[发明专利]一种基于自供电电荷泵架构的NMOS LDO

说明书

本发明属于模拟电路电源管理技术领域，具体涉及一种基于自供电电荷泵架构的NMOS LDO。本发明通过在LDO输出加入一股与输出电压有关的交流电流，在环路上引入一个额外零点，保证了这种LDO有足够的相位裕度，不会发生振荡。其次，自供电电荷泵结构，利用LDO自身产生的输出电压作为电荷泵输入信号，从而建立LDO功率管栅极信号。最后，LDO的输出作为带隙误差放大器的供电电源，避免了在高压器件的使用，从而保证了环路调整的性能。

技术领域

本发明属于模拟电路电源管理技术领域，具体涉及一种基于自供电电荷泵架构的NMOS LDO。

背景技术

在电源管理电路领域，低压差线性稳压器(LDO)是非常重要的一个模块，常用于DC-DC 芯片的内部供电，或者直接对片外供电。它的作用为将一个高电压转换为一个较低的电压，并且随着负载的变化，自动调节功率管的输出电流，使得输出电压保持在一个稳定的值。在输入输出电压差别不大的情况下，LDO有着较高的转换效率以及较高的电源抑制比。

LDO根据使用的功率管的不同可以分为PMOS LDO和NMOS LDO。PMOS LDO是较常用的一种结构，因为功率管的栅源电压可以在输入电压和地电位之间调整，PMOS LDO不需要额外的辅助电路，其主环路就可以正常工作。与之相比，采用NMOS功率管的LDO为了保证输入输出压差较小时功率管依然有一定的栅源电压，需要额外加入电荷泵电路，使得功率管栅端电压高于输入电压。尽管需要额外的电路，NMOS LDO与PMOS LDO相比有更快的瞬态响应速度，较大的负载能力，以及更好的线性调整率，所以在大功率高可靠性芯片中有一席之地。为了尽可能减小LDO的导通损耗，其功率管的尺寸一般都越大越好。但随着功率管尺寸的增大，功率管栅端节点的寄生电容会随之增大，产生电路的次极点。当功率管尺寸较大时，这个次极点在LDO工作在重载情况下时往往会很接近于主极点。由于NMOS LDO 的功率管级没有增益，所以无法通过在功率管级跨接米勒电容的方式来保证环路稳定性。如何使得NMOS LDO环路保持稳定是一个问题。如果是采用普通运算放大器对LDO输出电压进行钳位的结构，可以从运放下手解决这个问题，但是对于采用带隙运放的自带基准电压的 LDO而言，这种方法是不可行的。NMOS LDO环路的稳定方法还是一个有继续研究潜力的方向。

发明内容

本发明的目的是为了解决采用NMOS的LDMOS作为功率管时，LDO环路中两个极点过于靠近引起振荡的问题。通过在LDO输出加入一股与输出电压有关的交流电流，在环路上引入一个额外零点，保证了这种LDO有足够的相位裕度，不会发生振荡。其次，自供电电荷泵结构，利用LDO自身产生的输出电压作为电荷泵输入信号，从而建立LDO功率管栅极信号。最后，LDO的输出作为带隙误差放大器的供电电源，避免了在高压器件的使用，从而保证了环路调整的性能。

本发明的技术方案是：一种基于自供电电荷泵架构的NMOS LDO，其电路包括启动电路、带隙基准运算放大器(包括一个带隙基准源)、LDNMOS功率管、分压电阻、零点补偿电路以及电荷泵电路。启动电路在电源从零上升时对内部电路充电，防止整个电路停留在初始状态；带隙运算放大器用于对LDO输出电压值与内部带隙基准电压值的差值进行放大，在整个环路中起到钳位LDO输出电压的作用；LDNMOS功率管提供负载电流，环路在负载变化时对其调整，使LDO输出电压维持在一个相对固定的值；分压电阻用于对LDO输出分压，使分压点与内部基准电压保持一致，从而决定LDO输出电压值；零点补偿电路通过在LDO输出端引入一股额外的交流电流，在环路上产生一个额外的零点，保证了环路的稳定性。电荷泵电路用于将LDO的输出抬高数倍，作为功率管的栅端电压，保证功率管在输入-输出压差较小时不会截止。

具体的所述启动支路包括：电阻R5、R6和与其串联的二极管D1；R5作为从输入节点向LDO输出节点启动充电的通路，R5上端接外部输入电压VDD，下端接LDO的输出节点VLDO5V。R6作为从输入节点向功率管栅端启动充电通路，R6上端接外部输入电压VDD，下端接二极管D1的正端。D1作为防倒灌保护二极管，D1正端接R6下端，负端接功率管栅端。