CN109361201A - 一种基于电流比较的ldo限流电路及电子设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于电流比较的LDO限流电路及电子设备，其中LDO限流电路，包括晶体管PM0，晶体管PM0的栅端与晶体管PM1的栅端、晶体管PM8的漏端和运放AMP0的输出端连接，晶体管PM0的漏端与电压输出端VLDO、电阻R1的一端和第一电流镜的参考电流输入端连接，电阻R1的另一端与电阻R2的一端和运放AMP0的正向输入端连接，运放AMP0的反向输入端与参考电压源连接，晶体管PM1的漏端与第一电流镜的第一镜像电流输入端连接，本电路采取的是电流比较的方式进行，能有效提升反馈控制环路的增益，提高系统限流的精确性。
Description
技术领域
本发明涉及LDO限流电路领域，尤其涉及一种基于电流比较的LDO限流电路及电子设备。
背景技术
LDO(low dropout regulator，线性稳压器)使用在其线性区域内运行的晶体管或场效应管(FET)，从应用的输入电压中减去超额的电压，产生经过调节的输出电压。所谓压降电压，是指稳压器将输出电压维持在其额定值上下100mV之内所需的输入电压与输出电压差额的最小值。
没有LDO限流保护模块的缺陷：
1.传统LDO线性稳压器，如果没有限流保护电路的情况下，容易出现模块上电电流会过大，这时会影响上级系统电源的稳定性，从而影响电子系统稳定性能，甚至造成死机现象。
2.过大的电流对外部负载的冲击，在电流较大的时候，容易引起芯片发热，容易导致电路的寿命下降甚至是失效。
发明内容
为此，需要提供一种基于电流比较的LDO限流电路及电子设备，解决LDO电流过大的问题。
为实现上述目的，发明人提供了一种基于电流比较的LDO限流电路，包括晶体管PM0，晶体管PM0的栅端与晶体管PM1的栅端、晶体管PM8的漏端和运放AMP0的输出端连接，晶体管PM0的漏端与电压输出端VLDO、电阻R1的一端和第一电流镜的参考电流输入端连接，电阻R1的另一端与电阻R2的一端和运放AMP0的正向输入端连接，运放AMP0的反向输入端与参考电压源连接，晶体管PM1的漏端与第一电流镜的第一镜像电流输入端连接，第一电流镜的第二镜像电流输入端与电压跟随单元的输入端、电阻R3的一端和第二电流镜的镜像电流输出端连接，第二电流镜的参考电流输出端与参考电流源的电流输入端连接，电压跟随单元的输出端和晶体管PM8的栅端连接，电阻R3的另一端与公共电压端VCOM连接，晶体管PM8的源端、晶体管PM0的源端、晶体管PM1的源端、第二电流镜的镜像电流输入端、第二电流镜的参考电流输入端和电源正极VDD连接，电阻R2的另一端、第一电流镜的参考电流输出端、第一电流镜的第一镜像电流输出端、第一电流镜的第二镜像电流输出端、参考电流源的电流输出端与电源负极VSS连接。
进一步地，所述第一电流镜包括晶体管PM2、晶体管PM3、晶体管NM0、晶体管NM1、晶体管NM2、晶体管NM3、晶体管NM4、晶体管NM5，晶体管PM3的源端与电阻R1的一端连接，晶体管PM3的栅端与晶体管PM2的栅端、晶体管PM3的漏端和晶体管NM0的漏端连接，晶体管PM2的源端与晶体管PM1的漏端连接，晶体管PM2的漏端与晶体管NM1的漏端、晶体管NM3的栅端、晶体管NM2的栅端、晶体管NM5的栅端连接，晶体管NM1的栅端与晶体管NM0的栅端、晶体管NM4的栅端和电压节点VBN0连接，晶体管NM0的源端与晶体管NM2的漏端连接，晶体管NM1的源端与晶体管NM3的漏端连接，晶体管NM4的源端与晶体管NM5的漏端连接，晶体管NM4的漏端与电阻R3的一端连接，晶体管NM2的源端、晶体管NM3的源端、晶体管NM5的源端与电源负极VSS连接。
进一步地，所述第二电流镜包括晶体管PM4、晶体管PM5、晶体管PM6、晶体管PM7，晶体管PM4的源端和晶体管PM5的源端与电源正极VDD连接，晶体管PM4的栅端与晶体管PM5的栅端、晶体管PM6的漏端和电阻R3的一端连接，晶体管PM4的漏端与晶体管PM6的源端连接，晶体管PM5的漏端与晶体管PM7的源端连接，晶体管PM6的栅端与晶体管PM7的栅端和电压节点VBP0连接。
进一步地，还包括电容CP，电容CP的一端与电阻R3的一端连接，电容CP的另一端与电源负极VSS连接。
进一步地，所述电压跟随单元包含运放AMP1，所述运放AMP1的反向输入端和运放AMP1的输出端与PM8的栅端连接，运放AMP1的正向输入端与电阻R3的一端连接。
本发明提供一种电子设备，包括LDO电路、LD0供电电源、LDO受电单元、偏置电路、VCOM电压产生电路、参考电压源和参考电流源，所述LDO电路为上述任意一项的LDO限流电路，LDO供电电源的正极输出端与LDO电路的电源正极连接，LDO供电电源的负极输出端与LDO电路的电源负极和LDO受电单元的电源负极连接，参考电压源与LDO电路的参考电压源连接端连接，参考电流源与LDO电路的参考电流源连接端连接，LDO电路的电压输出端与LDO受电单元的电源正极连接，偏置电路与LDO电路的电压结点VBN0、VBP0连接，VCOM电压产生电路与LDO电路的公共电压端VCOM连接。
区别于现有技术，上述技术方案1.本电路中采用PMOS/NMOS电流互补镜像的方式，将功率管PM0的漏源电压和采样比例管PM1的漏源电压强制控制在相似的电压水平，避免了由于功率管和比例管的沟道长度调制效应引起的镜像电流误差，实现对LDO限制电流的精确控制。2.传统LDO线性稳压器是通过电压比较的方式进行，本电路采取的是电流比较的方式进行，能有效提升反馈控制环路的增益，提高系统限流的精确性。3.本电路采取的是电流比较的方式进行，电流比较的输出阻抗很大，在此输出端增加电容可以把环路的主极点控制在该结点上，让LDO环路系统稳定设计更容易。
附图说明
图1为具体实施方式所述的LDO限流电路电路图；
图2为具体实施方式所述的设备结构示意图。
具体实施方式
为详细说明技术方案的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合具体实施例并配合附图详予说明。
请参阅图1到图2，本实施例提供一种基于电流比较的LDO限流电路，包括晶体管PM0，晶体管PM0的栅端与晶体管PM1的栅端、晶体管PM8的漏端和运放AMP0的输出端连接，晶体管PM0的漏端与电压输出端VLDO、电阻R1的一端和第一电流镜1的参考电流输入端连接，电阻R1的另一端与电阻R2的一端和运放AMP0的正向输入端连接，运放AMP0的反向输入端与参考电压源连接，晶体管PM1的漏端与第一电流镜的第一镜像电流输入端连接，第一电流镜的第二镜像电流输入端与电压跟随单元的输入端、电阻R3的一端和第二电流镜的镜像电流输出端连接，第二电流镜的参考电流输出端与参考电流源的电流输入端连接，电压跟随单元的输出端和晶体管PM8的栅端连接，电阻R3的另一端与公共电压端VCOM连接，晶体管PM8的源端、晶体管PM0的源端、晶体管PM1的源端、第二电流镜的镜像电流输入端、第二电流镜2的参考电流输入端和电源正极VDD连接，电阻R2的另一端、第一电流镜的参考电流输出端、第一电流镜的第一镜像电流输出端、第一电流镜的第二镜像电流输出端、参考电流源的电流输出端与电源负极VSS连接。
上述晶体管PM0为LDO模块的功率管，PM1为镜像管，为了节省面积和保证管子能提供相应的输出功率的需要，功率管PM0和比例镜像管PM1采用沟道长度L很小，沟道宽度W很大的设计尺寸思路。这样MOS器件的沟道长度调制效应很明显，为了强制将功率管PM0和比例镜像管PM1的漏端电压控制在相似的电压水平上，从而更精确的对功率管和镜像管进行电流的比例采样，必须保证栅源电压和漏源电压必须相同，功率管PM0和比例镜像管PM1的栅端和源端两者都连接在一起，只需要保证它们的漏端电压相同即可，所以引入了电流镜回环电路。本发明电路在工作时：轻载情况，当外部负载吸收的电流小于参考电流源的额定电流的时候，即ISAM<IREF的时候，这时候电流从电阻R3的上端流向VCOM，这时候NA点的电压变成VCOM+R3*(IREF-ISAM)，即AMP1输出的电压变成VCOM+R3*(IREF-ISAM)，这时候被AMP1控制下的上拉管PM8的等效导通电阻比较大，具有弱上拉特性，AMP0输出阻抗比较低占电压驱动优势，功率管PM0的栅端电压被AMP0优势控制，体现出来的反馈回路作用并不明显，也就是反馈环路增益不高，LDO主环路占优势，输出电流可以由主要环路控制。
重载情况，当外部负载吸收的电流大于额定电流的时候，即ISAM>IREF的时候，这时候电流从VCOM流向R3的上端，这时候NA点的电压变成VCOM-R3*(ISAM-IREF)，即运放AMP1输出的电压变成VCOM-R3*(ISAM-IREF)，这时上拉管PM8的等效导通电阻比较小，具有强上拉特性，上拉管PM8等效阻抗比较低占电压驱动优势，功率管PM0的栅端电压被PM8优势控制，上拉到一定的电压水平，这个过程体现出来的反馈回路作用明显，也就是反馈环路增益增高，造成输出电流变小，起到限制电流的作用。
上述实施例中，电流镜起到将输入的参考电流等比例复制到镜像电流上。现有的电流镜有多种实现的方式，在本发明中，所述第一电流镜包括晶体管PM2、晶体管PM3、晶体管NM0、晶体管NM1、晶体管NM2、晶体管NM3、晶体管NM4、晶体管NM5，晶体管PM3的源端与电阻R1的一端连接，晶体管PM3的栅端与晶体管PM2的栅端、晶体管PM3的漏端和晶体管NM0的漏端连接，晶体管PM2的源端与晶体管PM1的漏端连接，晶体管PM2的漏端与晶体管NM1的漏端、晶体管NM3的栅端、晶体管NM2的栅端、晶体管NM5的栅端连接，晶体管NM1的栅端与晶体管NM0的栅端、晶体管NM4的栅端和电压节点VBN0连接，晶体管NM0的源端与晶体管NM2的漏端连接，晶体管NM1的源端与晶体管NM3的漏端连接，晶体管NM4的源端与晶体管NM5的漏端连接，晶体管NM4的漏端与电阻R3的一端连接，晶体管NM2的源端、晶体管NM3的源端、晶体管NM5的源端与电源负极VSS连接。
进一步地，所述第二电流镜包括晶体管PM4、晶体管PM5、晶体管PM6、晶体管PM7，晶体管PM4的源端和晶体管PM5的源端与电源正极VDD连接，晶体管PM4的栅端与晶体管PM5的栅端、晶体管PM6的漏端和电阻R3的一端连接，晶体管PM4的漏端与晶体管PM6的源端连接，晶体管PM5的漏端与晶体管PM7的源端连接，晶体管PM6的栅端与晶体管PM7的栅端和电压节点VBP0连接。这样，PM3、PM2；PM4、PM5，PM6、PM7分别构成P型的电流镜；NM0、NM1、NM2、NM3构成N型的电流镜；PM0、R1、R2、AMP0构成LDO工作的主环路；PM1、PM2、NM1、NM3、NM4、NM5、PM4、PM5、PM6、PM7、参考电流源IREF、AMP1、PM8构成负反馈检测回路，该检测反馈回路会制约主环路的工作状态。
上电启动之后，PM2、PM3、NM0、NM1、NM2、NM3构成一个P型和N型电流镜构成的回环电路，其中NM0，NM1，NM2，NM3引入了CASCODE(串叠式)电流镜以获取更高的比例复制精度，同时提高对地噪声的抗干扰能力。功率管PM0和比例镜像管PM1具有尺寸上的比例关系，若设置比例系数为K，通过比例镜像出来的采样电流为ISAMPLE，实际的LDO的输出电流为IACT，存在IACT＝ISAMPLE×K。PM2与PM3、NM0与NM1、NM2与NM3、NM1与NM4、NM3与NM5、PM4与PM5、PM6与PM7的镜像比例是1:1；同样的PM4、PM5、PM6、PM7构成了CASCODE结构的电流镜以获取更高的比例复制精度，同时提高对电源噪声的抗干扰能力，ISAMPLE和理想电流源IREF连接在同一个结点NA上，NA连接电阻R3到中间电压VCOM；AMP1构成电压跟随单元，目的是提供更低的输出阻抗，让NB结点对应的极点推到高频区域，AMP1的输出控制上拉管PM8，PM8控制功率管PM0和比例复制管PM1。
偏置电压电路提供电压结点VBN0、VBP0的直流工作点,VCOM为电源电压的一半即VDD/2,可以用分压电路实现，外部电路提供参考电压(VREF)一般为1.2V。
结点NA为两个电流源连接的结点，其输出阻抗很高。这个地方设置一个电容CP，将该NA结点极点直接拉到低频段，即电路的主要极点设定在这里，NB、NC和ND极点设定为次级点，NB极点因为AMP1的阻抗隔离和自身电压反馈特性等效的输出电阻为开环电阻的1/(1+Av)，Av为开环增益。此时可以把NB结点对应的极点推向高频区。ND极点是随着外部负载的变化，极点会有相应的变化，为了保证系统稳定性能，这个ND结点不能作为主极点的位置，因此本电路通过CP电容的引入和运放AMP1的隔离以及电压负反馈特性很容易控制系统的稳定性。
本发明提供一种电子设备，包括LDO电路、LD0供电电源、LDO受电单元、偏置电路、VCOM电压产生电路、参考电压源和参考电流源，所述LDO电路为上述任意一项的LDO限流电路，LDO供电电源的正极输出端与LDO电路的电源正极连接，LDO供电电源的负极输出端与LDO电路的电源负极和LDO受电单元的电源负极连接，参考电压源与LDO电路的参考电压源连接端连接，参考电流源与LDO电路的参考电流源连接端连接，LDO电路的电压输出端与LDO受电单元的电源正极连接，偏置电路与LDO电路的电压结点VBN0、VBP0连接，VCOM电压产生电路与LDO电路的公共电压端VCOM连接。其中，LD0供电电源即用于给LDO电路供电的电源，可以是外部的电源、蓄电池或者初级降压电路等。LDO电路即用于降压并提供稳定电压的电路，如常见的78系列的LDO电路。LDO受电单元即使用LDO电路的输出电压的单元，如可以是芯片、单片机等。参考电压源或参考电流源是用于提供稳定参考电压或稳定参考电流的单元，或者称为基准电压源、基准电流源。采用本发明的LDO限流电路的电子设备能有效提升反馈控制环路的增益，提高系统限流的精确性，避免电路冲击。
需要说明的是，尽管在本文中已经对上述各实施例进行了描述，但并非因此限制本发明的专利保护范围。因此，基于本发明的创新理念，对本文所述实施例进行的变更和修改，或利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，直接或间接地将以上技术方案运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于电流比较的LDO限流电路，其特征在于：包括晶体管PM0，晶体管PM0的栅端与晶体管PM1的栅端、晶体管PM8的漏端和运放AMP0的输出端连接，晶体管PM0的漏端与电压输出端VLDO、电阻R1的一端和第一电流镜的参考电流输入端连接，电阻R1的另一端与电阻R2的一端和运放AMP0的正向输入端连接，运放AMP0的反向输入端与参考电压源连接，晶体管PM1的漏端与第一电流镜的第一镜像电流输入端连接，第一电流镜的第二镜像电流输入端与电压跟随单元的输入端、电阻R3的一端和第二电流镜的镜像电流输出端连接，第二电流镜的参考电流输出端与参考电流源的电流输入端连接，电压跟随单元的输出端和晶体管PM8的栅端连接，电阻R3的另一端与公共电压端VCOM连接，晶体管PM8的源端、晶体管PM0的源端、晶体管PM1的源端、第二电流镜的镜像电流输入端、第二电流镜的参考电流输入端和电源正极VDD连接，电阻R2的另一端、第一电流镜的参考电流输出端、第一电流镜的第一镜像电流输出端、第一电流镜的第二镜像电流输出端、参考电流源的电流输出端与电源负极VSS连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于电流比较的LDO限流电路，其特征在于：所述第一电流镜包括晶体管PM2、晶体管PM3、晶体管NM0、晶体管NM1、晶体管NM2、晶体管NM3、晶体管NM4、晶体管NM5，晶体管PM3的源端与电阻R1的一端连接，晶体管PM3的栅端与晶体管PM2的栅端、晶体管PM3的漏端和晶体管NM0的漏端连接，晶体管PM2的源端与晶体管PM1的漏端连接，晶体管PM2的漏端与晶体管NM1的漏端、晶体管NM3的栅端、晶体管NM2的栅端、晶体管NM5的栅端连接，晶体管NM1的栅端与晶体管NM0的栅端、晶体管NM4的栅端和电压节点VBN0连接，晶体管NM0的源端与晶体管NM2的漏端连接，晶体管NM1的源端与晶体管NM3的漏端连接，晶体管NM4的源端与晶体管NM5的漏端连接，晶体管NM4的漏端与电阻R3的一端连接，晶体管NM2的源端、晶体管NM3的源端、晶体管NM5的源端与电源负极VSS连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于电流比较的LDO限流电路，其特征在于：所述第二电流镜包括晶体管PM4、晶体管PM5、晶体管PM6、晶体管PM7，晶体管PM4的源端和晶体管PM5的源端与电源正极VDD连接，晶体管PM4的栅端与晶体管PM5的栅端、晶体管PM6的漏端和电阻R3的一端连接，晶体管PM4的漏端与晶体管PM6的源端连接，晶体管PM5的漏端与晶体管PM7的源端连接，晶体管PM6的栅端与晶体管PM7的栅端和电压节点VBP0连接。
4.根据权利要求1所述的一种基于电流比较的LDO限流电路，其特征在于：还包括电容CP，电容CP的一端与电阻R3的一端连接，电容CP的另一端与电源负极VSS连接。
5.根据权利要求1所述的一种基于电流比较的LDO限流电路，其特征在于：所述电压跟随单元包含运放AMP1，所述运放AMP1的反向输入端和运放AMP1的输出端与PM8的栅端连接，运放AMP1的正向输入端与电阻R3的一端连接。
6.一种电子设备，其特征在于：包括LDO电路、LD0供电电源、LDO受电单元、偏置电路、VCOM电压产生电路、参考电压源和参考电流源，所述LDO电路为权利要求1到5任意一项的LDO限流电路，LDO供电电源的正极输出端与LDO电路的电源正极连接，LDO供电电源的负极输出端与LDO电路的电源负极和LDO受电单元的电源负极连接，参考电压源与LDO电路的参考电压源连接端连接，参考电流源与LDO电路的参考电流源连接端连接，LDO电路的电压输出端与LDO受电单元的电源正极连接，偏置电路与LDO电路的电压结点VBN0、VBP0连接，VCOM电压产生电路与LDO电路的公共电压端VCOM连接。
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