[发明专利]灌入/拉出电流快速响应线性电压调节器及调节方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种低压降电压调节器及其电压调节方法，尤其是涉及一种灌入/拉出电流快速响应线性电压调节器及调节方法。 

背景技术

LDO(Low dropout regulator，低压降电压调节器)用于从某个较高的、有噪声的电压源产生一个干净且调节良好的电压源，是应用非常广泛的一种降压型DC-DC变换器。与开关电源DC-DC相比，它具有成本低、噪声低和静态电流低的优点，同时，由于无需开关动作和电感，也不会带来EMI问题，因此被广泛应用于电池供电的便携式电子设备中，尤其是用在对噪声敏感的系统上。 

同时随着人们对手机、PDA、笔记本电脑等便携式、噪声敏感的设备高速度和多功能的追求，高精度、快速负载瞬态的LDO成为如今电源设计的趋势。同时，随着系统高集成度的发展，大负载已经成为电源设计的趋势。并且，随着系统对电源高精度的要求，高系统增益则是必需的。然而，随着系统负载的增加和系统增益的提高，常规的补偿方法已经不能保证系统的稳定。这也同时减弱了系统的负载瞬态响应，因此，很难找到好的方法来保证大负载高增益系统在保证稳定的同时，具有快速的负载瞬态响应。目前，存在多种频率补偿方案用于保证系统的稳定性，包括Miller补偿、嵌套Miller补偿及动态Miller补偿，以及可能成为补偿的一部分的额外的芯片外或晶粒外负载电容。然而，上述方案都因为成本和方案的困难实现受到限制，相应对最小尺寸、简单补偿方案的偏好向补偿方案提出了进一步限制。 

如图l所示，现有的快速负载瞬态响应的LDO及其补偿元件由输出功率管304、电阻分压网络306、误差放大器三302、输出缓冲级303(即buffer 级)，基准电压源101以及频率补偿元件305和输出负载307构成。基准电压产生模块即基准电压源101通常是带隙基准(bandgap)电压，该模块产生一个几乎不随电源电压、芯片温度等工作条件而变化的参考电压。输出电压VOUT驱动输出负载307，所述输出负载307包括一个负载电容CL和一个负载电阻RL。所述频率补偿元件305由电阻Rc和Cc串接组成，输出负载307由电阻RL、电容CL和电阻Resr组成。系统通过电阻分压网络306中的电阻R_孔和R_F2分压进行采样，并将该分压信号反馈到误差放大器三302的一个输入端。而误差放大器三302的另一个输入端连接带隙基准产生的参考电压Vref，误差放大器三302的输出端连接一个输出缓冲级303构成所述LDO的小信号分析结构，快速的负载响应是通过添加buffer级且通过buffer级来驱动输出功率管304来实现的，存在一个buffer级的原因是为了隔离误差放大器三302输出端的高阻抗与输出功率管304栅极间由于Miller效应产生的大电容，控制输出功率管304栅极的时间常数。然而，为了能够获得足够大的带载范围，buffer级一般需要轨对轨的运算放大器实现，这就增加了系统的电路难度与复杂度。电路的目标是通过反馈监控输出电压VOUT并且将其与参考电压Vref相比较，当VOUT太高或太低时，电路将会自动调节以便VOUT返回其标称值，以使VOUT保持基本恒定。 

负载(即输出负载307)变化导致VOUT的变化以及对比变化响应速度是考察LDO性能的一个重要指标，从LDO本身设计的要求看，希望在负载变化时，VOUT输出的变化越小越好。实际应用中，外部负载急剧变化时，输出电流也会产生急剧的变化，也会导致输出电压VOUT的急剧变化，这个变化通过反馈电阻反映到误差放大器三302的正输入端，误差放大器三302就通过比较Vfb和Vref的电压差来控制输出功率管304的导通程度，从而来稳定输出电压VOUT。 

图3给出了一种典型情况下图1所述LDO的瞬态响应仿真波形，其表征瞬态响应时间为Δt1和Δt3。其中，Δt1表示为： 式中，BWc1为系统的闭环带宽，Cpass为传 输管的栅极寄生电容，tsr和Isr分别为输出功率管304的栅极驱动信号的压摆时间和压摆限制电流，ΔV为输出变化电压(即输出电压VOUT的变化量)。而Δt3同样反比于系统的闭环带宽，但它不受压摆电流的限制。对于不同的负载跳变，系统的闭环带宽越大，系统的瞬态响应时间会越短。因而，为了减小Δt1和Δt3，需要增加系统的带宽和驱动栅极的压摆电流。