CN115129102B - 低压差线性稳压器电路及电源管理芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低压差线性稳压器电路及电源管理芯片，包括电流偏置单元、运算放大单元、反馈单元和限流单元；其中，电流偏置单元用于提供输入电流，反馈单元用于反馈输出负载端电压，运算放大单元用于将基准电压与所述反馈单元反馈的输出电压进行误差运算并线性放大，限流单元包括相互连接的输入侧调节支路和输出侧调节支路，用于限制输出负载端的电流，通过电流偏置单元对整个电路输入电流进行设置，则输入侧调节支路映射过来的输出负载端的过大电流将被电流偏置单元限定；反过来，通过限定输入侧调节支路的电流，反馈至输出侧调节支路，通过输出侧调节支路达到限定输出负载端的过大电流；使得该稳压器电路不仅输出稳定电压还兼具限流功能。
Description
技术领域
本发明涉及电源管理技术领域，尤其涉及一种低压差线性稳压器电路及包括该低压差线性稳压器电路的电源管理芯片。
背景技术
随着电力电子产业的快速发展，LDO(Low Dropout Regulator/低压差线性稳压器)作为电子系统中的一个基本模块，为系统内部电路提供一个性能良好的低压电源轨，其性能的好坏直接影响内部电路能否正常工作。而应用于复杂的系统时，一些错误的动作或是极端的工作环境常常导致较大的功率损耗，为从源头防止大电流的产生需要对内部LDO进行限流处理，即在出现大的负载电流时，LDO仅提供设定的上限电流。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种低压差线性稳压器电路及包括该低压差线性稳压器电路的电源管理芯片，以实现电源管理芯片的开关变换器控制过程对次谐波振荡进行稳定补偿。
为实现上述目的，本发明提供了一种低压差线性稳压器电路，所述低压差线性稳压器电路包括用于提供输入电流的电流偏置单元、用于反馈输出负载端电压的反馈单元、用于将基准电压与所述反馈单元反馈的输出电压进行误差运算并线性放大的运算放大单元以及限制输出负载端的电流的限流单元，所述限流单元包括相互连接的输入侧调节支路和输出侧调节支路，所述电流偏置单元的输出端与所述输入侧调节支路连接，所述运算放大单元的一输入端与基准电压信号连接，所述运算放大单元的另一输入端与所述反馈单元的反馈端连接，所述运算放大单元的输出端与所述输入侧调节支路连接，所述输出侧调节支路与输出负载连接。
可选的，所述输入侧调节支路包括第一电阻、第一NMOS管、第二NMOS管和第一PMOS管，所述第一电阻的一端与所述低压差线性稳压器电路的高压区域电源连接，所述第一电阻的另一端与所述第一NMOS管的漏极、输出侧调节支路连接，所述第一PMOS管的源极与所述低压差线性稳压器电路的高压区域电源连接，所述第一PMOS管的栅极与所述输出侧调节支路连接，所述第一NMOS管的栅极与所述低压差线性稳压器电路的低压区域电源连接，所述第一NMOS管的源极与所述第二NMOS管的漏极连接，所述第二NMOS管的栅极与所述运算放大单元的输出端连接，所述第二NMOS管的源极与所述电流偏置单元的输出端连接。
可选的，所述输出侧调节支路包括第二电阻、第一PMOS管、第二PMOS管，所述第二电阻的一端与所述低压差线性稳压器电路的高压区域电源连接，所述第一电阻的另一端与所述第一PMOS管的栅极、第二PMOS管的源极连接，所述第一PMOS管的漏极与所述第二PMOS管的栅极连接，所述第二PMOS管的漏极与所述输出负载连接。
可选的，所述限流单元还包括第一稳压二极管，所述第一稳压二极管的阳极与所述输入侧调节支路和输出侧调节支路的公共连接端连接，所述第一稳压二极管的阴极与所述低压差线性稳压器电路的高压区域电源连接。
可选的，所述电流偏置单元包括电流源、第三NMOS管和第四NMOS管，所述电流源的正极与所述低压差线性稳压器电路的低压区域电源连接，所述电流源的负极与所述第三NMOS管的漏极连接，所述第三NMOS管的栅极与漏极连接并与所述第四NMOS管的栅极连接，所述第三NMOS管的源极接地，所述第四NMOS管的漏极与所述输入侧调节支路连接，所述第四NMOS管的源极接地。
可选的，所述反馈单元包括并联连接在输出负载与地之间的分压电路，所述分压电路包括串联连接的第三电阻和第四电阻，所述第三电阻和第四电阻之间的公共节点作为所述反馈单元的反馈端。
可选的，所述低压差线性稳压器电路还包括第一电容，所述第一电容并联连接在输出负载与地之间。
可选的，所述第一电容为片外电容，所述第一电容的正极与所述输出负载连接，所述第一电容的负极与地连接。
为了解决上述的问题，本发明还提供了一种电源管理芯片，所述电源管理芯片包括如上任一项所述的低压差线性稳压器电路。
采用本发明实施例，具有如下有益效果：
通过对本发明提供的低压差线性稳压器电路的实施，通过电流偏置单元对整个电路输入电流进行设置，则输入侧调节支路映射过来的输出负载端的过大电流将被电流偏置单元限定；反过来，通过限定输入侧调节支路的电流，反馈至输出侧调节支路，通过输出侧调节支路达到限定输出负载端的过大电流。该电流偏置单元用于为稳压器电路第二级增益提供偏置，这种嵌套设计大大简化了稳压器电路的电路复杂度，相对于传统利用电流监测器做限流功能的稳压器电路来说，去除了额外的电流限制反馈控制环路，避免了环路振荡不稳现象，节省了大量的版图面积和功耗。
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。
其中：
图1为本发明实施例提供的低压差线性稳压器电路的一种结构框图；
图2为本发明实施例提供的低压差线性稳压器电路的具体电路原理图；
图3为本发明实施例提供的低压差线性稳压器电路的输出负载电流与偏置电流之间的关系图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
请参阅图1，为本发明实施例中低压差线性稳压器电路的结构示意图，该低压差线性稳压器电路包括用于提供输入电流的电流偏置单元100、用于反馈输出负载端VOUT电压的反馈单元300、用于将基准电压VREF与反馈单元300反馈的输出电压进行误差运算并线性放大的运算放大单元200以及限制输出负载端VOUT的电流的限流单元400，限流单元400包括相互连接的输入侧调节支路410和输出侧调节支路420，电流偏置单元100的输出端与输入侧调节支路410连接，运算放大单元200的一输入端与基准电压VREF信号连接，运算放大单元200的另一输入端与反馈单元300的反馈端连接，运算放大单元200的输出端与输入侧调节支路410连接，输出侧调节支路420与输出负载连接。
本实施例的低压差线性稳压器电路用于电源管理芯片，本稳压器电路工作原理如下：系统上电后，该稳压器电路开始启动工作，基准电压VREF信号输出基准电压VREF作为运算放大单元200的比对基础输入至运算放大单元200的一输入端，而输出负载端VOUT的电压则通过反馈单元300采样反馈至运算放大单元200的另一输入端，通过将反馈的电压值与基准电压VREF进行比较，并将比较后得到的误差信号进行运算放大处理后输出至负载输出端，从而调整该稳压器电路的输出负载端VOUT的电压值，使得输出负载端VOUT的电压值达到规定值为止，最终形成稳定输出。
通过设置限流单元400，并通过输出侧调节支路420可将本电路输出负载端VOUT的过大的电流映射至输入侧调节支路410；而电流偏置单元100对整个电路输入电流进行设置，则输入侧调节支路410映射过来的输出负载端VOUT的过大电流将被电流偏置单元100限定；反过来，通过限定输入侧调节支路410的电流，反馈至输出侧调节支路420，通过输出侧调节支路420达到限定输出负载的过大电流；使得该稳压器电路不仅输出稳定电压还兼具限流功能。
具体地，参照图2，输入侧调节支路410包括第一电阻R1、第一NMOS管HMN1、第二NMOS管MN2和第一PMOS管HMP1，第一电阻R1的一端与低压差线性稳压器电路的高压区域电源VDDH连接，第一电阻R1的另一端与第一NMOS管HMN1的漏极、输出侧调节支路420连接，第一PMOS管HMP1的源极与低压差线性稳压器电路的高压区域电源VDDH连接，第一PMOS管HMP1的栅极与输出侧调节支路420连接，第一NMOS管HMN1的栅极与低压差线性稳压器电路的低压区域电源VDDL连接，第一NMOS管HMN1的源极与第二NMOS管的漏极连接，第二NMOS管MN2的栅极与运算放大单元200的输出端连接，第二NMOS管MN2的源极与电流偏置单元100的输出端连接。输出侧调节支路420包括第二电阻R2和第二PMOS管HMP2，第二电阻R2的一端与低压差线性稳压器电路的高压区域电源VDDH连接，第一电阻R1的另一端与第一PMOS管HMP1的栅极、第二PMOS管HMP2的源极连接，第一PMOS管HMP1的漏极与第二PMOS管HMP2的栅极连接，第二PMOS管HMP2的漏极与输出负载连接。
具体地，电流偏置单元100包括电流源Is、第三NMOS管MN3和第四NMOS管MN4，电流源Is的正极与低压差线性稳压器电路的低压区域电源VDDL连接，电流源Is的负极第三NMOS管MN3的漏极连接，第三NMOS管MN3的栅极与漏极连接并于第四NMOS管MN4的栅极连接，第三NMOS管MN3的源极接地，第四NMOS管MN4的漏极与输入侧调节支路410连接，第四NMOS管MN4的源极接地。
该稳压器电路的限流功能工作原理综合阐述如下：
电流偏置单元100的第三NMOS管MN3和第四NMOS管MN4构成镜像电路，则电流源Is输出的偏置电流经镜像电路镜像至电流偏置单元100的输出侧。该稳压器电路的限流功能主要通过该与输入侧调节支路410连接的第四NMOS管MN4上镜像的偏置电流决定，随着输出负载端VOUT电流慢慢变大，输出侧调节支路420的第二电阻R2两端的压降也随之逐渐变大；而由于第一PMOS管HMP1的栅极电压大于漏极电压，第一PMOS管HMP1工作在饱和区，使得流过第一PMOS管HMP1的电流也不断变大，则第二PMOS管HMP2的栅极电压将随之下降；同样地，流过第一电阻R1的电流也因为第二PMOS管HMP2的栅极电压下降而增大。因此，随着输出负载端VOUT电流变大，与限流单元400的输入侧调节支路410连接的第四NMOS管MN4的电流也不断变大，而第四NMOS管MN4的最大电流由电流源Is的偏置电流Ib决定。当第四NMOS管MN4的电流达到最大值Ib，第二PMOS管HMP2的栅源电压将不再变大，该稳压器电路的输出负载端VOUT的电流将不再变大，从而实现限流功能。
当输出负载电流达到最大值时，该稳压器电路满足以下表达式：
其中，Ib为电流源Is输出的偏置电流值，VDDH为高压区域电源的电压值，Vp2为第一NMOS管HMN1的漏极电压，μ为载流子迁移率，Cox为第一PMOS管HMP1的栅极电容值，(W/L)1为第一PMOS管HMP1宽和长的比值，Vg1为第一PMOS管HMP1的栅极电压，公式(1)中的Vth为第一PMOS管HMP1的阈值电压。
偏置电流Ib等于流过第四MOS管的电流，也等于流过第一电阻R1与第一PMOS管HMP1的电流之和，其中，流过第一电阻R1的电流值表达式为式(1)右边的第一项，流过第一PMOS管HMP1的电流值表达式为式(1)右边的第二项。
其中，Iload为输出负载端VOUT的电流值，VDDH为高压区域电源的电压值，Vg1为第一PMOS管HMP1的栅极电压，Vp2为第一NMOS管HMN1的漏极电压，μ为载流子迁移率，Cox为第二PMOS管HMP2的栅极电容值，(W/L)2为第二PMOS管HMP2宽和长的比值，公式(2)中的Vth为第二PMOS管HMP2的阈值电压。
结合上述式(1)、(2)可以解出负载电流的上限值。
参照图3，展示了流过第二PMOS管HMP2的电流随输出负载端VOUT电流的变化过程，从图中可以看出，在输出负载端VOUT电流没有达到上限电流时，流过第二PMOS管HMP2的电流等于输出负载端VOUT的电流。而当输出负载端VOUT的电流大于设定的上限电流值时，第二PMOS管HMP2的电流将不再上升，即限流功能实现。
进一步地，限流单元400还包括第一稳压二极管DZ1，第一稳压二极管DZ1的阳极与输入侧调节支路410和输出侧调节支路420的公共连接端连接，第一稳压二极管DZ1的阴极与低压差线性稳压器电路的高压区域电源VDDH连接。该第一稳压二极管DZ1用于防止过大的电压击穿MOS管。
具体地，反馈单元300包括并联连接在输出负载与地之间的分压电路，分压电路包括串联连接的第三电阻R3和第四电阻R4，第三电阻R3和第四电阻R4之间的公共节点作为反馈单元300的反馈端。
该反馈单元300采样第四电阻R4上的分压值反馈至运算放大单元200的一输入端用于与基准电压VREF值进行比较。
进一步地，低压差线性稳压器电路还包括第一电容C1，第一电容C1并联连接在输出负载与地之间。第一电容C1为片外电容，第一电容C1的正极与输出负载连接，第一电容C1的负极与地连接。该第一电容C1用于滤除谐波干扰。
结合图1和图2，阐述下本实施例稳压器电路的稳压特性：
整个稳压器电路包含三个极点，分别为P1、P2、P3。三个极点的频率值满足表达式如下：
其中，Cpower为第二PMOS管HMP2的栅级等效电容，Cpar为运算放大单元200输出端处的寄生电容、RinnerCpar为运算放大单元200输出端处的输出阻抗。由于第一电容C1为片外电容，优选采用电容值为0.1μF以上的电容，可推导出主极点在输出负载端VOUT的P1处。由于第一电容C1的电容值较大，则可推导出主极点p1的频率较低，因此，该稳压器电路的稳定性较容易实现。
综上所述，本实施例所提出的具有限流功能的稳压器电路不仅容易实现稳定性，还能够很好地限制最大输出电流。通过嵌套偏置电流的方式，实现了对功率管最大栅源电压的限制，大大的减小了芯片的面积和电路复杂度。该嵌套串联偏置电流的设计方法还具有较强的通用性，可以较容易的移植到其他保护电路上。
进一步的，本申请还提供了一种电源管理芯片，该电源管理芯片包括上述实施例提供的低压差线性稳压器电路，通过该低压差线性稳压器电路可容易实现稳定性，并能够很好地限制最大输出电流。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (5)
1.一种低压差线性稳压器电路，其特征在于，所述低压差线性稳压器电路包括用于提供输入电流的电流偏置单元、用于反馈输出负载端电压的反馈单元、用于将基准电压与所述反馈单元反馈的输出电压进行误差运算并线性放大的运算放大单元以及限制输出负载端的电流的限流单元，所述限流单元包括相互连接的输入侧调节支路和输出侧调节支路，所述电流偏置单元的输出端与所述输入侧调节支路连接，所述运算放大单元的一输入端与基准电压信号连接，所述运算放大单元的另一输入端与所述反馈单元的反馈端连接，所述运算放大单元的输出端与所述输入侧调节支路连接，所述输出侧调节支路与输出负载连接；
所述输入侧调节支路包括第一电阻、第一NMOS管、第二NMOS管和第一PMOS管，所述第一电阻的一端与所述低压差线性稳压器电路的高压区域电源连接，所述第一电阻的另一端与所述第一NMOS管的漏极、输出侧调节支路连接，所述第一PMOS管的源极与所述低压差线性稳压器电路的高压区域电源连接，所述第一PMOS管的栅极与所述输出侧调节支路连接，所述第一NMOS管的栅极与所述低压差线性稳压器电路的低压区域电源连接，所述第一NMOS管的源极与所述第二NMOS管的漏极连接，所述第二NMOS管的栅极与所述运算放大单元的输出端连接，所述第二NMOS管的源极与所述电流偏置单元的输出端连接；
所述输出侧调节支路包括第二电阻和第二PMOS管，所述第二电阻的一端与所述低压差线性稳压器电路的高压区域电源连接，所述第一电阻的另一端与所述第一PMOS管的栅极、第二PMOS管的源极连接，所述第一PMOS管的漏极与所述第二PMOS管的栅极连接，所述第二PMOS管的漏极与所述输出负载连接；
所述限流单元还包括第一稳压二极管，所述第一稳压二极管的阳极与所述输入侧调节支路和输出侧调节支路的公共连接端连接，所述第一稳压二极管的阴极与所述低压差线性稳压器电路的高压区域电源连接；
所述电流偏置单元包括电流源、第三NMOS管和第四NMOS管，所述电流源的正极与所述低压差线性稳压器电路的低压区域电源连接，所述电流源的负极与所述第三NMOS管的漏极连接，所述第三NMOS管的栅极与漏极连接并与所述第四NMOS管的栅极连接，所述第三NMOS管的源极接地，所述第四NMOS管的漏极与所述输入侧调节支路连接，所述第四NMOS管的源极接地。
2.根据权利要求1所述的低压差线性稳压器电路，其特征在于，所述反馈单元包括并联连接在输出负载与地之间的分压电路，所述分压电路包括串联连接的第三电阻和第四电阻，所述第三电阻和第四电阻之间的公共节点作为所述反馈单元的反馈端。
3.根据权利要求1所述的低压差线性稳压器电路，其特征在于，所述低压差线性稳压器电路还包括第一电容，所述第一电容并联连接在输出负载与地之间。
4.根据权利要求3所述的低压差线性稳压器电路，其特征在于，所述第一电容为片外电容，所述第一电容的正极与所述输出负载连接，所述第一电容的负极与地连接。
5.一种电源管理芯片，其特征在于，所述芯片包括如权利要求1-4中任一项所述的低压差线性稳压器电路。
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| CN114167933A (zh) * | 2021-12-06 | 2022-03-11 | 上海瓴瑞微电子有限公司 | 低功耗快速瞬态响应的低压差线性稳压器电路 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 超低压差CMOS线性稳压器的设计;代国定;电子器件;第27卷(第2期);第250-253页 * |
Also Published As
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