CN107508254B - 一种具有快速响应过压保护功能的稳压电路 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种具有快速响应过压保护功能的稳压电路，包括：预稳压模块，用以提供一个初级的稳压输出电压VP，给驱动模块供电；驱动模块，由电流电压参考源、振荡器和电荷泵构成，用以产生一个高于电源VCC的偏置电压VG给功率管M2做偏置；电源电压检测模块，由直流检测单元、交流检测单元以及栅电压保护单元构成，用以检测电源电压并对M2的栅极进行过压保护；输出级，其输出VOUT即为稳压源输出。本发明提出的具有快速响应过压保护功能的稳压电路，可在外部供电电压出现快速、高压的扰动时，电源检测模块能够迅速响应并且及时关断功率管，避免低压器件被高压击穿而造成永久性损伤。

Description

一种具有快速响应过压保护功能的稳压电路

技术领域

本发明属于集成电路技术领域，涉及一种稳压电路，尤其涉及一种具有快速响应过压保护功能的稳压电路。

背景技术

由于工业控制、汽车电子等领域的供电电压范围大，扰动大，这就要求应用于该领域的IC产品在满足高性能的同时，也要避免由于电源电压扰动造成的芯片损伤，即需要电源电压检测和过压保护机制；另外，对于一些要求轨到轨(rail-to-rail)输出的芯片而言，其内部的稳压模块还要保证提供足够小的IR drop，设计这样的IC产品极具挑战。

图1所示为用N型功率管M2实现的传统的稳压电源模块原理图，其功能是：当外部供电电压正常稳定时，稳压电源模块的输出VOUT相对于VCC的IR drop足够小(几mV到几十mV)，以满足芯片轨到轨输出的要求；当外部供电电压有很大的扰动时，稳压电源模块的输出VOUT被限制在安全的范围内，低于被供电模块中器件的击穿电压BV(Break-downvoltage)，以保护低压器件不受损伤。

图1所示原理图的工作原理如下：Pre-LDO提供一个初级的稳压输出VP给Driver和Detect模块供电，Driver模块产生一个高于VCC的电压VG给功率管M2做偏置，VOUT即为稳压源输出；M1和M2一般会采用耐高压的N型LDMOS或者DEMOS(不同晶圆厂的器件名称不同)；电阻R3/R4/R5、雪崩二极管Z2和比较器COMP构成电源电压检测单元Detect，其中R3/R5检测电源VCC的值，R4和Z2提供参考电压，当VCC上出现的波动超过某个设定的阈值时，COMP输出一个过压信号OV给电荷泵CP，用来控制降低CP的输出电压VG以保护被供电模块中的低压器件；在外部供电电压正常稳定时，为了减小M2的IR drop，除了增大M2的尺寸以外，VG应在M2允许的VGS电压范围内尽可能地提高(例如VG是VCC的2倍)。

一般情况下功率管M2的尺寸都比较大，且当M2工作在线性区时，其寄生电容Cgd大约在几十fF到几pF量级，CP模块的内阻一般也都比较大，尤其是为了抑制VG上的纹波，会在CP的输出加上RC滤波网络，这就大大增加了Driver模块的等效输出阻抗(在几十Kohm到几Mohm量级)。在正常工作情况下，如果VCC出现快速、高压的扰动(比如静电释放ESD、雷击浪涌)，而R3/R4/R5/Z2/COMP构成的Detect由于RC常数以及带宽的限制，响应时间相对于ESD或者雷击浪涌时间会有很大的延迟，功率管M2的栅极电压VG会因为Cgd的耦合而被抬高，从而导致VOUT的输出电压瞬间被拉高(远超过2倍的VCC)，被供电模块中的器件会被高压击穿而造成永久性损伤。

有鉴于此，如今迫切需要设计一种稳压电路，以便克服现有稳压电路存在的上述缺陷。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种具有快速响应过压保护功能的稳压电路，可在外部供电电压出现快速、高压的扰动时，电源检测模块能够迅速响应并且及时关断功率管，避免低压器件被高压击穿而造成永久性损伤。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种具有快速响应过压保护功能的稳压电路，所述稳压电路包括：

预稳压模块Pre-LDO，用以提供一个初级的稳压输出电压VP，给驱动模块供电；预稳压模块包括第一电阻R1、第二电阻R2、第一雪崩二极管Z1、第一MOS管M1；

驱动模块Driver，用以产生一个高于电源VCC的偏置电压VG给功率管M2做偏置；驱动模块包括电流电压参考源IVREF、振荡器OSC、电荷泵CP以及一阶低通滤波器，一阶低通滤波器包括第六电阻R6和第三电容C3；

电源电压检测模块Detect，用以检测电源电压并对第二MOS管M2的栅极进行过压保护；电源电压检测模块包括直流检测单元、交流检测单元以及栅电压保护单元；直流检测单元包括第二雪崩二极管Z2、第三雪崩二极管Z3、第三电阻R3、第四电阻R4，交流检测单元包括第一电容C1、第二电容C2，栅电压保护单元包括第三MOS管M3；

输出级Output stage，其输出电压VOUT即为稳压源输出；输出级包括第二MOS管M2、第五电阻R5；

所述预稳压模块、驱动模块、电源电压检测模块、输出级依次连接；

所述第一电阻R1的第一端连接电源电压VCC，第二端连接第一雪崩二极管Z1的负极、第一MOS管M1的栅极，第一雪崩二极管Z1的正极接地；所述第一MOS管M1的漏极连接电源电压VCC，第一MOS管M1的源极连接第二电阻R2的第一端，第二电阻R2的第二端接地；VP，第一MOS管M1的源极输出电压VP，为Driver模块供电；

所述电荷泵CP分别连接电流电压参考源IVREF、振荡器OSC，电荷泵CP的输出端连接第六电阻R6的第一端，第六电阻R6的第二端分别连接第三电容C3的第一端、第三MOS管M3的漏极、第二MOS管M2的栅极、寄生电容Cgd的第二端；第三电容C3的第二端接地；

所述第三雪崩二极管Z3的负极连接电源电压VCC，第三雪崩二极管Z3的正极连接第四电阻R4的第一端、第三电阻R3的第一端，第四电阻R4的第二端接地；第三电阻R3的第二端连接第二雪崩二极管Z2的负极、第一电容C1的第一端、第二电容C2的第二端、第三MOS管M3的栅极；第二电容C2的第一端连接电容电压VCC，第一电容C1的第二端接地，第三MOS管M3的源极接地；

所述寄生电容Cgd、第二MOS管M2的漏极连接电源电压VCC，第二MOS管M2的源极连接第五电阻R5的第一端，第五电阻R5的第二端接地；第二MOS管M2的源极的输出作为输出电压VOUT；

所述第一MOS管M1、第二MOS管M2、第三MOS管M3采用耐高压的N型MOS管；

在外部供电电压正常稳定时，第二雪崩二极管Z2、第三雪崩二极管Z3截止，第三MOS管M3的栅极通过第三电阻R3、第四电阻R4接到地处于截止状态，不影响CP的输出电压VG，第二MOS管M2正常工作并提供足够小的导通压降IR drop，几毫伏到几十毫伏量级；

在外部供电电压超过安全电压时、即大于第三雪崩二极管Z3的击穿电压与第三MOS管M3的阈值电压之和时，第三雪崩二极管Z3导通、第二雪崩二极管Z2截止、第三MOS管M3的栅极电压VGP大于第三MOS管M3的阈值电压，因而第三MOS管M3导通，将第二MOS管M2的栅极电压VG拉低，从而保护被供电模块中的低压器件；在外部供电电压出现快速、高压的扰动时，第一电容C1、第二电容C2构成的电容分压迅速将第三MOS管M3的栅极电压VGP拉高并使之开启，为第二MOS管M2的栅极到地GND提供了一个低阻抗通路并快速地将VG拉低，从而避免低压器件被高压击穿而造成永久性损伤。

一种具有快速响应过压保护功能的稳压电路，所述稳压电路包括：

预稳压模块Pre-LDO，用以提供一个初级的稳压输出电压VP，给驱动模块供电；

驱动模块Driver，用以产生一个高于电源VCC的偏置电压VG给功率管M2做偏置；

电源电压检测模块Detect，用以检测电源电压并对第二MOS管M2的栅极进行过压保护；电源电压检测模块包括直流检测单元、交流检测单元以及栅电压保护单元；

输出级Output stage，其输出电压VOUT即为稳压源输出；

所述预稳压模块、驱动模块、电源电压检测模块、输出级依次连接。

作为本发明的一种优选方案，所述预稳压模块包括第一电阻R1、第二电阻R2、第一雪崩二极管Z1、第一MOS管M1。

作为本发明的一种优选方案，所述驱动模块包括电流电压参考源IVREF、振荡器OSC、电荷泵CP以及一阶低通滤波器，一阶低通滤波器包括第六电阻R6和第三电容C3。

作为本发明的一种优选方案，所述直流检测单元包括第二雪崩二极管Z2、第三雪崩二极管Z3、第三电阻R3、第四电阻R4，交流检测单元包括第一电容C1、第二电容C2，栅电压保护单元包括第三MOS管M3。

作为本发明的一种优选方案，所述输出级包括第二MOS管M2、第五电阻R5。

作为本发明的一种优选方案，所述预稳压模块包括第一电阻R1、第二电阻R2、第一雪崩二极管Z1、第一MOS管M1；所述驱动模块包括电流电压参考源IVREF、振荡器OSC、电荷泵CP以及一阶低通滤波器，一阶低通滤波器包括第六电阻R6和第三电容C3；

所述直流检测单元包括第二雪崩二极管Z2、第三雪崩二极管Z3、第三电阻R3、第四电阻R4，交流检测单元包括第一电容C1、第二电容C2，栅电压保护单元包括第三MOS管M3；所述输出级包括第二MOS管M2、第五电阻R5；

所述第一电阻R1的第一端连接电源电压VCC，第二端连接第一雪崩二极管Z1的负极、第一MOS管M1的栅极，第一雪崩二极管Z1的正极接地；所述第一MOS管M1的漏极连接电源电压VCC，第一MOS管M1的源极连接第二电阻R2的第一端，第二电阻R2的第二端接地；VP，第一MOS管M1的源极输出电压VP，为Driver模块供电；

所述电荷泵CP分别连接电流电压参考源IVREF、振荡器OSC，电荷泵CP的输出端连接第六电阻R6的第一端，第六电阻R6的第二端分别连接第三电容C3的第一端、第三MOS管M3的漏极、第二MOS管M2的栅极、寄生电容Cgd的第二端；第三电容C3的第二端接地；

所述第三雪崩二极管Z3的负极连接电源电压VCC，第三雪崩二极管Z3的正极连接第四电阻R4的第一端、第三电阻R3的第一端，第四电阻R4的第二端接地；第三电阻R3的第二端连接第二雪崩二极管Z2的负极、第一电容C1的第一端、第二电容C2的第二端、第三MOS管M3的栅极；第二电容C2的第一端连接电容电压VCC，第一电容C1的第二端接地，第三MOS管M3的源极接地；

所述寄生电容Cgd、第二MOS管M2的漏极连接电源电压VCC，第二MOS管M2的源极连接第五电阻R5的第一端，第五电阻R5的第二端接地；第二MOS管M2的源极的输出作为输出电压VOUT；

所述第一MOS管M1、第二MOS管M2、第三MOS管M3采用耐高压的N型MOS管；

在外部供电电压正常稳定时，第二雪崩二极管Z2、第三雪崩二极管Z3截止，第三MOS管M3的栅极通过第三电阻R3、第四电阻R4接到地处于截止状态，不影响CP的输出电压VG，第二MOS管M2正常工作并提供足够小的导通压降IR drop，几毫伏到几十毫伏量级。

本发明的有益效果在于：本发明提出的具有快速响应过压保护功能的稳压电路，可在外部供电电压出现快速、高压的扰动时，电源检测模块能够迅速响应并且及时关断功率管，避免低压器件被高压击穿而造成永久性损伤。

传统的电源电压检测电路由于RC常数以及带宽的限制，使得它对于电源上快速、高压的扰动响应不够迅速，过压保护电路存在一定的延迟，造成内部电路被电源扰动损坏。本发明对传统的电源电压检测电路做了改进：只用一些简单的器件(电阻、电容和雪崩二极管)，便实现了直流检测和交流检测分离的电源电压检测电路，在实现传统的电压检测、过压保护功能的同时，大大提高了检测和保护电路的响应速度，从而大大降低内部电路被ESD或者雷击浪涌等电源扰动损坏的几率。该发明可以应用到工业控制、汽车电子等领域供电电压范围大、扰动大的IC设计中去，对提高IC产品的可靠性和抗干扰能力有很大的帮助。

附图说明

图1为一种传统的具有过压保护功能的稳压电路模块原理图。

图2为本发明具有快速响应过压保护功能的稳压电路模块原理图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

实施例一

请参阅图2，本发明揭示了一种具有快速响应过压保护功能的稳压电路，所述稳压电路包括：预稳压模块Pre-LDO、驱动模块Driver、电源电压检测模块Detect、输出级Outputstage；所述预稳压模块、驱动模块、电源电压检测模块、输出级依次连接。

预稳压模块Pre-LDO用以提供一个初级的稳压输出电压VP，给驱动模块供电；预稳压模块包括第一电阻R1、第二电阻R2、第一雪崩二极管Z1、第一MOS管M1。

驱动模块Driver用以产生一个高于电源VCC的偏置电压VG给功率管M2做偏置；驱动模块包括电流电压参考源IVREF、振荡器OSC、电荷泵CP以及一阶低通滤波器，一阶低通滤波器包括第六电阻R6和第三电容C3。

电源电压检测模块Detect用以检测电源电压并对第二MOS管M2的栅极进行过压保护；电源电压检测模块包括直流检测单元、交流检测单元以及栅电压保护单元；直流检测单元包括第二雪崩二极管Z2、第三雪崩二极管Z3、第三电阻R3、第四电阻R4，交流检测单元包括第一电容C1、第二电容C2，栅电压保护单元包括第三MOS管M3。

输出级Output stage，其输出电压VOUT即为稳压源输出；输出级包括第二MOS管M2、第五电阻R5。

所述第一电阻R1的第一端连接电源电压VCC，第二端连接第一雪崩二极管Z1的负极、第一MOS管M1的栅极，第一雪崩二极管Z1的正极接地；所述第一MOS管M1的漏极连接电源电压VCC，第一MOS管M1的源极连接第二电阻R2的第一端，第二电阻R2的第二端接地；VP，第一MOS管M1的源极输出电压VP，为Driver模块供电。

所述电荷泵CP分别连接电流电压参考源IVREF、振荡器OSC，电荷泵CP的输出端连接第六电阻R6的第一端，第六电阻R6的第二端分别连接第三电容C3的第一端、第三MOS管M3的漏极、第二MOS管M2的栅极、M2的寄生电容Cgd的第二端；第三电容C3的第二端接地。

所述第三雪崩二极管Z3的负极连接电源电压VCC，第三雪崩二极管Z3的正极连接第四电阻R4的第一端、第三电阻R3的第一端，第四电阻R4的第二端接地；第三电阻R3的第二端连接第二雪崩二极管Z2的负极、第一电容C1的第一端、第二电容C2的第二端、第三MOS管M3的栅极；第二电容C2的第一端连接电容电压VCC，第一电容C1的第二端接地，第三MOS管M3的源极接地。

所述寄生电容Cgd、第二MOS管M2的漏极连接电源电压VCC，第二MOS管M2的源极连接第五电阻R5的第一端，第五电阻R5的第二端接地；第二MOS管M2的源极的输出作为输出电压VOUT。

所述第一MOS管M1、第二MOS管M2、第三MOS管M3采用耐高压的N型MOS管。

在外部供电电压正常稳定时，第二雪崩二极管Z2、第三雪崩二极管Z3截止，第三MOS管M3的栅极通过第三电阻R3、第四电阻R4接到地处于截止状态，不影响CP的输出电压VG，第二MOS管M2正常工作并提供足够小的导通压降IR drop，几毫伏到几十毫伏量级。

在外部供电电压超过安全电压时、即大于第三雪崩二极管Z3的击穿电压与第三MOS管M3的阈值电压之和时，第三雪崩二极管Z3导通、第二雪崩二极管Z2截止、第三MOS管M3的栅极电压VGP大于第三MOS管M3的阈值电压，因而第三MOS管M3导通，将第二MOS管M2的栅极电压VG拉低，从而保护被供电模块中的低压器件；在外部供电电压出现快速、高压的扰动时，第一电容C1、第二电容C2构成的电容分压迅速将第三MOS管M3的栅极电压VGP拉高并使之开启，为第二MOS管M2的栅极到地GND提供了一个低阻抗通路并快速地将VG拉低，从而避免低压器件被高压击穿而造成永久性损伤。

实施例二

本发明揭示了一种具有快速响应过压保护功能的稳压电路，所述稳压电路包括：预稳压模块Pre-LDO、驱动模块Driver、电源电压检测模块Detect、输出级Output stage；所述预稳压模块、驱动模块、电源电压检测模块、输出级依次连接。

预稳压模块Pre-LDO用以提供一个初级的稳压输出电压VP，给驱动模块供电；

驱动模块Driver用以产生一个高于电源VCC的偏置电压VG给功率管M2做偏置；

电源电压检测模块Detect用以检测电源电压并对第二MOS管M2的栅极进行过压保护；电源电压检测模块包括直流检测单元、交流检测单元以及栅电压保护单元；

输出级Output stage其输出电压VOUT即为稳压源输出。

综上所述，本发明提出的具有快速响应过压保护功能的稳压电路，可在外部供电电压出现快速、高压的扰动时，电源检测模块能够迅速响应并且及时关断功率管，避免低压器件被高压击穿而造成永久性损伤。

传统的电源电压检测电路由于RC常数以及带宽的限制，使得它对于电源上快速、高压的扰动响应不够迅速，过压保护电路存在一定的延迟，造成内部电路被电源扰动损坏。本发明对传统的电源电压检测电路做了改进：只用一些简单的器件(电阻、电容和雪崩二极管)，便实现了直流检测和交流检测分离的电源电压检测电路，在实现传统的电压检测、过压保护功能的同时，大大提高了检测和保护电路的响应速度，从而大大降低内部电路被ESD或者雷击浪涌等电源扰动损坏的几率。该发明可以应用到工业控制、汽车电子等领域供电电压范围大、扰动大的IC设计中去，对提高IC产品的可靠性和抗干扰能力有很大的帮助。

这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。

Claims (2)

1.一种具有快速响应过压保护功能的稳压电路，其特征在于，所述稳压电路包括：

预稳压模块Pre-LDO，用以提供一个初级的稳压输出电压VP，给驱动模块供电；

驱动模块Driver，用以产生一个高于电源VCC的偏置电压VG给功率管M2做偏置；

电源电压检测模块Detect，用以检测电源电压并对第二MOS管M2的栅极进行过压保护；电源电压检测模块包括直流检测单元、交流检测单元以及栅电压保护单元；

输出级Output stage，其输出电压VOUT即为稳压源输出；

所述预稳压模块、驱动模块、电源电压检测模块、输出级依次连接；

所述预稳压模块包括第一电阻R1、第二电阻R2、第一雪崩二极管Z1、第一MOS管M1；所述驱动模块包括电流电压参考源IVREF、振荡器OSC、电荷泵CP以及一阶低通滤波器，一阶低通滤波器包括第六电阻R6和第三电容C3；

所述直流检测单元包括第二雪崩二极管Z2、第三雪崩二极管Z3、第三电阻R3、第四电阻R4，交流检测单元包括第一电容C1、第二电容C2，栅电压保护单元包括第三MOS管M3；所述输出级包括第二MOS管M2、第五电阻R5；

所述第一电阻R1的第一端连接电源电压VCC，第二端连接第一雪崩二极管Z1的负极、第一MOS管M1的栅极，第一雪崩二极管Z1的正极接地；所述第一MOS管M1的漏极连接电源电压VCC，第一MOS管M1的源极连接第二电阻R2的第一端，第二电阻R2的第二端接地；VP，第一MOS管M1的源极输出电压VP，为Driver模块供电；

所述电荷泵CP分别连接电流电压参考源IVREF、振荡器OSC，电荷泵CP的输出端连接第六电阻R6的第一端，第六电阻R6的第二端分别连接第三电容C3的第一端、第三MOS管M3的漏极、第二MOS管M2的栅极、寄生电容Cgd的第二端；第三电容C3的第二端接地；

所述第三雪崩二极管Z3的负极连接电源电压VCC，第三雪崩二极管Z3的正极连接第四电阻R4的第一端、第三电阻R3的第一端，第四电阻R4的第二端接地；第三电阻R3的第二端连接第二雪崩二极管Z2的负极、第一电容C1的第一端、第二电容C2的第二端、第三MOS管M3的栅极；第二电容C2的第一端连接电容电压VCC，第一电容C1的第二端接地，第三MOS管M3的源极接地；

所述寄生电容Cgd、第二MOS管M2的漏极连接电源电压VCC，第二MOS管M2的源极连接第五电阻R5的第一端，第五电阻R5的第二端接地；第二MOS管M2的源极的输出作为输出电压VOUT。

2.根据权利要求1所述的具有快速响应过压保护功能的稳压电路，其特征在于：

所述第一MOS管M1、第二MOS管M2、第三MOS管M3采用耐高压的N型MOS管；

在外部供电电压正常稳定时，第二雪崩二极管Z2、第三雪崩二极管Z3截止，第三MOS管M3的栅极通过第三电阻R3、第四电阻R4接到地处于截止状态，不影响CP的输出电压VG，第二MOS管M2正常工作并提供足够小的导通压降IR drop，几毫伏到几十毫伏量级。