一种高瞬态响应低压差线性稳压器及其控制方法与流程

本发明涉及集成电路设计领域，具体为一种高瞬态响应低压差线性稳压器及其控制方法。

背景技术：

1、电源ic用于几乎所有的电气与电子系统，从消费电子到航空航天，每种应用都有不同的需求，主要用于管理、控制和监测这些应用中的电源电压变化。随着技术发展与场景的复杂化，电源ic数量和质量需求均大幅增加，衍生出多种电源ic种类，其中包括dc-dc开关稳压器、电池管理集成电路、线性稳压器、电压基准等。低压差线性稳压器(low-dropoutregulator，ldo)是电源管理ic的重要组成部分，相比其它电源电路具有高电源抑制比、低噪声等优点。但随着高集成度的5g射频收发机、多功能soc处理器等系统的发展，ldo面临负载工作电流变化快、输出电压精度需求高等问题。如何在有限的空间内提高ldo的快速瞬态响应性能，成为需要克服的难题。

2、传统ldo芯片中包含基准电压源、误差放大器、pmos管、阻容反馈网络，结构如图1所示。其中，基准电压源v1的正极接误差放大器的负输入，负极接地。pmos管以mp1表示，栅极接误差放大器输出ve1，源极接电源vdd，漏极为ldo的输出vout，体端接自身源极。mp1工作在饱和区，源漏电流ip1与栅源电压差成正比。ldo输出连阻容反馈网络的输入，阻容反馈网络的输出连误差放大器的正输入，阻容反馈网络的输入端、输出端到地gnd的阻抗高，端口电流很小。因此，ip1等于ldo的输出电流iout。在使用ldo时，需要在vout并联大电容cl确保ldo稳定性，ldo的输出负载可等效为电阻rl。ldo工作时，阻容反馈网络、误差放大器、mp1形成的信号环路会调节iout大小从而维持vout不变。当rl突然变小，iout未及时变化，vout会低于期望值，两者误差为负。误差放大器经信号环路处理，控制ve1下降，使iout增加，vout回升到期望值。相反的，当rl突然变大导致vout高于期望值，两者误差为正，信号环路控制iout减小使vout降低到期望值。图1的优点为控制环路稳定，vout受电源噪声影响小。缺点为提高响应速度需要大幅增加功耗，ldo效率下降明显；cl体积大，不利于小型化。

3、为了解决上述问题，有报道在图1基础上增加比较器和第二个pmos管mp2，如图2所示。其中，比较器的负输入连v1正极，正输入连阻容反馈网络的输出。mp2的栅极接比较器的输出vc1，源极接vdd，漏极接vout，体端接自身源极。mp2受vc1控制，只工作在关闭或线性区，行为与开关的关闭与开启类似，源漏电流为ip2。当vout与期望值负误差变大，比较器触发使vc1为低电平，mp2开启。此时iout＝ip1+ip2，vout恢复速度变快。vout恢复后比较器触发使vc1为高电平，mp2关闭，此时iout＝ip1。当vout与期望值误差为正，vc1维持高电平，mp2维持关闭，iout＝ip1。图2的优点在于提高了vout与期望值误差为负时的vout恢复速度，mp2关闭后不影响mp1工作。缺点为ip2无法在vout与期望值误差为正时提高vout恢复速度；整个结构无法摆脱mp1、cl以及相关控制环路，增加开关管mp2导致ldo体积更大。

4、为解决以上问题，有报道在图1基础上删除cl，增加nmos管mn1，mp1与mn1均工作在饱和区，形成class-ab结构，如图3所示。其中，误差放大器在原ve1输出之外增加另一路输出ve2。mn1的漏极接vout，栅极接ve2，源极接gnd，体端接自身源极。当vout与期望值误差为负，信号环路控制电流ip1增加、in1减小，iout＝ip1-in1增加，vout恢复到期望值。当vout与期望值误差为正，信号环路控制电流ip1减小、in1增加，iout＝ip1-in1减小，vout恢复到期望值。图3的优点为class-ab结构增益大对iout调节速度快，不需要cl系统体积小；vout与期望值的正与负误差均可以调节；继承了传统ldo结构低噪声、高稳定性的优点，缺点为提高调节速度会大幅增加功耗，ldo效率下降明显。

技术实现思路

1、结合现有技术优势并针对存在的问题，本发明提出了一种高瞬态响应低压差线性稳压器及其控制方法，在不用大幅增加静态功耗的条件下提高输出电流iout调节速度，降低vout在输出负载跳变后的恢复时间。

2、本发明是通过以下技术方案来实现：

3、一种高瞬态响应低压差线性稳压器，包括第一pmos管、第二pmos管、第一nmos管、第二nmos管、比较器vc1、比较器vc2、专用集成电路a1和自举电容cbs1；

4、所述第一pmos管的栅极连接有误差放大器，第一pmos管的漏极分别与阻容反馈网络的输入端、比较器vc1的输入端和比较器vc2的输入端连接，阻容反馈网络的输出端连接有误差放大器；

5、所述专用集成电路a1的输入端分别与比较器vc1的输出端和比较器vc2的输出端连接，专用集成电路a1的输出端分别与第二pmos管的栅极、第一nmos管的栅极和第二nmos管的栅极连接，第一nmos管的源极和自举电容cbs1的上极板均与第一pmos管的体端连接，第二pmos管的源极与自举电容cbs1的下极板vbs1连接，第二nmos管的漏极与自举电容cbs1的下极板vbs1连接。

6、优选的，所述第一pmos管的栅极与误差放大器的输出端连接，误差放大器的负输入端与基准电压源v1的正极连接，阻容反馈网络的输出端与误差放大器的正输入端连接。

7、优选的，所述第一pmos管的漏极分别与比较器vc1的负输入端和比较器vc2的正输入端连接，比较器vc1的正输入端与基准电压源vh的正极连接，比较器vc2的负输入端与基准电压源vl的正极连接，基准电压源vh的正极电位大于第一pmos管漏极的期望值，基准电压源vl的正极电位小于第一pmos管漏极的期望值；

8、所述第二pmos管的漏极与基准电压源v2的正极连接。

9、一种高瞬态响应低压差线性稳压器的控制方法，包括如下三种情况：

10、s1，当所述线性稳压器的输出负载rl1趋于稳定时，比较器vc1输出低电平、比较器vc2输出高电平，专用集成电路a1输出低电平使第二nmos管关闭、专用集成电路a1输出低电平使第二pmos管开启、专用集成电路a1输出高电平使第一nmos管开启；

11、s2，当所述线性稳压器的输出负载rl1由稳定向低阻值跳变，比较器vc1输出低电平、比较器vc2输出低电平，专用集成电路a1输出低电平使第一nmos管关闭、专用集成电路a1输出高电平使第二pmos管关闭、专用集成电路a1输出高电平使第二nmos管开启；

12、s3，当所述线性稳压器的输出负载rl1由稳定向高阻值跳变，比较器vc1输出高电平、比较器vc2输出高电平，专用集成电路a1输出高电平使第一nmos管开启、专用集成电路a1输出高电平使第二pmos管关闭、专用集成电路a1输出高电平使第二nmos管开启，之后专用集成电路a1输出低电平使第一nmos管关闭、专用集成电路a1输出低电平使第二nmos管关闭、专用集成电路a1输出低电平使第二pmos管开启。

13、一种高瞬态响应低压差线性稳压器，包括第三pmos管、第四pmos管、第三nmos管、第四nmos管、第五nmos管、比较器vc1、比较器vc2、专用集成电路a2和自举电容cbs2；

14、所述第三pmos管的栅极和第三nmos管的栅极均连接有误差放大器，第三pmos管的漏极分别与阻容反馈网络的输入端、比较器vc1的输入端和比较器vc2的输入端连接，阻容反馈网络的输出端连接有误差放大器，第三nmos管的漏极与第三pmos管的漏极连接；

15、所述专用集成电路a2的输入端分别与比较器vc1的输出端和比较器vc2的输出端连接，专用集成电路a2的输出端分别与第四pmos管的栅极、第四nmos管的栅极和第五nmos管的栅极连接，第四nmos管的源极与自举电容cbs2的上极板均与第三nmos管的体端连接，第四pmos管的源极与自举电容cbs2的下极板vbs2连接，第五nmos管的漏极与自举电容cbs2的下极板vbs2连接。

16、优选的，所述第三pmos管的栅极与误差放大器的第一输出端连接，第三nmos管的栅极与误差放大器的第二输出端连接，误差放大器的负输入端与基准电压源v1的正极连接，阻容反馈网络的输出端与误差放大器的正输入端连接。

17、优选的，所述第三pmos管的漏极分别与比较器vc1的负输入端和比较器vc2的正输入端连接，比较器vc1的正输入端与基准电压源vh的正极连接，比较器vc2的负输入端与基准电压源vl的正极连接，基准电压源vh的正极电位大于第三pmos管漏极的期望值，基准电压源vl的正极电位小于第三pmos管漏极的期望值；

18、所述第四nmos管的漏极与基准电压源v4的正极连接，第四pmos管的漏极与基准电压源v3的正极连接。

19、一种高瞬态响应低压差线性稳压器的控制方法，包括如下三种情况：

20、s1，当所述线性稳压器的输出负载rl2趋于稳定时，比较器vc1输出低电平、比较器vc2输出高电平，专用集成电路a2输出高电平使第四nmos管开启、专用集成电路a2输出低电平使第五nmos管关闭、专用集成电路a2输出高电平使第四pmos管开启；

21、s2，当所述线性稳压器的输出负载rl2由稳定向低阻值跳变，比较器vc1输出低电平、比较器vc2输出低电平，专用集成电路a2输出低电平使第四nmos管关闭、专用集成电路a2输出高电平使第四pmos管关闭、专用集成电路a2输出高电平使第五nmos管开启；

22、s3，当所述线性稳压器的输出负载rl2由稳定向高阻值跳变，比较器vc1输出高电平、比较器vc2输出高电平，专用集成电路a2输出高电平使第四nmos管开启、专用集成电路a2输出高电平使第四pmos管关闭、专用集成电路a2输出高电平使第五nmos管开启，之后专用集成电路a2输出低电平使第四nmos管关闭、专用集成电路a2输出低电平使第五nmos管关闭、专用集成电路a2输出低电平使第四pmos管开启。

23、一种高瞬态响应低压差线性稳压器，包括第二pmos管、第三pmos管、第四pmos管、第一nmos管、第二nmos管、第三nmos管、第四nmos管、第五nmos管、比较器vc1、比较器vc2、专用集成电路a3、自举电容cbs1和自举电容cbs2；

24、所述第三pmos管的栅极和第三nmos管的栅极均连接有误差放大器，第三pmos管的漏极分别与阻容反馈网络的输入端、比较器vc1的输入端和比较器vc2的输入端连接，阻容反馈网络的输出端连接有误差放大器，第三nmos管的漏极与第三pmos管的漏极连接；

25、所述专用集成电路a3的输入端分别与比较器vc1的输出端和比较器vc2的输出端连接，专用集成电路a3的输出端分别与第二pmos管的栅极、第四pmos管的栅极、第一nmos管的栅极、第二nmos管的栅极、第四nmos管的栅极和第五nmos管的栅极连接，第四nmos管的源极与自举电容cbs2的上极板均与第三nmos管的体端连接，第四pmos管的源极与自举电容cbs2的下极板vbs2连接，第五nmos管的漏极与自举电容cbs2的下极板vbs2连接；

26、第一nmos管的源极和自举电容cbs1的上极板均与第三pmos管的体端连接，第二pmos管的源极与自举电容cbs1的下极板vbs1连接，第二nmos管的漏极与自举电容cbs1的下极板vbs1连接。

27、一种高瞬态响应低压差线性稳压器的控制方法，包括如下三种情况：

28、s1，当所述线性稳压器的输出负载rl3趋于稳定时，比较器vc1输出低电平、比较器vc2输出高电平，专用集成电路a3输出高电平使第四nmos管开启、专用集成电路a3输出低电平使第五nmos管关闭、专用集成电路a3输出高电平使第四pmos管开启，专用集成电路a3输出低电平使第二nmos管关闭、专用集成电路a3输出低电平使第二pmos管开启、专用集成电路a3输出高电平使第一nmos管开启；

29、s2，当所述线性稳压器的输出负载rl3由稳定向低阻值跳变，比较器vc1输出低电平、比较器vc2输出低电平，专用集成电路a3输出低电平使第四nmos管关闭、专用集成电路a3输出高电平使第四pmos管关闭、专用集成电路a3输出高电平使第五nmos管开启，专用集成电路a3输出低电平使第一nmos管关闭、专用集成电路a3输出高电平使第二pmos管关闭、专用集成电路a3输出高电平使第二nmos管开启；

30、s3，当所述线性稳压器的输出负载rl3由稳定向高阻值跳变，比较器vc1输出高电平、比较器vc2输出高电平，专用集成电路a3输出高电平使第四nmos管开启、专用集成电路a3输出高电平使第四pmos管关闭、专用集成电路a3输出高电平使第五nmos管开启，专用集成电路a3输出高电平使第一nmos管开启、专用集成电路a3输出高电平使第二pmos管关闭、专用集成电路a3输出高电平使第二nmos管开启，之后专用集成电路a3输出低电平使第四nmos管关闭、专用集成电路a3输出低电平使第五nmos管关闭、专用集成电路a3输出低电平使第四pmos管开启，专用集成电路a3输出低电平使第一nmos管关闭、专用集成电路a3输出低电平使第二nmos管关闭、专用集成电路a3输出低电平使第二pmos管开启。

31、与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

32、本发明一种带有pmos管体端电位调节电路的高瞬态响应低压差线性稳压器，在pmos管的体端增加电位调节电路，这与原有阻容反馈网络、误差放大器组成的控制环路相互独立，对ip1的调节速度是叠加关系。体端电位调节电路是逻辑电路与小型开关电路，静态功耗低、面积小，不影响低压差线性稳压器的效率、体积。稳定时pmos管的体电位低于源极电位，在相同额定输出电流下，减小了低压差线性稳压器的体积，在不用大幅增加静态功耗的条件下提高输出电流iout调节速度，降低vout在输出负载跳变后的恢复时间。

33、本发明一种带有pmos管体端电位调节电路的高瞬态响应低压差线性稳压器的控制方法，开关型电位转换电路在ldo负载稳定时无动作，不影响ldo原有控制环路工作，因此不影响输出噪声、电源隔离等参数；输出负载向低阻值跳变，源漏电流未及时变化，vout变小导致比较器vc1输出低电平、vc2输出低电平，专用集成电路输出按va低电平、vb高电平、vc高电平的顺序切换，使开关按sa(第一nmos管)关闭、sb(第一pmos管)关闭、sc(第二nmos管)开启顺序切换，vpb的数值降低增加了ip1，因此增加了vout；输出负载向高阻值跳变，源漏电流未及时变化，vout变大导致比较器vc1输出高电平、vc2输出高电平，专用集成电路输出先按va高电平、vb高电平、vc高电平顺序切换，使开关按sa开启、sb关闭、sc开启顺序切换，专用集成电路输出再按va低电平、vc低电平、vb低电平顺序切换，使开关按sa关闭、sc关闭、sb开启顺序切换，vpb数值升高减小了ip1，因此增加了vout下降速度回升速度，具有较大实用价值。

34、本发明一种带有nmos管体端电位调节电路的高瞬态响应低压差线性稳压器，利用class-ab输出结构提高ldo在负载跳变时输出电压的恢复速度，消除大负载电容需求，使得电源体积减小。在进一步提升ldo的速度，传统方法是增加控制环路功耗、增加class-ab静态偏置电流、增加额外功率管，这会降低ldo效率、增加ldo体积。本发明在控制环路功耗不变、class-ab静态偏置电流不变、不增加额外功率管的情况下，利用开关型电位转换电路改变class-ab中nmos管体电位，实现额外的ldo输出电流变化，从而提高ldo速度。

35、本发明一种带有nmos管体端电位调节电路的高瞬态响应低压差线性稳压器的控制方法，开关型电位转换电路在ldo负载稳定时无动作，不影响ldo原有控制环路工作，因此不影响输出噪声、电源隔离等参数；输出负载向低阻值跳变，信号环路控制电流ip1、in1未及时变化，vout变小导致比较器vc1输出低电平、vc2输出低电平，专用集成电路输出按vd低电平、ve高电平、vf高电平顺序切换，使开关按sd(第四nmos管)关闭、se(第四pmos管)关闭、sf(第五nmos管)开启顺序切换，vnb降低减小了in1，增加了vout回升速度；输出负载向高阻值跳变，信号环路控制电流ip1、in1未及时变化，vout变大导致比较器vc1输出高电平、vc2输出高电平，专用集成电路输出先按vd高电平、ve高电平、vf高电平顺序切换，使开关按sd开启、se关闭、sf开启顺序切换，专用集成电路输出再按vd低电平、vf低电平、ve低电平顺序切换，使开关按sd关闭、sf关闭、se开启的顺序切换，vnb升高增大了in1，因此增加了vout下降速度，具有较大实用价值。

36、本发明一种带有pmos管和nmos管体端电位调节电路的高瞬态响应低压差线性稳压器，在带有nmos管体端电位调节电路的高瞬态响应低压差线性稳压器基础上增加了带有pmos管体端电位调节电路的高瞬态响应低压差线性稳压器中的体端增加电位调节电路，并且其输出与相应位置的pmos管体端连接，两个调节电路按照各自的规则独立且同步运行，结合了两者的优势，进一步增加了vout调节速度。

37、本发明一种带有pmos管和nmos管体端电位调节电路的高瞬态响应低压差线性稳压器的控制方法，开关型电位转换电路在ldo负载稳定时无动作，不影响ldo原有控制环路工作，因此不影响输出噪声、电源隔离等参数，之后输出负载向低阻值跳变或者向高阻值跳变，专用集成电路可控制相应的开关(即相应的nmos管或pmos管)按照之前的规则开启或关闭，vpb升高减小了ip1，vnb升高增大了in1，因此进一步增加了vout下降速度，具有较大实用价值。