，第一模数转化模块工作，调节第一开关管组相应MOS管的栅极电压，实现开关管组负载能力的调节；当负载电流小于电流阈值时，第二模数转化模块工作，调节第二开关管组相应MOS管的栅极电压，实现开关管组负载能力的调节。
2、本发明提供的数字线性稳压器，当开关管组负载能力远小于负载电流大小，使第一模数转化模块工作，大幅调整开关管组负载能力，实现输出电压的粗调；当第一开关管组调节不能再调节开关管组负载能力，启动第二模数转化模块，小幅度调节开关管组负载能力，实现开关管组电压微调，提高数字线性稳压器的瞬态响应能力。
附图说明
图1为本发明提供的基于双环路模数转化模块的数字线性稳压器的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1为本发明提供的基于双环路模数转化模块的数字线性稳压器的结构示意图，该数字线性稳压器包括第一使能控制模块、带隙基准模块、第一模数转化模块、第二模数转化模块、第二使能控制模块、过温保护模块、限流保护模块、电压采集模块、电流采集模块及开关管组，其中，开关管组包括第一开关管组和第二开关管组，第一开关管组和第二开关管组均为PMOS功率管。
电压采集模块为串联的第一电阻R1和第二电阻R2，电压采集模块第一端接地，电压采集模块第二端与两组PMOS功率管漏极VOUT连接，电压采集模块的第三端1与第一模数转化模块的输入端3、第二模数转化模块的输入端4连接，使得由负载电流变化引起的输出电压变化反馈至输入端。电流采集模块的输入端21与两组PMOS功率管漏极VOUT连接，电流采集模块的第一输出端与第一使能控制模块的第一使能端2连接，电流采集模块的第二输出端与第二使能模块的第二输入端20连接，第一使能控制模块的输出端5与第一模数转化模块的使能端EN1连接，使得在负载电流大于电流阈值时，即电流发生大幅度变化时第一模数转化模块处于工作状态。该电流阈值根据第一开关管组的驱动能力和第二开关管组的驱动能力确定。
第一模数转化模块的输出端9与第二使能控制模块的第一输入端6连接，同时和第一组PMOS功率管模块的栅极12连接，使得在负载电流发生剧烈变化时第一组PMOS管的导通数目作出调整，从而增大或减小电路的驱动能力。第二模数转化模块的第二输入端同电压采集模块的输出端连接，且第二模数转化模块的使能端8与第二使能控制模块的输出端7连接。第二模数转化模块的输出端10与第二组PMOS功率管的栅极11连接，使得电路的负载驱动力能够进行微调，电路更快达到稳定状态。当负载电流小于电流阈值时，即电流发生变化的幅度比较小时，此时负载电流调节范围在第二开关管组控制范围内，第二使能控制模块根据负载电流和第一控制信号输出第二使能信号，第二使能信号使第二模数转化模块工作，实现负载电流的调节。
数字线性稳压器还包括带隙基准模块、过温保护模块、第一保护开关管、第二保护开关管、限流保护模块及保护使能控制模块。带隙基准模块第一输出端用于与第一模数转化模块的参考端连接，带隙基准模块第二输出端用于与第二模数转化模块的参考端连接，带隙基准模块用于输出第一参考电压和第二参考电压。
第一保护开关管漏极同开关管组的第一控制端连接，第二保护开关管漏极同开关管组的第二控制端连接，限流保护模块输入端同开关管组的输出端连接，保护使能控制模块第一输入端同限流保护模块的输出端连接，保护使能控制模块第二输入端同过温保护模块的输出端连接，保护使能控制模块第一输出端与带隙基准模块的使能端连接，保护使能控制模块第二输出端同第一使能控制模块的使能端连接，保护使能控制模块第三输出端同电流采集模块的使能端连接，保护使能控制模块的第四输出端同第一保护开关管的栅极连接，保护使能控制模块的第五输出端同第二保护开关管的栅极连接。
过温保护模块用于根据检测到的环境温度输出保护使能信号，限流保护模块用于根据负载电流输出过流保护使能信号；保护使能控制模块用于根据过流保护使能信号和由过温保护模块输出的过温保护使能信号输出保护使能信号。保护使能信号用于控制带隙基准模块和第二模数转化模块是否工作，第一使能控制模块用于根据保护使能信号和电流采集模块输出的反馈电流输出第一使能控制信号。第一保护开关管用于根据保护使能控制信号输出第一附加控制信号，第一附加控制信号和第一控制信号共同控制第一开关管组使第一开关管组输出稳定的电压；第二保护开关管用于根据保护使能控制信号输出第二附加控制信号，第二附加控制信号和第二控制信号共同控制第二开关管组使第二开关管组输出稳定的电压。
在本发明提供的实施例中，保护使能控制模块为与非门，当环境温度过高时，过温保护电路输出高电平，或者当负载电流过大时，限流保护电路输出高电平。此时，经过或非门后输出低电平信号，关闭带隙基准模块，第一使能控制模块根据输入的低电平信号输出第一使能信号，使第一模数转化模块不工作，低电平信号与第二使能信号控制第二模数转化模块，输出低电平信号至第二模数转化模块，使第二模数转化模块不工作，同时第一保护开关管的漏极电压和第二保护开关管的漏极电压使得两组PMOS管的栅极电压达到电源电压，PMOS处于关断状态，关闭整个电路的输出。
第一开关管组包括并联连接的N个PMOS功率管，N个PMOS功率管的栅极与第一模数转化模块的输出一一对应连接；N个PMOS功率管的源极与电源连接；N个PMOS功率管的漏极与电压采集模块的输入端连接，同时作为整个电路的输出端。第一开关管组包括并联连接的M个PMOS管，M个PMOS管的栅极与第二模数转化模块的输出端一一对应连接；M个PMOS管的源极与电源连接；M个PMOS管的漏极与电压采集模块的输入端连接。
电压采集模块用于将输出电压进行分压后与基准电压比较。第一电阻阻值和第二电阻阻值根据带隙基准模块的输出的第一参考电压值和第二参考电压值和开关管组的输出电压确定，带隙基准模块的一个输出电压VREF2的数值等于另一个输出数值VREF1；第二组PMOS管的尺寸远小于第一组PMOS管尺寸，即第二PMOS管的长宽比远小于第一组PMOS管长宽比，在本发明实施例中，第一组PMOS功率管可驱动较大的负载电流；第二组PMOS功率管可驱动很小的负载电流，便于对负载电流进行调节控制。
本发明实施例提供的基于双环路模数转化模块的数字线性稳压器工作原理如下：
第一模数转化模块和第二模数转化模块的输出端分别用于控制两组PMOS功率管的导通和关断。当模数转化模块输出的温度计码值为0时，与该模数转化模块的输出端对应连接的PMOS功率管开启，同样地，当模数转化模块输出的温度计码值为1时，相应的PMOS功率管关断。在本发明实施例中，第一组PMOS功率管的宽长比较大，每个PMOS管可驱动较大的负载电流；第二组PMOS功率管的宽长比较小，每个PMOS管可驱动很小的负载电流。
在负载电流处于第二组PMOS功率管能够驱动的范围内时，第一使能控制模块输出使能信号EN1为低电平，控制第一模数转化模块输出的温度计码值均为1，处于工作禁止模式。负载电流波动的幅度大小会影响输出电压的瞬态值，即此时处于导通状态的PMOS的驱动能力不足或过剩。当负载电流变化小时，输出电压纹波相应较小。若第二组PMOS功率管能够驱动20mA的负载电流，当负载电流在2mA至4mA之间来回切换时，仅第二模数转化模块工作，由于输出电压的小幅度变化，使得第二模数转化模块对应的温度计码发生变化，控制对应的PMOS管的开关，调节PMOS管的负载能力。当负载电流增大时，输出电压有所降低，其反馈电压与基准压比较后使得第二模数转化模块输出温度计码值0的数目增多，使得相应的PMOS管由关闭变为导通状态，能够驱动更大的负载电流。相应地，在负载电流由4mA变为2mA时，输出电压的反馈端电压与基准压比较后，使得第二模数转化模块输出的温度计码值0的数目减少，使得相应的PMOS管由导通变为关闭状态，相应的电路电流驱动能力有所下降。
当负载电流变化较大时，超过了第二组PMOS管能够承载的范围，例如负载电流由10mA变为45mA，输出电压大幅度减小，当负载电流大于电流阈值输出电压小于电压阈值时，此时第一使能控制模块输出使能信号EN1为高电平，控制第一模数转化模块处于正常工作模式，同时经由第二使能控制模块输出复位信号reset，使得第二模数转化模块处于复位状态，第二组PMOS管均处于关闭状态。该电压阈值根据开关管组输出电压调节范围确定。输出电压反馈值与基准电压比较后使得第一模数转化模块输出的温度计码值0的数目增多，控制相应的第一组PMOS管处于导通状态。当第一模数转化模块输出的温度计码中的某一位产生反复变化时，此时说明输出已经趋于稳定，通过第二使能控制模块检测该状态，将第二模数转化模块的复位信号关闭，使其正常工作进行负载驱动能力的精调。当负载电流由45mA变为10mA时，输出电压相应大幅度增大，此时第一使能控制模块输出使能信号EN1为低电平，使得第一模数转化模块的温度计码值均为1，关闭第一组PMOS功率管，仅依靠第二组PMOS功率管进行负载驱动能力的调节，直到电路输出达到稳定状态。
本发明实施例提供的基于两路ADC的数字LDO电路，电路拓扑结构方便可靠，通用性强，改善了传统数字LDO电路瞬态响应较慢的问题。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。