專利名稱：電流控制型低壓降穩壓電路的制作方法
技術領域：
本發明屬于集成電路設計領域，用于低壓降穩壓集成電路，具體涉及一種利用電
流信號構成控制環路，從而控制輸出電壓的穩壓結構。
背景技術：
電源系統作為現代電子系統的基礎具有重要的地位，電源的穩定性直接決定了電 子系統的性能。在低電壓供電領域，低壓降穩壓電路(Low Dropout Regulator, LD0)因為 具有較為簡單的結構、較小的電源紋波和較好的動態性能而得到了廣泛的應用。
對于LD0而言，控制精度和動態響應能力是最重要的性能指標。圖1是一種經典 的LD0結構，電阻R0和Rl對輸出電壓進行比例采樣，放大器OP將采樣到的電壓信號與基 準電壓信號相比較，并對電壓誤差信號進行放大，從而獲得對功率管MPO的控制量(電壓)。 然而，圖1所示的LDO結構存在有幾個方面的不足，它們將嚴重影響輸出電壓的精度和動態 響應能力 1.依靠電阻采樣，尤其是依靠外置電阻采樣，采樣精度嚴重依賴于電阻R0和R1的
匹配程度，一般來講，電阻器件缺乏足夠的一致性，特別是分立電阻元件的精度難以保證反
饋電壓與輸出電壓構成確定的比例關系，從而影響輸出的精度的一致性； 2.實際輸出負載是外部負載與采樣電阻網絡的并聯，因此采樣響應受負載的影響
較大，限制了系統的動態響應能力； 3.通常LDO中使用帶隙電壓基準(Bandgap Voltage Reference, BGR)產生參考 電壓，BGR的輸出穩定為1. 23V，LD0輸出電壓穩定之后，電阻網絡分壓后的反饋電壓不能低 于這個值，這也就限制了 LDO輸出更低的電壓。 從結構上講，圖l給出的典型LDO結構采用的是純粹的比例控制方法 (ProportionalMode)。雖然從理論上來講，比例控制能夠使環路具有較好的輸出精度，但 是，純粹的比例控制受限于反饋的比例精度，難以在輸出超調和穩定時間上獲得較好的效 果。因此，對于環路結構的改進是提高LDO性能的重要方式。
發明內容
如前文所述，經典的比例控制型LDO環路已經不能滿足需求，為了同時在環路
的控制精度、輸出超調和穩定時間上取得突破，需要將更高級別的控制方法引入環路。 基于這個思想，本發明公開了一種電流控制型LDO結構，利用比例-積分的控制方法 (Proportional IntegralMode， PI)來實現LDO的控制環路，其具體的技術思想可以表述 為 1.改經典的無源電阻比例采樣為有源運算放大器采樣，利用運算放大器零輸入電 流的特性，提高采樣的速度和精度； 2.改經典的反饋電壓運算為電流運算，利用電流求差的方式獲得實際輸出電壓與 預設定值的差值，提高控制精度，減小系統的誤差；
3.改經典的放大器輸出電壓控制為差值電流積分控制，利用積分器對誤差電流的 積分獲得控制量輸出，實現較高的控制精度與較小的超調量，并且能夠在穩定時間上獲益。
與經典的電壓型控制環路不同，電流比例_積分控制型LD0環路使用電流作為環 路的信號載體，能夠實現高精度的控制，其優勢主要體現在 1.運算放大器采樣輸出電壓，避免使用電阻類分立無源器件，大幅度提高了采樣 的速度、精度和一致性，片內集成電阻的比例關系較之分立電阻元件更為準確，這就使得比 例采樣的精度進一步高； 2.作為一種特例，在輸出電壓高于晶體管閾值電壓的應用場合可以使用單位采 樣，進一步提高采樣的精度，圖3就是一種使用電壓緩沖器單位采樣的結構形式，圖3結構 正是圖2結構的一種特例形式； 3.利用跨導放大器實現線性的V— I轉換，保證了控制電流與輸出電壓的線性比 例關系； 4.利用電流求差的方式生成差值電流信號，電流求和的計算精度和靈敏度遠高于 電壓，可以實現更高的控制精度； 5.比例-積分方式構成的控制環路可以利用經典閉環系統的二階模型加以抽象， 在獲得高控制精度與靈敏動態響應性能的同時，便于計算與分析； 6. LD0的輸出電壓直接被采樣，且參與環路計算的基準源是電流，因此LDO的輸出 電壓可以低于BGR輸出參考電壓的值，實現超低輸出電壓的LDO。
圖1經典LDO穩壓電路的電路結構； 圖2本發明公開的電流控制型低壓降穩壓電路的結構； 圖3本發明公開的電流控制型低壓降穩壓電路中使用單位采樣的結構形式； 圖4本發明公開的電流控制型低壓降穩壓電路的一種電路實現形式； 圖5本發明公開的電流控制型低壓降穩壓電路控制環路的負反饋關系； 圖6圖4中電路的實際輸出效果。
具體實施例方式
以下結合附圖，詳細說明本發明公開的電流控制型低壓降穩壓電路的結構和工作 過程。首先從功能框圖出發，說明電流控制型低壓降穩壓電路的原理，然后在這個基礎之上 給出一種電路實現形式，并詳細說明其工作過程。需要說明的是，正如前文所述，單位電壓 采樣是比例電壓采樣的一種特例，為便于詳細說明本發明公開的穩壓電路的工作細節，在 后續的說明中，給出的是一個采用單位電壓采樣的電路實現。 圖2是本發明公開的電流控制型低壓降穩壓電路的結構，由電壓采樣模塊、跨導 放大器、基準電流源、積分濾波器和功率輸出級組成，片外還連接有負載。穩壓器的電壓輸 出端直接連接到電壓采樣電路的輸入，電壓采樣電路的輸出連接跨導放大器的輸入，跨導 放大器的輸出接基準電流源和積分濾波器，并連接到功率輸出級的控制端，功率輸出級的 輸出端連接到片外負載。 在圖2給出的功能框圖甲，功率輸出級由功率管MN0構成，其漏極作為功率輸入端
4連接到電源，柵極作為控制端，源極作為功率輸出端；積分濾波器由電容Cf構成，一端連接 到功率管MN0的柵極，另一端接地。 工作過程中，電壓采樣電路將輸出電壓V。ut實時地比例復制到運算放大器OP的輸 出，即電路中的B點，由于運算放大器OP具有無窮大的輸入阻抗，因此該采樣不會對輸出電 壓V。ut產生影響。以圖5表示出的環路負反饋關系為例，在穩定狀態下，B點電壓等于穩壓 電路的輸出電壓V。ut，跨導放大器的輸出電流等于輸入參考基準電流。當由于負載或者供 電電源的變化導致輸出V。ut下降微小偏差A^時，B點同步產生同相的AVJ萬值下降。該
A^將引起跨導放大器輸出電流I。w產生AI的下降，由于參考的基準電流I^的恒定特 性，同時根據A點的基爾霍夫電流定律(Kirchhoff's Current Law，KCL)，將會有AI的電 流通過A點流進積分濾波器，從而引起A點電壓升高AV2。輸出功率管MNO柵壓的上升能 夠抑制輸出電壓的下降，從而形成負反饋。對于輸出電壓受到某種擾動而上升的反饋過程 與前面的描述類似。 環路的輸出電壓是由基準參考電流I^、跨導放大器的直流增益共同決定的，對于 給定的器件參數，參考電流IMf決定了該穩壓電路的輸出電壓。 圖3與圖2的情況類似，區別僅僅在于圖3中使用的是單位比例采樣電路。對于 圖3與圖2結構的選取主要取決于穩壓電路的輸出電壓V。ut同跨導放大器的直流工作點的 關系，當穩壓電路的輸出電壓V。ut高于跨導放大器的最低直流工作點的時候，就完全可以使 用單位采樣電路，否則就需要使用圖2中給出的升壓型電壓比例采樣的形式。即跨導放大 器的輸入直流工作點的電位是整個LD0輸出電壓的下限，同時由于麗0管一直處于飽和狀 態，漏源電壓Vds。較小，因此LD0輸出電壓的上限可以接近電源電壓。 圖4是圖3結構的一個具體電路。MN1 3、MP1 2禾P MP7 8構成一個單位電 壓緩沖器，用于保證B點電壓與V。ut的同步變化，R0、麗4、 MP3組成跨導放大器，MP3 4、 麗5 8分別組成電流鏡將跨導放大器的輸出電流傳遞至A點，基準電流由MP6管輸入，通 過MP5 6電流鏡傳遞至A點。跨導放大器的輸出電流同基準電流在A點求和，求和后的 差值電流通過積分電容Cf形成控制電壓，用于控制功率管麗0的電流。
圖6給出了圖4電路的實際效果，i(mil3)為輸出電流，v (ldo_OUt)為輸出電壓。 在某具體應用中，LDO的輸出電壓為1.21V，外置解耦電容C^為liiF。當負載電流發生變 化，瞬態從100 ii A躍遷至100mA，輸出電壓v (ldo_out)在小于20 y s的時間內穩定，電流躍 遷前后的穩態電壓差小于7mV，穩定后的輸出電壓紋波小于14iiV，更重要的是，在這個負 載電流躍遷的動態過程中，輸出電壓的最大壓降在40mV左右。 前文提及，控制精度和動態響應能力是LD0電路的重要性能指標，這兩個指標又 可以進一步細化為穩定電壓差、穩定時間和控制壓降三個具體指標。對于采用圖l結構的 經典LD0而言，這三個指標通常在20mV、40 y s禾P 100 y V以上，而本發明公開的電流控制型 低壓降穩壓電路大幅度的提升了上述三個性能參數，使得LD0電路具有極佳的控制精度和 動態響應能力。
權利要求
一種電路結構，包括反饋回路直接對穩壓電路的輸出電壓進行采樣，采樣電壓不需要經過電阻網絡分壓，采樣后的電壓信號經過跨導放大器形成控制電流，該電流與基準電流求差，差值電流經過積分濾波器，形成功率晶體管的控制電壓信號，改變了使用電阻采樣和放大器直接驅動功率級的常規結構形式，能夠實現更高的控制精度和更好的瞬態響應性能；其特征在于，穩壓電路的輸出電壓送達片外負載的同時直接連接到電壓采樣模塊的輸入，電壓采樣模塊對輸出電壓進行采樣，電壓采樣模塊的輸出連接到跨導放大器的輸入，經過跨導放大器轉換成為比例控制電流，跨導放大器的輸出連接到積分濾波器和基準電流源，基準電流源的輸出電流與跨導放大器的輸出電流求差，積分濾波器對該差值電流進行積分，輸出的積分電壓連接到功率晶體管的控制端作為控制電壓，功率晶體管的輸出連接到負載。
全文摘要
低壓降穩壓電路在各種形式的電子系統中具有非常廣泛的應用。傳統的低壓降穩壓電路依靠電阻按比例采樣輸出電壓，采用電壓型反饋與運算，限制了環路的瞬態響應性能與控制精度。本發明公開了一種用于低壓降穩壓集成電路的電流型環路控制技術，使用有源電壓緩沖器直接采樣輸出電壓，利用跨導放大器產生控制電流，并經過積分濾波器產生功率晶體管的控制電壓信號，能夠有效提高環路的響應速度和控制精度。本發明公開的電流型控制方法的電路框架由電壓采樣模塊、跨導放大器、基準電流源、積分濾波器和功率輸出級組成，片外帶有負載。
文檔編號G05F1/56GK101782787SQ20101010419
公開日2010年7月21日 申請日期2010年2月2日 優先權日2010年2月2日
發明者何小威, 張明, 李少青, 段志奎, 謝倫國, 趙振宇, 郭斌, 郭陽, 陳吉華, 馬卓 申請人:中國人民解放軍國防科學技術大學