CN110456854A - 低压差线性稳压器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低压差线性稳压器，第二PMOS管同低压线性稳压电路中的第一PMOS管组成共源共栅电流镜；低压线性稳压电路的输出电流通过该电流镜镜像到镜像电流输出端，低压线性稳压电路输出的稳压电压传入到短路保护电路，短路保护电路通过对镜像电流进行处理，使其在稳压电压低于一定值时，对第一PMOS管栅极电压进行反馈调节，降低流过第一PMOS管的电流，从而达到短路保护的目的，能避免因短路造成器件损伤，可靠性和稳定性高，应用环境范围广。

Description

低压差线性稳压器
技术领域
本发明涉及CMOS集成电路设计领域，特别涉及一种用于低压差线性稳压器。
背景技术
LDO(low-dropout regulator,低压差线性稳压器)电路中大功率开关管在工作中可能会因过流而使管内能量聚集，易引起雪崩并损坏器件，因此在实际应用中保护电路一直是影响功率器件可靠、稳定运行的关键之处。
目前市场上常见的低压差线性稳压器如图1所示，包括一个PMOS管PM1、一个运算放大器AMP及两个电阻R1,R2，通过两个电阻R1,R2的设置来调节PMOS管PM1的输出而得到低压差线性稳压器的输出电压VOUT。该低压差线性稳压器不具备过流、短路保护功能，一旦电流过大或短路，将造成器件甚至整个系统造成不可逆的损害结果。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种低压差线性稳压器，能避免因短路造成器件损伤，可靠性和稳定性高，应用环境范围广。
为解决上述技术问题，本发明提供的低压差线性稳压器，其包括低压线性稳压电路、第二PMOS管PM2及短路保护电路；
所述低压线性稳压电路包括第一PMOS管PM1；
第一PMOS管PM1、第二PMOS管PM2的栅极相接；
第一PMOS管PM1、第二PMOS管PM2的源极同接工作电源VDD；
第一PMOS管PM1的漏极作为稳压电压VOUT输出端；
第二PMOS管PM2的漏极作为镜像电流SCP输出端；
所述短路保护电路包括第三PMOS管PM3、第四PMOS管PM4、第一NMOS管NM1、第二NMOS管NM2及第三电阻R3；
第三PMOS管PM3的栅极接稳压电压VOUT输出端，源极接镜像电流SCP输出端；
第三电阻R3一端接第三PMOS管PM3的漏极，另一端接第二NMOS管NM2的栅极、第一NMOS管NM1的栅极及漏极；
第一NMOS管NM1及第二NMOS管NM2的源极接地；
第二NMOS管NM2的漏极接第四PMOS管PM4的栅极；
第四PMOS管PM4的漏极接第一PMOS管PM1及第二PMOS管PM2的栅极；
第四PMOS管PM4的源极接工作电源VDD。
较佳的，所述低压线性稳压电路还包括第一电阻R1、第二电阻R2及第一运算放大器AMP1；
第一电阻R1、第二电阻R2串接在稳压电压VOUT输出端同地之间；
第一电阻R1、第二电阻R2的串接点接第一运算放大器AMP1的负输入端；
第一运算放大器AMP1的正输入端接基准电压VREF；
第一运算放大器AMP1的输出接第一PMOS管PM1的栅极。
较佳的，所述第一运算放大器AMP1为两级运算放大器。
较佳的，第四PMOS管PM4的栅极同源极之间接有第四电阻R4。
较佳的，第三电阻R3的阻值为4KΩ～6KΩ，第四电阻R4的阻值为14KΩ～16KΩ。
较佳的，第三电阻R3的阻值为5KΩ，第四电阻R4的阻值为15KΩ。
较佳的，第一NMOS管NM1同第二NMOS管NM2的器件尺寸的比例为1:1。
较佳的，第二NMOS管NM2同第四PMOS管PM4的器件尺寸的比例为1:17到1:15。
较佳的，第二NMOS管NM2同第四PMOS管PM4的器件尺寸的比例为1:17、1:16或1:15。
较佳的，第一PMOS管PM1同第二PMOS管PM2的器件尺寸的比例为400:1到600:1。
较佳的，第一PMOS管PM1同第二PMOS管PM2的器件尺寸的比例为400:1、500:1或600:1。
较佳的，所述低压差线性稳压器集成在一半导体衬底中。
较佳的，低压差线性稳压器还包括一过流保护电路；
所述过流保护电路包括第二运算放大器AMP2、第三NMOS管NM3、第四NMOS管NM4、第五PMOS管PM5及第五电阻R5；
第二运算放大器AMP2的正输入端接镜像电流SCP输出端，负输入端接稳压电压VOUT输出端，输出端接第三NMOS管NM3栅极；
第三NMOS管NM3的漏极接镜像电流SCP输出端，源极接第四NMOS管NM4栅极；
第四NMOS管NM4的源极接地，漏极接第五PMOS管PM5栅极；
第五PMOS管PM5漏极接第一PMOS管PM1及第二PMOS管PM2的栅极；
第五PMOS管PM5源极接工作电源VDD；
第五电阻R5接在第四NMOS管NM4栅极同地之间。
较佳的，第五PMOS管PM5栅极同源极之间接有第六电阻R6。
本发明的低压差线性稳压器，第二PMOS管PM2同低压线性稳压电路中的第一PMOS管PM1组成共源共栅电流镜；低压线性稳压电路的输出电流通过该电流镜镜像到镜像电流SCP输出端，低压线性稳压电路输出的稳压电压VOUT传入到短路保护电路，短路保护电路通过对镜像电流SCP进行处理，使其在稳压电压VOUT低于一定值时，对低压线性稳压电路的功率开关管(第一PMOS管PM1)栅极电压进行反馈调节，降低流过功率开关管的电流，从而达到短路保护的目的。当稳压电压VOUT下降到一定值时，短路保护电路开始工作，由于第三PMOS管PM3的栅极接稳压电压VOUT输出端，首先第三PMOS管PM3逐渐导通，第二NMOS管NM2的栅极电压升高，使第二NMOS管NM2导通，从而使第四PMOS管PM4的栅极电压拉低，第四PMOS管PM4导通，使第一PMOS管PM1栅极电压GATE升高，最终使第一PMOS管PM1电流能力下降至安全电流，避免因短路造成器件损伤，可靠性和稳定性高，应用环境范围广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面对本发明所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是常见的低压差线性稳压器电路图；
图2是本发明的低压差线性稳压器一实施例的负反馈环路及电流镜像电路图；
图3是本发明的低压差线性稳压器一实施例的短路保护电路的电路图；
图4是本发明的低压差线性稳压器一实施例的过流保护电路的电路图；
图5是本发明的低压差线性稳压器一实施例的短路保护仿真结果示意图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
如图2、图3所示，低压差线性稳压器包括低压线性稳压电路、第二PMOS管PM2及短路保护电路；
所述低压线性稳压电路包括第一PMOS管PM1；
第一PMOS管PM1、第二PMOS管PM2的栅极相接；
第一PMOS管PM1、第二PMOS管PM2的源极同接工作电源VDD；
第一PMOS管PM1的漏极作为稳压电压VOUT输出端；
第二PMOS管PM2的漏极作为镜像电流SCP输出端；
如图3所示，所述短路保护电路包括第三PMOS管PM3、第四PMOS管PM4、第一NMOS管NM1、第二NMOS管NM2及第三电阻R3；
第三PMOS管PM3的栅极接稳压电压VOUT输出端，源极接镜像电流SCP输出端；
第三电阻R3一端接第三PMOS管PM3的漏极，另一端接第二NMOS管NM2的栅极、第一NMOS管NM1的栅极及漏极；
第一NMOS管NM1及第二NMOS管NM2的源极接地；
第二NMOS管NM2的漏极接第四PMOS管PM4的栅极；
第四PMOS管PM4的漏极接第一PMOS管PM1及第二PMOS管PM2的栅极；
第四PMOS管PM4的源极接工作电源VDD。
实施例一的低压差线性稳压器，第二PMOS管PM2同低压线性稳压电路中的第一PMOS管PM1组成共源共栅电流镜；低压线性稳压电路的输出电流通过该电流镜镜像到镜像电流SCP输出端，低压线性稳压电路输出的稳压电压VOUT传入到短路保护电路，短路保护电路通过对镜像电流SCP进行处理，使其在稳压电压VOUT低于一定值时，对低压线性稳压电路的功率开关管(第一PMOS管PM1)栅极电压进行反馈调节，降低流过功率开关管的电流，从而达到短路保护的目的。当稳压电压VOUT下降到一定值时，短路保护电路开始工作，由于第三PMOS管PM3的栅极接稳压电压VOUT输出端，首先第三PMOS管PM3逐渐导通，第二NMOS管NM2的栅极电压升高，使第二NMOS管NM2导通，从而使第四PMOS管PM4的栅极电压拉低，第四PMOS管PM4导通，使第一PMOS管PM1栅极电压GATE升高，最终使第一PMOS管PM1电流能力下降至安全电流，避免因短路造成器件损伤，可靠性和稳定性高，应用环境范围广。
实施例二
基于实施例一的低压差线性稳压器，所述低压线性稳压电路还包括第一电阻R1、第二电阻R2及第一运算放大器AMP1；
第一电阻R1、第二电阻R2串接在稳压电压VOUT输出端同地之间；
第一电阻R1、第二电阻R2的串接点接第一运算放大器AMP1的负输入端；
第一运算放大器AMP1的正输入端接基准电压VREF；
第一运算放大器AMP1的输出接第一PMOS管PM1的栅极。
较佳的，所述第一运算放大器AMP1为两级运算放大器。
实施例三
基于实施例一的低压差线性稳压器，第四PMOS管PM4的栅极同源极之间接有第四电阻R4。
较佳的，第三电阻R3的阻值为4KΩ～6KΩ，第四电阻R4的阻值为14KΩ～16KΩ，例如，第三电阻R3的阻值为5KΩ，第四电阻R4的阻值为15KΩ。
较佳的，第一NMOS管NM1同第二NMOS管NM2的器件尺寸(width/length，宽长比)的比例为1:1。
较佳的，第二NMOS管NM2同第四PMOS管PM4的器件尺寸(width/length，宽长比)的比例为1:17到1:15。例如，可以为1:17、1:16或1:15，能满足20mA输出电流能力，5mA的短路保护点电流。
较佳的，第一PMOS管PM1同第二PMOS管PM2的器件尺寸(width/length，宽长比)的比例为400:1到600:1。例如，可以为400:1、500:1或600:1，能满足20mA输出电流能力。
较佳的，所述低压差线性稳压器集成在一半导体衬底中。
实施例三的低压差线性稳压器，短路保护电路开始工作的稳压电压VOUT与第三PMOS管PM3的开启电压有关，低压线性稳压电路第一PMOS管PM1输出电流下降速率可通过调节第四PMOS管PM4、第一NMOS管NM1、第二NMOS管NM2、第三电阻R3及第四电阻R4，即改变第一PMOS管PM1栅极电压GATE以及第四PMOS管PM4的栅极电压实现。
实施例三
基于实施例一，低压差线性稳压器还包括一过流保护电路；
如图4所示，所述过流保护电路包括第二运算放大器AMP2、第三NMOS管NM3、第四NMOS管NM4、第五PMOS管PM5及第五电阻R5；
第二运算放大器AMP2的正输入端接镜像电流SCP输出端，负输入端接稳压电压VOUT输出端，输出端接第三NMOS管NM3栅极；
第三NMOS管NM3的漏极接镜像电流SCP输出端，源极接第四NMOS管NM4栅极；
第四NMOS管NM4的源极接地，漏极接第五PMOS管PM5栅极；
第五PMOS管PM5漏极接第一PMOS管PM1及第二PMOS管PM2的栅极；
第五PMOS管PM5源极接工作电源VDD；
第五电阻R5接在第四NMOS管NM4栅极同地之间。
较佳的，第五PMOS管PM5栅极同源极之间接有第六电阻R6。
实施例三的低压差线性稳压器，短路保护电路通过对镜像电流SCP进行处理，使其在低压线性稳压电路输出电流超过一定值时，对低压线性稳压电路的功率开关管(第一PMOS管PM1)栅极电压进行反馈调节，从而达到限流的目的。
当第一PMOS管PM1通过的电流增大时，镜像电流SCP也随之增加，使第五电阻R5上压降增加，即第四NMOS管NM4栅极电压升高，第四NMOS管NM4栅源电压Vgs增大，第四NMOS管NM4逐渐导通；当电流达到某一值时，第五PMOS管PM5栅极电压拉低，第五PMOS管PM5导通，第五PMOS管PM5的漏极电压升高，使第一PMOS管PM1的电流能力下降，限制其输出电流继续增加，通过反馈调节，最终使低压线性稳压电路的输出电流达到稳定值，即低压线性稳压电路的限流点。低压线性稳压电路的限流点可根据对限流值的预期，通过调节第一PMOS管PM1同第二PMOS管PM2的尺寸(W/L，宽长比)之间的比值并进行限流点电流仿真来确定。第二运算放大器AMP2用于对第一PMOS管PM1、第二PMOS管PM2的漏极电压进行箝位，使稳压电压VOUT与镜像电流SCP输出端电压一致。第二运算放大器AMP2与第三NMOS管NM3组成反馈调节，当镜像电流SCP输出端电压低于稳压电压VOUT时，第二运算放大器AMP2的输出电压降低，使第三NMOS管NM3电阻增大，从而使镜像电流SCP输出端电压升高，进行反复调节后使稳压电压VOUT与镜像电流SCP输出端电压一致。
实施例三的低压差线性稳压器，Virtuoso仿真测试结果如图5所示，当第一PMOS管PM1通过的电流增大达到限流点时，过流保护电路先响应，使稳压电压VOUT输出端电流控制在设定的限流点，稳压电压VOUT因负载电流的增加而下降时，当稳压电压VOUT下降到一定值，短路保护电路开始工作，由于第三PMOS管PM3的栅极接稳压电压VOUT输出端，首先第三PMOS管PM3逐渐导通，第二NMOS管NM2的栅极电压升高，使第二NMOS管NM2导通，从而使第四PMOS管PM4的栅极电压拉低，第四PMOS管PM4导通，使第一PMOS管PM1栅极电压GATE升高，最终使第一PMOS管PM1电流能力下降至安全电流，避免发生短路造成的器件损伤。
以上仅为本申请的优选实施例，并不用于限定本申请。对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种低压差线性稳压器，其特征在于，其包括低压线性稳压电路、第二PMOS管及短路保护电路；
所述低压线性稳压电路包括第一PMOS管；
第一PMOS管、第二PMOS管的栅极相接；
第一PMOS管、第二PMOS管的源极同接工作电源；
第一PMOS管的漏极作为稳压电压输出端；
第二PMOS管的漏极作为镜像电流输出端；
所述短路保护电路包括第三PMOS管、第四PMOS管、第一NMOS管、第二NMOS管及第三电阻；
第三PMOS管的栅极接稳压电压输出端，源极接镜像电流输出端；
第三电阻一端接第三PMOS管的漏极，另一端接第二NMOS管的栅极、第一NMOS管的栅极及漏极；
第一NMOS管及第二NMOS管的源极接地；
第二NMOS管的漏极接第四PMOS管的栅极；
第四PMOS管的漏极接第一PMOS管的栅极；
第四PMOS管的源极接工作电源。
2.根据权利要求1所述的低压差线性稳压器，其特征在于，
所述低压线性稳压电路还包括第一电阻、第二电阻及第一运算放大器；
第一电阻、第二电阻串接在稳压电压输出端同地之间；
第一电阻、第二电阻的串接点接第一运算放大器的负输入端；
第一运算放大器的正输入端接基准电压；
第一运算放大器的输出接第一PMOS管的栅极。
3.根据权利要求2所述的低压差线性稳压器，其特征在于，
所述第一运算放大器为两级运算放大器。
4.根据权利要求1所述的低压差线性稳压器，其特征在于，
第四PMOS管的栅极同源极之间接有第四电阻。
5.根据权利要求4所述的低压差线性稳压器，其特征在于，
第三电阻的阻值为4KΩ～6KΩ，第四电阻的阻值为14KΩ～16KΩ。
6.根据权利要求4所述的低压差线性稳压器，其特征在于，
第三电阻的阻值为5KΩ，第四电阻的阻值为15KΩ。
7.根据权利要求1所述的低压差线性稳压器，其特征在于，
第一NMOS管同第二NMOS管的器件尺寸的比例为1:1。
8.根据权利要求1所述的低压差线性稳压器，其特征在于，
第二NMOS管同第四PMOS管的器件尺寸的比例为1:17到1:15。
9.根据权利要求1所述的低压差线性稳压器，其特征在于，
第二NMOS管同第四PMOS管的器件尺寸的比例为1:17、1:16或1:15。
10.根据权利要求1所述的低压差线性稳压器，其特征在于，
第一PMOS管同第二PMOS管的器件尺寸的比例为400:1到600:1。
11.根据权利要求1所述的低压差线性稳压器，其特征在于，
第一PMOS管同第二PMOS管的器件尺寸的比例为400:1、500:1或600:1。
12.根据权利要求1所述的低压差线性稳压器，其特征在于，
所述低压差线性稳压器集成在一半导体衬底中。
13.根据权利要求1所述的低压差线性稳压器，其特征在于，
低压差线性稳压器还包括一过流保护电路；
所述过流保护电路包括第二运算放大器、第三NMOS管、第四NMOS管、第五PMOS管及第五电阻；
第二运算放大器的正输入端接镜像电流输出端，负输入端接稳压电压输出端，输出端接第三NMOS管栅极；
第三NMOS管的漏极接镜像电流输出端，源极接第四NMOS管栅极；
第四NMOS管的源极接地，漏极接第五PMOS管栅极；
第五PMOS管漏极接第一PMOS管的栅极；
第五PMOS管源极接工作电源；
第五电阻接在第四NMOS管栅极同地之间。
14.根据权利要求13所述的低压差线性稳压器，其特征在于，
第五PMOS管的栅极同源极之间接有第六电阻。
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