低壓差穩壓器及其負載電流跟蹤補償方法與流程

本發明涉及一種低壓差穩壓器。特別地，涉及一種可以跟蹤補償負載電流的低壓差穩壓器，以及相應的負載電流的跟蹤補償方法。

背景技術：

高性能的電源電路中經常使用低壓差穩壓器(Low Drop-out Voltage Regulator，LDO)作為電源變換器，其具有高效率、低噪聲的特點。由于LDO的這些特點，其被廣泛應用在各種設備上，如移動電話、儀器儀表、便攜式計算機等。

典型的LDO包括誤差放大器、輸出級與取樣反饋電路。取樣反饋電路對輸出級所產生的輸出電壓進行取樣，并反饋給誤差放大器，從而形成對LDO的電壓反饋回路，使LDO的輸出達到穩定。

在應用中，LDO的輸出電流會由于實際連接的負載的不同而產生變化。特別地，在一些應用中，負載的實際變化范圍較大，對于給定的LDO來說，這將會導致其輸出電流的波動范圍超出其回路的穩定工作范圍，并且，負載與LDO本身控制回路之間也存在互相干擾。在這些情況下，LDO的頻率響應會受到負載的影響，并且進而影響到LDO輸出的穩定性。

技術實現要素：

從而，有必要提供一種可以根據負載電流的實際情況而提升輸出穩定性的低壓差穩壓器。

此外，還有必要提供一種相應的低壓差穩壓器的負載電流跟蹤補償方法。

一種低壓差穩壓器，包括：

誤差放大器，其包括正輸入端、負輸入端與輸出端，所述正輸入端 與負輸入端之一連接基準電壓；

輸出電路，連接所述誤差放大器的輸出端以及外部負載，配置為生成輸出電流與輸出電壓至外部負載；

電流跟蹤電路，與所述輸出電路連接，所述電流跟蹤電路配置為接收所述輸出電流并生成跟蹤所述輸出電流的跟蹤電流；

負載跟蹤補償電路，與所述電流跟蹤電路及所述輸出電路相連，所述負載跟蹤補償電路配置為根據所述跟蹤電流而生成控制電壓，并將所述控制電壓送至所述輸出電路。

一種低壓差穩壓器的負載電流跟蹤補償方法，所述低壓差穩壓器包括誤差放大器與輸出電路，所述跟蹤補償方法包括：

接收所述輸出電路的輸出電流，并生成跟蹤所述輸出電流的跟蹤電流；

根據所述跟蹤電流而生成控制電壓，并將所述控制電壓送至所述輸出電路。

從而，根據本發明的低壓差穩壓器及其負載電流的跟蹤補償方法，可以在低壓差穩壓器接入負載的情況下，基于負載電流的變化適應性地調節對于輸出電路所進行的補償，從而使得低壓差穩壓器的頻率響應特性得以提升，并提高了低壓差穩壓器在接入較大、較小負載的情況下的穩定性。

附圖說明

以下將結合附圖對于本發明的實施方式進行進一步描述，其中：

圖1為一種實施方式的低壓差穩壓器的結構示意圖；

圖2為一種實施方式的LDO的負載跟蹤補償電路的電路結構示意圖；

圖3為具有負載電流跟蹤補償的LDO的小信號模型；

圖4為一種實施方式的LDO的直流功能波形圖；

圖5為LDO的電流回路的頻率響應的波特圖；

圖6為LDO的電壓回路的頻率補償的波特圖；

圖7為一種實施方式的LDO的負載電流跟蹤的方法的流程圖。

具體實施方式

圖1所示的是一種實施方式的低壓差穩壓器的結構示意。該低壓差穩壓器(LDO)100包括誤差放大器102、輸出電路104、電流跟蹤電路106、負載跟蹤補償電路108等。

誤差放大器102包括正輸入端、負輸入端與輸出端。其中，誤差放大器102的正輸入端連接基準電壓V_ref，輸出端耦接輸出電路104。

在一種實施方式中，基準電壓V_ref是由帶隙基準電壓源(圖未示)所提供的，該帶隙基準電壓源可以實現為各種已知的方式。

輸出電路104連接到誤差放大器102的輸出端，用以接收誤差放大器102的輸出，并據以輸出相應的輸出電流與輸出電壓。輸出電路104的輸出電流I_out與輸出電壓V_out作為該LDO 100的輸出電流與輸出電壓而提供給外部負載。

在一種可選的實施方式中，該輸出電路104可以實施為一個晶體管，例如MOS晶體管，其柵極連接誤差放大器102的輸出端，接收誤差放大器102的輸出以作為該晶體管的柵極電壓V_gate。從而，該晶體管的源極或漏極即可輸出作為該LDO 100的輸出的輸出電流I_out與輸出電壓V_out。

如圖1所示，在另一種實施方式中，在該誤差放大器102與輸出電路104之間，還可以連接緩沖級電路110，用于對誤差放大器102的輸出進行緩沖及/或放大。應當理解的是，該緩沖級電路110僅在本實施方式中示出為可選的，并不必然應當包括在LDO 100的結構中。

在輸出電路104的輸出與誤差放大器102的負輸入端之間，還連接有電壓反饋電路112。電壓反饋電路112接收輸出電路104的輸出電壓V_out，對輸出電壓V_out進行取樣，并將取樣電壓饋送到誤差放大器102的負輸入端。從而，通過該電壓反饋電路112，形成了誤差放大器102的閉環反饋。

如圖1所示，在一種可選的實施方式中，電壓反饋電路112可以實現為由電阻R₁、R₂串聯的形式，電阻R₁、R₂之間的節點連接到誤差放大器102的負輸入端。

應當理解的是，根據實際的電路及各元件的配置，誤差放大器102 的正輸入端、負輸入端可以進行互換，而不必然實施為圖1中的連接方式。

電流跟蹤電路106包括電流鏡像電路162、放大電路164以及跟蹤發生電路166。如圖1所示，電流鏡像電路162可以實現為與輸出電路104的晶體管具有相同或者成比例的參數的晶體管，其連接為與輸出電路104的晶體管形成鏡像，從而在電流鏡像電路162的晶體管的源極或漏極輸出與輸出電流I_out構成鏡像的感測電流I_sns。

放大電路164的一端連接在電流鏡像電路162的輸出端，用于接收電流鏡像電路162所輸出的感測電流I_sns，并據以生成相應的反饋控制電壓。在圖1所示的實施方式中，放大電路164包括具有相同參數的兩個晶體管T₁、T₂。晶體管T₁、T₂的柵極互相連接，晶體管T₁的源極與漏極中的一個連接至輸出電路104的晶體管的輸出所述輸出電壓V_out的一端，另一個則與晶體管T₁的柵極相連。晶體管T₂的源極或漏極中的一個與電流鏡像電路162的用于輸出感測電流I_sns的輸出端相連，并在其源極或漏極中的另一個上生成該反饋控制電壓。通過該放大電路164所生成的反饋控制電壓可以反映感測電流I_sns，從而使得反饋控制電壓可以用于該LDO 100的電流反饋回路。

跟蹤發生電路166連接在電流鏡像電路162的輸出端上，用以接收所述感測電流I_sns，并生成跟蹤電流I_track以提供給負載跟蹤補償電路108。應當理解的是，跟蹤電流I_track反映了該LDO 100在接有負載的情況下的電流輸出情況。

根據圖1中所示的實施方式，跟蹤發生電路166包括柵極相連的晶體管T₃與T₄，晶體管T₃的柵極連接放大電路164的輸出反饋控制電壓的一端，并且也與晶體管T₄的柵極相連，從而可以由晶體管T3與T4的柵極將該反饋控制電壓V_{I_ctrl}引出，以提供給LDO 100的電流反饋回路。晶體管T₃的源極或漏極中的一個連接電流鏡像電路162的輸出，以接收所述感測電流I_sns。晶體管T₄可以與晶體管T₃連接為鏡像，從而在晶體管T₄的與晶體管T₃連接到電流鏡像電路162的輸出的一端互為鏡像的源極或漏極之一上，輸出與所述感測電流I_sns成鏡像的跟蹤電流I_track。

負載跟蹤補償電路108連接在電流跟蹤電路106與輸出電路104之 間。負載跟蹤補償電路108配置為接收前述的跟蹤電流I_track與反饋控制電壓V_{I_ctrl}，并據以生成控制電壓V_ctrl提供給輸出電路104。在本實施方式中，控制電壓V_ctrl通過緩沖級電路110而提供給輸出電路104。負載跟蹤補償電路108根據LDO 100在接入負載的情況下的輸出電流而適應性地調整控制電壓V_ctrl，從而適應性地調整了對LDO本級電路的補償，使得LDO 100可以更好地適應于負載的變化。

如圖2所示，其為本發明一種實施方式的LDO的負載跟蹤補償電路的電路結構示意圖。優選地，該負載跟蹤補償電路可以是圖1中的負載跟蹤補償電路108。

負載跟蹤補償電路108包括電流反饋電路202、電流補償電路204等。電流反饋電路202配置為接收反饋控制電壓V_{I_ctrl}，并通過控制電壓V_ctrl來形成LDO 100的電流反饋回路。電流補償電路204配置為接收跟蹤電流I_track，并通過控制電壓V_ctrl來對于LDO 100的負載電流的變化進行補償。

在圖2所示的實施方式中，電流反饋電路202包括反饋晶體管T₅，反饋晶體管T₅具有連接點G₅₁、G₅₂、G₅₃，其中G₅₁為柵極節點，G₅₂、G₅₃分別為源極或漏極其中之一。柵極節點G₅₁連接用于接收反饋控制電壓V_{I_ctrl}，并且柵極節點G₅₁與連接點G₅₂之間連接有電容C₁。通過晶體管T₅與電容C₁的連接，可以形成基于反饋控制電壓V_{I_ctrl}的電流反饋回路，從而通過控制電壓V_ctrl來使得LDO 100的輸出穩定。可以理解的是，由晶體管T₅與電容C₁所形成的連接構成了一個密勒補償電路，其基于反饋控制電壓V_{I_ctrl}而補償LDO 100的頻率響應。

電流補償電路204包括第一電容C_m1、第二電容C_m2、開關元件T_sw；第一電容C_m1連接在電流反饋電路202的輸出端與負載跟蹤補償電路108的輸出端控制電壓V_ctrl之間；第二電容C_m2與開關元件T_sw串聯后與第一電容C_m1并聯。開關元件T_sw接收跟蹤電流I_track，并據以控制第二電容C_m2與第一電容C_m1之間的并聯連接。在圖2所示的實施方式中，開關元件T_sw可以實現為開關晶體管，該開關晶體管的柵極連接并接收跟蹤電流I_track，該開關晶體管根據跟蹤電流I_track而導通或關斷，從而與之相連的第二電容C_m2實現與第一電容C_m1并聯或不并聯。應當提出的 是，該開關元件T_sw也可以實現為其他種類的開關元件，或者由其他具有可控開關功能的電路或元件，而并不限制為該實施方式中的開關晶體管。

電流補償電路204還包括柵極相連的晶體管T₆、T₇；晶體管T₆具有連接點G₆₁、G₆₂、G₆₃，其中G₆₁為柵極節點，G₆₂、G₆₃分別為源極或漏極其中之一；晶體管T₇具有連接點G₇₁、G₇₂、G₇₃，其中G₇₁為柵極節點，G₇₂、G₇₃分別為源極或漏極其中之一。晶體管T₆、T₇的連接點G₆₂、G₇₂彼此相連以接收跟蹤電流I_track，由前述第一電容C_m1與第二電容C_m2形成的并聯連接則連接在晶體管T₆、T₇的連接點G₆₃、G₇₃之間。晶體管T6的連接點G₆₃與連接點G₆₁相連。晶體管T₇的輸出端連接點G₇₃連接到負載跟蹤補償電路108所輸出的控制電壓V_ctrl上。

根據該電流補償電路204，其中的第一電容C_m1、第二電容C_m2形成的電容與晶體管T₆、T₇實現為密勒補償網絡，第一電容C_m1的電容或者其與第二電容C_m2并聯后的電容構成該密勒補償網絡的密勒電容。

根據以上所述的本發明的LDO，可以得到系統的傳遞函數如下：

其中，A是環路增益，ε是阻尼系數，ω是共軛極點頻率，s為s域頻率。

其中，阻尼系數ε可以表示如下：

其中，I_out為該LDO的輸出電流，C_m為密勒補償中的密勒電容值。

可以看到，當負載增加而使得負載電流增大時，開關元件T_sw打開，使得接入輸出端控制電壓V_ctrl節點的電容增加，可以保持阻尼系數維持在一個較穩定的值，確保環路的穩定性。

電流反饋電路202還包括連接在反饋晶體管T₅與電流補償電路204之間的晶體管T₈。晶體管T₈的源極或漏極之一連接電流補償電路204，另一個則連接反饋晶體管T₅的連接點G₅₂。晶體管T₈的源極與漏極之間連接電阻R₁。如前所述，由晶體管T₅與電容C₁所形成的連接構成了一 個密勒補償電路，其增益由下式確定：

A_v＝g_m·R_out

其中，A_v為密勒補償電路的增益，g_m為跨導，R_out為外部阻抗。可以看出，該電流反饋電路202的增益在很大程度上受到與電容C₁所連接的外部阻抗，即電流補償電路204、尤其是其中的晶體管T₆的阻抗的影響。而另一方面，由于電流補償電路204中晶體管T₆的柵接形成了類似于反接二極管的結果，而使得該電流補償電路204的阻抗有限，進而使得該電流反饋電路202的增益存在著不能達到預定的效果的可能性。連接在電流補償電路204與電流反饋電路202的晶體管T₅之間的晶體管T₈，可以增大由晶體管T₅與電容C₁所構成的密勒補償電路的外部阻抗，從而提升電流反饋電路202的增益。

電流反饋電路202進一步包括連接在晶體管T₈的柵極的晶體管T₉，晶體管T₉采用柵接，以使得晶體管T₈工作在飽和區而保證晶體管T₈的阻抗。可以預見的是，當控制電流I_ctrl增大時，晶體管T₈將會進入線性區而不能維持其阻抗，連接在晶體管T₈的源極與漏極之間的電阻R₁可以箝位晶體管T₈的源漏電壓，以使得晶體管T₈工作在飽和區而保證晶體管T₈的阻抗。

結合圖3所示，其為本發明的實施方式中，具有負載電流跟蹤補償的LDO的小信號模型。其中F_z表示由輸出電流I_out至輸出電壓V_out的增益模塊，F_p表示控制電壓V_ctrl至輸出電壓V_out的增益模塊，F_g表示由輸出電流I_out至感測電流I_sns的增益模塊，F_s表示由控制電壓V_ctrl至感測電流I_sns的增益模塊。可以看出，除了由F_v所表示的從輸出電壓V_out反饋而形成的電壓反饋回路之外，本發明的實施方式中利用取樣電流I_sns至控制電壓V_ctrl(由F_i表示)的反饋回路T_i，形成對于輸出電流I_out的跟蹤與補償。基于跟蹤電流I_track的控制，電容器C_m2被控制接入或不接入，其與電容器C_m1所形成的密勒電容由此而得以調節。通過這樣的方式，當LDO 100接入較大負載時在電流回路中所產生的次諧波振蕩的風險得以消除；并且，在接入較小負載時對于電壓回路穩定性所產生的負面影響也可以減輕或忽略。

圖4所示的是根據本發明實施方式的LDO的直流功能波形圖。由 圖4可以看出，當負載電流低于最大運行限制時，電路中以電壓回路的調節為主。當負載電流逐步增大并超過安全運行區域(Safe Operating Area，SOA)時，電路中以電流回路的調節為主，并且存在最高輸出電流的箝位。在正常運行與SOA運行之間，電路中的電壓回路與電流回路的調節并存。

如圖5所示，其為LDO的電流回路的頻率響應的波特圖。圖5中包括了使用負載電流跟蹤補償與不使用負載電流跟蹤補償的情況下的頻率響應波形的對比。可以看出，在該電流回路中具有兩個極點，其阻尼因數是由圖2中所示的電容C_m1和C_m2來控制的。在接入較大負載時，只有固定密勒電容而無負載跟蹤補償的電流回路將會在單位增益頻率后出現頻率尖峰，從而使得閉環回路的運行變得不穩定。如前述的圖2中所示的，根據本發明實施方式的LDO中，使用可調節接入與否的電容C_m2配合固定電容C_m1來形成為根據負載電流情況而可調節的密勒電容，該補償回路可以跟蹤次極點(non-dominant pole)，并且消除頻率尖峰，使回路的運行穩定。

類似地，如圖6所示，其為LDO的電壓回路的頻率補償的波特圖。與圖5中所示的類似，圖6中也包括了使用負載電流跟蹤補償與不使用負載電流跟蹤補償的情況下二者頻率響應的對比。若電路中采用的是固定的密勒電容，則電壓回路的相位余量將會較小。通過本發明的實施方式的LDO中所采用的可調節密勒補償電容，可以提升電壓回路的穩定性，在接入較小負載的情況下尤其明顯。

根據本發明一種實施方式的LDO，可以得出，其系統的單位增益帶寬可以表示如下：

其中，g_in是輸入級跨導，g_p是輸出級跨導，r_o1是輸出阻抗，C_L是負載電容；

該LDO的次極點可表示為：

其中，C_m是密勒補償中的密勒電容值。

可以得出，系統的相位裕度為：

由以上可以看出，若補償電容C_m過大，會導致輕負載時相位裕度降低，影響系統的穩定性。本發明的LDO在輕負載時，斷開開關元件T_sw，可以確保在輕負載情況下接入一個較小的接入電容。

如圖7所示，其示出了本發明一種實施方式的低壓差穩壓器(LDO)的負載電流跟蹤的方法的流程圖。為方便起見，以下結合圖1、圖2所示的LDO對于該方法的各流程進行說明。

模塊702，生成感測電流。具體地，參考圖1、圖2中的LDO，利用電流鏡像電路162來與輸出電路104形成鏡像，從而使電流鏡像電路162基于輸出電路104的輸出電流I_out而鏡像地生成并輸出感測電流I_sns。

模塊704，生成跟蹤電流。具體地，在圖1、圖2所示的LDO中，利用跟蹤發生電路166來接收所述感測電流I_sns，并生成跟蹤電流I_track。

模塊706，根據跟蹤電流而控制第二電容是否接入而與第一電容并聯。根據圖1、圖2所示的，使用開關元件T_sw來接收跟蹤電流I_track，開關元件T_sw根據跟蹤電流I_track來打開或者閉合，從而使第二電容C_m2接入或不接入電路，以形成或不形成與第一電容C_m1的并聯。具體地，開關元件T_sw可以實現為開關晶體管，該開關晶體管的柵極連接并接收跟蹤電流I_track，該開關晶體管根據跟蹤電流I_track而導通或關斷，從而與之相連的第二電容C_m2實現與第一電容C_m1并聯或不并聯。

模塊708，生成控制電壓。如圖1、圖2中所示的，通過控制電流I_ctrl，經過電流補償電路204而生成控制電壓V_ctrl。

可以看到，由于LDO在連接負載時會出現由負載所影響的輸出電流的變化，從而影響到LDO的頻率響應。為使得LDO不受到所接入的負載對其輸出電流的影響，實現頻率響應的穩定，需要對電流回路進行相應的補償。相比于采用固定電容來實現的密勒補償而言，本發明的LDO中通過可控制接入與否的電容，來實現對于密勒補償效果的調節，進而可以控制對于電路進行補償的程度。進一步地，由于對補償程度的 控制是基于由接入負載情況下的輸出電流的反饋而進行的，能夠實際地反映出LDO本身對于補償的需求并適應性地給予補償。通過本發明的LDO，實現了對于電流補償的適應性控制，可以改善頻率響應特性，提升穩定性。

在此參考了特定的所示的例子對于各種示例的實施方式進行了描述。所述示例的例子被選擇為輔助本領域的技術人員來形成對于各實施方式的清晰理解并得實施。然而，可以構建為包括一個或多個實施方式的系統、結構和器件的范圍，以及根據一個或多個實施方式實施的方法的范圍，并不為所展示的示例性例子所限制。相反地，所屬技術領域的技術人員基于本說明書可以理解：可以根據各實施方式來實施出很多其他的配置、結構和方法。

應當理解的是，就于本發明在前描述中所使用的各種位置指示來說，例如頂、底、上、下，彼等指示僅是參考了相應的附圖而給出，并且當器件的朝向在制造或工作中發生變化時，可以代替地具有其他位置關系。如上所述，那些位置關系只是為清楚起見而描述，并非限制。

本說明的前述描述是參考特定的實施方式和特定的附圖，但本發明不應當限制于此，而應當由權利要求書所給出。所描述的各附圖都是示例性的而非限制性的。在附圖中，為示例的目的，各元件的尺寸可能被放大，且可能沒有繪制為特定的比例尺。本說明也應當包括各元件、工作方式在容限和屬性上的不連續的變換。還應當包括本發明的各種弱化實施。

本說明及權利要求書中所使用的詞匯“包括”并不排除其他元件或步驟。除非特別指出，在使用單數形式如“一”、“一個”指代確定或不確定的元件時，應當包括該元件的復數。從而，詞匯“包括”不應當被理解為限于在其后所列出的條目，不應當理解為不包括其他元件或步驟；描述“器件包括項目A和B”的范圍不應當限制為只包括元件A和B的器件。該描述表示，就于本說明而言，只有器件的元件A和B是相關的。

對于所屬領域的技術人員而言，在不背離本發明的權利要求的范疇內可以作出多種具體變化。