CN107066014B - 一种超低功耗的低压差线性稳压器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电源管理技术领域，特别地涉及一种超低功耗的低压差线性稳压器。本发明公开了一种超低功耗的低压差线性稳压器，包括主环路电路、输出电压检测及第一动态偏置电流产生电路和第一电流源，所述第一电流源为主环路电路的误差放大器提供静态偏置电流Ib0，所述输出电压检测及第一动态偏置电流源产生电路用于检测主环路电路的输出电压的过压和欠压并把过压和欠压转换成与其正相关的电流作为主环路电路的误差放大器的第一动态偏置电流Ib1。本发明具有超低功耗(低于300nA)同时响应速度快，输出电压电流稳定，且具有过温过流保护功能，安全性和可靠性高。
Description
技术领域
本发明属于电源管理技术领域，具体地涉及一种超低功耗的低压差线性稳压器。
背景技术
随着技术的发展以及便携式电子设备的快速普及，使得集成电路设计趋向于低功耗、高安全性、高能效和高集成度等特点。
电源管理模块是芯片的基本单元电路，低压差线性稳压器(LDO，LowDropOutRegulator)作为电源管理模块在大规模集成电路系统中得到了广泛的应用
LDO由于所需外部元器件较少而在低功耗的电源管理系统中得到了广泛应用。受低功耗要求的影响，传统LDO的结构比较简单，在电源电压或者输出负载条件变化时由于没有足够的电流来支撑LDO快速响应导致LDO输出表现出较大的过压或欠压现象，并且恢复到稳定输出值的时间也较长。此外，由于LDO中保护功能需要消耗一定的功耗，所以传统的低功耗LDO中大都省略部分保护功能，包括过温保护和过流保护功能，如公开专利：CN102789256B，这样不利于芯片的工作安全，容易过温或者过流从而导致芯片失效。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超低功耗的低压差线性稳压器用以解决上述的问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种超低功耗的低压差线性稳压器，包括主环路电路、输出电压检测及第一动态偏置电流产生电路和第一电流源，所述第一电流源为主环路电路的误差放大器提供静态偏置电流Ib0，所述输出电压检测及第一动态偏置电流产生电路用于检测主环路电路的输出电压的过压和欠压并把过压和欠压转换成与其正相关的电流作为主环路电路的误差放大器的第一动态偏置电流Ib1。
进一步的，所述静态偏置电流Ib0小于10nA。
进一步的，所述输出电压检测及第一动态偏置电流产生电路包括第一电流镜、比较器A0、比较器A1、PMOS管M4-M5和NMOS管M6-M7，所述比较器A0的同相输入端接主环路的电压采样电路的输出端Vfb，所述比较器A0的反相输入端接参考电压Vref，所述比较器A0的输出端接PMOS管M4的栅极，所述比较器A1的反相输入端接主环路的电压采样电路的输出端Vfb，所述比较器A1的同相输入端接参考电压Vref，所述比较器A1的输出端接PMOS管M5的栅极，所述PMOS管M4和M5的漏极接地，所述PMOS管M4和M5的源极接第一电流镜的输入端，所述第一电流镜的输出端同时接NMOS管M6的栅极、NMOS管M7的栅极和NMOS管M7的漏极，所述NMOS管M6和M7的源极接地，所述NMOS管M6的漏极为主环路电路的误差放大器提供第一动态偏置电流Ib1。
更进一步的，所述第一电流镜为非线性电流镜。
更进一步的，所述第一电流镜包括PMOS管M8-M10，所述PMOS管M8和M9的源极接电源VCC，所述PMOS管M8的漏极同时接NMOS管M6的栅极、NMOS管M7的栅极和NMOS管M7的漏极，所述PMOS管M9的漏极同时接PMOS管M4、M5和M10的源极，所述PMOS管M8-M10的栅极同时接偏置电压Vbias，所述PMOS管M10的漏极接电流源Ib3。
进一步的，还包括输出电流检测及第二动态偏置电流产生电路，所述输出电流检测及第二动态偏置电流产生电路用于检测主环路电路的输出电流并将主环路电路的输出电流按一定比例转换后作为主环路电路的误差放大器的第二动态偏置电流Ib2。
更进一步的，所述输出电流检测及第二动态偏置电流产生电路包括PMOS管Ms1、NMOS管M11和NMOS管M12，所述PMOS管Ms1的栅极接主环路电路的输出功率管Mp0的控制端，所述PMOS管Ms1的源极接电源VCC，所述PMOS管Ms1的漏极同时接NMOS管M11的漏极、NMOS管M11的栅极和NMOS管M12的栅极，所述NMOS管M11和NMOS管M12的源极接地，所述NMOS管M12的漏极为主环路电路的误差放大器提供第二动态偏置电流Ib2。
进一步的，还包括输出电流判断电路和过流保护电路，所述输出电流判断电路用于判断主环路电路的输出电流是否超过设定值，当主环路电路的输出电流超过设定值时，则输出控制信号给过流保护电路使其启动工作，所述过流保护电路用于对主环路电路进行过流保护。
更进一步的，所述过流保护电路为折返式过流保护电路。
进一步的，还包括输出电流判断电路和过温保护电路，所述输出电流判断电路用于判断主环路电路的输出电流是否超过设定值，当主环路电路的输出电流超过设定值时，则输出控制信号给过温保护电路使其启动工作，所述过温保护电路用于对主环路电路进行过温保护。
进一步的，所述主环路电路的电压采样电路包括电阻R1和R0，所述电阻R1的第一端与电阻R0的第一端连接，所述电阻R1的第二端接主环路电路的输出功率管的输出端，所述电阻R0的第二端接地，所述电阻R1为可调电阻。
本发明的有益技术效果：
本发明通过输出电压检测及第一动态偏置电流产生电路，当输出过压或者欠压时会产生第一动态偏置电流Ib1，该电流为动态电流，只有在输出过压或者欠压情况下电流值变大，而在输出稳定时该电流值很小，且静态偏置电流Ib0设置很小，满足超低功耗的设计。
输出电压检测及第一动态偏置电流产生电路中所采用的非线性电流镜技术，使得LDO负载电压突变的幅度较大时能够提供更多的第一动态偏置电流Ib1给主环路电路的误差放大器，从而使得LDO具有更快的动态响应速度。
输出电流判断电路用于开关LDO保护功能的作用，只有输出电流超过所设定的阈值时才开启保护功能，使得在负载电流较小时保护功能关闭从而达到低负载条件下低功耗的目的，由于低负载条件不会发生过温过流的极端情况，因此输出电流检测的开关作用使得降低功耗的同时不影响电路的工作安全。
过流保护的阈值不随者输出电压设定的不同而改变，通过不同的电阻R1的值来设定不同的输出电压时过流保护的启动阈值及输出短路的电流限定值均不会改变。从而赋予输出电压更多可能的配置值，实现具有可编程的多种输出电压选择。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图；
图2为本发明实施例的主环路电路的电路原理图；
图3为本发明实施例的输出电压检测及第一动态偏置电流源产生电路的电路原理图；
图4为本发明实施例的第一电流镜的电路原理图；
图5为本发明实施例的输出电流检测及第二动态偏置电流源产生电路的电路原理图；
图6为本发明实施例的输出电流判断电路和过流保护电路的电路原理图；
图7为本发明实施例的过温保护电路的电路原理图。
具体实施方式
现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
如图1所示，一种超低功耗的低压差线性稳压器，包括主环路电路11、输出电压检测及第一动态偏置电流产生电路13和第一电流源12，所述第一电流源12为主环路电路的误差放大器提供静态偏置电流Ib0，所述输出电压检测及第一动态偏置电流产生电路13用于检测主环路电路11的输出电压的过压和欠压并把过压和欠压转换成与其正相关的电流作为主环路电路11的误差放大器的第一动态偏置电流Ib1。
本具体实施例中，所述静态偏置电流Ib0小于10nA，优选小于5nA，更优选小于3nA。即静态偏置电流Ib0的大小只要满足主环路电路11正常工作的最低值即可，从而实现超低功耗。当然，在其它实施例中，静态偏置电流Ib0根据实际情况设定，只要满足主环路电路11正常工作的最低值即可，此是本领域技术人员可以轻易实现的，不再详细说明。
本具体实施例中，主环路电路11包括误差比较器、输出功率管、补偿网络和电压采样电路，具体的，如图2所示，误差比较器包括NMOS管M0-M1和PMOS管M2-M3，输出功率管为PMOS管Mp0，补偿网络包括电容Cc和电阻Rc，电压采样电路包括电阻R1和R0，其具体连接关系可以参见图2，此不再详细说明。
本具体实施例中，电阻R1为可调电阻，通过改变电阻R1的阻值可以实现输出电压可编程的功能。环路控制使得电压Vfb＝Vref，从而获得稳定的输出电压Vout＝(R1+R0)*Vref/R0。
当然，在其它实施例中，主环路电路11也可以采用现有的其它低压差线性稳压器电路，此是本领域技术人员可以轻易实现的，不再详细说明。
本具体实施例中，如图3所示，输出电压检测及第一动态偏置电流产生电路13包括第一电流镜1、比较器A0、比较器A1、PMOS管M4-M5和NMOS管M6-M7，所述比较器A0的同相输入端接主环路电路的电压采样电路的输出端Vfb(即电阻R1和R0之间的节点)，所述比较器A0的反相输入端接参考电压Vref，所述比较器A0的输出端接PMOS管M4的栅极，所述比较器A1的反相输入端接主环路电路11的电压采样电路的输出端Vfb，所述比较器A1的同相输入端接参考电压Vref，所述比较器A1的输出端接PMOS管M5的栅极，所述PMOS管M4和M5的漏极接地，所述PMOS管M4和M5的源极接第一电流镜1的输入端，所述第一电流镜1的输出端同时接NMOS管M6的栅极、NMOS管M7的栅极和NMOS管M7的漏极，所述NMOS管M6和M7的源极接地，所述NMOS管M6的漏极接NMOS管M0和M1的源极，即为主环路电路11的误差放大器提供第一动态偏置电流Ib1。
本具体实施例中，所述第一电流镜1优选为非线性电流镜，当然，在其它实施例中，也可以采用线性电流镜。
具体的，如图4所示，所述第一电流镜1包括PMOS管M8-M10，所述PMOS管M8和M9的源极接电源VCC，所述PMOS管M8的漏极同时接NMOS管M6的栅极、NMOS管M7的栅极和NMOS管M7的漏极，所述PMOS管M9的漏极同时接PMOS管M4、M5和M10的源极，所述PMOS管M8-M10的栅极同时接偏置电压Vbias，所述PMOS管M10的漏极接电流源Ib3。当然，在其它实施例中，第一电流镜1也可以采用其它的非线性电流镜电路，此是本领域技术人员可以轻易实现的，不再详细说明。
当输出电压过压或者欠压，即电压Vref大于或者小于电压Vfb时，由于比较器A0和A1输入对管的不平衡产生了电流Idyn，完成了从过压或者欠压转成电流的变换过程。非线性电流镜1使得电流Imirr/Idyn的值随着电流Idyn的增加而增加，从而在输出过压或者欠压的情况下快速产生第一动态偏置电流Ib1，并且第一动态偏置电流Ib1的值随着过压或者欠压幅度的增加而迅速增大，从而使得LDO具有更快的动态响应速度。
当然，在其它实施例中，输出电压检测及第一动态偏置电流产生电路13也可以采用现有的其它电压检测及转换电路，此是本领域技术人员可以轻易实现的，不再详细说明。
本具体实施例中，还包括输出电流检测及第二动态偏置电流产生电路14，所述输出电流检测及第二动态偏置电流产生电路14用于检测主环路电路11的输出电流并将主环路电路11的输出电流按一定比例转换后作为主环路电路11的误差放大器的第二动态偏置电流Ib2。
具体的，如图5所示，所述输出电流检测及第二动态偏置电流产生电路14包括PMOS管Ms1、NMOS管M11和NMOS管M12，所述PMOS管Ms1的栅极接主环路电路11的PMOS管Mp0的栅极(输出功率管Mp0的控制端)，所述PMOS管Ms1的源极接电源VCC，所述PMOS管Ms1的漏极同时接NMOS管M11的漏极、NMOS管M11的栅极和NMOS管M12的栅极，所述NMOS管M11和NMOS管M12的源极接地，所述NMOS管M12的漏极接NMOS管M0和M1的源极，即为主环路电路11的误差放大器提供第二动态偏置电流Ib2。
输出电流检测及第二动态偏置电流产生电路14将主环路电路11的输出电流按一定比例缩小后输出给主环路电路11的误差放大器，作为其第二动态偏置电流Ib2，当输出电流越大时，第二动态偏置电流Ib2越大，从而使得LDO具有更快的动态响应速度。
图5只是给出了输出电流检测及第二动态偏置电流产生电路14优选的实施方式，在其它实施例中，也可以采用其它电路实现方式，此是本领域技术人员可以轻易实现的，不再详细说明。
本具体实施例中，还包括输出电流判断电路15和过流保护电路16，所述输出电流判断电路15用于判断主环路电路11的输出电流是否超过设定值，当主环路电路11的输出电流超过设定值时，则输出控制信号给过流保护电路16使其启动工作，所述过流保护电路16用于对主环路电路11进行过流保护。
本具体实施例中，所述过流保护电路16优选为折返式过流保护电路。
具体的，如图6所示，输出电流判断电路15包括PMOS管Ms0和参考电流源Ib4，所述过流保护电路16包括PMOS管M13-M17、NMOS管M22-M23、开关SW0-SW2、PMOS管Mp1-Mp2、电阻R2-R3和电流源Ib5-Ib7。具体连接关系参见图6，此不再细说，PMOS管Ms0和参考电流源Ib4之间的节点OC为输出电流判断电路15的输出端，用于输出控制信号给开关SW0-SW2的控制端，控制开关SW0-SW2导通。
当主环路电路11的输出电流大于设定值(过流)，即PMOS管Ms0中的电流大于参考电流源Ib4的电流时，输出端OC输出为高电平，开关SW0-SW2闭合从而接通过流保护电路16，过流保护电路16确定了启动阈值及输出短路时PMOS管Mp0上流过电流的限定值。负载过流时的启动阈值Ioc＝N*Vref/R2，其中N为PMOS管Mp0与PMOS管Ms0的镜像比例。输出短路时的电流限定值Ilim＝N*Ib8*R3/R2。通过设定不同的电阻R1的值来设定不同的输出电压时过流保护的启动阈值及输出短路的电流限定值均不会改变。从而赋予输出电压更多可能的配置值。
当PMOS管Ms0中的电流小于参考电流源Ib4的电流时，输出端OC输出为低电平，开关SW0-SW2断开从而断开过流保护电路，节省能耗。
当然，在其它实施例中，输出电流判断电路15和过流保护电路16也可以采用现有的电路来实现，此是本领域技术人员可以轻易实现的，不再详细说明。
本具体实施例中，还包括过温保护电路16，当主环路电路11的输出电流超过设定值时，输出电流判断电路15输出控制信号给过温保护电路16使其启动工作，所述过温保护电路16用于对主环路电路11进行过温保护。
具体的，主环路电路11的NMOS管M0和M1的源极均通过开关SW6与第一电流源12、第一动态偏置电流Ib1和第二动态偏置电流Ib2连接，过温保护电路16包括PMOS管M18-M19、NMOS管M20-M21、开关SW3-SW5，电阻R3、电流源Ib8-Ib10和温度传感器D1，具体连接关系详见图7，此不再细说，开关SW3-SW5的控制端接输出电流判断电路15的输出端OC，PMOS管M18的漏极和NMOS管M20的漏极之间的节点为过温保护电路16的输出端OT，输出端OT与开关SW6的控制端连接。本具体实施例中，温度传感器D1为热敏二极管。
当输出端OC为高电平时，开关SW3-SW5闭合从而接通过温保护电路16，当温度超过设定值时，输出端OT输出高电平，使开关SW6断开，从而使主环路电路11停止工作，实现过温保护。
当输出端OC为低电平时，开关SW3-SW5断开从而断开过温保护电路16，降低能耗。由于过温情况只可能发生在输出电流比较大的情况下，因此在输出电流比较下时关断过温保护电路16不会影响其芯片的过温保护功能。
尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种超低功耗的低压差线性稳压器，其特征在于：包括主环路电路、输出电压检测及第一动态偏置电流产生电路和第一电流源，所述第一电流源为主环路电路的误差放大器提供静态偏置电流Ib0，所述输出电压检测及第一动态偏置电流产生电路用于检测主环路电路的输出电压的过压和欠压并把过压和欠压转换成与其正相关的电流作为主环路电路的误差放大器的第一动态偏置电流Ib1，具体的，所述输出电压检测及第一动态偏置电流产生电路包括第一电流镜、比较器A0、比较器A1、PMOS管M4-M5和NMOS管M6-M7，所述比较器A0的同相输入端接主环路电路的电压采样电路的输出端Vfb，所述比较器A0的反相输入端接参考电压Vref，所述比较器A0的输出端接PMOS管M4的栅极，所述比较器A1的反相输入端接主环路电路的电压采样电路的输出端Vfb，所述比较器A1的同相输入端接参考电压Vref，所述比较器A1的输出端接PMOS管M5的栅极，所述PMOS管M4和M5的漏极接地，所述PMOS管M4和M5的源极接第一电流镜的输入端，所述第一电流镜的输出端同时接NMOS管M6的栅极、NMOS管M7的栅极和NMOS管M7的漏极，所述NMOS管M6和M7的源极接地，所述NMOS管M6的漏极为主环路电路的误差放大器提供第一动态偏置电流Ib1。
2.根据权利要求1所述的超低功耗的低压差线性稳压器，其特征在于：所述静态偏置电流Ib0小于10nA。
3.根据权利要求1所述的超低功耗的低压差线性稳压器，其特征在于：所述第一电流镜为非线性电流镜。
4.根据权利要求3所述的超低功耗的低压差线性稳压器，其特征在于：所述第一电流镜包括PMOS管M8-M10，所述PMOS管M8和M9的源极接电源VCC，所述PMOS管M8的漏极同时接NMOS管M6的栅极、NMOS管M7的栅极和NMOS管M7的漏极，所述PMOS管M9的漏极同时接PMOS管M4、M5和M10的源极，所述PMOS管M8-M10的栅极同时接偏置电压Vbias，所述PMOS管M10的漏极接电流源Ib3。
5.根据权利要求1或2所述的超低功耗的低压差线性稳压器，其特征在于：还包括输出电流检测及第二动态偏置电流产生电路，所述输出电流检测及第二动态偏置电流产生电路用于检测主环路电路的输出电流并将主环路电路的输出电流按一定比例转换后作为主环路电路的误差放大器的第二动态偏置电流Ib2。
6.根据权利要求5所述的超低功耗的低压差线性稳压器，其特征在于：所述输出电流检测及第二动态偏置电流产生电路包括PMOS管Ms1、NMOS管M11和NMOS管M12，所述PMOS管Ms1的栅极接主环路电路的输出功率管Mp0的控制端，所述PMOS管Ms1的源极接电源VCC，所述PMOS管Ms1的漏极同时接NMOS管M11的漏极、NMOS管M11的栅极和NMOS管M12的栅极，所述NMOS管M11和NMOS管M12的源极接地，所述NMOS管M12的漏极为主环路电路的误差放大器提供第二动态偏置电流Ib2。
7.根据权利要求1或2所述的超低功耗的低压差线性稳压器，其特征在于：还包括输出电流判断电路和过流保护电路，所述输出电流判断电路用于判断主环路电路的输出电流是否超过设定值，当主环路电路的输出电流超过设定值时，则输出控制信号给过流保护电路使其启动工作，所述过流保护电路用于对主环路电路进行过流保护。
8.根据权利要求1或2所述的超低功耗的低压差线性稳压器，其特征在于：还包括输出电流判断电路和过温保护电路，所述输出电流判断电路用于判断主环路电路的输出电流是否超过设定值，当主环路电路的输出电流超过设定值时，则输出控制信号给过温保护电路使其启动工作，所述过温保护电路用于对主环路电路进行过温保护。
9.根据权利要求1或2所述的超低功耗的低压差线性稳压器，其特征在于：所述主环路电路的电压采样电路包括电阻R1和R0，所述电阻R1的第一端与电阻R0的第一端连接，所述电阻R1的第二端接主环路电路的输出功率管Mp0的输出端，所述电阻R0的第二端接地，所述电阻R1为可调电阻。
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