CN114879795B - 可实现电压域输出的低压差线性稳压器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可实现电压域输出的低压差线性稳压器，所述低压差线性稳压器包括基准电压差产生电路和输出电压检测电路；所述基准电压差产生电路包括第一外部电源接口、第二外部电源接口、第一误差放大器、第一分压电路和电流镜电路；所述输出电压检测电路包括第二分压电路、第二误差放大器和第三分压电路；在所述电流镜电路的第二支路上生成基准电压V_X，且所述低压差线性稳压器的电压输出端的输出电压V_out满足于：V_out＝m·V_X；其中m为任意正数，且m的数值通过调节第二分压电路和第三分压电路的电阻参数进行改变。

Description

可实现电压域输出的低压差线性稳压器

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，尤其涉及一种可实现电压域输出的低压差线性稳压器。

背景技术

现有技术中，高集成度、高可靠性及低功耗等成为了电源管理芯片、功率控制芯片和固态照明芯片的发展方向。其中，低压差线性稳压器(LDO，Low Dropout Regulator)由于其片外器件少，结构简单便于集成，静态功耗小且噪声低，使得其十分符合高性能模拟电路对电源的需求。然而现有的Sink型LDO电路多为产生固定输出电压的结构，在直流电机驱动的应用中，无法满足高端栅极驱动电压的需求。

如图1所示的现有技术中的Sink型低压差线性稳压器电路结构示意图。现有的Sink型LDO是运算放大器和闭环负反馈系统的一个典型应用，可以在不同的输出电流下实现稳定输出电压的作用。LDO主要包括启动电路、电压基准电路、误差放大器、功率器件及反馈电阻。其中，核心模块为误差放大器和功率器件，它们通过电阻反馈网络构成了一个闭环反馈系统。当LDO的输出电压V_out上升时，反馈网络产生的反馈电压同时上升，即误差放大器的正向输入端的输入电压上升，通过和反向输入端的基准电压V_REF进行比较，调整误差放大器的输出电压V_op，使得通过P型功率管的电流减少，进而降低LDO的输出电压。反之亦然。该结构简单易行，由于负载连接电源电压，因此P型功率管产生Sink电流。然而该LDO只能产生固定的输出电压，无法提供跟随电源电压变化的电压，存在一定的应用限制。

由此可见现有技术中提供需要一种，可以用于高端栅极驱动的新型LDO结构，同时能够跟随电源电压变化实现可调电压范围的电压域输出。

发明内容

本发明所要实现的技术目的在于提供一种可实现电压域输出的低压差线性稳压器，该可以用于高端栅极驱动的新型LDO结构，通过电阻采样的方式，在低压域中产生了表征电源电压的基准电流，进而在高压域中产生了与电源电压相关的电压基准差，实现了跟随电源电压变化的输出电压。并通过电阻分压的方式采样LDO的输出电压，在低压域的负反馈环路中实现对LDO输出电压的控制。

基于上述技术目的，本发明提供一种可实现电压域输出的低压差线性稳压器，所述低压差线性稳压器包括基准电压差产生电路和输出电压检测电路；

所述基准电压差产生电路包括第一外部电源接口、第二外部电源接口、第一误差放大器、第一分压电路和电流镜电路；

所述输出电压检测电路包括第二分压电路、第二误差放大器和第三分压电路；

经由第一外部电源接口引入的第一电压V_CC经第一分压电路分压后得到第一分压V₁，将第一分压V₁输入至第一误差放大器的一个输入端，由第一误差放大器的另一个输入端将第一分压V₁输入至所述电流镜电路中的第一支路，所述电流镜电路中的第一支路上生成第一电流I₁；

所述电流镜电路的第二支路上生成与第一电流I₁相等的第二电流I₂；将经由第二外部电源接口引入的第二电压V_M引入到所述电流镜电路的第二支路中，由此在所述电流镜电路的第二支路上生成基准电压V_X，且有V_X＝V_CC-V_M；

所述基准电压V_X经第二分压电路分压后得到第二分压V₂，将第二分压V₁输入至第一误差放大器的一个输入端，由第二误差放大器的另一个输入端将第二分压V₂输入至所述第三分压电路；

所述低压差线性稳压器的电压输出端连接至第三分压电路，且所述低压差线性稳压器的电压输出端的输出电压V_out满足于：V_out＝m·V_X；其中m为任意正数，且m的数值通过调节第二分压电路和第三分压电路的电阻参数进行改变。

在一个实施例中，所述基准电压差产生电路中还包括由第一开关晶体管，所述第一开关晶体管的栅极连接于所述第一误差放大器的输出端，所述第一晶体管的漏极与源极接入所述电流镜电路的第一支路中。

在一个实施例中，所述第一分压电路包括第一电阻和第二电阻，所述第一电阻的第一端连接于第一外部电源接口，所述第一电阻的第二端与第二电阻的第一端连接，所述第二电阻的第二端对地连接；同时所述第一电阻的第二端与第一误差放大器的同相输入端连接。

在一个实施例中，所述电流镜电路包括第二晶体管和第三晶体管；所述第一晶体管的源极连接于第二晶体管的漏极，所述第二晶体管的源极接地连接，所述第二晶体管的栅极连接第三晶体管的栅极；所述第二晶体管的栅极与漏极之间短接。

在一个实施例中，所述电流镜电路中的第一支路上设置有第三电阻，所述第三电阻的第一端连接于第一外部电源接口，所述第一晶体管的漏极连接于第三电阻的第二端，且第一误差放大器的反相输入端将第一分压输入至所述第三电阻的第二端。

在一个实施例中，所述电流镜电路中的第二支路上设置有第四电阻，所述第四电阻的第一端连接于第二外部电源接口，所述第四电阻的第二端生成所述基准电压V_X。

在一个实施例中，所述第二分压电路包括第五电阻和第六电阻，所述第五电阻的第一端接入所述基准电压V_X，所述第五电阻的第二端连接于第六电阻的第一端，所述第六电阻的第二端接地连接；同时，所述第五电阻的第二端连接第二误差放大器的反向输入端。

在一个实施例中，所述输出电压检测电路包括第四晶体管，所述第二误差放大器的输出端连接于第四晶体管的栅极，所述第四晶体管的源极接地连接，所述第四晶体管的漏极为低压差线性稳压器的电压输出端。

在一个实施例中，所述第三分压电路包括第七电阻和第八电阻，所述第七电阻的第一端连接于所述第四晶体管的漏极，所述第七电阻的第二端连接于第八电阻的第一端，所述第八电阻的第二端对地连接。所述第二误差放大器的的同相输入端连接于所述第七电阻的第二端。

与现有技术相比，本发明的一个或多个实施例可以具有如下发明点及优势：

1.本发明通过电阻采样的分压方式，在低压域中得到了表征电源电压的基准电流；

2.通过电流镜在高压域中镜像出基准电流，并实现跟随电源电压变化的基准电压；

3.在低压域的负反馈环路中实现LDO输出电压的精确且稳定；

4.通过调节采样电阻，可以产生跟随电源电压变化的电压域。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是现有技术中的Sink型低压差线性稳压器电路结构示意图；

图2是本发明的低压差线性稳压器电路结构示意图；

图3是本发明的低压差线性稳压器电路结构图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图对本发明作进一步地详细说明。

在进行下面的详细描述之前，阐述贯穿本发明使用的某些单词和短语的定义可能是有利的。术语“耦接”“连接”及其派生词指两个或多个元件之间的任何直接或间接通信或者连接，而无论那些元件是否彼此物理接触。术语“传输”、“接收”和“通信”及其派生词涵盖直接和间接通信。术语“包括”和“包含”及其派生词是指包括但不限于。术语“或”是包含性的，意思是和/或。短语“与……相关联”及其派生词是指包括、包括在……内、互连、包含、包含在……内、连接或与……连接、耦接或与……耦接、与……通信、配合、交织、并列、接近、绑定或与……绑定、具有、具有属性、具有关系或与……有关系等。术语“控制器”是指控制至少一个操作的任何设备、系统或其一部分。这种控制器可以用硬件、或者硬件和软件和/或固件的组合来实施。与任何特定控制器相关联的功能可以是集中式的或分布式的，无论是本地的还是远程的。短语“至少一个”，当与项目列表一起使用时，意指可以使用所列项目中的一个或多个的不同组合，并且可能只需要列表中的一个项目。例如，“A、B、C中的至少一个”包括以下组合中的任意一个：A、B、C、A和B、A和C、B和C、A和B和C。

本发明中对于电阻、电容或电感的第一端和第二端的描述仅为了区分该器件的两个连接端，以便于描述该器件与其他器件的连接关系，其并不特定地指定电阻、电容或电感在实际情况下的某一端。本领域技术人员应当知晓在实际电路构建时，电阻、电容或电感在实际器件中的任何一端均可定义为第一端，同时当第一端被定义时，器件的另一端自动被定为第二端。

本发明中对各种部件进行描述时，所使用的“第一”、“第二”、“第三”……的描述方式仅为了区分各个部件，仅为了表达各个部件之间互不相同的关系。上述所使用的描述方式本身不包含任何对部件之间关联的隐含意义。例如，当仅出现“第一”和“第三”的描述时，不意味着二者之间还存在“第二”，这里对“第一”和“第三”的描述仅意味着存在两个不同的独立部件。

贯穿本发明中提供的其他特定单词和短语的定义。本领域普通技术人员应该理解，在许多情况下，即使不是大多数情况下，这种定义也适用于这样定义的单词和短语的先前和将来使用。

在本发明中，模块的应用组合以及子模块的划分层级仅用于说明，在不脱离本公开的范围内，模块的应用组合以及子模块的划分层级可以具有不同的方式。

实施例

如图2-3所示，本发明的可实现电压域输出的低压差线性稳压器包括基准电压差产生电路100和输出电压检测电路200，其中所述基准电压差产生电路100包括第一电阻101、第二电阻102、第三电阻103、第四电阻104、第一误差放大器105、第一晶体管106、第二晶体管107和第三晶体管108。所述输出电压检测电路200包括第五电阻201、第六电阻202、第七电阻203、第八电阻204、第二误差放大器205和第四晶体管206。

本实施例中，所述第一电阻101的第一端连接于第一外部电源VCC，所述第一电阻101的第二端与第二电阻102的第一端连接，所述第二电阻102的第二端对地连接。同时所述第一电阻101的第二端与第一误差放大器105的同相输入端连接。所述第三电阻103的第一端连接于第一外部电源VCC，所述第三电阻103的第二端连接于第一误差放大器105的反相输入端。所述第一晶体管106的栅极连接第一误差放大器105的输出端，第一晶体管106的漏极连接于第三电阻103的第二端，所述第一晶体管106的源极连接于第二晶体管107的漏极，所述第二晶体管107的源极接地连接，所述第二晶体管107的栅极连接第三晶体管108的栅极。同时，所述第二晶体管107的栅极与漏极之间短接。所述第四电阻104的第一端连接于第二外部电源VM，所述第四电阻104的第二端连接于第三晶体管108的漏极，所述第三晶体管108的源极接地连接。

本实施例中，所述第五电阻201的第一端连接于第四电阻104的第二端，所述第五电阻201的第二端连接于第六电阻202的第一端，所述第六电阻202的第二端接地连接。同时，所述第五电阻201的第二端连接第二误差放大器205的反向输入端。所述第二误差放大器205的输出端连接于第四晶体管206的栅极，所述第四晶体管206的源极接地连接。所述第七电阻203的第一端连接于所述第四晶体管206的漏极，所述第七电阻203的第二端连接于第八电阻204的第一端，所述第八电阻204的第二端对地连接。所述第二误差放大器205的的同相输入端连接于所述第七电阻203的第二端。

在所述第二外部电压源VM与第四晶体管206的漏极之间跨接负载，所述第四晶体管206的漏极为本实施例低压差线性稳压器的电压输出端Vout。

本实施例中，第一外部电源VCC为低压域外部电源，第二外部电源VM为高压域外部电源，本实施例的低压差线性稳压器的具体工作原理如下：

首先，第一外部电源VCC上电后，经过作为分压电阻的第一电阻101和第二电阻102，在第一误差放大器105的同相输入端的电压为：

其中，V_cc为第一外部电压源VCC所提供电压，R₁为第一电阻101的阻值，R₂为第二电阻102的阻值。

由于第一误差放大器105的同相输入端与反相输入端之间的电压会钳位相等，因此第一误差放大器105的反相输入端的电压V₁为：

则此时，在第三电阻103产生的压降V_R3为：

则流经第一晶体管106的电流I₁为：

其中，R₃为第三电阻103的阻值。此时，即产生了与第一外部电压源VCC相关的采样电压和电流。

所述第二晶体管107和第三晶体管108构成一对电流镜，则相对于流经第二晶体管107的电流I₁，在第三晶体管108出产生大小与电流I₁相同的电流I₂。

由此在第二外部电源VM的电路中产生了一个可以表征V_CC的基准电流值I₂，并且，令第四电阻104的第二端为X点，则X点处的电压值V_X为：

V_X＝V_M-I₂·R₄

当所述第四电阻104的阻值R₄满足于：

时，则有：V_CC＝I₂·R₄；进而得到：

V_X＝V_M-V_CC

即得到了可以跟随第二外部电源VM变化的电压基准V_X。

本实施例中，由于基准电压V_X与电阻值相关，而电阻会随着工艺角和温度的改变而发生变化，因此需选用同类电阻并精确匹配，以减小非理想效应带来的影响。并且在集成电路布图时，将所述第一电阻101、第二电阻102、第三电阻103和第四电阻104布置于芯片上的相近区域以使得器件温度相同。

为了得到稳定精确的输出电压V_out，本发明的低压差线性稳压器电路还包括输出电压检测电路200作为负反馈环路。由于第二误差放大器205内的MOS器件的栅极耐压有限，因此输入电压不能过大，为了采样基准电压V_X和输出电压V_out，则在基准电压V_X和输出电压V_out处均设置有分压电路。如图2所示，在X点处增加两个采样电阻，即第五电阻201和第六电阻202，令所述第五电阻201的第二端为Y点，则Y点处的电压值为：

从而完成了对基准电压V_X的采样，该采样电压即为第二分压V_Y。

同理，输出电压V_out同样需要设置分压电路，如图2所示，在输出电压V_out处增加两个采样电阻，即第七电阻203和第八电阻204，令所述第七电阻203的第二端为Z点，则Z点处的电压值为：

由于第二误差放大器205的的同相输入端与反相输入端之间的电压会钳位相等，因此：

当满足于：

时，则有：

V_out＝(V_M-V_CC)。

当满足于：

时，其中m为任意正数，则有：

V_out＝m·(V_M-V_CC)

即当第二误差放大器205的同相输入端经由分压电路获得的对地分压与反相输入端经由分压电路获得的对地分压相等时，输出电压V_out与基准电压V_X相等。

且当五电阻201、第六电阻202、第七电阻203和第八电阻204通过阻值参数的设置可以实现输出电压V_out为基准电压V_X的任意正数倍数。

本实施例中，第四晶体管206选用NMOS管，从而实现在低电压范围内即可产生栅端的控制信号。

本实施例中，当低压差线性稳压器的输出电压V_out上升时，输出电压检测电路200中反馈网络产生的反馈电压同时上升，即第二误差放大器205的正相输入端的输入电压上升，通过和反向输入端的采样电压V_Y进行比较，调整第二误差放大器205的输出电压V_op2，从而使第四晶体管206产生的Sink电流降低，进而降低本实施例的低压差线性稳压器的输出电压。反之亦然。

本实施例中，通过电阻采样和电流镜，实现了两个电压源的基准差，并通过低压差线性稳压器的负反馈环路，产生精确稳定且可跟随电压源变化的输出电压。通过调节低压差线性稳压器中的采样电阻，可以产生(V_M-V_CC)到V_M的电压域，用于提供高端栅极的驱动电压，具有更广阔的应用前景。

以上所述，仅为本发明的具体实施案例，本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术的技术人员在本发明所述的技术规范内，对本发明的修改或替换，都应在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可实现电压域输出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基准电压差产生电路和输出电压检测电路；

所述基准电压差产生电路包括第一外部电源接口、第二外部电源接口、第一误差放大器、第一分压电路和电流镜电路；

所述输出电压检测电路包括第二分压电路、第二误差放大器和第三分压电路；

经由第一外部电源接口引入的第一电压V_CC经第一分压电路分压后得到第一分压V₁，将第一分压V₁输入至第一误差放大器的一个输入端，由第一误差放大器的另一个输入端将第一分压V₁输入至所述电流镜电路中的第一支路，所述电流镜电路中的第一支路上生成第一电流I₁；

所述电流镜电路的第二支路上生成与第一电流I₁相等的第二电流I₂；将经由第二外部电源接口引入的第二电压V_M引入到所述电流镜电路的第二支路中，且第二电压V_M大于第一电压V_CC；由此在所述电流镜电路的第二支路上生成基准电压V_X，且有V_X=V_M-V_CC；

所述基准电压V_X经第二分压电路分压后得到第二分压V₂，将第二分压V₂输入至第一误差放大器的一个输入端，由第二误差放大器的另一个输入端将第二分压V₂输入至所述第三分压电路；

所述低压差线性稳压器的电压输出端连接至第三分压电路，且所述低压差线性稳压器的电压输出端的输出电压V_out满足于：V_out=m·V_X；其中m为任意正数，且m的数值通过调节第二分压电路和第三分压电路的电阻参数进行改变。

2.根据权利要求1所述的低压差线性稳压器，其特征在于，所述基准电压差产生电路中还包括第一开关晶体管，所述第一开关晶体管的栅极连接于所述第一误差放大器的输出端，所述第一开关晶体管的漏极与源极接入所述电流镜电路的第一支路中。

3.根据权利要求1所述的低压差线性稳压器，其特征在于，所述第一分压电路包括第一电阻和第二电阻，所述第一电阻的第一端连接于第一外部电源接口，所述第一电阻的第二端与第二电阻的第一端连接，所述第二电阻的第二端对地连接；同时所述第一电阻的第二端与第一误差放大器的同相输入端连接。

4.根据权利要求2所述的低压差线性稳压器，其特征在于，所述电流镜电路包括第二晶体管和第三晶体管；所述第一开关晶体管的源极连接于第二晶体管的漏极，所述第二晶体管的源极接地连接，所述第二晶体管的栅极连接第三晶体管的栅极；所述第二晶体管的栅极与漏极之间短接。

5.根据权利要求2所述的低压差线性稳压器，其特征在于，所述电流镜电路中的第一支路上设置有第三电阻，所述第三电阻的第一端连接于第一外部电源接口，所述第一开关晶体管的漏极连接于第三电阻的第二端，且第一误差放大器的反相输入端将第一分压输入至所述第三电阻的第二端。

6.根据权利要求1所述的低压差线性稳压器，其特征在于，所述电流镜电路中的第二支路上设置有第四电阻，所述第四电阻的第一端连接于第二外部电源接口，所述第四电阻的第二端生成所述基准电压V_X。

7.根据权利要求1所述的低压差线性稳压器，其特征在于，所述第二分压电路包括第五电阻和第六电阻，所述第五电阻的第一端接入所述基准电压V_X，所述第五电阻的第二端连接于第六电阻的第一端，所述第六电阻的第二端接地连接；同时，所述第五电阻的第二端连接第二误差放大器的反向输入端。

8.根据权利要求1所述的低压差线性稳压器，其特征在于，所述输出电压检测电路包括第四晶体管，所述第二误差放大器的输出端连接于第四晶体管的栅极，所述第四晶体管的源极接地连接，所述第四晶体管的漏极为低压差线性稳压器的电压输出端。

9.根据权利要求8所述的低压差线性稳压器，其特征在于，所述第三分压电路包括第七电阻和第八电阻，所述第七电阻的第一端连接于所述第四晶体管的漏极，所述第七电阻的第二端连接于第八电阻的第一端，所述第八电阻的第二端对地连接,所述第二误差放大器的同相输入端连接于所述第七电阻的第二端。

10.一种集成电路结构，所述集成电路结构中包含权利要求1-9之一所述的可实现电压域输出的低压差线性稳压器。

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