CN102915061A - 极低静态电流的低压降稳压器 - Google Patents

Abstract

一种极低静态电流的低压降稳压器，包括误差放大电路、输出电路、电压反馈电路和补偿电路；还包括电流反馈装置，该电流反馈装置的输入端V_I接入所述输出电路的输入端，即该电流反馈装置将输出电路输入的电压V_I转换成电流I_O1反馈到所述误差放大电路的接地端，当所述稳压器在重负载时，该反馈电流I_O1增大，则所述误差放大电路接地端的电流也随之增大，提高了该误差放大电路的响应速度；当所述稳压器为轻负载时，该电流反馈装置的反馈电流Io1变小，所述误差放大电路的接地端之偏置电流也减小，使得所述低稳压器的消耗处于静态低电流状态。本发明的有益效果是：采用本发明提出的动态电流反馈的装置后的低压降稳压器在轻负载和睡眠时的静态电流能低于1μA，具有现有其它低压降稳压器无可比拟的技术优势。

Description

极低静态电流的低压降稳压器

技术领域    本发明涉及低压降稳压器，特别是涉及集电电路芯片中的低压降稳压器，尤其是涉及一种极低静态电流的低压降稳压器。

背景技术    随着半导体集成电路的发展，集成电路芯片所用工艺越来越先进，该芯片内部电路所需电源电压与芯片的输入电源电压通常不一致，大部分情况下该芯片内部电路所需电源电压低于芯片的输入电源电压，这就需要在芯片内部集成一低压降稳压器，将芯片的输入电源电压转换成内部其他电路需要的电源电压。此类低压降稳压器在给其他电路提供电源的同时需要自身消耗比较少的电流，特别是在芯片电路的睡眠期，低压降稳压器消耗的电流越低越好。

现有技术低压降稳压器在工作时出于稳定性考虑，通常将其静态电流设计比较大，通常在10μA以上，这么大的静态电流使得该类低压降稳压器在睡眠时不节能。为了达到节能的目的，有的低压降稳压器采用一控制端来控制该低压降稳压器的工作与关闭：芯片工作时通过低压降稳压器的控制端将之开启；芯片睡眠时将低压降稳压器关闭。此类控制端由内部数字电路控制，数字电路所用电源又由低压降稳压器的输出供给。当该数字电路关闭低压降稳压器后，低压降稳压器就不能给该数字电路供电，数字电路没有电源则不能唤醒低压降稳压器，这样低压降稳压器在睡眠和唤醒状态之间存在一自锁机制，如何打破这一自锁机制是一件很复杂的事情，需要为此设计很多控制电路，当控制电路设计不好就会造成解锁失败；而且低压降稳压器关闭后，记忆在数字电路中的状态均会丢失，唤醒后这些状态又需要重新设定。

发明内容    本发明要解决的技术问题在于避免上述现有技术的不足之处而提供一种极低静态电流的低压降稳压器，解决现有技术低压降稳压器睡眠或轻负载时功耗大的问题。

本发明解决所述技术问题是通过采用以下技术方案来实现，设计一种极低静态电流的低压降稳压器，包括误差放大电路、输出电路、电压反馈电路和补偿电路；所述误差放大电路将参考电压V_ref与电压反馈电路送来的反馈电压V_fb之差值放大送至所述输出电路的输入端；所述电压反馈电路是将输出电路的输出电压V_out反馈至误差放大电路中；所述补偿电路跨接在所述误差放大电路的输出端和所述输出电路的输出端之间；特别是，还包括电流反馈装置，该电流反馈装置的输入端V_I连接所述输出电路的输入端，即该电流反馈装置将输出电路输入的电压V_I转换成电流I_O1反馈到所述误差放大电路的接地端，当所述稳压器在重负载时，该反馈电流I _O1增大，则所述误差放大电路接地端的电流也随之增大，提高了该误差放大电路的响应速度；当所述稳压器为轻负载时，该电流反馈装置的反馈电流I _O1变小，所述误差放大电路的接地端之偏置电流也减小，使得所述低压降稳压器的消耗处于静态低电流状态。 

       所述低压降稳压器还包括缓冲电路，该缓冲电路串联在所述误差放大电路和输出电路之间；该缓冲电路将所述误差放大电路输出的电压进行平移或/和跟随处理后送至输出电路的输入端；所述电流反馈装置的输出端输送反馈电流I_O2至该缓冲电路的接地端。

    所述电流反馈装置包括电压/电流转换器和电流镜；所述电压/电流转换器的输入端V_I连接在所述输出电路的输入端，即将该输出电路的输入端电压V_I转换为电流，再送至与该电压/电流转换器相连接的电流镜的输入端I_in，经电流镜复制出电流I_O1、I_O2。

    所述电压/电流转器包括电阻R4和P型MOS场效应晶体管Q₂，所述电阻R₄跨接在所述低压降稳压器的电源V_IN与场效应晶体管Q₂的源极之间；所述场效应晶体管Q₂的栅极和漏极分别四连接所述电压/电流转器的输入端V_I和输出端I_O。

       所述电流镜包括N型MOS场效应晶体管Q3、Q4和Q5；所述各场效应晶体管Q3、Q4和Q5的源极并联接地，所述场效应晶体管Q3的栅极与漏极连接且与所述电压/电流转换器输出端I_O连接；所述场效应晶体管Q4、Q5组成镜像装置，两者栅极并联，并再连接所述场效应晶体管Q3的栅级；所述镜像装置将输入电流I_in分别按比例复制并再分配给电流镜的输出端口I_O1、或/和I_O2，电流I_in再分配比例由所述场效应晶体管Q4、Q5与Q3的尺寸比例决定。

        所述误差放大电路运放1的接地端经由一偏置电流源I₁接地，令所述偏置电流源I₁流出端接地；所述电流反馈装置输出的反馈电流I_O1送至所述电流源I₁的流入端。

    所述缓冲电路的运放2的接地端经由一偏置电流源I₂接地，令所述偏置电流源I₂流出端接地；所述电流反馈装置输出的反馈电流I_O2送到所述电流源I₂的流入端。

同现有技术相比较，本发明的有益效果在于：提出了一种动态电流反馈装置的实现方法，该装置实时监测低压降稳压器的输出电流，根据输出电流的大小调节低压降稳压器的偏置电流，达到既在重负载情况下驱动能力很强，又在轻负载或睡眠时静态电流极低，非常节能；而且低压降稳压器无需睡眠/唤醒的控制端，不存在现有技术低压降稳压器的睡眠/唤醒的自锁问题；由于低压降稳压器一直工作，其输出电流一直存在，因而记忆在数字电路中的状态也不会丢失。与现有其它低压降稳压器相比，采用本发明提出的动态电流反馈装置后的低压降稳压器在轻负载和睡眠时的静态电流能低于1μA，具有现有其它低压降稳压器无可比拟的技术优势。

附图说明    图1是本发明极低静态电流的低压降稳压器之优选实施例的逻辑结构示意图；

            图2 是所述电流反馈装置60优选实施例一电原理图；

            图3是所述电流反馈装置60优选实施例二电原理图；

            图4 是所述优选实施例中电流反馈装置60的逻辑结构示意图；

            图5 是所述优选实施例中电压转换器61的电路示意图；

            图6是所述优选实施例中电流镜62的电路示意图。

具体实施方式  下面，结合附图所示之优选实施例进一步阐述本发明。

参阅图1至2，本发明的优选实施例一是，一种极低静态电流的低压降稳压器，包括误差放大电路10、输出电路30、电压反馈电路40和补偿电路50；所述误差放大电路10将参考电压V_ref与电压反馈电路40送来的反馈电压V_fb之差值放大送至所述输出电路30的输入端；所述电压反馈电路40是将输出电路30的输出电压V_out反馈至误差放大电路10中；所述补偿电路50跨接在所述误差放大电路10的输出端和所述输出电路30的输出端之间；还包括电流反馈装置60和缓冲电路20，该缓冲电路20串联在所述误差放大电路10和输出电路30之间；该缓冲电路20将所述误差放大电路10输出的电压进行平移或/和跟随处理后送至输出电路30的输入端；所述电流反馈装置60的输入端V_I接入所述输出电路30的输入端，电流反馈装置60的输出端输送反馈电流I_O1和I_O2分别送至所述误差放大电路10和缓冲电路20的接地端；当所述稳压器在重负载时，该反馈电流I_O1和I_O2增大，则所述误差放大电路10和缓冲电路20各自接地端的电流也随之增大，从而提高了该误差放大电路10和缓冲电路20的响应速度；当所述稳压器为轻负载时，该电流反馈装置60的反馈电流I_O1和I_O2变小，所述误差放大电路10和缓冲电路20的接地端之偏置电流也减小，使得所述低稳压器的消耗处于静态低电流状态。

结合图2、图4至图6所示，优选实施例中各电路构件的功能分述如下：

所述误差放大电路10的运放1的接地端经由一偏置电流源I₁接地，即所述偏置电流源I₁的流出端接地，其注入端通过线网n3连接至运放1的地端；该偏置电流源I₁给运放1提供最基本的偏置电流，确保运放1在低压降稳压器处于轻负载或睡眠时仍能工作。所述反馈电流装置60输送的反馈电流I_O1送至所述电流源I₁的流入端。

所述缓冲电路20的运放2的接地端经由一偏置电流源I₂接地，即所述偏置电流源I₂流出端接地，其流入端通过线网n2连接至运放2的地端，给运放2提供最基本的偏置电流，确保运放2在低压降稳压器处于轻负载或睡眠时仍能工作。所述反馈电流装置60输出的反馈电流I _O2送至所述电流源I₂的注入端。

运放1为误差放大器，其负输入端接参考电源V_ref，正输入端通过线网n5接电阻R₁、R₂组成的电压反馈电路50的输出。运放1将反馈电压V_fb与V_ref的差值进行同向放大得出误差校正电压，然后将误差校正电压传递给缓冲电路20的运放2。运放2为缓冲器，其将运放1输出的误差校正电压进行电压跟随，必要时也可先进行电压平移再作电压跟随，然后通过线网n1输出至输出电路30中输出功率晶体管Q₁的栅极。运放2的输出驱动能力比较强，比运放1的输出驱动动能力大一个数量级或以上，输出功率晶体管Q₁的栅极电容比较大，运放2的输入端寄生电容比较小，这样运放2隔离了运放1直接驱动大容性负载的情况，大大提高了运放1的高频响应能力，而运放2因本身驱动能力比较强，在即使驱动输出功率晶体管Q₁的栅极电容的情况下其频率响应仍比运放1快若干倍。

输出功率晶体管Q₁采用PMOS（P型金属-氧化物半导体），其栅极接运放2的输出，源极接电源V_In，漏极接低压降稳压器的输出V_out。电压反馈电路50由分压电阻R₁、R₂组成，将V_out的电压按比例反馈至运放1的正输入端。由图2可知，运放1的输出电压变化与低压降稳压器的输出V_out的电压变化是同向关系，运放2的输出电压变化与运放1的输出电压变化是同向关系，而输出功率晶体管Q₁的漏极电压变化与栅极电压变化是反向关系，故该低压降稳压器的电压反馈环路为负反馈，低压降稳压器能实时校正其输出电压V_out，使得输出电压V_out保持与参考电压V_ref恒定的电压比例关系。

将输出功率晶体管Q₁的尺寸设计的比较大，因而驱动能力很强，使得无论负载为重负载（负载电阻R_L阻值小）还是轻负载（负载电阻R_L阻值大），输出电压V_out均保持基本恒定，误差不会太大。

电流反馈装置60通过线网n1采样输出功率晶体管Q₁的栅极电压，并将电压转换为电流，其一股输出电流I_O2通过线网n2连接至运放2的地端，另一股输出电流I_O1通过线网n3连接至运放1的地端。当该低压降稳压器的负载变重时，输出电压V_out会略变低，通过电压负反馈环路使得功率晶体管Q₁的栅电压变低，同时功率晶体管Q₁的输出电流增大，抵制输出电压V_out变低，同时因功率晶体管Q₁的栅极电压变低，电流反馈装置的输出电流变大，提高了运放1和运放2的偏置电流，从而提高了运放1和运放2的响应速度，整个系统的响应速度也随之增加了。反之，当该低压降稳压器的负载变轻时，功率晶体管Q₁的栅电压变高，电流反馈装置的输出电流变小，将运放1和运放2的偏置电流减小，整个系统的消耗的静态电流变小，从而实现了低压降稳压器在重负载时响应速度快，在轻负载时静态电流低，且无需增加低压降稳压器的控制端口。电流反馈装置的加入，使得低压降稳压器既节能又高效，是一种简单高效装置。

图3中电阻R₃和电容C₂构成一种稳定性补偿电路40，电容C₂的一端接输出电压V_out，另一端接电阻R₃，电阻R₃的另一端通过线网n4接运放1的输出。电阻R₃和电容C₂的作用是在系统重负载时补偿运放1的输出极点，使得运放1的输出极点的输出极点为第一次要极点，同时极点落在由电容C₁和电阻R_e-s构成的零点附近，互相靠近的极点和零点形成偶极子，在频域的作用互相抵消。电容C₁为输出电压V_out的稳定电容，同时又使系统的主极点落在输出级，电阻R_e-s为电容C₁的等效串联电阻，电阻R_e-s和电容C₁共同组成输出电压稳定电路。电阻R_L为负载。

请参阅图4所示，为本发明图3中电流反馈装置60的一种实现功能框图。电流反馈装置60包括两部分装置：一部分装置为电压/电流转换器61，其将从电流反馈装置的端口V_I的电压转换为电流I_o并输出给另一部分装置电流镜62；电流镜61将输入电流I_in复制并再分配并分别输出至电流反馈装置60的端口I_O1和I_O2。

请参阅图5所示，是本发明图3中电压/电流转换器60的一种具体电路实施方式，其由两个元件组成：电阻R₄和PMOS管Q₂。电阻R₄的一端接电源V_In，另一端接PMOS管Q₂的源极，PMOS管Q₂的栅极和漏极分别接电压/电流转换器的端口V_I和I_O。电阻R₄充当限流装置的功能，在PMOS管Q₂的漏极电流比较小时，电阻R₄几乎不起作用，可以当作导线将其忽略，此时PMOS管Q₂的漏极电流由其跨导gm₂决定，漏极电流Id₂≈gm₂*Vgs₂，Vgs₂为PMOS管Q₂的栅源电压差；在PMOS管Q₂的漏极电流比较大时，电阻R₄起到负反馈的作用，限制PMOS管Q₂的漏极电流的增长，此时PMOS管Q₂的漏极电流由其跨导Gm₂决定，Gm₂的公式为：

gmb₂为PMOS管Q₂的漏极与衬底的跨导

该PMOS管Q₂的漏极电流Id₂≈Gm₂*Vgs₂，由于R₄的加入，使得PMOS管Q₂在大电流时gm₂对漏极电流的作用被弱化，限制了漏极电流无限增大，最终限制了电压/电流转换器的最大输出电流。输出电流I_O=-Id₂，所以PMOS管Q₂的栅极电压变低时，输出电流I_O变大；反之则反之。

请参阅图6所示，为本发明图4中电流镜62的一种具体电路实施方式，其包括元件：NMOS管Q₃、Q₄、Q₅。NMOS管Q₃接受电流镜的端口I_in的输入电流，并通过由NMOS管Q₄、Q₅组成的镜像装置将电流分别按一定比例复制并再分配给电流镜的输出端口I_O1和I_O2，电流再分配比例由NMOS管Q₄和Q₅与Q₃的尺寸比例决定。图中只标示出两路输出电流的情况，依据本发明，输出一路或两路以上电流也是可以的；图中只使用了单个MOS来制作电流镜，依据本发明，很容易设计成MOS级联的方式来制作电流镜。这些均属于本专利的保护范畴。

参考图1和3，本发明的优选实施例二与实例一所不同之处在于，所述极低静态电流的低压降稳压器中没有缓冲器20，电流反馈装置60的输入端V_I接入所述输出电路30的输入端，即该电流反馈装置60将输出电路30输入的电压V_I转换成电流I_O1反馈到所述误差放大电路10的接地端，当所述稳压器在重负载时，该反馈电流I_O1增大，则所述误差放大电路10接地端的电流也随之增大，即而提高了该误差放大电路10响应速度；当所述稳压器为轻负载时，该电流反馈装置60的反馈电流I_O1变小，所述误差放大电路10的接地端之偏置电流也减小，使得所述低稳压器的消耗处于静态低电流状态。 

本例中电流反馈装置60的实施电路均可采用实例一中的方案，只是电流镜62只使用了单个MOS来制作电流镜即可，这对对于本技术领域的普通技术人员结合实施例一是很显而易见的，此处不赘述。

Claims (7)

1.一种极低静态电流的低压降稳压器，包括误差放大电路（10）、输出电路（30）、电压反馈电路（40）和补偿电路（50）；所述误差放大电路（10）将参考电压V_ref与电压反馈电路（40）送来的反馈电压V_fb之差值放大送至所述输出电路（30）的输入端；所述电压反馈电路（40）是将输出电路(30)的输出电压V_out反馈至误差放大电路（10）中；所述补偿电路（50）跨接在所述误差放大电路（10）的输出端和所述输出电路（30）的输出端之间；其特征在于：还包括电流反馈装置（60），该电流反馈装置（60）的输入端V_I连接所述输出电路（30）的输入端，即该电流反馈装置（60）将输出电路（30）输入的电压V_I转换成电流I_O1反馈到所述误差放大电路（10）的接地端，当所述稳压器在重负载时，该反馈电流I_O1增大，则所述误差放大电路（10）接地端的电流也随之增大，提高了该误差放大电路（10）的响应速度；当所述稳压器为轻负载时，该电流反馈装置（60）的反馈电流I _O1变小，所述误差放大电路（10）的接地端之偏置电流也减小，使得所述低压降稳压器的消耗处于静态低电流状态。

2.按照权利要求1所述的极低静态电流的低压降稳压器，其特征在于：

       还包括缓冲电路（20），该缓冲电路（20）串联在所述误差放大电路（10）和输出电路（30）之间；该缓冲电路（20）将所述误差放大电路（10）输出的电压进行平移或/和跟随处理后送至输出电路（30）的输入端；所述电流反馈装置（60）的输出端输送反馈电流I_O2至该缓冲电路（20）的接地端。

3.按照权利要求1或2所述的极低静态电流的低压降稳压器，其特征在于：

     所述电流反馈装置（60）包括电压/电流转换器（61）和电流镜（62）；所述电压/电流转换器（61）的输入端V_I连接在所述输出电路（30）的输入端，即将所述输出电路（30）的输入端电压V_I转换为电流，再送至与该电压/电流转换器（61）相连接的电流镜（62）的输入端I_in，经电流镜（62）复制出电流（I_O1、I_O2）。

4.按照权利要求3所述的极低静态电流的低压降稳压器，其特征在于：

     所述电压/电流转器（61）包括电阻R4和P型MOS场效应晶体管Q₂，所述电阻R₄跨接在所述低压降稳压器的电源V_IN与场效应晶体管Q₂的源极之间；所述场效应晶体管Q₂的栅极和漏极分别连接所述电压/电流转换器（61）的输入端V_I和输出端I_O。

5.按照权利要求3所述的极低静态电流的低压降稳压器，其特征在于：

       所述电流镜（62）包括N型MOS场效应晶体管Q₃、Q₄和Q₅；所述各场效应晶体管Q₃、Q₄和Q₅的源极并联接地，所述场效应晶体管Q₃的栅极与漏极连接且与所述电压/电流转换器（61）输出端I_O连接；所述场效应晶体管Q₄、Q₅组成的镜像装置，两者栅极并联，并再连接所述场效应晶体管Q₃的栅级；所述镜像装置将输入电流I_in分别按比例复制并再分配给电流镜的输出端口I_O1或/和I_O2，电流I_in再分配比例由所述场效应晶体管Q₄、Q₅与Q₃的尺寸比例决定。

6.按照权利要求1或2所述的极低静态电流的低压降稳压器，其特征在于：

       所述误差放大电路（10）运放1的接地端经由一偏置电流源I₁接地，即所述偏置电流源I₁流出端接地；所述电流反馈装置（60）输出的反馈电流I _O1送到所述电流源I₁的注入端。

7.按照权利要求2所述的极低静态电流的低压降稳压器，其特征在于：

       所述缓冲电路（20）的运放2的接地端经由一偏置电流源I₂接地，即所述偏置电流源I₂流出端接地；所述电流反馈装置（60）输出的反馈电流I _O2送到所述电流源I₂的注入端。

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