CN107390772B - 高电源电压低功耗低压差线性稳压器 - Google Patents

高电源电压低功耗低压差线性稳压器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及集成电路技术。本发明解决了现有低压差线性稳压器功耗较大的问题，提供了一种高电源电压低功耗低压差线性稳压器，其技术方案可概括为：高电源电压低功耗低压差线性稳压器，包括外部电源输入端、电压输出端、PMOS管一、PMOS管二、JFET耐压管一、JFET耐压管二、NMOS管、NPN管一、NPN管二、二极管、电容、电阻一、电阻二、电阻三及电阻四。本发明的有益效果是，避免使用误差放大器，电路结构简单，功耗较小，由于使用了JFET耐压管一及JFET耐压管二，从而可以在高电源电压下工作，适用于低压差线性稳压器。

Description

高电源电压低功耗低压差线性稳压器
技术领域
本发明涉及集成电路技术，特别涉及低压差线性稳压器。
背景技术
低压差线性稳压器(Low Dropout Regulator，LDO)作为现代电源管理芯片的主要组成部分，是一个自功耗很低的微型片上系统，它通常由具有极低导通电阻RDS(ON)的MOS调整管、基准电源、误差放大器和各种保护电路等功能模块集成在同一个芯片上而成的。其特点在于工作过程中没有开关动作，噪声比较低且整个单元设计简单，元件数目少，整个芯片面积小便于集成。LDO的主要技术指标包括：压差，线性调整率，负载调整率，电源抑制比(Power Supply Rejection,PSR)，负载瞬态响应等。
LDO基本结构如图1所示，由误差放大器A1、基准电压BG、功率管M1、电阻一R1、电阻二R2、等效寄生电阻R及电容C构成；其中误差放大器A1通过放大反馈电压与基准电压的差值，调节功率管M1的栅极电压，从而增大或减小功率管M1提供的电流为电容C充放电，从而稳定输出电压VOUT。但是这种结构复杂，功耗较大，使用到了误差放大器，基准电压这两个模块，这两个模块中的晶体管数目很多，并且，这种结构难以适用于高电源电压下。
发明内容
本发明的目的是解决目前低压差线性稳压器功耗较大的问题，提供一种高电源电压低功耗低压差线性稳压器。
本发明解决其技术问题，采用的技术方案是，高电源电压低功耗低压差线性稳压器，包括外部电源输入端及电压输出端，其特征在于，还包括PMOS管一、PMOS管二、JFET耐压管一、JFET耐压管二、NMOS管、NPN管一、NPN管二、二极管、电容、电阻一、电阻二、电阻三及电阻四，所述PMOS管一的源极、PMOS管二的源极及NMOS管的漏极都与外部电源输入端连接，PMOS管一的漏极与自身栅极连接，且与PMOS管二的栅极及JFET耐压管一的漏极连接，PMOS管二的漏极与JFET耐压管二的漏极连接，且与NMOS管的栅极及二极管的负极连接，JFET耐压管一的栅极与JFET耐压管二的栅极连接，且接地，JFET耐压管一的源极与NPN管一的集电极连接，JFET耐压管二的源极与NPN管二的集电极连接，NPN管一的发射极与电阻一的一端连接，电阻一的另一端与NPN管二的发射极连接，且通过电阻二接地，二极管的正极与NMOS管的源极连接，且与电阻三的一端连接，电阻三的另一端通过电阻四接地，且与NPN管一的基极及NPN管二的基极连接，电压输出端与NMOS管的源极连接，且通过电容接地。
具体的，所述PMOS管一及PMOS管二均为增强型PMOS管；所述NMOS管为增强型NMOS管。
本发明的有益效果是，通过上述高电源电压低功耗低压差线性稳压器，可以看出，其避免使用误差放大器，电路结构简单，功耗较小，由于使用了JFET耐压管一及JFET耐压管二，从而可以在高电源电压下工作。
附图说明
图1为传统的低压差线性稳压器的电路示意图；
图2为本发明的高电源电压低功耗低压差线性稳压器的电路示意图；
其中，A1为误差放大器，M1为功率管，C为电容，VOUT为输出电压，VIN为外部输入电压，BG为基准电压，R1为电阻一，R2为电阻二，R3为电阻三，R4为电阻四，R为等效寄生电阻，MN1为JFET耐压管一，MN2为JFET耐压管二，MP1为PMOS管一，MP2为PMOS管二，MN3为NMOS管，D1为二极管，Q1为NPN管一，Q2为NPN管二，VFB为NPN管一及NPN管二的基极的反馈电压，I1为NPN管一的集电极输入的电流，I2为NPN管二的集电极输入的电流，V1为NPN管二发射极的电压。
具体实施方式
下面结合附图及实施例，详细描述本发明的技术方案。
本发明所述的高电源电压低功耗低压差线性稳压器，其电路示意图参见图2，外部电源输入端、电压输出端、PMOS管一MP1、PMOS管二MP2、JFET耐压管一MN1、JFET耐压管二MN2、NMOS管MN3、NPN管一Q1、NPN管二Q2、二极管D1、电容C、电阻一R1、电阻二R2、电阻三R3及电阻四R4，其中，PMOS管一MP1的源极、PMOS管二MP2的源极及NMOS管MN3的漏极都与外部电源输入端连接，PMOS管一MP1的漏极与自身栅极连接，且与PMOS管二MP2的栅极及JFET耐压管一MN1的漏极连接，PMOS管二MP2的漏极与JFET耐压管二MN2的漏极连接，且与NMOS管MN3的栅极及二极管D1的负极连接，JFET耐压管一MN1的栅极与JFET耐压管二MN2的栅极连接，且接地，JFET耐压管一MN1的源极与NPN管一Q1的集电极连接，JFET耐压管二MN2的源极与NPN管二Q2的集电极连接，NPN管一Q1的发射极与电阻一R1的一端连接，电阻一R1的另一端与NPN管二Q2的发射极连接，且通过电阻二R2接地，二极管D1的正极与NMOS管MN3的源极连接，且与电阻三R3的一端连接，电阻三R3的另一端通过电阻四R4接地，且与NPN管一Q1的基极及NPN管二Q2的基极连接，电压输出端VOUT与NMOS管MN3的源极连接，且通过电容C接地。
实施例
本发明实施例中的高电源电压低功耗低压差线性稳压器，其电路示意图参见图2，外部电源输入端、电压输出端、PMOS管一MP1、PMOS管二MP2、JFET耐压管一MN1、JFET耐压管二MN2、NMOS管MN3、NPN管一Q1、NPN管二Q2、二极管D1、电容C、电阻一R1、电阻二R2、电阻三R3及电阻四R4，其中，PMOS管一MP1的源极、PMOS管二MP2的源极及NMOS管MN3的漏极都与外部电源输入端连接，PMOS管一MP1的漏极与自身栅极连接，且与PMOS管二MP2的栅极及JFET耐压管一MN1的漏极连接，PMOS管二MP2的漏极与JFET耐压管二MN2的漏极连接，且与NMOS管MN3的栅极及二极管D1的负极连接，JFET耐压管一MN1的栅极与JFET耐压管二MN2的栅极连接，且接地，JFET耐压管一MN1的源极与NPN管一Q1的集电极连接，JFET耐压管二MN2的源极与NPN管二Q2的集电极连接，NPN管一Q1的发射极与电阻一R1的一端连接，电阻一R1的另一端与NPN管二Q2的发射极连接，且通过电阻二R2接地，二极管D1的正极与NMOS管MN3的源极连接，且与电阻三R3的一端连接，电阻三R3的另一端通过电阻四R4接地，且与NPN管一Q1的基极及NPN管二Q2的基极连接，电压输出端VOUT与NMOS管MN3的源极连接，且通过电容C接地。
这里，PMOS管一及PMOS管二可采用普通的增强型PMOS管；NMOS管也可采用普通的增强型NMOS管。
使用时，为其外部电源输入端输入外部电压VIN，则电压输出端输出电压VOUT。
其中，NPN管一Q1和NPN管二Q2与电阻一R1和电阻二R2一同产生一个基准电压，使反馈电压VFB(即NPN管一及NPN管二的基极的反馈电压VFB)等于该基准电压值，与此同时，该基准部分与PMOS电流镜(由PMOS管一MP1、PMOS管二及外部电源组成)一同组成一个误差放大器。该误差放大器通过放大反馈电压VFB与基准电压的差值，调节NMOS管MN3的栅极电压，从而增大或减小NMOS管MN3提供的电流为电容充放电，进而稳定输出电压。
其具体工作过程是：当输出电压VOUT减小，则反馈电压VFB减小，NPN管一Q1和NPN管二Q2的基极电压降低，NPN管一Q1和NPN管二Q2支路的电流随之下降，但NPN管二Q2支路电流下降的比NPN管一Q1支路快，通过PMOS管一MP1和PMOS管二MP2电流镜的作用，NMOS管MN3的栅极电压升高，NMOS管MN3的驱动电流增大，所以输出电压VOUT升高。反之，当输出电压VOUT增大，NPN管二Q2支路电流增大的比NPN管一Q1支路快，通过PMOS管一MP1和PMOS管二MP2电流镜的作用，NMOS管MN3的栅极电压降低，NMOS管MN3的驱动电流减小，所以输出电压VOUT降低，实现了低压差线性稳压器的功能。
基准电压产生的原理如下：
电阻一R1的I-V方程为：
Vbe2-Vbe1＝I1R1
△Vbe＝I1R1
电阻二R2的I-V方程为：
VFB-Vbe2＝(I1+I2)R2
其中，Vbe2是指代NPN管二Q2的基极与发射极间电压，Vbe1是指代NPN管一Q1的基极与发射极间电压，ΔVbe是指代NPN管二Q2的基极与发射极间电压与NPN管一Q1的基极与发射极间电压的差值。
由于I1电流支路和I2电流支路的电流相等，即有关系式：I1＝I2，因此，联立方程△Vbe＝I1R1和VFB-Vbe2＝(I1+I2)R2得到方程：
其中，n是指代电流I2与电流I1的比值，上中加号前面一项(即)是正温度系数，加号后面一项(即Vbe2)是负温度系数的，所以通过该结构产生使反馈电压VFB成为一个与温度无关的基准电压。
为了使低压差线性稳压器可以在较高电源电压下工作，如图2所示，使用了JFET耐压管一MN1和JFET耐压管二MN2。JFET器件(JFET耐压管一MN1和JFET耐压管二MN2)可以耐高压，因此在JFET耐压管一MN1和JFET耐压管二MN2的漏极到源极上会降很高的电压，可以使该结构在高电源电压下正常工作，实现高压电源的变换。
同时，该发明中的低压差线性稳压器结构使用晶体管数目极少，只用到了3个MOSFET器件、2个JFET器件、以及2个NPN管，电路结构极为精简。整体电路只由3条支路构成，所以功耗也很低。

Claims (2)

1.高电源电压低功耗低压差线性稳压器，包括外部电源输入端及电压输出端，其特征在于，还包括PMOS管一、PMOS管二、JFET耐压管一、JFET耐压管二、NMOS管、NPN管一、NPN管二、二极管、电容、电阻一、电阻二、电阻三及电阻四，所述PMOS管一的源极、PMOS管二的源极及NMOS管的漏极都与外部电源输入端连接，PMOS管一的漏极与自身栅极连接，且与PMOS管二的栅极及JFET耐压管一的漏极连接，PMOS管二的漏极与JFET耐压管二的漏极连接，且与NMOS管的栅极及二极管的负极连接，JFET耐压管一的栅极与JFET耐压管二的栅极连接，且接地，JFET耐压管一的源极与NPN管一的集电极连接，JFET耐压管二的源极与NPN管二的集电极连接，NPN管一的发射极与电阻一的一端连接，电阻一的另一端与NPN管二的发射极连接，且通过电阻二接地，二极管的正极与NMOS管的源极连接，且与电阻三的一端连接，电阻三的另一端通过电阻四接地，且与NPN管一的基极及NPN管二的基极连接，电压输出端与NMOS管的源极连接，且通过电容接地。
2.根据权利要求1所述的高电源电压低功耗低压差线性稳压器，其特征在于，所述PMOS管一及PMOS管二均为增强型PMOS管；所述NMOS管为增强型NMOS管。
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