CN115729304B - Ldo高温漏电消除电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开LDO高温漏电消除电路，属于调节电变量或磁变量的系统的技术领域。该电路包括：漏电漂移检测模块、采样模块和下拉模块。漏电漂移检测模块用于检测LDO是否处于漏电漂移状态；采样模块在LDO处于漏电漂移状态时接入LDO中运放的输出电压，生成漏电流采样信号；下拉模块用于对漏电流采样信号进行镜像处理，同时对LDO输出电压进行下拉处理。该电路有效检测高温漏电电流并有效消除漏电电流对输出电压的影响。

Description

LDO高温漏电消除电路

技术领域

本发明公开LDO高温漏电消除电路，属于调节电变量或磁变量的系统的技术领域。

背景技术

随着电子信息技术以及半导体制造技术的迅猛发展，低压差线性稳压器(LowDropout Regulator，LDO)因其体积小、功耗小、电源噪声抑制能力高、线性及负载瞬态响应优良等特性而广泛用于消费电子、工业电子以及汽车电子等各类电子领域。

随着工艺制程的不断降低，MOS管的漏电流不断增加。当LDO中功率管的漏电流大于负载电流与反馈电阻电流之和时，LDO输出电压因LDO输出电流在负载电容上积累不断升高，造成输出电压超过输出电压设置值的情况，LDO持续处于输出电压超过设置值的工作状况下会损坏接在其输出端的电路。

针对功率管的漏电流大于负载电流与反馈电阻电流之和导致LDO输出电压超出设置值这一问题，现有技术采用以下四种解决方案：第一种方案是在LDO输出端到地之间并联反向二极管或者接入二极管连接的MOS管组成的串联支路，该方案利用二极管或MOS管自身在高温下的漏电来下拉LDO输出端口，下拉的电流与实际漏电差异较大，不能严格解决漏电问题；第二种方案是在LDO输出固定下拉一路电流，该电流不随实际漏电流变化，只能消除部分漏电流并会产生固定的功耗；第三种方案是利用栅极接电源的MOS管来采样功率管高温下的漏电，但这种方式在运放输出受摆幅限制不能输出接近电源的电平时，采样存在较大误差，不能消除漏电的影响；第四种方案是将过流保护电路中的采样MOS管与LDO中功率管的栅极连接，采样电流随LDO输出电流变化，但该方案中采样MOS管始终处于导通状态，增加电路损耗。

综上，本发明旨在提出一种LDO高温漏电消除电路以克服上述缺陷。

发明内容

本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供LDO高温漏电消除电路，解决现有LDO漏电消除技术不能有效消除高温漏电且增加电路整体功耗的技术问题，实现有效检测LDO高温漏电电流并有效消除漏电电流对输出电压影响的发明目的。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

LDO高温漏电消除电路，包括：漏电漂移检测模块、采样模块以及下拉模块。漏电漂移检测模块的输入端与LDO功率管的栅极连接，实时检测LDO环路中运放的输出电压即LDO功率管栅极电压，在LDO功率管栅极电压漂移时输出开启采样模块的控制信号，而在LDO功率管栅极电压无漂移时输出关闭采样模块的控制信号。采样模块的输入端在其控制端接收到开启的控制信号时连接LDO功率管的栅极，而在其控制端接收到关闭的控制信号时断开输入端与LDO功率管栅极的连接。

作为LDO高温漏电消除电路的进一步优化方案，漏电漂移检测模块包括：功率管电流采样单元、电流比较单元、输出单元。功率管电流采样单元的输入端连接LDO功率管的栅极，用于实时检测LDO功率管电流。电流比较单元的输入端连接功率管电流采样单元的输出端，用于比较采样的LDO功率管电流和固定偏置电流，在采样的LDO功率管电流大于固定偏置电流时输出表征关闭采样模块的逻辑电平，在采样的LDO功率管电流小于固定偏置电流时输出表征开启采样模块的逻辑电平。输出单元的输入端连接电流比较单元的输出端，对电流比较单元的输出信号进行连续两次的取反操作，两次取反操作的信号组成开启采样模块的控制信号或关闭采样模块的控制信号。

作为LDO高温漏电消除电路的更进一步优化方案，功率管电流采样单元包括：第二PMOS管、第三PMOS管、第三NMOS管、第四NMOS管，第二PMOS管的栅极连接LDO功率管的栅极，第二PMOS管源极连接电源，第三PMOS管的栅极连接漏极，第三PMOS管的源极连接电源，第三NMOS管的栅极和漏极均与第二PMOS管的漏极连接，第三NMOS管的源极接地，第四NMOS管的栅极连接第三NMOS管的栅极，第四NMOS管的漏极连接第三PMOS管的漏极，第四NMOS管的源极接地。

作为LDO高温漏电消除电路的更进一步的优化方案，电流比较单元包括：第四PMOS管、第五NMOS管、第六NMOS管，第四PMOS管的栅极作为电流比较单元的输入端连接第三PMOS管的栅极，第四PMOS管的源极连接电源，第五NMOS管的栅极和漏极均与固定偏置电流源的输出端相连，第五NMOS管的源极接地，第六NMOS管的栅极连接第五NMOS管的栅极，第六NMOS管的漏极与第四PMOS管的漏极连接后作为电流比较单元的输出端，第六NMOS管的源极接地。

作为LDO高温漏电消除电路的更进一步优化方案，输出单元包括：串接的第一反相器和第二反相器，第一反相器的输入端与第六NMOS管的漏极、第四PMOS管的漏极连接，第一反相器输出信号和第二反相器输出信号组成开启的控制信号或关闭的控制信号。

作为LDO高温漏电消除电路的进一步优化方案，采样模块包括：第一PMOS管、第五PMOS管、第六PMOS管、第七NMOS管，第一PMOS管的栅极为采样模块的输入端，第一PMOS管的漏极为采样模块的输出端，第一PMOS管的源极连接电源，第五PMOS管的栅极作为采样模块控制端的第一端口连接第二反相器的输出端，第五PMOS管的漏极连接LDO功率管的栅极，第五PMOS管的源极连接第一PMOS管的栅极，第六PMOS管的栅极作为采样模块控制端的第二端口连接第一反相器的输出端，第六PMOS管的漏极连接第一PMOS管的栅极，第六PMOS管的源极连接电源，第七NMOS管的栅极作为采样模块控制端的第三端口连接第一反相器的输出端，第七NMOS管的漏极连接LDO功率管的栅极，第七NMOS管的源极连接第一PMOS管的栅极。

作为LDO高温漏电消除电路的进一步优化方案，下拉模块包括：第二NMOS管、第一NMOS管、第三电阻，第二NMOS管的栅极和漏极均连接第一PMOS管的漏极，第一NMOS管的栅极连接第二NMOS管的栅极，第一NMOS管的漏极连接LDO功率管的漏极，第一NMOS管的源极接地，第三电阻的一端连接第二NMOS管的源极，第三电阻的另一端接地。

作为LDO高温漏电消除电路的更进一步优化方案，第一NMOS管、第二NMOS管、第三电阻组成可调电流镜，可调电流镜的栅极电位为： 第一NMOS管的下拉电流为：/> 其中，I_OFF为LDO功率管的漏电流，k为第一PMOS管采样电流与LDO功率管漏电流的比例，μ_n为电子迁移率，C_ox为单位栅电容，/>为第一NMOS管M_N1、第二NMOS管M_N2的宽长比，V_THMN1、V_THMN2为第一NMOS管M_N1、第二NMOS管M_N2的阈值电压，R₃为第三电阻的阻值。通过调节第一NMOS管宽长比、第二NMOS管宽长比、第三电阻阻值的方式调节第一NMOS管的下拉电流。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：

(1)LDO正常工作时关闭采样模块降低功耗：本发明通过实时检测漏电流漂移状态，通过控制采样模块中的开关在LDO处于漏电流漂移状态时将漏电流采样管接入LDO功率管栅极，在LDO正常工作时关闭采样模块，避免漏电流采样管在LDO正常工作时仍接入电源，降低功耗。

(2)有效检测高温漏电电流：本发明以LDO功率管的栅极即运放输出端为漏电流检测点，通过将LDO中运放输出电压的变化转换为采样管电流的方式检测LDO功率管的漏电状态，摒弃了采用电压比较器检测LDO输出电压判断漏电状态的传统方式，避免电压比较器失调对漏电检测的影响，有效检测漏电流，提高检测精度。

(3)有效消除高温漏电电流对输出电压的影响：本发明通过串接在漏电流检测管输出端的电流镜泄放漏电流，同时利用电流镜输出管对LDO输出电压进行下拉，实现电流镜输出电流跟随LDO功率管漏电流的目的，有效消除高温漏电电流对输出电压的影响。

附图说明

图1为本发明LDO高温漏电消除电路的框图。

图2为本发明实施例中LDO高温漏电消除电路的具体电路图。

图3为本发明实施例中加入所提高温漏电消除电路前后LDO在高温情形下输出电压的仿真结果。

图中标号说明：M_P1～M_P6为第一至第六PMOS管，M_N1～M_N6为第一至第六NMOS管，M_PASS为LDO功率管，R₁～R₃为第一至第三电阻，I₁为运放，I₂、I₃为第一、第二反相器。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：

如图1所示，本发明公开的高温漏电消除电路包括：漏电漂移检测模块、采样模块以及下拉模块。漏电漂移检测模块用于检测LDO环路中功率管是否处于漏电漂移状态，如果LDO环路中功率管处于漏电漂移状态则控制采样模块采样功率管漏电电流，如果LDO环路中功率管不处于漏电漂移状态则关闭采样模块。下拉模块对采样模块采样到的漏电电流进行镜像和微调处理并对LDO输出进行下拉。

漏电漂移检测模块的输入端与LDO环路中LDO功率管的栅极连接，实时检测LDO环路中运放的输出电压，当LDO工作于高温情形下时，LDO输出电压受漏电影响而升高，运放工作状态接近反馈机制的极限，输出电压接近电源，LDO功率管此时处于漏电漂移的状态，漏电漂移检测模块在检测到LDO功率管处于漏电漂移状态时向采样模块输出开启的控制信号，而在未检测到LDO功率管处于漏电漂移状态即LDO正常工作时向采样模块输出关闭的控制信号。漏电漂移检测模块，包括功率管电流采样单元、电流比较单元、输出单元。功率管电流采样单元的输入端连接LDO功率管的栅极，输出采样的LDO功率管电流。电流比较单元的输入端连接功率管电流采样单元的输出端，对采样的LDO功率管电流和固定偏置电流进行比较，在采样的LDO功率管电流大于固定偏置电流时输出表征关闭采样模块的逻辑电平，而在采样的LDO功率管电流小于固定偏置电流时输出表征开启采样模块的逻辑电平。输出单元的输入端连接电流比较单元的输出端，输出开启的控制信号或关闭的控制信号至采样模块的控制端。

采样模块的输入端与LDO功率管的栅极连接，采样模块的控制端连接漏电漂移检测模块的输出端，在接收到开启的控制信号时输出采样的漏电电流至下拉模块的输入端，在接收到关闭的控制信号时断开输入端与LDO功率管栅极的连接。

下拉模块的输入端与采样模块的输出端连接，下拉模块的输出端与LDO功率管的漏极连接，以采样模块采样的漏电电流为参考对LDO功率管漏极即LDO的输出进行下拉。下拉模块可以和采样模块合并为一个模块。

本发明所提一种LDO高温漏电消除电路的具体电路如图2所示，LDO环路由运放I₁、LDO功率管M_PASS、第一电阻R₁和第二电阻R₂组成的反馈电阻支路构成。漏电漂移检测模块中的功率管电流采样单元包括：第二PMOS管M_P2、第三PMOS管M_P3、第三NMOS管M_N3、第四NMOS管M_N4；电流比较单元包括：第五NMOS管M_N5、第六NMOS管M_N6、第四PMOS管M_P4；输出单元包括：第一反相器I₂、第二反相器I₃；其中，第二PMOS管M_P2的栅极作为功率管电流采样单元的输入端连接LDO功率管M_PASS的栅极，第二PMOS管M_P2的源极、第三PMOS管M_P3的源极连接电源VDD，第二PMOS管M_P2的漏极、第三NMOS管M_N3的漏极、第三NMOS管M_N3的栅极、第四NMOS管M_N4的栅极相连接，第三PMOS管M_P3的漏极与栅极连接作为功率管采样单元的输出端，第三NMOS管M_N3的源极、第四NMOS管M_N4的源极接地；第四PMOS管M_P4的栅极作为电流比较单元的输入端与第三PMOS管M_P3的栅极、第三PMOS管M_P3的漏极连接，第四PMOS管M_P4的源极接电源VDD，第五NMOS管M_N5的漏极接固定偏置电流源的输出端，第五NMOS管M_N5的栅极、第六NMOS管M_N6的栅极均与第五NMOS管M_N5的漏极连接，第四PMOS管M_P4的漏极与第六NMOS管M_N6的漏极连接作为电流比较单元的输出端，第五NMOS管M_N5的源极、第六NMOS管M_N6的源极均接地；第一反相器I₂的输入端与第四PMOS管M_P4的漏极、第六NMOS管M_N6的漏极连接，第二反相器I₃的输入端连接第一反相器I₂的输出端，第一反相器I₂输出信号记为_SW，第二反相器I₃输出信号记为SW，_SW为低电平，SW为高电平时，第一反相器I₂输出的信号_SW和第二反相器I₃输出的信号SW作为关闭的控制信号传输至采样模块的控制端，_SW为高电平，SW为低电平时，第一反相器I₂输出的信号_SW和第二反相器I₃输出的信号SW作为开启的控制信号传输至采样模块的控制端。

第二PMOS管M_P2采样LDO功率管M_PASS的电流，第二PMOS管M_P2采样的电流经第三PMOS管M_P3、第四PMOS管M_P4、第三NMOS管M_N3、第四NMOS管M_N4组成的1：1电流镜镜像后与流经第五NMOS管M_N5的固定偏置电流I_BIAS1进行比较，输出开启或关闭采样模块的控制信号。当LDO功率管M_PASS处于正常工作状态时，第二PMOS管M_P2采样的电流远大于固定偏置电流I_BIAS1，此时，SW为高电平，_SW为低电平，采样模块的输入端连接至电源VDD，不采样电流。当温度升高时，LDO功率管M_PASS漏电电流逐渐变大，当LDO环路不能通过自身的闭环控制机制控制LDO功率管M_PASS时，此时LDO功率管M_PASS处于异常状态，LDO功率管M_PASS栅极的电位会快速上升，使得第二PMOS管M_P2采样的电流小于固定偏置电流I_BIAS1，此时，SW为低电平，_SW为高电平，采样模块的输入端连接LDO功率管M_PASS的栅极，采样模块精确采样LDO功率管M_PASS漏电流。

如图2所示，采样模块包括：第一PMOS管M_P1、第五PMOS管M_P5、第六PMOS管M_P6、第七NMOS管M_N7，下拉模块包括：第一NMOS管M_N1、第二NMOS管M_N2、第三电阻R₃；其中，第五PMOS管M_P5的漏极与第七NMOS管M_N7的漏极均连接LDO功率管MPASS的栅极，第五PMOS管M_P5的源极与第七NMOS管M_N7的源极、第一PMOS管M_P1的栅极作为采样模块的输入端与第六PMOS管M_P6的漏极连接，第一PMOS管M_P1的源极、第六PMOS管M_P6的源极均连接电源VDD，第一PMOS管M_P1的漏极为采样模块的输出端，第五PMOS管M_P5的栅极连接第二反相器I₃的输出端，第六PMOS管M_P6的栅极、第七NMOS管M_N7的栅极均与第一反相器I₂的输出端连接；第一NMOS管M_N1的栅极、第二NMOS管M_N2的栅极、第二NMOS管M_N2的漏极相连接作为下拉模块的输入端，第一NMOS管M_N1的漏极连接LDO功率管M_PASS的漏极，第一NMOS管M_N1的源极接地，第二NMOS管M_N2的源极连接第三电阻的R₃一端，第三电阻的R₃另一端接地。

当LDO功率管M_PASS处于正常工作状态时，漏电漂移检测模块输出的SW为高电平，_SW为低电平，第一PMOS管M_P1通过导通的第六PMOS管M_P6被上拉至电源VDD，即第一PMOS管M_P1的栅极电连接至电源VDD，采样模块不采样电流；当LDO功率管M_PASS栅极的电位处于漂移状态时，SW为低电平，_SW为高电平，第一PMOS管M_P1的栅极电连接LDO功率管M_PASS的栅极，采样模块精确采样LDO功率管M_PASS漏电流。

第一PMOS管M_P1为高温漏电采样管，第一NMOS管M_N1、第二NMOS管M_N2与第三电阻R₃组成可调电流镜，其中，第一NMOS管M_N1用于消除高温时的漏电。高温时LDO功率管M_PASS的漏电流I_OFF增大，使输出电压V_OUT有大于V_SET的趋势，当LDO环路失去调节能力时，此时漏电漂移检测模块输出的SW为低电平，_SW为高电平。高温漏电采样管M_P1严格采样LDO功率管漏电流，高温漏电采样管M_P1有成比例的采样电流从电源流下，通过设置第一NMOS管M_N1与第二NMOS管M_N2的宽长比以及第三电阻R₃的阻值，可以使第一NMOS管M_N1产生足够下拉电流，使得LDO输出回归正常值并使LDO环路恢复正常增益和调节能力。

如果LDO功率管M_PASS的漏电流为I_OFF，那么可调电流镜的栅极电位V_CM为：

第一NMOS管M_N1的下拉电流I_PD为：

其中，k为第一PMOS管采样电流与LDO功率管漏电流的比例，μ_n为电子迁移率；C_ox为单位栅电容；为第一NMOS管M_N1、第二NMOS管M_N2的宽长比；V_THMN1、V_THMN2为第一NMOS管M_N1、第二NMOS管M_N2的阈值电压；R₃为第三电阻的阻值。

第一NMOS管M_N1的下拉电流会随着LDO功率管M_PASS漏电流增大而增大，保证高温状态下输出电压V_OUT与V_SET相等，实现高温漏电消除的目的。

以设置输出为1.8V的LDO为例验证本发明所提高温漏电消除电路对漏电消除的效果。如图3所示，未加入本发明所提高温漏电消除电路时，LDO输出电压在高温情形下(120℃～160℃)从1.8V陡然升高至2.8V，LDO环路已经失去调节能力；加入本发明所提高温漏电消除电路后，LDO稳定输出设置的电压1.8V，尤其是在高温情形下LDO的输出仍然可以稳定维持在设置值，即本发明所提高温漏电消除电路能够有效消除漏电电流对输出电压的影响。

以上实施方式只是对本发明的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员还可以对其局部进行改变，符合发明宗旨的任意形式的等同替换都落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.LDO高温漏电消除电路，其特征在于，包括：

漏电漂移检测模块，其输入端连接LDO功率管栅极，在检测到LDO功率管处于漏电漂移状态时向采样模块输出开启的控制信号，在检测到LDO功率管正常工作时向采样模块输出关闭的控制信号，

采样模块，其控制端接收开启的控制信号或关闭的控制信号，其输入端在控制端接收到开启的控制信号时连接至LDO功率管的栅极，其输出端输出采样的漏电电流，在控制端接收到关闭的控制信号时断开输入端与LDO功率管栅极的连接，及，

下拉模块，其输入端接所述采样模块的输出端，其输出端连接LDO功率管的漏极；

所述漏电漂移检测模块包括：

功率管电流采样单元，其输入端连接LDO功率管的栅极，输出检测的LDO功率管电流，

电流比较单元，其输入端连接所述功率管电流采样单元的输出端，在LDO功率管电流大于固定偏置电流时输出表征关闭采样模块的逻辑电平，在LDO功率管电流小于固定偏置电流时输出表征开启采样模块的逻辑电平，及，

输出单元包括串接的第一反相器和第二反相器，输出单元的输入端连接所述比较单元的输出端，输出单元输出开启的控制信号或关闭的控制信号至采样模块的控制端；

所述采样模块包括：

第一PMOS管，其栅极为采样模块的输入端，其漏极为采样模块的输出端，其源极连接电源，

第五PMOS管，其栅极作为采样模块控制端的第一端口连接第二反相器的输出端，其漏极连接LDO功率管的栅极，其源极连接第一PMOS管的栅极，

第六PMOS管，其栅极作为采样模块控制端的第二端口连接第一反相器的输出端，其漏极连接第一PMOS管的栅极，其源极连接电源，及，

第七NMOS管，其栅极作为采样模块控制端的第三端口连接第一反相器的输出端，其漏极连接LDO功率管的栅极，其源极连接第一PMOS管的栅极；

所述下拉模块包括：

第二NMOS管，其栅极和漏极均连接第一PMOS管的漏极，

第一NMOS管，其栅极连接第二NMOS管的栅极，其漏极连接LDO功率管的漏极，其源极接地，及，

第三电阻，其一端连接第二NMOS管的源极，其另一端接地。

2.根据权利要求1所述LDO高温漏电消除电路，其特征在于，所述功率管电流采样单元包括：

第二PMOS管，其栅极连接LDO功率管的栅极，其源极连接电源；

第三PMOS管，其栅极连接漏极，其源极连接电源；

第三NMOS管，其栅极和漏极均与第二PMOS管的漏极连接，其源极接地；及，

第四NMOS管，其栅极连接第三NMOS管的栅极，其漏极连接第三PMOS管的漏极，其源极接地。

3.根据权利要求2所述LDO高温漏电消除电路，其特征在于，所述电流比较单元包括：

第四PMOS管，其栅极作为电流比较单元的输入端连接第三PMOS管的栅极，其源极连接电源；

第五NMOS管，其栅极和漏极均与固定偏置电流源的输出端相连，其源极接地；及，

第六NMOS管，其栅极连接第五NMOS管的栅极，其漏极与第四PMOS管的漏极连接后作为电流比较单元的输出端，其源极接地。

4.根据权利要求3所述LDO高温漏电消除电路，其特征在于，所述第一反相器的输入端与第六NMOS管的漏极、第四PMOS管的漏极连接，第一反相器输出信号和第二反相器输出信号组成开启的控制信号或关闭的控制信号。

5.根据权利要求1所述LDO高温漏电消除电路，其特征在于，所述第一NMOS管、第二NMOS管、第三电阻组成的电流镜的栅极电位为： 其中，V_CM为第一NMOS管、第二NMOS管、第三电阻组成的电流镜的栅极电位，I_OFF为LDO功率管的漏电流，k为第一PMOS管采样电流与LDO功率管漏电流的比例，μ_n为电子迁移率，C_ox为单位栅电容，/>为第二NMOS管的宽长比、V_THMN2为第二NMOS管的阈值电压，R₃为第三电阻的阻值。

6.根据权利要求5所述LDO高温漏电消除电路，其特征在于，所述第一NMOS管的下拉电流为：其中，I_PD为第一NMOS管的下拉电流，/>为第一NMOS管的宽长比，V_THMN1为第一NMOS管的阈值电压。

7.根据权利要求6所述LDO高温漏电消除电路，其特征在于，通过调节所述第一NMOS管宽长比、第二NMOS管宽长比、第三电阻阻值的方式调节第一NMOS管的下拉电流。