CN115145339A - 具有限流电路的低压差电压调节器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种低压差电压调节器，其包括：输出功率管；分压电路；第一误差放大器；限流电路。所述限流电路包括：电流复制管，其源极与电源端相连，栅极与所述第一误差放大器的输出端相连；运算放大器，其第一输入端与所述电流复制管的漏极相连，其第二输入端与所述输出功率管的漏极相连；第一开关管，其栅极与所述运算放大器的输出端相连，其源极接地，其漏极与所述电流复制管的漏极相连；阈值电阻；第二开关管，其栅极与所述运算放大器的输出端相连，其源极接地，其漏极经由阈值电阻与所述电源端相连；第三开关管，其栅极与阈值电阻的一端相连，其源极与电源端相连，其漏极与输出功率管的栅极相连。所述限流电路具有更高的精度，适配更低的输出电压。

Description

具有限流电路的低压差电压调节器
技术领域
本发明涉及电压转换领域，尤其涉及一种具有限流电路的低压差(low dropout，简称LDO)电压调节器。
背景技术
电流限制电路(简称限流电路)是模拟和混合信号集成电路的重要组成部分，它广泛的应用于电源类电路设计当中。电流限制电路及时降低输出电压降低过载电流，从而起到保护整个电路的安全。随着集成电路的复杂度越来越高，低压差电压调节器这样的电源类电路会向着更低功耗和更低的输出电压方向发展，对电流限制电路的功能要求和精度也不断的提高。
图1为现有的具有限流电路的低压差电压调节器的电路示意图。如图1所示的，所述低压差电压调节器包括输出功率管MP5、分压电路110、误差放大器EA和限流电路120。所述分压电路110包括串联在电压输出端Vo和接地端之间的第一分压电阻Rf1和第二分压电阻Rf2。所述限流电路120包括电流复制管MP3，PMOS晶体管MP1、MP2，NMOS晶体管MN1、MN2、MN3和阈值电阻R11，开关管MP4。
电流复制管MP3与输出功率管MP5构成电流镜，NMOS晶体管MN1、MN2、MN3构成电流镜，MP1，MP2组成源极输入运算放大器。NMOS晶体管MN3复制输出功率管MP5上流过的电流，复制比例最终由MP3，MP5，MN1，MN2，MN3宽长比决定。
电流阈值ICL的设置由阈值电阻R11所在支路的电流复制倍数X、阈值电阻R11的阻值和开关管MP4的导通阈值电压VTHP4共同决定，其中(X/R11)×VTHP4＝ICL。电流复制倍数X由MP3，MP5，MN1，MN2，MN3宽长比决定。
如果负载电流大于或等于ICL，阈值电阻R11的压降使得开关管MP4导通，开关管MP4将输出功率管MP5的栅极电位、电流复制管MP3的栅极电位拉高到供电电压以此关断输出功率管MP5和电流复制管MP3，以达到电流限制效果。
其中，PMOS晶体管MP2的分压VDSP2，PMOS晶体管MP2的栅极电压最大为：VGP2＝VO-VDSP2。
限流电路120正常工作时，输出电压VO范围会限制在：VTHN2<VO<VDD-VTHP5，VTHN2为NMOS晶体管MN2的导通阈值电压，VTHN5为输出功率管MP5的导通阈值电压。
然而，所述低压差电压调节器的输出电压留给限制电路的工作电压范围仍然很小，且所述电流限制电路的功耗也较高，精度较低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有限流电路的低压差电压调节器，其具有适应更低的输出电压范围，优化电路功耗和提高精度的能力。
根据本发明的另一个方面，本发明提供一种低压差电压调节器，其包括：输出功率管，其漏极与电压输出端相连，源极与电源端相连；分压电路，其连接于电压输出端和接地端之间，并提供反馈电压；第一误差放大器，其第一输入端接收参考电压，其第二输入端接收所述反馈电压，其输出端与所述输出功率管的栅极相连；限流电路。所述限流电路包括：电流复制管，其源极与电源端相连，栅极与所述第一误差放大器的输出端相连；第二误差放大器，其第一输入端与所述电流复制管的漏极相连，其第二输入端与所述输出功率管的漏极相连；第一开关管，其栅极与所述第二误差放大器的输出端相连，其源极接地，其漏极与所述电流复制管的漏极相连；阈值电阻；第二开关管，其栅极与所述第二误差放大器的输出端相连，其源极接地，其漏极经由阈值电阻与所述电源端相连；第三开关管，其栅极与阈值电阻的一端相连，其源极与电源端相连，其漏极与输出功率管的栅极相连。
与现有技术相比，本发明中的低压差电压调节器具有更低的输出电压，所述限流电路具有更低的功耗和更高的精度。
附图说明
图1为现有的具有限流电路的低压差电压调节器的电路示意图；
图2为本发明中的具有限流电路的低压差电压调节器在一个实施例中的电路示意图；
图3为本发明中的低压差电压调节器的负载电流变化与输出电压关系示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。除非特别说明，本文中的连接、相连、相接的表示电性连接的词均表示直接或间接电性相连。
图2为本发明中的具有限流电路的低压差电压调节器在一个实施例中的电路示意图。如图2所示的，所述低压差电压调节器包括：输出功率管PM2、分压电路210、第一误差放大器O1和限流电路220。
所述输出功率管PM2的漏极与电压输出端OUT相连，源极与电源端VDD相连。所述分压电路210连接于电压输出端OUT和接地端之间，并提供反馈电压Vf。在一个实施例中，所述分压电路210包括第一分压电阻R2和第二分压电阻R3，第一分压电阻R2和第二分压电阻R3的中间节点提供所述反馈电压Vf。
所述限流电路220包括电流复制管PM1、第二误差放大器O2、第一开关管NM1、第二开关管NM2、第三开关管NM3和阈值电阻R1。
所述电流复制管PM1的源极与电源端VDD相连，栅极与所述第一误差放大器O1的输出端相连。所述电流复制管PM1与所述输出功率管PM2构成电流镜，所述电流复制管PM1上流过的第一复制电流与所述输出功率管PM2上流过的输出电流成比例，比例值取决于所述电流复制管PM1的宽长比与所述输出功率管PM2的宽长比之比。
所述第二误差放大器O2的第一输入端与所述电流复制管PM1的漏极相连，其第二输入端与所述输出功率管PM2的漏极相连。第一开关管NM1的栅极与所述第二误差放大器O2的输出端相连，其源极接地，其漏极与所述电流复制管PM1的漏极相连。第一开关管NM1上流过的电流与所述电流复制管PM1上流过的电流相同。第二开关管NM2，其栅极与所述第二误差放大器O2的输出端相连，其源极接地，其漏极经由阈值电阻R1与所述电源端VDD相连。第三开关管PM3，其栅极与阈值电阻R1的一端相连，其源极与电源端VDD相连，其漏极与输出功率管PM2的栅极相连。
第一开关管NM1和第二开关管NM2构成电流镜，第二开关管NM2上流过的电流与第一开关管NM1上流过的第一复制电流成比例，可以称为第二复制电流，第二复制电流流过所述阈值电阻R1在第三开关管PM3的栅极和源极之间形成压差。
在一个实施例中，第一开关管NM1和第二开关管NM3为NMOS(N-channel Metal-Oxide-Semiconductor)晶体管，第三开关管PM3和电流复制管PM1为PMOS(P-channelMetal-Oxide-Semiconductor)晶体管，输出功率管为PMOS晶体管。
所述低压差电压调节器200的工作原理如下。
所述第一误差放大器O1的第一输入端接收参考电压VREF，其第二输入端接收所述反馈电压Vf，其输出端与所述输出功率管PM2的栅极相连。所述第一误差放大器O1用于放大所述反馈电压和参考电压VREF的差，并输出误差放大电压给所述输出功率管PM2的栅极，从而控制所述输出功率管PM2调整其漏极输出端的电压，最终使得所述反馈电压Vf稳定于所述参考电压VREF电压附近。
在所述输出功率管PM2的漏极电流增大时，所述输出功率管PM2的漏极的电压FB减小，所述第二误差放大器O2的第一输入端的电压高于所述第二误差放大器O2的第二输入端的电压，所述运算放大器O1输出高电位，在所述高电位大于第一开关管NM1和第二开关管NM2的导通阈值电压时，第一开关管NM1和第二开关管NM2导通，所述电流复制管PM1上的第一复制电流经由第一开关管NM1流至地，第二开关管NM2上流过与第一复制电流成比例的第二复制电流，第二复制电流流过所述阈值电阻R1在第三开关管PM3的栅极和源极之间形成压差。在所述输出功率管PM2上的输出电流大于等于预定电流阈值ICL时，第二复制电流流过所述阈值电阻R1在第三开关管PM3的栅极和源极之间形成的压差超过第三开关管PM3的导通阈值电压，则第三开关管PM3导通，使得所述电流复制管PM1和所述输出功率管PM2的VGS升高和所述输出功率管PM2上的快速增长的电流逐渐稳定在阈值电流值处缓慢上升。所述输出功率管PM2输出电压降低，随后负载电流恢复正常重新上电。其中，预定电流阈值ICL的设置由阈值电阻R1所在支路的电流复制倍数X、阈值电阻R1的阻值和第三开关管PM3的导通阈值电压VTHPM3共同决定，其中(X/R1)×VTHPM3＝ICL。
在所述输出功率管PM2的漏极电流减小时，所述输出功率管PM2的漏极的电压FB增加，所述第二误差放大器O2的第一输入端的电压低于所述第二误差放大器O2的第二输入端的电压，所述运算放大器输出低电位，在所述低电位小于第一开关管NM1和第二开关管NM2的导通阈值电压时，控制第一开关管NM1和第二开关管NM2关断，阈值电阻R1上不流过电流，第三开关管PM3关断。直至低压差电压调节器重新上电，如此反复。所述第一开关管NM1和第二开关管NM2有时被关断，有时被导通，而不是像现有技术中那样一直导通，这样可以降低所述限流电路220带来的功耗。
本发明通过电流镜复制原理，用所述第二误差放大器O2将输出功率管PM2输出的电流变化转化为电压变化，用电压控制第一开关管NM1和第二开关管NM2，在输出的电流超过预定电流阈值ICL时，通过第三开关管PM3及时关断输出功率管PM2和电流复制管PM1。在此基础上，更低的输出电压也可以被所述第二误差放大器O2识别并进行后续第一开关管和第二开关管的控制，所述第二误差放大器O2的精度将决定限制电流的精度。另一方面，采用更为节省功耗的运放结构与镜像MOS管尺寸，将减少限流电路220使用过程中的发热，适当的第二开关管调节阈值可以做到控制启动时间在合理的范围之内。
图3为本发明中的低压差电压调节器的负载电流变化与输出电压关系示意图。所述低压差电压调节器的输出电压可以在0.5V左右，非常低。
在本发明中，“连接”、“相连”、“连”、“接”等表示电性连接的词语，如无特别说明，则表示直接或间接的电性连接。所述直接电性连接表示两个或更多对象之间没有任何插入对象的直接连接，所述间接电性连接表示两个或更多对象之间插入了一个或多个对象(比如电阻、电容、电感、开关、滤波器等电气元件或电气单元)的连接。
需要指出的是，熟悉该领域的技术人员对本发明的具体实施方式所做的任何改动均不脱离本发明的权利要求书的范围。相应地，本发明的权利要求的范围也并不仅仅局限于前述具体实施方式。

Claims (5)

1.一种低压差电压调节器，其特征在于，其包括：
输出功率管，其漏极与电压输出端相连，源极与电源端相连；
分压电路，其连接于电压输出端和接地端之间，并提供反馈电压；
第一误差放大器，其第一输入端接收参考电压，其第二输入端接收所述反馈电压，其输出端与所述输出功率管的栅极相连；
限流电路，其包括：
电流复制管，其源极与电源端相连，栅极与所述第一误差放大器的输出端相连；
第二误差放大器，其第一输入端与所述电流复制管的漏极相连，其第二输入端与所述输出功率管的漏极相连；
第一开关管，其栅极与所述第二误差放大器的输出端相连，其源极接地，其漏极与所述电流复制管的漏极相连；
阈值电阻；
第二开关管，其栅极与所述第二误差放大器的输出端相连，其源极接地，其漏极经由阈值电阻与所述电源端相连；
第三开关管，其栅极与阈值电阻的一端相连，其源极与电源端相连，其漏极与输出功率管的栅极相连。
2.如权利要求1所述的低压差电压调节器，其特征在于，
第一开关管和第二开关管为NMOS晶体管，
第三开关管、电流复制管、输出功率管为PMOS晶体管，
所述分压电路包括第一分压电阻和第二分压电阻，第一分压电阻和第二分压电阻的中间节点提供所述反馈电压。
3.如权利要求1所述的低压差电压调节器，其特征在于，
所述电流复制管与所述输出功率管构成电流镜，所述电流复制管上流过的第一复制电流与所述输出功率管上流过的输出电流成比例，
第一开关管和第二开关管构成电流镜，第二开关管上流过与第一复制电流成比例的第二复制电流，第二复制电流流过所述阈值电阻在第三开关管的栅极和源极之间形成压差。
4.如权利要求3所述的低压差电压调节器，其特征在于，
在所述第二误差放大器的第一输入端的电压高于所述第二误差放大器的第二输入端的电压时，所述第二误差放大器输出高电位，在所述高电位高于第一开关管和第二开关管的导通阈值电压时，第一开关管和第二开关管导通，所述电流复制管上的第一复制电流经由第一开关管流至地；
在所述第二误差放大器的第一输入端的电压低于所述第二误差放大器的第二输入端的电压时，所述第二误差放大器输出低电位，在所述低电位低于第一开关管和第二开关管的导通阈值电压时，第一开关管和第二开关管关断，所述阈值电阻上不流过电流，第三开关管关断。
5.如权利要求4所述的低压差电压调节器，其特征在于，
在所述输出功率管上的输出电流大于预定电流阈值时，所述阈值电阻上的压差导致第三开关管导通。
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