CN217506424U

CN217506424U - 具有软启动电路的低压差线性稳压器

Info

Publication number: CN217506424U
Application number: CN202221325943.8U
Authority: CN
Inventors: 张旭东; 陈勇刚
Original assignee: Shenzhen Nuoruixin Technology Co ltd
Current assignee: Shenzhen Nuoruixin Technology Co ltd
Priority date: 2022-05-30
Filing date: 2022-05-30
Publication date: 2022-09-27
Anticipated expiration: 2032-05-30

Abstract

本实用新型涉及一种具有软启动电路的低压差线性稳压器，属于模拟电路电源技术领域。该稳圧器包括：一个误差放大器EA，两个输出功率管NM1、NM2，还包括：三个开关S₀、S₁、S₂，三个反相器INV₁、INV₂、INV₃，一个电阻R₀，一个电位器R₁，一个负载电容C_load以及一个延时电容C_delay。本实用新型具有结构简单，不增加额外功耗，性能可靠的特点，且基本没有应用条件限制。

Description

具有软启动电路的低压差线性稳压器

技术领域

本实用新型属于模拟电路电源技术领域，涉及到一种具有软启动电路的低压差线性稳压器(Low Dropout Regulator,LDO)。

背景技术

随着半导体技术的发展，芯片设计越来越小型化、绿色化，芯片核心电路需要更低的供电电压，而常见的锂电池电压在3.3V，就需要一种稳定、可靠的电压转换模块，将3.3V的电池电压降到模拟电路其他模块所需要的1V左右的电压。比较常用的模块是开关电源DC-DC、LDO，其中DC-DC具有较高的转换效率，但是环路带宽小，负载响应速度低，并且由于开关模式，在电压输出端会存在较大的纹波；而LDO可以提供较大环路带宽，响应速度快，并且对输入信号的纹波抑制也较好，但转换效率低。所以在进行电源模块的设计时，往往结合两种模式，比如，先通过DC-DC，以较高的效率将电池电压3.3V转换到1.25V，再通过LDO将其转换为1V供给各个模块，来达到高效率、快响应、高干扰抑制的电源设计。

在LDO设计中，为了得到较大的负载驱动能力，需要增加输出功率管的尺寸，如表达式(1)所示，其中I_d表示MOS管漏端电流，k为工艺参数，W/L表示MOS管宽长比，V_gs即为栅源电压差，V_th为MOS管阈值电压。对于一个宽长比较大的功率管，在启动时，由于功率管栅端、源端电压上升的速度不一致，就会产生与正常工作相比较大的栅源电压差，与功率管较大的宽长比相乘后，会产生一个远超LDO正常工作的漏端电流，称之为浪涌电流(surgecurrent)，会影响LDO的工作寿命，严重时还会发生击穿，使得芯片无法正常工作。为了避免这种现象，需要在LDO启动时，通过一些技术手段，使LDO的栅、源电压差保持在正常工作时的差值，从而避免产生较大的浪涌电流，达到保护电路，保护芯片的目的。

专利申请号为201320437800.0的中国专利文献，展示了一种低压差线性稳压器及其软启动电路,如图1(a)所示。通过在低压差线性稳压器中采用包括斜坡电压产生模块和电压选择模块的软启动电路，斜坡电压产生模块的第一控制端和第二控制端分别接入两个反相的使能控制信号，电源端接入直流电源，地端接等电势地，电压选择模块的第一输入端接入固定参考电压，第二输入端连接斜坡电压产生模块的输出端，输出端输出低压差线性稳压器的参考输出电压。在电路启动时，由斜坡电压产生模块从电压为零开始逐步升高电压以输出斜坡电压，如图1(b)所示，并通过电压选择模块选择所述固定参考电压与所述斜坡电压中电压最小者作为低压差线性稳压器的参考电压，进而使软启动电路所输出的电压在所述固定参考电压与所述斜坡电压两者之间平滑转换并保持电压值最小，从而使低压差线性稳压器的输出不会产生过冲电压。

采用上述技术可以达到抑制浪涌电流的目的，其着重点在参考电压的软启动，使低压差线性稳压器的输出不会产生过冲电压，避免了较大栅源电压差的出现。常用的参考电压软启动是在输入端增加开关电容，当LDO启动时，通过开关电容减缓其上升速度，达到抑制浪涌电流的目的，但这种常见的做法无法直接应用在多电源模块中，因为单个LDO的启动会拉低其他LDO的参考电压，使得已启动的LDO输出电压跳变。而上述技术为了不影响输入参考电压，使得设计可以直接应用在多电源模块，在LDO基础上额外添加了斜坡电压产生模块及选择模块，这就需要额外一路的参考电流，因此该技术增加了功耗。

实用新型内容

本实用新型的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种具有软启动电路的低压差线性稳压器。本实用新型具有结构简单，不增加额外功耗，性能可靠的特点，且基本没有应用条件限制。

本实用新型提出的一种具有软启动电路的低压差线性稳压器，包括一个误差放大器EA，两个输出功率管NM1、NM2，还包括：三个开关S₀、S₁、S₂，三个反相器INV₁、INV₂、INV₃，一个电阻R₀，一个电位器R₁，一个负载电容C_load以及一个延时电容C_delay；其中，误差放大器EA的正输入端接参考电压VREF，使能端接使能信号EN、电源端接电源VDD，误差放大器EA的负输入端与电位器R₁连接，误差放大器EA的输出端连接到第一输出功率管NM1的栅端，第一输出功率管NM1的栅端通过开关S₀接地，同时误差放大器EA的输出端通过第二开关S₁连接到第二输出功率管NM2的栅端，第二输出功率管NM2的栅端通过第三开关S₂接地；第一、第二输出功率管NM1、NM2漏端均接到输入电压VIN，第一、第二输出功率管NM1、NM2源端均接到输出电压LDO_OUT，并与电位器R₁的一端连接，电位器R₁的另一端通过电阻R₀接地；第一、第二功率管NM1、NM2源端还通过负载电容C_load接地；第一反相器INV₁的输入接使能信号EN，输出为控制信号ENB，第一反相器INV₁的输出接第一开关S₀的控制端以及第二反相器INV₂的输入，第二反相器INV₂输出接第三反相器INV₃的输入，第二反相器INV₂的输出还通过延时电容C_delay接地，第三反相器INV₃的输出为延时控制信号ENB_delay，接第二、第三开关S₁、S₂的控制端；其中控制信号ENB控制第一开关S₀开合，延时控制信号ENB_delay控制第二、第三开关S₁、S₂始终状态相反。

本实用新型的特点及有益效果：

本实用新型结构简单，通过反相器级联，并且添加到地的电容，来得到使能延迟信号，作用到功率管上，在LDO启动稳定后导通剩余大尺寸功率管，使功率管分步导通来达到减小浪涌电流的目的。控制功率管导通的使能延迟信号是直接由反相器级联产生的，不依赖LDO本身环路，不影响环路稳定性，不增加额外功耗，可靠性强。

本实用新型针对需要较大负载驱动能力的LDO，尤其是需要片外电容的LDO，基本没有应用条件限制，任何结构的LDO都可以应用本实用新型，达到减小浪涌电流，保护电路的目的，可靠性强。

附图说明

图1(a)是一种现有的软启动电路架构图；

图1(b)是现有软启动电路的电压时序图；

图2是本实用新型的具有软启动电路的低压差线性稳压器架构示意图；

图3是本实用新型不同位置开关的使能信号示意图。

具体实施方式

本实用新型提出的具有软启动电路的低压差线性稳压器结合附图及实例项详细说明如下：

本实用新型实施例电路结构如图2所示，包括一个误差放大器EA，两个输出功率管NM1、NM2，三个开关S₀、S₁、S₂，三个反相器INV₁、INV₂、INV₃，一个电阻R₀，一个电位器R₁，一个负载电容C_load以及一个延时电容C_delay；其连接关系为：误差放大器EA的正输入端接参考电压VREF，使能端接使能信号EN、电源端接电源VDD，误差放大器EA的负输入端与电位器R₁连接，误差放大器EA的输出端连接到输出功率管NM1的栅端，输出功率管NM1的栅端通过开关S₀接地，同时误差放大器EA的输出端通过开关S₁连接到输出功率管NM2的栅端，输出功率管NM2的栅端还通过开关S₂接地；输出功率管NM1、NM2漏端均接到输入电压VIN，输出功率管NM1、NM2源端均接到输出电压LDO_OUT，并与电位器R₁的一端连接，电位器R₁的另一端通过电阻R₀接地；功率管NM1、NM2源端还通过负载电容C_load接地；反相器INV₁的输入接使能信号EN，输出为控制信号ENB，INV₁的输出接开关S₀的控制端以及反相器INV₂的输入，INV₂输出接反相器INV₃的输入，INV₂的输出还通过延时电容C_delay接地，INV₃的输出为延时控制信号ENB_delay，接开关S₁、S₂的控制端；其中ENB控制开关S₀开合，ENB_delay控制两个开关S₁、S₂始终状态相反。

该稳压器工作时的使能信号如图3所示：

使能信号EN经过反相器INV1输出控制信号ENB，控制开关S₀；ENB信号经过两个反相器INV2、INV3延迟一个△T后输出延时信号ENB_delay，控制S₁、S₂开关；延时△T与延时电容C_delay成正相关。

在LDO启动前，开关S₀通，功率管NM1栅端接到地，功率管NM1处于截止状态；在LDO启动前，开关S₁断，开关S₂通，功率管NM2栅端接到地，功率管NM2也处于截止状态。

在LDO启动时，EN由低电位变为高电位，经过反相器INV1，ENB由高电位变为低电位，ENB控制开关S₀关断，功率管NM1的栅端电位开始上升，功率管NM1开始导通；此时，ENB_delay保持高电位，开关S₁关断，S₂导通，功率管NM2保持截止状态；由于功率管NM1尺寸较小，从功率管NM1漏端流出的浪涌电流也较小；经过△T时间，输出电压LDO_OUT上升并稳定之时，ENB_delay由高电位变为低电位，控制开关S₁导通，且S₂关断，功率管NM1的栅端与功率管NM2的栅端连接，功率管NM2开始工作，这时，由于输出电压LDO_OUT已经升上来，此时功率管NM2的栅源电位差不再会有大的变化，不会出现较大的浪涌电流，以此达到减小浪涌电流，保护电路的目的。

本实施例的具体实施方式如下：

电路结构中的元器件：功率管、开关、电阻、电位器、反相器、延时电容和负载电容均可采用常规产品，其中NM1为小尺寸功率管，宽长比需要满足表达式(2)，导通时所产生的浪涌电流才可保证在设计要求内，其中I_max为最大可接受的浪涌电流，k为工艺参数，V_th为NM1的阈值电压；NM2为具有大尺寸的主体功率管，两个功率管的长度L值相同，两个功率管的宽度W₁与W₂的比值1:n满足表达式(3)，其中，I_load为LDO设计时的电流负载。

相比于传统的架构而言，额外增加的器件只有开关S₁、S₂，反相器INV2、INV3以及延时电容C_delay，通过推导计算，在不增加功耗的前提下，利用反相器级联以及延时电容C_delay强制给一个时间间隔△T，只需大于NM1导通后输出电压上升到稳定值所需要的时间即可，如表达式(4)所示，在输出电压稳定后导通NM2，使得功率管分步导通，来达到减小浪涌电流，保护电路的目的。

搭建具体电路，进行仿真验证，设定最大可接受的浪涌电流I_max为350mA，LDO的负载电流I_load为40mA，输出电压V_{LDO_OUT}为1.0V，负载电容C_load为1μF。此时W₁/L为3000，n取7，△T设计为6.7μs，浪涌电流最大为325mA，满足设计需求，达到保护电路的目的。

Claims

1.一种具有软启动电路的低压差线性稳压器，包括一个误差放大器EA，两个输出功率管NM1、NM2，其特征在于，还包括：三个开关S₀、S₁、S₂，三个反相器INV₁、INV₂、INV₃，一个电阻R₀，一个电位器R₁，一个负载电容C_load以及一个延时电容C_delay；其中：误差放大器EA的正输入端接参考电压VREF，使能端接使能信号EN、电源端接电源VDD，误差放大器EA的负输入端与电位器R₁连接，误差放大器EA的输出端连接到第一输出功率管NM1的栅端，第一输出功率管NM1的栅端通过开关S₀接地，同时误差放大器EA的输出端通过第二开关S₁连接到第二输出功率管NM2的栅端，第二输出功率管NM2的栅端通过第三开关S₂接地；第一、第二输出功率管NM1、NM2漏端均接到输入电压VIN，第一、第二输出功率管NM1、NM2源端均接到输出电压LDO_OUT，并与电位器R₁的一端连接，电位器R₁的另一端通过电阻R₀接地；第一、第二功率管NM1、NM2源端通过负载电容C_load接地；第一反相器INV₁的输入接使能信号EN，输出为控制信号ENB，第一反相器INV₁的输出接第一开关S₀的控制端以及第二反相器INV₂的输入，第二反相器INV₂输出接第三反相器INV₃的输入，第二反相器INV₂的输出还通过延时电容C_delay接地，第三反相器INV₃的输出为延时控制信号ENB_delay，接第二、第三开关S₁、S₂的控制端；控制信号ENB控制第一开关S₀开合，延时控制信号ENB_delay控制第二、第三开关S₁、S₂始终状态相反。