CN115800706A - 一种应用于超低功耗ldo的折回电流保护电路 - Google Patents
一种应用于超低功耗ldo的折回电流保护电路 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种应用于超低功耗LDO的折回电流保护电路，可以在瞬态高负载电流或LDO短路时进行保护。该电流限制是一种恒流限制+电流折回方案。在折回电压(VFOLDBACK)下，电流限制从恒流限制方案转变为电流折回方案。在输出电压高于折回电压(VFOLDBACK)并且负载电流过载时，恒流限制方案(砖墙方案)将输出电流限制在最大输出电流(ICL)。当电压降至折回电压(VFOLDBACK)以下时，电流折回限制被激活，随着输出电压减小逐渐减小电流。当输出短路时，设备提供一个固定电流值的短路电流(ISC)。本发明与传统过流限结构相比，可降低功耗，保护功率管不被烧毁，具有低功耗、高精度和普适性的特点。
Description
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，涉及应用于超低功耗LDO的折回电流保护电路，能够支持在超低功耗的应用场景下工作。
背景技术
随着消费类电子产品的不断发展，对电路的低功耗的特性要求也愈发强烈，也就对电源的自身功耗高提出了比较高的要求，以进一步延长电池寿命。
LDO作为目前市面上普遍采用的电源种类之一，对比开关电源表现出更精简的电路结构、更好的瞬态响应、更低的噪声以及更低的成本。为了保证超低功耗的应用环境，即使在压降模式也能保持低IQ消耗，为了防止过载、输出短路对LDO的损害，LDO需要过流保护电路来限制负载过大情况下的工作电流。而在低功耗的应用的方面。
现有LDO中的过流保护模式主要有两种机制，分别是恒定电流保护与电流折回保护。恒定电流保护结构相比折回式结构更为简单，但消耗了大量功率，并且长时间工作下的大电流可能烧毁功率管。传统折回式过流保护结构在输出下降时降低输出电流，从而避免了可能引起的风险，但可能引起LDO闩锁现象，无法启动负载。相比较而言，将恒定电流保护与折回式电流保护结合的方案，在输出电流箝位至最大值之后保持，在输出电压小于折回点后再折回输出电流，避免了传统折回式结构可能引起的LDO闩锁现象。本结构可以根据具体性能指标和负载要求调节相应的输出最大电流ICL与折回电压VFOLDBACK，不能适应不同负载情况下的LDO。并且加入了使能电路，控制限流电路的开启，以节省LDO的静态功耗。
发明内容
针对现有的LDO恒定过流保护方案可能引起功率过大问题，单一的折回电流保护的闩锁，以及常规电流保护电路功耗过大问题，本发明提出一种应用于超低功耗的LDO的折回电流保护电路，可以应用于超低功耗LDO过流保护场景下，实现对不同负载情况下LDO过流保护的目的。
本发明的技术方案为：
一种应用于超低功耗LDO的折回电流保护电路，其特征在于，当LDO的输出电流大于或等于设定的基准电流时，所述电流比较电路会将LDO中功率管的栅极钳位为一个固定电压；此时输出电流恒定，为所述最大输出电流ICL，即完成恒定电流限制；
其中，设定的基准电流由外部偏置电流IBIAS产生，电流比较电路完成电流的比较并控制LDO中功率管的栅极；
LDO的折回电流保护电路中输出电压采样电路采样输出电压，当所述LDO的输出电压低于折回电压时，所述LDO的输出电流跟随所述低压差线性压器的输出电压的下降而下降，直到所述LDO的输出电流下降到所述短路电流ISC，此时所述输出电压采样电路的输出电流与所述LDO的输出电压成比例下降；
其中，所述输出电压采样电路的功能主要是用于采样所述LDO的输出电压，折回电压VFOLDBACK由电压转电流电路产生。
所述一种应用于超低功耗LDO的折回电流保护电路主要组成部分包括：使能电路、电流采样电路、电压转电流电路、输出电压采样电路和电流比较电路。
所述使能电路的功能为，在LDO正常工作时，检测LDO的输出电流，当因为负载变化或误接导致输出电流超过设定的电流阈值时，输出一个使能信号以启动电流采样和电流比较电路；使能电路在输出电流正常时，使能电路关闭电流采样和电流比较电路以减小LDO的静态功耗，达到低功耗的要求。
其中，所述使能电路由一个与LDO中功率管成比例的采样管1(MS1)，电流镜，施密特触发器和反相器构成，采样管1采样输出电流与电流镜中的电流比较，触发施密特触发器的翻转，经过反相器整形提高驱动能力后控制各个开关，完成使能电路的工作。
其中，采样管1的漏极与电流镜的漏极和施密特触发器的输入相连，施密特触发器的输出与反相器输出相连，后由反相器输出使能信号。其中电流镜的偏置电压由电压转电流电路产生。
所述电压转电流电路的功能主要是用产生偏置电流和折回电压，其主要由运放，两个可调电阻，一个NMOS管和电流镜构成，运放正端连接折回电压一，负端连接电阻，两个电阻串联分压产生折回电压，通过二极管形式的PMOS产生偏置电压，通过控制可调电阻可以提高折回电压的精度。
其中，其中运放的正端连接参考电压VREF1，负端连接MN18管的源端，MP10的栅漏短接后与MN18的漏端连接，R1与MN18的源端相连，R1和R2串联分压产生输出电压采样电路的折回电压VFOLDBACK。
所述输出电压采样电路的功能主要是用于采样所述LDO的输出电压，所述输出电压采样电路包括比较器、一个电阻和一个电容构成的RC低通滤波器；输出电压通过低通滤波器后连接比较器的一端，比较器的另一端连接折回电压，比较器的输出为一个偏置电压。
其中，输出电压采样电路，输出电压通过R3和C1构成的低通滤波器与电压比较器的一端相连，电压比较器的另一端与VFOLDBACK相连。电压比较器的输出为VBP，调整电流采样模块电路中的电流镜的输出电流。
所述输出电压采样电路的功能主要是用于采样所述LDO的输出电压，所述输出电压采样电路包括比较器、一个电阻和一个电容构成的RC低通滤波器；输出电压通过低通滤波器后连接比较器的一端，比较器的另一端连接折回电压，比较器的输出为一个偏置电压。
其中，输出电压采样电路，输出电压通过R3和C1构成的低通滤波器与电压比较器的一端相连，电压比较器的另一端与VFOLDBACK相连。电压比较器的输出为VBP，调整电流采样模块电路中的电流镜的输出电流。
所述电流比较电路的功能主要用于将所述输出电流采样电路的输出电流与基准电流和所述输出电压采样电路的输出电流之和进行比较，并根据比较结果控制LDO中功率管的栅极；
其中，电流比较电路，MN8-MN12电流镜的输出电流I1作为一路基准电流分别连接MP4和MP5的漏端，主要作用是完成恒定电流限制的功能；M13-14电流镜拷贝输出电压采样电路的输出电压VBN,其输出电流随着输出电压的下降而上升，ISENSE和IREF比较后通过MN19将LDO中功率管的栅极逐渐关断。
具体的，所述所述使能电路包括使能电路，其中，功率管MP和采样管MS1的栅极相连，采样管MS1的漏极与电流镜的漏极和施密特触发器的输入相连，施密特触发器的输出与反相器输出相连，后由反相器输出使能信号。其中电流镜由MN1和MN2构成，MN1和MN2的栅极相连，偏置电压VBN1,该偏置电压由电压转电流电路给出。MN2的源端与开关管MN7的漏端相连，在使能信号给出的同时，关掉这一路电流镜来减小功耗。
具体的，所述电压转电流电路，其中运放的正端连接参考电压VREF1，负端连接MN18管的源端，MP10的栅漏短接后与MN18的漏端连接，R1与MN18的源端相连，R1和R2串联分压产生输出电压采样电路的折回电压VFOLDBACK。
具体的，所述输出电压采样电路，其中输出电压通过R3和C1构成的低通滤波器与电压比较器的一端相连，电压比较器的另一端与VFOLDBACK相连。电压比较器的输出为VBP，调整电流采样模块电路中的电流镜的输出电流。
具体的，所述电流比较电路，MN8-MN12电流镜的输出电流I1作为一路基准电流分别连接MP4和MP5的漏端，主要作用是完成恒定电流限制的功能；M13-14电流镜拷贝输出电压采样电路的输出电压VBN,其输出电流随着输出电压的下降而上升，ISENSE和IREF比较后通过MN19将功率管的栅极逐渐关断。
具体的，所述电流采样电路，功能主要是用于采样所述LDO的输出电流，获得与所述LDO的输出电流成比例的电流信号作为所述输出电流采样电路的输出电流。功率管的栅极和采样管2的栅极相连，电阻RB与采样管的源极相连。
本发明的工作原理为：
使能电路用来检测负载电流IOUT的大小，使能电路主要是由一个与功率管成比例的采样管按比例复制输出电流的大小，采样管采样输出电流与电流镜中的电流比较，触发施密特触发器的翻转，经过反相器整形提高驱动能力后输出EN1信号，该使能信号会开启电流采样电路和电流比较电路。
使能电路中，MP3是从外部的电流镜拷贝的电流，MN1,MN2,MN3,MN4均拷贝MN5支路电流，其中MN1，MN2两路电流之和与采样管的电流相比较，当采样管电流小于MN1，MN2两路电流之和时，EN输出高电平，EN1输出低电平，电流采样电路和电流比较电路关闭。当采样管电流大于M1，M2两路电流之和时，EN输出低电平，EN1输出高电平，MN2支路关闭，节省了功耗，电流采样电路和电流比较电路开启，从而限制了最大输出电流，因此电路可以安全工作。在负载电流没有到达阈值电流时，流采样电路和电流比较电路关闭，因此节省了正常工作时的功耗。
为了节省功耗，在负载电流检测电路没有使能的情况下，折回电流保护电路不工作。在负载电流检测电路使能的情况下，折回电流保护电路开始工作。当ISENSE超过I1的支路电流时，恒定电流限制模式先工作，通过MN15将IOUT限制在一个恒定电流ICL，其中ICL＝m×k×Ibias，Ibias＝I1＝I2，m为功率管和采样管宽长比的比值，k为RA与RB的比值。此时LDO消耗的功率为[(VIN-VFOLDBACK)×ICL]
随着负载电流IOUT增加，负载会将输出电压VOUT拉低,当负载将输出电压VOUT拉低到VFOLDBACK时，即MP7开启，偏置电压VBN开始增大，MN13-14输出电流I3和I4逐渐增大，当ISENSE小于I1和I3电流之和，MN15开始上拉功率管栅极VGATE的电位，输出电流开始下降，直至
近似输出短路，短路电流为ISC，即完成VOUT减小，IOUT随之减小的过程，保证耗散功率不再持续增加，以免造成LDO发热过度，造成器件损坏。最后LDO的消耗功率为[(VIN-VOUT)×ISC]。
本发明的有益效果为：本发明提出的应用于超低功耗LDO的折回电流保护电路能够降低LDO电流功耗，解决了传统恒定过流保护方案的闩锁现象，也避免LDO的功率管由于热量过大而被烧毁；另外通过调节外部电阻能够调节过流限与折回点电压，相比传统折回式过流保护方案而言更适应于不同过流保护要求和负载需求；此外，经过仿真试验表明本发明提出的过流限结构所确定的过流参数值精度较高，适合应用于所带负载对输出电流敏感的场合。
附图说明：
下面的附图有助于更好地理解下述对本发明不同实施例的描述，这些附图示意性地示出了本发明一些实施方式的主要特征。这些附图和实施例以非限制性、非穷举性的方式提供了本发明的一些实施例。为简明起见，不同附图中具有相同功能的相同或类似的组件或结构采用相同的附图标记。
图1为本发明提出的应用于超低功耗LDO的折回电流保护电路的整体框图
图2为本发明提出的应用于超低功耗LDO的折回电流保护电路在实施例中的使能电路的具体实现电路图。
图3为本发明提出的应用于超低功耗LDO的折回电流保护电路在实施例中的剩余其他电路的具体实现电路图
图4为本发明提出的应用于超低功耗LDO的折回电流保护电路的输出电流折回示意图，VOUT(NOM)是LDO正常工作时的输出电压，ICL是LDO最大输出电流，VFOLDBACK是LDO的折返电压，ISC是LDO的短路电路。
具体实施方式：
本发明提出一种应用于超低功耗LDO的折回电流保护电路，相比传统的恒定电流颜值和折回式过流保护方案而言，本发明中的折回电流保护电路具有低功耗，折回点可调的优点。如图1所示，本发明提出的过流保护电路的主要组成部分为：使能电路，电流采样电路，电压转电流电路，输出电压采样电路以及电流比较电路构成。
使能电路包括使能电路，其中，功率管MP和采样管MS1的栅极相连，采样管MS1的漏极与电流镜的漏极和施密特触发器的输入相连，施密特触发器的输出与反相器输出相连，施密特触发器输出使能信号EN,反相器输出使能信号EN1。其中电流镜由MN1和MN2构成，MN1和MN2的栅极相连，偏置电压VBN1,该偏置电压由电压转电流电路给出。MN2的源端与开关管MN7的漏端相连，在使能信号EN1给出的同时，使能信号EN会关掉这一路电流镜来减小功耗。当EN1为低时，MN10-MN12构成的电流镜由于MN8-MN9开关管的关闭而无法输出电流，MP4,MP5的栅极由于MP6开启而被拉高也不会正常工作，反之，当EN1为高时，MN10-MN12构成的电流镜，MP4,MP5构成的电流镜都开始工作。
电压转电流电路，其中误差放大器的正端连接参考电压VREF1，负端连接MN18管的源端，MP10的栅漏短接后与MN18的漏端连接，R1与MN18的源端相连，R1和R2串联分压产生输出电压采样电路的折回电压VFOLDBACK。MP10的漏极和栅极短接后和MN18的漏极相连产生偏执电压VBP。
输出电压采样电路，其中输出电压VOUT通过R3和C1构成的低通滤波器与电压比较器的一端相连，电压比较器的另一端与VFOLDBACK相连。电压比较器的输出为VBP，调整电流采样模块电路中的电流镜的输出电流。
所述电流比较电路，MN8-MN12电流镜的输出电流I1作为一路基准电流分别连接MP4和MP5的漏端，MP5的漏端与MN19的栅极相连，MN19的源端和功率管的栅极相连，当ISENSE超过I1时，主要作用是完成恒定电流限制的功能；M13-14电流镜拷贝输出电压采样电路的输出电压VBN,其输出电流随着输出电压的下降而上升，ISENSE和IREF比较后通过MN19将功率管的栅极逐渐关断。
为了节省功耗，在负载电流检测电路没有使能的情况下，折回电流保护电路不工作。在负载电流检测电路使能的情况下，折回电流保护电路开始工作。当ISENSE超过I1的支路电流时，恒定电流限制模式先工作，通过MN15将IOUT限制在一个恒定电流ICL，其中ICL＝m×k×Ibias，Ibias＝I1＝I2，m为功率管和采样管宽长比的比值，k为RA与RB的比值。此时LDO消耗的功率为[(VIN-VFOLDBACK)×ICL]
随着负载电流IOUT增加，负载会将输出电压VOUT拉低,当负载将输出电压VOUT拉低到VFOLDBACK时，即MP7开启，偏置电压VBN开始增大，MN13-14输出电流I3和I4逐渐增大，当ISENSE小于I1和I3电流之和，MN15开始上拉功率管栅极VGATE的电位，输出电流开始下降，直至
近似输出短路，短路电流为ISC，即完成VOUT减小，IOUT随之减小的过程，保证耗散功率不再持续增加，以免造成LDO发热过度，造成器件损坏。最后LDO的消耗功率为[(VIN-VOUT)×ISC]。
综上所述，本发明基于对输出电压采样折回输出电流的原理的应用，其主要组成部分为，使能电路，电流采样电路，电压转电流电路，输出电压采样电路以及电流比较电路构成,实现输出电流折回功能，可降低LDO电流功耗，避免了LDO的功率管由于热量过大而被烧毁,且本发明能够较为精确地在不同过流要求下通过调节外部电阻的阻值确定过流限与折回点电压，适用于各种负载场景；此外，经过对多次仿真试验，证实了本发明提出的过流保护电流所确定的过流精度较高，适合应用于所带负载对输出电流敏感的场合。
Claims (6)
1.一种应用于超低功耗LDO的折回电流保护电路，其特征在于，主要组成部分包括：使能电路、电流采样电路、电压转电流电路、输出电压采样电路和电流比较电路；
当LDO的输出电流大于或等于设定的基准电流时，所述电流比较电路会将LDO中功率管的栅极钳位为一个固定电压；此时输出电流恒定，为所述最大输出电流ICL，即完成恒定电流限制；
所述设定的基准电流由外部偏置电流IBIAS产生，电流比较电路完成电流的比较并控制LDO中功率管的栅极；
LDO的折回电流保护电路中输出电压采样电路采样输出电压，当所述低压差线性稳压器的输出电压低于折回电压时，所述低压差线性稳压器的输出电流跟随所述低压差线性压器的输出电压的下降而下降，直到所述低压差线性稳压器的输出电流下降到所述短路电流ISC，此时所述输出电压采样电路的输出电流与所述低压差线性稳压器的输出电压成比例下降；
其中，所述输出电压采样电路的功能主要是用于采样所述低压差线性稳压器的输出电压，折回电压VFOLDBACK由电压转电流电路产生。
2.如权利要求1所述一种应用于超低功耗LDO的折回电流保护电路，其特征在于，所述使能电路的功能为，在LDO正常工作时，检测LDO的输出电流，当因为负载变化或误接导致输出电流超过设定的电流阈值时，输出一个使能信号以启动电流采样和电流比较电路；使能电路在输出电流正常时，使能电路关闭电流采样和电流比较电路以减小LDO的静态功耗，达到低功耗的要求；
其中，所述使能电路由一个与LDO中功率管成比例的采样管1(MS1)、电流镜、施密特触发器和反相器构成，采样管1采样输出电流与电流镜中的电流比较，触发施密特触发器的翻转，经过反相器整形提高驱动能力后控制各个开关，完成使能电路的工作；
其中，采样管1的漏极与电流镜的漏极和施密特触发器的输入相连，施密特触发器的输出与反相器输出相连，后由反相器输出使能信号，其中电流镜的偏置电压由电压转电流电路产生。
3.如权利要求1或2中任一一种应用于超低功耗LDO的折回电流保护电路，其特征在于，所述输出电流采样电路的功能主要是用于采样所述低压差线性稳压器的输出电流，获得与所述低压差线性稳压器的输出电流成比例的电流信号作为所述输出电流采样电路的输出电流；所述电流采样电路主要是由一个与LDO中功率管成比例的采样管2(MS2)和一个电阻构成；
其中，LDO中功率管的栅极和采样管2的栅极相连，电阻RB与采样管2的源极相连。
4.如权利要求1－3中任一一种应用于超低功耗LDO的折回电流保护电路，其特征在于，所述电压转电流电路的功能主要是用产生偏置电流和折回电压，其主要由运放，两个可调电阻，一个NMOS管和电流镜构成，运放正端连接折回电压一，负端连接电阻，两个电阻串联分压产生折回电压，通过二极管形式的PMOS产生偏置电压，通过控制可调电阻可以提高折回电压的精度；
其中，其中运放的正端连接参考电压VREF1，负端连接MN18管的源端，MP10的栅漏短接后与MN18的漏端连接，R1与MN18的源端相连，R1和R2串联分压产生输出电压采样电路的折回电压VFOLDBACK。
5.如权利要求1－4中任一一种应用于超低功耗LDO的折回电流保护电路，其特征在于，所述输出电压采样电路的功能主要是用于采样所述低压差线性稳压器的输出电压，所述输出电压采样电路包括比较器、一个电阻和一个电容构成的RC低通滤波器；输出电压通过低通滤波器后连接比较器的一端，比较器的另一端连接折回电压，比较器的输出为一个偏置电压；
其中，输出电压采样电路，输出电压通过R3和C1构成的低通滤波器与电压比较器的一端相连，电压比较器的另一端与VFOLDBACK相连。电压比较器的输出为VBP，调整电流采样模块电路中的电流镜的输出电流。
6.如权利要求1－5中任一一种应用于超低功耗LDO的折回电流保护电路，其特征在于，所述电流比较电路的功能主要用于将所述输出电流采样电路的输出电流与基准电流和所述输出电压采样电路的输出电流之和进行比较，并根据比较结果控制LDO中功率管的栅极；
其中，电流比较电路，MN8-MN12电流镜的输出电流I1作为一路基准电流分别连接MP4和MP5的漏端，主要作用是完成恒定电流限制的功能；M13-14电流镜拷贝输出电压采样电路的输出电压VBN,其输出电流随着输出电压的下降而上升，ISENSE和IREF比较后通过MN19将LDO中功率管的栅极逐渐关断。
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