CN106300965A - 一种基于负载供电的升压电源ldo供电系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种基于负载供电的升压电源LDO供电系统，包括：供电模块、LDO功能模块和BOOST模块。供电模块为LDO功能模块供电,进而给BOOST模块提供电源电压VDD。BOOST模块会产生一个负载输出电压IN2。本发明的实例中，芯片上电时由外加输入端IN1供电，随后芯片的其它模块开始工作。因为应用在BOOST电路中，负载输出IN2电位要高于系统输入IN1电位，进而供电模块切换到负载输出IN2供电。供电模块、LDO功能模块和BOOST模块一起实现了供电自动切换功能。供电切换可以让芯片工作更高效，静态电流更小，节约电能，大大的减小芯片的消耗。

Description

一种基于负载供电的升压电源LDO供电系统

技术领域

本发明涉及到集成电路开关电源技术领域，尤其是涉及一种基于负载供电的升压电源LDO供电系统。

背景技术

如今，可移动电子设备已广泛应用到生活领域和工业领域之中，电源集成电路作为电子设备技术发展的前提已成为整个集成电路研究的热点。大多数可移动电子设备采用电池对设备进行供电，由于某些可移动电子设备所需要的充电电压远高于电池的供电电压，这为集成升压转换电路提供了广阔的市场需求。

移动设备从便携性角度考虑，需要电源的体积和质量相对较小。但移动设备又需要较好的续航性，这需要电源能量大，能长时间给设备供电。这两点要求电源同时具有小体积和高能量的特点，即电源要有很高的转换效率。并且，不同设备所需的供电电压也各不相同，部分设备需要较高的输入电压(10V以上)。仅用锂电池供电显然无法满足有高输入电压需求的设备供电要求，这些设备需要专用的电源。

线性低压差稳压电路(Low Dropout Regulator,LDO)是一种低功耗、低噪声且高电源抑制比的新一代集成电路稳压器，实现降压功能，得到输出电压VDD给芯片各个模块供电。

一般的线性低压差稳压电路是由输入产生一个稳定的电压给系统其它模块供电，满足用户的要求。但是随着集成电路的发展，以及应用的不同，降低功耗和提高转换效率已经成了比较关切的问题。因而存在负载供电方式线性低压差稳压电路的需要。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于负载供电的升压电源LDO供电系统，使得芯片工作更高效，功耗更低，同时也起到隔离电源的作用。

本发明公开的技术方案包括：

提供了一种基于负载供电的升压电源LDO供电系统，其特征在于，包括：供电模块：供电模块为LDO功能模块供电，IN1和IN2只有一端输入供电，不能同时供电，肖特基二极管D1和D2保证了这个功能，且肖特基二极管面积也要满足一定的要求，保证充足的供电电流；LDO功能模块：LDO功能模块包括运算放大电路(10)和共源级放大电路(30)，实现一个线性低压差稳压电路功能，为BOOST模块提供电源VDD，其中共源级放大电路的输出端VDD通过电阻R1与运算放大器电路的正向输入端inp连接在一起，用于为所述运算放大器电路提供从输入到输出的反馈环路，并实现共源级放大电路的输出与运算放大器电路的输入形成线性跟随关系；供电模块和LDO功能模块一起组成LDO电路，BOOST模块产生负载输出OUT，反馈到供电模块，接到供电模块输入端IN2,实现一个完整的负载供电LDO供电系统。

本发明的一个实例中，所述供电电路包括第一肖特基二极管D1、第二肖特基二极管D2、第一场效应管PM1和第三电阻R3，其中：所述第一肖特基二极管D1的阳极连接到芯片输入IN，第一肖特基二极管D1的阴极极连接到所述第一场效应管PM1的源极；所述第二肖特基二极管D2的阳极连接到芯片负载输出OUT，第二肖特基二极管D2的阴极极连接到所述第一场效应管PM1的源极；所述第一场效应管PM1的栅端和漏端连接到一起构成二极管连接方式，连接到第三电阻R3的一端；所述第三电阻R3的另一端连接到所述运算放大器电路的输出端op_out和所述共源级放大电路的第二场效应管PM2的栅极。

本发明的一个实例中，所述共源级放大电路包括第二场效应管PM2、第一电阻R1、第二电阻R2、第一补偿电容C1、第二负载电容C2，其中：所述第二场效应管PM2的源端连接到所述供电电路的第一肖特基二极管D1和第二肖特基二极管D2的阴极Vin,所述第二场效应管PM2的栅端连接到所述运算放大器电路的输出端op_out，所述第二场效应管PM2的漏端连接到所述第一电阻R1、第一补偿电容C1和第二负载电容C2的公共端成为输出端VDD；所述第一电阻R1和第二电阻R2串联，第一电阻R1和第一补偿电容C1并联，所述第一电阻R1、第二电阻R2和第一补偿电容C1的公共连接端接到所述运算放大器电路的正向输入端inp；所述第二电阻R2的另一端接地；所述第二负载电容C2的另一端接地。

本发明的一个实例中，所述运算放大器电路包括第三场效应管PM3、第四场效应管PM4、第五场效应管PM5、第六场效应管PM6、第七场效应管NM1、第八场效应管NM2、第九场效应管NM3、第十场效应管NM4，其中：所述第三场效应管PM3的栅极和第四场效应管PM4的栅极连接在一起，所述第三场效应管PM3的源极接到高电位端Vin，所述第三场效应管PM3的漏极接到所述第五场效应管PM5的源极，并且连接到所述运算放大器电路的输出端op_out；所述第四场效应管PM4的源极接到高电位端Vin，所述第四场效应管PM4的栅极和漏级接到一起连接到所述第六场效应管PM6的源极；所述第五场效应管PM5的栅极和第六场效应管PM6的栅极连接在一起，外接到一个偏置电位pbias,所述第五场效应管PM5的漏极接到所述第七场效应管NM1的漏极和第八场效应管NM2的漏极；所述第六场效应管PM6的漏极接到所述第九场效应管NM3的漏极；所述第七场效应管NM1的栅极接到所述运算放大器电路的反向输入端inn1，所述第七场效应管NM1的源极和第八场效应管NM2的源极、第九场效应管NM3的源极连接到一起，接到所述第十场效应管NM4的漏极；所述第八场效应管NM2的栅极接到所述运算放大器电路的反向输入端inn2；所述第九场效应管NM3的栅极接到所述运算放大器电路的正向输入端inp；所述第十场效应管NM4的栅极外接到一个偏置电位nbias,所述第十场效应管NM4的源极接地。

本发明的实例中，芯片上电时由输入端IN供电，产生一个输出电压，随后芯片的其它模块开始工作。因为应用在BOOST电路中，负载输出OUT电位要高于系统输入IN电位，进而由芯片负载输出端OUT供电，产生一个新的输出电压。运算放大器电路10和供电电路20实现了供电切换功能。供电切换可以让芯片工作更高效，静态电流更小，节约电能，大大的减小芯片的消耗。负载供电可以让输出电压更稳定，各模块工作更高效稳定，避免了因为输入不稳定导致的输出电压容易波动的缺点。

附图说明

图1是本发明实施例的基于负载供电的升压电源LDO供电系统示意图。

图2是本发明实施例的基于负载供电的升压电源LDO电路的结构示意图。

图3是本发明实施例的运算放大器电路的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图详细说明本发明的实施例的基于负载供电的升压电源LDO电路具体结构。

图2为本发明一个实施例的基于负载供电的升压电源LDO电路的结构示意图。

如图2所示，本发明一些实施例中，一种基于负载供电的升压电源LDO电路包括运算放大器电路10、供电电路20和共源级放大电路30。

运算放大器电路10包括正向输入端inp、反向输入端inn1、反向输入端inn2和输出端op_out，运算放大器电路的两个反向输入端inn1和inn2只有一个会输入进来，并且所述运算放大器电路10使所述正向输入端inp的电压和所述反向输入端的一端inn1或者inn2的电压相等(例如，近似相等，本文中，当谈及电压相等时，不严格限制电压必须完全相等，而是两个电压之间的差在一定误差范围内时仍然包含在本文中的“相等”范围内)；供电电路20，所述供电电路20为运算放大器电路10和共源级放大电路30供电，IN和OUT只有一端为电路供电，不能同时工作，肖特基二极管D1和D2保证了这个功能；共源级放大电路30，所述共源级放大电路30的输入端连接到所述运算放大器电路10的输出端op_out，通过电阻分压得到输出电压VDD。其中共源级放大电路30的输出端VDD通过电阻R1与运算放大器电路10的正向输入端inp连接在一起，用于为所述运算放大器电路10提供从输入到输出的反馈环路，并实现共源级放大电路30的输出与运算放大器电路10的输入形成线性跟随关系。

如图2所示，本发明的一些实施例中，供电电路20包括第一肖特基二极管D1、第二肖特基二极管D2、第一场效应管PM1和第三电阻R3。

第一肖特基二极管D1的阳极连接到芯片输入IN，第一肖特基二极管D1的阴极连接到所述第一场效应管PM1的源极；所述第二肖特基二极管D2的阳极连接到芯片负载输出OUT，第二肖特基二极管D2的阴极极连接到所述第一场效应管PM1的源极；两个二极管的阴极连接在一起给图一实例中的运算放大器电路10提供电源Vin；所述第一场效应管PM1的栅端和漏端连接到一起构成二极管连接方式，连接到第三电阻R3的一端；所述第三电阻R3的另一端连接到所述运算放大器电路10的输出端op_out和所述共源级放大电路30的第二场效应管PM2的栅极。

如图2所示，本发明的一些实施例中，共源级放大电路30包括第二场效应管PM2、第一电阻R1、第二电阻R2、第一补偿电容C1、第二负载电容C2，其中：所述第二场效应管PM2的源端连接到所述供电电路20的第一肖特基二极管D1和第二肖特基二极管D2的阴极Vin,所述第二场效应管PM2的栅端连接到所述运算放大器电路10的输出端op_out，所述第二场效应管PM2的漏端连接到所述第一电阻R1、第一补偿电容C1和第二负载电容C2的公共端成为输出端VDD；所述第一电阻R1和第二电阻R2串联，第一电阻R1和第一补偿电容C1并联，所述第一电阻R1、第二电阻R2和第一补偿电容C1的公共连接端接到所述运算放大器电路10的正向输入端inp；所述第二电阻R2的另一端接地；所述第二负载电容C2的另一端接地。

在这些实施例中，R1和R2的阻值比例可以任意调节，得到所需要的VDD。第二场效应管PM2的漏端会走很大的电流，因此第二场效应管PM2的宽长比要很大。第一场效应管PM1和第三电阻R3两端的压差(Vin—op_out)为第二场效应管PM2的源极—栅极之差Vgs1,设置第一场效应管PM1的宽长比和第三电阻R3的阻值可以让第二场效应管PM2工作在饱和区。

如图3所示，本发明的一些实例中，运算放大器电路10包括第三场效应管PM3、第四场效应管PM4、第五场效应管PM5、第六场效应管PM6、第七场效应管NM1、第八场效应管NM2、第九场效应管NM3、第十场效应管NM4，其中：所述第三场效应管PM3的栅极和第四场效应管PM4的栅极连接在一起，所述第三场效应管PM3的源极接到高电位端Vin，所述第三场效应管PM3的漏极接到所述第五场效应管PM5的源极，并且连接到所述运算放大器电路10的输出端op_out；所述第四场效应管PM4的源极接到高电位端Vin，所述第四场效应管PM4的栅极和漏级接到一起连接到所述第六场效应管PM6的源极；所述第五场效应管PM5的栅极和第六场效应管PM6的栅极连接在一起，外接到一个偏置电位pbias,所述第五场效应管PM5的漏极接到所述第七场效应管NM1的漏极和第八场效应管NM2的漏极；所述第六场效应管PM6的漏极接到所述第九场效应管NM3的漏极；所述第七场效应管NM1的栅极接到所述运算放大器电路10的反向输入端inn1，所述第七场效应管NM1的源极和第八场效应管NM2的源极、第九场效应管NM3的源极连接到一起，接到所述第十场效应管NM4的漏极；所述第八场效应管NM2的栅极接到所述运算放大器电路10的反向输入端inn2；所述第九场效应管NM3的栅极接到所述运算放大器电路10的正向输入端inp；所述第十场效应管NM4的栅极外接到一个偏置电位nbias,所述第十场效应管NM4的源极接地。

本发明的实例中，运算放大器电路10中的两个偏置电位由普通的偏置电路产生就不在赘述，电源Vin由供电电路20提供，不同的供电端输入会产生不同的电源Vin。第七场效应管NM1、第八场效应管NM2不会同时工作，根据栅极输入决定。因为共源级放大电路30提供了反馈回路，使得运算放大器电路10满足虚短条件，即运算放大器电路10工作在负反馈环路中且开环增益很大，从而实现运算放大器电路10的正相输入端和反向输入端的电压相等，同时也使系统处于稳定状态。

本发明的实例中，芯片上电时由外加输入端IN1供电，随后芯片的其它模块开始工作。因为应用在BOOST电路中，负载输出IN2电位要高于系统输入IN1电位，进而供电模块切换到负载输出IN2供电。供电模块、LDO功能模块和BOOST模块一起实现了供电自动切换功能。供电切换可以让芯片工作更高效，静态电流更小，节约电能，大大的减小芯片的消耗。

下面简要说明本发明实施例的电路的工作原理。

例如，图2所示的实施例中，当芯片开始上电时，芯片由IN输入，给电路供电，芯片其他模块还未启动，即只有一个inn1输入到运算放大器电路10，由运算放大器电路10的正相输入端和反向输入端的电压相等以及电阻分压关系，产生一个稳压输出VDD1，即：

$VDD1=(1+\frac{R1}{R2})\×inp---\left(1\right)$

其中，此时运算放大器电路10的正相输入端inp的电压与反向输入端inn1的电压相等。

当VDD1稳定以后，可以驱动系统一些模块进行工作，比如带隙基准模块，然后芯片输出OUT会缓慢抬升到设定的值，然后OUT输入到供电电路20，因为是应用在升压电路中，所以负载输出OUT肯定比IN高。二极管的正向导通特性使得此时IN供电端被断路，由负载OUT给电路供电。运算放大器电路10的另一个反向输入端inn2连接到带隙基准模块输出，一般设定为1.25V，产生一个新的稳压输出VDD2，即：

$VDD2=(1+\frac{R1}{R2})\×inp---\left(1\right)$

其中，此时运算放大器电路10的正相输入端inp的电压与反向输入端inn2的电压相等。

可见本发明的实施例通过一次电压切换，稳压电路由负载OUT进行供电，得到一个稳定输出VDD，给芯片其它模块供电，实现了负载供电线性稳压电路功能。本发明的实施例可以让芯片工作更高效，静态电流更小，节约电能，大大的减小芯片的消耗。

以上通过具体的实施例对本发明进行了说明，但本发明并不限于这些具体的实施例。本领域技术人员应该明白，还可以对本发明做各种修改、等同替换、变化等等，这些变换只要未背离本发明的精神，都应在本发明的保护范围之内。此外，以上多处所述的“一个实施例”表示不同的实施例，当然也可以将其全部或部分结合在一个实施例中。

Claims (3)

1.一种基于负载供电的升压电源LDO供电系统，其特征在于，包括：

供电模块：供电模块为LDO功能模块供电，IN1和IN2只有一端输入供电，不能同时供电；LDO功能模块：LDO功能模块包括运算放大电路（10）和共源级放大电路（30），实现一个线性低压差稳压电路功能，为BOOST模块提供电源VDD;

供电模块和LDO功能模块一起组成LDO电路，BOOST模块产生负载输出OUT，反馈到供电模块，接到供电模块输入端IN2,实现一个完整的负载供电LDO供电系统。

2.如权利要求1所述的一种基于负载供电的升压电源LDO供电系统，其特征在于，所述供电电路（20）包括第一肖特基二极管D1、第二肖特基二极管D2、第一场效应管PM1和第三电阻R3，其中：

所述第一肖特基二极管D1的阳极连接到芯片输入IN，第一肖特基二极管D1的阴极极连接到所述第一场效应管PM1的源极；

所述第二肖特基二极管D2的阳极连接到芯片负载输出OUT，第二肖特基二极管D2的阴极极连接到所述第一场效应管PM1的源极；

所述第一场效应管PM1的栅极和漏级连接到一起构成二极管连接方式，连接到第三电阻R3的一端；

所述第三电阻R3的另一端连接到所述运算放大器电路（10）的输出端op_out和所述共源级放大电路（30）的第二场效应管PM2的栅极。

3.如权利要求1所述的一种基于负载供电的升压电源LDO功能模块电路，其特征在于，所述共源级放大电路（30）包括第二场效应管PM2、第一电阻R1、第二电阻R2、第一补偿电容C1、第二负载电容C2，其中：

所述第二场效应管PM2的源端连接到所述供电电路（20）的第一肖特基二极管D1和第二肖特基二极管D2的阴极Vin, 所述第二场效应管PM2的栅端连接到所述运算放大器电路（10）的输出端op_out，所述第二场效应管PM2的漏端连接到所述第一电阻R1、第一补偿电容C1和第二负载电容C2的公共端成为输出端VDD；

所述第一电阻R1和第二电阻R2串联，第一电阻R1和第一补偿电容C1并联，所述第一电阻R1、第二电阻R2和第一补偿电容C1的公共连接端接到所述运算放大器电路（10）的正向输入端inp；

所述第二电阻R2的另一端接地；

所述第二负载电容C2的另一端接地。