[發(fā)明專利]一種基于自供電電荷泵架構(gòu)的NMOS LDO

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710695836.1
• 申請日: 2017-08-15
• 公開（公告）號: CN107357351B
• 公開（公告）日: 2018-10-26
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 周澤坤;李響;李登維;石躍;王卓;張波
• 申請（專利權(quán)）人: 電子科技大學(xué)
• 主分類號: G05F3/26
• 分類號: G05F3/26
• 代理公司: 成都點(diǎn)睛專利代理事務(wù)所(普通合伙) 51232
• 代理人: 孫一峰

本發(fā)明屬于模擬電路電源管理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于自供電電荷泵架構(gòu)的NMOS LDO。本發(fā)明通過在LDO輸出加入一股與輸出電壓有關(guān)的交流電流，在環(huán)路上引入一個(gè)額外零點(diǎn)，保證了這種LDO有足夠的相位裕度，不會(huì)發(fā)生振蕩。其次，自供電電荷泵結(jié)構(gòu)，利用LDO自身產(chǎn)生的輸出電壓作為電荷泵輸入信號，從而建立LDO功率管柵極信號。最后，LDO的輸出作為帶隙誤差放大器的供電電源，避免了在高壓器件的使用，從而保證了環(huán)路調(diào)整的性能。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于模擬電路電源管理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于自供電電荷泵架構(gòu)的NMOS LDO。

背景技術(shù)

在電源管理電路領(lǐng)域，低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)是非常重要的一個(gè)模塊，常用于DC-DC 芯片的內(nèi)部供電，或者直接對片外供電。它的作用為將一個(gè)高電壓轉(zhuǎn)換為一個(gè)較低的電壓，并且隨著負(fù)載的變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)功率管的輸出電流，使得輸出電壓保持在一個(gè)穩(wěn)定的值。在輸入輸出電壓差別不大的情況下，LDO有著較高的轉(zhuǎn)換效率以及較高的電源抑制比。

LDO根據(jù)使用的功率管的不同可以分為PMOS LDO和NMOS LDO。PMOS LDO是較常用的一種結(jié)構(gòu)，因?yàn)楣β使艿臇旁措妷嚎梢栽谳斎腚妷汉偷仉娢恢g調(diào)整，PMOS LDO不需要額外的輔助電路，其主環(huán)路就可以正常工作。與之相比，采用NMOS功率管的LDO為了保證輸入輸出壓差較小時(shí)功率管依然有一定的柵源電壓，需要額外加入電荷泵電路，使得功率管柵端電壓高于輸入電壓。盡管需要額外的電路，NMOS LDO與PMOS LDO相比有更快的瞬態(tài)響應(yīng)速度，較大的負(fù)載能力，以及更好的線性調(diào)整率，所以在大功率高可靠性芯片中有一席之地。為了盡可能減小LDO的導(dǎo)通損耗，其功率管的尺寸一般都越大越好。但隨著功率管尺寸的增大，功率管柵端節(jié)點(diǎn)的寄生電容會(huì)隨之增大，產(chǎn)生電路的次極點(diǎn)。當(dāng)功率管尺寸較大時(shí)，這個(gè)次極點(diǎn)在LDO工作在重載情況下時(shí)往往會(huì)很接近于主極點(diǎn)。由于NMOS LDO 的功率管級沒有增益，所以無法通過在功率管級跨接米勒電容的方式來保證環(huán)路穩(wěn)定性。如何使得NMOS LDO環(huán)路保持穩(wěn)定是一個(gè)問題。如果是采用普通運(yùn)算放大器對LDO輸出電壓進(jìn)行鉗位的結(jié)構(gòu)，可以從運(yùn)放下手解決這個(gè)問題，但是對于采用帶隙運(yùn)放的自帶基準(zhǔn)電壓的 LDO而言，這種方法是不可行的。NMOS LDO環(huán)路的穩(wěn)定方法還是一個(gè)有繼續(xù)研究潛力的方向。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是為了解決采用NMOS的LDMOS作為功率管時(shí)，LDO環(huán)路中兩個(gè)極點(diǎn)過于靠近引起振蕩的問題。通過在LDO輸出加入一股與輸出電壓有關(guān)的交流電流，在環(huán)路上引入一個(gè)額外零點(diǎn)，保證了這種LDO有足夠的相位裕度，不會(huì)發(fā)生振蕩。其次，自供電電荷泵結(jié)構(gòu)，利用LDO自身產(chǎn)生的輸出電壓作為電荷泵輸入信號，從而建立LDO功率管柵極信號。最后，LDO的輸出作為帶隙誤差放大器的供電電源，避免了在高壓器件的使用，從而保證了環(huán)路調(diào)整的性能。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種基于自供電電荷泵架構(gòu)的NMOS LDO，其電路包括啟動(dòng)電路、帶隙基準(zhǔn)運(yùn)算放大器(包括一個(gè)帶隙基準(zhǔn)源)、LDNMOS功率管、分壓電阻、零點(diǎn)補(bǔ)償電路以及電荷泵電路。啟動(dòng)電路在電源從零上升時(shí)對內(nèi)部電路充電，防止整個(gè)電路停留在初始狀態(tài)；帶隙運(yùn)算放大器用于對LDO輸出電壓值與內(nèi)部帶隙基準(zhǔn)電壓值的差值進(jìn)行放大，在整個(gè)環(huán)路中起到鉗位LDO輸出電壓的作用；LDNMOS功率管提供負(fù)載電流，環(huán)路在負(fù)載變化時(shí)對其調(diào)整，使LDO輸出電壓維持在一個(gè)相對固定的值；分壓電阻用于對LDO輸出分壓，使分壓點(diǎn)與內(nèi)部基準(zhǔn)電壓保持一致，從而決定LDO輸出電壓值；零點(diǎn)補(bǔ)償電路通過在LDO輸出端引入一股額外的交流電流，在環(huán)路上產(chǎn)生一個(gè)額外的零點(diǎn)，保證了環(huán)路的穩(wěn)定性。電荷泵電路用于將LDO的輸出抬高數(shù)倍，作為功率管的柵端電壓，保證功率管在輸入-輸出壓差較小時(shí)不會(huì)截止。

具體的所述啟動(dòng)支路包括：電阻R5、R6和與其串聯(lián)的二極管D1；R5作為從輸入節(jié)點(diǎn)向LDO輸出節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)充電的通路，R5上端接外部輸入電壓VDD，下端接LDO的輸出節(jié)點(diǎn)VLDO5V。R6作為從輸入節(jié)點(diǎn)向功率管柵端啟動(dòng)充電通路，R6上端接外部輸入電壓VDD，下端接二極管D1的正端。D1作為防倒灌保護(hù)二極管，D1正端接R6下端，負(fù)端接功率管柵端。