CN106227287B - 具有保护电路的低压差线性稳压器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有保护电路的低压差线性稳压器，包括分别与外部电源连接的偏置电路、误差放大电路、保护电路、功率管，偏置电路产生偏置电压并将偏置电压输入至误差放大电路与保护电路，外部差分信号输入至误差放大电路，误差放大电路对输入的差分信号进行放大并输入至保护电路，保护电路接收误差放大电路输出的信号，并输出至功率管，功率管的漏极输出稳定的输出电流；其中，保护电路包括由第一场效应管与第二场效应管组成的源跟随单元，第一场效应管的源极与外部电源连接，第一场效应管的漏极、栅极共同连接并与功率管的栅极连接，第二场效应管的源极与第一场效应管的漏极连接，第二场效应管的栅极与误差放大电路的输出端连接。本发明的电路简单，不仅减小了面积与功耗，而且同时实现了过流保护与短路保护。

Description

具有保护电路的低压差线性稳压器

技术领域

本发明涉及集成电路领域，更具体地涉及一种具有保护电路的低压差线性稳压器。

背景技术

在现有的低压差线性稳压器中要设计过流保护就必须对电路的输出电流进行采样，现在经常使用的对输出电流进行采样方式有两种：

一种是在电源和功率管的源极之间串联一个采样电阻，当电路的输出电流变化时采样电阻两端的电压也会变化，将采样电阻两端的电压与基准电压进行比较就可以设定电路的最大电流。如图1所示的过流保护电路即为该种方式的实现电路，其中Mp为功率管，R0为采样电阻，R0和场效应管M1一起构成过流保护电路。因为流过R0的电流近似等于输出电流Iout，所以R0上的压降与输出电流Iout成正比。场效应管M1的栅源电压V_GS1为：

其中，V_R0为电阻R0两端的电压。正常工作情况下，|V_GS1|＜|V_TH1|，V_TH1为场效应管M1的阈值电压，场效应管M1管处于截止状态；当输出电流Iout增大到一定值时，|V_GS1|＞|V_TH1|，场效应管M1导通，把功率管Mp的栅极电位拉高，把输出电流Iout限制在一定值，从而达到过流保护的目的。

但是这种过流保护电路存在两个问题：第一，由于采样电阻R0上的压降损失，降低了系统的转换效率，特别是在大负载的情况下，这种损失更为严重；第二，由于采样电阻R0上的压降会导致场效应管M1在亚阈值导电将功率管Mp的栅电压弱上拉。

另一种是使用一个和功率管同种类型的MOS管，并和功率管镜像连接，对流过的电流进行镜像采样，让这一镜像电流流过一个电阻，将该电阻两端的电压与基准电压进行比较产生一个控制电压从而限定过流电路的最大电流。如图2所示的过流保护电路，Mp为功率管，过流保护电路由比较器AMP，PMOS管M1、M2，采样电阻R0和晶体管Q0组成。取样管M2对流过功率管Mp的输出电流Iout进行取样，因此，PMOS管M2的漏电流I₂反映输出电流Iout的变化。比较器AMP反向输入电压即A点电压V_A为：

V_A＝R₀×I₂+V_EB

其中，V_EB为三极管Q0的发射极与基极之间的电压值。正常工作情况下，A点电压V_A＜V_ref，比较器AMP输出高电平，PMOS管M1截止。当输出电流Iout达到一定值时，A点电压V_A＞V_ref，比较器AMP输出变成低电平，PMOS管M1导通，功率管Mp的栅极电压被拉高，输出电流Iout被钳位在一定值，从而达到过流保护的目的。

但是这种过流保护电路同样存在一个问题：由于该保护电路需要基准电压、比较器、采样电阻和PMOS管，将增加功耗和面积。

综上，以上两种方式都各自存在一些问题。第一种方式由于采样电阻上的压降损失，降低了系统的转换效率，特别是在大负载的情况下，这种损失更为严重；第二种方式由于需要基准和比较电路使电路复杂化并且会浪费很多面积和功耗。

因此，有必要提供一种改进的具有保护电路的低压差线性稳压器来克服上述缺陷。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有保护电路的低压差线性稳压器，本发明的具有保护电路的低压差线性稳压器电路简单，不仅减小了面积与功耗，而且同时实现了过流保护与短路保护。

为实现上述目的，本发明提供一种具有保护电路的低压差线性稳压器，包括分别与外部电源连接的偏置电路、误差放大电路、保护电路、功率管，所述偏置电路产生偏置电压并将所述偏置电压输入至所述误差放大电路与保护电路，外部差分信号输入至所述误差放大电路，所述误差放大电路对输入的差分信号进行放大并输出至所述保护电路，所述保护电路接收所述误差放大电路输出的信号，并输出至所述功率管，所述功率管的漏极输出稳定的输出电流；其中，所述保护电路包括由第一场效应管与第二场效应管组成的源跟随单元，所述第一场效应管的源极与外部电源连接，所述第一场效应管的漏极、栅极共同连接并与所述功率管的栅极连接，所述第二场效应管的源极与所述第一场效应管的漏极连接，所述第二场效应管的栅极与所述误差放大电路的输出端连接。

较佳地，所述保护电路还包括第三场效应管，所述第三场效应管的漏极与第二场效应管的漏极连接，所述第三场效应管的栅极与其漏极连接。

较佳地，所述第三场效应管为二极管连接的场效应管。

较佳地，所述保护电路还包括第一电流源单元与第二电流源单元，所述第一电流源单元与第二电流源单元的输入端均与所述第三场效应管的源极连接；且所述第一电流源单元的控制端与所述功率管的漏极连接，所述第二电流原单元的控制端与所述偏置电路连接。

较佳地，所述第一电流源单元包括第四场效应管、第五场效应管、第六场效应管及第七场效应管；所述第四场效应管、第五场效应管的栅极均与所述偏置电路连接，所述第六场效应管、第七场效应管的栅极形成所述第一电流源单元的输出端并与所述功率管的漏极连接；所述第四场效应管的漏极形成所述第一电流源单元的输入端且与所述第三场效应管的源极连接，所述第四场效应管的源极与所述第五场效应管的漏极连接，所述第五场效应管的源极与所述第六场效应管的漏极连接，所述第六场效应管的源极与所述第七场效应管的漏极连接，所述第七场效应管的源极接地。

较佳地，所述第二电流源单元包括第八场效应管、第九场效应管；所述第八场效应管、第九场效应管的栅极形成所述第二电流源单元的输出端并与偏置电路连接，所述第八场效应管的漏极形成所述第二电流源单元的输入端并与所述第三场效应管的源极连接，所述第八场效应管的源极与所述第九场效应管的漏极连接，所述第九场效应管的源极接地。

较佳地，所述第二电流源单元还包括第十场效应管与第十一场效应管，所述第十场效应管、第十一场效应管的栅极均与所述功率管的漏极连接；所述第十场效应管的漏极与所述第九场效应管的源极连接，所述第十场效应管的源极与所述第十一场效应管的漏极连接，所述第十一场效应管的源极接地。

较佳地，所述具有保护电路的低压差线性稳压器还包括第一电阻、第二电阻、第三电阻及电容，所述第一电阻一端与所述功率管的漏极连接，所述第一电阻的另一端与所述第二电阻的一端连接，且一路外部差分信号输入所述第二电阻的一端，所述第二电阻的另一端接地；所述电容的一端与所述功率管的漏极连接，其另一端接地；所述第三电阻的一端与所述功率管的漏极连接，其另一端接地。

与现有技术相比，本发明的具有保护电路的低压差线性稳压器的所述源跟随单元具有频率补偿的作用，可以补偿整个电路的相位裕度损失，且由于源跟随单元的输出阻抗很小约等于跨导的倒数，这样将该节点的极点推向高频，使主极点与次极点分开，保证了整个电路系统的稳定性。

通过以下的描述并结合附图，本发明将变得更加清晰，这些附图用于解释本发明的实施例。

附图说明

图1为现有技术中一种具有过流保护电路的低压差线性稳压器的结构图。

图2为现有技术中另一种具有过流保护电路的低压差线性稳压器的结构图。

图3为本发明具有保护电路的低压差线性稳压器的结构框图。

图4为本发明具有保护电路的低压差线性稳压器的电路结构图。

图5为图4所示电路的等效电路图。

具体实施方式

现在参考附图描述本发明的实施例，附图中类似的元件标号代表类似的元件。如上所述，本发明提供了一种具有保护电路的低压差线性稳压器电路简单，不仅减小了面积与功耗，而且同时实现了过流保护与短路保护。

请参考图3，图3为本发明具有保护电路的低压差线性稳压器的结构框图。如图所示，本发明的具有保护电路的低压差线性稳压器，包括分别与外部电源VDD连接的偏置电路、误差放大电路、保护电路、功率管，所述偏置电路产生偏置电压并将所述偏置电压输入至所述误差放大电路与保护电路，外部差分信号V_REF与V_FB输入至所述误差放大电路，所述误差放大电路对输入的差分信号V_REF与V_FB进行放大并输入至所述保护电路，所述保护电路接收所述误差放大器输出的信号，将输出信号至所述功率管MP0，所述功率管MP0的漏极形成所述低压差线性稳压器的输出端O1并输出稳定的输出电流Iout。

请再结合参考图4，其中，所述保护电路包括由第一场效应管M1与第二场效应管M2组成的源跟随单元，所述第一场效应管M1的源极与外部电源VDD连接，所述第一场效应管M1的漏极、栅极共同连接并与所述功率管MP0的栅极连接，所述第二场效应管M2的源极与所述第一场效应管M1的漏极连接，所述第二场效应管M2的栅极与所述误差放大电路的输出端A连接。在本发明中，所述源跟随单元具有频率补偿的作用，可以补偿整个电路的相位裕度损失，且由于源跟随单元的输出阻抗很小约等于跨导的倒数，这样将该节点的极点推向高频，使主极点与次极点分开，保证了整个电路系统的稳定性。

具体地,请再结合参考图4，所述保护电路还包括第三场效应管M3，所述第三场效应管M3的漏极与第二场效应管M2的漏极连接，所述第三场效应管M3的栅极与其漏极连接，从而使得所述第三场效应管M3为二极管连接的场效应管。另外，所述保护电路还包括第一电流源单元与第二电流源单元，所述第一电流源单元与第二电流源单元的输入端均与所述第三场效应管M3的源极连接；且所述第一电流源单元的控制端与所述功率管MP0的漏极连接，从而所述第一电流源单元采样所述功率管MP0的漏极的输出电压Vout以控制输出电流Iout的大小；所述第二电流原单元的控制端与所述偏置电路连接，从而在整个电路输出短路时，所述第二电流原单元控制输出电流Iout的大小，避免过大的短路电流烧毁芯片，以实现对整个电路的过流保护。更进一步地，所述第一电流源单元包括第四场效应管M4、第五场效应管M5、第六场效应管M6及第七场效应管M7；所述第四场效应管M4、第五场效应管M5的栅极均与所述偏置电路连接，所述第六场效应管M6、第七场效应管M7的栅极形成所述第一电流源单元的控制端并与所述功率管MP0的漏极连接；所述第四场效应管M4的漏极形成所述第一电流源单元的输入端且与所述第三场效应管M3的源极连接，所述第四场效应管M4的源极与所述第五场效应管M5的漏极连接，所述第五场效应管M5的源极与所述第六场效应管M6的漏极连接，所述第六场效应管M6的源极与所述第七场效应M7管的漏极连接，所述第七场效应管M7的源极接地。所述第二电流源单元包括第八场效应管M8、第九场效应管M9；所述第八场效应管M8、第九场效应管M9的栅极形成所述第二电流源单元的控制端并与偏置电路连接，所述第八场效应管M8的漏极形成所述第二电流源单元的输入端并与所述第三场效应管M3的源极连接，所述第八场效应管M8的源极与所述第九场效应管M9的漏极连接，所述第九场效应管M9的源极接地。

另外，作为本发明的一优选实施例，所述第二电流源单元还包括第十场效应管M10与第十一场效应管M11，所述第十场效应管M10、第十一场效应管M11的栅极均与所述功率管MP0的漏极连接；所述第十场效应管M10的漏极与所述第九场效应管M9的源极连接，所述第十场效应管M10的源极与所述第十一场效应管M11的漏极连接，所述第十一场效应管M11的源极接地。

优选地，本发明的具有保护电路的低压差线性稳压器还包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3及电容C1，所述第一电阻R1一端与所述功率管MP0的漏极连接，所述第一电阻R1的另一端与所述第二电阻R2的一端连接，且一路外部差分信号V_FB输入所述第二电阻R2的一端，所述第二电阻R2的另一端接地；所述电容C1的一端与所述功率管MP0的漏极连接，其另一端接地；所述第三电阻R3的一端与所述功率管MP0的漏极连接，其另一端接地。另外，本发明的具有保护电路的低压差线性稳压器的偏置电路及误差放大电路的具体组成结构如图4所示，皆为本领域技术人员的常用技术结构，在此不再细述。

下面请再结合参考图5，描述本发明具有保护电路的低压差线性稳压器的工作原理。

如图5所示，其中电阻R_P、电容C_P分别是从图4所示C节点看到的等效输出电阻和等效电容，阻抗Rds是功率管MP0的输出阻抗，第一电阻R1和第二电阻R2形成反馈电阻网络，第三电阻R3和电容C1为负载电阻和负载补偿电容。该低压差线性稳压器系统的零极点位置由低压差线性稳压器的拓扑结构、误差放大电路结构以及第三电阻R3和电容C1的大小决定。分析该电路的闭环频率响应，存在两个低频极点(ω_p1，ω_p2)，分别位于低压差线性稳压器输出节点O1和功率管MP0的栅端节点C，即节点O1对应的低频极点为ω_p1，节点C对应的低频极点为ω_p2。其中：

其中，g_m0为功率管MPO的跨导，C_gd为功率管MPO的栅漏寄生电容，且g_m0(R_ds//(R₁+R₂)//R₃)C_gd为寄生电容C_gd在C节点的米勒效应的等效项。在本发明中，可设定低压差线性稳压器的输出电压Vout为3.3V电压，最大输出电流Iout为200mA,侧等效负载R3最小电阻约为16.5欧姆，因为R_ds//(R₁+R₂)//R₃，电容C1最小为1uF，因此极点ω_p1最大频率约在1MHz左右。

而在没有加本发明的保护电路时，在图4所示误差放大器的输出端A点看到的等效输出电阻R_P约为R_P≈r_omn8//(r_omp8+r_omp6+g_mmp8r_omp8r_omp6)(其中，r_omn8为场效应管MN8的小信号输出阻抗，r_omp8为场效应管MP8的小信号输出阻抗，r_omp6为场效应管MP6的小信号输出阻抗，g_mmp8为场效应管MP8的跨导)。而加入本发明的保护电路后，在C节点看到的等效输出电阻R_P约为其中，g_m1为第一场效应管M1的跨导，g_m2为第二场效应管M2的跨导。

由上述可知，在C点看到的等效输出电阻比A节点看到的等效输出电阻小100倍左右，因此加入本发明的保护电路后，ω_p2频率被推高100倍左右，这样使ω_p1、ω_p2之间离得更远，相位裕度更高，系统更稳定。

在本发明中，过流保护的作用主要同由第一电流源单元与第二电流源单元共同完成。具体地，其中第四场效应管M4、第五场效应管M5、第八场效应管M8及第九场效应管M9的栅电压由偏置电路中电压V_B1、V_B2决定，是固定不变的；第六场效应管M6、第七场效应管M7、第十场效应管M10及第十一场效应管M11的栅电压由输出电压Vout决定。由于节点B接地，第十场效应管M10及第十一场效应管M11没有电流，仅用于版图匹配。由于本电路中低压差线性稳压器是闭环负反馈系统，低频环路增益βA₀为

其中，g_mmp10为场效应管MP10的跨导，g_mmn7为场效应管MN7的跨导，该低频环路增益远远大于1，该电路处于深度负反馈，因此输入差分信号VFB电压等于VREF电压。

当电路处于过载状态时，随着输出电流Iout增大，由于负反馈作用A节点电压降低，源跟随单元使得C节点电压降低，使输出电流Iout增加。当A节点电压降到V_gsmn8-V_thmn8(V_gsmn8、V_thmn8分别为场效应管MN8的栅源电压与过驱动电压)时，场效应管MN8进入线性区，这时环路增益下降，不足以处于深度负反馈条件。这时第一场效应管M1电流I₁为(其中，V_gs2为第二场效应管M2的栅源电压，V_th1为第一场效应管M1的过驱动电压，为第一场效应管M1的宽长比，u_p为第一场效应管M1的沟道迁移率，C_ox为第一场效应管M1的单位面积栅氧化物电容)，由于第一场效应管M1和功率管MP0的栅电压相等，忽略沟道调制作用，则，随着输出电流Iout进一步增加，电压Vout急速下降，当Vout＜V_th6(V_th6为第六场效应管M6的阈值电压，且与第七场效应管M7的阈值电压相同)时，第六场效应管M6与第七场效应管M7关断，只有第九场效应管M9和第四场效应管M4有电流，该电流很小，为(其中，为第八场效应管M8的宽长比，为场效应管MN2的宽长比，I_mn2为流过场效应管MN2的电流)。由KCL方程可知，这时第一场效应管M1上的电流I₁为因此C节点电压被钳位到很高的电压，因此输出电流Iout被限制在安全电流，避免电流过大，烧毁芯片。这时输出电流Iout为该电流就是输出短路电流。

当负载恢复正常时，由负反馈作用，A节点电压升高使场效应管MN8进入饱和区，环路增益增加，整个电路处于深度负反馈，电路恢复正常工作状态。

综上所述，本发明的具有保护电路的低压差线性稳压器电路结构简单可靠，将过流保护和频率补偿相结合方式，既减小面积又减小功耗，且同时可实现过流保护电路与短路保护；且在运行过程中可实现自动恢复正常工作。

以上结合最佳实施例对本发明进行了描述，但本发明并不局限于以上揭示的实施例，而应当涵盖各种根据本发明的本质进行的修改、等效组合。

Claims (6)

1.一种具有保护电路的低压差线性稳压器，包括分别与外部电源连接的偏置电路、误差放大电路、保护电路、功率管，所述偏置电路产生偏置电压并将所述偏置电压输入至所述误差放大电路与保护电路，外部差分信号输入至所述误差放大电路，所述误差放大电路对输入的差分信号进行放大并输出至所述保护电路，所述保护电路接收所述误差放大电路输出的信号，并输出至所述功率管，所述功率管的漏极输出稳定的输出电流；其特征在于，所述保护电路包括由第一场效应管与第二场效应管组成的源跟随单元，所述第一场效应管的源极与外部电源连接，所述第一场效应管的漏极、栅极共同连接并与所述功率管的栅极连接，所述第二场效应管的源极与所述第一场效应管的漏极连接，所述第二场效应管的栅极与所述误差放大电路的输出端连接；所述保护电路还包括第三场效应管，所述第三场效应管的漏极与第二场效应管的漏极连接，所述第三场效应管的栅极与其漏极连接；所述保护电路还包括第一电流源单元与第二电流源单元，所述第一电流源单元与第二电流源单元的输入端均与所述第三场效应管的源极连接；且所述第一电流源单元的控制端与所述功率管的漏极连接，所述第二电流原单元的控制端与所述偏置电路连接。

2.如权利要求1所述的具有保护电路的低压差线性稳压器，其特征在于，所述第三场效应管为二极管连接的场效应管。

3.如权利要求2所述的具有保护电路的低压差线性稳压器，其特征在于，所述第一电流源单元包括第四场效应管、第五场效应管、第六场效应管及第七场效应管；所述第四场效应管、第五场效应管的栅极均与所述偏置电路连接，所述第六场效应管、第七场效应管的栅极形成所述第一电流源单元的控制端并与所述功率管的漏极连接；所述第四场效应管的漏极形成所述第一电流源单元的输入端且与所述第三场效应管的源极连接，所述第四场效应管的源极与所述第五场效应管的漏极连接，所述第五场效应管的源极与所述第六场效应管的漏极连接，所述第六场效应管的源极与所述第七场效应管的漏极连接，所述第七场效应管的源极接地。

4.如权利要求3所述的具有保护电路的低压差线性稳压器，其特征在于，所述第二电流源单元包括第八场效应管、第九场效应管；所述第八场效应管、第九场效应管的栅极形成所述第二电流源单元的控制端并与偏置电路连接，所述第八场效应管的漏极形成所述第二电流源单元的输入端并与所述第三场效应管的源极连接，所述第八场效应管的源极与所述第九场效应管的漏极连接，所述第九场效应管的源极接地。

5.如权利要求4所述的具有保护电路的低压差线性稳压器，其特征在于，所述第二电流源单元还包括第十场效应管与第十一场效应管，所述第十场效应管、第十一场效应管的栅极均与所述功率管的漏极连接；所述第十场效应管的漏极与所述第九场效应管的源极连接，所述第十场效应管的源极与所述第十一场效应管的漏极连接，所述第十一场效应管的源极接地。

6.如权利要求1-5任一项所述的具有保护电路的低压差线性稳压器，其特征在于，还包括第一电阻、第二电阻、第三电阻及电容，所述第一电阻一端与所述功率管的漏极连接，所述第一电阻的另一端与所述第二电阻的一端连接，且一路外部差分信号输入所述第二电阻的一端，所述第二电阻的另一端接地；所述电容的一端与所述功率管的漏极连接，其另一端接地；所述第三电阻的一端与所述功率管的漏极连接，其另一端接地。