一种通用型ldo瞬态响应增强电路
阅读说明：本技术 一种通用型ldo瞬态响应增强电路 (General LDO transient response enhancement circuit ) 是由 况立雪 余力澜 马小龙 董钊 韩春杰 刘跃 梁欣 于 2021-05-27 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种通用型LDO瞬态响应增强电路,包括快速误差电压放大、快速阈值比较、功率管控制、单次触发控制和状态更新五个模块。本发明所述电路,在LDO输出电压属于正常范围时不参与LDO环路控制,仅消耗少量静态电流,在LDO输出电压下降超过阈值时,触发瞬态响应增强机制,使得输出电压迅速恢复正常。为避免输出电压在瞬态响应增强电路的作用下来回跳变,在一段可配置的时间内,瞬态响应增强机制仅能被触发一次,瞬态响应增强电路的强度也可配置。(The invention discloses a general LDO transient response enhancement circuit which comprises five modules of rapid error voltage amplification, rapid threshold comparison, power tube control, single trigger control and state updating. The circuit does not participate in LDO loop control when the output voltage of the LDO is in a normal range, only consumes a small amount of static current, and triggers a transient response enhancement mechanism when the output voltage of the LDO drops to exceed a threshold value, so that the output voltage is quickly recovered to be normal. In order to avoid the output voltage from jumping back and forth under the action of the transient response enhancement circuit, the transient response enhancement mechanism can be triggered only once within a configurable time, and the strength of the transient response enhancement circuit can be configured.)
技术领域
本发明属于集成电路设计领域，具体涉及一种通用型LDO瞬态响应增强电路。
背景技术
随着集成电路的发展，SoC芯片复杂程度提高，对电源管理电路提出了更高的要求，如为芯片提供多个不同的输出电压值，不同输出电压之间需要噪声隔离等。低压差线性稳压电路(LDO)是电源管理电路的重要组成部分，一颗芯片往往需要包含多个LDO电路。
LDO的功率管通常由一个带宽有限的环路控制，对负载电流的高频波动响应过慢，导致LDO输出电压出现瞬态抖动。在输出端接一个uF量级的片外滤波电容是滤除输出电压高频瞬态抖动的有效方法。但出于SoC芯片管脚和成本的考虑，往往会用到全集成LDO。全集成LDO输出端的片上电容仅在100pF量级，无法利用片外滤波电容来提供好的瞬态响应性能。
现有的无片外电容的LDO瞬态响应增强电路如图1中所示。电容Cf作为微分器，用于感知LDO输出电压的变化趋势。Cf一端连接LDO输出电压，另一端连接电流放大器。在输出电压发生跳变时，由于Cf两端的电压不能突变，从而产生前馈电流if。前馈电流经过电流放大器放大后，对功率管Mp的栅端电压进行补偿，从而改变LDO输出电压。这种LDO瞬态响应增强电路在基本的LDO电路中引入了新的快速控制环路，即使是微小的输出端电压变化，也会引起环路状态的变化。一方面，新增的零极点使得LDO稳定性变差，设计难度增加；另一方面，对已有的不同LDO电路应用这种技术时，需要针对其负载电流和零极点的配置情况，重新设计瞬态增强型LDO的电路参数，可移植性较差。
发明目的
发明目的就是为了解决现有技术中所存在的问题，提出一种通用型LDO瞬态响应增强电路，使得LDO在负载电流的高速正向跳变下，输出电压的抖动幅度减小，响应时间变短。通过提出一种通用型LDO瞬态响应增强电路，在LDO输出电压属于正常范围时不参与LDO环路控制，仅消耗少量静态电流，在LDO输出电压下降超过阈值时，触发瞬态响应增强机制，使得输出电压迅速恢复正常。为避免输出电压在瞬态响应增强电路的作用下来回跳变，在一段可配置的时间内，瞬态响应增强机制仅能被触发一次，瞬态响应增强电路的强度也可配置。
发明内容
本发明提供了一种通用型LDO瞬态响应增强电路，包括快速误差电压放大、快速阈值比较、功率管控制、单次触发控制和状态更新五个模块，其中：
所述快速误差电压放大模块的一端与LDO输出端连接，另一端与所述所述快速阈值比较模块连接；所述快速误差电压放大模块对LDO输出端电压的变化量进行实时检测和放大；
快速阈值比较模块一端与快速误差电压放大模块连接，接收其所输出的误差电压信号，另一端分别与功率管控制模块和单次触发控制模块连接；快速阈值比较模块将放大后的误差电压与设定的阈值进行比较，并将比较结果分别输入功率管控制模块和单次触发控制模块，作为它们的输入信号；
所述功率管控制模块连接至LDO功率管的栅端，通过调节LDO功率管的栅端电压，快速补偿输出电压的负向变化，补偿的强度可根据需要进行配置；
所述单次触发模块分别与快速阈值比较模块和状态更新模块连接，在输出电压回调后，关闭所述快速阈值比较模块；
所述状态更新模块以一定的周期对所述快速阈值比较模块的状态进行更新，更新周期可根据需求配置。
优选地，所述快速误差电压放大模块由P型MOS管MP1、电流源IB2、P型MOS管MP2和电流源IB2、接地电容C1构成，MP1和MP2的栅极的电压节点记作V1，其被共接至接地电容C1的非接地端和电流源IB2，电流源IB1和电流源IB2分别连接于MP1和MP2的漏极，通用型LDO的输出端VOUT分别连接至MP1和MP2的源极；MP2的漏极的电压节点记作V2。
优选地，所述快速阈值比较模块由P型MOS管MP3、电流源IB3、P型MOS管MP4和N型MOS管MN1、电阻R1、电容C3构成；其中，MP3的栅极连接至MP1和MP2的栅极的电压节点V1，，MP3的漏极连接至电流源IB3；MP3和MP4共源极，共源极电压节点记作VMIR；MP4与MN1共栅极，共栅极电压记作V3,电压节点VMIR与V3之间连接有电阻R1；电容C3跨接在电压节点V2、V3之间；LDO的输入端通过电流源IB5连接至MP3和MP4的源极及电阻R1。
优选地，所述功率管控制模块由N型MOS管MN3和可控电流源IB4构成，其中，可控电流源IB4的输入端与MN3的源极连接，可控电流源IB4的输出端接地；MN3的漏极连接至IDO功率管的栅端；
优选地，所述单次触发控制模块由N型MOS管MN4、N型MOS管MN2、可变电容C4、反相器INV1、反相器INV2构成；其中，MN2的源极接地，漏极与MN4的源极连接，MN2的栅极电压节点记作V6，其与可变电容C4的非接地端连接，可变电容C4的另一端接地；反相器VIN2的输出端连接至MN2的栅极，反相器VIN2的输入端连接至MN4的栅极，MN4的栅极电压记作V5；MN4的漏极与MP3和MP4的源极连接；反相器VN1的输入端电压节点记作V4，分别连接至MN3的栅极和MN1、MP4的漏极。
优选地，所述状态更新模块由可变电容C2构成，可变电容C2一端接地，另一端与MP3和MP4的源极连接，并与N型MOS管MN4的漏极连接。
更优选地，所述P型MOS管MP1与MP3、电流源IB1与IB3分别为1:1镜像关系，对于不同的LDO电路，瞬态响应增强的强度可通过调节可控电流源IB4的可控电流值IPULL来配置。
附图说明
图1是现有的无片外电容的LDO瞬态响应增强电路。
图2是本发明所述的通用型LDO瞬态响应增强电路框图。
图3是本发明所述的通用型LDO瞬态响应增强电路一个实施例。
具体实施方式
以下结合附图详细说明本发明。
图2是本发明所述的通用型LDO瞬态响应增强电路框图。如图所示，本发明所述的通用型LDO瞬态响应增强电路包括快速误差电压放大、快速阈值比较、功率管控制、单次触发控制和状态更新五个模块。
所述快速误差电压放大模块的一端与LDO输出端连接，另一端与所述所述快速阈值比较模块连接，对LDO输出端电压的变化量进行实时检测和放大；
快速阈值比较模块一端与所述快速误差电压放大模块连接，接收其所输出的误差电压信号，另一端分别与所述功率管控制模块和所述单次触发控制模块连接。快速阈值比较模块将放大后的误差电压与设定的阈值进行比较，并将比较结果分别输入所述功率管控制模块和单次触发控制模块，作为它们的输入信号。
功率管控制模块连接至LDO功率管的栅端，通过调节LDO功率管的栅端电压，快速补偿输出电压的负向变化，补偿的强度可根据需要进行配置；
单次触发模块分别与快速阈值比较模块和状态更新模块连接，在输出电压回调后，关闭所述快速阈值比较模块；
状态更新模块以一定的周期对所述快速阈值比较模块的状态进行更新，更新周期可根据需求配置。
下面通过一个实施例，具体描述一下本发明所述的电路。
实施例
图3是本发明所述的通用型LDO瞬态响应增强电路一个实施例。如图所示：
快速误差电压放大模块由P型MOS管MP1、电流源IB2、P型MOS管MP2和电流源IB2、接地电容C1构成，MP1和MP2的栅极的电压节点记作V1，其被共接至接地电容C1的非接地端和电流源IB2，电流源IB1和电流源IB2分别连接于MP1和MP2的漏极，通用型LDO的输出端VOUT分别连接至MP1和MP2的源极；MP2的漏极的电压节点记作V2。
快速阈值比较模块由P型MOS管MP3、电流源IB3、P型MOS管MP4和N型MOS管MN1、电阻R1、电容C3构成；其中，MP3的栅极连接至MP1和MP2的栅极的电压节点V1，，MP3的漏极连接至电流源IB3；MP3和MP4共源极，共源极电压节点记作VMIR；MP4与MN1共栅极，共栅极电压记作V3,电压节点VMIR与V3之间连接有电阻R1；电容C3跨接在电压节点V2、V3之间；LDO的输入端通过电流源IB5连接至MP3和MP4的源极及电阻R1。
功率管控制模块由N型MOS管MN3和可控电流源IB4构成，其中，可控电流源IB4的输入端与MN3的源极连接，可控电流源IB4的输出端接地，可控电流源IB4的可控电流值记作IPULL；MN3的漏极连接至IDO功率管的栅端。
单次触发控制模块由N型MOS管MN4、N型MOS管MN2、可变电容C4、反相器INV1、反相器INV2构成；其中，MN2的源极接地，漏极与MN4的源极连接，MN2的栅极电压节点记作V6，其与可变电容C4的非接地端连接，可变电容C4的另一端接地；反相器VIN2的输出端连接至MN2的栅极，反相器VIN2的输入端连接至MN4的栅极，MN4的栅极电压记作V5；MN4的漏极与MP3和MP4的源极连接；反相器VN1的输入端电压节点记作V4，分别连接至MN3的栅极和MN1、MP4的漏极。
状态更新模块由可变电容C2构成，C2一端接地，另一端与MP3和MP4的源极连接，并与N型MOS管MN4的漏极连接。
其中，MP1，MP3，IB1，IB3为1:1镜像关系，对于不同的LDO电路，瞬态响应增强的强度可通过调节可控电流源IB4的电流值IPULL来配置。
本发明所述电路控制过程的工作原理如下所述：
S1：当LDO的输出端VOUT上有一个快速负向变化时，由于电容C1的电荷保持作用，V1节点变化缓慢，MP2和电流源IB2构成共栅放大器，将VOUT误差电压放大到V2节点。
S2：MP1，MP3，IB1，IB3为1:1镜像关系，因此VMIR节点保持了VOUT的直流信息；电容C3和电阻R1组成交流耦合电路，将V2节点的交流信号传至V3节点，V3节点的静态电平为VMIR，因此由MP4和MN1组成的反相器无静态电流；在VOUT发生快速负向变化时，V3上同样出现快速负向变化，当V3的负向变化超过由MP4和MN1组成的反相器阈值时，V4节点从低电平翻转为高电平。
S3：V4节点翻转为高电平VMIR后，MN3开启，以IB4设定的电流值IPULL从LDO功率管的栅端抽取电流，使得功率管输出电流变大，输出电压回调，对于不同的LDO电路，瞬态响应增强的强度可通过调节电流值IPULL来配置。
S4：输出电压回调后，V2,V3节点电压上升，V4变为低电平，V5变为高电平，开启MN4；此时，V6在电容C4的作用下，仍保持为高电平，MN2和MN4均开启，将VMIR节点下拉至低电平，从而关闭快速阈值比较模块，避免LDO输出电压来回翻转。
S5：V5为高电平，反相器INV2对电容C4放电，经过一段放电时间后，V6变为低电平，关闭MN2，结束对VMIR节点的下拉。IB5和可调电容C2组成状态更新模块，再次对VMIR节点充电，直到VMIR恢复为VOUT直流电平的镜像，为下一次的瞬态响应增强触发事件做好准备
本发明具有以下优点：
本发明的瞬态响应增强电路存在触发阈值，不对输出电压的噪声等微小抖动作出响应。在静态情况下不参与原LDO电路的环路控制，无稳定性问题，大大降低了瞬态增强型LDO的设计复杂度。
本发明的瞬态响应增强电路工作的强度和允许的周期均可配置，可适配不同负载电流能力和不同零极点配置的LDO。
本领域技术人员应当明白，以上具体实施方式仅是对本发明优选实施例的示例性阐述，在不脱离本发明主旨的前提下所做的修改和替代均落入本发明的保护范围。
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