專利名稱：低噪聲線性調(diào)節(jié)器的快速啟動(dòng)電路及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種上電快速啟動(dòng)的電路與方法，尤其是一種用于低噪聲低壓降線性 調(diào)節(jié)器的上電快速啟動(dòng)電路及方法。
背景技術(shù)：
低壓降線性調(diào)節(jié)器(LD0:Low Drop-out Regulator)是電源管理芯片的一個(gè)很重 要的分支，與開(kāi)關(guān)電源相比，它具有成本低、噪聲小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功耗小等優(yōu)點(diǎn)，而且不會(huì)引 入電磁干擾的問(wèn)題，所以在便攜式電子系統(tǒng)，尤其是移動(dòng)電話中得到廣泛的應(yīng)用。如圖1所示，一個(gè)基本的低壓降線性調(diào)節(jié)器由基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生模塊、PM0S輸出元件、 電阻分壓網(wǎng)絡(luò)和誤差放大器組成?；鶞?zhǔn)電壓產(chǎn)生模塊產(chǎn)生了一個(gè)幾乎不隨電源電壓和溫度 等外界條件變化的帶隙(Bandgap)基準(zhǔn)電壓，該基準(zhǔn)電壓被接到誤差放大器的負(fù)輸入端； 電阻分壓網(wǎng)絡(luò)對(duì)輸出電壓Vout進(jìn)行采樣和分壓之后送到誤差放大器的正輸入端；誤差放 大器的輸出接到輸出PM0S管的柵極上；調(diào)節(jié)器的輸出Vout驅(qū)動(dòng)芯片外的負(fù)載電阻RL和負(fù) 載電容CL。通過(guò)推導(dǎo)可以得到調(diào)節(jié)器的輸出電壓為 當(dāng)工作條件的變化而引起Vout發(fā)生變化的時(shí)候，電阻分壓網(wǎng)絡(luò)將Vout的變化反 饋到誤差放大器的輸入端，誤差放大器的輸出發(fā)生相應(yīng)的變化來(lái)調(diào)節(jié)PM0S管的導(dǎo)通程度， 從而調(diào)整輸出電壓Vout，使Vout在各種工作條件下基本保持不變。整個(gè)系統(tǒng)形成一個(gè)負(fù)反 饋的環(huán)路，負(fù)載電容用于補(bǔ)償系統(tǒng)的零極點(diǎn)，使系統(tǒng)穩(wěn)定。在應(yīng)用于對(duì)電源噪聲要求較高的系統(tǒng)中，如射頻電路和高性能的音頻系統(tǒng)，一般 先在帶隙基準(zhǔn)電壓之后加上一低通濾波器來(lái)濾除帶隙基準(zhǔn)電路產(chǎn)生的噪聲，再將濾波后的 基準(zhǔn)電壓送到誤差放大器的輸入端，從而降低整個(gè)調(diào)節(jié)器輸出Vout的噪聲。低通濾波器的 帶寬越小，噪聲濾除效果越好，Vout的輸出噪聲就越低。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，該濾波器一般由一 個(gè)大電阻和一個(gè)芯片外的大電容組成，其帶寬在幾Hz到幾百Hz之間。所以，加入濾波器以 后會(huì)給基準(zhǔn)電壓引入很大的時(shí)間常數(shù)，造成在LD0上電啟動(dòng)期間，基準(zhǔn)電壓需要花費(fèi)很長(zhǎng) (一般為毫秒級(jí))的建立時(shí)間，大大增加了 LD0的上電等待時(shí)間，造成時(shí)間浪費(fèi)?，F(xiàn)有加快的上電啟動(dòng)時(shí)間的技術(shù)方案主要有以下兩種方案1、增加帶隙(Bandgap)基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路的電流，從而增加對(duì)濾波電容充電 的電流，減小充電時(shí)間。方案2、在上電啟動(dòng)期間將濾波電阻短路來(lái)減小濾波器的時(shí)間常數(shù)。采用上述的技術(shù)方案1，會(huì)大大增加LD0本身的功耗。采用技術(shù)方案2，則需要產(chǎn) 生另外的控制信號(hào)，增加系統(tǒng)控制的復(fù)雜度，而且最終還是得通過(guò)增加帶隙基準(zhǔn)電路本身 的電流來(lái)獲得較快的啟動(dòng)速度。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的目的是提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且穩(wěn)定性好的低噪 聲線性調(diào)節(jié)器的快速啟動(dòng)電路。本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種成本低的低噪聲線性調(diào)節(jié)器的快速啟動(dòng)方法。本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是低噪聲線性調(diào)節(jié)器的快速啟動(dòng)電路，包括一閾值電壓產(chǎn)生模塊，其用于產(chǎn)生一上電快速建立的閾值電壓；一電壓檢測(cè)和控制模塊，所述閾值電壓產(chǎn)生模塊產(chǎn)生的閾值電壓和線性調(diào)節(jié)器的 基準(zhǔn)電壓分別作為所述電壓檢測(cè)和控制模塊的輸入信號(hào)，所述電壓檢測(cè)和控制模塊根據(jù)閾 值電壓和基準(zhǔn)電壓的大小關(guān)系產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)；一快速充電模塊，所述電壓檢測(cè)和控制模塊的輸出端與快速充電模塊的輸入端相 連并控制其開(kāi)啟和關(guān)斷，所述快速充電模塊的輸出端與線性調(diào)節(jié)器的基準(zhǔn)電壓濾波電容相 連接。進(jìn)一步，所述快速充電模塊由一 PM0S開(kāi)關(guān)管和一限流電阻串聯(lián)而成。進(jìn)一步，所述快速充電模塊為一 PM0S開(kāi)關(guān)管。進(jìn)一步，所述快速充電模塊為大比例電流鏡，所述大比例電流鏡首先產(chǎn)生一恒定 小電流，然后通過(guò)大比例關(guān)系電流鏡將I放大N倍。低噪聲線性調(diào)節(jié)器的快速啟動(dòng)方法，包括以下步驟A、電路上電，基準(zhǔn)電壓V_ref小于閾值電壓V_th，電壓檢測(cè)和控制模塊輸出控制 快速充電模塊開(kāi)啟，快速充電模塊為基準(zhǔn)電壓濾波電容充電，基準(zhǔn)電壓V_ref快速上升；B、當(dāng)基準(zhǔn)電壓V_ref大于閾值電壓V_th，電壓檢測(cè)和控制模塊輸出控制快速充電 模塊關(guān)斷，基準(zhǔn)電壓濾波電容的充電方式改為帶隙基準(zhǔn)電路本身的小電流來(lái)完成。進(jìn)一步，所述閾值電壓產(chǎn)生模塊產(chǎn)生的閾值電壓V_th大于或等于0. 96倍基準(zhǔn)電 SV_ref的終值電壓。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明電路僅由閾值電壓產(chǎn)生模塊、電壓檢測(cè)和控制模塊、 快速充電模塊三部分組成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，占用芯片面積小，由于本發(fā)明電路大部分為數(shù)字電 路，所以LD0的正常工作中本發(fā)明電路不會(huì)增加LD0本身的功耗。本發(fā)明的另一個(gè)有益效果是低噪聲線性調(diào)節(jié)器的快速啟動(dòng)方法采用具有高增益 和遲滯功能的比較器使得線性調(diào)節(jié)器在上電以后能迅速到達(dá)正常工作的狀態(tài)，并在工作中 調(diào)整到最終的輸出電壓值，控制準(zhǔn)確、穩(wěn)定性好，成本低且性能優(yōu)越。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。圖1是典型低噪聲低壓降線性調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)圖；圖2是本發(fā)明的啟動(dòng)電路結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明的實(shí)例電路圖；圖4是采用本發(fā)明以后低壓降線性調(diào)節(jié)器的上電啟動(dòng)仿真波形；圖5是快速充電模塊采用大比例電流鏡的原理圖。
具體實(shí)施例方式參照?qǐng)D2，低噪聲線性調(diào)節(jié)器的快速啟動(dòng)電路，包括一閾值電壓產(chǎn)生模塊，其用于產(chǎn)生一上電快速建立的閾值電壓；一電壓檢測(cè)和控制模塊，所述閾值電壓產(chǎn)生模塊產(chǎn)生的閾值電壓和線性調(diào)節(jié)器的 基準(zhǔn)電壓分別作為所述電壓檢測(cè)和控制模塊的輸入信號(hào)，所述電壓檢測(cè)和控制模塊根據(jù)閾 值電壓和基準(zhǔn)電壓的大小關(guān)系產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)；—快速充電模塊，所述電壓檢測(cè)和控制模塊的輸出端與快速充電模塊的輸入端相 連并控制其開(kāi)啟和關(guān)斷，所述快速充電模塊的輸出端與線性調(diào)節(jié)器的基準(zhǔn)電壓濾波電容相 連接。進(jìn)一步，所述快速充電模塊由一 PM0S開(kāi)關(guān)管和一限流電阻串聯(lián)而成。進(jìn)一步，所述快速充電模塊為一 PM0S開(kāi)關(guān)管。在原有的快速充電模塊中去掉限流電阻，只用一個(gè)PM0S管來(lái)實(shí)現(xiàn)。限流電阻起保 護(hù)電路，并控制啟動(dòng)時(shí)間的作用。進(jìn)一步，所述快速充電模塊為大比例電流鏡，所述大比例電流鏡首先產(chǎn)生一恒定 小電流，然后通過(guò)大比例關(guān)系電流鏡將I放大N倍。如圖5所示，采用大比例的電流鏡來(lái)控制充電電流的大小。在電路中產(chǎn)生一小電流I，通過(guò)大比例關(guān)系的電流鏡將I放大N倍，在啟動(dòng)的時(shí)候， 控制開(kāi)關(guān)的閉合，用該大電流對(duì)濾波電容充電。通過(guò)控制電流鏡的比例，就可以控制充電電 流的大小，從而控制充電的時(shí)間。低噪聲線性調(diào)節(jié)器的快速啟動(dòng)方法，包括以下步驟A、電路上電，基準(zhǔn)電壓V_ref小于閾值電壓V_th，電壓檢測(cè)和控制模塊輸出控制 快速充電模塊開(kāi)啟，快速充電模塊為基準(zhǔn)電壓濾波電容充電，基準(zhǔn)電壓V_ref快速上升；B、當(dāng)基準(zhǔn)電壓V_ref大于閾值電壓V_th，電壓檢測(cè)和控制模塊輸出控制快速充電 模塊關(guān)斷，基準(zhǔn)電壓濾波電容的充電方式改為帶隙基準(zhǔn)電路本身的小電流來(lái)完成。進(jìn)一步，所述閾值電壓產(chǎn)生模塊產(chǎn)生的閾值電壓V_th大于或等于0. 96倍基準(zhǔn)電 SV_ref的終值電壓。本發(fā)明提供的快速啟動(dòng)電路主要由閾值電壓產(chǎn)生模塊、電壓檢測(cè)和控制模塊、快 速充電模塊三部分組成。如圖2所示。在上述的電路中，閾值電壓產(chǎn)生模塊主要產(chǎn)生一個(gè)略小于基準(zhǔn)電壓V_ref且上電 時(shí)快速建立的閾值電壓v_th，閾值電壓V_th和基準(zhǔn)電壓V_ref分別作為電壓檢測(cè)和控制 模塊的輸入信號(hào)，電壓檢測(cè)和控制模塊根據(jù)輸入的V_ref和V_th的電壓值大小關(guān)系產(chǎn)生控 制快速充電模塊開(kāi)啟和關(guān)閉的控制信號(hào)?？焖俪潆娔K的輸出接到V_ref (亦即濾波電容 Cbp的上極板)上。由于采用了上述的技術(shù)解決方案，在LD0剛上電的時(shí)候，由于V_th上升較快而V_ ref上升較慢，所以V_ref < V_th,此時(shí)電壓檢測(cè)和控制模塊產(chǎn)生控制信號(hào)開(kāi)啟快速充電電 路，快速充電電路提供了一個(gè)從電源到電容上極板的較大電流通路對(duì)濾波電容Cbp進(jìn)行充 電，使得被濾波后的基準(zhǔn)電壓很快地上升到接近于穩(wěn)定時(shí)最終電壓值。當(dāng)V_ref上升到大 于V_th的時(shí)候，電壓檢測(cè)和控制模塊產(chǎn)生控制信號(hào)關(guān)閉快速充電模塊，大電流的充電過(guò)程 結(jié)束，基準(zhǔn)產(chǎn)生模塊利用本身的電流對(duì)濾波電容繼續(xù)充電，使得V_ref到達(dá)最終穩(wěn)定的電壓。所以，采用了本發(fā)明的方法之后，LD0的上電過(guò)程可以分為兩個(gè)階段，在上電的初始階 段，采用大電流的充電通路使得LD0的輸出電壓快速上升到接近于最終值；而之后又采用 基準(zhǔn)產(chǎn)生模塊本身的電流充電，使LD0的輸出電壓達(dá)到終值。大大提高了 LD0的上電速度， 節(jié)省了系統(tǒng)的等待時(shí)間。而且當(dāng)LD0上電完成以后，啟動(dòng)電路不影響LD0的正常工作，且不 消耗任何功耗。另外，該發(fā)明中可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的要求，通過(guò)調(diào)整快速充電電流的大小很 容易的調(diào)整LD0的上電時(shí)間。 由于業(yè)界在定義LD0的上電啟動(dòng)時(shí)間的時(shí)候，一般用LD0的輸出電壓Vout從0V上 升達(dá)到最終值的96%所花費(fèi)的時(shí)間來(lái)計(jì)算，所以可以選擇V_th彡0. 96XV_reffinal來(lái)使得 LD0上電的時(shí)候快速的達(dá)到正常的工作狀態(tài)，然后在工作狀態(tài)中慢慢達(dá)到最終的電壓值，這 里 V_reffinal 為 V_ref 的終值。圖3為依據(jù)本發(fā)明的低噪聲線性調(diào)節(jié)器的快速啟動(dòng)電路的實(shí)例示意圖。圖中包含 了一高電源抑制比(PSRR :Power-Supply RejectionRatio)的帶隙基準(zhǔn)電路，閾值電壓產(chǎn) 生模塊集成于該帶隙基準(zhǔn)電路中，閾值電壓^讓通過(guò)V_bandgap的電阻分壓形式得到。電 壓檢測(cè)和控制模塊由一比較器構(gòu)成，這里使用遲滯比較器使得操作更加穩(wěn)定，Ml M6組成 帶使能信號(hào)的緩沖器，用于對(duì)比較器的輸出信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步的整形和緩沖，而快速充電模 塊由一個(gè)PM0S開(kāi)關(guān)M7和一限流電阻Rc構(gòu)成，限流電阻Rc不僅用于保護(hù)電路中的器件不 受大電流的破壞，而且可以方便的調(diào)整線性調(diào)節(jié)器的啟動(dòng)時(shí)間。該電路的具體工作方式如下所述，首先，當(dāng)LD0的啟動(dòng)信號(hào)PWR為低電平的時(shí)候， LD0處于關(guān)斷的工作模式，V_ref與Vout均為0V。當(dāng)系統(tǒng)拉高PWR信號(hào)來(lái)啟動(dòng)LD0的時(shí)候， 帶隙基準(zhǔn)電路開(kāi)始工作，V_ref和V_th慢慢由0V開(kāi)始上升，由于V_ref需要驅(qū)動(dòng)具有很大 RC時(shí)間常數(shù)的濾波器而上升較慢，所以在剛開(kāi)始的時(shí)候，V_ref小于V_th，此時(shí)遲滯比較器 的輸出為低電平，PM0S開(kāi)關(guān)M7導(dǎo)通，開(kāi)啟快速充電電路，大電流I_large通過(guò)PM0S開(kāi)關(guān)M7 和限流電阻Rc對(duì)濾波電容Cbp充電，由于該充電電流較大，所以V_ref快速上升。當(dāng)充電 到V_ref大于V_th的時(shí)候，比較器的輸出發(fā)生翻轉(zhuǎn)，關(guān)斷PM0S開(kāi)關(guān)M7而斷開(kāi)快速充電電 路。對(duì)濾波電容充電改為帶隙基準(zhǔn)電路本身的小電流I_small來(lái)完成，使V_ref最終達(dá)到 穩(wěn)定的終值，從而完成整個(gè)上電的過(guò)程。圖4為該電路工作時(shí)的仿真波形，當(dāng)PWR信號(hào)從低電平被拉高的時(shí)候，剛開(kāi)始電路 工作于1階段，帶隙基準(zhǔn)電路開(kāi)始工作，V_ref和V_th慢慢上升，但是V_ref上升較慢，比 較器的輸出為高電平。接著為階段2，V_th上升到大于V_ref的時(shí)候，比較器輸出變?yōu)榈碗?平，快速充電電路開(kāi)啟，V_ref和Vout快速上升。階段3，當(dāng)V_ref上升到大于V_th的時(shí) 候，比較器輸出翻轉(zhuǎn)，快速充電過(guò)程結(jié)束，V_ref與Vout由快速上升變?yōu)榫徛仙?，最后達(dá) 到穩(wěn)定的最終電壓值，整個(gè)上電啟動(dòng)過(guò)程大約為30us的時(shí)間，大大節(jié)省了時(shí)間。替代方案中模塊劃分不一定與本發(fā)明相同，但是它也許會(huì)通過(guò)不同的方法來(lái)產(chǎn)生 閾值電壓，并根據(jù)閾值電壓與基準(zhǔn)電壓大小來(lái)加快基準(zhǔn)電壓建立時(shí)間。產(chǎn)生閾值電壓的方 法可以通過(guò)電阻分壓、二極管電壓、M0S管分壓等不同的形式得到。以上是對(duì)本發(fā)明的較佳實(shí)施進(jìn)行了具體說(shuō)明，但本發(fā)明創(chuàng)造并不限于所述實(shí)施 例，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不違背本發(fā)明精神的前提下還可作出種種的等同變形或替 換，這些等同的變型或替換均包含在本申請(qǐng)權(quán)利要求所限定的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
低噪聲線性調(diào)節(jié)器的快速啟動(dòng)電路，其特征在于包括一閾值電壓產(chǎn)生模塊，其用于產(chǎn)生一上電快速建立的閾值電壓；一電壓檢測(cè)和控制模塊，所述閾值電壓產(chǎn)生模塊產(chǎn)生的閾值電壓和線性調(diào)節(jié)器的基準(zhǔn)電壓分別作為所述電壓檢測(cè)和控制模塊的輸入信號(hào)，所述電壓檢測(cè)和控制模塊根據(jù)閾值電壓和基準(zhǔn)電壓的大小關(guān)系產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)；一快速充電模塊，所述電壓檢測(cè)和控制模塊的輸出端與快速充電模塊的輸入端相連并控制其開(kāi)啟和關(guān)斷，所述快速充電模塊的輸出端與線性調(diào)節(jié)器的基準(zhǔn)電壓濾波電容相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低噪聲線性調(diào)節(jié)器的快速啟動(dòng)電路，其特征在于所述快速 充電模塊由一 PM0S開(kāi)關(guān)管和一限流電阻串聯(lián)而成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低噪聲線性調(diào)節(jié)器的快速啟動(dòng)電路，其特征在于所述快速 充電模塊為一 PM0S開(kāi)關(guān)管。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低噪聲線性調(diào)節(jié)器的快速啟動(dòng)電路，其特征在于所述快速 充電模塊為大比例電流鏡，所述大比例電流鏡首先產(chǎn)生一恒定小電流，然后通過(guò)大比例關(guān) 系電流鏡將I放大N倍。
5.低噪聲線性調(diào)節(jié)器的快速啟動(dòng)方法，其特征在于包括以下步驟A、電路上電，基準(zhǔn)電壓V_ref小于閾值電壓V_th，電壓檢測(cè)和控制模塊輸出控制快速 充電模塊開(kāi)啟，快速充電模塊為基準(zhǔn)電壓濾波電容充電，基準(zhǔn)電壓V_ref快速上升；B、當(dāng)基準(zhǔn)電壓V_ref大于閾值電壓V_th，電壓檢測(cè)和控制模塊輸出控制快速充電模塊 關(guān)斷，基準(zhǔn)電壓濾波電容的充電方式改為帶隙基準(zhǔn)電路本身的小電流來(lái)完成。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的低噪聲線性調(diào)節(jié)器的快速啟動(dòng)方法，其特征在于所述閾值 電壓產(chǎn)生模塊產(chǎn)生的閾值電壓V_th大于或等于0. 96倍基準(zhǔn)電壓V_ref的終值電壓。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種低噪聲線性調(diào)節(jié)器的快速啟動(dòng)電路及方法，電路包括一閾值電壓產(chǎn)生模塊；一電壓檢測(cè)和控制模塊；一快速充電模塊。方法包括以下步驟A、電路上電，基準(zhǔn)電壓V_ref小于閾值電壓V_th，電壓檢測(cè)和控制模塊輸出控制快速充電模塊開(kāi)啟，快速充電模塊為基準(zhǔn)電壓濾波電容充電，基準(zhǔn)電壓V_ref快速上升；B、當(dāng)基準(zhǔn)電壓V_ref大于閾值電壓V_th，電壓檢測(cè)和控制模塊輸出控制快速充電模塊關(guān)斷，基準(zhǔn)電壓濾波電容的充電方式改為帶隙基準(zhǔn)電路本身的小電流來(lái)完成。本發(fā)明使得線性調(diào)節(jié)器在上電以后能迅速到達(dá)正常工作狀態(tài)，并在工作中調(diào)整到最終輸出電壓值。本發(fā)明作為低噪聲線性調(diào)節(jié)器快速啟動(dòng)電路及方法應(yīng)用于電子系統(tǒng)。
文檔編號(hào)H02M1/36GK101847928SQ20101015155
公開(kāi)日2010年9月29日 申請(qǐng)日期2010年4月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月14日
發(fā)明者張建強(qiáng), 徐肯 申請(qǐng)人:廣州市廣晟微電子有限公司