CN105486912B - 一种低压差线性稳压器的高精度快速过流检测电路 - Google Patents

Abstract

一种低压差线性稳压器的高精度快速过流检测电路，电流采样模块采样低压差线性稳压器中功率管的电流，将采样电流转换为电阻两端的电压差，电压放大模块将电流采样模块输出的电阻两端的电压差进行放大后输出，比较器模块将电压放大模块输出的电压与参考电压进行比较，实现过流检测。本发明检测精度高，响应速度快，功耗低，可以支持LDO功率管工作在饱和区和线性区两种情况。

Description

一种低压差线性稳压器的高精度快速过流检测电路

技术领域

本发明涉及一种低压差线性稳压器的高精度快速过流检测电路。

背景技术

随着科技的发展，LDO(低压差线性稳压器，Low Dropout Regulator)被广泛用于各种电子设备中，特别是集成电路芯片中。LDO为集成电路中的模拟数字电路提供稳定精确的电压源。为了保护集成电路芯片，需要对大功率的LDO进行过流检测。目前，集成电路中的LDO的过流检测电路通过镜像功率管的电流，再利用比较器进行判断。

图1示出了集成电路中一种常见的LDO过流检测电路示意图。如图1所示，利用一个小尺寸的MOS管mp1采样功率管mp0的电流。mp1的栅、源与mp0的栅、源相连。采样电流经电阻R1转换为电压再与参考电压VREF比较。

传统的这种方式虽然结构简单，速度快，但是面临着两个问题：一，采样MOS管mp1和功率管mp0都必须工作在饱和区，使用范围受到限制；二，采样MOS管mp1和功率管mp0的漏端电压不同，沟道长度调制效应非常显著，采样精度很差。因此，如何能够精确采样LDO功率管电流并快速检测出是否过流是一个亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明提供一种低压差线性稳压器的高精度快速过流检测电路，检测精度高，响应速度快，功耗低，可以支持LDO功率管工作在饱和区和线性区两种情况。

为了达到上述目的，本发明提供一种低压差线性稳压器的高精度快速过流检测电路，包含：

电流采样模块，其采样低压差线性稳压器中功率管的电流，将采样电流转换为电阻两端的电压差；

电压放大模块，其输入端电性连接电流采样模块的输出端，将电流采样模块输出的电阻两端的电压差进行放大后输出；

比较器模块，其输入端电性连接电压放大模块的输出端，将电压放大模块输出的电压与参考电压进行比较，实现过流检测。

所述的电流采样模块包含串联的零号电阻R0和第一PMOS管mp1，零号电阻R0的正端接电源VCC，负端接第一PMOS管mp1的源极，第一PMOS管mp1的漏极接LDO电路的输出端VOUT，栅极接LDO电路中功率管mp0的栅极。

所述的第一PMOS管mp1的尺寸是功率管mp0的尺寸的整数倍，其中的尺寸是指MOS管的沟道宽度与沟道长度的比值。

所述的电压放大模块包含电性连接的第一输入电阻R1、第二输入电阻R2、第二P型电流镜mp2、第三P型电流镜mp3、反馈管mp4、零号N型电流镜mn0、第一N型电流镜mn1、第二N型电流镜mn2和负载电阻R3；第一输入电阻R1的正端接电源VCC，负端接第二P型电流镜mp2的源极；第二输入电阻R2的正端接电源VCC，负端接第三P型电流镜mp3的源极；第二P型电流镜mp2的栅极、第三P型电流镜mp3的栅极、第三P型电流镜mp3的漏极和第二N型电流镜mn2的漏极连接在一起；第二P型电流镜mp2的漏极、第一N型电流镜mn1的漏极和反馈管mp4的栅极连接在一起；反馈管mp4的源极接第三P型电流镜mp3的源极，漏极接负载电阻R3的正端；零号N型电流镜mn0的栅极、第一N型电流镜mn1的栅极、第二N型电流镜mn2的栅极和零号N型电流镜mn0的漏极连接偏置电流输入端IBIAS；零号N型电流镜mn0的源极、第一N型电流镜mn1的源极、第二N型电流镜mn2的源极和负载电阻R3的负端连接到地GND。

所述的第一输入电阻R1和第二输入电阻R2的阻值相同，第二P型电流镜mp2和第三P型电流镜mp3的尺寸相同，第一N型电流镜mn1和第二N型电流镜mn2的尺寸相同，其中的尺寸是指MOS管的沟道宽度与沟道长度的比值。

所述的比较器模块为迟滞比较器，该比较器模块包含电性连接的6个PMOS管mp5～mp10和6个NMOS管mn3～mn8；第五PMOS管mp5、第六PMOS管mp6、第七PMOS管mp7和第八PMOS管mp8的源极连接电源电压；第五PMOS管mp5的栅极和漏极与第六PMOS管mp6的栅极连接偏置电流输入端；第七PMOS管mp7的栅极、第八PMOS管mp8的栅极、第七PMOS管mp7的漏极和第三NMOS管mn3的漏极连接在一起；第六PMOS管mp6的漏极、第九PMOS管mp9的源极和第十PMOS管mp10的源极连接在一起；第九PMOS管mp9的栅极接比较器的负输入端，即接参考电压VREF；第十PMOS管mp10的栅极接比较器的正输入端，即接电压放大模块的输出信号；第三NMOS管mn3的栅极、第四NMOS管mn4的栅极、第四NMOS管mn4的漏极、第五NMOS管mn5的漏极、第六NMOS管mn6的栅极和第九PMOS管mp9的漏极接在一起；第五NMOS管mn5的栅极、第六NMOS管mn6的漏极、第七NMOS管mn7的漏极、第七NMOS管mn7的栅极、第八NMOS管mn8的栅极和第八PMOS管mp8的漏极连接在一起；第八PMOS管mp8的漏极和第八NMOS管mn8的漏极连接比较器的输出端。

所述的第五NMOS管mn5和第六NMOS管mn6的尺寸相同，第四NMOS管mn4和第七NMOS管mn7的尺寸相同，且第五NMOS管mn5和第六NMOS管mn6的尺寸大于第四NMOS管mn4和第七NMOS管mn7的尺寸，其中的尺寸是指MOS管的沟道宽度与沟道长度的比值。

本发明检测精度高，响应速度快，功耗低，可以支持LDO功率管工作在饱和区和线性区两种情况。

附图说明

图1是背景技术中LDO过流检测电路的示意图。

图2是本发明提供的一种低压差线性稳压器的高精度快速过流检测电路的电路图。

图3是图2中比较器的电路图。

具体实施方式

以下根据图2和图3具体说明本发明的较佳实施例。

如图2所示，本发明提供一种低压差线性稳压器的高精度快速过流检测电路，包含：

电流采样模块，其采样低压差线性稳压器中功率管的电流，将采样电流转换为电阻两端的电压差；

电压放大模块，其输入端电性连接电流采样模块的输出端，将电流采样模块输出的电阻两端的电压差进行放大后输出；

比较器模块，其输入端电性连接电压放大模块的输出端，将电压放大模块输出的电压与参考电压进行比较，实现过流检测。

所述的电流采样模块包含串联的零号电阻R0和第一PMOS管mp1，零号电阻R0的正端接电源VCC，负端接第一PMOS管mp1的源极，第一PMOS管mp1的漏极接LDO电路的输出端VOUT，栅极接LDO电路中功率管mp0的栅极。

零号电阻R0的负端与第一PMOS管mp1的源极连接在一起，命名为节点n0，电源电压V_cc，流过LDO电路中功率管mp0的电流为I_out，功率管mp0的阻抗为Rds_mp0，第一PMOS管mp1的阻抗为Rds_mp1。

节点n0的电压值：V_n0＝V_cc-I_out·Rds_mp0·R0/(Rds_mp1+R0)。

功率管mp0与第一PMOS管mp1的尺寸关系为(W/L)_mp0:(W/L)_mp1＝k，其中，W是MOS管的沟道宽度，L是MOS管的沟道长度。

因为零号电阻R0两端的电压值很小，所以可以得到Rds_mp1＝k·Rds_mp0。注意无论功率管工作在饱和区还是线性区，Rds_mp0和Rds_mp1之间的关系都不变。因此节点n0的电压值可以表示为：V_n0＝V_cc-I_out·Rds_mp0·R0/(k·Rds_mp0+R0)。

电流采样模块将LDO电路中功率管mp0的电流转换为零号电阻R0两端的电压差。电阻R0与mp1串联再与功率管mp0并联，R0两端的电压差由R0、mp0、mp1等三个器件的串并联关系分压得到。因此，无论功率管mp0工作在饱和区还是线性区，电阻R0两端的电压与功率管mp0的电流之间都是线性关系。因此，该电流采样模块可以支持功率管mp0工作在饱和区或线性区两种情况。

所述的电压放大模块包含电性连接的第一输入电阻R1、第二输入电阻R2、第二P型电流镜mp2、第三P型电流镜mp3、反馈管mp4、零号N型电流镜mn0、第一N型电流镜mn1、第二N型电流镜mn2和负载电阻R3；第一输入电阻R1的正端接电源VCC，负端接第二P型电流镜mp2的源极；第二输入电阻R2的正端接电源VCC，负端接第三P型电流镜mp3的源极；第二P型电流镜mp2的栅极、第三P型电流镜mp3的栅极、第三P型电流镜mp3的漏极和第二N型电流镜mn2的漏极连接在一起；第二P型电流镜mp2的漏极、第一N型电流镜mn1的漏极和反馈管mp4的栅极连接在一起；反馈管mp4的源极接第三P型电流镜mp3的源极，漏极接负载电阻R3的正端；零号N型电流镜mn0的栅极、第一N型电流镜mn1的栅极、第二N型电流镜mn2的栅极和零号N型电流镜mn0的漏极连接偏置电流输入端IBIAS；零号N型电流镜mn0的源极、第一N型电流镜mn1的源极、第二N型电流镜mn2的源极和负载电阻R3的负端连接到地GND。

其中，第一输入电阻R1和第二输入电阻R2的阻值相同，R1＝R2，第二P型电流镜mp2和第三P型电流镜mp3的尺寸相同，(W/L)_mp2＝(W/L)_mp3，第一N型电流镜mn1和第二N型电流镜mn2的尺寸相同，(W/L)_mn1＝(W/L)_mn2，电流镜mn1、mn2为电流镜mp2、mp3提供相等的偏置电流，而电流镜mp2、mp3的栅极连接在一起，且都工作在饱和区，因此节点n1、n2的电压相等，当LDO电路中的电流增加时，节点n0的电压下降，节点n1的电压也下降，节点n2和n1之间压差增大，因为节点n3的电压下降，mp4的栅源极电压增加，mp4的漏极电流Id_mp4增加，导致节点n2的电压降低，减小了节点n2和节点n1之间的压差。上述过程为明显的负反馈行为，即mp2、mp3、mp4构成的负反馈电路，确保了V_n1＝V_n2。

电压放大电路的输出端为节点n4，节点n4的电压V_n4的计算过程如下：

流过R1、mp2、mp3的电流相等，电流值为：Id_mp3＝Id_mp2＝I_R1＝(V_n0-V_n1)/R1；

流过R2的电流值为：I_R2＝(V_cc-V_n2)/R2；

流过mp4的电流值为：Id_mp4＝V_n4/R3；

由电路可知，在节点n2处可列出方程I_R2＝Id_mp3+Id_mp4，结合上面的表达式可以解出：V_n4＝(V_cc-V_n0)·R3/R1；

前面已得到节点n0的电压值为V_n0＝V_cc-I_out·Rds_mp0·R0/(k·Rds_mp0+R0)，因此节点n4的电压可以表示为：V_n4＝I_out·Rds_mp0·R0/(k·Rds_mp0+R0)·R3/R1；

由于有电压放大模块，R0的取值可以很小，即R0<<k·Rds_mp0，节点n4的表达式进一步化简为：V_n4＝I_out/k·R0·R3/R1。

即节点n4的电压值与LDO电路的输出电流成线性关系，电压放大模块将电阻R0两端的电压差放大，转换为电阻R3两端的电压差，电阻R3的负端接地，实现了电位平移功能。

比较器模块将节点n4的电压与参考电压VREF比较，当节点n4的电压值超过参考电压VREF时，比较器模块输出过流标志信号，实现了LDO过流检测功能。

如图3所示，所述的比较器模块为迟滞比较器，包含电性连接的6个PMOS管mp5～mp10和6个NMOS管mn3～mn8；第五PMOS管mp5、第六PMOS管mp6、第七PMOS管mp7和第八PMOS管mp8的源极连接电源电压；第五PMOS管mp5的栅极和漏极与第六PMOS管mp6的栅极连接偏置电流输入端；第七PMOS管mp7的栅极、第八PMOS管mp8的栅极、第七PMOS管mp7的漏极和第三NMOS管mn3的漏极连接在一起；第六PMOS管mp6的漏极、第九PMOS管mp9的源极和第十PMOS管mp10的源极连接在一起；第九PMOS管mp9的栅极接比较器的负输入端，即接参考电压VREF；第十PMOS管mp10的栅极接比较器的正输入端，即接电压放大模块的输出信号；第三NMOS管mn3的栅极、第四NMOS管mn4的栅极、第四NMOS管mn4的漏极、第五NMOS管mn5的漏极、第六NMOS管mn6的栅极和第九PMOS管mp9的漏极接在一起；第五NMOS管mn5的栅极、第六NMOS管mn6的漏极、第七NMOS管mn7的漏极、第七NMOS管mn7的栅极、第八NMOS管mn8的栅极和第八PMOS管mp8的漏极连接在一起；第八PMOS管mp8的漏极和第八NMOS管mn8的漏极连接比较器的输出端。

其中，mn5和mn6尺寸相同，mn4和mn7尺寸相同，且mn5和mn6的尺寸比mn4和mn7的尺寸大，以保证正反馈有效，形成内部迟滞功能。比较器带有内部迟滞功能，可以防止过流检测标志信号出现抖动的现象，增加了电路的可靠性。

本发明采用了新的电流采样电路，与传统的过流检测电路相比，采样MOS管的漏极与LDO功率管的漏极接在一起，可以避免沟道长度调制效应的影响，提高了过流检测精度；电流采样电路与LDO功率管并联，采样结果与LDO的输出电流成线性关系，可以支持LDO功率管工作在饱和区和线性区两种情况；增加了电压放大电路，允许采样电阻R0两端的电压值很小，减小了mp1的背栅效应，提高了采样精度；同时mp0和mp1之间的尺寸比例可以取得更大，降低了电流采样电路的功耗；电压放大电路采用源极输入单个MOS管反馈的结构，响应速度很快。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (4)

1.一种低压差线性稳压器的高精度快速过流检测电路，其特征在于，包含：

电流采样模块，其采样低压差线性稳压器中功率管的电流，将采样电流转换为电阻两端的电压差；

电压放大模块，其输入端电性连接电流采样模块的输出端，将电流采样模块输出的电阻两端的电压差进行放大后输出；

比较器模块，其输入端电性连接电压放大模块的输出端，将电压放大模块输出的电压与参考电压进行比较，实现过流检测；

所述的电流采样模块包含串联的零号电阻R0和第一PMOS管mp1，零号电阻R0的正端接电源VCC，负端接第一PMOS管mp1的源极，第一PMOS管mp1的漏极接LDO电路的输出端VOUT，栅极接LDO电路中功率管mp0的栅极；

所述的电压放大模块包含电性连接的第一输入电阻R1、第二输入电阻R2、第二P型电流镜mp2、第三P型电流镜mp3、反馈管mp4、零号N型电流镜mn0、第一N型电流镜mn1、第二N型电流镜mn2和负载电阻R3；第一输入电阻R1的正端接电源VCC，负端接第二P型电流镜mp2的源极；第二输入电阻R2的正端接电源VCC，负端接第三P型电流镜mp3的源极；第二P型电流镜mp2的栅极、第三P型电流镜mp3的栅极、第三P型电流镜mp3的漏极和第二N型电流镜mn2的漏极连接在一起；第二P型电流镜mp2的漏极、第一N型电流镜mn1的漏极和反馈管mp4的栅极连接在一起；反馈管mp4的源极接第三P型电流镜mp3的源极，漏极接负载电阻R3的正端；零号N型电流镜mn0的栅极、第一N型电流镜mn1的栅极、第二N型电流镜mn2的栅极和零号N型电流镜mn0的漏极连接偏置电流输入端IBIAS；零号N型电流镜mn0的源极、第一N型电流镜mn1的源极、第二N型电流镜mn2的源极和负载电阻R3的负端连接到地GND；

所述的比较器模块为迟滞比较器，该比较器模块包含电性连接的6个PMOS管mp5~mp10和6个NMOS管mn3~mn8；第五PMOS管mp5、第六PMOS管mp6、第七PMOS管mp7和第八PMOS管mp8的源极连接电源电压；第五PMOS管mp5的栅极和漏极与第六PMOS管mp6的栅极连接偏置电流输入端；第七PMOS管mp7的栅极、第八PMOS管mp8的栅极、第七PMOS管mp7的漏极和第三NMOS管mn3的漏极连接在一起；第六PMOS管mp6的漏极、第九PMOS管mp9的源极和第十PMOS管mp10的源极连接在一起；第九PMOS管mp9的栅极接比较器的负输入端，即接参考电压VREF；第十PMOS管mp10的栅极接比较器的正输入端，即接电压放大模块的输出信号；第三NMOS管mn3的栅极、第四NMOS管mn4的栅极、第四NMOS管mn4的漏极、第五NMOS管mn5的漏极、第六NMOS管mn6的栅极和第九PMOS管mp9的漏极接在一起；第五NMOS管mn5的栅极、第六NMOS管mn6的漏极、第七NMOS管mn7的漏极、第七NMOS管mn7的栅极、第八NMOS管mn8的栅极和第八PMOS管mp8的漏极连接在一起；第八PMOS管mp8的漏极和第八NMOS管mn8的漏极连接比较器的输出端。

2.如权利要求1所述的低压差线性稳压器的高精度快速过流检测电路，其特征在于，所述的第一PMOS管mp1的尺寸是功率管mp0的尺寸的整数倍，其中的尺寸是指MOS管的沟道宽度与沟道长度的比值。

3.如权利要求1所述的低压差线性稳压器的高精度快速过流检测电路，其特征在于，所述的第一输入电阻R1和第二输入电阻R2的阻值相同，第二P型电流镜mp2和第三P型电流镜mp3的尺寸相同，第一N型电流镜mn1和第二N型电流镜mn2的尺寸相同，其中的尺寸是指MOS管的沟道宽度与沟道长度的比值。

4.如权利要求1所述的低压差线性稳压器的高精度快速过流检测电路，其特征在于，所述的第五NMOS管mn5和第六NMOS管mn6的尺寸相同，第四NMOS管mn4和第七NMOS管mn7的尺寸相同，且第五NMOS管mn5和第六NMOS管mn6的尺寸大于第四NMOS管mn4和第七NMOS管mn7的尺寸，其中的尺寸是指MOS管的沟道宽度与沟道长度的比值。