CN115629643A - 一种宽输入范围线性稳压器的防倒灌保护电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽输入范围线性稳压器的防倒灌保护电路，所述防倒灌保护电路包括防倒灌保护PMOS开关管MP1、反馈电阻R3、开关S1以及防倒灌保护控制模块；所述误差放大器的两相输入端，分别带隙基准模块和反馈电阻R1，误差放大器的输出端接所述高压PMOS功率管MPH1的栅极；所述高压PMOS功率管MPH1源极接输入电压端VIN，漏极通过依次串联的防倒灌保护PMOS开关管MP1，反馈电阻R3、R3、R1接地GND，MP1的源极接MPH1的漏极，MP1的漏极接反馈电阻R3和稳压器的输出端VOUT，开关S1与反馈电阻R3并联，防倒灌保护控制模块的输入端分别接输入电压端VIN和输出端VOUT，输出端分别接开关管MP1的栅极和开关S1的控制端。

Description

一种宽输入范围线性稳压器的防倒灌保护电路

技术领域

本发明涉及线性稳压器领域，特别涉及一种宽输入范围线性稳压器的防倒灌保护电路。

背景技术

作为稳定提供电能、保护电子设备安全的电源管理芯片中的重要一员，LDO线性稳压器因其具有体积小、输出平稳、噪声小的特点受到市场青睐，从而被广泛应用，而宽输入范围的LDO线性稳压器应用范围更为广泛。

传统的LDO线性稳压器原理框图如图1所示，芯片内部通常集成有使能控制模块(EN)、欠压保护模块(UVLO)、带隙基准(Bandgap)、误差放大器(EA)、PMOS功率管(MPH1)、反馈电阻以及辅助电路(过温和过流保护)。误差放大器的正负输入端接入的信号分别是经反馈电阻R1、R2分压所得的反馈电压VFB和基准模块提供的参考电压VREF。在负反馈的作用下，反馈电压VFB会自动的追踪参考电压VREF，一旦输出电压发生改变，反馈电压也会随之改变，此时负反馈环路开始工作，改变输出级MPH1的工作状态，直至误差放大器的正负输入端电压被重新钳位相等。为保护芯片不出现因局部温度过高或者电流过大导致PN结发生热击穿现象，对整个芯片造成不可逆的损坏，线性稳压器需要设计过温保护和过流保护等辅助电路及时关断芯片，保证芯片不受损坏。

在宽输入范围线性稳压器中，图1中的PMOS功率管MPH1采用高压功率管，其衬底N阱(NWELL)接输入电压VIN端。由功率管漏极和衬底组成的寄生体二极管D2在正常工作时处于反向偏置状态，不影响线性稳压器的正常工作。但是随着集成电路的高速发展，负载端存在多电源供电选择，可能出现VOUT电位大于输入电压VIN以及应用中存在VIN短接到地或者悬空的情况，此时寄生体二极管D2处于正向偏置状态，芯片出现电流倒灌的现象，在损耗电流的同时还可能造成功率管MPH1永久性损坏。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种宽输入范围线性稳压器的防倒灌保护电路。

本发明的技术方案是：

一种宽输入范围线性稳压器的防倒灌保护电路，所述线性稳压器包括使能控制模块、欠压保护模块、带隙基准模块、误差放大器、高压PMOS功率管MPH1、反馈电阻R1、R2以及辅助电路；其特征在在于，所述防倒灌保护电路包括防倒灌保护PMOS开关管MP1、反馈电阻R3、开关S1以及防倒灌保护控制模块；

所述误差放大器的两相输入端，分别带隙基准模块和反馈电阻R1，误差放大器的输出端接所述高压PMOS功率管MPH1的栅极；所述高压PMOS功率管MPH1源极接输入电压端VIN，漏极通过依次串联的防倒灌保护PMOS开关管MP1，反馈电阻R3、R3、R1接地GND，MP1的源极接MPH1的漏极，MP1的漏极接反馈电阻R3和稳压器的输出端VOUT，开关S1与反馈电阻R3并联，防倒灌保护控制模块的输入端分别接输入电压端VIN和输出端VOUT，输出端分别接开关管MP1的栅极和开关S1的控制端。

优选的，所述防倒灌保护控制模块检测VOUT电压状态并控制MP1管开启、开关S1闭合，防倒灌保护不影响电路正常工作；当VOUT电压大于VIN电压时，防倒灌保护控制模块检测VOUT电压状态并控制MP1管关断防止电流倒灌到VIN端，同时将开关S1断开增大VOUT到地电阻，降低VOUT到地的灌入电流。

优选的，防倒灌保护控制模块包括电平比较模块和电平移位与逻辑转换模块两个部分；电平比较模块包含两条支路，分别由VIN和VOUT供电，根据两条支路供电电压的大小分别输出相应的反相逻辑电平。

优选的，所述电平比较模块，在VIN供电的支路中高压管的漏端旁路一个由二极管构成的电压钳位电路，低压工作时电平比较模块比较VIN和VOUT的大小，高压工作时电平比较模块比较VOUT与钳位电路发生钳位后的电压的大小，用于防止宽输入范围的线性稳压器输出电压过大导致低压晶体管的击穿。

优选的，所述电平比较模块中，VIN供电的支路包括开关管M2～M7、电阻R01，VOUT供电的支路包括开关管M9～M12、电阻R02；其中开关管M7的源极接VIN端，M7的漏极接M6的源极，M6的漏极接M5的源极,M5的漏极接M4的源极，M4的漏极通过电阻R01接M3的漏极，M3的源极接M2的漏极，M2的源极接地；开关管M12的源极接VOUT端，M12的漏极接M11的源极，M11的漏极通过电阻R02接M10的漏极，M10的源极接M9的漏极，M9的源极接地；开关管M2、M9的栅极共接，开关管M3、M10的栅极共接；开关管M4、M11的栅极分别接M3的漏极节点A、M10的漏极节点B；开关管M5、M12的栅极分别接M4的漏极节点C、M10的漏极节点D；开关管M5的漏极节点为电流平衡点X，节点X通过依次连接的二极管D4、D3、稳压管ZD1接地。

优选的，所述电平移位与逻辑转换模块包括电平移位器、与非门、或非门、反相器和下降沿延迟器；电平移位器由开关管M13～M16组成，输入端分别连接节点A、B，输出端F连接与非门的一个输入端；或非门的两个输入

和

分别由线性稳压器的使能模块和欠压保护模块产生，或非门的输出端连接与非门的一个输入端；与非门的输出端通过依次连接的反相器INV1、INV2产生输出信号

与非门的输出端通过依次连接的反相器INV3、下降沿延迟器产生输出信号SW_R。

本发明的优点是：

1.本发明的含防倒灌保护电路的线性稳压器，当VOUT电压小于VIN电压时，防倒灌保护控制模块检测VOUT电压状态并控制MP1管开启、开关S1闭合，防倒灌保护不影响电路正常工作；当VOUT电压大于VIN电压时，防倒灌保护控制模块检测VOUT电压状态并控制MP1管关断防止电流倒灌到VIN端，同时将开关S1断开增大VOUT到地电阻，降低VOUT到地的灌入电流。

2.本发明在高压功率管MPH1的漏极与输出VOUT之间引入一个低压PMOS开关管MP1，MP1的衬底与VOUT电位连接，由此产生的跨接在功率管MPH1的漏极与输出VOUT之间的寄生体二极管D1在正常工作时虽然正向偏置但是不导通，在VOUT大于VIN时体二极管D1反向偏置，防止产生倒灌电流。MP1衬底与VOUT连接还能够提高重负载变轻时输出电压的恢复速度。

3.本发明在采样反馈电阻R1、R2基础上串联一个大电阻R3，在正常工作时R3处于短路状态，当防倒灌保护开始工作时R3与R1、R2串联在一起构成一个超大电阻，降低VOUT到地之间的倒灌电流。

4.本发明的防倒灌保护控制模块主要包含电平比较模块和电平移位与逻辑转换模块两个部分。电平比较模块包含两条支路，分别由VIN和VOUT供电，根据两条支路供电电压的大小分别输出相应的反相逻辑电平。在VIN供电支路中高压管的漏端旁路一个由二极管构成的电压钳位电路，这样低压工作时电平比较模块比较VIN和VOUT的大小，高压工作时电平比较模块比较VOUT与钳位电路发生钳位后的电压的大小，用于防止宽输入范围的线性稳压器输出电压过大导致低压晶体管的击穿。电平移位与逻辑转换模块使用VOUT进行供电，在VIN为0或者悬空时防倒灌保护电路仍然能够正常工作。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为传统的LDO线性稳压器原理框图；

图2为本发明所述的带防倒灌保护电路的线性稳压器拓扑结构图；

图3为本发明所述的超重负载时线性稳压器瞬态响应对比图；

图4为本发明所述的防倒灌保护控制模块电路原理框图；

图5为本发明所述的防倒灌保护控制模块仿真结果。

具体实施方式

图2所示是在传统的宽输入范围线性稳压器基础上改进的带防倒灌保护电路的线性稳压器拓扑结构图。芯片内部主要包含使能控制模块(EN)、欠压保护模块(UVLO)、带隙基准(Bandgap)、误差放大器(EA)、高压PMOS功率管(MPH1)、防倒灌保护PMOS开关管MP1、反馈电阻R1、R2、R3、防倒灌保护控制模块(Reverse Pro)以及辅助电路(过温和过流保护)。当VOUT电压小于VIN电压时，防倒灌保护控制模块检测VOUT电压状态并控制MP1管开启、开关S1闭合，防倒灌保护不影响电路正常工作；当VOUT电压大于VIN电压时，防倒灌保护控制模块检测VOUT电压状态并控制MP1管关断防止电流倒灌到VIN端，同时将开关S1断开增大VOUT到地电阻，降低VOUT到地的灌入电流。

图2中MPH1、MP1、R1、R2、R3和开关S1构成线性稳压器的输出功率支路，VIN为线性稳压器输入电压，VOUT为线性稳压器输出电压。其中MPH1为高压PMOS功率管，其栅极接误差放大器的输出EA_OUT，衬底与源极相连。MP1为低压PMOS开关管，起到防倒灌开关管的作用。R1、R2和R3为采样反馈电阻网络，正常工作时开关S1闭合，R3被短路；当VOUT大于VIN电压时防倒灌保护控制模块将MP1关断，VOUT端灌入电流主要由VOUT电位除以到地电阻产生，此时开关S1断开以增大到地电阻，降低由VOUT灌入的到地电流。

线性稳压器正常工作时，MP1管的栅极接地，轻载时MP1管工作在线性区，其源漏电压接近相等；但是当负载超过最大负载能力时，由于MPH1管的栅极电压被限流保护电路钳位在一个固定值，其漏极电压会随负载减小，导致MP1管的漏极电压VOUT的快速减小。因此，为降低引入MP1管导致的不利影响，将其衬底(NWELL)与VOUT电位相连，下面具体分析其工作过程：

图2中虚线D1和D2为寄生体二极管(源漏与NWELL之间)。当电路启动及正常工作时VOUT<VIN，MP1管栅极与地等电位，MP1管处于线性工作区，其源级电压不超过漏极输出VOUT电位加一个体二极管D1开启电压值，寄生体二极管不导通。

当VIN电压超过VOUT电压一个dropout压差并出现超重负载时，VOUT电压将被迅速拉低，导致MP1管的源漏压降大于体二极管D1的开启电压，D1正向导通，MP1的源漏电压差被钳位住，VOUT电压下降被抑制。在负载变轻后，MP1的源极电压朝VIN接近，VOUT电压也将跟随MP1源极电压快速上升。图3所示是超重负载时线性稳压器输出电压的瞬态响应仿真对比结果。由于图中线性稳压器被限流300mA，因此400mA负载时输出电压被迅速拉低，而MP1管衬底接漏极的方式相对接源极的方式电压下降幅度更小，负载变轻时电压上升的时间也更短。

当VOUT>VIN异常状态时，MP1管栅极与VOUT等电位，MP1管关断，体二极管D1反向偏置，VIN与VOUT之间无电流通路。

图4所示为防倒灌保护控制模块电路原理框图，主要包含电平比较模块和电平移位与逻辑转换模块两个部分。防倒灌保护控制模块的功能是判断VOUT电压相对VIN电压的大小关系并输出相应的控制信号，控制PMOS管MP1和开关S1的工作状态。

电平比较模块的功能类似于比较器，判断VIN和VOUT的大小关系来输出相应的高低电平。图4中，电平比较部分包含电流镜偏置以及左右两条输入支路，左边支路由M2～M7组成并由VIN供电；右边支路由M9～M12组成并由VOUT供电。电路中M4、M5、M11和M12管尺寸相等。

由于NMOS管M1和M2、M9管的宽长比相等，所以正常偏置时流过M2和M9管的电流均等于Ib0。而PMOS管M7和M8的宽长比比值为n:1(且n>1)，那么正常偏置时流过M7管中的电流将会是M2管的n倍，所以为维持电流平衡X点的电压VX与VIN电压相近。

当电路正常工作，并且VOUT<VIN≈VX时，节点B和节点D的电位等于0V。M5管工作在线性区VE≈VX，VA比VE低一个阈值电压左右，因此可以判断节点A输出电压为高电平，经过由M13～M16组成的电平移位器后输出电压VF＝VOUT。

当电路发生异常，并且满足以下条件时：

VOUT-V_C＞V_E-V_A≈VIN-V_A (1)

即

VOUT-VIN＞V_C-V_A＝I_b0·R₀ (2)

此时M12管中的电流将大于M4管中的电流，B点电位充电升高，正反馈作用下A点电位降低到0V，最终B点电位等于VOUT，经过由M13～M16组成的电平移位器后输出电压VF＝0V。

当VIN为大于7.2V的高压输入时，在齐纳二极管ZD1和二极管D3、D4组成的钳位电路作用下，X节点的电位被钳位在7.2V，电平比较模块比较VOUT和7.2V的大小关系，而不再比较VOUT与VIN的大小。

当VIN＝0V时，由于电平比较模块的右边支路和电平移位与逻辑转换模块的供电由VOUT提供，因此防倒灌保护控制模块仍能够正常工作，并在VOUT有电压时关断图2中的MP1管。

电平移位与逻辑转换模块主要实现数字逻辑判断的功能，主要包括电平移位器(LS)、与非门、或非门、反相器和下降沿延迟器。或非门的两个输入

和

分别由线性稳压器的使能模块和欠压保护模块产生。

当电路正常工作并且VOUT<VIN时，

和

均等于逻辑0，F点输出逻辑1，那么防倒灌保护控制模块输出

当电路使能关断或者处于欠压状态或者VOUT>VIN时，防倒灌保护控制模块输出

事实上由公式(2)可知，VOUT需要大于VIN电压加上I_b0·R₀，防倒灌保护控制模块才能发生逻辑翻转，通过控制I_b0·R₀的大小可以改变防倒灌保护的门限电压值。

图5所示是防倒灌保护控制模块仿真结果，由图可知当VOUT等于VIN电压时，与非门输出G点电压开始上升；当VOUT大于VIN几十毫伏时，与非门输出G点电压等于VOUT。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种宽输入范围线性稳压器的防倒灌保护电路，所述线性稳压器包括使能控制模块、欠压保护模块、带隙基准模块、误差放大器、高压PMOS功率管MPH1、反馈电阻R1、R2以及辅助电路；其特征在在于，所述防倒灌保护电路包括防倒灌保护PMOS开关管MP1、反馈电阻R3、开关S1以及防倒灌保护控制模块；

所述误差放大器的两相输入端，分别带隙基准模块和反馈电阻R1，误差放大器的输出端接所述高压PMOS功率管MPH1的栅极；所述高压PMOS功率管MPH1源极接输入电压端VIN，漏极通过依次串联的防倒灌保护PMOS开关管MP1，反馈电阻R3、R3、R1接地GND，MP1的源极接MPH1的漏极，MP1的漏极接反馈电阻R3和稳压器的输出端VOUT，开关S1与反馈电阻R3并联，防倒灌保护控制模块的输入端分别接输入电压端VIN和输出端VOUT，输出端分别接开关管MP1的栅极和开关S1的控制端。

2.根据权利要求1所述的宽输入范围线性稳压器的防倒灌保护电路，其特征在于，所述防倒灌保护控制模块检测VOUT电压状态并控制MP1管开启、开关S1闭合，防倒灌保护不影响电路正常工作；当VOUT电压大于VIN电压时，防倒灌保护控制模块检测VOUT电压状态并控制MP1管关断防止电流倒灌到VIN端，同时将开关S1断开增大VOUT到地电阻，降低VOUT到地的灌入电流。

3.根据权利要求2所述的宽输入范围线性稳压器的防倒灌保护电路，其特征在于，防倒灌保护控制模块包括电平比较模块和电平移位与逻辑转换模块两个部分；电平比较模块包含两条支路，分别由VIN和VOUT供电，根据两条支路供电电压的大小分别输出相应的反相逻辑电平。

4.根据权利要求3所述的宽输入范围线性稳压器的防倒灌保护电路，其特征在于，所述电平比较模块，在VIN供电的支路中高压管的漏端旁路一个由二极管构成的电压钳位电路，低压工作时电平比较模块比较VIN和VOUT的大小，高压工作时电平比较模块比较VOUT与钳位电路发生钳位后的电压的大小，用于防止宽输入范围的线性稳压器输出电压过大导致低压晶体管的击穿。

5.根据权利要求4所述的宽输入范围线性稳压器的防倒灌保护电路，其特征在于，所述电平比较模块中，VIN供电的支路包括开关管M2～M7、电阻R01，VOUT供电的支路包括开关管M9～M12、电阻R02；其中开关管M7的源极接VIN端，M7的漏极接M6的源极，M6的漏极接M5的源极,M5的漏极接M4的源极，M4的漏极通过电阻R01接M3的漏极，M3的源极接M2的漏极，M2的源极接地；开关管M12的源极接VOUT端，M12的漏极接M11的源极，M11的漏极通过电阻R02接M10的漏极，M10的源极接M9的漏极，M9的源极接地；开关管M2、M9的栅极共接，开关管M3、M10的栅极共接；开关管M4、M11的栅极分别接M3的漏极节点A、M10的漏极节点B；开关管M5、M12的栅极分别接M4的漏极节点C、M10的漏极节点D；开关管M5的漏极节点为电流平衡点X，节点X通过依次连接的二极管D4、D3、稳压管ZD1接地。

6.根据权利要求5所述的宽输入范围线性稳压器的防倒灌保护电路，其特征在于，所述电平移位与逻辑转换模块包括电平移位器、与非门、或非门、反相器和下降沿延迟器；电平移位器由开关管M13～M16组成，输入端分别连接节点A、B，输出端F连接与非门的一个输入端；或非门的两个输入

和

分别由线性稳压器的使能模块和欠压保护模块产生，或非门的输出端连接与非门的一个输入端；与非门的输出端通过依次连接的反相器INV1、INV2产生输出信号

与非门的输出端通过依次连接的反相器INV3、下降沿延迟器产生输出信号SW_R。

Images