CN2826488Y - 抗尖峰干扰的稳压电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型揭示了一种抗尖峰干扰的稳压电路，包括启动/待机电流提供电路、电压增益电路、电流镜电路、电平移位电路以及输出调整电路，启动/待机电流提供电路包括一偏置电流固定电路，其为启动/待机电流提供电路提供固定的偏置电流；在启动/待机电流提供电路和所述电压增益电路之间增加一调整晶体管，提高线性调整度；电流镜电路采用6个晶体管构成。本实用新型通过优化和再设计解决了以上稳压电路存在的缺陷，它能有效地提高稳压电路对输入电源尖峰干扰的抑制能力，提高了整个单片开关IC的抗干扰能力，降低IC对外围应用环境的依赖性；经对比实验，抗干扰能力优于同类型芯片。

Description

抗尖峰干扰的稳压电路

技术领域

本实用新型涉及直流电源变换(DC/DC转换器)集成电路(IC)，尤其涉及集成电路内部的稳压电路。

背景技术

电子技术的迅猛发展一方面带动了电源技术的发展，一方面也对电源产品提出了越来越高的要求。体积小、重量轻、高效率、高可靠性的“绿色电源”已成为下一代电源产品的发展趋势。开关电源具有线性电源无可比拟的许多优点：体积小，重量轻、高效率等等；但是开关电源会产生电磁干扰；开关电源无论采用何种拓扑结构，都存在着开关转换过程中的高速电压或电流突变，产生电磁干扰是开关电源本身的特点所决定的，是难以避免的；关键是如何采取有效的措施来减弱其干扰程度。由于电磁干扰的存在，给开关电源芯片的设计和系统应用增加了技术难度和复杂度。

针对单片开关型直流电源变换(DC/DC转换器)集成电路(IC)，由于IC内部集成大功率高速开关器件，工作时伴随着电流和电压的瞬态变化，对IC内部其它电路和外围应用系统电路的影响比较大；结果增加了IC在系统设计、应用、印刷电路板(PCB)布局布线等工作上的难度和复杂性。为此我们考虑设计和优化IC内部供电稳压电路的性能，提高内部稳压电路的抗尖峰干扰能力，从而减小IC对外围器件和布局布线的依赖性和敏感性。

如图1所示一典型的AP3001-5V(150Khz，3A PWM Buck DC/DCConverter)应用电路图，从原理上看，该开关电源产生的噪声干扰源主要来自于以下几个部分：1)二极管的反向恢复时间引起的干扰，高频大电流续流二极管D1工作在开关状态，由于恢复时间而引起的干扰；抑制措施是选用高速的大功率肖特基二极管；2)IC内部大功率开关管工作时产生的谐波干扰，在单片PWM硬开关型开关电源电路设计时，为了减小内部大功率开关管的开关损耗，通过开关管的开关电流近似为矩形波，其中含有丰富的高次谐波分量；抑制措施是优化布局布线；3)由于电感线圈L1漏感引起的电流突变，也会产生尖峰干扰；4)元器件的寄生参数，印刷线路板的布局布线、寄生参数，以及元器件的安装、放置、方位等的影响。

综上所述，合理的设计PCB，对于IC的正常工作及抑制电磁干扰至关重要；许多类似IC对元器件的选择、PCB布局布线都有严格的要求；一般都要求图1中粗黑线的部分在PCB上的布线尽可能短、粗以及增加屏蔽措施等。

特别的，都会要求输入电容Cin紧靠IC电源引脚或并联高频滤波电容，否则IC或系统工作异常或不稳定；根本原因是开关管内置，IC的输入电流是近似矩形的开关电流，由于焊接或PCB板上连线的长度或形状的不同而存在微小的寄生串联电感(nh数量级)与串联电阻，结果会在IC的输入电源引脚上产生比较大的尖峰脉冲(受开关频率调制)，尖峰脉冲的幅值与开关电流的突变量，寄生电感的大小有关，由于该尖峰干扰遍布在IC内部的所有供电电源线上，当其幅值超过一定值时，可能会使内部电路工作异常或不稳定，为了保证系统在最大输出负载电流条件下稳定工作，一般要求尽可能减小输入寄生电感的大小，从而降低尖峰干扰的幅度值，这就是必须“要求输入电容尽可能靠近IC电源和地引脚的原因”。这种由于开关电流而造成的电磁干扰给非专业的使用者带来了较大的系统设计困难和复杂度，也降低了单片开关电源使用的灵活性，如何有效地抑制该尖峰干扰，从而降低或减弱IC对输入电容和PCB布局布线的依赖性和敏感性，对单片开关电源的推广应用普及至关重要。

单片开关电源集成电路的内部结构一般是：输入供电电源通常只给内部稳压电路和输出开关级电路供电，其他的电路则由内部的稳压电路统一供电，便于提高IC的性能和可靠性；因此，只要考虑提高内部稳压电路的抗尖峰干扰能力，就能提高整个IC工作的稳定性，从而提高整个IC的电磁干扰抑制能力。

图2是一种常见单片开关电源集成电路的内部稳压电路，其中：晶体管Q1的集电极接高电位、基极接地、射极接到晶体管Q2的集电极和基极，晶体管Q2的集电极接地、基极和集电极接到晶体管Q3的基极，晶体管Q3的集电极接到晶体管Q4的集电极和晶体管Q6的射极，晶体管Q3的射极接到电阻器R1、R2之间的节点，电阻器R2的另一端接地，电阻器R1的另一端接到晶体管Q4的射极，晶体管Q4的基极和晶体管Q5的基极相连，晶体管Q5的射极连到电阻器R1、R2之间的节点，晶体管Q5的集电极连到晶体管Q8的集电极，Shutdown_en信号加到晶体管Q5的集电极，晶体管Q8的射极和晶体管Q7的集电极相连，晶体管Q7的基极和晶体管Q9、Q6的基极相连，晶体管Q7、Q6的射极相连、并且经由电阻器R3连到高电位，晶体管Q8的集电极经由电容器CC1接地，也连到晶体管Q10的基极，晶体管Q10的集电极接地、射极和晶体管Q9的集电极以及晶体管Q11的基极相连，晶体管Q9的射极经由电阻器R4连到高电位，晶体管Q11的集电极接到高电位、射极输出位VOUT1并且还连到电阻器R5的一端，电阻器R5的另一端连到电阻器R6的一端以及晶体管Q5、Q4的基极，电阻器R6的另一端接地。该内部稳压电路的工作原理如下：

[1]晶体管Q1、Q2、Q3当IC加电时，作为稳压电路的启动电路，提供启动电流；当IC处在待机模式时(Shutdown_en信号把晶体管Q5集电极节点强制为低电平，稳压电路没有输出，处于待机状态)，晶体管Q1、Q2、Q3作为IC待机状态的偏置电流源，决定了整个IC待机电流的大小；

[2]晶体管Q6-Q9为电流源有源负载，其中，晶体管Q6、Q7、Q8接成改进型的电流源方式作为电压增益级晶体管Q4、Q5的负载，目的是提高负载阻抗，增加该级的电压增益；

[3]晶体管Q10为电平移位级；晶体管Q11为输出调整级；

[4]输出稳压为Vout1＝[1+R5/R6]*{VBE+[2*(V_Tln4)*R2]/R1}(VT常温下约为26mv)。

图2所示电路用在单片开关IC中做内部稳压电路时，性能和抗干扰能力都有一些缺点和局限性；比如说，当输入供电电压的变化范围很大时，或有阶跃式变化时，或有尖峰干扰时：

[1]启动电流(工作模式)或者待机电流(待机模式)随输入电源的变化影响比较大；

[2]稳压输出的线性调整度比较差；因为作为误差放大的比例对晶体管Q5、Q4的工作电压(V_CE)随输入电源的变化不一样，晶体管Q5的VCE不变，晶体管Q4的V_CE跟随电源变化；如果晶体管Q5、Q4的厄莱电压不是足够大(受制造的工艺影响)，也就是说Q4的工作点会跟随输入电源的波动而波动，造成输出稳定电压受输入电压的影响比较大，线性调整度也变差。

因此，就需要一种能够克服上述缺陷的稳压电路。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种新的抗尖峰干扰的稳压电路，能有效地提高稳压电路对输入电源尖峰干扰的抑制能力。

根据本实用新型，提供一种抗尖峰干扰的稳压电路，包括启动/待机电流提供电路、电压增益电路、电流镜电路、电平移位电路以及输出调整电路，所述启动/待机电流提供电路包括一偏置电流固定电路，其为所述启动/待机电流提供电路提供固定的偏置电流；在所述启动/待机电流提供电路和所述电压增益电路之间增加一调整晶体管，提高线性调整度；所述电流镜电路采用6个晶体管构成。

根据本实用新型的一实施例，所述偏置电流固定电路包括5个晶体管T1-T5，按照如下方式连接：晶体管T1和T3构成第一级，它们的射极连接输入端，基极连接对方的集电极；其中输入端和T3的射极之间具有一电阻R_start；晶体管T2和T4构成第二级，它们的射极分别连接晶体管T1和T3的集电极，基极互相连接后连到晶体管T4的集电极；晶体管T5的基极连接晶体管T2的集电极，T5的射极连接T4的集电极，晶体管T5和T2的集电极都连接到所述启动/待机电流提供电路。

根据本实用新型的一实施例，所述偏置电流固定电路提供固定的偏置电流I＝V_Tln(T₂T₃/T₁T₄)/R_start，V_T＝kT/q，k：波尔兹曼常数、q：电子电量、T：热力学温度，常温25℃下V_T约为26毫伏，R_start为电阻R_start的阻值。

根据本实用新型的一实施例，在所述启动/待机电流提供电路和所述电压增益电路之间增加的调整晶体管T12使电压增益电路的比例对管Q5，Q4的工作电压成为定值。

根据本实用新型的一实施例，所述电流镜电路采用6个晶体管构成，结构如下：晶体管T6、T7射极、基极分别互相连接，晶体管T8、T9射极、基极分别互相连接，T6、T7、T8、T9的基极以及T7、T8的集电极也相互连接；晶体管T10的射极连接晶体管T6的集电极，基极连接晶体管T9的集电极，集电极连接到后续电路；晶体管T11的射极连接T6、T7、T8、T9的基极以及T7、T8的集电极，基极连接晶体管T9的集电极，集电极接地。

根据本实用新型的一实施例，所述启动/待机电流提供电路、电压增益电路、电平移位电路以及输出调整电路包括如下结构：

启动/待机电流提供电路：晶体管Q1的集电极接高电位、基极接地、射极接到晶体管Q2的集电极和基极，晶体管Q2的集电极接地、基极和集电极接到晶体管Q3的基极，晶体管Q3的集电极接到晶体管Q4的集电极和晶体管Q6的射极，晶体管Q3的射极接到电阻器R1、R2之间的节点；

电压增益电路：电阻器R2的另一端接地，电阻器R1的另一端接到晶体管Q4的射极，晶体管Q4的基极和晶体管Q5的基极相连，晶体管Q5的射极连到电阻器R1、R2之间的节点；

电平移位电路：晶体管Q10的集电极接地、射极和晶体管Q9的集电极以及晶体管Q11的基极相连，晶体管Q9的射极经由电阻器R4连到高电位；

输出调整电路：晶体管Q11的集电极接到高电位、射极输出位VOUT并且还连到电阻器R5的一端，电阻器R5的另一端连到电阻器R6的一端以及晶体管Q5、Q4的基极，电阻器R6的另一端接地。

本实用新型通过优化和再设计解决了以上稳压电路存在的缺陷，它能有效地提高稳压电路对输入电源尖峰干扰的抑制能力，提高了整个单片开关IC的抗干扰能力，降低IC对外围应用环境的依赖性；经对比实验，抗干扰能力优于同类型芯片。

附图说明

本实用新型的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图对实施例的进一步描述而变得更加明显，附图中相同的附图标记始终表示相同的特征，其中：

图1是一典型的DC/DC转换器(AP3001-5V，150Khz，3A PWM BuckDC/DC转换器)电路图；

图2是一种常见单片开关电源集成电路的内部稳压电路；

图3所示为本实用新型的用于单片开关电源芯片内部的稳压电路。

具体实施方式

图3所示为设计的新型用于单片开关电源芯片内部的稳压电路。其中：对于启动/待机电流提供电路、电压增益电路、电平移位电路以及输出调整电路采用的适合图2所示的传统电路相似的结构，包括如下电路：

启动/待机电流提供电路：晶体管Q1的集电极接高电位、基极接地、射极接到晶体管Q2的集电极和基极，晶体管Q2的集电极接地、基极和集电极接到晶体管Q3的基极，晶体管Q3的集电极接到晶体管Q4的集电极和晶体管Q6的射极，晶体管Q3的射极接到电阻器R1、R2之间的节点；

电压增益电路：电阻器R2的另一端接地，电阻器R1的另一端接到晶体管Q4的射极，晶体管Q4的基极和晶体管Q5的基极相连，晶体管Q5的射极连到电阻器R1、R2之间的节点；

电平移位电路：晶体管Q10的集电极接地、射极和晶体管Q9的集电极以及晶体管Q11的基极相连，晶体管Q9的射极经由电阻器R4连到高电位；

输出调整电路：晶体管Q11的集电极接到高电位、射极输出位VOUT并且还连到电阻器R5的一端，电阻器R5的另一端连到电阻器R6的一端以及晶体管Q5、Q4的基极，电阻器R6的另一端接地。

本实用新型的主要改进在于启动/待机电流提供电路包括一偏置电流固定电路，其为启动/待机电流提供电路提供固定的偏置电流；该偏置电流固定电路包括5个晶体管T1-T5，按照如下方式连接：晶体管T1和T3构成第一级，它们的射极连接输入端，基极连接对方的集电极；其中输入端和T3的射极之间具有一电阻R_start；晶体管T2和T4构成第二级，它们的射极分别连接晶体管T1和T3的集电极，基极互相连接后连到晶体管T4的集电极；晶体管T5的基极连接晶体管T2的集电极，T5的射极连接T4的集电极，晶体管T5和T2的集电极都连接到所述启动/待机电流提供电路。偏置电流固定电路提供固定的偏置电流I＝V_Tln(T₂T₃/T₁T₄)/R_start)，V_T＝kT/q，k：波尔兹曼常数、q：电子电量、T：热力学温度，常温25℃下V_T约为26毫伏，R_start为电阻R_start的阻值。

在启动/待机电流提供电路和电压增益电路之间增加一调整晶体管，提高线性调整度，增加的调整晶体管T12使电压增益电路的比例对管Q5，Q4的工作电压成为定值。

本实用新型的稳压电路中的电流镜电路采用6个晶体管构成，结构如下：晶体管T6、T7射极、基极分别互相连接，晶体管T8、T9射极、基极分别互相连接，T6、T7、T8、T9的基极以及T7、T8的集电极也相互连接；晶体管T10的射极连接晶体管T6的集电极，基极连接晶体管T9的集电极，集电极连接到后续电路；晶体管T11的射极连接T6、T7、T8、T9的基极以及T7、T8的集电极，基极连接晶体管T9的集电极，集电极接地。

本实用新型的稳压电路工作原理如下：

[1]启动电流(工作模式)或者待机电流(待机模式)不随输入电源变化的影响，为固定的偏置电流；(I_T5C＝V_Tln(T2T3/T1T4)/Rstart)

[2]增加T12晶体管，有效提高稳压输出的线性调整度；因为作为误差放大的比例对管Q5，Q4的工作电压(VCE)成为定值，不受输入电源变化的影响。

[3]电流镜修改为T6-T11的结构，在维持原始有源负载阻抗不变的前提下，改变偏置电流源的产生路径，减小输入电源的瞬态变化对稳压环路的影响。

虽然改变了电路的结构，但电路的工作原理和偏置电流、输出稳压等的计算公式并没有改变，实现与原IC内部的其他电路完全兼容的同时，对输入电源的瞬态变化和尖峰干扰的抑制能力大大加强。在具体的系统应用试验对比中，采用了抗尖峰干扰稳压电路的IC替代原始稳压电路对应的IC后，IC对输入电容布局布线依赖的敏感性降低了，IC对输入电源抗尖峰干扰能力有明显的提高和改善。

本实用新型通过优化和再设计解决了以上稳压电路存在的缺陷，它能有效地提高稳压电路对输入电源尖峰干扰的抑制能力，提高了整个单片开关IC的抗干扰能力，降低IC对外围应用环境的依赖性；经对比实验，抗干扰能力优于同类型芯片。

上述实施例是提供给熟悉本领域内的人员来实现或使用本实用新型的，熟悉本领域的人员可在不脱离本实用新型的发明思想的情况下，对上述实施例做出种种修改或变化，因而本实用新型的保护范围并不被上述实施例所限，而应该是符合权利要求书提到的创新性特征的最大范围。

Claims (6)

1.一种抗尖峰干扰的稳压电路，包括启动/待机电流提供电路、电压增益电路、电流镜电路、电平移位电路以及输出调整电路，其特征在于，

所述启动/待机电流提供电路包括一偏置电流固定电路，其为所述启动/待机电流提供电路提供固定的偏置电流；

在所述启动/待机电流提供电路和所述电压增益电路之间增加一调整晶体管，提高线性调整度；

所述电流镜电路采用6个晶体管构成。

2.如权利要求1所述的抗尖峰干扰的稳压电路，其特征在于，所述偏置电流固定电路包括5个晶体管T1-T5，按照如下方式连接：

晶体管T1和T3构成第一级，它们的射极连接输入端，基极连接对方的集电极；其中输入端和T3的射极之间具有一电阻R_start；

晶体管T2和T4构成第二级，它们的射极分别连接晶体管T1和T3的集电极，基极互相连接后连到晶体管T4的集电极；

晶体管T5的基极连接晶体管T2的集电极，T5的射极连接T4的集电极，晶体管T5和T2的集电极都连接到所述启动/待机电流提供电路。

3.如权利要求2所述的抗尖峰干扰的稳压电路，其特征在于，所述偏置电流固定电路提供固定的偏置电流I＝V_T ln(T₂T₃/T₁T₄)/R_start’其中V_T＝kT/q，k：波尔兹曼常数、q：电子电量、T：热力学温度，R_start为电阻R_start的阻值。

4.如权利要求1所述的抗尖峰干扰的稳压电路，其特征在于，在所述启动/待机电流提供电路和所述电压增益电路之间增加的调整晶体管T12使电压增益电路的比例对管Q5，Q4的工作电压成为定值。

5.如权利要求1所述的抗尖峰干扰的稳压电路，其特征在于，所述电流镜电路采用6个晶体管构成，结构如下：

晶体管T6、T7射极、基极分别互相连接，晶体管T8、T9射极、基极分别互相连接，T6、T7、T8、T9的基极以及T7、T8的集电极也相互连接；

晶体管T10的射极连接晶体管T6的集电极，基极连接晶体管T9的集电极，集电极连接到后续电路；

晶体管T11的射极连接T6、T7、T8、T9的基极以及T7、T8的集电极，基极连接晶体管T9的集电极，集电极接地。

6.如权利要求1所述的抗尖峰干扰的稳压电路，其特征在于，所述启动/待机电流提供电路、电压增益电路、电平移位电路以及输出调整电路包括如下结构：

启动/待机电流提供电路：晶体管Q1的集电极接高电位、基极接地、射极接到晶体管Q2的集电极和基极，晶体管Q2的集电极接地、基极和集电极接到晶体管Q3的基极，晶体管Q3的集电极接到晶体管Q4的集电极和晶体管Q6的射极，晶体管Q3的射极接到电阻器R1、R2之间的节点；

电压增益电路：电阻器R2的另一端接地，电阻器R1的另一端接到晶体管Q4的射极，晶体管Q4的基极和晶体管Q5的基极相连，晶体管Q5的射极连到电阻器R1、R2之间的节点；

电平移位电路：晶体管Q10的集电极接地、射极和晶体管Q9的集电极以及晶体管Q11的基极相连，晶体管Q9的射极经由电阻器R4连到高电位；

输出调整电路：晶体管Q11的集电极接到高电位、射极输出位VOUT并且还连到电阻器R5的一端，电阻器R5的另一端连到电阻器R6的一端以及晶体管Q5、Q4的基极，电阻器R6的另一端接地。

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