[發明專利]一種基于多種頻率補償方式的高瞬態響應LDO電路

在審

• 申請號: 202211106323.X
• 申請日: 2022-09-11
• 公開（公告）號: CN115328254A
• 公開（公告）日: 2022-11-11
• 發明（設計）人: 陳志杰;田敏;尹健光;孫欣怡;王詩睿
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: G05F1/56
• 分類號: G05F1/56
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 王兆波

本發明公開了一種基于多種頻率補償方式的高瞬態響應LDO電路，分為兩部分，第一部分將對第二部分采集到的電壓信號與基準電壓作比較并獲得殘差電壓，將殘差電壓進行采樣和放大處理，將殘差電壓放大處理后的差值信號傳遞至緩沖級電路；第二部分利用經過緩沖級電路的電壓信號調整功率管的導通程度，并獲得新的電壓信號，然后將新的電壓信號采樣后傳遞回第一部分。采用零極點追蹤和密勒補償相結合的方式來實現頻率補償，在保持極高相位裕度的同時增大了系統的單位增益帶寬。通過一前饋通路模塊在電壓突變時將信號繞過緩沖級直接傳遞至功率管,實現更快的瞬態響應，在結構簡單的同時具有良好的PVT特性。

技術領域

本發明涉及一種基于多種頻率補償方式的高瞬態響應LDO電路，屬于低壓差線性穩壓器領域。

背景技術

LDO(Low Dropout Regulator)是一種低壓差線性穩壓器，通常在集成電路芯片中作為電源管理模塊，為其他功能模塊輸出穩定的電壓。LDO在手機、平板、智能家電、筆記本電腦等廣大輕便式電子產品中有著巨大的市場份額，這是由于LDO芯片可以為后續電路提供穩定低噪的電壓,并且有著低功耗、高電源紋波抑制比、較好的線性調整率和負載瞬態響應、以及占用芯片面積小等優點。隨著市場的變化和技術的進步,人們對LDO芯片的性能要求也在不斷地提高。更高的轉換效率、更低的功耗以及更高的電源噪聲抑制逐漸成為LDO芯片的研究熱點和發展趨勢。

LDO是閉環線性負反饋系統的一種典型應用,其主要功能是為后級電路提供一個穩定的電源電壓。如圖1所示，LDO的主要結構分為四個模塊：帶隙基準電路產生的電壓基準源、誤差放大器、輸出功率管和反饋電阻組成的分壓反饋網絡。實際應用中一般還有改善LDO性能的各種輔助電路。

LDO的穩壓功能主要由閉環負反饋環路通過運算放大器調節實現，負反饋環路的自穩定性調整，使其在負載發生改變的情況下仍然可以保持穩定的輸出電壓V_OUT。具體穩壓過程為：輸出端負載R_L減小時，假設流過負載的電流不變，則輸出端電壓V_OUT減小，于是兩電阻間的反饋電壓V_REF也減小。V_FB反饋到誤差放大器的同相輸入端，與誤差放大器反相輸入端的基準電壓V_REF作比較，使得誤差放大器的輸出電壓減小。從而輸出功率管的柵源電壓|V_GSP|增大，流過功率管的電流也增加，負載上的壓降隨之增加，從而抬升了LDO的輸出電壓使其保持穩定。反之同理。

傳統的LDO芯片在輸出端添加一負載電容，該電容與其等效串聯電阻產生一低頻零點以平抑主極點導致的相位裕度的減少，最終達到增強系統穩定性的目的。但由此產生的問題也是顯而易見的：首先，輸出端的大電容(通常為微法級)很難集成到芯片中，浪費了相當的芯片面積；其次，由于其等效串聯電阻通常做得較大，這會影響LDO的瞬態響應；最后，受工藝水平影響，電容的等效串聯電阻誤差較大，導致這一零點的位置可能存在偏差，若零點頻率過低，系統過高的帶寬可能使其他高頻極點進入帶寬內，若零點頻率過高，可能超出系統單位增益帶寬，失去頻率補償的能力。

從2006年起，無片外負載電容的LDO(Capless-LDO)逐漸成為研究熱點，這種全新的LDO大大減小了成本和芯片面積成本。但由于失去了片外大電容的補償作用，如何保證系統的穩定性成為新的挑戰，沒有頻率補償的Capless-LDO不具有實用意義。

頻率補償的實質是改變系統零極點的分布，由于失去片外大電容導致系統的主極點從輸出端改為系統內部，許多傳統的頻率補償如基于電容等效串聯電阻的補償方法已不適用，各種全新的頻率補償方法被提出，如反饋環路中并聯壓控電流源補償法，基于密勒效應的密勒電容補償的改進型，嵌套式密勒補償，有源反饋補償和電流緩沖技術，基于控制理論的阻尼系數補償等。但是現有技術很難同時保證輕載下的環路穩定性和重載下的快速瞬態響應。本發明能夠克服現有技術的不足，在保證更高相位裕度的同時增強瞬態響應。

發明內容