CN113970950A - 一种低压差线性稳压器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低压差线性稳压器，包括基准电路的Vref输出端分别耦接快速启动电路的Vref1输入端、折返限流电路的Vref3输入端；快速启动电路对基准电压进行除噪，并输出控制信号，其Vref2输出端耦接LDO主体电路的Vref4输入端，控制信号Ctrl输出端耦接折返限流电路的Ctrl输入端；折返限流电路对输出电流和输出电压进行采样，当输出电流超出限定值时，进行固定限流和输出电流返送；LDO主体电路产生稳定的输出电压，其Vout输出端为下级负载供电。本发明通过设置快速启动电路，快速启动的同时，输出控制信号，保证初始上电时折返电路不工作，从而避免Vout输出端的电压在上升过程中，电路进入“闩锁”状态；保证电路正常启动，并进行限流保护，提高了电路的可靠性。

Description

一种低压差线性稳压器

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，尤其是一种可靠性高的低压差线性稳压器。

背景技术

电源管理芯片在半导体领域占据着不可或缺的位置，其中，低压差线性稳压器((Low Dropout Regulator,即LDO)因可提供稳定的输出电压，并且具有低噪声、电源抑制比高、低成本等优点，广泛地应用于各种高性能电源系统中在各种电子产品中。

低压差线性稳压器的输出电压可能因负载电路运作异常而不稳定。尤其当负载电路过载甚至短路时，过大的输出电流容易损坏电源管理芯片以及后端负载模块，因此通常需要引入限流保护电路，限流保护电路主要采用固定限流方式或折返限流方式。固定限流方式通过把系统限制在额定限流值的最大值范围内，同时输出电压降低，但一旦发生限流，低压差线性稳压器仍旧维持大电流和大功耗，芯片长时间发热，可能导致芯片失效，甚至烧毁；而折返限流方式是当发现负载过载后进入限流模式，降低输出电压与输出电流，直到输出电流达到较小的限定值，因此目前主要采用折返限流方式。但是，如图1所示，低压差线性稳压器开始启动时，由于电压和电流较低，可能触发折返限流电路，使得电路进入“闩锁”(Latch-Up)状态，从而导致芯片不能正常工作，可靠性差。另外，电路要实现低噪声性能，目前主要是通过RC滤波器实现，若设置在片内，需要占用较大的芯片面积，为了节省芯片面积，常用的方法是通过在片外设置大电容进行滤波。

发明内容

本发明针对上述现有低压差线性稳压器中存在的可靠性差的问题，提供一种结构合理的低压差线性稳压器，通过快速启动的低通滤波电路，产生控制信号对折返电路进行控制，避免电路进入“闩锁”状态，从而保证电路正常启动，提高可靠性。

本发明所采用的技术方案如下：

一种低压差线性稳压器，包括：

基准电路，所述基准电路用于产生基准电压和基准电流，其Vref输出端分别耦接快速启动电路的Vref1输入端、折返限流电路的Vref3输入端。

快速启动电路，所述快速启动电路对基准电压进行除噪，并输出控制信号，其Vref2输出端耦接LDO主体电路的Vref4输入端，控制信号Ctrl输出端耦接折返限流电路的Ctrl输入端，当Ctrl输出端输出低电平时，折返限流电路不工作。

折返限流电路，所述折返限流电路对输出电流和输出电压进行采样，当输出电流超出限定值时，进行固定限流和输出电流返送，其VG输入端耦接LDO主体电路的VG输出端，其Vout输入端耦接LDO主体电路的Vout输出端。

LDO主体电路，所述LDO主体电路产生稳定的输出电压，其Vout输出端为下级负载供电。

优选的，快速启动电路包括低通滤波电路和切换电路，低通滤波电路由晶体管M0和电容C0组成，切换电路包括比较器Comp、开关SW、晶体管M1以及电流源I0。

进一步的，快速启动电路比较器Comp的负端分别耦接Vref1输入端、晶体管M0的源极以及晶体管M1的源极，比较器Comp的正端分别耦接晶体管M0的漏极、Vref2输出端以及电容C0的一端，电容C0的另一端接地，比较器Comp的输出端耦接Ctrl输出端及开关SW的控制端；开关SW的一端分别与晶体管M0的栅极、晶体管M1的漏极和栅极耦接，开关SW的另一端耦接电流源I0后接地。

优选的，折返限流电路包括限流电路和折返电路，限流电路包括第一采样晶体管M312和最大电流判断电路，用于设置最大输出电流值，通过VG输入端对LDO主体电路400的输出电流进行采样，当输出电流超过最大输出电流时，将输出电流限定在最大输出电流值；折返电路302包括第二采样晶体管M322以及阈值电路，当输出电流被限定后，通过Vout输入端对LDO主体电路的输出电压进行采样，当Vout输出端的输出电压下降至低于设定的阈值电压时，折返电路对输出电流进行折返。

进一步的，限流电路的比较器Comp2的正端耦接Vref3输入端，正端耦接晶体管M313的漏极、电阻R311的一端，比较器Comp2的输出端耦接晶体管M311的栅极，电阻R311的另一端与电流源I311的一端耦接后接地，晶体管M313和晶体管M314组成一对有源电流镜，晶体管M313的源极耦接晶体管M 312的漏极，晶体管M312的源极耦接晶体管M311的源极，晶体管M311的漏极分别与晶体管M312的栅极及VG输入端耦接。

进一步的，折返电路的晶体管M321的漏极、晶体管M322的栅极与VG输入端耦接，晶体管M321的源极分别与晶体管M322的源极、电阻R321的一端耦接，电阻R321的另一端耦接晶体管M321的栅极和晶体管M324的漏极及栅极，晶体管M322的漏极耦接晶体管M323的源极，晶体管M323的栅极、晶体管M314的源极、晶体管M324的源极分别耦接Vout输入端，晶体管M323的漏极与晶体管M325的漏极耦合，晶体管M325的栅极分别与晶体管M326的漏极、晶体管M324的栅极耦接，晶体管M325的源极通过电阻R322接地，晶体管M326的栅极耦接Ctrl输入端，晶体管M326的源极接地。

优选的，LDO主体电路包括误差放大器EA、功率管M401、分压电阻R401以及分压电阻R402，误差放大器EA的负端耦接Vref4输入端，误差放大器EA的正端耦接于分压电阻R401、分压电阻R402之间，分压电阻R401的另一端耦接功率管M401的漏极和Vout输出端，分压电阻R402的另一端接地；误差放大器EA的输出端耦接VG输出端和功率管M401的栅极，功率管M401的源极耦接直流电压源。

本发明的有益效果如下：

本发明通过设置快速启动电路，保证快速启动的同时，输出控制信号，保证初始上电时折返电路不工作，从而避免Vout输出端的电压在上升过程中，电路进入“闩锁”状态；保证电路正常启动，并进行限流保护，提高了电路的可靠性。

本发明的快速启动电路中设置低通滤波电路，将Vref1输入端的电压与Vref2输出端进行比较，待电容C0充电至与Vref1输入端的电压相等时，比较器Comp输出高电平，控制开关SW断开，切换晶体管M0的工作状态，有效降低了低通滤波电路的截止频率，有效减小Vref2输出端的输出电压噪声，进而降低Vout输出端的输出电压噪声；保证了芯片面积，减少外置元件。

附图说明

图1为现有技术的“闩锁”状态波形图。

图2为本发明的结构框图。

图3为本发明的快速启动电路的电路图。

图4为本发明的折返限流电路的电路图。

图5为本发明的LDO主体电路的电路图。

图中：100、基准电路；200、快速启动电路；300、折返限流电路；400、LDO主体电路。

具体实施方式

下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。

如图2至图5所示，本发明提供的一种低压差线性稳压器，包括基准电路100、快速启动电路200、折返限流电路300和LDO主体电路400，如图2所示，基准电路100用于产生基准电压和基准电流，其Vref输出端分别耦接快速启动电路200的Vref1输入端、折返限流电路300的Vref3输入端；快速启动电路200对基准电压进行除噪，并输出控制信号，其Vref2输出端耦接LDO主体电路400的Vref4输入端，控制信号Ctrl输出端耦接折返限流电路300的Ctrl输入端；折返限流电路300对输出电流和输出电压进行采样，当输出电流超出限定值时，进行固定限流和输出电流返送，其VG输入端耦接LDO主体电路400的VG输出端，其Vout输入端耦接LDO主体电路400的Vout输出端；LDO主体电路400产生稳定的输出电压，其Vout输出端为下级负载供电。

快速启动电路200包括低通滤波电路和切换电路，低通滤波电路由晶体管M0和电容C0组成，切换电路包括比较器Comp、开关SW、晶体管M1以及电流源I0。如图3所示，比较器Comp的负端分别耦接Vref1输入端、晶体管M0的源极以及晶体管M1的源极，比较器Comp的正端分别耦接晶体管M0的漏极、Vref2输出端以及电容C0的一端，电容C0的另一端接地，比较器Comp的输出端耦接Ctrl输出端及开关SW的控制端；开关SW的一端分别与晶体管M0的栅极、晶体管M1的漏极和栅极耦接，开关SW的另一端耦接电流源I0后接地。开始工作时，由于Vref1输入端的电压大于Vref2输出端的电压，比较器Comp输出低电平，即Ctrl输出端为低电平，控制开关SW闭合，晶体管M0工作在低阻抗状态，电容C0快速充电；当电容C0充电至与Vref1输入端的电压相等时，比较器Comp输出高电平，即Ctrl输出端变为高电平，控制开关SW断开，晶体管M0切换为高阻抗状态，降低了低通滤波电路的截止频率，有效减小Vref2输出端的输出电压噪声，进而降低Vout输出端的输出电压噪声。

折返限流电路300包括限流电路301和折返电路302，限流电路301包括第一采样晶体管M312和最大电流判断电路，用于设置最大输出电流值，通过VG输入端对LDO主体电路400的输出电流进行采样，当输出电流超过最大输出电流时，将输出电流限定在最大输出电流值；折返电路302包括第二采样晶体管M322以及阈值电路，当输出电流被限定后，通过Vout输入端对LDO主体电路400的输出电压进行采样，当Vout输出端的输出电压下降至低于设定的阈值电压时，折返电路302对输出电流进行折返，维持输出电流为一个较小的数值。如图4所示，限流电路301的比较器Comp2的正端耦接Vref3输入端，正端耦接晶体管M313的漏极、电阻R311的一端，比较器Comp2的输出端耦接晶体管M311的栅极，电阻R311的另一端与电流源I311的一端耦接后接地，晶体管M313和晶体管M314组成一对有源电流镜，晶体管M313的源极耦接晶体管M 312的漏极，晶体管M312的源极耦接晶体管M311的源极，晶体管M311的漏极分别与晶体管M312的栅极及VG输入端耦接；折返电路302的晶体管M321的漏极、晶体管M322的栅极与VG输入端耦接，晶体管M321的源极分别与晶体管M322的源极、电阻R321的一端耦接，电阻R321的另一端耦接晶体管M321的栅极和晶体管M324的漏极及栅极，晶体管M322的漏极耦接晶体管M323的源极，晶体管M323的栅极、晶体管M314的源极、晶体管M324的源极分别耦接Vout输入端，晶体管M323的漏极与晶体管M325的漏极耦合，晶体管M325的栅极分别与晶体管M326的漏极、晶体管M324的栅极耦接，晶体管M325的源极通过电阻R322接地，晶体管M326的栅极耦接Ctrl输入端，晶体管M326的源极接地。晶体管M311、晶体管M322、晶体管M323以及晶体管M326为控制管。

如图5所示，LDO主体电路400包括误差放大器EA、功率管M401、分压电阻R401以及分压电阻R402。误差放大器EA的负端耦接Vref4输入端，误差放大器EA的正端耦接于分压电阻R401、分压电阻R402之间，分压电阻R401的另一端耦接功率管M401的漏极和Vout输出端，分压电阻R402的另一端接地；误差放大器EA的输出端耦接VG输出端和功率管M401的栅极，功率管M401的源极耦接直流电压源。LDO主体电路400处于负反馈状态，Vout输出端的输出电压由Vref4输入端的电压值、分压电阻R401以及分压电阻R402确定。

本发明的工作原理如下：

1、初始上电时，基准电路100的Vref输出端产生稳定的参考电压，同时为快速启动电路200和折返限流电路300供电，此时快速启动电路200的Vref1输入端的电压大于Vref2输出端的电压，晶体管M0为低阻抗状态，Ctrl输出端为低电平，低通滤波电路的电容C0充电，LDO主体电路400的Vref4输入端的电压尚未稳定，晶体管M326处于导通状态，保证折返电路302不工作，避免Vout输出端的电压在上升过程中，电路进入“闩锁”状态；当Vref2输出端与Vref1输入端的电压相等时，Ctrl输出端变为高电平，折返电路302可以正常工作。

2、当LDO主体电路400的Vref4输入端的电压稳定后，电路正常工作，当LDO主体电路400的输出电流低于最大输出电流值时，第一采样晶体管M312、第二采样晶体管M322分别对LDO主体电路400的功率端M401进行镜像，采样输出电流，此时电阻R311上的电压小于Vref3输入端的电压，比较器Comp2输出高电平，晶体管M311、晶体管M321的栅极电压为高电平，晶体管M311、晶体管M321处于截止状态，限流电路301和折返电路302不工作；折返限流电路300对LDO主体电路400不产生影响，此时LDO主体电路400的Vout输出端为下级负载电路提供稳定的输出电压。

3、当LDO主体电路400的输出电流超过最大输出电流值时，此时电阻R311上的电压大于Vref3输入端的电压，比较器Comp2输出低电平，将晶体管M311的栅极电压下拉，晶体管M311导通，VG输入端的电压上拉，将LDO主体电路400的功率晶体管M401的栅极电位拉高，在负载电阻的一段变化范围内，输出电流会被锁定在设置的最大输出电流值，而Vout输出端的输出电压线性降低。

4、当Vout输出端电压下降到设定阈值后，Vout输入端电压随之下降，使得晶体管M325和晶体管M324导通，晶体管M321的栅端电压下降，晶体管M321导通，触发折返电路302工作，进一步将VG端的电压上拉，进而输出端的电流不断的被返送回低电流状态，从而实现限流保护。

以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，在不违背本发明精神的情况下，本发明可以作任何形式的修改。

Claims (7)

1.一种低压差线性稳压器，其特征在于：包括：

基准电路，所述基准电路用于产生基准电压和基准电流，其Vref输出端分别耦接快速启动电路的Vref1输入端、折返限流电路的Vref3输入端；

快速启动电路，所述快速启动电路对基准电压进行除噪，并输出控制信号，其Vref2输出端耦接LDO主体电路的Vref4输入端，控制信号Ctrl输出端耦接折返限流电路的Ctrl输入端，当Ctrl输出端输出低电平时，折返限流电路不工作；

折返限流电路，所述折返限流电路对输出电流和输出电压进行采样，当输出电流超出限定值时，进行固定限流和输出电流返送，其VG输入端耦接LDO主体电路的VG输出端，其Vout输入端耦接LDO主体电路的Vout输出端；

LDO主体电路，所述LDO主体电路产生稳定的输出电压，其Vout输出端为下级负载供电。

2.如权利要求1所述的低压差线性稳压器，其特征在于：快速启动电路包括低通滤波电路和切换电路，低通滤波电路由晶体管M0和电容C0组成，切换电路包括比较器Comp、开关SW、晶体管M1以及电流源I0。

3.如权利要求2所述的低压差线性稳压器，其特征在于：快速启动电路比较器Comp的负端分别耦接Vref1输入端、晶体管M0的源极以及晶体管M1的源极，比较器Comp的正端分别耦接晶体管M0的漏极、Vref2输出端以及电容C0的一端，电容C0的另一端接地，比较器Comp的输出端耦接Ctrl输出端及开关SW的控制端；开关SW的一端分别与晶体管M0的栅极、晶体管M1的漏极和栅极耦接，开关SW的另一端耦接电流源I0后接地。

4.如权利要求1所述的低压差线性稳压器，其特征在于：折返限流电路包括限流电路和折返电路，限流电路包括第一采样晶体管M312和最大电流判断电路，用于设置最大输出电流值，通过VG输入端对LDO主体电路400的输出电流进行采样，当输出电流超过最大输出电流时，将输出电流限定在最大输出电流值；折返电路302包括第二采样晶体管M322以及阈值电路，当输出电流被限定后，通过Vout输入端对LDO主体电路的输出电压进行采样，当Vout输出端的输出电压下降至低于设定的阈值电压时，折返电路对输出电流进行折返。

5.如权利要求4所述的低压差线性稳压器，其特征在于：限流电路的比较器Comp2的正端耦接Vref3输入端，正端耦接晶体管M313的漏极、电阻R311的一端，比较器Comp2的输出端耦接晶体管M311的栅极，电阻R311的另一端与电流源I311的一端耦接后接地，晶体管M313和晶体管M314组成一对有源电流镜，晶体管M313的源极耦接晶体管M 312的漏极，晶体管M312的源极耦接晶体管M311的源极，晶体管M311的漏极分别与晶体管M312的栅极及VG输入端耦接。

6.如权利要求4所述的低压差线性稳压器，其特征在于：折返电路的晶体管M321的漏极、晶体管M322的栅极与VG输入端耦接，晶体管M321的源极分别与晶体管M322的源极、电阻R321的一端耦接，电阻R321的另一端耦接晶体管M321的栅极和晶体管M324的漏极及栅极，晶体管M322的漏极耦接晶体管M323的源极，晶体管M323的栅极、晶体管M314的源极、晶体管M324的源极分别耦接Vout输入端，晶体管M323的漏极与晶体管M325的漏极耦合，晶体管M325的栅极分别与晶体管M326的漏极、晶体管M324的栅极耦接，晶体管M325的源极通过电阻R322接地，晶体管M326的栅极耦接Ctrl输入端，晶体管M326的源极接地。

7.如权利要求1所述的低压差线性稳压器，其特征在于：LDO主体电路包括误差放大器EA、功率管M401、分压电阻R401以及分压电阻R402，误差放大器EA的负端耦接Vref4输入端，误差放大器EA的正端耦接于分压电阻R401、分压电阻R402之间，分压电阻R401的另一端耦接功率管M401的漏极和Vout输出端，分压电阻R402的另一端接地；误差放大器EA的输出端耦接VG输出端和功率管M401的栅极，功率管M401的源极耦接直流电压源。

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