CN102597900A - 低压降调节器 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种低压降电压调节器，包括输出端子，所述输出端子用于提供根据基准电压调节的输出电压(V_out)，且用于提供输出电流(I_out)，并且所述低压降电压调节器还包括输出电流限制单元(LIMIT3)，所述单元包括：复制部件(T31)，所述复制部件用于复制所述输出电流以提供所述输出电流的镜像电流(I_mirror)，比较部件(COMP31、COMP32)，所述比较部件用于比较所述镜像电流与基准电流(I_ref)，反馈部件(COMP31、COMP32、R35、REGUL3)，当所述镜像电流大于所述基准电流时，所述反馈部件用于给调节器提供反馈以限制所述输出电流，并且所述镜像电流被注入到所述输出端子。

Description

低压降调节器

技术领域

本发明涉及一种低压降(LDO)电压调节器电路。

尤其是，本发明涉及限制这种调节器中的短路电流。

背景技术

尽管安装有LDO调节器的电路的常用供给电压中有波动，但是LDO调节器提供稳定的输出电压。

当包含有LDO调节器的电路被上电时，或偶然发生调节器输出短路时，需要限制输出电流以避免发生故障。

为了限制这种短路电流，可以考虑使用专门的限流电路。这些电路包括反馈回路，当输出电流大于基准电流时，所述反馈回路测量调节器的输出电流，然后将其与基准电流进行比较以对调节器进行操作。

图1示出这种限流电路。

可以看出，在这种电路中有两个特定的功能单元。第一单元REGUL1表示调节器的电压调节回路。该调节回路允许维持稳定的输出电压V_out。第二单元LIMIT1表示限流回路。

在下文中，仅考虑限流回路。读取电路时，本领域的技术人员能够理解调节回路的运作。

为了获取输出电流I_out，PMOS复制晶体管T10设置成复制从PMOS功率晶体管T11产生的输出电流。

为了简化描述，自晶体管T11的电流被包含在输出电流中。与晶体管产生的电流相比，调节回路的电阻所吸取的电流是可以忽略的。

晶体管T10和T11是硅片上的成对晶体管，并且设置成晶体管T10的栅极连接到晶体管T11的栅极，且晶体管T10的源极连接到晶体管T11的源极。

因此，晶体管T10的漏极电流I_mirror与晶体管T11的漏极电流I_out是成比例的。

晶体管T10和T11具有相同的物理特性。尤其是，它们具有相同的栅极长度L。然而，它们具有不同的栅极宽度W10和W11。实际上，T11的栅极宽度W11远大于T10的栅极宽度W10。

因此，通过使用MOS晶体管的线性模型，得到：

晶体管T10的漏极连接到比较器COMP1的非反相输入端和电阻R₁₀。比较器的反相输入端连接到与第二电阻R₁₁平联的基准电流源I_ref。电阻R₁₀和R₁₁中的每一个具有接地端。例如，电阻R₁₀和R₁₁具有相同的R值。

因此，比较器COMP1的输出电压V_s10与电流I_mirror(与输出电流I_out成比例)和基准电流I_ref之差是成比例的。比例系数是电阻R和比较器的增益G₁₀的乘积。

比较器的输出端连接到PMOS晶体管T10和T11的栅极。因此，使用小信号模型，电流I_out与比较器的输出电压是成比例的，比例系数为晶体管T11的增益G_mp。

因此，可以以下列方式建模信号：

V_s10＝G₁₀.R.(I_mirror-I_ref)

I_out＝-G_mp.V_s10.

最后，可以根据I_ref，利用下列公式计算I_out：

$I_{\mathrm{out}}=\frac{W_{11}}{W_{10}}\frac{G_{\mathrm{mp}}.G_{10}.R}{G_{\mathrm{mp}}.G_{10}.R+1}.I_{\mathrm{ref}}$

由于开环增益G_mp.G₁₀.R非常高，可以以

简化I_out的公式。

因此，可以看出，通过选择I_ref和W₁₀的值，可以设置输出电流。

在此限流回路中，电流消耗是非常高的。此外，当功率晶体管T11的尺寸减小时，这种消耗的增长甚至更大。

下列提供一些值以说明这种消耗。

表1

由比较器COMP1所消耗的电流	Iad＝4μA
		输出电流	Iout＝200mA
基准电流	Iref＝1μA
		晶体管T11的栅极宽度	W11＝32000μm
晶体管T10的栅极宽度	W10＝10μm
		晶体管T10和T11的栅极长度	L＝0.2μm

通过将基准电流、镜像电流和由比较器所消耗的电流相加可以近似计算出由限流回路所消耗的电流I_q：

I_q＝I_ref+I_ad+I_mirror

或者为：

$I_q=I_{\mathrm{ref}}+I_{\mathrm{ad}}+\frac{W_{10}}{W_{11}}{I}_0$

使用上表中的数据，可以得出电流I_q＝67.5μA。

对LDO调节器的要求严格控制电流消耗小于150μA。因此，限流回路已经消耗接近目标值一半的电流。

为了减小这种消耗，可以减小W10。然而，电路的结构不允许对此参数降低太多。可以考虑增加W₁₁。然而，由于输出电流取决于W11，此处几乎没有调整的空间。

此外，因为可能具有2000或更高的表面积比率的差异，使得晶体管T10和T11的配对变得很难，因此限流回路的精度非常低。

图2示出LDO电路中这些晶体管的分布状况。可以看出，由于几乎硅的整个表面积被T11所占据，因此，很难配对这两种晶体管。

可以与由晶体管T10复制电流的精度相比较来估计限流回路的精确度。标准偏差在重新复制电流时根据相对误差计算，并且重新复制的精度被估计为标准偏差的六倍。然后，精度表示为：

其中V_gt为晶体管T10的栅极和源极之间的电压与晶体管的阈值电压之间的差，A_vt和A_β为电路的参数。

对具有相同参数以及W₁₀、L和V_gt的不同取值的几个电路计算精度。

结果如下表所示。

表2

电路	Avt(mV.μm)	Aβ(％μm)	W10(μm)	L(μm)	Vgt(mV)	Acc
							1	9.4	0.032	10	0.6	200	0.24
2	9.4	0.032	15	0.6	367	0.12
							3	9.4	0.032	10	0.6	207	0.23
4	9.4	0.032	5	0.6	434	0.18
							5	9.4	0.032	20	0.6	190	0.23
6	9.4	0.032	10	0.6	180	0.27

精度范围为12％至27％。此精度等级是低的并且未考虑温度和电压偏移的影响。当考虑这些现象时，结果是更低的精度。

发明内容

因此，需要一种包括限流回路的LDO调节器，该限流回路提供良好的精度且减小电流消耗。

为了这个目的，提出一种低压降电压调节器，所述低压降电压调节器包括输出端子，所述输出端子用于提供根据基准电压调节的输出电压，且用于提供输出电流，并且还包括输出电流限制单元。所述单元包括：

-复制部件，所述复制部件用于复制输出电流以提供输出电流的镜像电流，

-比较部件，所述比较部件用于比较镜像电流与基准电流，

-反馈部件，当镜像电流大于基准电流时，所述反馈部件用于给调节器提供反馈以限制输出电流。

此外，镜像电流被注入到输出端子。

以这种方式，用于测量输出电流的目的的镜像电流不会被限流单元所消耗。有利地，本发明提出在输出电流中包括镜像电流。

作为对比，在参照图1所描述的限流回路中，镜像电流被电路的接地端所吸取，从而被限流回路完全消耗。

利用本发明的调节器，可以节省大量的电流，这有利于LDO调节器的设计。限流回路的电流消耗构成由背景技术的调节器所消耗的电流的很大一部分。

此外，本发明的调节器允许更精确地限制电流。

由限流单元所消耗的电流并不取决于输出电流的复制部件。因此，与图1所示的电路不同，复制部件不引入不准确性。

在一些实施方式中，基准电流被注入输出端子。

这允许进一步减小电流消耗。

作为对比，一旦图1所示电路的基准电流经过电阻R11，其被接地端所吸取。从而所述基准电流被限流回路完全消耗。

在一些实施方式中，比较部件包括：

-第一输入，所述第一输入与第一电势连接，所述第一电势随着输出电压和镜像电流的强度变化，及

-第二输入，所述第二输入与第二电势连接，所述第二电势随着输出电压和基准电流的强度变化。

因此，可以通过比较第一电势和第二电势(图中未示出)比较镜像电流和基准电流，从而消耗所述电流。

根据一些实施方式：

-输出端子为第一PMOS功率晶体管的漏极，

-输出电流的复制部件包括与所述第一晶体管成对的第二PMOS晶体管，第一晶体管的栅极被连接到第二晶体管的栅极且第一晶体管的源极被连接到第二晶体管的源极，

-比较器的输出连接到第一晶体管的栅极和第二晶体管的栅极。调节器还包括：

-第一电阻，所述第一电阻被设置在输出端子和比较器的第一输入之间，及

-第二电阻，所述第二电阻被设置在输出端子和比较器的第二输入之间。

在这些实施方式中，可以创建具有较大的栅极表面积的复制(或拷贝)晶体管。这有助于与功率晶体管进行配对。

此外，在一些实施方式中，在参数的选择方面具有很大的灵活性，该参数为输出电流设置限制。

因此，有利于调节器的设计。

本发明还提供一种用于控制调节器的方法和一种计算机程序，该计算机程序包括执行所述方法的指令；及一种装置，该装置包括根据本发明的调节器。

这些目的显示了至少与由本发明的调节器所提供的优点相同的优点。

附图说明

通过下文的描述，本发明的其他特征和优点将显而易见。这些描述仅为示例性说明并且需参照附图理解，在附图中，除了图1和图2之外，还有：

图3示出包括根据本发明的实施方式的限流回路的LDO调节器；

图4示出由根据本发明的实施方式的电路提供的精度的增益；

图5示出图3所示的比较器COMP31和COMP32的实施方式；

图6为执行根据本发明的实施方式的方法的步骤的流程图；

图7为包括根据本发明的实施方式的调节器的装置。

具体实施方式

首先，下文参照图3描述根据本发明的实施方式的电路。

在该图所示的电路中可看到调节回路REGUL3和限流回路LIMIT3。

调节回路包括两个串联连接的电阻R31和R32，该串联连接的电阻R31和R32将输出电压Vout连接到接地端。电阻R31和R32之间的节点连接到比较器COMP33的非反相输入端。该比较器的反相输入端连接到基准电压源V_ref。

因此，自比较器COMP33的输出电压是输出电压V_out和基准电压V_ref的线性组合。这相当于把输出电压和基准电压V_ref进行比较，其值为基准电压V_ref和电阻R31和R32的值的函数。比较器COMP33的输出电压可表示为：

其中G₃₃是比较器COMP33的增益。

比较器COMP33的输出电压连接到NMOS晶体管T32的栅极。该晶体管T32的漏极连接到接地端且该晶体管的源极连接到晶体管T30和T31的栅极，如下文描述的。

限流回路包括PMOS功率晶体管T30和PMOS复制晶体管T31。

晶体管T30和T31在硅片上配对，并且设置成T30的栅极连接到T31的栅极且T30的源极连接到T31的源极。

因此，晶体管T31的漏极电流I_mirror与晶体管T30的漏极电流成比例。为了简化说明，晶体管T30的漏极电流被认为等同于输出电流I_out。实际上，在实践中，与I_out相比，电路的输出节点的其他电流是可以忽略的。

因为电流I_mirror通过电阻R33被注入到输出端，因此其不会丢失。

此外，用于限流回路的基准电流I_ref通过电阻R34同样被注入到输出端。

限流回路包括两个相关联的比较器COMP31和COMP32，使得COMP31的输出端连接到COMP32的输出端，COMP31的反相输入端连接到COMP32的反相输入端，且COMP31的非反相输入端连接到COMP32的非反相输入端。

与图1所示的比较器COMP1不同，图3所示的比较器COMP31和COMP32不将接地电压作为基准电压使用。其基准电压为输出电压。因为该电压是可变的且并不总是接近0(例如在0伏特至3.3伏特之间变化)，一个更大的工作范围必须被允许，这是两个比较器COMP31和COMP32的组合所实现的。

此外，比较器COMP31和COMP32设置成，当接地端与比较器的反相输入端之间的电压Va的值为不到供给电压Vdd的一半时，比较器COMP31运作，当此电压Va为Vdd/2至Vdd之间时，比较器COMP32运作。

本领域技术人员将明白，这两个比较器的组合等同于一个比较器。

比较器COMP31和COMP32的输出端连接到晶体管T30和T31的栅极且连接到电阻R35，用于调节回路和限流回路之间的切换。电阻R35将比较器COMP31和COMP32的输出端连接到供给电压Vdd。

在下文中，简化的计算被用于描述利用如上所述的电路实现的电流的节约和精度的增益。

使用以下符号：

Vb：晶体管T31的漏极电势

W₃₁：晶体管T31的栅极宽度

W₃₀：晶体管T30的栅极宽度

G_mp30：晶体管T30的增益

G31：比较器COMP31的增益

G32：比较器COMP32的增益。

晶体管T30和T31具有相同的物理特性。尤其是，晶体管T30和T31具有相同的栅极长度。

使用晶体管的线性模型得到：

此外：

V_a＝V_out+R₃₄.I_ref，且

Vb＝V_out+R₃₃.I_mirror，或 $\mathrm{Vb}=V_{\mathrm{out}}+R_{33}\·\frac{W_{31}}{W_{30}}.I_{\mathrm{out}}.$

当

时，比较器COMP31运作且得到：

Vs＝G₃₁.(V_b-V_a)

$V_s=-\frac{I_{\mathrm{OUT}}}{G_{\mathrm{mp}30}}.$

其导致： $G_{31}.(R_2\frac{W_{31}}{W_{30}}.I_{\mathrm{OUT}}-R_{34}.I_{\mathrm{ref}})=-\frac{I_{\mathrm{OUT}}}{G_{\mathrm{mp}30}}.$

经过简化得到： $I_{\mathrm{out}}=\frac{R_{33}.G_{31}.G_{\mathrm{mp}30}}{1+R_{33}.G_{31}.G_{\mathrm{mp}30}}.\frac{W_{30}}{W_{31}}.\frac{R_{34}}{R_{33}}.I_{\mathrm{ref}}.$

由于开环增益R₃₃.G₃₁.G_mp30非常高，可得到如下近似：

当

时，比较器COMP32运作，且根据与上述情况相同的推理，得到相同的结果。

可看出，具有用于设置输出电流的三个参数W31、R33、R34的集合。

在限流回路LIMIT3中，消耗的电流相当于比较器COMP31和COMP32消耗的电流。如果这些电流被认为是相等的，且可比作由图1所示的比较器COMP1所消耗的电流，则观察到相当于

的电流的节约。使用表1的数据，消耗的电流为8μA。该消耗的电流与图1所述的电路消耗的电流67.5μA进行比较。发现明显地节约了消耗的电流。

此外，在这种方案中，消耗的电流不再取决于晶体管T30和T31的宽度(仅消耗比较器的电流)。因此，可以增加晶体管T31的栅极的表面积，改善其与晶体管T30的配对，从而改善限流回路的精度。实际上，拷贝晶体管的精度与该晶体管的表面积的平方根成反比(见上文给出的acc的表达式)。

图4以曲线A示出根据图1的电路的精度，且以曲线B示出根据本发明的实施方式的电路的精度。

对同一短路电流限值I₀，y轴绘制出对给定的电流限值提供有效限制的电路的数目。

电路的分布为高斯分布(Gaussian)，以I₀为中心。可以看出，对于根据本发明的实施方式的电路，高斯曲线更窄，这清楚地说明与图1所示的限流回路相比精度的增益。

图5示出参照图3所示的比较器COMP31和COMP32的实施方式。

所述比较器为运算放大器。比较器COMP32为低电压运作，且比较器COMP31为高电压运作。

V_s表示比较器COMP31和COMP32的公共输出，V-表示它们的公共反相输入，且V+表示它们的公共非反相输入。

参照图6描述了用于控制调节器的方法。首先在复制输出电流的步骤S60中产生电流I_mirror。然后，在步骤S61中将镜像电流与基准电流进行比较。如果在步骤T62中确定镜像电流大于基准电流，则在步骤S63中启用给调节器提供反馈的部件，以限制输出电流。

最后，在最后一步S64中，镜像电流被注入到调节器的输出端。在此步骤中，基准电流也可以被注入。

从图6所示的总体流程图中可以推导出包括用于执行所述方法的指令的一种计算机程序。

参照图7描述了一种装置，该装置包括本发明的调节器。该装置可以为各种类型。实际上，其可以为使用LDO调节器的任何装置。

在此装置DEV中，具有：内存MEM，尤其是用于存储根据本发明的计算机程序；处理器PROC，该处理器用于执行所述程序；调节器REGUL；及单元CIRC，由调节器提供的稳定电压被提供给该单元CIRC。该调节器包括调节单元M_REG和输出电流限制单元M_LIM。

当然，本发明不仅限于上述实施方式。其延伸至所有等同的变型。

Claims (7)

1.一种低压降电压调节器，包括输出端子，所述输出端子用于提供根据基准电压调节的输出电压(V_out)，且用于提供输出电流(I_out)，并且所述低压降电压调节器还包括输出电流限制单元(LIMIT3)，所述单元包括：

-输出电流复制模块(T31)，所述输出电流复制模块用于提供所述输出电流的镜像电流(I_mirror)，

-比较模块(COMP31、COMP32)，所述比较模块用于比较所述镜像电流与基准电流(I_ref)，

-反馈模块(COMP31、COMP32、R₃₅、REGUL3)，当所述镜像电流大于所述基准电流时，位于所述调节器中的所述反馈模块用于限制所述输出电流，

其中，所述镜像电流被注入到所述输出端子。

2.如权利要求1所述的调节器，其中，所述基准电流被注入到所述输出端子。

3.如前述任一项权利要求所述的调节器，其中，所述比较模块包括：

-第一输入，所述第一输入与第一电势连接，所述第一电势是所述输出电压和所述镜像电流的强度的函数，及

-第二输入，所述第二输入与第二电势连接，所述第二电势是所述输出电压和所述基准电流的强度的函数。

4.如权利要求3所述的调节器，其中，

-所述输出端子为第一PMOS功率晶体管(T30)的漏极，

-所述输出电流复制模块包括与所述第一晶体管成对的第二PMOS晶体管，所述第一晶体管的栅极连接到所述第二晶体管的栅极且所述第一晶体管的源极连接到所述第二晶体管的源极，

-所述比较器的输出连接到所述第一晶体管的栅极和所述第二晶体管的栅极，

所述调节器还包括：

-第一电阻(R₃₃)，所述第一电阻设置在所述输出端子和所述比较器的所述第一输入之间，及

-第二电阻(R₃₄)，所述第二电阻设置在所述输出端子和所述比较器的所述第二输入之间。

5.一种包括如权利要求1至4中任一项所述的调节器的装置。

6.一种用于控制低压降电压调节器的方法，所述低压降电压调节器包括输出端子，所述输出端子用于提供根据基准电压调节的输出电压(V_out)，且用于提供输出电流(I_out)，并且所述低压降电压调节器还包括输出电流限制单元(LIMIT3)，所述方法包括：

复制(S60)所述输出电流以提供所述输出电流的镜像电流(I_mirror)，

比较(S61)所述镜像电流与基准电流(I_ref)，

当所述镜像电流大于所述基准电流时，给所述调节器提供反馈(S63)，以限制所述输出电流，及

将所述镜像电流注入(S64)到所述输出端子。

7.如权利要求6所述的方法，还包括：

-将所述参考电流注入到所述输出端子。

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