CN116382409A - 一种线性稳压电路系统及其控制方法 - Google Patents

一种线性稳压电路系统及其控制方法 Download PDF

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CN116382409A CN202310658356.3A CN202310658356A CN116382409A CN 116382409 A CN116382409 A CN 116382409A CN 202310658356 A CN202310658356 A CN 202310658356A CN 116382409 A CN116382409 A CN 116382409A
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Abstract

本发明涉及电源电路技术领域，本发明公开了一种线性稳压电路系统及其控制方法，其控制方法包括：电源控制单元，用于接收到启动信号或调节控制信号后输出不同大小的第一电压；电压输出单元，与所述电源控制单元连接，用于根据接收到的所述电源控制单元输出的第一电压，调控供电电压在通过所述电压输出单元后向不同大小负载电阻输出稳定的第二电压；当所述负载电阻发生改变时，所述第二电压会发生改变；信号比较单元，分别与所述电源控制单元、电压输出单元连接，一输入端输入第一/第二基准电压，另一输入端输入所述电压输出单元输出的第二电压。

Description

一种线性稳压电路系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及电源电路技术领域，尤其是一种线性稳压电路系统及其控制方法。
背景技术
稳压电路是在输入电网电压波动或负载发生改变时仍能保持输出电压基本不变的电源电路。
稳压电路分类繁多，按输出电流的类型分为：直流稳压电路和交流稳压电路。按稳压电路与负载的连接方式分为：串联稳压电路和并联稳压电路。按调整管的工作状态分为：线性稳压电源和开关稳压电源。按电路类型分为：简单稳压电源，反馈型稳压电源和带有放大环节的稳压电路。
如何使得稳压电路在不同场景下能够对线性电压进行稳压调节成为了一个亟待解决的问题。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种线性稳压电路系统及其控制方法。
具体的，本发明的技术方案如下：
一方面，一种线性稳压电路系统，包括：
在一些实施方式中，本发明提供一种线性稳压电路系统，包括：
电源控制单元，用于接收到启动信号或调节控制信号后输出不同大小的第一电压；
电压输出单元，与所述电源控制单元连接，用于根据接收到的所述电源控制单元输出的第一电压，调控供电电压在通过所述电压输出单元后向不同大小负载电阻输出稳定的第二电压；当所述负载电阻发生改变时，所述第二电压会发生改变；
信号比较单元，分别与所述电源控制单元、电压输出单元连接，一输入端输入第一/第二基准电压，另一输入端输入所述电压输出单元输出的第二电压；所述第一基准电压小于第二基准电压；
当所述第二电压低于第一基准电压时，所述信号比较单元向所述电源控制单元输出启动信号；
当所述第二电压高于第二基准电压时，所述信号比较单元向所述电压输出单元输出调节控制信号；以调节所述电压输出单元输出稳定的第二电压。
在一些实施方式中，所述电源控制单元包括：
相互连接的充放电控制电路和充放电电路，所述充放电控制电路还与所述信号比较单元连接，所述充放电电路还与所述电压输出单元连接；
在所述充放电控制电路接收到所述信号比较单元输出的所述启动信号时，对所述充放电电路进行充电，并输出所述第二电压；
在所述充放电控制电路接收到所述信号比较单元输出的所述调节控制信号时，对所述充放电电路进行放电，并输出所述第二电压。
在一些实施方式中，所述输出电压驱动电路还包括：
驱动NMOS管，其栅极分别接调节控制电路、充放电电路；其漏极接工作电压；其源极分别接所述负载电阻、信号比较单元。
在一些实施方式中，所述充放电控制电路还包括：
时钟子电路，与所述信号比较单元连接，在接收到所述信号比较单元输出的所述启动信号后，输出驱动信号；
电荷泵，与所述时钟子电路连接，在接收到所述时钟子电路输出的所述驱动信号后，输出电压。
在一些实施方式中，所述电荷泵，包括：
信号接收模块，接收所述时钟子电路输出的所述驱动信号；
电压调节模块，与所述信号接收模块连接，在所述驱动信号的控制下，调节最高输出电压。
在一些实施方式中：
用于放电的NMOS管，其栅极接所述信号比较单元；其漏极通过限流电阻分别接电源控制单元、所述输出电压驱动电路；其源极接地。
在一些实施方式中，所述充放电电路还包括：
充放电电容，一端分别接调节控制电路、输出电压驱动电路，另一端接地。
在一些实施方式中，所述信号比较单元包括：
第一比较器，其正输入端接第一基准电压，其负输入端接所述电压输出单元输出的第二电压，其输出端向所述电路控制单元输出启动信号；
第二比较器，其正输入端接所述电压输出单元输出的第二电压，其负输入端第二基准电压，其输出端向所述电压输出单元输出调节控制信号。
在一些实施方式中，本发明还提供一种线性稳压电路系统的控制方法，包括：
在电路控制单元接收到启动信号或调节控制信号后，输出不同大小的第一电压；
电压输出单元接收到所述电路控制单元输出的第一电压后，调控供电电压V0在通过所述电压输出单元后向不同大小负载电阻输出稳定的第二电压；当所述负载电阻发生改变时，所述第二电压会发生改变；
信号比较单元接收并比较所述电压输出单元输出的第二电压与第一/第二基准电压V3之间的大小；所述第一基准电压V3小于第二基准电压V3；
当所述第二电压低于第一基准电压V3时，所述信号比较单元向所述电源控制单元输出启动信号；
当所述第二电压高于第二基准电压V3时，所述信号比较单元向所述电压输出单元输出调节控制信号；以调节所述电压输出单元输出稳定的第二电压。
与现有技术相比，本发明至少具有以下一项有益效果：
1.通过本发明提供的线性稳压电路系统能够在不同负载电阻的接入场景下均能提供稳定的输出电压。
2.本发明能够解决低的工作电源电压下，输出较大的驱动电流。
3.本发明能够较好解决负载电流的突变，输出电压始终保持稳定的问题。
4.本发明能够抑制电源电压对输出稳定电压的干扰。
附图说明
下面将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施方式，对本发明的上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。
图1是本申请提供的一种线性稳压电路系统的一个实施例示意图；
图2是本申请提供的一种线性稳压电路系统的另一个实施例示意图；
图3是本申请提供的稳压波形示意图；
图4是本申请提供的稳压波形示意图；
图5是本申请提供的电荷泵的电路示意图；
图6是本申请提供的电荷泵的电路示意图；
图7是本申请提供的电荷泵的电路示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。
还应当进一步理解，在本申请说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
在本文中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在一个实施例中，参考说明书附图1，本发明提供的一种线性稳压电路系统，包括：
电源控制单元100，用于接收到启动信号或调节控制信号后输出不同大小的第一电压。
电压输出单元200，与所述电源控制单元连接，用于根据接收到的所述电源控制单元输出的第一电压，调控供电电压在通过所述电压输出单元后向不同大小负载电阻输出稳定的第二电压；当所述负载电阻发生改变时，所述第二电压会发生改变。
示例性的，如图2所示，第一电压为电荷泵输出电压V1；第二电压为输出电压
Figure SMS_1
。
信号比较单元300，分别与所述电源控制单元、电压输出单元连接，一输入端输入第一/第二基准电压V3，另一输入端输入所述电压输出单元输出的第二电压；所述第一基准电压V3小于第二基准电压V3。
示例性的，如图2所示，第一基准电压为
Figure SMS_2
；第二基准电压为/>
Figure SMS_3
。
当所述第二电压低于第一基准电压时，所述信号比较单元向所述电源控制单元输出启动信号；
当所述第二电压高于第二基准电压时，所述信号比较单元向所述电压输出单元输出调节控制信号；以调节所述电压输出单元输出稳定的第二电压。本实施例中，负载电阻接在电压输出单元的输出端，由于不同场景下，需要接入的负载电阻大小不一样。在接入不同大小的负载电阻时，本实施例中提供的线性稳压电路系统输出的电压均能处于一个稳定状态。
在一个实施例中，所述电源控制单元包括：
相互连接的充放电控制电路和充放电电路，所述充放电控制电路还与所述信号比较单元连接，所述充放电电路还与所述电压输出单元连接。
在所述充放电控制电路接收到所述信号比较单元输出的所述启动信号时，对所述充放电电路进行充电，并输出所述第二电压。
在所述充放电控制电路接收到所述信号比较单元输出的所述调节控制信号时，对所述充放电电路进行放电，并输出所述第二电压。
在一个实施例中，参考说明书附图2，本发明提供的充放电控制电路还包括：
时钟子电路101，与所述信号比较单元连接，在接收到所述信号比较单元输出的所述启动信号后，输出驱动信号。
示例性的，时钟子电路101包括如图2所示的高速时钟。
电荷泵102，与所述时钟子电路101连接，在接收到所述时钟子电路101输出的所述驱动信号后，输出电压。其中，输出的第一电压可以超过电源电压。
在一个实施例中，所述电荷泵102，包括：
信号接收模块，接收所述时钟子电路101输出的所述驱动信号；
电压调节模块，与所述信号接收模块连接，在所述驱动信号的控制下，调节最高输出电压。
在一个实施例中，如图5所示，所述电荷泵102包括：
信号接收模块，接收所述时钟子电路101输出的所述驱动信号；
电压调节模块，与所述信号接收模块连接，在所述驱动信号的控制下，调节最高输出电压。
在本实施例中，电荷泵102的电路设计的提出是本发明为了能够在低的工作电源电压下，输出较大的驱动电流。
具体的，本实施例提供的电荷泵102具备升压功能，能够提供高于电源电压的第一电压，第一电压的高低决定了驱动NMOS管的驱动能力。本实施例提供的电荷泵102负责的升压和MOS管M2构成的降压能够快速响应驱动NMOS管M1的栅极电压，让第二电压始终保持稳定。输出驱动管为NMOS管，输出电压由NMOS管的Vgs决定，电源电压在变得时候不影响Vgs电压，输出的第二电压能够时钟保持稳定。
示例性的，信号接收模块包括驱动NMOS管M1，MOS管M2，电容C1，电容C2，与电容C1连接的反相器，与电容C2连接的反相器。电压调节模块包括MOS管M3和MOS管M4，MOS管M5和MOS管M6，与输出电压端（
Figure SMS_4
）连接的电容C1。
在本实施例中，此电荷泵电路的工作原理包括：
在电荷泵电路正常工作时，时钟CLK1和时钟CLK2为互为反向的时钟，时钟电压为VIN2，时钟信号对CLK1对C1充电，CLK2对C2充电，电容两端的电压不会突变，导致驱动NMOS管M1、MOS管M2的栅极电压升高，打开驱动NMOS管M1、MOS管M2，驱动NMOS管M1、MOS管M2的时钟是交替的，电源电压为VIN1，VIN1+VIN2的时钟信号，即驱动NMOS管M1、MOS管M2的栅极电压是交替的时钟信号，所以驱动NMOS管M1、MOS管M2是交替导通的，VIN1电压连接电容C1、电容C2的正向端，所以电容C1、电容C2的最低电平为VIN1。
当CLK1的时钟信号为高电平信号，反相器输出的电平信号为低电平信号，电容C1负端电压为0V，电容C1的正端电压为VIN1，电容C1和电容C2的电容压差为VIN1。
当CLK1为低，反相器输出为高，电容C1的负端电压为VIN2，电容的两端电压不突变，正端电压变为VIN2+VIN1，M2的栅电压为VIN1+VIN2，MOS管M2打开，电容C2正端接通VIN1，此时电容C1正端的电压为VIN1+VIN2，电容C2正端的电压为VIN1，当下一个时钟来了CLK1为低，CLK2为高，电容C1、电容C2电压时序交替，所以在电容C1和电容C2的正端出现高、低电平为VIN1+VIN2、VIN1的时钟信号，而且为互相交替的时钟信号。
其中，M3、M4和M5、M6这两组PMOS管的功能是一样的，M5、M6这一组PMOS管只提供最高的pump电压，给M3、M4这一组PMOS管做衬偏电压。
当电容C1正端为VIN1+VIN2电压，电容C2正端为VIN1电压，M3、M5为PMOS管，PMOS管导通，所以
Figure SMS_5
和PMOS管M5为VIN1+VIN2，电容C1、电容C2时序交替，最后输出电压/>
Figure SMS_6
和PMOS管M5始终保持VIN1+VIN2电压，起到升压的功能。
在本实施例中，本发明提供一种电荷泵（charge pump）电路，输出电压
Figure SMS_7
由VIN1和VIN2决定，计算公式为：/>
Figure SMS_8
=VIN1+VIN2。
其中，时钟CLK1和时钟CLK2互为反向时钟。
在一个实施例中，基于上述实施例中，在本实施例中，如图6所示，所述电荷泵102的电压调节模块与图5的相同，但是信号接收模块略有不同，增加了两组VIN输入以及对应的反相器和电容。
在本实施例中，本发明提供一种电荷泵（charge pump）电路，输出电压
Figure SMS_9
同样是由VIN1和VIN2决定，计算公式如下：
Figure SMS_10
；
其中，时钟CLK1和时钟CLK2互为反向时钟，该电路只要保护电荷泵输出电压V1过高对器件损伤，就能够有效控制其最高输出电压。
在一个实施例中，基于上述实施例中，在本实施例中，如图7所示，所述电荷泵102的电压调节模块与图5、图6的相同，但是信号接收模块略有不同，增加了多组VIN输入以及对应的反相器和电容。
在本实施例中，本发明提供一种电荷泵（charge pump）电路，输出电压
Figure SMS_11
同样是由VIN1和VIN2决定，计算公式如下：
Figure SMS_12
。
在一个实施例中，参考说明书附图2，本发明提供的调节控制电路还包括：
用于放电的NMOS管，其栅极接信号比较单元；其漏极通过限流电阻分别接电源控制单元、所述输出电压驱动电路；其源极接地。
用于放电的NMOS管的栅极还依次通过两个反相器与信号比较单元连接。
示例性的，如图2所示，用于放电的NMOS管M2的栅极与信号比较单元连接，用于放电的NMOS管M2的漏极通过限流电阻R1分别连接电源控制单元、输出电压驱动电路，用于放电的NMOS管M2的源极接地。
在本实施例中，正常工作状态下，
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是比输出电压高△X的电压，/>
Figure SMS_14
是比输出电压低△X的电压，△X电压可调，信号比较单元的输出为低，信号比较单元控制的下拉管M2即用于放电的NMOS管M2关断，高速时钟关断，时钟未送至输出电压驱动电路，输出电压驱动电路不对电容C1充电，电容C1上的电压稳定，输出电压是稳定态。
当负载电阻
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电压时，比较器U2输出为0，驱动管M2关闭，M1的gate电压处于一个稳态，LDO输出处于一个稳定状态。
在一个实施例中，参考说明书附图2，本发明提供的充放电电路还包括：
充放电电容，一端分别接调节控制电路、输出电压驱动电路，另一端接地。
示例性的，如图2所示，充放电电容C1的第一端与调节控制电路连接，充放电电容C1的第一端还与驱动NMOS管M1连接，另一端接地。
在一个实施例中，参考说明书附图2，本发明提供的电压输出单元包括：
输出电压驱动电路，其输入端接电源控制单元输出的第一电压，其输出端向信号比较单元输出的第二电压。
调节控制电路，其一端接信号比较单元输出的调节控制信号，其另一端接电源控制单元输出的第一电压，其另一端还接输出电压驱动电路的输入端；用于调节电源控制单元向输出电压驱动电路输入的第一电压大小。
在一个实施例中，参考说明书附图2，本发明提供的输出电压驱动电路包括：
驱动NMOS管，其栅极分别接调节控制电路、充放电电路；其漏极接工作电压；其源极分别接负载电阻、信号比较单元。
在本实施例中，电压输出单元能够抑制电源电压对输出稳定电压的干扰，因为驱动管为NMOS管，NMOS管的输出电压由VGS决定，电源电压波动不影响NMOS管的VGS变化。
示例性的，如图2所示，驱动NMOS管M1的栅极连接调节控制电路和充放电电路。
驱动NMOS管M1的漏极连接工作电压，所述工作电压为供电电压V0。
驱动NMOS管M1的源极分别连接负载电阻
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以及信号比较单元。
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在一个实施例中，参考说明书附图2，本发明提供的信号比较单元包括：
第一比较器，其正输入端接第一基准电压，其负输入端接电压输出单元输出的第二电压，其输出端向电源控制单元输出启动信号；
第二比较器，其正输入端接电压输出单元输出的第二电压，其负输入端第二基准电压，其输出端向电压输出单元输出调节控制信号。
在一个实施例中，本发明提供的一种线性稳压电路系统的控制方法，包括：
在电路控制单元接收到启动信号或调节控制信号后，输出不同大小的第一电压；
电压输出单元接收到所述电路控制单元输出的第一电压后，调控供电电压在通过所述电压输出单元后向不同大小负载电阻输出稳定的第二电压；当所述负载电阻发生改变时，所述第二电压会发生改变；
信号比较单元接收并比较所述电压输出单元输出的第二电压与第一/第二基准电压之间的大小；所述第一基准电压小于第二基准电压；
当所述第二电压低于第一基准电压时，所述信号比较单元向所述电源控制单元输出启动信号；
当所述第二电压高于第二基准电压时，所述信号比较单元向所述电压输出单元输出调节控制信号；以调节所述电压输出单元输出稳定的第二电压。
在一个实施例中，参考说明书附图2，本发明提供的一种线性稳压电路系统的控制方法，还包括：
在所述电源控制单元中的充放电控制电路接收到所述信号比较单元输出的所述启动信号时，对所述电源控制单元中的充放电电路进行充电，并输出所述第二电压。
在所述电源控制单元中的充放电控制电路接收到所述信号比较单元输出的所述调节控制信号时，对所述电源控制单元中的充放电电路进行放电，并输出所述第二电压。
示例性的，当电源控制单元向电压输出单元输出第一电压时，对充放电电路进行充电。
当第二电压大于第一基准电压、且小于第二基准电压时，信号比较单元停止向电源控制单元输出启动信号后，对充放电电路进行放电，以供输出第二电压。
本专利介绍一种新型LDO电路设计，正常工作状态下，
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减小至图4中的虚线位置时，输出波动也会减小至图4中虚线位置。
在本实施例中，本线性稳压电路系统能够适用于不同负载电阻的场景，自主的调节输出稳态的电压。
另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可能集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种线性稳压电路系统，其特征在于，包括：
电源控制单元，用于接收到启动信号或调节控制信号后输出不同大小的第一电压；
电压输出单元，与所述电源控制单元连接，用于根据接收到的所述电源控制单元输出的第一电压，调控供电电压在通过所述电压输出单元后向不同大小负载电阻输出稳定的第二电压；当所述负载电阻发生改变时，所述第二电压会发生改变；
信号比较单元，分别与所述电源控制单元、电压输出单元连接，一输入端输入第一/第二基准电压，另一输入端输入所述电压输出单元输出的第二电压；所述第一基准电压小于第二基准电压；
当所述第二电压低于第一基准电压时，所述信号比较单元向所述电源控制单元输出启动信号；
当所述第二电压高于第二基准电压时，所述信号比较单元向所述电压输出单元输出调节控制信号；以调节所述电压输出单元输出稳定的第二电压。
2.根据权利要求1所述的一种线性稳压电路系统，其特征在于，所述电源控制单元包括：
相互连接的充放电控制电路和充放电电路，所述充放电控制电路还与所述信号比较单元连接，所述充放电电路还与所述电压输出单元连接；
在所述充放电控制电路接收到所述信号比较单元输出的所述启动信号时，对所述充放电电路进行充电，并输出所述第二电压；
在所述充放电控制电路接收到所述信号比较单元输出的所述调节控制信号时，对所述充放电电路进行放电，并输出所述第二电压。
3.根据权利要求1所述的一种线性稳压电路系统，其特征在于，电压输出单元包括：
输出电压驱动电路，其输入端接电源控制单元输出的第一电压，其输出端向信号比较单元输出的第二电压；
调节控制电路，其一端接信号比较单元输出的调节控制信号，其另一端接电源控制单元输出的第一电压，其另一端还接输出电压驱动电路的输入端；用于调节电源控制单元向输出电压驱动电路输入的第一电压大小。
4.根据权利要求3所述的一种线性稳压电路系统，其特征在于，所述输出电压驱动电路还包括：
驱动NMOS管，其栅极分别接调节控制电路、充放电电路；其漏极接工作电压；其源极分别接所述负载电阻、信号比较单元。
5.根据权利要求2所述的一种线性稳压电路系统，其特征在于，所述充放电控制电路还包括：
时钟子电路，与所述信号比较单元连接，在接收到所述信号比较单元输出的所述启动信号后，输出驱动信号；
电荷泵，与所述时钟子电路连接，在接收到所述时钟子电路输出的所述驱动信号后，输出电压。
6.根据权利要求5所述的一种线性稳压电路系统，其特征在于，所述电荷泵，包括：
信号接收模块，接收所述时钟子电路输出的所述驱动信号；
电压调节模块，与所述信号接收模块连接，在所述驱动信号的控制下，调节最高输出电压。
7.根据权利要求3所述的一种线性稳压电路系统，其特征在于，所述调节控制电路，包括：
用于放电的NMOS管，其栅极接所述信号比较单元；其漏极通过限流电阻分别接电源控制单元、所述输出电压驱动电路；其源极接地。
8.根据权利要求2所述的一种线性稳压电路系统，其特征在于，所述充放电电路还包括：
充放电电容，一端分别接调节控制电路、输出电压驱动电路，另一端接地。
9.根据权利要求1~8中任意一项所述的一种线性稳压电路系统，其特征在于，所述信号比较单元包括：
第一比较器，其正输入端接第一基准电压，其负输入端接所述电压输出单元输出的第二电压，其输出端向所述电路控制单元输出启动信号；
第二比较器，其正输入端接所述电压输出单元输出的第二电压，其负输入端第二基准电压，其输出端向所述电压输出单元输出调节控制信号。
10.一种线性稳压电路系统的控制方法，其特征在于，包括：
在电路控制单元接收到启动信号或调节控制信号后，输出不同大小的第一电压；
电压输出单元接收到所述电路控制单元输出的第一电压后，调控供电电压在通过所述电压输出单元后向不同大小负载电阻输出稳定的第二电压；当所述负载电阻发生改变时，所述第二电压会发生改变；
信号比较单元接收并比较所述电压输出单元输出的第二电压与第一/第二基准电压之间的大小；所述第一基准电压小于第二基准电压；
当所述第二电压低于第一基准电压时，所述信号比较单元向电源控制单元输出启动信号；
当所述第二电压高于第二基准电压时，所述信号比较单元向所述电压输出单元输出调节控制信号；以调节所述电压输出单元输出稳定的第二电压。
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