CN115566902B - 一种宽输入电压范围强带载能力的预稳压电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种宽输入电压范围强带载能力的预稳压电路，当输入电压较低时，NMOS功率管截止，PMOS功率管导通，此时PMOS功率管等效为开关，将输入电压与稳压器输出直连，为后级电路提供电源电压；当输入电压提高后，PMOS功率管自动进入截止状态，同时NMOS功率管导通，为后级电路提供电源电压。通过自偏置电路控制NMOS和PMOS功率管的开启与关闭，实现宽输入范围和强带载能力。快速响应电路以及各个节点的二极管能够更好的防止电路过压，在低输入电压工作条件能够有效提高电池电量的利用率，延长电子设备的待机时间；在充电应用中，更高的输入电压能够提供更大的充电功率，加快充电速度。
Description
技术领域
本发明涉及集成电路技术领域，尤其涉及一种宽输入电压范围强带载能力的预稳压电路。
背景技术
稳压器是集成电路中的基础模块，相当于芯片的心脏，为芯片内部的其他模块提供稳定的电源电压及工作电流。随着科技的进步与人们生活水平的提高，消费者对消费类电子产品的需求也在进一步拓展，为了满足消费者日益丰富的需求，消费类电子产品的发展呈现出待机时间长、充电速度快、性能更加稳定等特点，因此需要设计一种宽输入范围强带载能力的预稳压电路。
传统的稳压电路一般由稳压二极管、NMOS功率管及输出滤波电容组成，稳压二极管产生一个钳位电压为NMOS提供偏置电压，NMOS源极输出电压，这种结构在输入电压较高时能够提供稳定的输出电压，但在输入电压较低时，由于难以满足NMOS导通所需要的偏置电压，使得输出电压及带载能力迅速下降，难以满足低电压供电的应用场景。
以常见的锂电池供电方案为例，当电池电压随使用时间的增加而降低后，传统的稳压器NMOS功率管逐渐进入截止区，使得输出电压及带载能力迅速下降，导致芯片内部的其他模块及数字电路无法正常工作，因此使用传统稳压器的芯片往往会将欠压保护阈值设置的相对较高，在输入低电压时电池的电量无法被有效利用，降低了设备的待机时间及芯片的工作效率。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种宽输入电压范围强带载能力的预稳压电路，在低输入电压工作条件时能够有效提高电池电量的利用率，延长电子设备的待机时间；在充电应用中，更高的输入电压能够提供更大的充电功率，加快充电速度。
为实现上述目的，本发明提供了一种宽输入电压范围强带载能力的预稳压电路，包括7个NMOS管，分别为NM1、NM2、NM3、NM4、NM5、NM6、NM7；3个PMOS管，分别为PM1、PM2、PM3；10个电阻，分别为R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10；3个电容，分别为C1、C2、C3；6个二极管，分别为D1、D2、D3、D4、D5、D6；其中：
R1、D1、R2、C1组成钳位电路，为NM1、NM6提供偏置电压；所述R1一端连接电源输入端VIN，R1另一端连接D1负极和R2一端，所述D1正极连接接地端GND，所述R2另一端与接地端GND之间连接有C1；所述R2另一端还连接NM6栅极，所述NM6漏极连接电源输入端VIN，所述NM6源极通过电阻R6连接接地端GND，所述NM6源极还连接输出端VREG；
NM2、NM3、NM4、NM5连接成二极管形式为NM1提供偏置电流，所述NM2、NM3、NM4、NM5的栅极与漏极短接，所述NM2源极连接NM3漏极，所述NM3源极连接NM4漏极，所述NM4源极连接NM5漏极，所述NM5源极连接接地端GND；所述NM2漏极连接NM1源极，所述NM1漏极通过电阻R3连接电源输入端VIN；
R3、R4、PM1、R7在低压时为PM3提供偏置电压，所述R4一端连接在NM1漏极与R3的连接端上，所述R4另一端连接PM1栅极，所述PM1漏极通过R7连接接地端GND，所述PM1源极连接电源输入端VIN；所述PM1漏极还连接PM3栅极；
R10、R8、R5、PM2、D5组成的偏置电路在输入电压为高压时关闭PM3，所述R10一端连接电源输入端VIN，所述R10另一端连接R5一端和R8一端，所述R5另一端连接PM2栅极，所述PM2源极连接电源输入端VIN；所述PM2漏极还连接PM3栅极，所述R8另一端连接D5负极，所述D5正极连接接地端GND；
所述PM3源极连接电源输入端VIN；所述PM3漏极还连接输出端VREG。
进一步的，所述PM1栅极连接D2正极，所述PM1源极连接D2负极；所述PM2栅极连接D3正极，所述PM2源极连接D3负极；所述PM3栅极连接D4正极，所述PM3源极连接D4负极。
进一步的，所述输出端VREG与接地端GND之间连接有C2。
进一步的，所述输出端VREG连接二极管D6负极，二极管D6正极连接接地端GND。
进一步的，所述C3、R9、NM7组成快速响应电路，所述NM7漏极连接输出端VREG，所述输出端VREG与接地端GND之间连接串联的C3、R9，所述串联的C3、R9连接端还连接到NM7栅极。
进一步的，所述C1、C2、C3为电解电容；其中，C1正极连接R2另一端和NM6栅极，C1负极连接接地端GND；C2正极连接输出端VREG，C2负极连接接地端GND；C3正极连接输出端VREG，C3负极连接到NM7栅极。
进一步的，所述NM1、NM6、NM7为高压LDMOS。
进一步的，所述PM1、PM2、PM3均为高压LDMOS。
本发明的有益效果是：
本发明采用NMOS功率管与PMOS功率管结合的方式，当输入电压较低时，NMOS功率管截止，PMOS功率管导通，此时PMOS功率管等效为开关，将输入电压与稳压器输出直连，为后级电路提供电源电压；当输入电压提高后，PMOS功率管自动进入截止状态，同时NMOS功率管导通，为后级电路提供电源电压。本发明在低输入电压工作条件下能够有效提高电池电量的利用率，延长电子设备的待机时间；在充电应用中，更高的输入电压能够提供更大的充电功率，加快充电速度。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的电路原理图。
具体实施方式
如图1所示，一种宽输入电压范围强带载能力的预稳压电路，包括7个NMOS管，分别为NM1、NM2、NM3、NM4、NM5、NM6、NM7，其中NM1、NM6和NM7为高压LDMOS；3个PMOS管，分别为PM1、PM2、PM3，均为高压LDMOS；10个电阻，分别为R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10；3个电容，分别为C1、C2、C3；6个二极管，分别为D1、D2、D3、D4、D5、D6。VIN为电源输入端，GND为接地端，VREG为输出端；其中：
R1、D1、R2、C1组成钳位电路，为NM1、NM6提供偏置电压；R1一端连接电源输入端VIN，R1另一端连接D1负极和R2一端，D1正极连接接地端GND，R2另一端与接地端GND之间连接有C1；R2另一端还连接NM6栅极，NM6漏极连接电源输入端VIN，NM6源极通过电阻R6连接接地端GND，NM6源极还连接输出端VREG；其中，R6为NM6提供偏置电流。
NM2、NM3、NM4、NM5连接成二极管形式为NM1提供偏置电流，NM2、NM3、NM4、NM5的栅极与漏极短接，NM2源极连接NM3漏极，NM3源极连接NM4漏极，NM4源极连接NM5漏极，NM5源极连接接地端GND；NM2漏极连接NM1源极，NM1漏极通过电阻R3连接电源输入端VIN。
R3、R4、PM1、R7在低压时为PM3提供偏置电压，R4一端连接在NM1漏极与R3的连接端上，R4另一端连接PM1栅极，PM1漏极通过R7连接接地端GND，PM1源极连接电源输入端VIN；PM1漏极还连接PM3栅极。
R10、R8、R5、PM2、D5组成的偏置电路在输入电压为高压时关闭PM3，R10一端连接电源输入端VIN，R10另一端连接R5一端和R8一端，R5另一端连接PM2栅极，PM2源极连接电源输入端VIN；PM2漏极还连接PM3栅极，R8另一端连接D5负极，D5正极连接接地端GND。
PM3源极连接电源输入端VIN；PM3漏极还连接输出端VREG。
本实施例中，PM1栅极连接D2正极，PM1源极连接D2负极；PM2栅极连接D3正极，PM2源极连接D3负极；PM3栅极连接D4正极，PM3源极连接D4负极。D2用来钳位PM1的gate与source端，防止过压；D3用来钳位PM2的gate与source端，D4用来钳位PM3的gate与source端，防止过压。
本实施例中，输出端VREG与接地端GND之间连接有C2。C2为VREG端的稳压电容；输出端VREG连接二极管D6负极，二极管D6正极连接接地端GND。D6为VREG的钳位二极管。
本实施例中，C3、R9、NM7组成快速响应电路，NM7漏极连接输出端VREG，输出端VREG与接地端GND之间连接串联的C3、R9，串联的C3、R9连接端还连接到NM7栅极。C3、R9、NM7组成快速响应电路，防止VIN快速变化时，VREG被耦合过压。
本实施例中，C1、C2、C3为电解电容；其中，C1正极连接R2另一端和NM6栅极，C1负极连接接地端GND；C2正极连接输出端VREG，C2负极连接接地端GND；C3正极连接输出端VREG，C3负极连接到NM7栅极。
当输入电压为低压时，NM2～NM5组成的MOS串截止，PM1的gate端被R3上拉至VIN，PM1截止。D5在低压下等效为开路，PM2的gate端被R10上拉至VIN，PM2截止。PM3的gate端被R7下拉至GND，PM3导通，将VIN与VREG短接，从而关闭NM6，由于此时PM3完全导通，处于深线性区，VREG能够提供很强的负载电流；当输入电压为高压时，NM2～NM5组成的MOS串导通，在R3上产生压降，将PM1开启，同时D5进入反向钳位，在R10上产生压降，将PM2开启。PM1与PM2开启后将PM3的gate端上拉关闭PM3，PM3进入截止态，此时NM6导通，VREG端电压为D1的反向击穿电压减去NM1的驱动电压；当VIN快速上电时，由于寄生参数的影响，会导致VREG跟随VIN变化，由于电容电压不能突变的特性，C3的上下极板会跟随VREG的变化将NM7的gate端上拉，将VREG快速放电，避免VREG过压。
综上，本发明通过增加PMOS功率管，并通过自偏置电路控制NMOS和PMOS功率管的开启与关闭，实现宽输入范围和强带载能力。快速响应电路以及各个节点的二极管能够更好的防止电路过压，提高电路的稳定性。
使用30V BCD工艺搭建本文提出的预稳压电路并通过candence仿真验证，本发明提出的预稳压电路能够工作在输入电压2V～30V之间，输出电压在输入电压小于4.5V时，跟随输入电压输出；输出电压在输入电压大于5V时，能够稳定维持5V，并能够在全输入范围内提供20mA带载能力。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (8)
1.一种宽输入电压范围强带载能力的预稳压电路，其特征在于：包括7个NMOS管，分别为NM1、NM2、NM3、NM4、NM5、NM6、NM7；3个PMOS管，分别为PM1、PM2、PM3；10个电阻，分别为R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10；3个电容，分别为C1、C2、C3；6个二极管，分别为D1、D2、D3、D4、D5、D6；其中：
所述R1、D1、R2、C1组成钳位电路，为NM1、NM6提供偏置电压；所述R1一端连接电源输入端VIN，R1另一端连接D1负极和R2一端，所述D1正极连接接地端GND，所述R2另一端与接地端GND之间连接有C1；所述R2另一端还连接NM6栅极，所述NM6漏极连接电源输入端VIN，所述NM6源极通过电阻R6连接接地端GND，所述NM6源极还连接输出端VREG；
所述NM2、NM3、NM4、NM5连接成二极管形式为NM1提供偏置电流，所述NM2、NM3、NM4、NM5的栅极与漏极短接，所述NM2源极连接NM3漏极，所述NM3源极连接NM4漏极，所述NM4源极连接NM5漏极，所述NM5源极连接接地端GND；所述NM2漏极连接NM1源极，所述NM1漏极通过电阻R3连接电源输入端VIN；
所述R3、R4、PM1、R7在低压时为PM3提供偏置电压，所述R4一端连接在NM1漏极与R3的连接端上，所述R4另一端连接PM1栅极，所述PM1漏极通过R7连接接地端GND，所述PM1源极连接电源输入端VIN；所述PM1漏极还连接PM3栅极；
所述R10、R8、R5、PM2、D5组成的偏置电路在输入电压为高压时关闭PM3，所述R10一端连接电源输入端VIN，所述R10另一端连接R5一端和R8一端，所述R5另一端连接PM2栅极，所述PM2源极连接电源输入端VIN；所述PM2漏极还连接PM3栅极，所述R8另一端连接D5负极，所述D5正极连接接地端GND；
所述PM3源极连接电源输入端VIN；所述PM3漏极还连接输出端VREG；
所述C3、R9、NM7组成快速响应电路，所述NM7漏极连接输出端VREG，所述输出端VREG与接地端GND之间连接串联的C3、R9，所述串联的C3、R9连接端还连接到NM7栅极；
所述C1、C2、C3为电解电容；其中，C1正极连接R2另一端和NM6栅极，C1负极连接接地端GND；C2正极连接输出端VREG，C2负极连接接地端GND；C3正极连接输出端VREG，C3负极连接到NM7栅极。
2.如权利要求1所述的一种宽输入电压范围强带载能力的预稳压电路，其特征在于：所述PM1栅极连接D2正极，所述PM1源极连接D2负极；所述PM2栅极连接D3正极，所述PM2源极连接D3负极；所述PM3栅极连接D4正极，所述PM3源极连接D4负极。
3.如权利要求1所述的一种宽输入电压范围强带载能力的预稳压电路，其特征在于：所述输出端VREG与接地端GND之间连接有C2。
4.如权利要求1所述的一种宽输入电压范围强带载能力的预稳压电路，其特征在于：所述输出端VREG连接二极管D6负极，二极管D6正极连接接地端GND。
5.如权利要求1所述的一种宽输入电压范围强带载能力的预稳压电路，其特征在于：所述C3、R9、NM7组成快速响应电路，所述NM7漏极连接输出端VREG，所述输出端VREG与接地端GND之间连接串联的C3、R9，所述串联的C3、R9连接端还连接到NM7栅极。
6.如权利要求1所述的一种宽输入电压范围强带载能力的预稳压电路，其特征在于：所述C1、C2、C3为电解电容；其中，C1正极连接R2另一端和NM6栅极，C1负极连接接地端GND；C2正极连接输出端VREG，C2负极连接接地端GND；C3正极连接输出端VREG，C3负极连接到NM7栅极。
7.如权利要求1所述的一种宽输入电压范围强带载能力的预稳压电路，其特征在于：所述NM1、NM6、NM7为高压LDMOS。
8.如权利要求1所述的一种宽输入电压范围强带载能力的预稳压电路，其特征在于：所述PM1、PM2、PM3均为高压LDMOS。
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