CN214846431U - 适用于低压差线性稳压器的软启动系统 - Google Patents

适用于低压差线性稳压器的软启动系统 Download PDF

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吴俊�
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Abstract

本实用新型揭示了一种适用于低压差线性稳压器的软启动系统，所述软启动系统包括：斜坡电压产生模块，用以产生缓慢斜坡上升的斜坡电压Vramp；电压选择模块，用以选择斜坡电压Vramp或Vref中的最小值Vmin，并输出；电压钳位模块，用以在电源上电的初始阶段，暂时地钳位比较模块的输出电压，通过buffer级限制功率级的输入电压，进而抑制尖峰电流；比较模块，用以比较最小值Vmin和反馈电压Vfb，根据比较结果调整功率级的电流；缓冲级模块，用以提供低阻抗的输出电压Vg_power。本实用新型可减小启动过程的平均电流，同时抑制功率管上出现的短时间尖峰电流，保护LDO及其负载电路，免受尖峰电流带来的电磁干扰问题，同时减小电路烧毁的风险。

Description

适用于低压差线性稳压器的软启动系统
技术领域
本实用新型属于电子电路技术领域，涉及一种线性稳压器，尤其涉及一种适用于低压差线性稳压器的软启动系统。
背景技术
低压差线性稳压器(LDO,Low Dropout Regulation)因其低噪声、低成本和电路结构简单等优点而广泛应用于可移动电子设备、物联网领域。传统结构的LDO在输出端有一个微法拉量级的片外电容，以帮助环路稳定，同时提供良好的负载瞬态特性。
具有片外电容的LDO在启动过程中，如果不做专门的处理，其功率管上会出现很大的尖峰电流，由此带来烧坏芯片的风险。在中国专利CN104331112A中，提出了一种软启动电路，原理框图如图1所示。该电路主要通过控制LDO的参考电压缓慢上升，增大LDO的启动时间，达到减小功率管的平均电流的目的。
然而实际应用中，误差放大器(EA,ErrorAmplifier)的输出端通常先接一个缓冲级(Buffer)，再接功率级(Power stage)电路，如图2所示。Buffer电路具有很小的输入电容，该电容与EA输出端的阻抗构成高频极点，能够优化LDO的环路稳定性，提高环路单位增益带宽(GBW)。由于电路结构特性，在电源上电的起始阶段，MOS管203和204的栅极电压Vbn比207和208的栅极电压Vg_p上升得更早。
因此，在启动刚开始的很短时间内晶体管204的漏极电流比晶体管208的漏极电流更大，从buffer的输入电容上抽取电流。由于buffer的输入电容很小，buffer的输入端电压则出现短时间的下降。通常会使用PMOS晶体管作为功率级，而buffer输入端电压的下降，传递到功率级，导致功率管PMOS的栅极电压降低，就产生了短时间的大电流I_peak，波形示意如图3所示。图1中的电路只解决了启动过程中平均电流过大的问题，并不能解决尖峰电流的问题。
有鉴于此，如今迫切需要设计一种新的启动方式，以便克服现有启动方式存在的上述至少部分缺陷。
实用新型内容
本实用新型提供一种适用于低压差线性稳压器的软启动系统，可减小启动过程的平均电流，同时抑制功率管上出现的短时间尖峰电流，保护LDO及其负载电路，免受尖峰电流带来的电磁干扰问题，同时减小电路烧毁的风险。
为解决上述技术问题，根据本实用新型的一个方面，采用如下技术方案：
一种适用于低压差线性稳压器的软启动系统，所述软启动系统包括：
斜坡电压产生模块，用以产生缓慢斜坡上升的斜坡电压Vramp；
电压选择模块，其输入端连接所述斜坡电压产生模块的输出端，用以选择斜坡电压Vramp或基准参考电压Vref中的最小值Vmin，并输出；
电压钳位模块，用以在电源上电的初始阶段，暂时地钳位比较模块的输出电压，通过buffer级限制功率级的输入电压，进而抑制尖峰电流；
比较模块，其输入端分别连接所述电压选择模块的输出端、电压钳位模块的输出端及通过检测稳压器输出端电压而产生的反馈电压Vfb，用以比较最小值Vmin和反馈电压Vfb，根据比较结果调整功率级的电流；
缓冲级模块，其输入端连接所述比较模块的输出端，用以提供低阻抗的输出电压Vg_power。
作为本实用新型的一种实施方式，所述斜坡电压产生模块包括电流源、第一电流镜和第一电容；所述第一电流镜包括第四晶体管、第五晶体管；
所述第四晶体管的源极连接所述第五晶体管的源极，第四晶体管的漏极分别连接第四晶体管的栅极、第五晶体管的栅极、电流源的输入端；
所述第五晶体管的漏极连接第一电容的第一端，所述第一电容的第二端接地，所述电流源的输出端接地；
斜坡电压Vramp的爬坡速度由第一电容的电容值C1和充电电流IC1决定；Vramp与充电时间t的关系为：
Figure BDA0003065106100000021
当Vramp与基准参考电压Vref相等时，LDO的输出电压到达设定值，LDO的启动过程结束。因此LDO的启动时间tst为：
Figure BDA0003065106100000022
记LDO的输出电压为Vout，LDO的负载电容为Cload，则LDO输出建立的过程中，功率管的平均电流Iavg为：
Figure BDA0003065106100000023
作为本实用新型的一种实施方式，所述电压选择模块包括第一晶体管和第二晶体管；
所述电压选择模块为最小选择电路，所述电压选择模块的输出电压将作为比较模块的输入；所述电压选择模块独立于所述比较模块，或者，所述电压选择模块作为一个组成部分而嵌入于比较模块之中。
作为本实用新型的一种实施方式，所述电压钳位模块包括电流源、开关、晶体管；所述晶体管的漏极连接晶体管的栅极、开关的第一端，开关的第二端连接电流源的输入端，电流源的输出端连接单脉冲信号V_pulse；
单脉冲信号V_pulse的起点是LDO电路的EN信号，脉冲宽度tw根据EA的电流和器件参数而调整，保证当V_pulse信号消失时，EA中晶体管的栅极电压Vg_p已达到稳定值；
钳位电压输出与EA的输出Vout_EA相接；设置电流源的电流远大于EA中晶体管208的直流电流，则当V_pulse为高电压时Vout_EA的值主要由电压钳位模块决定；
V_pulse为高电压时，功率级的电流记为Ivpulse；
为了抑制尖峰电流的产生，有如下关系式：
Ivpulse>Iavg
为了防止电压钳位模块引入额外的LDO输出电压过冲，还需要满足另外一个关系式：
Figure BDA0003065106100000031
作为本实用新型的一种实施方式，所述比较模块包括误差放大器EA；所述误差放大器EA具有三个输入端，三个输入端包括第三晶体管、第一晶体管和第二晶体管；
通过第一晶体管和第二晶体管选出基准参考电压Vref和Vramp的最小值Vmin；所述误差放大器EA比较Vmin和Vfb的大小，将比较结果输出给buffer级。
作为本实用新型的一种实施方式，所述缓冲级模块包括PMOS晶体管、电流源；所述电流源的输出端连接PMOS晶体管的源极；所述PMOS晶体管为源极跟随器，电流源702给PMOS提供直流偏置。
作为本实用新型的一种实施方式，启动过程包括三个阶段；
第一阶段：t0到t1；电压钳位电路作用阶段，此阶段LDO功率管上的电流由钳位电路决定，为I_vpulse；斜坡电压产生电路也是在t0时刻上电，斜坡电压Vramp开始慢慢爬升；电路设计使得Vramp的上升速率小于反馈电压Vfb的上升速率；
第二阶段：t1到t2时间段；t1时刻电压钳位电路的V_pulse从高变低，此时钳位电路不再影响LDO环路，电压选择电路使得Vramp替代基准参考电压Vref而作用于环路；由于此刻Vramp小于Vfb，所以环路会调整功率管的栅极电压Vg_power，使功率管关断，输出电压Vout和反馈电压Vfb停止上升；但是Vramp还是继续上升；一直到t2时刻，Vramp追上Vfb；
第三阶段：从t2到t3；在此阶段LDO环路起作用，根据Vramp的值调整功率管电流，该阶段电流由Vramp的上升速率决定，为I_avg；在t3时刻，Vramp到达基准参考电压Vref，此刻之后电压选择电路使得LDO环路受到基准参考电压Vref的控制，LDO的输出电压到达稳定值。t3时刻之后，Vramp继续爬升，直到电源电压。
本实用新型的有益效果在于：本实用新型提出的适用于低压差线性稳压器的软启动系统及控制方法，可减小启动过程的平均电流，同时抑制功率管上出现的短时间尖峰电流，保护LDO及其负载电路，免受尖峰电流带来的电磁干扰问题，同时减小电路烧毁的风险。
附图说明
图1现有LDO软启动系统的组成示意图。
图2具有软启动功能的典型LDO电路的电路示意图。
图3现有尖峰电流产生机制的示意图。
图4本实用新型一实施例中LDO软启动系统的组成示意图。
图5本实用新型一实施例中斜坡电压产生电路的电路示意图。
图6本实用新型实施例中电压钳位电路的电路示意图。
图7本实用新型实施例中缓冲级电路的电路示意图。
图8本实用新型实施例中LDO启动过程中关键节点的波形示意图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本实用新型的优选实施例。
为了进一步理解本实用新型，下面结合实施例对本实用新型优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本实用新型的特征和优点，而不是对本实用新型权利要求的限制。
该部分的描述只针对几个典型的实施例，本实用新型并不仅局限于实施例描述的范围。相同或相近的现有技术手段与实施例中的一些技术特征进行相互替换也在本实用新型描述和保护的范围内。
说明书中各个实施例中的步骤的表述只是为了方便说明，本申请的实现方式不受步骤实现的顺序限制。
说明书中的“连接”既包含直接连接，也包含间接连接，如通过一些有源器件、无源器件或电传导媒介进行的连接；还可包括本领域技术人员公知的在可实现相同或相似功能目的的基础上通过其他有源器件或无源器件的连接，如通过开关、跟随电路等电路或部件的连接。
本实用新型揭示了一种适用于低压差线性稳压器的软启动系统，图4本实用新型一实施例中LDO软启动系统的组成示意图；请参阅图4，所述软启动系统包括：斜坡电压产生模块1、电压选择模块2、电压钳位模块3、比较模块4及缓冲级模块5。
所述斜坡电压产生模块1用以产生缓慢斜坡上升的斜坡电压Vramp。
所述电压选择模块2的输入端连接所述斜坡电压产生模块1的输出端，用以选择斜坡电压Vramp或基准参考电压Vref中的最小值Vmin，并输出。
所述电压钳位模块3用以在电源上电的初始阶段，暂时地钳位比较模块的输出电压，通过buffer级限制功率级的输入电压，进而抑制尖峰电流。
所述比较模块4的输入端分别连接所述电压选择模块2的输出端、电压钳位模块3的输出端及通过检测稳压器输出端电压而产生的反馈电压Vfb，用以比较最小值Vmin和反馈电压Vfb，根据比较结果调整功率级的电流。
所述缓冲级模块5的输入端连接所述比较模块4的输出端，用以提供低阻抗的输出电压Vg_power。
图5本实用新型一实施例中斜坡电压产生电路的电路示意图；请参阅图5，在本实用新型的一实施例中，所述斜坡电压产生模块包括电流源501、第一电流镜和第一电容504；第一电流镜包括第四晶体管502、第五晶体管503。
所述第四晶体管502的源极连接所述第五晶体管503的源极，第四晶体管502的漏极分别连接第四晶体管502的栅极、第五晶体管503的栅极、电流源501的输入端。
所述第五晶体管503的漏极连接第一电容的第一端，所述第一电容504的第二端接地，所述电流源501的输出端接地。
斜坡电压Vramp的爬坡速度由第一电容的电容值C1和充电电流IC1决定；Vramp与充电时间t的关系为：
Figure BDA0003065106100000051
当Vramp与Vref相等时，LDO的输出电压到达设定值，LDO的启动过程结束。因此LDO的启动时间tst为：
Figure BDA0003065106100000052
记LDO的输出电压为Vout，LDO的负载电容为Cload，则LDO输出建立的过程中，功率管的平均电流Iavg为：
Figure BDA0003065106100000061
请参阅图2，在本实用新型的一实施例中，所述电压选择模块包括第一晶体管202和第二晶体管209。所述电压选择模块为最小选择电路，所述电压选择模块的输出电压将作为比较模块的输入；所述电压选择模块独立于所述比较模块，或者，所述电压选择模块作为一个组成部分而嵌入于比较模块之中。
图6本实用新型实施例中电压钳位电路的电路示意图；请参阅图6，在本实用新型的一实施例中，所述电压钳位模块包括电流源601、开关602、晶体管603；所述晶体管603的漏极连接晶体管603的栅极、开关602的第一端，开关602的第二端连接电流源601的输入端，电流源601的输出端连接单脉冲信号V_pulse。
单脉冲信号V_pulse的起点是LDO电路的EN信号，脉冲宽度tw根据EA的电流和器件参数而调整，保证当V_pulse信号消失时，EA中晶体管208的栅极电压Vg_p已达到稳定值。
钳位电压输出与EA的输出Vout_EA相接；设置电流源601的电流远大于EA中晶体管208的直流电流，则当V_pulse为高电压时Vout_EA的值主要由电压钳位模块决定。
V_pulse为高电压时，功率级的电流记为Ivpulse；
为了抑制尖峰电流的产生，有如下关系式：
Ivpulse>Iavg
为了防止电压钳位模块引入额外的LDO输出电压过冲，还需要满足另外一个关系式：
Figure BDA0003065106100000062
请参阅图2，在本实用新型的一实施例中，所述比较模块包括误差放大器EA；所述误差放大器EA具有三个输入端，三个输入端包括第三晶体管201、第一晶体管202和第二晶体管209。通过第一晶体管202和第二晶体管209选出Vref和Vramp的最小值Vmin；所述误差放大器EA比较Vmin和Vfb的大小，将比较结果输出给buffer级。
图7本实用新型实施例中缓冲级电路的电路示意图；请参阅图7，在本实用新型的一实施例中，所述缓冲级模块包括PMOS晶体管701、电流源702；所述电流源702的输出端连接PMOS晶体管701的源极；所述PMOS晶体管701为源极跟随器，电流源702给PMOS提供直流偏置。
图8本实用新型实施例中LDO启动过程中关键节点的波形示意图；请参阅图8，在本实用新型的一实施例中，启动过程包括三个阶段；
第一阶段：t0到t1；电压钳位电路作用阶段，此阶段LDO功率管上的电流由钳位电路决定，为I_vpulse；斜坡电压产生电路也是在t0时刻上电，斜坡电压Vramp开始慢慢爬升；电路设计使得Vramp的上升速率小于反馈电压Vfb的上升速率；
第二阶段：t1到t2时间段；t1时刻电压钳位电路的V_pulse从高变低，此时钳位电路不再影响LDO环路，电压选择电路使得Vramp替代Vref而作用于环路；由于此刻Vramp小于Vfb，所以环路会调整功率管的栅极电压Vg_power，使功率管关断，输出电压Vout和反馈电压Vfb停止上升；但是Vramp还是继续上升；一直到t2时刻，Vramp追上Vfb；
第三阶段：从t2到t3；在此阶段LDO环路起作用，根据Vramp的值调整功率管电流，该阶段电流由Vramp的上升速率决定，为I_avg；在t3时刻，Vramp到达Vref，此刻之后电压选择电路使得LDO环路受到参考电压Vref的控制，LDO的输出电压到达稳定值。t3时刻之后，Vramp继续爬升，直到电源电压。
本实用新型还揭示一种适用于低压差线性稳压器的软启动控制方法，所述软启动控制方法包括：
产生缓慢斜坡上升的斜坡电压Vramp；
选择斜坡电压Vramp或Vref中的最小值Vmin，并输出；
在电源上电的初始阶段，暂时地钳位比较模块的输出电压，通过buffer级限制功率级的输入电压，进而抑制尖峰电流；
比较模块比较最小值Vmin和反馈电压Vfb，根据比较结果调整功率级的电流；
根据比较模块的输出提供低阻抗的输出电压Vg_power。
在本实用新型的一实施例中，所述软启动控制方法包括：
在第一阶段：t0到t1；电压钳位电路作用阶段，此阶段LDO功率管上的电流由钳位电路决定，为I_vpulse；斜坡电压产生电路也是在t0时刻上电，斜坡电压Vramp开始慢慢爬升；电路设计使得Vramp的上升速率小于反馈电压Vfb的上升速率；
在第二阶段：t1到t2时间段；t1时刻电压钳位电路的V_pulse从高变低，此时钳位电路不再影响LDO环路，电压选择电路使得Vramp替代Vref而作用于环路；由于此刻Vramp小于Vfb，所以环路会调整功率管的栅极电压Vg_power，使功率管关断，输出电压Vout和反馈电压Vfb停止上升；但是Vramp还是继续上升；一直到t2时刻，Vramp追上Vfb；
在第三阶段：从t2到t3；在此阶段LDO环路起作用，根据Vramp的值调整功率管电流，该阶段电流由Vramp的上升速率决定，为I_avg；在t3时刻，Vramp到达Vref，此刻之后电压选择电路使得LDO环路受到参考电压Vref的控制，LDO的输出电压到达稳定值。t3时刻之后，Vramp继续爬升，直到电源电压。
综上所述，本实用新型提出的适用于低压差线性稳压器的软启动系统及控制方法，可减小启动过程的平均电流，同时抑制功率管上出现的短时间尖峰电流，保护LDO及其负载电路，免受尖峰电流带来的电磁干扰问题，同时减小电路烧毁的风险。
需要注意的是，本申请可在软件和/或软件与硬件的组合体中被实施；例如，可采用专用集成电路(ASIC)、通用目的计算机或任何其他类似硬件设备来实现。在一些实施例中，本申请的软件程序可以通过处理器执行以实现上文步骤或功能。同样地，本申请的软件程序(包括相关的数据结构)可以被存储到计算机可读记录介质中；例如，RAM存储器，磁或光驱动器或软磁盘及类似设备。另外，本申请的一些步骤或功能可采用硬件来实现；例如，作为与处理器配合从而执行各个步骤或功能的电路。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
这里本实用新型的描述和应用是说明性的，并非想将本实用新型的范围限制在上述实施例中。实施例中所涉及的效果或优点可因多种因素干扰而可能不能在实施例中体现，对于效果或优点的描述不用于对实施例进行限制。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本实用新型的精神或本质特征的情况下，本实用新型可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本实用新型范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。

Claims (6)

1.一种适用于低压差线性稳压器的软启动系统，其特征在于，所述软启动系统包括：
斜坡电压产生模块，用以产生缓慢斜坡上升的斜坡电压Vramp；
电压选择模块，其输入端连接所述斜坡电压产生模块的输出端，用以选择斜坡电压Vramp与基准参考电压Vref中的最小值Vmin，并输出；
电压钳位模块，用以在电源上电的初始阶段，暂时地钳位比较模块的输出电压，通过buffer级限制功率级的输入电压，进而抑制尖峰电流；
比较模块，其输入端分别连接所述电压选择模块的输出端、电压钳位模块的输出端及通过检测稳压器输出端电压而产生的反馈电压Vfb，用以比较最小值Vmin和反馈电压Vfb，根据比较结果调整功率级的电流；
缓冲级模块，其输入端连接所述比较模块的输出端，用以提供低阻抗的输出电压Vg_power。
2.根据权利要求1所述的适用于低压差线性稳压器的软启动系统，其特征在于：
所述斜坡电压产生模块包括第一电流源、第一电流镜和第一电容；所述第一电流镜包括第四晶体管、第五晶体管；
所述第四晶体管的源极连接所述第五晶体管的源极，第四晶体管的漏极分别连接第四晶体管的栅极、第五晶体管的栅极、电流源的输入端；
所述第五晶体管的漏极连接第一电容的第一端，所述第一电容的第二端接地，所述第一电流源的输出端接地。
3.根据权利要求1所述的适用于低压差线性稳压器的软启动系统，其特征在于：
所述电压选择模块包括第一晶体管和第二晶体管；
所述电压选择模块为最小选择电路，所述电压选择模块的输出电压将作为比较模块的输入；所述电压选择模块独立于所述比较模块，或者，所述电压选择模块作为一个组成部分而嵌入于比较模块之中。
4.根据权利要求1所述的适用于低压差线性稳压器的软启动系统，其特征在于：
所述电压钳位模块包括第二电流源、开关、第三晶体管；所述第三晶体管的漏极连接第三晶体管的栅极、开关的第一端，开关的第二端连接第二电流源的输入端，第二电流源的输出端连接单脉冲信号V_pulse；
所述单脉冲信号V_pulse的起点是LDO电路的EN信号；钳位电压输出与EA的输出Vout_EA相接。
5.根据权利要求1所述的适用于低压差线性稳压器的软启动系统，其特征在于：
所述比较模块包括误差放大器EA；所述误差放大器EA具有三个输入端，三个输入端包括第八晶体管、第六晶体管和第七晶体管；所述误差放大器EA比较Vmin和Vfb的大小，将比较结果输出给buffer级。
6.根据权利要求1所述的适用于低压差线性稳压器的软启动系统，其特征在于：
所述缓冲级模块包括PMOS晶体管、第三电流源；所述第三电流源的输出端连接PMOS晶体管的源极；所述PMOS晶体管为源极跟随器，第三电流源给PMOS提供直流偏置。
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