双回路线性稳压器及其稳定度补偿电路与控制方法与流程

本发明涉及一种双回路线性稳压器，特别涉及一种可快速响应负载电流变化以缩短瞬时响应时间的双回路线性稳压器。本发明还涉及双回路线性稳压器的稳定度补偿电路与控制方法。

背景技术：

1、图1显示一种现有技术线性稳压器100的示意图。线性稳压器100包含输出功率开关qout、输出电容cout、反馈电路111以及增益级112。其中，反馈电路111提供输出电压vout的分压，以负反馈的方式提供反馈信号给增益级112。增益级112放大参考电压vref与反馈信号的差值以调节输出电压vout，并供应负载电流iload给负载电路10。现有技术线性稳压器100中，输出端nout具有第一极点p1，主要由输出电容cout及输出端nout的输出电阻产生；输出功率开关qout的控制端nctl具有第二极点p2，主要由输出功率开关qout的基极端对地的寄生电容及基极的输出电阻产生；增益级112具有第三极点p3，主要由与增益级112耦接的增益电容cgn及增益级112的输出电阻产生。

2、一般现有技术高功率的线性稳压器，常使用独立于增益级112所在的集成电路芯片之外的双极性晶体管作为输出功率开关qout。由于独立的双极性晶体管一般在如图1所示的第一极点p1和第二极点p2都具有较大的时间常数，且在波德图(bode plot)中位置相近。所以，为了保持线性稳压器100的系统稳定度，需要以相较于第一极点p1和第二极点p2具有更高的时间常数的第三极点p3(主极点)来确保系统的稳定性。其中，第一极点p1与负载的需求有关，负载的需求决定输出电容cout的大小，一般而言，由高功率的线性稳压器100所驱动的负载电路10的负载电流iload(是指负载电流可达到数百毫安以上)相对于一般非高功率的线性稳压器较高，因此输出电容较大，第一极点p1的时间常数也相对较高。第二极点p2位于输出功率开关qout基极，为了考虑功率与电流的需要，电阻rd相对较高，因此第二极点p2的时间常数也相对较高。

3、为了线性稳压器100在正常操作时的稳定性，第三极点p3要提供相对于第一极点p1和第二极点p2更高的时间常数，就需要在增益级112所在的集成电路芯片中，提供相对非常大的面积以放置增益电容cgn来实现更高的时间常数。然而，要使第三极点p3具有相对较高的时间常数，会大幅增加线性稳压器100的瞬时反应时间，造成负载反应时间过慢，产生严重的过冲电压和下冲电压，进而降低线性稳压器100的操作效能，并导致线性稳压器100损坏。

4、为了改善以上缺点，图2显示美国专利申请案us 2020/0225689 a1的双回路线性稳压器200。如图2所示的双回路线性稳压器200，相较于现有技术双回路线性稳压器100，还增加一个内部回路(inner loop)来加速负载电流瞬变时的反应，但由于此现有技术仍然从输出电压vout产生反馈信号提供给内部回路，所以无法有效解决输出级的相近的主极点问题，且外部回路(outer loop)无法实现大电容值来确保系统稳定，所以此现有技术无法解决稳定度低和负载反应时间过久的问题。

5、相较于前述的现有技术，本发明提出一种根据输出功率开关的控制端的控制电压而适应性反馈调节控制电压，以快速响应负载电流变化，进而缩短瞬时响应时间的双回路线性稳压器及其稳定度补偿电路与控制方法。

技术实现思路

1、就其中一个观点言，本发明提供了一种双回路线性稳压器，用以根据一参考电压，而转换一输入电压并于一输出端产生一输出电压，并调节该输出电压于一目标位准，其中该输出端具有一第一极点，该双回路线性稳压器包含：一输出功率开关，包括一控制端，其中该控制端接收一控制电压而操作该输出功率开关，以产生该输出电压，且该控制端具有一第二极点；一外部回路电路，包括：一外部反馈电路，用以根据该输出电压产生一外部反馈电压；以及一主增益级，用以放大该参考电压与该外部反馈电压的差值，以产生一主增益电压，进而调节该输出电压至该目标位准；其中该主增益级具有一外部回路电容，用以提供一第三极点；以及一内部回路电路，耦接于该主增益级与该控制端之间，包括：一内部反馈电路，用以根据该控制电压产生一内部反馈电压；以及一快速增益级，用以放大该主增益电压与该内部反馈电压的差值，而于该控制端产生该控制电压；其中该第三极点的一第三极点频率低于该第一极点的一第一极点频率与该第二极点的一第二极点频率至一程度，使得该双回路线性稳压器于一正常操作模式中趋于稳定，且该双回路线性稳压器的相位余裕大于一预设角度，且其带宽大于一预设频率。

2、就另一个观点言，本发明也提供了一种双回路线性稳压器的稳定度补偿电路，用于控制该双回路线性稳压器的一输出功率开关，以根据一参考电压，而转换一输入电压并于一输出端产生一输出电压，并调节该输出电压于一目标位准，其中该输出端具有一第一极点，该输出功率开关，包括一控制端，其中该控制端接收一控制电压而操作该输出功率开关，以产生该输出电压，且该控制端具有一第二极点，该双回路线性稳压器的稳定度补偿电路包含：一外部回路电路，包括：一外部反馈电路，用以根据该输出电压产生一外部反馈电压；以及一主增益级，用以放大该参考电压与该外部反馈电压的差值，以产生一主增益电压，进而调节该输出电压至该目标位准；其中该主增益级具有一外部回路电容，用以提供一第三极点；以及一内部回路电路，耦接于该主增益级与该控制端之间，包括：一内部反馈电路，用以根据该控制电压产生一内部反馈电压；以及一快速增益级，用以放大该主增益电压与该内部反馈电压的差值，而于该控制端产生该控制电压；其中该第三极点的一第三极点频率低于该第一极点的一第一极点频率与该第二极点的一第二极点频率至一程度，使得该双回路线性稳压器于一正常操作模式中趋于稳定，且该双回路线性稳压器的相位余裕大于一预设角度，且其带宽大于一预设频率。

3、就另一个观点言，本发明也提供了一种双回路线性稳压器的控制方法，用于控制该双回路线性稳压器的一输出功率开关，以根据一参考电压，而转换一输入电压并于一输出端产生一输出电压，并调节该输出电压于一目标位准，其中该输出端具有一第一极点，该输出功率开关，包括一控制端，其中该控制端接收一控制电压而操作该输出功率开关，以产生该输出电压，且该控制端具有一第二极点，该双回路线性稳压器的控制方法包含：提供一外部回路电路，其中该外部回路电路的一外部回路电路控制方法包括：根据该输出电压产生一外部反馈电压；放大该参考电压与该外部反馈电压的差值，以产生一主增益电压，进而调节该输出电压至该目标位准；以及以一外部回路电容提供一第三极点于该外部回路电路中；以及提供一内部回路电路耦接于该外部回路电路的一主增益级与该控制端之间，其中该内部回路电路的一内部回路控制方法包括：根据该控制电压产生一内部反馈电压；以及放大该主增益电压与该内部反馈电压的差值，而于该控制端产生该控制电压；其中该第三极点的一第三极点频率低于该第一极点的一第一极点频率与该第二极点的一第二极点频率至一程度，使得该双回路线性稳压器于一正常操作模式中趋于稳定，且该双回路线性稳压器的相位余裕大于一预设角度，且其带宽大于一预设频率。

4、在一实施例中，该输出功率开关包括一双极结型晶体管(bipolar junctiontransistor，bjt)、一绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistor，igbt)或一横向扩散金氧半场效晶体管(lateral diffused mosfet，ldmos)。

5、在一实施例中，该输出功率开关形成一源极随耦器(source follower)或一射极随耦器(emitter follower)。

6、在一实施例中，该外部回路电路与该内部回路电路组成一稳定度补偿电路，且该主增益级、该外部回路电容与该快速增益级完全封装于一集成电路芯片内。

7、在一实施例中，该外部回路电容包括一切换式电容(switched capacitor)。

8、在一实施例中，该主增益级的增益高于该快速增益级的增益。

9、在一实施例中，该快速增益级包括：一快速放大器，用以放大该主增益电压与该内部反馈电压的差值，以产生一快速放大电压；一快速功率开关，由该快速放大电压所操作，而产生一快速导通信号；以及一驱动功率开关，用以接收该快速导通信号，而产生该控制电压。

10、在一实施例中，该外部回路电路还包括：一主放大器，用以放大该参考电压与该外部反馈电压的差值，以产生一主放大电压；一主功率开关，由该主放大电压经过该外部回路电容滤波后的一滤波电压所操作，以产生一主导通信号；以及一转换电路，用以转换该主导通信号，而产生该主增益电压。

11、在一实施例中，该转换电路包括一电流镜电路，且该主导通信号包括一主导通电流，该电流镜电路镜射该主导通电流流经一转换电阻，而产生该主增益电压。

12、以下通过具体实施例详加说明，会更容易了解本发明的目的、技术内容、特点及其所实现的效果。