CN113110694A - 一种具有电流浪涌抑制的低压差线性稳压器电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有电流浪涌抑制的低压差线性稳压器电路，包括低压差线性稳压电路、浪涌电流抑制电路I1，以及晶体管M7；低压差线性稳压电路的电源端对接外部电源，低压差线性稳压电路的采样电流输出端对接浪涌电流抑制电路I1的采样电流输入端；低压差线性稳压电路的电压输出端与浪涌电流抑制电路I1的电压输入端相连，连接点构成低压差线性稳压器电路的输出端Vout；低压差线性稳压电路的自适应电流端对接晶体管M7的漏极，晶体管M7的栅极对接浪涌电流抑制电路I1的浪涌抑制信号输出端，晶体管M7的源极接地。本发明提供的电路结构简单、功耗低、面积小易集成，在系统上电后能够快速有效的抑制浪涌电流。

Description

一种具有电流浪涌抑制的低压差线性稳压器电路
技术领域
本发明涉及电源管理芯片技术领域，具体涉及一种具有电流浪涌抑制的低压差线性稳压器电路。
背景技术
电源管理芯片是电源与电路之间的“桥梁”，LDO(Low Dropout Regulator,LDO，低压差线性稳压器)作为电源管理芯片的一种，其凭借低成本、低功耗、纹波小和结构简单等优势在市场中占有重要地位。其应用领域广泛，可应用于医疗电子仪器设备、汽车通讯电子设备和便携式电子设备等。
随着电子产品的不断革新，和人们对便携式电子设备的性能需求，低功耗的LDO成为当前研究的热点。为追求更低功耗，采用电流自适应技术的LDO也越来越成熟。
现有的LDO电路，包括误差放大器EA和限流保护电路，采用限流保护电路限制功率管提供过大的负载电流，以防止电路烧坏，但是在系统上电启动的瞬间过程中，LDO电路里的各个模块电路还未建立至稳定状态，此时反馈电压FB远小于参考电压VREF，电路中功率管的栅压处于较低电位，功率管会向负载提供较大电流，即产生我们不希望的浪涌电流。浪涌电流是系统上电后短暂的瞬间产生，此时的限流保护电路还未建立工作状态甚至还未被启动，所以限流保护电路在上电时不能起到限流保护的作用。如果浪涌电流较大且得不到抑制，则会对周围器件或电路造成严重干扰甚至烧坏等问题，因此对系统上电引起的浪涌电流进行有效抑制是当下迫切要解决的问题。
发明内容
发明目的：本发明提供一种在系统上电瞬间，能够有效的减小浪涌电流的低压差线性稳压器电路。
技术方案：本发明提供的具有电流浪涌抑制的低压差线性稳压器电路，包括低压差线性稳压电路、浪涌电流抑制电路I1，以及晶体管M7；
低压差线性稳压电路的电源端对接外部电源，低压差线性稳压电路的采样电流输出端对接浪涌电流抑制电路I1的采样电流输入端；低压差线性稳压电路的电压输出端与浪涌电流抑制电路I1的电压输入端相连，连接点构成低压差线性稳压器电路的输出端Vout；低压差线性稳压电路的自适应电流端对接晶体管M7的漏极，晶体管M7的栅极对接浪涌电流抑制电路I1的浪涌抑制信号输出端，晶体管M7的源极接地；
所述浪涌电流抑制电路I1包括晶体管M1、第一电流镜电路、第二电流镜电路、电阻R3、电阻R4和晶体管M6；
晶体管M1的栅极构成浪涌电流抑制电路I1的采样电流输入端，晶体管M1的漏极对接第一电流镜电路的输入端，第一电流镜电路的感应源端构成浪涌电流抑制电路I1的电压输入端，第一电流镜电路的输出端对接第二电流镜电路的输入端，第二电流镜电路的输出端和电阻R3的一端、晶体管M6的栅极三者相连；电阻R3的另一端接地；晶体管M6的源极接地，晶体管M6的漏极和电阻R4的一端相连，连接点构成浪涌电流抑制电路I1的浪涌抑制信号输出端；电阻R4的另一端和第二电流镜电路的源端、晶体管M1的源极三者相连并对接外部电源。
作为本发明的一种优选方案，低压差线性稳压电路包括误差放大器EA、自适应电流电路、晶体管MP、电阻分压反馈电路I0、电流源L1和电流源L2；
误差放大器EA的电源端和晶体管MP的源极相连，连接点构成低压差线性稳压电路的电源端；晶体管MP的漏极和电阻分压反馈电路I0的输入端相连，连接点构成低压差线性稳压电路的电压输出端；电阻分压反馈电路I0的输出端对接误差放大器EA的正相输入端；误差放大器EA的反相输入端外接参考电压；误差放大器EA的输出端和自适应电流电路的输入端、晶体管MP的栅极三者相连，连接点构成低压差线性稳压电路的采样电流输出端；自适应电流电路的输出端和电流源L1的输入端相连，连接点构成低压差线性稳压电路的自适应电流端；电流源L1的输出端对接误差放大器EA的自适应电流端；误差放大器EA的尾电流端对接电流源L2的输入端，电流源L2的输出端接地。
作为本发明的一种优选方案，误差放大器EA的输出端和缓存器的输入端相连，缓存器的输出端和自适应电流电路的输入端、晶体管MP的栅极三者相连。
作为本发明的一种优选方案，所述电阻分压反馈电路I0包括电阻R1和电阻R2；
电阻R1的一端构成电阻分压反馈电路I0的输入端；电阻R1的另一端和电阻R2的一端相连，连接点构成电阻分压反馈电路I0的输出端；电阻R2的另一端接地。
作为本发明的一种优选方案，所述晶体管MP包括PMOS管、PNP双极型晶体管、达林顿管中的任一种。
作为本发明的一种优选方案，所述第一电流镜电路包括晶体管M2和晶体管M3；
晶体管M2的栅极和晶体管M2的漏极、晶体管M3的栅极三者相连，连接点构成第一电流镜电路的输入端；晶体管M3的漏极构成第一电流镜电路的输出端；晶体管M2的源极、M2的衬底、晶体管M3的源极、M3的衬底四者相连相连，连接点构成第一电流镜电路的感应源端。
作为本发明的一种优选方案，晶体管M2、晶体管M3、晶体管M6、晶体管M7均为NMOS管。
作为本发明的一种优选方案，所述第二电流镜电路包括晶体管M4和晶体管M5；
晶体管M4的栅极和晶体管M4的漏极、晶体管M5的栅极三者相连，连接点构成第二电流镜电路的输入端；晶体管M5的漏极构成第二电流镜电路的输出端；晶体管M4的源极和晶体管M5的源极相连，连接点构成第二电流镜电路的源端。
作为本发明的一种优选方案，晶体管M1、晶体管M4和晶体管M5均是PMOS管。
有益效果：本发明提供的具有电流浪涌抑制的低压差线性稳压器电路，结构简单、功耗低，且版图面积小易集成，在系统上电后，能够快速有效的抑制浪涌电流。
附图说明
图1为本发明提供的低压差线性稳压器电路的电路示意图；
图2为本发明实施例提供的电流自适应LDO浪涌电流结果图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
参照图1，本发明提供的具有电流浪涌抑制的低压差线性稳压器电路，用于为目标负载供电，包括低压差线性稳压电路、浪涌电流抑制电路I1，以及晶体管M7。
低压差线性稳压电路的电源端对接外部电源，低压差线性稳压电路的采样电流输出端对接浪涌电流抑制电路I1的采样电流输入端；低压差线性稳压电路的电压输出端与浪涌电流抑制电路I1的电压输入端相连，连接点构成低压差线性稳压器电路的输出端Vout，低压差线性稳压器电路的输出端Vout对接目标负载；低压差线性稳压电路的自适应电流端对接晶体管M7的漏极，晶体管M7的栅极对接浪涌电流抑制电路I1的浪涌抑制信号输出端，晶体管M7的源极接地。
浪涌电流抑制电路I1包括晶体管M1、第一电流镜电路、第二电流镜电路、电阻R3、电阻R4和晶体管M6；
晶体管M1的栅极构成浪涌电流抑制电路I1的采样电流输入端，晶体管M1的漏极对接第一电流镜电路的输入端，第一电流镜电路的感应源端构成浪涌电流抑制电路I1的电压输入端，第一电流镜电路的输出端对接第二电流镜电路的输入端，第二电流镜电路的输出端和电阻R3的一端、晶体管M6的栅极三者相连；电阻R3的另一端接地；晶体管M6的源极接地，晶体管M6的漏极和电阻R4的一端相连，连接点构成浪涌电流抑制电路I1的浪涌抑制信号输出端；电阻R4的另一端和第二电流镜电路的源端、晶体管M1的源极三者相连并对接外部电源。
低压差线性稳压电路包括误差放大器EA、自适应电流电路(Adap-current)、晶体管MP、电阻分压反馈电路I0、电流源L1和电流源L2。
误差放大器EA的电源端和晶体管MP的源极相连，连接点构成低压差线性稳压电路的电源端；晶体管MP的漏极和电阻分压反馈电路I0的输入端相连，连接点构成低压差线性稳压电路的电压输出端；电阻分压反馈电路I0的输出端对接误差放大器EA的正相输入端；误差放大器EA的反相输入端外接参考电压；误差放大器EA的输出端和自适应电流电路的输入端、晶体管MP的栅极三者相连，连接点构成低压差线性稳压电路的采样电流输出端；自适应电流电路的输出端和电流源L1的输入端相连，连接点构成低压差线性稳压电路的自适应电流端；电流源L1的输出端对接误差放大器EA的自适应电流端；误差放大器EA的尾电流端对接电流源L2的输入端，电流源L2的输出端接地。
自适应电流电路，包括用于电流采样的输入端和用于动态电流控制输出的输出端。自适应电流电路的输入端对晶体管MP的栅极电压检测启动，并在输出端转化成动态的电压控制信号，调控电流源L1得到一个可变化的电流。
晶体管M7的栅极由浪涌电流抑制电路I1的浪涌抑制信号输出端控制，晶体管M7的漏极与误差放大器EA的自适应电流端和自适应电流电路支路串联，晶体管M7的源极和衬底接地电位。
在如图1所示的电路中，电容CL和电阻RL等效为负载。
电阻分压反馈电路I0包括电阻R1和电阻R2；电阻R1的一端构成电阻分压反馈电路I0的输入端；电阻R1的另一端和电阻R2的一端相连，连接点构成电阻分压反馈电路I0的输出端；电阻R2的另一端接地。
电阻分压反馈电路I0，根据对低压差线性稳压器电路的输出端Vout的输出进行分压，得到一个反馈信号FB，该反馈信号输入到误差放大器EA的正相输入端。电阻分压反馈电路I0中的电阻R1和电阻R2连接断输出反馈信号FB。应当清楚的是，电阻R1和电阻R2的阻值根据实际情况而设定。
误差放大器EA的正相输入端和反相输入端分别接收反馈信号FB和参考电压VREF，比较两个输入信号后得到输出驱动信号，该输出驱动信号由误差放大器EA的输出端输出，即误差放大器EA的输出端输出反馈信号FB和参考电压VREF差值的放大信号，并耦接到晶体管MP的栅极，进而驱动晶体管MP，实现通过反馈调整晶体管MP提供的负载电流。误差放大器EA还包括用于提供基本工作电流的尾电流端，以及自适应电流端，自适应电流端通过自适应电流电路控制提供动态电流Iadap安排。
晶体管MP为功率管，可以是一个大尺寸的PMOS管，晶体管MP的栅极对接误差放大器EA的输出端，被误差放大器EA的输出驱动控制，晶体管MP的源极接外部电源输入VIN，晶体管MP的漏极作为低压差线性稳压器电路的输出端，同时与R1的一端相连。
晶体管MP还可以是PNP双极型晶体管或达林顿管。
在一个实施例中，误差放大器EA和功率管之间加入一级缓冲器，即误差放大器EA的输出端耦接至缓存器的输入端，缓存器的输出端耦接至晶体管MP的栅极，误差放大器EA的输出信号经过缓存器后由缓存器的输出来驱动调节晶体管MP的电流。
第一电流镜电路包括晶体管M2和晶体管M3；
晶体管M2的栅极和晶体管M2的漏极、晶体管M3的栅极三者相连，连接点构成第一电流镜电路的输入端；晶体管M3的漏极构成第一电流镜电路的输出端；晶体管M2的源极、M2的衬底、晶体管M3的源极、M3的衬底四者相连相连，连接点构成第一电流镜电路的感应源端。
晶体管M2、晶体管M3、晶体管M6、晶体管M7均为NMOS管。
第二电流镜电路包括晶体管M4和晶体管M5；
晶体管M4的栅极和晶体管M4的漏极、晶体管M5的栅极三者相连，连接点构成第二电流镜电路的输入端；晶体管M5的漏极构成第二电流镜电路的输出端；晶体管M4的源极和晶体管M5的源极相连，连接点构成第二电流镜电路的源端。
晶体管M1、晶体管M4和晶体管M5均是PMOS管。
本发明提供的电路的基本工作原理是：通过对输出VOUT分压反馈，得到反馈电压信号FB，并输入到误差放大器EA的同相端，经过误差放大器EA与反相端输入的参考电压VREF比较，输出一个控制信号调控功率管(晶体管MP)提供负载电流，从而稳定输出VOUT不变。自适电流应电路通过检测负载后给误差放大器EA提供一个可变的工作电流，实现电路加速启动和负载变化快速响应的作用。
在电路使能上电之前，电路中各个模块电路处于关闭状态；在使能上电之后，各个模块电路会在一个短暂的时间内启动并逐渐建立稳定工作状态，输出电压VOUT逐渐上升至稳定输出值。在这个短暂的建立稳定状态时间之初，功率管的栅极处于较低电位，又由于功率管具有较大的宽长比，导致功率管产生较大的浪涌电流，该浪涌电流过大可能会干扰甚至破坏周围的电路。在输出电压VOUT逐渐上升时，其电阻分压反馈信号FB的电压值也逐渐上升，此时误差放大器EA的反相端输入FB远小于其同相端输入的参考电压VREF，因此误差放大器EA输出一个较低的电位。同时，自适电流应电路为加快电路启动速度，采样功率管的大电流之后，经过转换给误差放大器EA提供了一个较大的自适应电流，使误差放大器EA的输出电压进一步拉低，而该输出电压要驱动控制功率管的栅极，所以自适应电流电路可能会导致浪涌电流的进一步加大。
为了抑制上述的浪涌电流，本发明提供一种浪涌电流抑制电路I1。当浪涌电流产生并快速增大时，浪涌电流抑制电路I1中的M1对功率管电流采样并逐渐增大，并经过第一电流镜电路(M2和M3)和第二电流镜电路(M4和M5)之间电流电压的转换，使第二电流镜电路的输出电流也成比例随M1的电流增加而增加，该第二电流镜电路的输出电流通过R3，使R3两端的电压差增大，R3的第一端电位升高到一定程度时会使M6开启，因此浪涌电流抑制电路的输出Inrush信号被拉低至低电平。
浪涌电流抑制电路I1输出低电平的Inrush信号控制M7关闭，进而关断电流自适应电路给误差放大器EA提供的大电流支路，从而有效抑制在电路上电后误差放大器EA的输出信号被再次拉低的现象，实现上电浪涌电流减小的功能。图2是本发明实施例提供的电流自适应LDO上电浪涌电流仿真结果图，通过仿真结果对比验证，带本发明的浪涌电流抑制电路的LDO上电时浪涌电流明显得到削减。
随着上电后各模块的启动和各个工作点逐渐建立至稳定，LDO稳压器的输出电压VOUT也逐渐上升，反馈信号FB也跟随逐渐加大，FB的电压与参考电压VREF的差值也越来越小，该差值信号经误差放大器EA放大后驱动功率管，功率管流过的浪涌电流快速减小。在此过程中，浪涌电流抑制电路I1的M1对功率管的采样电流也快速降低，同时第一电流镜电路M2和M3的源极感应输出VOUT的变化，使M1的漏极电压也跟随工作点VOUT的建立而逐渐抬高，M1管的漏源电压减小，进一步减小了M1的采样电流，加快了响应速度。当M1的采样电流减小到一定程度时，采样电流经过第一电流镜电路和第二电流镜电路转换并流入到R3，小的电流作用到R3上产生小的压降，该小电压低于M6的阈值电压，迫使M6关闭。电源电压VIN通过电阻R4，使浪涌电流抑制电路的输出Inrush信号变为高电平，该信号控制M7开通，自适应电流继续提供给误差放大器EA，加快工作状态建立至稳定。
即：本发明提供一种采用电流自适应技术的LDO电路，具有：误差放大器，其反相端输入参考电压，同相端输入反馈信号，该误差放大器EA输出对参考电压与反馈电压差值的放大信号，该输出信号驱动功率管；电流自适应电路，其通过采样功率管电流给误差放大器EA提供一个可变的自适应电流Iadap；功率管，其栅极接误差放大器EA的输出，源极接电源，漏极接电阻分压反馈电路并作LDO的输出端；电阻分压反馈电路，是电阻器件R1和R2串联在功率管的漏极与地电位之间，R1和R2的连接节点为输出分压反馈信号，接至误差放大器EA的同相端；浪涌电流抑制电路如图2所示，包括：第一端电源输入端，第二端功率管电流采样输入端，第三端LDO输出感应加速响应端，第四端浪涌电流控制信号输出端。
进一步的，在系统上电后短暂瞬间，自适应电流电路启动并提供大电流加速系统电路快速稳定，此时所述的功率管还未建立稳定状态，功率管有大电流通过，所述浪涌电流抑制电路里的M1采样功率管的大电流，并输出一个浪涌抑制的控制信号，控制误差放大器EA尾电流的自适应支路电流关闭，使误差放大器EA输出端的驱动信号抬高，减少功率管的电流。
在本实例中，晶体管M7为开关管，开关管关闭自适应电流，实现浪涌电流抑制。可以通过设置多个并联的自适应电流支路，部分或全部该支路受晶体管M7控制，可以实现按不同比例关闭部分自适应电流或完全关闭自适应电流等不同的状态，实现不同大小的浪涌电流限制能力。根据实施电路可接受浪涌电流的要求而设定。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种具有电流浪涌抑制的低压差线性稳压器电路，其特征在于，包括低压差线性稳压电路、浪涌电流抑制电路I1，以及晶体管M7；
低压差线性稳压电路的电源端对接外部电源，低压差线性稳压电路的采样电流输出端对接浪涌电流抑制电路I1的采样电流输入端；低压差线性稳压电路的电压输出端与浪涌电流抑制电路I1的电压输入端相连，连接点构成低压差线性稳压器电路的输出端Vout；低压差线性稳压电路的自适应电流端对接晶体管M7的漏极，晶体管M7的栅极对接浪涌电流抑制电路I1的浪涌抑制信号输出端，晶体管M7的源极接地；
所述浪涌电流抑制电路I1包括晶体管M1、第一电流镜电路、第二电流镜电路、电阻R3、电阻R4和晶体管M6；
晶体管M1的栅极构成浪涌电流抑制电路I1的采样电流输入端，晶体管M1的漏极对接第一电流镜电路的输入端，第一电流镜电路的感应源端构成浪涌电流抑制电路I1的电压输入端，第一电流镜电路的输出端对接第二电流镜电路的输入端，第二电流镜电路的输出端和电阻R3的一端、晶体管M6的栅极三者相连；电阻R3的另一端接地；晶体管M6的源极接地，晶体管M6的漏极和电阻R4的一端相连，连接点构成浪涌电流抑制电路I1的浪涌抑制信号输出端；电阻R4的另一端和第二电流镜电路的源端、晶体管M1的源极三者相连并对接外部电源。
2.根据权利要求1所述的具有电流浪涌抑制的低压差线性稳压器电路，其特征在于，低压差线性稳压电路包括误差放大器EA、自适应电流电路、晶体管MP、电阻分压反馈电路I0、电流源L1和电流源L2；
误差放大器EA的电源端和晶体管MP的源极相连，连接点构成低压差线性稳压电路的电源端；晶体管MP的漏极和电阻分压反馈电路I0的输入端相连，连接点构成低压差线性稳压电路的电压输出端；电阻分压反馈电路I0的输出端对接误差放大器EA的正相输入端；误差放大器EA的反相输入端外接参考电压；误差放大器EA的输出端和自适应电流电路的输入端、晶体管MP的栅极三者相连，连接点构成低压差线性稳压电路的采样电流输出端；自适应电流电路的输出端和电流源L1的输入端相连，连接点构成低压差线性稳压电路的自适应电流端；电流源L1的输出端对接误差放大器EA的自适应电流端；误差放大器EA的尾电流端对接电流源L2的输入端，电流源L2的输出端接地。
3.根据权利要求2所述的具有电流浪涌抑制的低压差线性稳压器电路，其特征在于，误差放大器EA的输出端和缓存器的输入端相连，缓存器的输出端和自适应电流电路的输入端、晶体管MP的栅极三者相连。
4.根据权利要求2或3所述的具有电流浪涌抑制的低压差线性稳压器电路，其特征在于，所述电阻分压反馈电路I0包括电阻R1和电阻R2；
电阻R1的一端构成电阻分压反馈电路I0的输入端；电阻R1的另一端和电阻R2的一端相连，连接点构成电阻分压反馈电路I0的输出端；电阻R2的另一端接地。
5.根据权利要求2或3所述的具有电流浪涌抑制的低压差线性稳压器电路，其特征在于，所述晶体管MP包括PMOS管、PNP双极型晶体管、达林顿管中的任一种。
6.根据权利要求1所述的具有电流浪涌抑制的低压差线性稳压器电路，其特征在于，所述第一电流镜电路包括晶体管M2和晶体管M3；
晶体管M2的栅极和晶体管M2的漏极、晶体管M3的栅极三者相连，连接点构成第一电流镜电路的输入端；晶体管M3的漏极构成第一电流镜电路的输出端；晶体管M2的源极、M2的衬底、晶体管M3的源极、M3的衬底四者相连相连，连接点构成第一电流镜电路的感应源端。
7.根据权利要求6所述的具有电流浪涌抑制的低压差线性稳压器电路，其特征在于，晶体管M2、晶体管M3、晶体管M6、晶体管M7均为NMOS管。
8.根据权利要求1所述的具有电流浪涌抑制的低压差线性稳压器电路，其特征在于，所述第二电流镜电路包括晶体管M4和晶体管M5；
晶体管M4的栅极和晶体管M4的漏极、晶体管M5的栅极三者相连，连接点构成第二电流镜电路的输入端；晶体管M5的漏极构成第二电流镜电路的输出端；晶体管M4的源极和晶体管M5的源极相连，连接点构成第二电流镜电路的源端。
9.根据权利要求8所述的具有电流浪涌抑制的低压差线性稳压器电路，其特征在于，晶体管M1、晶体管M4和晶体管M5均是PMOS管。
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