CN111474973A - 一种应用于ldo的新型电流折返电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种应用于LDO的新型电流折返电路，包括误差放大器、共源极放大器、限流比较器、采样管P4、功率管P5、电阻分压单元、负载电流单元；所述误差放大器的输入端分别接入基准电压、LDO输出电压的分压，该分压由LDO的输出电压通过电阻分压单元产生；所述误差放大器的输出端依次连接共源极放大器、限流比较器；所述采样管P4的漏极与功率管P5的漏极相连接，再分别经电阻分压单元、负载电流单元后接地；所述采样管P4的栅极与功率管P5的栅极共同连接至共源极放大器；所述采样管P4的源极连接至限流比较器。本发明通过检测输出电压，来改变限流值，具有结构简单、新颖、可靠性高的优点。

Description

一种应用于LDO的新型电流折返电路

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，尤其涉及一种应用于LDO的新型电流折返电路。

背景技术

电源类的集成电路产品日益渗透到现代生活的方方面面，其中尤其是开关电源，以其效率高而独占优势。但是由于其本身具有的开关特性，所以会导致对其他电路产生供电的干扰，以及通过EMI间接地影响其他电路。因此线性电源，由于其电路结构简单、噪声小、动态响应快等优点，常常在电子产品中与开关电源共同使用。而线性电源中的LDO(低压差线性稳压器)由于可以工作在输入电压与输出电压相差几百毫伏的范围内，所以应用尤其广泛。而作为一个保护机制，LDO内部需要一个的过流检测电路，功能为在LDO的输出电流达到一定值时，通过内部环路，使输出电流降低，从而保护芯片不会因为功率过高而损坏。

传统的过流检测电路，采用单纯检测输出电流的方式，当检测到输出负载电流达到一个阈值时，立即关闭内部的功率管。而在实际应用中，希望同时检测LDO的输出电压，根据输出电压来改变限流值，从而达到限制输出功率的作用。

发明内容

本发明的目的是提供一种应用于LDO的新型电流折返电路，通过检测输出电压，来改变限流值，具有结构简单、新颖、可靠性高的优点。

为实现上述目的，采用以下技术方案：

一种应用于LDO的新型电流折返电路，包括误差放大器、共源极放大器、限流比较器、采样管P4、功率管P5、电阻分压单元、负载电流单元；所述误差放大器的输入端分别接入基准电压、LDO输出电压的分压，该分压由LDO的输出电压通过电阻分压单元产生；所述误差放大器的输出端依次连接共源极放大器、限流比较器；所述采样管P4的漏极与功率管P5的漏极相连接，再分别经电阻分压单元、负载电流单元后接地；所述采样管P4的栅极与功率管P5的栅极共同连接至共源极放大器；所述采样管P4的源极连接至限流比较器，功率管P5的源极、限流比较器、共源极放大器分别连接至Vdd端。

较佳地，所述限流比较器包括限流主体单元及偏置电流产生单元；所述偏置电流产生单元包括电压-电流转换电路及电流镜像电路；所述电压-电流转换电路用于将LDO的输出电压产生随其变化的电流，该电流经电流镜像电路并与基准电流共同构成限流比较器的偏置电流。

较佳地，所述电压-电流转换电路包括运算放大器、电阻R3，及MOS管N3；所述运算放大器的正端输入LDO的输出电压，负端连接至电阻R3与MOS管N3的源极之间；所述MOS管N3的栅极连接至运算放大器的输出端，源极连接电阻R3后接地，漏极连接至电流镜像电路。

较佳地，所述电流镜像电路包括MOS管P8、MOS管P9、MOS管N4、MOS管N5、MOS管N6、MOS管N7、MOS管N8、MOS管N9；所述MOS管P8的源极与MOS管P9的源极均连接至Vdd端，MOS管P8的栅极与MOS管P9的栅极相连后连接至MOS管P8的漏极，MOS管P8的漏极与MOS管N3的漏极相连，MOS管P9的漏极分别连接至MOS管N4的漏极、MOS管N6的栅极；所述MOS管N4的栅极与MOS管N5的栅极相连，再连接至MOS管P9的漏极与MOS管N6公共连接端；所述MOS管N8的栅极与MOS管N9的栅极相连，再连接至MOS管N7的栅极、基准电流源Iref的一端、MOS管N9的漏极；所述MOS管N8的漏极连接至MOS管N6的漏极，MOS管N5的漏极连接至MOS管N7的漏极；所述MOS管N4的源极、MOS管N5的源极、MOS管N6的源极、MOS管N7的源极、MOS管N8的源极、MOS管N9的源极均接地。

较佳地，所述限流主体单元包括输入管P2、输入管P3、负载管P6、负载管P7；所述输入管P2的栅极与输入管P3的栅极相连接，再与输入管P2的漏极共同连接至偏置电流产生单元；所述输入管P3的漏极分别连接至偏置电流产生单元、共源极放大器；所述输入管P2的源极连接至负载管P6的漏极，输入管P3的源极分别连接至负载管P7的漏极、采样管P4的源极；所述负载管P6的栅极与负载管P7的栅极相连接，负载管P6的源极与负载管P7的源极分别连接至Vdd端。

较佳地，所述共源极放大器包括MOS管P1、MOS管N1、MOS管N2；所述MOS管P1的源极连接至Vdd端，栅极分别连接至采样管P4的栅极与功率管P5的栅极公共连接端、MOS管P1的漏极；所述MOS管N1的漏极与MOS管P1的漏极相连，栅极连接至误差放大器的输出端，源极连接至MOS管N2的漏极；所述MOS管N2的栅极连接至输入管P3的漏极与偏置电流产生单元之间，源极接地。

较佳地，所述电阻分压单元包括电阻R1、电阻R2；所述采样管P4的漏极与功率管P5的漏极公共连接端依次经电阻R1、电阻R2后接地。

较佳地，所述误差放大器的正端输入基准电压，负端连接至电阻R1与电阻R2之间以输入LDO输出电压的分压。

较佳地，所述负载电流单元采用电阻负载或电流源负载。

采用上述方案，本发明的有益效果是：

在LDO应用时，需要具有限流的功能，本发明提供了一种检测输出电压，来改变限流值的电路。相比较传统的限流方式，具有结构简单，新颖，可靠性高的优点。具体如下：

1)由于P4与P5具有一定的比例关系，通过采样管P4采集输出电流，不受温度等因素的影响，可以精准地反应输出电流变化，有利于准确控制输出电流折返；

2)偏置电流的一部分通过采集LDO输出电压产生，即根据输出电压来改变限流值，从而达到限制输出功率的作用。

附图说明

图1为本发明的总电路图；

图2为本发明的偏置电流产生单元的电路图；

图3为本发明的电流限与电流折返示意图；

其中，附图标识说明：

1—误差放大器， 2—共源极放大器，

3—限流主体单元， 4—偏置电流产生单元，

5—电阻分压单元， 6—负载电流单元，

7—电压-电流转换电路， 8—运算放大器。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明进行详细说明。

参照图1至2所示，本发明提供一种应用于LDO的新型电流折返电路，包括误差放大器1、共源极放大器2、限流比较器、采样管P4、功率管P5、电阻分压单元5、负载电流单元6；所述误差放大器1的输入端分别接入基准电压、LDO输出电压的分压，该分压由LDO的输出电压通过电阻分压单元5产生；所述误差放大器1的输出端依次连接共源极放大器2、限流比较器；所述采样管P4的漏极与功率管P5的漏极相连接，再分别经电阻分压单元5、负载电流单元6后接地；所述采样管P4的栅极与功率管P5的栅极共同连接至共源极放大器2；所述采样管P4的源极连接至限流比较器，功率管P5的源极、限流比较器、共源极放大器2分别连接至Vdd端。

其中，所述限流比较器包括限流主体单元3及偏置电流产生单元4；所述偏置电流产生单元4包括电压-电流转换电路7及电流镜像电路；所述电压-电流转换电路7用于将LDO的输出电压产生随其变化的电流，该电流经电流镜像电路并与基准电流共同构成限流比较器的偏置电流。所述电压-电流转换电路7包括运算放大器8、电阻R3，及MOS管N3；所述运算放大器8的正端输入LDO的输出电压，负端连接至电阻R3与MOS管N3的源极之间；所述MOS管N3的栅极连接至运算放大器8的输出端，源极连接电阻R3后接地，漏极连接至电流镜像电路。

所述电流镜像电路包括MOS管P8、MOS管P9、MOS管N4、MOS管N5、MOS管N6、MOS管N7、MOS管N8、MOS管N9；所述MOS管P8的源极与MOS管P9的源极均连接至Vdd端，MOS管P8的栅极与MOS管P9的栅极相连后连接至MOS管P8的漏极，MOS管P8的漏极与MOS管N3的漏极相连，MOS管P9的漏极分别连接至MOS管N4的漏极、MOS管N6的栅极；所述MOS管N4的栅极与MOS管N5的栅极相连，再连接至MOS管P9的漏极与MOS管N6公共连接端；所述MOS管N8的栅极与MOS管N9的栅极相连，再连接至MOS管N7的栅极、基准电流源Iref的一端、MOS管N9的漏极；所述MOS管N8的漏极连接至MOS管N6的漏极，MOS管N5的漏极连接至MOS管N7的漏极；所述MOS管N4的源极、MOS管N5的源极、MOS管N6的源极、MOS管N7的源极、MOS管N8的源极、MOS管N9的源极均接地。

所述限流主体单元3包括输入管P2、输入管P3、负载管P6、负载管P7；所述输入管P2的栅极与输入管P3的栅极相连接，再与输入管P2的漏极共同连接至偏置电流产生单元4；所述输入管P3的漏极分别连接至偏置电流产生单元4、共源极放大器2；所述输入管P2的源极连接至负载管P6的漏极，输入管P3的源极分别连接至负载管P7的漏极、采样管P4的源极；所述负载管P6的栅极与负载管P7的栅极相连接，负载管P6的源极与负载管P7的源极分别连接至Vdd端。

所述共源极放大器2包括MOS管P1、MOS管N1、MOS管N2；所述MOS管P1的源极连接至Vdd端，栅极分别连接至采样管P4的栅极与功率管P5的栅极公共连接端、MOS管P1的漏极；所述MOS管N1的漏极与MOS管P1的漏极相连，栅极连接至误差放大器1的输出端，源极连接至MOS管N2的漏极；所述MOS管N2的栅极连接至输入管P3的漏极与偏置电流产生单元4之间，源极接地。

所述电阻分压单元5包括电阻R1、电阻R2；所述采样管P4的漏极与功率管P5的漏极公共连接端依次经电阻R1、电阻R2后接地。所述误差放大器1的正端输入基准电压，负端连接至电阻R1与电阻R2之间以输入LDO输出电压的分压。

本发明的工作过程如下：

误差放大器1，正端输入为基准电压Vref，此电压为来自芯片内部的带隙基准，近似不随温度和电源电压变化。负端输入为LDO的输出电压Vout的一个分压Vfb，Vfb是输出电压Vout通过分压电阻R1和电阻R2产生的。当Vfb低于Vref时，误差放大器1放大二者的差值，产生电压信号Vea，并作用于MOS管N1的栅极。MOS管P1、MOS管N1和MOS管N2组成共源极放大器2，用于产生PG电压信号，此信号作为功率管P5的栅极电压，可以控制流过功率管P5的电流。当上述信号流所流经的环路的电压增益足够大时，环路达到平衡，即Vref＝Vfb，所以输出电压Vout就是一个确定的值。

负载电流Iout等于流过采样管P4的电流与流过功率管P5的电流之和，由于采样管P4的电流很小，可以忽略，故负载电流Iout近似等于流过功率管P5的电流。采样管P4用于对流过功率管P5的电流进行采样，也就是对负载电流Iout进行采样。P4的宽长比与P5具有固定的比例关系，比如负载电流Iout为1A时，采样电流为1uA。采样管P4获取负载电流Iout的信息，并发送给限流比较器，限流比较器用于比较输出电流Iout是否达到阈值；限流比较器通过比较以控制MOS管N2的栅极，使MOS管N2实现控制PG电压信号，以实现控制P5的电流，实现折返。

负载电流单元6可以是电阻负载，也可以是电流源负载。当Vout由于负载电流Iout增加而降低时，误差放大器的输出电压Vea升高，从而MOS管P1和功率管P5的栅极信号PG降低，因此功率管P5能够输出更大电流。

限流比较器由负载管P6和负载管P7，输入管P2和输入管P3所组成的限流主体单元3以及偏置电流产生单元4构成。其中，负载管P6和负载管P7是工作在线性区的PMOS管。由于负载管P6和负载管P7的栅压，源极电压相等，当忽略沟道调制作用，那么这两个PMOS的导通电阻就单纯由宽长比来决定。记P6和P7的宽长比分别为(W/L)P6和(W/L)P7，则二者的导通电阻比为rds(P6)/rds(P7)＝(W/L)P7/(W/L)P6＝K1。通常K1远大于1。流过负载管P7的电流I3等于偏置电流I2与流过采样管P4的电流之和。一般选取相同的偏置电流I1和I2，偏置电流产生单元4的具体实现电路如图2所示。

当负载电流Iout没有达到限流阈值时，流过功率管P5的电流很小，通过P5和P4宽长比例关系，流过采样管P4的电流很小，因此流过负载管P7的电流基本都流过输入管P3。从而使输入管P3的源极电压大于输入管P2的源极电压，但是由于电流源I1和I2的作用，会导致MOS管N2的栅极电压高，从而MOS管N2不会限制PG的电压。

当负载电流Iout增加到限流阈值时，流过采样管P4的电流也跟随功率管P5的电流增加，导致流过输入管P3的电流减小，因此输入管P3的源极电压减小，在限流比较器的输入管P2和输入管P3的作用下，MOS管N2的栅压变低，由于Vout电压变低，故Vea输出为高，MOS管N1完全开启，此时MOS管P1的栅极电压PG完全由MOS管N2控制，从而起到限制输出电流的作用。

图2为限流比较器的偏置电流产生单元4的具体实现电路图。包括运算放大器8、电阻R3、MOS管N3，以及NMOS、PMOS电流镜。LDO的输出电压Vout通过运算放大器8，作用在电阻R3上，产生随Vout变化的电流，此电流经过镜像，产生两路下拉电流，与另外两路基准电流，共同构成限流比较器的偏置电流。

运算放大器8与MOS管N3和电阻R3组成电压-电流转换电路7，流过MOS管P8的电流I(P8)＝Vout/R3。用此电流产生I(N4)和I(N6)，这两个电流是随输出电压Vout的变化而变化。基准电流I(N7)和I(N8)是由Iref产生。因此，限流比较器的偏置电流I1＝I(N5)+I(N7)＝I(N6)+I(N8)＝I2。图中I1和I2的电流值是由两部分组成。以I1为例，第一部分为流过MOS管N5的电流，由于N5与N4的宽长比存在比例关系，所以二者的电流也存在对应的比例关系。MOS管N4的电流＝Vout/R3，再经过MOS管P8到MOS管P9的电流镜像所产生。Iref是另外一路基准电流。当Vout电压因而减小时，I1和I2也随之减小，因此电流限的阈值发生折返，如图3所示，A为电流限，B为电流折返段。当Vout为0，即发生短路时，此时电流限的阈值完全由Iref的值来决定。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种应用于LDO的新型电流折返电路，其特征在于，包括误差放大器、共源极放大器、限流比较器、采样管P4、功率管P5、电阻分压单元、负载电流单元；所述误差放大器的输入端分别接入基准电压、LDO输出电压的分压，该分压由LDO的输出电压通过电阻分压单元产生；所述误差放大器的输出端依次连接共源极放大器、限流比较器；所述采样管P4的漏极与功率管P5的漏极相连接，再分别经电阻分压单元、负载电流单元后接地；所述采样管P4的栅极与功率管P5的栅极共同连接至共源极放大器；所述采样管P4的源极连接至限流比较器，功率管P5的源极、限流比较器、共源极放大器分别连接至Vdd端。

2.根据权利要求1所述的应用于LDO的新型电流折返电路，其特征在于，所述限流比较器包括限流主体单元及偏置电流产生单元；所述偏置电流产生单元包括电压-电流转换电路及电流镜像电路；所述电压-电流转换电路用于将LDO的输出电压产生随其变化的电流，该电流经电流镜像电路并与基准电流共同构成限流比较器的偏置电流。

3.根据权利要求2所述的应用于LDO的新型电流折返电路，其特征在于，所述电压-电流转换电路包括运算放大器、电阻R3，及MOS管N3；所述运算放大器的正端输入LDO的输出电压，负端连接至电阻R3与MOS管N3的源极之间；所述MOS管N3的栅极连接至运算放大器的输出端，源极连接电阻R3后接地，漏极连接至电流镜像电路。

4.根据权利要求3所述的应用于LDO的新型电流折返电路，其特征在于，所述电流镜像电路包括MOS管P8、MOS管P9、MOS管N4、MOS管N5、MOS管N6、MOS管N7、MOS管N8、MOS管N9；所述MOS管P8的源极与MOS管P9的源极均连接至Vdd端，MOS管P8的栅极与MOS管P9的栅极相连后连接至MOS管P8的漏极，MOS管P8的漏极与MOS管N3的漏极相连，MOS管P9的漏极分别连接至MOS管N4的漏极、MOS管N6的栅极；所述MOS管N4的栅极与MOS管N5的栅极相连，再连接至MOS管P9的漏极与MOS管N6公共连接端；所述MOS管N8的栅极与MOS管N9的栅极相连，再连接至MOS管N7的栅极、基准电流源Iref的一端、MOS管N9的漏极；所述MOS管N8的漏极连接至MOS管N6的漏极，MOS管N5的漏极连接至MOS管N7的漏极；所述MOS管N4的源极、MOS管N5的源极、MOS管N6的源极、MOS管N7的源极、MOS管N8的源极、MOS管N9的源极均接地。

5.根据权利要求2所述的应用于LDO的新型电流折返电路，其特征在于，所述限流主体单元包括输入管P2、输入管P3、负载管P6、负载管P7；所述输入管P2的栅极与输入管P3的栅极相连接，再与输入管P2的漏极共同连接至偏置电流产生单元；所述输入管P3的漏极分别连接至偏置电流产生单元、共源极放大器；所述输入管P2的源极连接至负载管P6的漏极，输入管P3的源极分别连接至负载管P7的漏极、采样管P4的源极；所述负载管P6的栅极与负载管P7的栅极相连接，负载管P6的源极与负载管P7的源极分别连接至Vdd端。

6.根据权利要求5所述的应用于LDO的新型电流折返电路，其特征在于，所述共源极放大器包括MOS管P1、MOS管N1、MOS管N2；所述MOS管P1的源极连接至Vdd端，栅极分别连接至采样管P4的栅极与功率管P5的栅极公共连接端、MOS管P1的漏极；所述MOS管N1的漏极与MOS管P1的漏极相连，栅极连接至误差放大器的输出端，源极连接至MOS管N2的漏极；所述MOS管N2的栅极连接至输入管P3的漏极与偏置电流产生单元之间，源极接地。

7.根据权利要求1所述的应用于LDO的新型电流折返电路，其特征在于，所述电阻分压单元包括电阻R1、电阻R2；所述采样管P4的漏极与功率管P5的漏极公共连接端依次经电阻R1、电阻R2后接地。

8.根据权利要求7所述的应用于LDO的新型电流折返电路，其特征在于，所述误差放大器的正端输入基准电压，负端连接至电阻R1与电阻R2之间以输入LDO输出电压的分压。

9.根据权利要求1所述的应用于LDO的新型电流折返电路，其特征在于，所述负载电流单元采用电阻负载或电流源负载。

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