CN103631298A

CN103631298A - 线性稳压源

Info

Publication number: CN103631298A
Application number: CN201210309178.5A
Authority: CN
Inventors: 吴献
Original assignee: Samsung Semiconductor China R&D Co Ltd; Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Semiconductor China R&D Co Ltd; Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2012-08-28
Filing date: 2012-08-28
Publication date: 2014-03-12
Anticipated expiration: 2032-08-28
Also published as: CN103631298B

Abstract

本发明提供了一种线性稳压源，包括运算放大器和输出级电路，在线性稳压源工作于正常模式时，输出级电路输出恒定电压，运算放大器将输出级电路的输出节点的分压信号与参考电压进行比较，并输出控制信号用于控制输出级电路，其特征在于：所述线性稳压源还包括恒流充电电流源，在线性稳压源启动时，线性稳压源进入启动电流控制模式，运算放大器将所述输出节点的分压信号与参考电压进行比较，并输出控制信号控制恒流充电电流源对所述输出节点进行恒流充电，在线性稳压源启动结束之后，恒流充电电流源关断，并且线性稳压源进入正常模式。

Description

线性稳压源

技术领域

本申请涉及系统级芯片(SOC)集成电路设计领域，更具体地，涉及一种能够控制启动电流的线性稳压源。

背景技术

图1是示出现有技术的线性稳压源电路(LDO)的示图。如图1所示，该电路包括运算放大器AMP和输出级电路，所述输出级电路可包括功率PMOS管、反馈电阻R1、R2以及输出负载电容Cout，当启动时，该电路容易产生巨大的启动电流。图2示出图1的线性稳压源电路的时序图。如图2所示，当线性稳压源电路随其电源电压VDD(或使能信号)由低到高变化而启动时，输出电压Vout的初始值为0，电阻分压端FB的电压也为0，远远低于运算放大器AMP的另一输入端(即，参考电压VREF)的电压，所以运算放大器AMP输出端VG的电压为0。这时，功率PMOS管的栅源电压(Vgs)和源漏电压(Vsd)的值都为电源电压VDD，功率PMOS管驱动的电流值为

(其中，K为由氧化层电容和迁移率决定的系数，w、l分别为功率PMOS管的宽、长，VDD为电源电压，Vth为功率PMOS管的阈值电压)，远远超过线性稳压源电路的正常工作值，甚至可能超出线性稳压源电路的电源电压VDD的输出承受能力。这种问题在电源电压VDD快速上升到较高值时尤其严重，可能使电源值大幅度跳变，容易引起整个系统锁死，并缩短芯片甚至供电电源的使用寿命。

现有的线性稳压源启动电流控制方案多以限制启动电流的峰值为主，这类方案可以确保系统的安全性，但无法控制启动时间，在应用中受到很大限制。此外，现有技术中还存在通过加入多个片外元件(值较大的电容、电阻)，利用电容、电阻组成时间常数较大的回路来限制启动时间，从而限制启动电流的方案，然而，这类方案需要片外器件辅助，不适应现代IC工业集成化、小型化的趋势。

发明内容

在启动电流控制模式下，恒流充电电流源可对所述输出节点进行恒流充电至目标值，并保持该目标值。

恒流充电电流源可包括恒流充电开关、电流镜以及为电流镜提供基准电流的基准电流源，在线性稳压源启动时，恒流充电开关接收运算放大器的输出信号的控制，恒流充电电流源对所述输出节点进行恒流充电的电流值为基准电流源的电流值的K倍，其中，K为电流镜的镜像电流放大倍数。

线性稳压源还可包括模式控制开关，用于切换线性稳压源的启动电流控制模式和正常模式。

模式控制开关可由系统级芯片(SOC)系统发出的控制信号进行控制。

线性稳压源进入启动电流控制模式之后，经过预定的延迟时间，SOC系统发出的控制信号可控制切换模式控制开关使得恒流充电电流源关断，并使线性稳压源进入正常模式。

SOC系统发出的控制信号可由系统时钟计时控制，系统时钟控制预定的延迟时间以使预定的延迟时间长于恒流充电电流源对所述输出节点进行恒流充电的时间。

恒流充电开关可以为第一PMOS管，输出级电路中的控制管可以为第二PMOS管，模式控制开关可以为双刀双掷开关，其中，双刀双掷开关可将第一PMOS的栅极切换到高电平并将第二PMOS的栅极切换到运算放大器的输出端以将线性稳压源切换到正常模式，双刀双掷开关将第二PMOS的栅极切换到高电平并将第一PMOS的栅极切换到运算放大器的输出端以将线性稳压源切换到启动电流控制模式。

电流镜可包括第三和第四PMOS管，第三和第四PMOS管的源极连接至第一PMOS管的漏极，第三PMOS管的栅极和漏极连接到一起并连接到基准电流源和第四PMOS管的栅极，第四PMOS管的漏极用于对所述输出节点进行恒流充电。

将在接下来的描述中部分阐述本发明另外的方面和/或优点，还有一部分通过描述将是清楚的，或者可以经过本发明的实施而得知。

附图说明

通过下面结合附图进行的详细描述，本发明的上述和其它目的和特点将会变得更加清楚，其中：

图1是示出现有技术的线性稳压源电路(LDO)的示图；

图2示出图1的线性稳压源电路的时序图；

图3是示出根据本发明示例性实施例的能够控制启动电流的线性稳压源的示图；

图4是示出根据本发明示例性实施例的启动电流控制模式下线性稳压源的示图；

图5是示出根据本发明示例性实施例的正常模式下线性稳压源的示图；

图6是示出根据本发明示例性实施例的能够控制启动电流的线性稳压源的时序图。

具体实施方式

现在，详细描述本发明的示例性实施例，其示例在附图中表示，其中，相同的标号始终表示相同的部件。

图3是示出根据本发明示例性实施例的能够控制启动电流的线性稳压源的示图。

如图3所示，根据本发明示例性实施例的线性稳压源包括运算放大器AMP、输出级电路以及恒流充电电流源，其中，输出级电路可包括功率PMOS管12、反馈电阻13、14、输出负载电容Cout，恒流充电电流源(虚线框内部分)可包括恒流充电开关PMOS管21、电流镜和基准电流源Icon，电流镜包括PMOS管22和23。应该了解，图3中示出的恒流充电电流源仅是示例，本领域技术人员可根据实际需要采用各种类似的电路结构来构成恒流充电电流源，例如，可在PMOS管22和23的栅极与漏极之间连接运算放大器，或用串联的多个PMOS管来代替PMOS管22并用串联的多个PMOS管来代替PMOS管23等等，在此不再赘述。

此外，在图3中，VREF为外部参考电压，VDD为输入电源电压，Vout为线性稳压源的输出电压。SOC系统发出的控制信号STIRB用于如下切换线性稳压源的启动电流控制模式和正常模式(其中，SOC系统发出的控制信号可由系统时钟计时控制)：当STIRB的值为0时，单刀双掷开关1和2均向下关闭，即，将功率PMOS管12的栅极切换到高电平并将恒流充电开关PMOS管21的栅极切换到运算放大器11的输出端，功率PMOS管12被关断，恒流充电电流源、运算放大器11和反馈电阻13、14构成恒流启动反馈环路，线性稳压源处于启动电流控制模式，此时电路如图4所示；当STIRB的值经过由系统控制的预定延时后值变为1时，单刀双掷开关1和2均向上关闭，即，将恒流充电开关PMOS管21的栅极切换到高电平并将功率PMOS管12的栅极切换到运算放大器11的输出端，恒流充电电流源被关断，功率PMOS管12、运算放大器11和反馈电阻13、14构成与现有技术相同结构的线性稳压源反馈环路，线性稳压源进入正常模式，可保持输出电压Vout恒定并输出电流以驱动负载电路，此时电路如图5所示。

应该了解，图3中示出的恒流充电电流源仅是一种示例性电路结构，本领域技术人员完全可以采用其它形式的电路结构来完成其功能。

图6是示出根据本发明示例性实施例的能够控制启动电流的线性稳压源的时序图，下面将参照图6对根据本发明示例性实施例的线性稳压源进行详细描述。

如图6所示，在P1阶段，电源电压VDD(或使能信号)从低到高变化以使SOC系统启动。

在P2阶段，STIRB的值为0，恒流充电电流源、运算放大器11和反馈电阻13、14构成恒流启动反馈环路，电路处于恒流启动状态，负载电路处于低功耗状态，不输出负载电流，输出电压Vout的初始值为O，电阻分压端FB的电压也为0，低于参考电压VREF。运算放大器AMP输出低电压，恒流充电开关PMOS管21工作在线性开关状态，电流镜中的PMOS管22的电流为基准电流Icon，PMOS管23镜像并放大PMOS管22中的基准电流至K倍(其中，K＝(w/l)₂₃/(w/l)₂₂，w、l为PMOS管的宽、长)以对输出负载电容Cout进行充电，此过程中启动电流(即，流过恒流充电开关PMOS管21的电流，同时也是流过PMOS管22和23的电流之和)保持恒定，值为(K+1)×Icon。输出电压Vout以恒定摆率(SR)逐渐升高并接近目标值，同时电阻分压端FB的电压接近参考电压VREF，运算放大器AMP的输出值升高，使恒流充电开关PMOS管21的电流减小。当恒流充电开关PMOS管21的电流值等于Icon+VREF/R14时，输出电压Vout达到目标值Vtarget＝VREF×(R13+R14)/R14，启动过程结束，反馈环路平衡，输出电压Vout保持恒定。整个过程中，电源提供的电流(即，启动电流)保持恒定，值为(K+1)×Icon，由电流镜基准电流Icon决定，启动时间为Cout×Vtarget/(K×Icon)。

在P3阶段，为了保证启动充分，在由SOC系统控制的预定延时期间，STIRB的值保持为0。由于启动时间是由基准电流源Icon和负载电容Cout决定的定值，故可由系统时钟准确控制预定延时，以确保STIRB＝0的预定延时时间长于启动时间。随后，STRIB的值由0变为1，恒流充电电流源关断，功率PMOS驱动管12开启，并与运算放大器AMP和反馈电阻13、14构成与现有技术相同结构的线性稳压源反馈环路，以对负载电路供电。

在P4阶段，SOC系统工作，负载电路开启，负载电流(Iload)逐渐增大至工作值。

根据本发明的示例性实施例，由于引入了恒流充电电流源，从而可准确地控制启动电流，避免发生超出范围的巨大启动电流，并同时准确地控制启动时间。

虽然已经参照特定示例性实施例示出和描述了本发明，但是本领域的技术人员将理解，在不脱离范围由权利要求及其等同物限定的本发明的精神和范围的情况下可作出形式和细节上的各种改变。

Claims

1.一种线性稳压源，包括运算放大器和输出级电路，在线性稳压源工作于正常模式时，输出级电路输出恒定电压，运算放大器将输出级电路的输出节点的分压信号与参考电压进行比较，并输出控制信号用于控制输出级电路，其特征在于：

所述线性稳压源还包括恒流充电电流源，在线性稳压源启动时，线性稳压源进入启动电流控制模式，运算放大器将所述输出节点的分压信号与参考电压进行比较，并输出控制信号控制恒流充电电流源对所述输出节点进行恒流充电，在线性稳压源启动结束之后，恒流充电电流源关断，并且线性稳压源进入正常模式。

2.如权利要求1所述的线性稳压源，其中，在启动电流控制模式下，恒流充电电流源对所述输出节点进行恒流充电至目标值，并保持该目标值。

3.如权利要求1所述的线性稳压源，其中，恒流充电电流源包括恒流充电开关、电流镜以及为电流镜提供基准电流的基准电流源，在线性稳压源启动时，恒流充电开关接收运算放大器的输出信号的控制，恒流充电电流源对所述输出节点进行恒流充电的电流值为基准电流源的电流值的K倍，其中，K为电流镜的镜像电流放大倍数。

4.如权利要求1～3之一所述的线性稳压源，还包括模式控制开关，用于切换线性稳压源的启动电流控制模式和正常模式。

5.如权利要求4所述的线性稳压源，其中，模式控制开关由系统级芯片(SOC)系统发出的控制信号进行控制。

6.如权利要求5所述的线性稳压源，其中，线性稳压源进入启动电流控制模式之后，经过预定的延迟时间，SOC系统发出的控制信号控制切换模式控制开关使得恒流充电电流源关断，并使线性稳压源进入正常模式。

7.如权利要求6所述的线性稳压源，其中，SOC系统发出的控制信号由系统时钟计时控制，系统时钟控制预定的延迟时间以使预定的延迟时间长于恒流充电电流源对所述输出节点进行恒流充电的时间。

8.如权利要求7所述的线性稳压源，其中，恒流充电开关为第一PMOS管，输出级电路中的控制管为第二PMOS管，模式控制开关为双刀双掷开关，

其中，双刀双掷开关将第一PMOS的栅极切换到高电平并将第二PMOS的栅极切换到运算放大器的输出端以将线性稳压源切换到正常模式，双刀双掷开关将第二PMOS的栅极切换到高电平并将第一PMOS的栅极切换到运算放大器的输出端以将线性稳压源切换到启动电流控制模式。

9.如权利要求8所述的线性稳压源，其中，电流镜包括第三和第四PMOS管，第三和第四PMOS管的源极连接至第一PMOS管的漏极，第三PMOS管的栅极和漏极连接到一起并连接到基准电流源和第四PMOS管的栅极，第四PMOS管的漏极用于对所述输出节点进行恒流充电。