CN112486236A - 基于快速短路保护的低压差线性稳压器 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示了一种基于快速短路保护的低压差线性稳压器，所述低压差线性稳压器包括：LDO单元，包括误差放大器AMP、MOS管MP及分压电阻R1和R2；快速短路保护单元，设置于MOS管MP与电源电压VIN之间，用于实现LDO单元的快速短路保护；控制单元，与MOS管MP和快速短路保护单元相连，于LDO单元正常工作时控制保护单元关闭，于LDO单元发生快速短路时控制保护单元导通。本发明的低压差线性稳压器通过控制单元检测MOS管MP的栅源电压，从而控制快速短路保护单元的导通和关闭，在快速短路时关断MOS管MP实现快速短路保护，大大降低了MOS管MP中的瞬间大电流，且有效缩短了电流维持时间，提高了LDO的稳定性和安全性。

Description

基于快速短路保护的低压差线性稳压器
技术领域
本发明属于低压差线性稳压器技术领域，具体涉及一种基于快速短路保护的低压差线性稳压器。
背景技术
低压差线性稳压器(Low Dropout regulator，LDO)具有输出噪声小、电路结构简单、占用芯片面积小和电压纹波小等优点，已成为电源管理芯片中的一类重要电路。低压差线性稳压器能够为模拟电路和射频电路等噪声敏感电路提供低输出纹波的电源，而且由于结构相对简单，外围元器件少，因而被广泛应用于片上系统芯片中。
参图1所示，现有技术中的LDO主要包括误差放大器AMP、MOS管MP、分压电阻R1和R2、及负载(负载电流为IL，输出电容为CL)。LDO基本原理为：误差放大器AMP用于放大反馈电压Vfb与基准电压Vref之间的差值，MOS管MP的栅源电压Vgs增大或减小电流以控制输出电压，实现输出电压的稳定，最终Vref和Vfb误差放大经过误差放大器EA构成负反馈使得输出电压稳定在Vout＝Vref×(R1+R2)/R2。
LDO的快速短路是指：将LDO的输出电压VOUT快速短路到地(GND)，而要保证LDO不会损坏。LDO中的保护机制很多，其中包括过流保护，而在输出电压VOUT快速短路到地时，尤其是低IQ(1μA～几μA)静态电流时，过流保护电路还没有建立，MOS管MP由于栅源电压瞬间过大导致有大电流流过，参图2所示大电流能达到989mA左右，整体持续时间为218μs左右，瞬间的功耗过大会导致较大的温升而烧坏MOS管MP。
因此，针对上述技术问题，有必要提供一种基于快速短路保护的低压差线性稳压器。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于快速短路保护的低压差线性稳压器，以在快速短路时关闭MOS管MP实现保护。
为了实现上述目的，本发明一实施例提供的技术方案如下：
一种基于快速短路保护的低压差线性稳压器，所述低压差线性稳压器包括：
LDO单元，包括误差放大器AMP、MOS管MP及分压电阻R1和R2，LDO单元中负载电流为IL，电源电压为VIN，输出电压为VOUT，输出电容为CL；
快速短路保护单元，设置于MOS管MP与电源电压VIN之间，用于实现LDO单元的快速短路保护；
控制单元，与MOS管MP和快速短路保护单元相连，于LDO单元正常工作时控制保护单元关闭，于LDO单元发生快速短路时控制保护单元导通。
一实施例中，所述LDO单元中的MOS管MP为PMOS管，MOS管MP的栅极与误差放大器AMP的输出端相连，源极与电源电压VIN相连，漏极与输出电压VOUT相连。
一实施例中，所述快速短路保护单元为MOS管MN，MOS管MN为NMOS管。
一实施例中，所述MOS管MN的栅极与控制单元相连，源极与MOS管MP的栅极相连，漏极与电源电压VIN相连。
一实施例中，所述控制单元包括电阻R0、电容C0及反相器INV。
一实施例中，所述电阻R0的第一端与电源电压VIN相连，第二端与电容C0的第一端相连，电容C0的第二端与MOS管MP的栅极相连，反相器INV的输入端与电阻R0的第二端和电容C0的第一端相连，输出端与MOS管MN的栅极相连。
一实施例中，所述LDO单元正常工作时，反相器INV的输入端为高电压，输出端为低电压，控制MOS管MN关闭；所述LDO单元发生快速短路时，MOS管MP的栅极电压VG被拉低，电容C0响应栅极电压VG的拉低使反相器INV翻转，控制MOS管MN导通，将栅极电压VG上拉，以限制MOS管MP的栅源电压VSG。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明的低压差线性稳压器通过控制单元检测MOS管MP的栅源电压，从而控制快速短路保护单元的导通和关闭，在快速短路时关断MOS管MP实现快速短路保护，大大降低了MOS管MP中的瞬间大电流，且有效缩短了电流维持时间，提高了LDO的稳定性和安全性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，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为现有技术中低压差线性稳压器的电路图；
图2为现有技术中LDO快速短路时的输出电流(IOUT)-时间曲线图；
图3为本发明一具体实施例中低压差线性稳压器的电路图；
图4为本实施例中LDO快速短路时的输出电流(IOUT)-时间曲线图(39.9ms-41.5ms)；
图5为本实施例中LDO快速短路时的输出电流(IOUT)-时间曲线图(40.00018ms-40.00058ms)。
具体实施方式
以下将结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细描述。但该等实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据该等实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。
本发明公开了一种基于快速短路保护的低压差线性稳压器，包括：
LDO单元，包括误差放大器AMP、MOS管MP及分压电阻R1和R2，LDO单元中负载电流为IL，电源电压为VIN，输出电压为VOUT，输出电容为CL；
快速短路保护单元，设置于MOS管MP与电源电压VIN之间，用于实现LDO单元的快速短路保护；
控制单元，与MOS管MP和快速短路保护单元相连，于LDO单元正常工作时控制保护单元关闭，于LDO单元发生快速短路时控制保护单元导通。
以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。
参图3所示，本发明一具体实施例中基于快速短路保护的低压差线性稳压器，包括：
LDO单元10，包括误差放大器AMP、MOS管MP及分压电阻R1和R2，LDO单元中负载电流为IL，电源电压为VIN，输出电压为VOUT，输出电容为CL；
快速短路保护单元20，设置于MOS管MP与电源电压VIN之间，用于实现LDO单元10的快速短路保护；
控制单元30，与MOS管MP和快速短路保护单元20相连，于LDO单元10正常工作时控制保护单元关闭，于LDO单元10发生快速短路时控制保护单元导通。
本实施例的LDO单元10中，误差放大器AMP、MOS管MP、分压电阻R1和R2等构成基本的LDO电路，MOS管MP为PMOS管，MOS管MP的栅极与误差放大器AMP的输出端相连，源极与电源电压VIN相连，漏极与输出电压VOUT相连。LDO的工作原理此处不再进行赘述。
本实施例中的快速短路保护单元20为MOS管MN，MOS管MN为NMOS管，控制单元30包括包括电阻R0、电容C0及反相器INV。
具体地，MOS管MN的栅极与控制单元相连，源极与MOS管MP的栅极相连，漏极与电源电压VIN相连。
电阻R0的第一端与电源电压VIN相连，第二端与电容C0的第一端相连，电容C0的第二端与MOS管MP的栅极相连，反相器INV的输入端与电阻R0的第二端和电容C0的第一端相连，输出端与MOS管MN的栅极相连。
本实施例中的低压差线性稳压器工作原理如下：
LDO单元正常工作时，反相器INV的输入端为高电压，输出端为低电压，控制MOS管MN关闭，快速短路保护单元不工作；
LDO单元发生快速短路时，由于电容耦合(MP的栅漏电容Cgd)的原因，MOS管MP的栅极电压VG被拉低，这时电容C0会响应栅极电压VG的拉低，使反相器INV的输出由低电压翻转为高电压，控制MOS管MN瞬间导通，将栅极电压VG上拉，以限制MOS管MP的栅源电压VSG，保证MOS管MP的栅源电压VSG不要过大，进而限制电流输出，保证MOS管MP瞬间的功率不要过大，不会发生过大的温升而起到保护的作用。
参图4、图5所示为本实施例中LDO在快速短路时的输出电流(IOUT，即流过MOS管MP的电流)-时间曲线图，结合图2所示，现有技术中LDO在快速短路时MOS管MP的瞬间大电流能达到989mA左右，而本实施例的LDO发送快速短路时，过流保护电路建立前的MOS管MP的瞬间电流仅达到135mA左右，整体持续时间为109ns左右，过流保护电路建立后的电流大概为66mA左右。
可见，本实施例中的LDO可以有效检测MOS管MP的栅源电压，在LDO快速短路时关断MOS管MP实现保护，大大降低了MOS管MP中的瞬间大电流，且有效缩短了电流维持时间，提高了LDO的稳定性和安全性。
应当理解的是，上述实施例中的快速短路保护单元为MOS管MN，控制单元包括电阻R0、电容R0及反相器INV，在其他实施例中快速短路保护单元和控制单元也可以采用其他可替代的电路结构，凡是在快速短路保护时关断MOS管MP实现保护的技术方案均属于本发明所保护的范围。
上技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
本发明的低压差线性稳压器通过控制单元检测MOS管MP的栅源电压，从而控制快速短路保护单元的导通和关闭，在快速短路时关断MOS管MP实现快速短路保护，大大降低了MOS管MP中的瞬间大电流，且有效缩短了电流维持时间，提高了LDO的稳定性和安全性。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施例加以描述，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (7)

1.一种基于快速短路保护的低压差线性稳压器，其特征在于，所述低压差线性稳压器包括：
LDO单元，包括误差放大器AMP、MOS管MP及分压电阻R1和R2，LDO单元中负载电流为IL，电源电压为VIN，输出电压为VOUT，输出电容为CL；
快速短路保护单元，设置于MOS管MP与电源电压VIN之间，用于实现LDO单元的快速短路保护；
控制单元，与MOS管MP和快速短路保护单元相连，于LDO单元正常工作时控制保护单元关闭，于LDO单元发生快速短路时控制保护单元导通。
2.根据权利要求1所述的基于快速短路保护的低压差线性稳压器，其特征在于，所述LDO单元中的MOS管MP为PMOS管，MOS管MP的栅极与误差放大器AMP的输出端相连，源极与电源电压VIN相连，漏极与输出电压VOUT相连。
3.根据权利要求2所述的基于快速短路保护的低压差线性稳压器，其特征在于，所述快速短路保护单元为MOS管MN，MOS管MN为NMOS管。
4.根据权利要求3所述的基于快速短路保护的低压差线性稳压器，其特征在于，所述MOS管MN的栅极与控制单元相连，源极与MOS管MP的栅极相连，漏极与电源电压VIN相连。
5.根据权利要求4所述的基于快速短路保护的低压差线性稳压器，其特征在于，所述控制单元包括电阻R0、电容C0及反相器INV。
6.根据权利要求5所述的基于快速短路保护的低压差线性稳压器，其特征在于，所述电阻R0的第一端与电源电压VIN相连，第二端与电容C0的第一端相连，电容C0的第二端与MOS管MP的栅极相连，反相器INV的输入端与电阻R0的第二端和电容C0的第一端相连，输出端与MOS管MN的栅极相连。
7.根据权利要求6所述的基于快速短路保护的低压差线性稳压器，其特征在于，所述LDO单元正常工作时，反相器INV的输入端为高电压，输出端为低电压，控制MOS管MN关闭；所述LDO单元发生快速短路时，MOS管MP的栅极电压VG被拉低，电容C0响应栅极电压VG的拉低使反相器INV翻转，控制MOS管MN导通，将栅极电压VG上拉，以限制MOS管MP的栅源电压VSG。
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