CN103336546B

CN103336546B - 双高电源电压输入下具有限流保护的低压差稳压电路

Info

Publication number: CN103336546B
Application number: CN201310305161.7A
Authority: CN
Inventors: 李凡阳
Original assignee: Fuzhou University
Current assignee: Fuzhou University
Priority date: 2013-07-20
Filing date: 2013-07-20
Publication date: 2015-07-22
Anticipated expiration: 2033-07-20
Also published as: CN103336546A

Abstract

本发明涉及一种双高电源电压输入下具有限流保护的低压差稳压电路，包括：电源MOS开关，基准电源，限流误差放大电路，限流控制电路，反向电流保护电路，输出MOS开关，反馈电阻网络和MOS调整管。限流误差放大电路和限流控制电路决定此稳压电路的限流功能：在非限流状态下时，限流误差放大电路无使能信号输出，限流控制电路没有启动；在限流状态下时，限流误差放大器进行限流保护并输出使能信号，限流控制电路启动，输出脉宽整形调制信号，以控制稳压电路的电流输出。本发明适用于卫星机顶盒的天线电源系统，实现了高电源电压输入下的低压差稳压电路的有效限流保护功能。

Description

双高电源电压输入下具有限流保护的低压差稳压电路

技术领域

本发明涉及稳压电路设计技术领域，特别是一种适用于卫星机顶盒天线电源系统，工作于双高电源电压输入下具有限流保护的低压差稳压电路。

背景技术

随着卫星机顶盒天线系统电路对接收信号的噪声指标要求越来越高，高压电源管理芯片成为工业界研究的热点。

高压电源低压差线性稳压管理芯片通常可等效为一个较为理想的电压源对天线系统模块供电：即理想电压源串上一个很小的电阻。但系统对电源管理芯片的输出的电流量级要求非常高，同时电路的输出端容易出现短路和过载的现象，所以必须在超过所设定的输出电流值时，对电源进行保护。而这个设定值通常情况下不受工艺温度和电源的影响，这对低压差线性稳压电源管理的设计提出了非常苛刻的要求。所以具有限流保护的线性稳压电源管理的设计成为了设计电源管理电路芯片的关键，尤其在高压输入的情况下。

目前国际上低压差限流保护的线性稳压电源管理芯片系统设计主要可分为低压差稳压电源（通过误差运放的检测输出电平控制输出电压电平）、调整管层叠结构（用调整管层叠结构控制输出电压电平）以及电荷泵稳压电源（通过电荷泵充放电控制MOS调整管跨导以控制输出电压电平）。以上电源管理系统芯片在各种电子产品的电源管理模块获得广泛的应用。但层叠结构的缺点在于受到压差的限制，特别在需要低功耗的情况下。低压差和电荷泵稳压电源的优点在于输出电压信号的噪声小、纹波及功耗较小。但以上两者的难点在于在高电源电压输入情况下需要具有限流保护且自恢复的功能，而在高电源电压输入情况下，传统的限流保护结构会出现压差过大以至芯片自身功耗太大，乃至烧坏的情况。而高电源电压输入情况下对于限流保护的功能要求非常高。因此，这给高电源电压输入下的电源管理芯片系统电路的设计提出了挑战。

发明内容

本发明的目的在于提供一种双高电源电压输入下具有限流保护的低压差稳压电路，该电路可以在高电源电源输入下对低压差稳压电路实现限流保护。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种双高电源电压输入下具有限流保护的低压差稳压电路，包括：

电源MOS开关，所述电源MOS开关的两输入端分别与不同的高电源电压相连，输出端连接稳压电路内部模块的电源线，用于选择其中一个高电源电压作为稳压电路内部模块的输入电源；

基准电路，所述基准电路的输出端同限流误差放大器一输入端相连，用于产生一个与温度、电压和工艺无关的参考电平；

限流误差放大电路，所述限流误差放大电路的两输入端分别与基准电路和反馈电阻网络相连，用于对输出电平进行监控调整并输出限流使能信号；

限流控制电路，所述限流控制电路的输入端与限流误差放大电路的限流使能信号输出端相连，用于输出脉宽整形调制信号，作用于输出MOS开关栅极，控制输出MOS开关的关断和导通；

反向电流保护电路，所述反向电流保护电路的两输入端分别与稳压电路内部模块的电源线和输出MOS开关的输出端相连，用于输出逻辑信号，作用于输出MOS开关栅极，控制输出MOS开关的关断和导通；

输出MOS开关，所述输出MOS开关的输入端同限流误差放大器的输出端相连，用于在限流情况下控制输出电流的导通与关断。

进一步的，所述限流误差放大电路通过运放amp和输出管Q1组成误差运放的内部限流反馈电路，实现无限流状态下的内部限流反馈切断和限流状态下的内部限流反馈锁定，同时与输出电平进行或运算输出限流使能信号。

进一步的，所述限流控制电路采用计数电路与脉宽调制电路级联形式，与比较器组成脉宽调制电路，以输出脉宽整形调制信号，作用于输出MOS开关。

本发明的有益效果是提供了一种工作于双高电源电压输入下具有限流保护的低压差稳压电路，该电路可以应用于卫星机顶盒上的天线电源系统，其在保持低压差稳压电源输出电压信号噪声小、纹波小的基础上，利用限流保护误差放大器的限流和输出限流使能信号功能，以及限流控制电路输出脉宽整形信号的功能，有效地解决了其在高电源电压输入下输出端发生短路和过载情况下需要限流保护的问题，在高电源电源输入下对电源系统进行限流保护，具有很强的实用性和广阔的应用前景。

附图说明

图1是本发明实施例的低压差稳压电路的示意图。

图中，1-电源MOS开关，2-基准电路，3-限流误差放大电路，4-限流控制电路，5-反向电流保护电路，6-输出MOS开关，7-反馈电阻网络，8-调整管。

图2是本发明实施例的低压差稳压电路中的限流误差放大电路的示意图。

图3是本发明实施例的低压差稳压电路中的限流控制电路的示意图。

具体实施方式

本发明双高电源电压输入下具有限流保护的低压差稳压电路，用于卫星机顶盒上的天线电源系统，如图1所示，包括：

电源MOS开关1，所述电源MOS开关的两输入端分别与不同的高电源电压相连，输出端连接稳压电路内部模块的电源线，用于选择其中一个高电源电压作为稳压电路内部模块的输入电源；

基准电路2，所述基准电路的输出端同限流误差放大器一输入端相连，用于产生一个与温度、电压和工艺无关的参考电平；

限流误差放大电路3，所述限流误差放大电路的两输入端分别与基准电路和反馈电阻网络相连，用于对输出电平进行监控调整并输出限流使能信号；

限流控制电路4，所述限流控制电路的输入端与限流误差放大电路的限流使能信号输出端相连，用于输出脉宽整形调制信号，作用于输出MOS开关栅极，控制输出MOS开关的关断和导通；

反向电流保护电路5，所述反向电流保护电路的两输入端分别与稳压电路内部模块的电源线和输出MOS开关的输出端相连，用于输出逻辑信号，作用于输出MOS开关栅极，控制输出MOS开关的关断和导通；

输出MOS开关6，所述输出MOS开关的输入端同限流误差放大器的输出端相连，用于在限流情况下控制输出电流的导通与关断。

上述限流误差放大电路通过运放amp和输出管Q1组成误差运放的内部限流反馈电路，实现无限流状态下的内部限流反馈切断和限流状态下的内部限流反馈锁定，同时与输出电平进行或运算输出限流使能信号。

上述限流控制电路采用计数电路与脉宽调制电路级联形式：由高压开关管MOS1和低压D触发器组成计数电路，管子MOS2，管子MOS3，电容C1组成电荷泵，与比较器组成脉宽调制电路，以输出脉宽整形调制信号，作用于输出MOS开关。

本发明的电源MOS开关1对双高电源电压输入的电源进行选择，选择其中一个高电源电压作为稳压电路内部模块的输入电源；基准电路2用于产生一个与温度、电压和工艺无关的参考电平，作用于限流误差放大电路3；限流误差放大电路3构成对输出电平进行监控调整，当发生限流时，限流和输出限流使能信号，输出的限流使能信号作用于限流控制电路4；当电路需要限流时，限流控制电路4输出整形的脉宽调制信号，作用于输出MOS开关6的栅极，控制输出MOS开关6的开启和关断；当输出电压高于输入电压时，反向电流保护电路5输出逻辑信号，作用于输出MOS开关6的栅极，阻止反向输出电流的发生。

在非限流状态下，限流误差放大器3无限流同时无限流使能信号输出，即限流控制电路4不工作；当电路短路或过载时，限流误差放大器3对输出电流限流同时输出限流使能信号，此时限流控制电路4工作，输出整形的脉宽调制信号，作用于输出MOS开关管，控制输出MOS开关的开启与关断，实现电源电路功耗的减小，以达到限流保护的目的。

图1示出了根据本发明实施的双高电源电压输入下具有限流保护的低压差稳压电路。双高电源电压输入的低压差稳压电路分成以下几个部分，包括：输入端分别与不同的高电源输入电压相连，输出端连接稳压电路内部模块电源线的电源MOS开关1；输出端与限流误差放大电路3一输入端相连的基准电路2；两个输入端分别与基准模块2的输出端和反馈电阻网络7相连，输出与调整管8相连的限流误差放大电路3；输入端与限流误差放大电路3的限流使能信号输出端相连的限流控制电路4；输入端与稳压电路内部模块电源线和输出MOS开关6输出端相连的反向电流保护电路5。在实际应用中，考虑较高的电源电压输入下，低压差稳压源的输出电压和电流由限流误差放大电路3对其两者进行监控（参考附图2）。考虑此低压差稳压源需要限流，此限流误差放大电路3采用内部限流检测结构：主要由输出管Q1和检测管MOS 2 和运放amp组成，此结构在无限流状态下为开环，由运放amp和MOS2 检测误差运放amp1的输出电平；当出现限流状态时，amp1输出电平大于MOS2栅漏到地之间的电压，此时运放amp中的MOS1的漏极电位上升，输出管Q1开启并钳位，此时，由 amp和 Q1组成内部限流的负反馈结构。误差运放的输出电平由于内部限流负反馈结构，其被钳位的电平为：

其中，A_开环为运放amp的开环增益，V_{GS_M2}为MOS2的栅源电压。由于需要较为准确的限流值，MOS2和调整管8（参考附图1）需要同时采用非对称或对称的高压MOS管，以消除工艺和温度对限流值的准确度的影响。另外，需要采用电容C，以在限流时起到增加闭环稳定性和在开环时抑制误差运放输出噪声的作用。再者，当出现限流状态以至经过限流控制模块使得输出MOS管关断时，由于输出V_out变为低电平，经过反相器Inv的反向为高电平，此时的高电平与MOS1漏极电平进行或逻辑运算可作为限流使能信号输出。

在高电源电压输入情况下，由于压差变大，限流不能满足功耗的要求。所以限流使能信号可作用于限流控制电路4进行脉宽整形调制（参考附图3），其采用计数器1、电荷泵2、比较器3相互级联的方式实现，计数器1的输出信号经过电荷泵2和比较器3的信号处理，可以得到一个脉宽整形信号。限流误差放大电路3（参考附图1，2）的限流使能信号输出作为限流控制模块的输入，可由V_en表示；V_pwm为输出控制信号，控制输出MOS开关管6（参考附图1）的开启和关断。

当低压差电源系统处于非限流状态下时，V_en为高电平，管子MOS 1开启，此时计数器1不接收振荡器脉冲信号V_ocs，即计数器1保持原来的初始状态，最高位的输出为低电平，使得电荷泵2中管子MOS 3对电容C1充电，直到比较器3输出低电平，以控制MOS开关管6导通。当低压差电源系统处于限流状态下时，V_en为低电平，管子M1关闭。此时，计数器1接收振荡器脉冲信号，即计数器1开始计数。当计数器1溢出时，计数器1的最高位的输出由低电平变为高电平。此时，电荷泵2的管子MOS 2处于线性区，此时MOS开关管6由于比较器3输出高电平关闭，即输出电平为零电平，计数器1继续计数。当计数器1再次溢出时，计数器1的最高位的输出由高电平变为低电平。管子MOS 2关闭，管子MOS 3作为电流源对电容C1充电。当电容C1的电平高于比较器3的参考电平时，输出MOS开关管导通。如低压差电源系统始终处于限流状态，输出MOS开关管6导通时间为：

其中，T_周期为计数器输出信号周期，V_ref为比较器3参考电平，I_M3为MOS 3的偏置电流。在导通时间内，如系统由限流状态变为非限流状态，则计数器1停止计数，保持导通状态。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种双高电源电压输入下具有限流保护的低压差稳压电路，其特征在于，包括：

输出MOS开关，所述输出MOS开关的输入端经调整管同限流误差放大器的输出端相连，用于在限流情况下控制输出电流的导通与关断。

2.根据权利要求1所述的双高电源电压输入下具有限流保护的低压差稳压电路，其特征在于，所述限流误差放大电路通过运放和输出管组成误差运放的内部限流反馈电路，实现无限流状态下的内部限流反馈切断和限流状态下的内部限流反馈锁定，同时与输出电平进行或运算输出限流使能信号。

3.根据权利要求1所述的双高电源电压输入下具有限流保护的低压差稳压电路，其特征在于，所述限流控制电路采用计数电路与脉宽调制电路级联形式：由高压开关管MOS1和低压D触发器组成计数电路，管子MOS2，管子MOS3，电容C1组成电荷泵，与比较器组成脉宽调制电路，以输出脉宽整形调制信号，作用于输出MOS开关。