CN103345288B - 大摆幅输入的线性稳压电源电路 - Google Patents

Abstract

本发明设计模拟集成电路设计领域，为大摆幅输入电压(几十伏特摆动)系统提供稳压电压源的线性电压源电路，为此，本发明采用的技术方案是，大摆幅输入的线性稳压电源电路，由两个低压差线性稳压源、开关、容值较小的电容、判断模块以及延迟模块组成，判断模块输出使能信号控制第一个低压差线性稳压源的开启或者关闭，并在第一个低压差线性稳压源关闭时控制开关闭合，使输入信号直接通过第二个低压差线性稳压源输出；或者，在第一个低压差线性稳压源开启时控制开关打开，使输入信号依次通过第一个低压差线性稳压源、第二个低压差线性稳压源输出。本发明主要应用于模拟集成电路设计。

Description

大摆幅输入的线性稳压电源电路

技术领域

本发明设计模拟集成电路设计领域，尤其涉及一种大摆幅输入稳定低压输出的两级线性稳压供电电路及电路实现方法，即大摆幅输入的线性稳压电源电路。

技术背景

在今天，BMS(Battery Management Systerm，电源管理系统)的设计在移动便携设备、电动汽车、功率电子系统诸多方面已经成为关键性的技术，它的性能将左右整个系统的工作。从广义上讲，电动车、手机、电脑以及各种移动电源设备皆需要电源管理系统提高其工作效率及使用寿命。然而，无论是锂电池、镍镉电池还是其他电池供给系统电源都是不稳定的甚至摆幅较大的输入信号。这样的信号如果直接作为整个芯片系统的电路供电电压，无疑系统的可靠性以及工作性能会倍受影响甚至是无法正常工作。此外，电池组的供电电压往往是诸如锂电池镍镉电池串联组成的电池组，这些电池组的顶部电压输出不仅不稳定而且是高压，因此我们需要一个可以以外部电池供电作为输入，输出稳定的、对噪声和负载以及输入电压不敏感的低压供电电压的稳压源为包括数字电路在内的整个系统各个模块提供电源。

为电源管理系统提供供电电压的主要两种方法分别是线性稳压源(典型的线性稳压源是低压差线性稳压源LDO，low-dropout linear regulator)和开关电源的方法。前者的稳定性好，输出纹波小噪声低，但是转换效率低，后者转换效率高但是输出噪声较大。LDO在一些输出电压稳定性要求较高，对转换效率要求不大的电路中经常被用到，这主要是因为LDO结构相对简单，占用面积较小，反应快速，输出稳定性好。本发明将针对应用于电池电压摆动较大，内部需要建立稳定低压供电电源的系统中提出一种线性调整率以及开启瞬态电流均得到改善的两级结构LDO。

将LDO线性稳压电压源用于系统输入波动较大(可能会出现几十幅的摆动，例如10V-40V)的电源管理系统上会带来的问题主要包括：

LDO输出节点通常会接很大容值的旁路电容(容值一般在uF级)，而且输入电压摆动很大时，如果出现输入电压为高压(例如40V)情况，为了对大的旁路电容进行充电，会产生相当大的瞬态启动电流(例如1uF旁路电容，40V输入电压下可能出现上百毫安的瞬态电流)。过大的瞬态电流再加上高压输入电压很产生过大的功率，这样会毁掉整个电路；

输入电压摆动越大，LDO的输出电压随之变化也会越来越明显，例如摆幅有30V而线性调整率为5mV1V，那么30V输入电压变化将会产生0.15V的电压误差甚至更大，对于系统的影响不可忽略。另外，一般设计的LDO在上下输入电压摆动较大的情况下很有可能脱离原有的直流工作点导致无法工作。

上述问题均会对整个系统的正常运行造成破坏性影响，需要解决的关键性技术问题。运用两级LDO的结构可以解决高电压输入时瞬态电流过大以及输入电压摆动过大影响输出电压的问题，但是当输入电压较低时两级结构就会增加系统功耗并占用较大的压差(输入输出之间的压差)。所以需要对两级结构加以改进使其在低电压输入时也可正常工作，并减小功耗和净空电压的浪费。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明旨在为大摆幅输入电压(几十伏特摆动)系统提供稳压电压源的线性电压源电路，为此，本发明采用的技术方案是，大摆幅输入的线性稳压电源电路，由两个低压差线性稳压源、开关、容值较小的电容、判断模块以及延迟模块组成，判断模块检测输入信号并判断信号电平高低，得到判断结果后判断模块输出使能信号控制第一个低压差线性稳压源的开启或者关闭，并在第一个低压差线性稳压源关闭时控制开关闭合，使输入信号直接通过第二个低压差线性稳压源输出；或者，在第一个低压差线性稳压源开启时控制开关打开，使输入信号依次通过第一个低压差线性稳压源、第二个低压差线性稳压源输出；延迟模块连接在第一个低压差线性稳压源输出与第二个低压差线性稳压源使能端之间；容值较小的电容设置在第一个低压差线性稳压源输出与地之间，用于限制瞬态电流过大。

容值较小的电容容值为10皮法。

第二个低压差线性稳压源与地之间还设置有串接的旁路电阻和旁路电容。

本发明具备下列技术效果：

本发明主要针对两级LDO在电源管理方面的大摆幅输入下的应用进行技术上的改进，电路采用两级LDO结构，并通过输入电压判断模块控制，使两级LDO在低电平输入时变为单级LDO。采取这种电路结构很好地解决了线性稳压源大摆幅输入情况下线性调整能力不足，以及高压输入情况开启瞬态电流过大的问题。其中两级LDO结构输入电压通过比较器进行判断，输入电压较高时采用两级结构，这样可以解决瞬态电流过大和线性调整率问题。此外，当输入电压较低时将第一级LDO关闭并将第一级LDO的调整管短路，输入电压直接接入到第二级LDO中，这样降低系统不必要的静态功耗并减小了输入输出之间的压差，提高传输效率。该LDO稳压器主要应用需要驱动电流较小，对电压线性度要求较高的系统。

附图说明

图1系统结构图。

图2状态1工作图。

图3状态2工作图。

具体实施方式

系统结构图描述

如图1所示，系统由LDO_1和LDO_2(两个LDO均带有使能控制端EN端口，通过该端口输入电压en1可以控制LDO是否工作)还有判断模块(判断输入电压输出控制信号en1)以及延迟模块(输出控制信号en2)组成，判断模块检测输入信号并判断信号电平高低，得到判断结果后判断模块输出使能信号控制LDO_1的开启或者关闭，并通过开关sw1控制输入电压的通路(通路1或者通路2)。LDO_1的输出端口处连接电容1之后接到LDO_2的输入端口，LDO_2将输入电压转化为最后总输出电压。另外LDO_1和LDO_2之间有一个延迟模块，延迟模块接受LDO_1的开启信号后延迟一段时间输出一个使能信号en2控制LDO_2开启。输出电容Cb为旁路电容，用来稳定输出(Resr为旁路电容的串联电阻)，CL为负载电容。系统通过使能信号en1控制LDO_1的开启，并通过sw1控制输入信号电路选择状态1和状态2两种情况，在图中通过两条通路标出。

1.系统工作流程描述

两级连接LDO通过判断模块的控制信号决定是否使用第一级。当输入电压较低于参考电平时将第一级LDO关闭并且打开开关sw1将输入电压与第一级电压短路，仅使用第二级LDO，就如同普通的LDO结构，这样降低系统不必要的静态功耗并减小了系统的压差，提高传输效率，该状态称为状态2。当判断模块判断需要采用两级结构时会输出使能信号en1，第一级LDO接收使能信号en1后开始工作，这样第一级的环路重新建立，并输出稳定电压供给第二级作为第二级的输入电压，LDO又会变成两级结构，此时LDO处于状态1。

a)状态1的情况

如图2所示，输入电压高于设定值(例如10V)时，开关sw1断开，使能信号en1开启LDO_1，LDO_1工作，并输出稳定电压。第一级的稳定输出电压作为第二级输入电压并通过第二级的转换输出到负载电容处，完成整个系统高压到低压的转换。在此期间LDO_1的输出处有一个容值较小的电容1，输入电压对此电容的充电时间较短不会产生瞬态大电流。此时系统的输入信号通过通路1传输至LDO_2。此外还需要在LDO_1与LDO_2之间加入一个延迟模块，原因是当输入是高压时(比如40V)如果两级LDO同时开启，输入到输出会存在一个低阻通路，输入电压瞬间对片外大电容Cb充电的电流将会非常大(可能上百毫安)，高压和大电流产生的大功率功率对于系统会产生破坏性影响。所以需要一定的控制信号保证两级LDO在高电压输入下不会同时开启，需要通过延迟模块使LDO_2开启时间晚于LDO_1，这个延迟控制信号通过LDO_1的输出信号产生。如图中所示，LDO_1的第一级输出通过一个延迟开关控制LDO_2的开启时间，避免了两级LDO同时开启。

两级结构的好处：此时输入电压为较高电压，输入电压先会对LDO的输出充电，在这里加入一个电容1(容值较小)，由于电容较小，充电所需电荷量较小，不会出现高压输入单级工作时瞬时充电电流过大情况。另外，两级工作是通过两次电压调整可以提高电路线性调整率和PSR。因此，高电压摆幅的影响和瞬态电流过大的影响得到有效抑制。

b)状态2情况：

输入电压低于设定值时，开关闭合输入电压与第一级输出短路，同时系统将通过使能关闭LDO_1，LDO_1停止工作，不再产生静态功耗，如图3所示：

切换单级结构好处：输入电压较低时，系统通过开关控制进入单级工作模式，此时由于输入电压较小，所以不存在瞬态电流过大问题。另外，通过关闭LDO_1可以有效地减小静态电流和压差。

本发明采用两级LDO方式解决将大摆动的输入电压转化为稳定的输出电压，并且带有判断模块通过对输入电压电平的判断决定采用一级模式或者两级模式。如图所示，输入电压为高压时，判断模块开启LDO_1，开关S1是断开的，输入电压通过两级LDO调整输出稳定电压。输入电压为低电平时，判断模块关闭LDO_1，开关S1闭合，输入电压通过LDO_2在输出端产生稳定输出电压。下面是本发明给出的的最佳实施方案：

如图1所示，设计一个输入电压摆动范围5.5V-40V的LDO结构，旁路电容Cb＝1uF，电容1采用容值较小的电容(10pF)最佳实施方案设计包括两个LDO，一个判断模块(判断电压定为10V)和一个延迟信号输出模块：

1.当输入电压高于10V(10V-40V之间)时，判断模块通过检测判断使用两级结构，第一级LDO_1将输入电压转化为输出电压7V，由于第一级LDO_1的输出节点电容1只有10pF，所以不会引起瞬态大电流产生。第一级输出电压同时通过延迟模块控制LDO_2开启，并将7V电压输入第二级。第二级LDO_2开启后将输入电压7V转化为输出电压5V，最后总LDO系统得到稳定电压5V。

2.当输入电压不足10V(5.5-10V)时，判断模块判断采用一级结构，输出信号关闭LDO_1，并同时闭合开关sw1，LDO_1的调整管两端短接，电路仅仅采用LDO_2作为线性稳压器。将输入电压转化为稳定电压5V。

Claims (2)

1.一种大摆幅输入的线性稳压电源电路，其特征是，由两个低压差线性稳压源、开关、小容值电容、判断模块以及延迟模块组成，判断模块检测输入信号并判断信号电平高低，得到判断结果后判断模块输出使能信号控制第一个低压差线性稳压源的开启或者关闭，并在第一个低压差线性稳压源关闭时控制开关闭合，使输入信号直接通过第二个低压差线性稳压源输出；或者，在第一个低压差线性稳压源开启时控制开关打开，使输入信号依次通过第一个低压差线性稳压源、第二个低压差线性稳压源输出；延迟模块连接在第一个低压差线性稳压源输出与第二个低压差线性稳压源使能端之间；小容值电容设置在第一个低压差线性稳压源输出与地之间，用于限制瞬态电流过大，小容值电容容值为10皮法。

2.如权利要求1所述的大摆幅输入的线性稳压电源电路，其特征是，第二个低压差线性稳压源与地之间还设置有串接的旁路电阻和旁路电容。