CN113031694A - 一种低功耗的低压差线性稳压器及其控制电路 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种低功耗的低压差线性稳压器及其控制电路，控制电路包括误差放大器和负载补偿电路，误差放大器根据输出电压的反馈电压与参考电压之间的电压差驱动功率晶体管，负载补偿电路与低压差线性稳压器的输出端连接，用于在低压差线性稳压器的工作温度大于预设温度时向输出端提供补偿电流，可以提高高温下误差放大器的输出阻抗和低压差线性稳压器的输出精度。

Description

一种低功耗的低压差线性稳压器及其控制电路

技术领域

本发明涉及线性调整器技术领域，更具体地，涉及一种低功耗的低压差线性稳压器及其控制电路。

背景技术

低压差线性稳压器(Low Dropout Regulator，LDO)是将不稳定的输入电压转换为可调节的直流输出电压，以便于作为其它系统的供电电源。由于线性稳压器具有结构简单、静态功耗小、输出电压纹波小等特点，因此线性稳压器常被用于移动消费类电子设备芯片的片内电源管理。

图1示出了根据现有技术的低压差线性稳压器的电路示意图。如图1所示，低压差线性稳压器100包括功率晶体管Mpout、误差放大器110以及电阻R1和电阻R2。功率晶体管Mpout用于根据电源端提供的电源电压VCC向后级负载提供输出电压Vout。电阻R1和电阻R2串联连接在功率晶体管Mpout的输出端和地之间，电阻R1和电阻R2的中间节点用于提供输出电压Vout的反馈信号VFB。误差放大器110用于将反馈电压VFB与一参考电压VREF进行比较，以获得二者之间的误差信号，并根据二者之间的误差信号调整功率晶体管Mpout的源漏压降，从而稳定输出电压Vout。

对于低功耗的低压差线性稳压器，在输出电流接近0A时，功率晶体管Mpout的源漏电流Ids只有几十纳安，并且功率晶体管Mpout的宽长比很大，导通电阻很小，所以低功耗的低压差线性稳压器中的栅极电压Vgate与电源电压VCC几乎相等，这会降低误差放大器的输出阻抗，影响误差放大器的直流增益，进而降低低压差线性稳压器的输出精度。并且在不同的温度和工艺角下，功率晶体管Mpout的栅源电压Vgs不同，例如高温下和Fast工艺角下功率晶体管Mpout的栅源电压Vgs接近0V，所以现有的低功耗的低压差线性稳压器在高温或者Fast工艺角下误差放大器的直流增益以及低压差线性稳压器的输出精度更低。

因此需要对现有的低功耗的低压差线性稳压器进行改进，以在高温下和Fast工艺角下提高误差放大器的输出阻抗和低压差线性稳压器的输出精度。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种低功耗的低压差线性稳压器及其控制电路，可提高高温下和Fast工艺角下误差放大器的输出阻抗和低压差线性稳压器的输出精度。

根据本发明实施例的一方面，提供了一种低功耗的低压差线性稳压器的控制电路，所述低压差线性稳压器包括连接于电源端和输出端之间的功率晶体管，所述控制电路用于驱动所述功率晶体管以将所述电源端的电源电压转换为输出电压，其中，所述控制电路包括：误差放大器，用于根据所述输出电压的反馈电压与参考电压之间的电压差驱动所述功率晶体管；以及负载补偿电路，与所述输出端连接，所述负载补偿电路用于在所述低压差线性稳压器的工作温度大于预设温度时向所述输出端提供补偿电流。

优选地，所述负载补偿电路包括第一电流支路，所述第一电流支路包括依次串联连接于所述输出端和地之间的第一电阻、第一晶体管、第二晶体管和第三晶体管，所述第一晶体管的控制端和第二端相互连接，所述第二晶体管和所述第三晶体管的控制端接地，其中，所述第二晶体管在所述工作温度大于所述预设温度时导通，所述第一电流支路向所述输出端提供第一补偿电流。

优选地，所述负载补偿电路还包括第二电流支路，所述第二电流支路包括依次串联连接于所述输出端和地之间的第四晶体管和第二电阻，其中，所述第四晶体管与所述第一晶体管形成电流镜，所述第二电流支路用于在所述第二晶体管导通时向所述输出端提供第二补偿电流。

优选地，所述负载补偿电路还包括第三电流支路，所述第三电流支路包括依次串联连接于所述输出端和地之间的第五晶体管和第六晶体管，其中，所述第五晶体管的控制端与所述第四晶体管和所述第二电阻的中间节点连接，所述第六晶体管的控制端接地，所述第三电流支路用于在所述第二晶体管导通时向所述输出端提供第三补偿电流。

优选地，所述第一晶体管的导电类型与所述第四晶体管的导电类型相同，所述第二晶体管的导电类型与所述第五晶体管的导电类型相同，所述第三晶体管、所述第六晶体管以及所述功率晶体管的导电类型相同。

优选地，所述第一晶体管的工艺参数与所述第四晶体管的工艺参数相同，所述第二晶体管的工艺参数与所述第五晶体管的工艺参数相同，所述第三晶体管、所述第六晶体管以及所述功率晶体管的工艺参数相同。

优选地，所述第二晶体管和所述第四晶体管选自N型的本征金属氧化物半导体场效应晶体管。

优选地，所述第一晶体管、所述第三晶体管、所述第四晶体管、所述第六晶体管以及所述功率晶体管分别选自P型的金属氧化物半导体场效应晶体管。

优选地，所述控制电路还包括串联连接于所述输出端和地之间的第三电阻和第四电阻，其中，所述第三电阻和所述第四电阻的中间节点用于提供所述反馈电压。

根据本发明实施例的另一方面，提供了一种低功耗的低压差线性稳压器，包括：串联连接于电源端和输出端之间的功率晶体管；以及上述的控制电路，所述控制电路用于驱动所述功率晶体管以将所述电源端的电源电压转换为输出电压。

本发明实施例的低功耗的低压差线性稳压器及其控制电路具有以下有益效果。

控制电路包括误差放大器和负载补偿电路，误差放大器根据输出电压的反馈电压与参考电压之间的电压差驱动功率晶体管，负载补偿电路与低压差线性稳压器的输出端连接，用于在低压差线性稳压器的工作温度大于预设温度时向输出端提供补偿电流，所以本发明实施例的负载补偿电路可以提高高温下误差放大器的输出阻抗和低压差线性稳压器的输出精度。

进一步的，本发明实施例的负载补偿电路在低压差线性稳压器工作在正常温度范围内时，其产生的补偿电流为0A，所以不影响正常温度下低压差线性稳压器的正常工作。

更进一步的，本发明实施例的在不同的工艺角下提供不同电流值的补偿电流，进一步可以提高Fast工艺角下误差放大器的输出阻抗和低压差线性稳压器的输出精度，电路适应性和稳定性更高。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1示出了根据现有技术的低压差线性稳压器的电路示意图；

图2示出了根据本发明实施例的低压差线性稳压器的电路示意图。

具体实施方式

以下将参照附图更详细地描述本发明的各种实施例。在各个附图中，相同的元件采用相同或类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。

应当理解，在以下的描述中，“电路”是指由至少一个元件或子电路通过电气连接或电磁连接构成的导电回路。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件/电路“连接在”两个节点之间时，它可以直接耦合或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦合到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。

在本申请中，功率晶体管是工作在线性模式以提供电流路径的晶体管，包括选自双极晶体管或场效应晶体管的一种。功率晶体管的第一端和第二端分别是电流路径上的高电位端和低电位端，控制端用于接收驱动信号以控制功率晶体管的压降。功率晶体管可以为P型MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金属氧化物半导体场效应晶体管)或N型MOSFET。P型MOSFET的第一端、第二端和控制端分别为源极、漏极和栅极，N型MOSFET的第一端、第二端和控制端分别为漏极、源极和栅极。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图2示出根据本发明实施例的低压差线性稳压器的电路示意图。如图2所示，该低压差线性稳压器200包括集成在同一集成电路芯片中的功率晶体管Mpout和控制电路。功率晶体管Mpout为芯片的主要输出管，连接在电源端和输出端之间。功率晶体管Mpout例如选用P型MOSFET，其第一端接收电源电压VCC，第二端向后级负载提供输出电压Vout。

在其他实施例中，功率晶体管Mpout也可以选自NPN达林顿管、NPN型双极性晶体管、PNP型双极性晶体管、或者N型MOSFET等。

控制电路用于驱动功率晶体管Mpout，以使得功率晶体管Mpout可以向后级负载提供输出电流。

具体的，控制电路包括误差放大器210和负载补偿电路220。

误差放大器210通过控制功率晶体管Mpout的控制端电压，来控制功率晶体管Mpout的第一端和第二端之间的导通电阻，从而控制所述功率晶体管Mpout的源漏压降。

进一步的，误差放大器210将反馈电压VFB和参考电压VREF进行比较，当二者出现偏差时，误差放大器210将所述偏差放大后控制功率晶体管Mpout的源漏压降。在本实施例中，当输出电压Vout降低时，反馈电压VFB与参考电压VREF之间的电压差增大，使得施加到功率晶体管Mpout的控制端的电压增大，功率晶体管Mpout的第一端和第二端之间的导通电阻减小，功率晶体管Mpout两端的压降降低，从而使得低压差线性稳压器200的输出端的电压升高，使得输出电压Vout恢复到正常水平。

在本发明的其他实施例中，控制电路还包括连接在输出端和地之间的反馈网络，误差放大器210根据所述反馈网络提供的反馈电压和参考电压之间的电压差控制功率晶体管Mpout的源漏压降。作为示例，低压差线性稳压器200的控制电路包括串联连接在功率晶体管Mpout的输出端和地之间的电阻R1和电阻R2，电阻R1和电阻R2的中间节点用于提供输出电压Vout的反馈信号VFB。

负载补偿电路220用于根据低压差线性稳压器200的不同的工作温度向输出端提供相应的补偿电流，以对低压差线性稳压器的输出电流Iout进行补偿。其中，当低压差线性稳压器200的工作温度小于预设温度时，负载补偿电路220处于无效状态(即负载补偿电路200输出的补偿电流为0)；当低压差线性稳压器200的工作温度大于预设温度时，负载补偿电路200向输出端输出随当前温度变化的不同电流值的补偿电流。

进一步的，负载补偿电路220包括电阻R3和电阻R4、晶体管Mp1-Mp4、以及晶体管Mn1和Mn2。电阻R3、晶体管Mp1、晶体管Mn1和晶体管Mp3依次串联连接在低压差线性稳压器的输出端和地之间的第一电流支路，晶体管Mp1的控制端和第二端相互连接，晶体管Mn1和晶体管Mp3的控制端接地。晶体管Mp2和电阻R4依次串联连接在低压差线性稳压器的输出端和地之间的第二电流支路，晶体管Mp2和晶体管Mp1形成电流镜。晶体管Mn2和晶体管Mp4依次串联连接于所述低压差线性稳压器的输出端和地之间的第三电流支路，晶体管Mn2的控制端与晶体管Mp2和电阻R4之间的节点B连接，晶体管Mp4的控制端接地。

其中，晶体管Mp3和晶体管Mp4与功率晶体管Mpout的导电类型相同，同时晶体管Mp3和晶体管Mp4与功率晶体管Mpout的工艺参数相同，以匹配功率晶体管Mpout的工艺角(Process Corner)。在半导体制造过程中，不同的晶圆和不同的批次之间的MOSFET的参数也不相同，为了减轻设计困难度，需要将MOSFET的器件性能限制在某个范围内，并报废超出这个范围的芯片，来严格控制预期的参数变化，这个性能范围是工艺角。工艺角一般包括5个模式(5-corner model)：TT、FF、SS、FS、SF(其中，T是Typical Corner(Typical工艺角)，是指晶体管饱和电流的平均值，S是Slow Corner(Slow工艺角)，是指晶体管饱和电流的最小值，F是Fast Corner(Fast工艺角)，是指晶体管饱和电流的最大值)，前后两个字母分别对应N型的MOSFET和P型的MOSFET。对于Fast工艺角的晶体管，其饱和电流大，导通阈值小，运行速度快；对于Slow工艺角的晶体管，其饱和电流小，导通阈值大，运行速度慢。

此外，晶体管Mp1和晶体管Mp2的导电类型和工艺参数相同，晶体管Mn1和晶体管Mn2的导电类型和工艺参数也相同。更进一步的，晶体管Mn1和晶体管Mn2选自N型的本征MOSFET，其在常温下的导通阈值约为0V，当低压差线性稳压器的工作温度升高时，其导通阈值小于0V。

所以，当低压差线性稳压器的工作温度小于预设温度时，晶体管Mn1截止，A点电压VA＝0V，由于此时晶体管Mp3的导通阈值Vth_Mp3较大，所以晶体管Mp3截止，晶体管Mp1也截止，因此晶体管Mp1、晶体管Mn1和晶体管Mp3中没有电流流过，第一电流支路的第一补偿电流I1＝0A。此外，因为电流镜像的原因，所以此时第二电流支路和第三电流支路中的第二补偿电流I2和第三补偿电流I3都等于0A。所以当低压差线性稳压器的工作温度较低时，负载补偿电路的补偿电流为0A，其不影响低温下低压差线性稳压器的正常工作。

随着工作温度的升高，负载补偿电路220中的晶体管的导通阈值逐渐减小，当低压差线性稳压器的工作温度大于预设温度时，晶体管Mn1的导通阈值Vth_Mn1小于0V，晶体管Mn1导通，此时节点A的电压VA＝-Vgs_Mn1，其中，Vgs_Mn1为晶体管Mn1的栅源电压。当节点A的电压VA达到晶体管Mp3的导通阈值时，晶体管Mp3导通，第一电流支路向输出端提供第一补偿电流I1。

因为电流镜像的原因，所以第二电流支路中也开始出现电流，且第二电流支路的第二补偿电流I2与第一补偿电流I1的关系为：

其中，Vgs_Mp1为晶体管Mp1的栅源电压，I1为第一电流支路产生的第一补偿电流的电流值，R3为电阻R3的电阻值。

并且此时节点B的电压VB为：

VB＝I2×R4

所以，第三电流支路中也开始出现电流，且节点C的电压VC为：

VC＝I2×R4-Vth_Mn2

所以第三电流支路中的第三补偿电流I3与第一补偿电流I1的关系为：

其中，Vth_Mn1和Vth_Mn2分别是晶体管Mn1和晶体管Mn2的导通阈值，且Vth_Mn1＝Vth_Mn2。

由此可知，本发明实施例的负载补偿电路220可提供多级的补偿电流，且第一电流支路、第二电流支路和第三电流支路的补偿电流逐级增大。进一步的，可以通过调整电阻R3和电阻R4的电阻值来调整第二补偿电流I2和第三补偿电流I3与第一补偿电流I1之间的倍数关系。

此外，由于在不同的工艺角下晶体管的饱和电流不同，所以本发明的负载补偿电路220还可在不同的工艺角下提供不同电流值的补偿电流。例如，在Slow工艺角下，功率晶体管Mpout、晶体管Mp3以及晶体管Mp4的饱和电流较小，而在Fast工艺角下，功率晶体管Mpout、晶体管Mp3以及晶体管Mp4的饱和电流较大，所以在Slow工艺角下负载补偿电路220提供的补偿电流要小于其在Fast工艺角下提供的补偿电流。

此外，在上述实施例中，晶体管Mp1-Mp4例如通过P型MOSFET实现，晶体管Mn1和Mn2例如通过本征N型MOSFET实现。

综上所述，本发明实施例的低功耗的低压差线性稳压器及其控制电路中，控制电路包括误差放大器和负载补偿电路，误差放大器根据输出电压的反馈电压与参考电压之间的电压差驱动功率晶体管，负载补偿电路与低压差线性稳压器的输出端连接，用于在低压差线性稳压器的工作温度大于预设温度时向输出端提供补偿电流，所以本发明实施例的负载补偿电路可以提高高温下误差放大器的输出阻抗和低压差线性稳压器的输出精度。

进一步的，本发明实施例的负载补偿电路在低压差线性稳压器工作在正常温度范围内时，其产生的补偿电流为0A，所以不影响正常温度下低压差线性稳压器的正常工作。

更进一步的，本发明实施例的在不同的工艺角下提供不同电流值的补偿电流，进一步可以提高Fast工艺角下误差放大器的输出阻抗和低压差线性稳压器的输出精度，电路适应性和稳定性更高。

应当说明，尽管在本文中，将器件说明为某种N沟道或P沟道器件、或者某种N型或者P型掺杂区域，然而本领域的普通技术人员可以理解，根据本发明，互补器件也是可以实现的。本领域的普通技术人员可以理解，导电类型是指导电发生的机制，例如通过空穴或者电子导电，因此导电类型不涉及掺杂浓度而涉及掺杂类型，例如P型或者N型。本领域普通技术人员可以理解，本文中使用的与电路运行相关的词语“期间”、“当”和“当……时”不是表示在启动动作开始时立即发生的动作的严格术语，而是在其与启动动作所发起的反应动作(reaction)之间可能存在一些小的但是合理的一个或多个延迟，例如各种传输延迟等。本文中使用词语“大约”或者“基本上”意指要素值(element)具有预期接近所声明的值或位置的参数。然而，如本领域所周知的，总是存在微小的偏差使得该值或位置难以严格为所声明的值。本领域已恰当的确定了，至少百分之十(10％)(对于半导体掺杂浓度，至少百分之二十(20％))的偏差是偏离所描述的准确的理想目标的合理偏差。当结合信号状态使用时，信号的实际电压值或逻辑状态(例如“1”或“0”)取决于使用正逻辑还是负逻辑。

此外，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

依照本发明的实施例如上文，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种低功耗的低压差线性稳压器的控制电路，所述低压差线性稳压器包括连接于电源端和输出端之间的功率晶体管，所述控制电路用于驱动所述功率晶体管以将所述电源端的电源电压转换为输出电压，其中，所述控制电路包括：

误差放大器，用于根据所述输出电压的反馈电压与参考电压之间的电压差驱动所述功率晶体管；以及

负载补偿电路，与所述输出端连接，所述负载补偿电路用于在所述低压差线性稳压器的工作温度大于预设温度时向所述输出端提供补偿电流。

2.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述负载补偿电路包括第一电流支路，所述第一电流支路包括依次串联连接于所述输出端和地之间的第一电阻、第一晶体管、第二晶体管和第三晶体管，

所述第一晶体管的控制端和第二端相互连接，

所述第二晶体管和所述第三晶体管的控制端接地，

其中，所述第二晶体管在所述工作温度大于所述预设温度时导通，所述第一电流支路向所述输出端提供第一补偿电流。

3.根据权利要求2所述的控制电路，其特征在于，所述负载补偿电路还包括第二电流支路，所述第二电流支路包括依次串联连接于所述输出端和地之间的第四晶体管和第二电阻，

其中，所述第四晶体管与所述第一晶体管形成电流镜，所述第二电流支路用于在所述第二晶体管导通时向所述输出端提供第二补偿电流。

4.根据权利要求3所述的控制电路，其特征在于，所述负载补偿电路还包括第三电流支路，所述第三电流支路包括依次串联连接于所述输出端和地之间的第五晶体管和第六晶体管，

其中，所述第五晶体管的控制端与所述第四晶体管和所述第二电阻的中间节点连接，所述第六晶体管的控制端接地，

所述第三电流支路用于在所述第二晶体管导通时向所述输出端提供第三补偿电流。

5.根据权利要求4所述的控制电路，其特征在于，所述第一晶体管的导电类型与所述第四晶体管的导电类型相同，

所述第二晶体管的导电类型与所述第五晶体管的导电类型相同，

所述第三晶体管、所述第六晶体管以及所述功率晶体管的导电类型相同。

6.根据权利要求4所述的控制电路，其特征在于，所述第一晶体管的工艺参数与所述第四晶体管的工艺参数相同，

所述第二晶体管的工艺参数与所述第五晶体管的工艺参数相同，

所述第三晶体管、所述第六晶体管以及所述功率晶体管的工艺参数相同。

7.根据权利要求4所述的控制电路，其特征在于，所述第二晶体管和所述第四晶体管选自N型的本征金属氧化物半导体场效应晶体管。

8.根据权利要求4所述的控制电路，其特征在于，所述第一晶体管、所述第三晶体管、所述第四晶体管、所述第六晶体管以及所述功率晶体管分别选自P型的金属氧化物半导体场效应晶体管。

9.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，还包括串联连接于所述输出端和地之间的第三电阻和第四电阻，

其中，所述第三电阻和所述第四电阻的中间节点用于提供所述反馈电压。

10.一种低功耗的低压差线性稳压器，其特征在于，包括：

串联连接于电源端和输出端之间的功率晶体管；

以及权利要求1-9任一项所述的控制电路，所述控制电路用于驱动所述功率晶体管以将所述电源端的电源电压转换为输出电压。

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