CN106160419B - 低压差稳压电源电路结构 - Google Patents

低压差稳压电源电路结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开低压差稳压电源电路结构，包括：第一低压差稳压电源电路为低功耗供电电路；第一低压差稳压电源电路的输出端和第二低压差稳压电源电路的输出端都被配置成连接于负载；负载电流检测电路被配置成连接于第二低压差稳压电源电路的驱动端和负载，以检测负载的工作电流；负载电流检测电路输出控制信号至第二低压差稳压电源电路的驱动端，用于开启或关闭第二低压差稳压电源电路；在负载的工作电流大于预设电流值时，开启第二低压差稳压电源电路，以给正常工作的负载提供电源；否则，关闭第二低压差稳压电源电路，降低稳压器电路功耗。本发明克服了现有技术中的稳压器电路自身在待机时和正常工作时的功耗相差不大，在待机时，无法实现超低功耗的问题。

Description

低压差稳压电源电路结构
技术领域
本发明涉及超低功耗芯片的供电技术，具体地，涉及低压差稳压电源电路结构。
背景技术
随着各种手持式或便携式电子设备对低功耗的要求越来越迫切，使得低功耗集成电路的开发也越来越具有实用价值。微控制器(MCU)是很多电子产品的核心控制芯片，其进入待机工作状态时，往往需要极低的功耗，通常要求待机电流小于1微安。待机功耗越低，则意味着电池供电设备的续航时间越长。由于先进深亚微米工艺的发展，MCU内核电压与芯片外部电源电压之间都有一个压差，因此在先进工艺上开发的MCU，内部都集成有稳压器，以便为MCU内核提供稳定的电源。LDO(低电压差)型线性稳压器具有结构简单、噪声小、便于集成的优点，在集成电路设计时得到了广泛的应用。
需要说明的是，当输入和输出电压的差值越小，在相同的输出电流情况下，线性稳压器的供电效率也就越高。
在对LDO稳压器进行设计时，需要注意，LDO稳压器正常工作时，需要一定的驱动能力，其电路自身要满足正常工作，这其实也有一定的工作电流消耗。同时，LDO稳压器自身消耗的电流一般都与其驱动能力成正比，即负载驱动能力强的LDO，其自身消耗的电流一般也较大。现有稳压器电路自身在待机时和正常工作时的功耗相差不大，在待机时，无法实现超低功耗。目前，为负载供电的LDO稳压器普遍只有正常工作状态和关机状态，没有太多的功能设定。
因此，负载在待机工作条件下，LDO稳压器的功耗都没有太大差别，不能满足超低功耗系统的技术要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种低压差稳压电源电路结构，该低压差稳压电源电路结构克服了现有技术中的稳压器电路自身在待机时和正常工作时的功耗相差不大，在待机时，无法实现超低功耗的问题，满足了超低功耗需求系统中的技术要求。
为了实现上述目的，本发明提供了一种低压差稳压电源电路结构，该低压差稳压电源电路结构包括：第一低压差稳压电源电路、第二低压差稳压电源电路和负载电流检测电路；所述第一低压差稳压电源电路为低功耗供电电路；
所述第一低压差稳压电源电路的输出端和所述第二低压差稳压电源电路的输出端都被配置成连接于负载；所述负载电流检测电路被配置成连接于所述第二低压差稳压电源电路的驱动端和所述负载，以检测所述负载的工作电流；
在所述负载的工作电流大于预设电流值的情况下，判定所述负载为正常工作状态，所述负载电流检测电路输出控制信号至所述第二低压差稳压电源电路的驱动端，以驱动所述第二低压差稳压电源电路启动以给正常工作的负载提供电源；
在所述负载的工作电流小于或等于预设电流值的情况下，所述负载电流检测电路输出控制信号至所述第二低压差稳压电源电路的驱动端，以驱动所述第二低压差稳压电源电路关闭。
优选地，所述第一低压差稳压电源电路包括：
第一晶体管、第一电阻、二极管、第一运算放大器、第二晶体管、第三晶体管、第四晶体管和第五晶体管；
所述第一晶体管的漏极和所述第二晶体管的漏极都连接于电源，所述第一晶体管的栅极连接于所述第一晶体管的源极，并连接于所述第一电阻的一端，所述第一电阻的另一端连接于分别连接于所述二极管的P端和所述第一运算放大器的负极输入端，所述二极管的N端接地；所述第一运算放大器的输出端连接于所述第二晶体管的栅极，所述第二晶体管的源极分别连接于所述第三晶体管的漏极和所述负载，所述第三晶体管的栅极连接于所述第三晶体管的源极，并连接于所述第四晶体管的漏极；所述第四晶体管的栅极连接于所述第四晶体管的源极，并分别连接于所述第一运算放大器的正极输入端和所述第五晶体管的漏极；所述第五晶体管的栅极连接于所述第五晶体管的源极，并接地。
进一步优选地，所述负载电流检测电路包括：
反相器、第六晶体管、第七晶体管、第八晶体管和第九晶体管；
所述第六晶体管的漏极和所述第七晶体管的漏极都连接于电源；所述第六晶体管的栅极连接于所述第二晶体管的栅极，所述第六晶体管的源极连接于所述第八晶体管的漏极，所述第七晶体管的栅极连接于所述第一晶体管的栅极和所述第一晶体管的源极，所述第七晶体管的源极连接于所述第九晶体管的漏极，所述第九晶体管的栅极连接于所述第八晶体管的栅极，所述第九晶体管的源极接地，所述反相器的输入端连接于所述第七晶体管的源极和所述第九晶体管的漏极之间，所述反相器的输出端连接于所述第二低压差稳压电源电路。
更进一步优选地，所述第二低压差稳压电源电路包括：
带隙基准电路、第二运算放大器、第二电阻、第三电阻、第十晶体管和第十一晶体管；所述第十晶体管的漏极连接于电源；
所述反相器的输出端分别连接于所述带隙基准电路的输入端、所述第二运算放大器的驱动接口和所述第十一晶体管的栅极；所述带隙基准电路的输出端连接于所述第二运算放大器的负极输入端，所述第二运算放大器的输出端连接于所述第十晶体管的栅极，所述第十晶体管的源极连接于所述第二电阻的一端，所述第二电阻的另一端连接于所述第三电阻的一端，所述第三电阻的另一端连接于所述第十一晶体管的漏极，所述第十一晶体管的源极接地；所述第十晶体管的源极连接于所述负载，所述第二运算放大器的正极输入端连接于所述第二电阻和第三电阻之间。
优选地，所述负载为微控制器。
优选地，所述第三晶体管、第四晶体管和第五晶体管为倒比管。
优选地，所述第三晶体管、第四晶体管和第五晶体管形成一个由PMOS晶体管组成的反馈电路网络。
采用本发明的上述技术方案，通过负载电流检测电路对负载电流的判断结果，决定第二低压差稳压电源电路是否工作和提供负载驱动电流。通过对第二低压差稳压电源电路的控制，可以使微控制器的供电电源电路具有了两种工作状态：正常负载驱动工作状态和待机低驱动能力低功耗工作状态。当负载进入待机模式时，电源稳压电路也进入超低功耗工作模式，可以使得负载获得小于1微安的待机工作电流，具有了超低功耗特性，提升产品性能。具有超低功耗待机的微控制器具有广泛的应用前景，能够大大提升电池供电设备的续航能力。
本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是说明本发明的一种低压差稳压电源电路结构的结构框图；以及
图2是说明本发明的一种低压差稳压电源电路结构的电路连接图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
在本发明的一种实施例中，本发明提供一种低压差稳压电源电路结构，该低压差稳压电源电路结构包括：第一低压差稳压电源电路、第二低压差稳压电源电路和负载电流检测电路；所述第一低压差稳压电源电路为低功耗供电电路；
所述第一低压差稳压电源电路的输出端和所述第二低压差稳压电源电路的输出端都被配置成连接于负载；所述负载电流检测电路被配置成连接于所述第二低压差稳压电源电路的驱动端和所述负载，以检测所述负载的工作电流；
在所述负载的工作电流大于预设电流值的情况下，判定所述负载为正常工作状态，所述负载电流检测电路输出控制信号至所述第二低压差稳压电源电路的驱动端，以驱动所述第二低压差稳压电源电路启动以给正常工作的负载提供电源；
在所述负载的工作电流小于或等于预设电流值的情况下，所述负载电流检测电路输出控制信号至所述第二低压差稳压电源电路的驱动端，以驱动所述第二低压差稳压电源电路关闭。
在本发明的上述实施方式中，如图1所示，本发明包括一个超低功耗低驱动能力的第一低压差稳压电源电路，一个低功耗大电流驱动能力的第二低压差稳压电源电路和一个负载电流检测电路。所述超低功耗低驱动能力的第一低压差稳压电源电路，其驱动能力小于1mA，供负载在待机低功耗模式下供电；所述低功耗大电流驱动能力的第二低压差稳压电源电路，其驱动能力为100mA，对负载在正常工作模式下供电；一个负载电流检测电路，用于检测负载电流是否小于指定范围，判断负载是否处于待机低功耗模式下。
以下结合附图2对本发明进行进一步的说明，在本发明中，为了提高本发明的适用范围，特别使用下述的具体实施方式来实现。
在本发明的一种具体实施方式中，所述第一低压差稳压电源电路可以包括：第一晶体管、第一电阻、二极管、第一运算放大器、第二晶体管、第三晶体管、第四晶体管和第五晶体管；
所述第一晶体管的漏极和所述第二晶体管的漏极都连接于电源，所述第一晶体管的栅极连接于所述第一晶体管的源极，并连接于所述第一电阻的一端，所述第一电阻的另一端连接于分别连接于所述二极管的P端和所述第一运算放大器的负极输入端，所述二极管的N端接地；所述第一运算放大器的输出端连接于所述第二晶体管的栅极，所述第二晶体管的源极分别连接于所述第三晶体管的漏极和所述负载，所述第三晶体管的栅极连接于所述第三晶体管的源极，并连接于所述第四晶体管的漏极；所述第四晶体管的栅极连接于所述第四晶体管的源极，并分别连接于所述第一运算放大器的正极输入端和所述第五晶体管的漏极；所述第五晶体管的栅极连接于所述第五晶体管的源极，并接地。
在该种实施方式中，所述负载电流检测电路包括：
反相器、第六晶体管、第七晶体管、第八晶体管和第九晶体管；
所述第六晶体管的漏极和所述第七晶体管的漏极都连接于电源；所述第六晶体管的栅极连接于所述第二晶体管的栅极，所述第六晶体管的源极连接于所述第八晶体管的漏极，所述第七晶体管的栅极连接于所述第一晶体管的栅极和所述第一晶体管的源极，所述第七晶体管的源极连接于所述第九晶体管的漏极，所述第九晶体管的栅极连接于所述第八晶体管的栅极，所述第九晶体管的源极接地，所述反相器的输入端连接于所述第七晶体管的源极和所述第九晶体管的漏极之间，所述反相器的输出端连接于所述第二低压差稳压电源电路。
在该种实施方式中，所述第二低压差稳压电源电路包括：
带隙基准电路、第二运算放大器、第二电阻、第三电阻、第十晶体管和第十一晶体管；所述第十晶体管的漏极连接于电源；
所述反相器的输出端分别连接于所述带隙基准电路的输入端、所述第二运算放大器的驱动接口和所述第十一晶体管的栅极；所述带隙基准电路的输出端连接于所述第二运算放大器的负极输入端，所述第二运算放大器的输出端连接于所述第十晶体管的栅极，所述第十晶体管的源极连接于所述第二电阻的一端，所述第二电阻的另一端连接于所述第三电阻的一端，所述第三电阻的另一端连接于所述第十一晶体管的漏极，所述第十一晶体管的源极接地；所述第十晶体管的源极连接于所述负载，所述第二运算放大器的正极输入端连接于所述第二电阻和第三电阻之间。
通过上述的实施方式，如图2所示，LDO1(第一低压差稳压电源电路)的各个电路部分都采用低功耗设计，满足待机时的低功耗要求。其中，反馈网络由M3(第三晶体管)、M4(第四晶体管)、M5(第五晶体管)组成。LDO2(第二低压差稳压电源电路)由带隙基准电路、AMP2(第二运算放大器)、M10(第十晶体管)、M11(第十一晶体管)、R2(第二电阻)和R3(第三电阻)构成，具有正常的负载驱动能力。稳压器LDO2的最大电流驱动能力设计为100mA，为正常工作时的负载即MCU电路(微控制器电路)供电。
负载电流检测电路由M6(第六晶体管)、M7(第七晶体管)、M8(第八晶体管)和M9(第九晶体管)组成两条支路，其中晶体管M6和M8上流过的电流大小与负载电流的大小有关。M8和M9构成一个电流镜。M1(第一晶体管)上的参考电流镜像到M7上，作为参考电流与负载电流进行比较，比较电压结果通过反相器INV整形输出。当EN为高电平时，说明负载电流较大，微控制器MCU电路为正常工作状态，主要由LDO2为微控制器提供工作电流。当EN为低电平时，说明负载电流较小，微控制器MCU电路为待机工作状态，此时，关闭带隙基准I3、AMP2(第二运算放大器)、R2(第二电阻)和R3(第三电阻)的供电回路。
对于正常驱动能力的LDO2，其带负载能力需要几十mA到几百mA，因而带隙基准I1、误差放大器AMP2、R2和R3支路的工作电流电流往往较大，来获得较快速的动态性能。
对于低功耗稳压器LDO1，所需的参考电压由M1、R1和PN结D1(二极管)的分压产生，通常情况下，其参考电压在保证D1导通的情况下，R1采用较大阻值的电阻，因而，R1上流过的电流很小，具有低功耗特性。AMP1(第一运算放大器)也是采用低功耗设计，减少其内部器件的数量。由M3、M4、M5构成一个由PMOS晶体管组成的反馈电路网络，产生反馈电压VFB1，送到AMP1的正向输入端。为了实现低功耗设计，M3、M4和M5的尺寸均采用倒比管的参数设计，使得该支路的等效电阻很大，从而降低该反馈网络电路的电流。
M6(第六晶体管)和M8(第八晶体管)的支路电流与负载电流的大小有关，通过VOP1信号控制，并经过M8(第八晶体管)和M9(第九晶体管)组成的电流镜，与M7(第七晶体管)进行分压输出，并通过反相器INV整形输出en控制信号。
在本发明的一种具体实施方式中，所述负载为微控制器。
在本发明的一种具体实施方式中，所述第三晶体管、第四晶体管和第五晶体管为倒比管。使得该支路的等效电阻很大，从而降低该反馈网络电路的电流。
在本发明的一种具体实施方式中，所述第三晶体管、第四晶体管和第五晶体管形成一个由PMOS晶体管组成的反馈电路网络。产生反馈电压VFB1，送到第一误差放大器(AMP1)的正向输入端。
在本发明的一种最优选的实施方式中：
采用两个负载驱动能力不同的稳压器LDO(即第一低压差稳压电源电路和第二低压差稳压电源电路)，如图2所示。其中，LDO1(第一低压差稳压电源电路)是为微控制器待机状态下供电的低驱动能力具有超低功耗的低压差稳压器，LDO2(第二低压差稳压电源电路)是为微控制器正常工作状态下供电的大电流驱动能力的低压差稳压器，并且两个稳压器的输出端连接在一起。负载电流检测单元由M6(第六晶体管)、M7(第七晶体管)、M8(第八晶体管)和M9(第九晶体管)组成。当微控制器MCU处于正常工作状态时，需要稳压电源电路提供较大的负载驱动电流，此时，误差放大器AMP1的输出VOP1电压较低，M6和M8上的电流较大，大于晶体管M7上的参考电流，此时，输出en则为高电平，LDO2进入正常工作状态，提供较大的负载驱动电流；当微控制器进入待机模式时，所需的负载驱动电流较小，误差放大器AMP1的输出端VOP1的电压较高，晶体管M6和M8上的电流较小，小于晶体管M7上的参考电流，此时，输出en为低电平，LDO2不工作，进入超低功耗待机模式。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (6)

1.一种低压差稳压电源电路结构，其特征在于，该低压差稳压电源电路结构包括：第一低压差稳压电源电路、第二低压差稳压电源电路和负载电流检测电路；所述第一低压差稳压电源电路为低功耗供电电路；
所述第一低压差稳压电源电路的输出端和所述第二低压差稳压电源电路的输出端都被配置成连接于负载；所述负载电流检测电路被配置成连接于所述第二低压差稳压电源电路的驱动端和所述负载，以检测所述负载的工作电流；
在所述负载的工作电流大于预设电流值的情况下，判定所述负载为正常工作状态，所述负载电流检测电路输出控制信号至所述第二低压差稳压电源电路的驱动端，以驱动所述第二低压差稳压电源电路启动以给正常工作的负载提供电源；
在所述负载的工作电流小于或等于预设电流值的情况下，所述负载电流检测电路输出控制信号至所述第二低压差稳压电源电路的驱动端，以驱动所述第二低压差稳压电源电路关闭；
所述第一低压差稳压电源电路包括：
第一晶体管、第一电阻、二极管、第一运算放大器、第二晶体管、第三晶体管、第四晶体管和第五晶体管；
所述第一晶体管的漏极和所述第二晶体管的漏极都连接于电源，所述第一晶体管的栅极连接于所述第一晶体管的源极，并连接于所述第一电阻的一端，所述第一电阻的另一端连接于分别连接于所述二极管的P端和所述第一运算放大器的负极输入端，所述二极管的N端接地；所述第一运算放大器的输出端连接于所述第二晶体管的栅极，所述第二晶体管的源极分别连接于所述第三晶体管的漏极和所述负载，所述第三晶体管的栅极连接于所述第三晶体管的源极，并连接于所述第四晶体管的漏极；所述第四晶体管的栅极连接于所述第四晶体管的源极，并分别连接于所述第一运算放大器的正极输入端和所述第五晶体管的漏极；所述第五晶体管的栅极连接于所述第五晶体管的源极，并接地。
2.根据权利要求1所述的低压差稳压电源电路结构，其特征在于，所述负载电流检测电路包括：
反相器、第六晶体管、第七晶体管、第八晶体管和第九晶体管；
所述第六晶体管的漏极和所述第七晶体管的漏极都连接于电源；所述第六晶体管的栅极连接于所述第二晶体管的栅极，所述第六晶体管的源极连接于所述第八晶体管的漏极，所述第七晶体管的栅极连接于所述第一晶体管的栅极和所述第一晶体管的源极，所述第七晶体管的源极连接于所述第九晶体管的漏极，所述第九晶体管的栅极连接于所述第八晶体管的栅极，所述第九晶体管的源极接地，所述反相器的输入端连接于所述第七晶体管的源极和所述第九晶体管的漏极之间，所述反相器的输出端连接于所述第二低压差稳压电源电路。
3.根据权利要求2所述的低压差稳压电源电路结构，其特征在于，所述第二低压差稳压电源电路包括：
带隙基准电路、第二运算放大器、第二电阻、第三电阻、第十晶体管和第十一晶体管；所述第十晶体管的漏极连接于电源；
所述反相器的输出端分别连接于所述带隙基准电路的输入端、所述第二运算放大器的驱动接口和所述第十一晶体管的栅极；所述带隙基准电路的输出端连接于所述第二运算放大器的负极输入端，所述第二运算放大器的输出端连接于所述第十晶体管的栅极，所述第十晶体管的源极连接于所述第二电阻的一端，所述第二电阻的另一端连接于所述第三电阻的一端，所述第三电阻的另一端连接于所述第十一晶体管的漏极，所述第十一晶体管的源极接地；所述第十晶体管的源极连接于所述负载，所述第二运算放大器的正极输入端连接于所述第二电阻和第三电阻之间。
4.根据权利要求1所述的低压差稳压电源电路结构，其特征在于，所述负载为微控制器。
5.根据权利要求1所述的低压差稳压电源电路结构，其特征在于，所述第三晶体管、第四晶体管和第五晶体管为倒比管。
6.根据权利要求1所述的低压差稳压电源电路结构，其特征在于，所述第三晶体管、第四晶体管和第五晶体管形成一个由PMOS晶体管组成的反馈电路网络。
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