具有高速PWM输出功能的低压差线性稳压器及控制方法

本发明属于集成电路，更具体地，涉及一种具有高速pwm输出功能的低压差线性稳压器。

背景技术：

1、硅基光电子技术是后摩尔时代的重要发展方向，而热光调节是其进行片上光信号调控的重要手段。例如，热光相移器、光开关、微环谐振器(mrr)、马赫增德尔干涉仪(mzi)等诸多光子器件都可以通过热光调节的方式对相位、谐振波长等光学参数进行控制。热光调节通常使用片上电阻作为热调器，通过改变施加于热调器上的电学功率，改变其产生的热量，通过热扩散改变光子器件本地温度，最终实现光学参数调节。

2、热调器的功率驱动方式分为两种，线性功率驱动和pwm功率驱动。对于pwm功率驱动方式，其原理为：由于热扩散速度较慢，当pwm功率驱动信号频率远快于热扩散速度时，pwm功率驱动下热调器产生的平均热量与对应的直流功率驱动下热调器产生的热量基本等效，光子器件本地温度基本恒定；pwm功率驱动方式通过调节pwm占空比来调节施加到热调器上的平均功率，从而实现光学参数调节。为达到一定调节精度，通常需要mhz量级的pwm功率信号，且热时间常数越小的光子器件需要越高的pwm频率。此外，为实现大的光学参数调节范围，需要尽可能大的热调节范围，即需要尽可能大的pwm占空比调节范围。pwm功率驱动电路通常由两部分组成：一是pwm信号产生电路，用于产生相应占空比的pwm控制信号；二是pwm功率输出级，用于在pwm控制信号作用下产生相应的pwm功率信号，以驱动热调器。在现有技术方案中，如中国发明专利申请“cn 112859966 a”、“cn 112886953 a”，对系统整体控制方法和pwm信号产生电路存在较多改进，但是对pwm功率输出级的改进较少，且并没有专门针对热调器pwm功率驱动应用的片上电源设计。如图1所示，在现有技术方案中，通常采用传统电源输出恒定电压，再经过由pwm信号控制的功率晶体管开关得到pwm形式的功率信号，用于驱动热调器。

3、但是，传统电源通常采用多级闭环结构，系统带宽受限，负载瞬态响应时间较长，大于几十ns，这限制了热调器上获得的pwm功率信号的上升下降时间，从而限制了可实现的pwm最高频率和占空比调节范围，难以实现pwm信号在mhz量级，无法满足热调器pwm功率驱动应用的需求。并且，现有技术中的电源通常由片外板级电源构成，不利于大规模化和商业化。

技术实现思路

1、针对相关技术的缺陷，本发明的目的在于一种具有高速pwm输出功能的低压差线性稳压器，旨在解决现有技术中传统电源采用多级闭环结构，有限的系统带宽难以满足热调器高速pwm功率驱动需求的问题。

2、为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种具有高速pwm输出功能的低压差线性稳压器ldo，包括：基本组成电路、状态控制存储电路和瞬态增强电路；

3、所述基本组成电路连接所述状态控制存储电路和所述瞬态增强电路，用于实现ldo的基本电压调节功能；

4、所述状态控制存储电路包括时序控制子电路、第一状态控制存储子电路和第二状态控制存储子电路；

5、所述时序控制子电路用于接收外部输入的pwm控制信号，产生多个内部pwm控制信号；所述第一状态控制存储子电路和所述第二状态控制存储子电路用于根据所述内部pwm控制信号，周期性地改变所述ldo的工作状态，并在低压差线性稳压器处于空闲状态时对空闲前的节点状态进行存储；

6、所述瞬态增强电路与ldo输出端及热调器负载连接，用于根据所述内部pwm控制信号，在ldo状态切换时，减小ldo输出的pwm功率信号的上升时间和下降时间。

7、可选的，所述基本组成电路包括控制模块和功率模块；

8、所述控制模块的第一输入端和第二输入端分别连接所述第一状态控制存储子电路和参考电压，输出端连接所述第二状态控制存储子电路；

9、所述功率模块第一输入端和第二输入端分别连接所述第二状态控制存储子电路和电源电压，输出端连接ldo的输出端及所述瞬态增强电路。

10、可选的，所述第一状态控制存储子电路连接在所述控制模块的第一输入端和ldo的输出端之间，用于根据所述内部pwm控制信号控制反馈通路的通断，并在ldo处于空闲状态时对空闲前所述控制模块的第一输入端的节点状态进行存储；

11、所述第二状态控制存储子电路连接在所述控制模块的输出端和所述功率模块的第一输入端之间，用于根据所述内部pwm控制信号控制所述控制模块与所述功率模块之间的信号通路的通断，并在ldo处于空闲状态时，异步关断所述功率模块，同时在ldo处于空闲状态时，对空闲前所述功率模块的工作状态进行存储。

12、可选的，所述瞬态增强电路包括上升沿增强子电路和下降沿增强子电路；

13、所述上升沿增强子电路连接所述第二状态控制存储子电路和所述功率模块，用于根据所述内部pwm控制信号，在ldo的状态由空闲状态改变为电压调节状态时，减小所述pwm功率信号的上升时间；

14、所述下降沿增强子电路连接所述功率模块，用于根据所述内部pwm控制信号，在ldo的状态由电压调节状态改变为空闲状态时，减小所述pwm功率信号的下降时间。

15、可选的，所述控制模块包括比较器和移位寄存器，所述比较器在内部时钟信号clk上升沿时工作，所述移位寄存器在内部时钟信号clk下降沿时工作；

16、所述时序控制子电路包括时序控制模块和时钟控制模块，所述时序控制模块接收外部输入的pwm控制信号，所述时钟控制模块接收外部输入的时钟信号和内部pwm控制信号；当ldo处于电压调节状态时，时钟控制模块输出的时钟信号clk为正常时钟信号；当ldo处于空闲状态时，时钟控制模块输出的时钟信号clk置0，所述比较器和所述移位寄存器状态冻结；

17、所述第一状态控制存储子电路包括开关s0和电容c0；在ldo处于电压调节状态时，所述开关s0导通；在ldo处于空闲状态时，所述开关s0关断；所述电容c0并联在所述比较器的第一输入端与地之间，用于在ldo处于空闲状态时，对空闲前所述比较器的第一输入端的节点状态进行存储；

18、所述第二状态控制存储子电路包括锁存器阵列和二选一数据选择器阵列，依次串联在所述移位寄存器和功率模块之间，并由内部pwm控制信号控制其连接关系；所述锁存器阵列在ldo处于空闲状态时锁存空闲前所述移位寄存器的输出值，使得ldo恢复电压调节状态时，目标控制电压直接加载到功率模块；所述二选一数据选择器阵列在ldo处于空闲状态时异步关断所述功率模块；

19、所述下降沿增强子电路包括辅助放电晶体管nm0，辅助放电晶体管nm0的漏极与ldo输出端vout和功率模块连接，源极接地；在ldo处于电压调节状态时，辅助放电晶体管nm0关断，不影响ldo正常工作；在ldo切换到空闲状态时，辅助放电晶体管nm0导通，给ldo输出节点提供额外的放电通路，减小所述ldo输出的pwm功率信号的下降时间；

20、所述功率模块包括缓冲器和功率管阵列pm0，所述缓冲器可加快功率管阵列pm0栅极的充放电速度，减小所述pwm功率信号的上升时间和下降时间。

21、可选的，所述第一状态控制存储子电路包括开关s2和电容c1；在ldo处于电压调节状态时，所述开关s2导通；在ldo处于空闲状态时，所述开关s2关断；所述电容c1并联在所述放大器ea1的第一输入端与地之间，用于在ldo处于空闲状态时，对空闲前所述放大器ea1的第一输入端的节点状态进行存储；

22、所述第二状态控制存储子电路包括开关s3、二选一开关s5和电容c3，开关s3的一端与放大器的输出端相连，另一端与电容c3的第一端和二选一开关s5的0号端口相连，二选一开关s5的1号端口与电源相连，公共端与功率模块相连，电容c3的第二端接地；

23、当ldo处于电压调节状态时，开关s3导通，二选一开关s5的公共端与0号端口相连，所述功率模块第一输入端的电压等于所述放大器的输出电压；当ldo处于空闲状态时，开关s3关断，二选一开关s5的公共端与1号端口相连，所述功率模块第一输入端的电压等于电源电压，所述功率模块被异步关断；

24、所述下降沿增强子电路包括辅助放电晶体管nm1，辅助放电晶体管nm1的漏极与ldo输出端vout和功率模块连接，源极接地；在ldo处于电压调节状态时，辅助放电晶体管nm1关断，不影响ldo正常工作；在ldo切换到空闲状态时，辅助放电晶体管nm1导通，给ldo输出节点提供额外的放电通路，减小所述ldo输出的pwm功率信号的下降时间；

25、所述上升沿增强子电路包括开关s1、开关s4、开关s6、采样保持电容c2、辅助放电晶体管nm2和辅助放大器；开关s1的一端与所述第二状态控制存储子电路连接，另一端与辅助放大器的第一输入端相连，同时串联电容c2后接地；辅助放大器第二输入端与功率模块相连，输出端与辅助放电晶体管nm2的栅极相连，辅助放大器通过开关s4连接电源；辅助放电晶体管nm2的栅极与辅助放大器的输出端相连，漏极与功率模块相连，源极通过开关s6接地；

26、当ldo处于空闲状态时，开关s1导通，电容c2对空闲前的功率模块第一输入端的电压进行存储；当ldo恢复到电压调节状态时，开关s4、s6导通，辅助放大器对电容c2存储的空闲前的功率模块第一输入端的电压和当前的功率模块第一输入端的电压进行比较，辅助放大器输出高电平，导通辅助放电晶体管nm2，给功率模块第一输入端提供额外的放电通路，从而减小ldo输出的pwm功率信号的上升时间。

27、第二方面，本发明还提供了一种具有高速pwm输出功能的低压差线性稳压器的控制方法，适用于如第一方面中一项所述的一种具有高速pwm输出功能的低压差线性稳压器，包括：

28、根据输入的pwm控制信号，产生多个内部pwm控制信号，异步控制ldo的工作状态，周期性改变ldo环路连接方式；

29、输入pwm控制信号在低电平与高电平之间高速切换，ldo输出信号在低电平与高电平之间高速切换，输出高速pwm功率信号；

30、当输入pwm控制信号为低电平时，ldo处于空闲状态；断开ldo反馈环路，对空闲前的节点状态进行存储，异步关断功率级，ldo输出电压降为0，对应输出pwm功率信号低电平；

31、当输入pwm控制信号为高电平时，ldo处于电压调节状态；ldo反馈环路连接，空闲时存储的节点状态加载到各个节点，ldo直接恢复至参考电压设定的目标输出；电压调节状态下依靠闭环反馈调节维持ldo输出电压在参考电压设定值，对应输出pwm功率信号高电平。

32、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：

33、1、本发明提供的一种具有高速pwm输出功能的低压差线性稳压器，针对热调器pwm功率驱动应用的片上电源设计，采用pwm信号控制ldo的工作状态，周期性改变ldo的环路连接方式，使得ldo能够直接输出高速pwm功率信号，实现了现有ldo所不具备的功能。

34、2、本发明提供的一种具有高速pwm输出功能的低压差线性稳压器，分别具有数字ldo版本和模拟ldo版本，可以适用于不同情况。

35、3、本发明提供的一种具有高速pwm输出功能的低压差线性稳压器，具有架构结构简单，易于实现，硬件开销更小，成本更低，更适用于大规模化的优点。