CN210323931U

CN210323931U - 一种用于mcu的宽电压输入无电容ldo电路

Info

Publication number: CN210323931U
Application number: CN201921159859.1U
Authority: CN
Inventors: 常成星; 冯旭; 丁晓兵; 胡锦通; 冯朝斌
Original assignee: Shanghai Chipon Micro Electronic Technology Co ltd
Current assignee: Shanghai Xinwang Microelectronics Technology Co ltd
Priority date: 2019-07-22
Filing date: 2019-07-22
Publication date: 2020-04-14
Anticipated expiration: 2029-07-22

Abstract

本实用新型涉及集成电路的技术领域，公开了一种用于MCU的宽电压输入无电容LDO电路，包括第一负反馈环路，所述第一负反馈环路的前馈部通过电源切换模块与MCU供电电压相连，通过NMOS场效应管M1与LDO电路的输出端相连，其反馈部包括第一分压电阻模块，所述电源切换模块用于根据MCU供电电压的大小，控制电荷泵的开启和关闭，从而切换不同的电源为第一负反馈环路的前馈部提供电压，进而保证MCU供电电压在工作电压范围内变化时，NMOS场效应管M1始终导通，LDO电路的输出始终存在。本实用新型的电路结构紧凑，控制方便，便于普及和推广。

Description

一种用于MCU的宽电压输入无电容LDO电路

技术领域

本实用新型涉及集成电路的技术领域，特别是一种用于MCU的宽电压输入无电容LDO电路。

背景技术

微处理器MCU是一个复杂的系统，包括ROM，SRAM，SFR，指令运算单元以及各种外设。为了系统稳定可靠地工作，供电电压VDD必须在一定电压范围内，当电压太高时，会损坏电路，而电压太低时，晶体管工作不正常，尤其是ROM，会发生读出错误的现象。

随着MCU封装越来越小，对于管脚数量的精简越来越重要，并且MCU内部的逻辑电路需要一个较低的电压，这就需要内置低压差线性稳压器LDO来实现，为了不占用管脚资源，这个LDO会设计成capless形式。然而，作为带有很多模拟功能的单片机来说，模拟电路和IO电路的工作电压由于需要对接其它电路，工作电压范围有着宽范围的需求，并且在一些低功耗应用中，模拟电路和IO电路的供电可能会比较低，这样，LDO的输入电压就有可能变得很低，有时甚至与内部逻辑电路需求的最低电压很接近。由于传统的LDO结构无法做到很低的压差输出Dropout，或者零压差输出Dropout，这就要求LDO必须重新考虑设计方法。

实用新型内容

本实用新型提供一种用于MCU的宽电压输入无电容LDO电路，解决了现有 LDO无法做到很低的压差输出Dropout等问题。

本实用新型可以通过以下技术方案实现：

一种用于MCU的宽电压输入无电容LDO电路，包括第一负反馈环路，所述第一负反馈环路的前馈部通过电源切换模块与MCU供电电压相连，通过NMOS场效应管M1与LDO电路的输出端相连，其反馈部包括第一分压电阻模块，所述电源切换模块用于根据MCU供电电压的大小，控制电荷泵的开启和关闭，从而切换不同的电源为第一负反馈环路的前馈部提供电压，进而保证MCU供电电压在工作电压范围内变化时，NMOS场效应管M1始终导通，LDO电路的输出始终存在。

进一步，所述第一负反馈环路的前馈部包括依次相连的误差放大器第一级、误差放大器第二级和NMOS场效应管M0，所述误差放大器第一级的正向端与基准电压模块相连，反向端与第一分压电阻模块相连，所述NMOS场效应管M0和NMOS 场效应管M1的栅极均与误差放大器第二级的输出端相连，还与栅极滤波电容C0 相连，所述NMOS场效应管M0的源极与第一分压电阻模块相连，漏极和NMOS场效应管M1的漏极均与MCU供电电压相连，所述NMOS场效应管M1的源极与LDO 电路的输出端相连，所述误差放大器第二级还与电源切换模块相连，

所述电源切换模块包括电荷泵所在的第二负反馈环路，MCU供电电压高于预设值，控制电荷泵关闭，由MCU供电电压供误差放大器第二级正常工作，保证 NMOS场效应管M0、M1始终导通；所述MCU供电电压低于预设值，控制电荷泵反复开启和关闭，由第二负反馈环路的输出电压供误差放大器第二级正常工作，保证NMOS场效应管M0、M1始终导通。

进一步，所述电荷泵的使能端与比较器的输出端相连，所述比较器的正向端与第二分压电阻模块相连，反向端与基准电压模块相连，所述第二分压电阻模块还与电荷泵的输出端相连，所述电荷泵的输出端与误差放大器第二级相连、储能电容C1相连、通过PMOS场效应管M2与MCU供电电压相连，所述电荷泵的电源端与MCU供电电压相连。

进一步，所述误差放大器第二级包括PMOS场效应管M4和NMOS场效应管M6，其漏极均与NMOS场效应管M0、NMOS场效应管M1的栅极相连，所述NMOS场效应管M6的栅极与误差放大器第一级的输出端相连，源极接地，所述PMOS场效应管M4的源极与电荷泵的输出端相连、通过PMOS场效应管M2与MCU供电电压相连，栅极与PMOS场效应管M3的栅极相连，所述PMOS场效应管M3的漏极和 NMOS场效应管M5的漏极相连，所述NMOS场效应管M5的栅极与电流源相连，源极接地，所述PMOS场效应管M3的源极与电荷泵的输出端相连、通过PMOS场效应管M2与MCU供电电压相连，其栅极和漏极短接。

进一步，所述PMOS场效应管M2的源极与MCU供电电压相连，其阱电位连接自身的漏极，其栅极与漏极均与电荷泵的输出端相连。

进一步，所述NMOS场效应管M1采用宽长比大的场效应管。

本实用新型有益的技术效果在于：

通过将具有大宽长比的驱动管M1的栅极连接到负反馈环路的内部，而非输出端，使整个LDO电路的输出电压由第一负反馈环路决定，受负载变化影响较小，避免出现振铃效应和很大的过冲或者下冲，保证MCU的稳定运行，借助电源切换模块，根据MCU供电电压VDD的变化，控制电荷泵的开启和关闭，切换不同的电源为第一负反馈环路的前馈部提供电压，确保在VDD较低时，由电荷泵所在的第二负反馈环路来提供负反馈环路中前馈部的工作电压，确保NMOS场效应管M0、M1始终导通，从而使LDO电路的输出电压可以尽可能地靠近所需求的输出电压，如MCU工作电压的最小值，确保MCU可以有较宽的工作电压，同时，利用电源切换模块中的第二负反馈环路，使在VDD较低时，电荷泵处于反复开启和关闭的状态，降低了电荷泵所产生的功耗，从而使整个电路的功耗较小，满足MCU的静态功耗要求，另外，整个电路结构紧凑，实用性强，便于普及和推广。

附图说明

图1为本实用新型的总体电路结构示意图；

图2为本实用新型的工作过程示意图，其中，CPOUT表示电荷泵所在的第二负反馈环路的输出电压；

图3为采用本实用新型LDO电路的输出电压随驱动电流变化与采用传统的 LDO电路的输出电压随驱动电流变化的对比示意图，其中标号A表示传统的LDO 电路，B表示本实用新型的LDO电路。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施例进一步详细说明。

参照附图1，本实用新型提供了一种用于MCU的宽电压输入无电容LDO电路，包括负反馈环路，其前馈部包括依次相连的误差放大器第一级、误差放大器第二级和NMOS场效应管M0，该误差放大器第一级的正向端与基准电压模块相连，反向端与第一分压电阻模块相连，该NMOS场效应管M0和NMOS场效应管M1的栅极均与误差放大器第二级的输出端相连，还与栅极滤波电容C0相连，该NMOS 场效应管M0的源极与第一分压电阻模块相连，漏极和NMOS场效应管M1的漏极均与MCU供电电压相连，该NMOS场效应管M1的源极与LDO电路的输出端相连，该误差放大器第二级还与电源切换模块相连，该电源切换模块包括电荷泵所在的第二负反馈环路，该第一分压电阻模块包括连接在一起的分压电阻R0、R1，其公共节点与误差放大器第一级的反向端相连，分压电阻R0的另一端与NMOS 场效应管M0的源极相连，分压电阻R1的另一端接地。

这样，当MCU供电电压高于预设值时，电源切换模块控制电荷泵关闭，由MCU 供电电压供误差放大器第二级正常工作，保证NMOS场效应管M0、M1始终导通；当MCU供电电压低于预设值时，电源切换模块控制电荷泵反复开启和关闭，由其第二负反馈环路的输出电压供误差放大器第二级正常工作，保证NMOS场效应管M0、M1始终导通。由电源切换模块根据MCU供电电压的大小，控制电荷泵的开启和关闭，从而切换不同的电源为前馈部提供电压，从而保证在MCU供电电压在工作电压范围内变化时，NMOS场效应管M0、M1始终导通，LDO电路的输出始终存在，因此，当MCU供电电压较低时，由电荷泵提供电压，保证NMOS场效应管M0、M1始终导通，使LDO电路仍然可以正常工作，可以实现MCU供电电压与LDO输出电压非常接近时，仍然具有较高的驱动能力，也就是说，具有更宽的输入电压工作范围。

同时，由于LDO输出端连接于负反馈环路的前馈部，而非输出部，当LDO电路的输出负载变化时，几乎不会对负反馈环路稳定性产生任何影响，只需要在选定第一分压电阻模块中的R0、R1条件下实现负反馈环路的稳定性即可，几乎不需要考虑负载变化的其它因素，所以不需要复杂的补偿电路来改善负反馈环路稳定性，在一定程度上降低了设计风险和难度，并且降低了LDO电路的面积。另外，由于内部负反馈环路会把作为驱动管的NMOS场效应管M1的栅极电压钳位在一个固定值上，所以当负载电流变化时，LDO电路的输出端不会出现负载切换纹波，只是输出电压有稍微变化，从0mA驱动到最大驱动20mA下，电压变化只有0.2V，这个变化完全满足MCU运行的需要，并且没有纹波上冲和下冲的干扰，MCU运行会更加稳定。

具体地，该电源切换模块也采用负反馈环路的结构形式，其电荷泵的使能端与比较器的输出端相连，比较器的正向端与第二分压电阻模块相连，反向端与基准电压模块相连，第二分压电阻模块还与电荷泵的输出端相连，电荷泵的输出端与误差放大器第二级相连、储能电容C1相连、通过PMOS场效应管M2与MCU 供电电压相连，电荷泵的电源端与MCU供电电压相连，第二分压电阻模块包括连接在一起的分压电阻R2、R3，其公共节点与比较器的反向端相连，分压电阻 R2的另一端与电荷泵的输出端相连，分压电阻R3的另一端接地，共同组成第二负反馈环路。这样，采用负反馈环路结构形式构建的电源切换模块，可以很好地完成对MCU供电电压的变化判定，及根据判定结果控制电荷泵的开启和关闭，特别是开启时，考虑到电荷泵的功耗问题，其不能够长时间处于开启状态，利用负反馈环路结构可使其处于反复开启和关闭的状态，有利于降低整个LDO电路的功耗，同时还可以使储能电容C1上极板的电压始终维持在预设值附近，为当VDD较低时提供足够的电压确保整个LDO电路的正常工作。

该误差放大器第二级包括PMOS场效应管M4和NMOS场效应管M6，其漏极均与NMOS场效应管M0、NMOS场效应管M1的栅极相连，NMOS场效应管M6的栅极与误差放大器第一级的输出端相连，源极接地，PMOS场效应管M4的源极与电荷泵的输出端相连、通过PMOS场效应管M2与MCU供电电压相连，栅极与PMOS场效应管M3的栅极相连，PMOS场效应管M3的漏极和NMOS场效应管M5的漏极相连，NMOS场效应管M5的栅极与电流源相连，源极接地，PMOS场效应管M3的源极与电荷泵的输出端相连、通过PMOS场效应管M2与MCU供电电压相连，其栅极和漏极短接。PMOS场效应管M2的源极与MCU供电电压相连，其栅极与漏极均与电荷泵的输出端相连，其阱电位连接自身的漏极，防止电荷泵的输出电压倒灌MCU供电电压VDD。

如图2所示，其工作过程如下：

对于电源切换模块来说，由比较器、第二分压电阻模块、电荷泵、基准电压模块组成的第二负反馈环路，根据负反馈环路的运算规则，第二负反馈环路的输出电压为

该电荷泵采用可以进行两倍升压放大的结构。

当MCU供电电压VDD高于预设值

时，由MCU供电电压VDD、PMOS 场效应管M2、分压电阻R2、R3所在的回路，会使比较器的正向端电压高于反向端电压，比较器输出高电平，电荷泵关闭，此时，由场效应管M2～M6和MCU 供电电压VDD组成的误差放大器第二级、误差放大器第一级、场效应管M0和栅极滤波电容C0、第一分压模块R0、R1组成与第一负反馈环路，要想确保此时的第一负反馈环路正常工作，MCU供电电压VDD需高于LDOOUT+V_GS-M0+V_DS-M4+V_GS-M2，其中LDOOUT可由负反馈环路的运算规则推导而得，

因此，只需通过设置分压电阻R2、R3的阻值，使

大于 LDOOUT+V_GS-M0+V_DS-M4+V_GS-M2，也就是说此时的VDD肯定大于 LDOOUT+V_GS-M0+V_DS-M4+V_GS-M2完成可以满足电路工作的要求，保证NMOS场效应管M0、 M1始终导通，LDO电路的正常工作。另外，如图2所示，考虑到MCU供电电压和第二负反馈环路的输出端之间设置有PMOS场效应管M2，因此，MCU供电电压VDD高于预设值

和PMOS场效应管M2的阈值电压之和时，电荷泵才会关闭。

而当MCU供电电压VDD低于

时，由MCU供电电压VDD、PMOS场效应管M2、分压电阻R2、R3所在的回路，会使比较器的正向端电压低于反向端电压，比较器输出低电平，电荷泵开启，此时由第二负反馈环路的输出电压代替 MCU供电电压VDD为误差放大器第二级供电，由场效应管M3～M6和电荷泵所在第二负反馈环路的输出端组成的误差放大器第二级、误差放大器第一级、场效应管M0和栅极滤波电容C0、第一分压模块R0、R1组成第一负反馈环路。要想确保此时的第一负反馈环路正常工作，电荷泵所在第二负反馈环路的输出电压需高于LDOOUT+V_GS-M0+V_DS-M4，由上文可知，

大于 LDOOUT+V_GS-M0+V_DS-M4+V_GS-M2，而电荷泵所在第二负反馈环路的输出电压为

所以完成可以满足电路工作的要求，保证NMOS场效应管M0、M1始终导通，LDO电路的正常工作。

虽然此时电荷泵的输出电压为两倍的VDD，但是由于电荷泵处于第二负反馈环路中，其实际输出始终为

这样，PMOS场效应管M2的栅极电压为

源极电压为VDD，由于此时的VDD低于

Figure DEST_PATH_GDA00023573012800000610

导致PMOS场效应管M2关断，而此时分压电阻R2上端的电压也为

依然会使得比较器的正向端电压高于反向端电压，比较器输出高电平，电荷泵又关闭，如此反复，为了保证LDO电路的正常工作，需要在电荷泵的输出端连接储能电容C1，这样，当电荷泵开启输出两倍的VDD时，对其充电，关闭时，由储能电容C1 对误差放大器第二级供电，从而保证整个LDO电路的正常工作。同时，由于电荷泵的运作功耗较大，整个LDO电路很难达到MCU静电功耗的要求，因此，反复开启和关闭电荷泵可以降低功耗，从而有助于使整个LDO电路达到MCU 静电功耗的要求。另外，该电荷泵实质上为升压电路结构，其他可以适用的升压电路都应用到本实用新型当中。本实用新型的LDO电路集成于MCU芯片内部，其内部电流为uA级电流，所需的电容基本为几十pF即可，因此，不会占用MCU芯片的引脚，扩大了MCU芯片的使用范围。

一般来说，LDO电路都要使用一个大电容来稳压，以保持在负载跳变时，LDO 电路的输出保持不变。而本实用新型使用内部的负反馈环路来实现调整输出电压，可以使驱动管M1的栅极电压保持不变，因此，无需外接大电容来稳压。

根据场效应管的特征，NMOS场效应管M1的电流表达式为：

即

其中，μ_n表示NMOS的沟道迁移率，C_ox表示单位面积的栅氧化层电容，W_M1表示NMOS场效应MOS管M1的栅宽，L_M1表示表示NMOS场效应MOS管M1的沟道长度，V_THN表示NMOS管的阈值电压，LDOOUT表示LDO电路的输出电压，V_EA2表示误差放大器第二级的输出电压。

根据上文所述，不管VDD足不足够高，误差放大器第二级都能够提供一个合适的栅极电压给NMOS场效应管M0、M1，并且误差放大器第二级的输出处于负反馈环路内，V_EA2为固定值，V_THN是NMOS管的阈值电压，也是固定值，μ_n、C_ox是 NMOS管的特性参数，也是固定值。为了使输出LDOOUT随负载变化小，即当I_M1变化时，要使LDOOUT变化最小，可使NMOS场效应管M1的宽长比做到尽可能大，只要满足负载驱动需求下跳变不要超过一定幅度即可，但要大于NMOS场效应管M0的宽长比，从而使LDOOUT≈V_EA2-V_THN，避免在LDO电路的负载跳变时， NMOS场效应管M1会跟随变化，导致振铃效应和很大的过冲或者下冲，利用本实用新型的LDO电路，在极端情况下零电流和最大驱动电流时，LDOOUT的输出差值小于0.3V，不出现尖脉冲，如图3所示，通常运行时纹波小于0.1V，可以保证MCU稳定运行，所以不需要复杂的补偿电路来改善环路稳定性，在一定程度上降低了设计风险和难度，并且降低了LDO电路的面积。

虽然以上描述了本实用新型的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，在不背离本实用新型的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，因此，本实用新型的保护范围由所附权利要求书限定。

Claims

1.一种用于MCU的宽电压输入无电容LDO电路，其特征在于：包括第一负反馈环路，所述第一负反馈环路的前馈部通过电源切换模块与MCU供电电压相连，通过NMOS场效应管M1与LDO电路的输出端相连，其反馈部包括第一分压电阻模块，所述电源切换模块用于根据MCU供电电压的大小，控制电荷泵的开启和关闭，从而切换不同的电源为第一负反馈环路的前馈部提供电压，进而保证MCU供电电压在工作电压范围内变化时，NMOS场效应管M1始终导通，LDO电路的输出始终存在。

2.根据权利要求1所述的用于MCU的宽电压输入无电容LDO电路，其特征在于：所述第一负反馈环路的前馈部包括依次相连的误差放大器第一级、误差放大器第二级和NMOS场效应管M0，所述误差放大器第一级的正向端与基准电压模块相连，反向端与第一分压电阻模块相连，所述NMOS场效应管M0和NMOS场效应管M1的栅极均与误差放大器第二级的输出端相连，还与栅极滤波电容C0相连，所述NMOS场效应管M0的源极与第一分压电阻模块相连，漏极和NMOS场效应管M1的漏极均与MCU供电电压相连，所述NMOS场效应管M1的源极与LDO电路的输出端相连，所述误差放大器第二级还与电源切换模块相连，

所述电源切换模块包括电荷泵所在的第二负反馈环路，MCU供电电压高于预设值，控制电荷泵关闭，由MCU供电电压供误差放大器第二级正常工作，保证NMOS场效应管M0、M1始终导通；所述MCU供电电压低于预设值，控制电荷泵反复开启和关闭，由第二负反馈环路的输出电压供误差放大器第二级正常工作，保证NMOS场效应管M0、M1始终导通。

3.根据权利要求2所述的用于MCU的宽电压输入无电容LDO电路，其特征在于：所述电荷泵的使能端与比较器的输出端相连，所述比较器的正向端与第二分压电阻模块相连，反向端与基准电压模块相连，所述第二分压电阻模块还与电荷泵的输出端相连，所述电荷泵的输出端与误差放大器第二级相连、储能电容C1相连、通过PMOS场效应管M2与MCU供电电压相连，所述电荷泵的电源端与MCU供电电压相连。

4.根据权利要求3所述的用于MCU的宽电压输入无电容LDO电路，其特征在于：所述误差放大器第二级包括PMOS场效应管M4和NMOS场效应管M6，其漏极均与NMOS场效应管M0、NMOS场效应管M1的栅极相连，所述NMOS场效应管M6的栅极与误差放大器第一级的输出端相连，源极接地，所述PMOS场效应管M4的源极与电荷泵的输出端相连、通过PMOS场效应管M2与MCU供电电压相连，栅极与PMOS场效应管M3的栅极相连，所述PMOS场效应管M3的漏极和NMOS场效应管M5的漏极相连，所述NMOS场效应管M5的栅极与电流源相连，源极接地，所述PMOS场效应管M3的源极与电荷泵的输出端相连、通过PMOS场效应管M2与MCU供电电压相连，其栅极和漏极短接。

5.根据权利要求3所述的用于MCU的宽电压输入无电容LDO电路，其特征在于：所述PMOS场效应管M2的源极与MCU供电电压相连，其阱电位连接自身的漏极，其栅极与漏极均与电荷泵的输出端相连。

6.根据权利要求2所述的用于MCU的宽电压输入无电容LDO电路，其特征在于：所述NMOS场效应管M1采用宽长比大的场效应管。