CN106444950A - 一种宽耐压范围的低压差线性稳压器、芯片及通信终端 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种宽耐压范围的低压差线性稳压器、芯片及通信终端。该低压差线性稳压器包括误差放大器、调整管、反馈电路、动态分压器和动态分压器控制电路；其中动态分压器控制电路连接动态分压器，为动态分压器提供偏置电压；动态分压器设置在误差放大器的输入晶体管和负载晶体管之间；偏置电压随着电源电压的变动而发生变化，使动态分压器所承担的电压相应变化，进而保证误差放大器中的晶体管工作在标称电压范围内。本发明能够随着电源电压的变化自动改变动态分压器的分压，保证每个晶体管的各个端口间电压差不超过自身工艺标称电压值，从而能够应用在较宽的输入电压范围内。

Description

一种宽耐压范围的低压差线性稳压器、芯片及通信终端
技术领域
本发明涉及一种宽耐压范围的低压差线性稳压器，同时也涉及采用该低压差线性稳压器的集成电路芯片及相应的通信终端，属于集成电路技术领域。
背景技术
随着集成电路工艺的相应的芯片尺寸越来越小，耐压等级越来越低。然而在现有通信终端的供电***中，电源电压大多维持在一个较宽范围内，这就对应用在高电压环境中的低压工艺器件带来了巨大挑战。低压工艺器件直接接到高电压环境中，很容易造成器件击穿、烧毁等问题，严重影响集成电路芯片及相应通信终端的正常运行。
作为电源管理类芯片的重要组成部分，低压差线性稳压器(low dropoutregulator，简称为LDO)因为具有低噪声、低成本等优点，在便携式通信终端中得到了越来越广泛的应用。低压差线性稳压器作为通信终端内部模块恒定电压的提供者，一般会直接连接到电源电压，随着电源电压的升高，会使晶体管端电压差超过其自身工艺标称的耐压值，使器件面临烧坏的危险。因此，通过合理设计使各个器件工作在低于标称耐压值是非常必要的。
申请人在专利号为ZL 201510086281.1的中国发明专利中，提出一种宽耐压范围的自适应低压差线性稳压器，包括电源电压***、电压电流转换器、误差放大器、电流镜电路以及动态分压器；电源电压***一端连接电源电压，一端连接电压电流转换器，电压电流转换器连接电流镜输入端，电流镜电路的输出端连接误差放大器中两个输入场效应管的源极；误差放大器中两个负载场效应管的源极连接电源电压；每个输入场效应管与其相应的负载场效应管之间连接动态分压器。在该技术方案中，随着电源电压改变而自动改变器件的偏置条件，进而保证每个器件端口间的电压差不超出自身工艺标称电压值，最终使产品能应用于高出标称电源电压的***或芯片中。
发明内容
本发明所要解决的首要技术问题在于提供一种宽耐压范围的低压差线性稳压器。
本发明所要解决的另一技术问题在于提供一种采用该低压差线性稳压器的集成电路芯片及相应的通信终端。
为实现上述发明目的，本发明采用下述的技术方案：
根据本发明实施例的第一方面，提供一种宽耐压范围的低压差线性稳压器，包括误差放大器、调整管和反馈电路，还包括动态分压器和动态分压器控制电路；
所述动态分压器控制电路连接所述动态分压器，为所述动态分压器提供偏置电压；所述动态分压器设置在所述误差放大器的输入晶体管和负载晶体管之间；
所述偏置电压随着电源电压的变动而发生变化，使所述动态分压器所承担的电压相应变化，进而保证所述误差放大器中的晶体管工作在标称电压范围内。
其中较优地，还包括电流镜电路；所述电流镜电路设置在所述误差放大器与所述动态分压器控制电路之间，用于为所述误差放大器提供偏置电流。
其中较优地，所述动态分压器的一端连接所述输入晶体管的漏极，另一端连接所述负载晶体管的漏极。
其中较优地，所述输入晶体管的源极连接电流镜电路的输出端，所述负载晶体管的源极连接电源电压。
其中较优地，所述动态分压器控制电路由多个MOS管与电阻串联实现。
其中较优地，所述低压差线性稳压器的耐压值由所述动态分压器的电阻参数值与电流镜电路提供电流的镜像倍数的乘积决定。
其中较优地，所述动态分压器由电阻和MOS管并联实现。
其中较优地，在电源电压较低的情况下，所述动态分压器的电阻参数值由所述MOS管的导通电阻决定；在电源电压较高的情况下，所述动态分压器的电阻参数值由所述电阻决定。
根据本发明实施例的第二方面，提供一种集成电路芯片，所述芯片中包括有上述的低压差线性稳压器。
根据本发明实施例的第三方面，提供一种通信终端，所述通信终端中包括有上述的低压差线性稳压器。
与现有技术相比较，本发明所提供的低压差线性稳压器能够随着电源电压的变化自动改变动态分压器的分压，保证每个晶体管的各个端口间电压差不超过自身工艺标称电压值，从而能够应用在较宽的输入电压范围内，同时静态电流不会随着电源电压的变化而变化。
附图说明
图1为本发明的实施例1所提供的低压差线性稳压器的电路原理图；
图2为本发明的实施例2所提供的低压差线性稳压器的电路原理图；
图3是根据示例性实施例示出的一种通信终端的框图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术内容进行详细具体的说明。
如图1所示，在本发明的实施例1所提供的低压差线性稳压器中，包括动态分压器控制电路101、电流镜电路102、误差放大器103、反馈电路105和动态分压器201A、201B。其中，误差放大器103、调整管M7(107)和反馈电路105组成一个基本型的低压差线性稳压器，其输入信号由基准电压Vref控制。在本发明的一个实施例中，调整管M7为PMOS管。反馈电路105由串联的电阻R1和R2组成。电流镜电路102设置在动态分压器控制电路101和误差放大器103之间，其输出端连接误差放大器103中两个输入晶体管的源级，用于为误差放大器103提供偏置电流。动态分压器控制电路101的一端连接电流镜电路102，另一端连接误差放大器103，同时分别连接两个动态分压器201A、201B，用来控制动态分压器的实际阻值。这两个动态分压器201A、201B嵌入误差放大器103的电路内部。
在图1所示的实施例1中，电流镜电路102可以采用最简单的电路结构实现，包括两个栅极对接的NMOS管M1和M2。其中，NMOS管M1的栅极和漏极相连接，漏极连接到参考电流输入端，源极接地；NMOS管M2的漏极连接误差放大器103中两个输入晶体管M5和M6的源极，源极接地。当然，在本发明的其它实施例中，电流镜电路102还可以采用多个NMOS管并联形成。这是本领域技术人员普遍掌握的常规技术手段，在此就不具体说明了。
误差放大器103的作用在于放大输出两个输入信号的差值。在图1所示的实施例1中，误差放大器103的输入晶体管采用NMOS管M5和M6，负载晶体管采用PMOS管M3和M4。其中，两个输入晶体管M5和M6的源极相连，漏极分别连接动态分压器一端；两个负载晶体管M3和M4的源极相连，并连接电源电压VDD处。负载晶体管M3的漏极连接到动态分压器201A一端，负载晶体管M4的漏极连接到动态分压器201B一端，并且作为误差放大器103的输出端与调整管M7的栅极相连。
在图1所示的实施例1中，两个动态分压器201A、201B的一端分别连接到误差放大器103的两个输入晶体管(M5、M6)的漏极，另一端分别连接到误差放大器103的两个负载晶体管(M5对应M3、M6对应M4)的漏极。这两个动态分压器201A和201B所承担的分压值取决于自身流过的电流和自身的阻值，而I_tail为一个固定电流。因此，动态分压器201A和201B的分压值与自身阻值成比例，即动态分压器201A和201B能够动态地承担了电源电压VDD施加于误差放大器103的压降，从而使误差放大器103中所有晶体管的不同端口间的电压差维持在安全的额定工作电压范围内。
图2是本发明所提供的低压差线性稳压器的实施例2的电路原理图。在该实施例2中，也包括动态分压器控制电路101、电流镜电路102、误差放大器103、反馈电路105和动态分压器201A、201B等，其整体连接方式和工作原理与实施例1基本一致，在此就不详细赘述了。
在实施例2中，动态分压器控制电路101采用多个MOS管(M8～M12)与电阻R3串联的实现方式。动态分压器201A、201B也采用电阻(R4和R5)与相应的NMOS管(N1和N2)并联的实现方式。在动态分压器201A、201B中，相应的MOS管栅极电压由动态分压器控制电路通过引脚302提供。动态分压器控制电路101通过引脚301对跟随电源电压VDD发生变化的误差放大器103的负载晶体管M3的漏极电压进行采样。在动态分压器控制电路101中，电阻R3的一端接到电源电压VDD，另一端连接PMOS管M8的源极，PMOS管M8和NMOS管M9的栅极相连接，并与负载晶体管M3的漏极及栅极连接，NMOS管M10的栅极与源极连接，并与NMOS管M9的源极相连，NMOS管M11的栅极与源极连接，并与NMOS管M10的源极相连，NMOS管M12的栅极与源极连接，并与NMOS管M11的源极相连。上述NMOS管M10、M11和M12的作用在于对电源电压VDD进行分压，保证动态分压器控制电路101中所有晶体管工作在额定电压范围内。
与现有技术相比较，本发明所提供的低压差线性稳压器在现有低压差线性稳压器的基本电路(主要由误差放大器103、调整管M7(107)和反馈电路105组成)的基础上增加了在不同电源电压下能够自动调节的动态分压器及动态分压器控制电路。其中，动态分压器控制电路一端连接到电源电压，一端连接到地，用来控制动态分压器的阻值。动态分压器一端连接到误差放大器的输入晶体管的漏极，一端连接到误差放大器的负载晶体管的漏极，其用于承担电源电压施加到误差放大器的压降。在误差放大器中，两个负载晶体管的源极连接电源电压，两个输入晶体管的源极连接电流镜电路的输出端。该电流镜电路为误差放大器提供偏置电流。
在低压差线性稳压器进行工作时，动态分压器控制电路为动态分压器提供的偏置电压会随着电源电压的改变而发生变化，而动态分压器串联于误差放大器的输入晶体管与负载晶体管之间，当电源电压升高时，动态分压器所承担的电压增大，进而保证误差放大器中的所有晶体管的各个端口之间的电压差维持在其工艺要求的标称电压范围内。下面通过具体的计算示例展开详细说明。
参考图2所示的实施例2的电路原理图，在实施例2中设定电流镜的参考电流为I_r，假设电流镜电路的镜像倍数为N，即M2是M1的N倍，则I_tail＝N*I_r。误差放大器103工作在平衡状态时，两个输入晶体管(M5、M6)所在的两条支路电流相等，为I_rail/2，由于I_r为固定电流，因此，I_tail也为一个固定电流。由此可知，误差放大器103的两条支路电流固定，不会随着电源电压VDD变化而发生变化。此时，对于漏极与栅极连接的负载晶体管M3的漏极电压(即引脚301 处的电压)会随着电源电压而发生线性变化，引脚301处的电压可以表示为：
V301＝VDD-Vsg(M3) (1)
其中，Vsg(M3)为负载晶体管M3的源极与栅极的电压差。负载晶体管M3工作于饱和区，因此其电流与电压的关系可以表示为：
其中，up为空穴迁移率，Cox为单位面积的栅氧化层电容，Vtp为PMOS管的开启电压。
由于电流ID(M3)为固定值，因此负载晶体管M3的源极与栅极电压差Vsg(M3)为固定值，不会随着电源电压发生变化。
在动态分压器控制电路101中，PMOS管M8的源极与栅极的电压差为：
Vsg(M8)＝VDD-I101R3-V301 (3)
PMOS管M8工作在饱和区的源极与栅极的电压差可表示为：
结合公式(1)、公式(3)和公式(4)可得：
由公式(5)可以看出，本发明中动态分压器201A、201B的静态电流不会随着电源电压发生变化，在实践中可以控制为一个很小的数值。
在电源电压VDD较低的情况下，负载晶体管M3的漏极电压(即引脚301处的电压)较低，由于起到分压作用的MOS管M10、M11和M12也会承担一部分电压。此时，动态分压器201A、201B中的NMOS管N1、N2的栅极电压较高，相应的导通电阻较小，这两个NMOS管N1和N2的导通电阻起主要的分压作用，此时误差放大器中的输入晶体管(M5、M6)和负载晶体管M3和M4的分压很小，使这些晶体管能够正常工作在饱和区。
在电源电压VDD较高的情况下，PMOS管M8和NMOS管M9的栅极电压(即引脚301处的电压)升高，引脚302处的电压降低，使得动态分压器201A、201B中的NMOS管N1、N2的导通电阻较大，并分别与R4、R5并联进行分压。电源电压VDD继续升高，引脚302处的电压进一步降低。此时，NMOS管N1、N2的导通电阻会远远大于各自并联的电阻R4、R5，因此电阻R4和R5起主要的分压作用。电阻R4和R5的使用，电可以防止NMOS管N1、N2的导通电阻过大，造成误差放大器103无法正常工作。
下面对电阻R4和R5的取值过程进行说明。假设最大电源电压时，电阻R4和R5起主要作用，且R4＝R5＝R，动态分压器201A、201B所承担的电压可表示为：
V201＝(I_rail/2)*R (6)
为了使误差放大器103的输入对管漏源电压Vds_pair不超过标称值V标，则需满足公式(7)。
Vds_pair≤V标
(7)
VDDmax-|Vtp|-Vds-V201≤V标
即(8)
其中，Vds为尾电流源漏极和源极之间的电压。
结合公式(6)和公式(7)，同时将I_tail＝N*I_r代入，可得到电阻R和N必须满足公式(9)的约束条件。
N*R≥(VDDmax-|Vrp|-Vds-V标)/I_r (9)
由公式(9)可以看出，在参考电流I_r给定的情况下，只需要改变N*R的数值就可以调节低压差线性稳压器所能承受的最大耐压值。具体地说，低压差线性稳压器的最高耐压值主要由动态分压器的电阻参数值与电流镜电路提供电流的镜像倍数的乘积所决定。
综上所述，本发明所提供的宽耐压范围的低压差线性稳压器能够随着电源电压的改变自动调节动态分压器的分压值，从而保证各晶体管工作在其工艺要求的标称电压范围内；并且，该低压差线性稳压器的静态电流不会随着电源电压的变化而变化。
上述实施例中所示出的宽耐压范围的低压差线性稳压器可以被用在集成电路芯片(如电源管理类芯片)中，用于实现电源电压的供应功能。对该集成电路芯片中的低压差线性稳压器的具体结构，在此就不再一一详述了。
另外，上述低压差线性稳压器还可以被用在通信终端中，作为电源管理电路的重要组成部分。图3是根据示例性实施例示出的一种通信终端的框图。这里所说的通信终端指可以在移动环境中使用、支持GSM，EDGE、TD_SCDMA、TDD_LTE、FDD_LTE等多种通信制式的计算机设备，包括但不限于移动电话、笔记本电脑、平板电脑、车载电脑等。参照图3，该通信终端可以包括以下一个或多个组件：处理组件、存储器、电源组件、多媒体组件、音频组件、输入/输出(I/O)接口、传感器组件以及通信组件。在这些组件中，采用了包含上述低压差线性稳压器的电源管理电路。
处理组件通常控制装置的整体操作，诸如与显示、电话呼叫、数据通信、相机操作和记录操作相关联的操作。处理组件可以包括一个或多个处理器来执行指令，以完成上述方法的全部或部分步骤。此外，处理组件可以包括一个或多个模块，便于处理组件和其他组件之间的交互。例如，处理部件可以包括多媒体模块，以方便多媒体组件和处理组件之间的交互。
存储器被配置为存储各种类型的数据以支持在该通信终端上的操作。这些数据的示例包括用于在该通信终端上操作的任何应用程序或方法的指令、联系人数据、电话簿数据、消息、图片、视频等。存储器可以由任何类型的易失性或非易失性存储设备或者它们的组合实现，如静态随机存取存储器(SRAM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)、可编程只读存储器(PROM)、只读存储器(ROM)、磁存储器、快闪存储器、磁盘或光盘。
电力组件为该通信终端的各种组件提供电力。电力组件可以包括电源管理***，一个或多个电源，及其他与为该通信终端生成、管理和分配电力相关联的组件。
多媒体组件包括在该通信终端和用户之间的提供一个输出接口的屏幕。在一些实施例中，屏幕可以包括液晶显示器(LCD)和触摸面板(TP)。如果屏幕包括触摸面板，屏幕可以被实现为触摸屏，以接收来自用户的输入信号。触摸面板包括一个或多个触摸传感器以感测触摸、滑动和触摸面板上的手势。触摸传感器可以不仅感测触摸或滑动动作的边界，而且还检测与所述触摸或滑动操作相关的持续时间和压力。在一些实施例中，多媒体组件包括一个前置摄像头和/或后置摄像头。当该通信终端处于操作模式，如拍摄模式或视频模式时，前置摄像头和/或后置摄像头可以接收外部的多媒体数据。每个前置摄像头和后置摄像头可以是一个固定的光学透镜***或具有焦距和光学变焦能力。
音频组件被配置为输出和/或输入音频信号。例如，音频组件包括一个麦克风(MIC)，当该通信终端处于操作模式，如呼叫模式、记录模式和语音识别模式时，麦克风被配置为接收外部音频信号。所接收的音频信号可以被进一步存储在存储器或经由通信组件发送。在一些实施例中，音频组件还包括一个扬声器，用于输出音频信号。
I/O接口为处理组件和***接口模块之间提供接口，上述***接口模块可以是键盘、点击轮、按钮等。这些按钮包括但不限于：主页按钮、音量按钮、启动按钮和锁定按钮。
传感器组件包括一个或多个传感器，用于为该通信终端提供各个方面的状态评估。例如，传感器组件可以检测到该通信终端的打开/关闭状态，组件的相对定位，例如所述组件为该通信终端的显示器和小键盘，传感器组件还可以检测该通信终端或该通信终端一个组件的位置改变，用户与该通信终端接触的存在或不存在，该通信终端方位或加速/减速和该通信终端的温度变化。传感器组件可以包括接近传感器，被配置用来在没有任何的物理接触时检测附近物体的存在。传感器组件还可以包括光传感器，如CMOS或CCD图像传感器，用于在成像应用中使用。在一些实施例中，该传感器组件还可以包括加速度传感器、陀螺仪传感器、磁传感器、压力传感器或温度传感器。
通信组件被配置为便于该通信终端和其他设备之间有线或无线方式的通信。该通信终端可以接入基于通信标准的无线网络，如WiFi、2G或3G，或它们的组合。在一个示例性实施例中，通信组件经由广播信道接收来自外部广播管理***的广播信号或广播相关信息。在一个示例性实施例中，通信组件还包括近场通信(NFC)模块，以促进短程通信。例如，在NFC模块可基于射频识别(RFID)技术、红外数据协会(IrDA)技术、超宽带(UWB)技术、蓝牙(BT)技术和其他技术来实现。
上面对本发明所提供的低压差线性稳压器、芯片及通信终端进行了详细的说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本发明实质精神的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本发明专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。

Claims (10)

1.一种宽耐压范围的低压差线性稳压器，包括误差放大器、调整管和反馈电路，其特征在于还包括动态分压器和动态分压器控制电路；
所述动态分压器控制电路连接所述动态分压器，为所述动态分压器提供偏置电压；所述动态分压器设置在所述误差放大器的输入晶体管和负载晶体管之间；
所述偏置电压随着电源电压的变动而发生变化，使所述动态分压器所承担的电压相应变化，进而保证所述误差放大器中的晶体管工作在标称电压范围内。
2.如权利要求1所述的低压差线性稳压器，其特征在于还包括电流镜电路；
所述电流镜电路设置在所述误差放大器与所述动态分压器控制电路之间，用于为所述误差放大器提供偏置电流。
3.如权利要求1或2所述的低压差线性稳压器，其特征在于：
所述动态分压器的一端连接所述输入晶体管的漏极，另一端连接所述负载晶体管的漏极。
4.如权利要求1或2所述的低压差线性稳压器，其特征在于：
所述输入晶体管的源极连接电流镜电路的输出端，所述负载晶体管的源极连接电源电压。
5.如权利要求1或2所述的低压差线性稳压器，其特征在于：
所述动态分压器控制电路由多个MOS管与电阻串联实现。
6.如权利要求1或2所述的低压差线性稳压器，其特征在于：
所述低压差线性稳压器的耐压值由所述动态分压器的电阻参数值与电流镜电路提供电流的镜像倍数的乘积决定。
7.如权利要求1所述的低压差线性稳压器，其特征在于：
所述动态分压器由电阻和MOS管并联实现。
8.如权利要求7所述的低压差线性稳压器，其特征在于：
在电源电压较低的情况下，所述动态分压器的电阻参数值由所述MOS管的导通电阻决定；在电源电压较高的情况下，所述动态分压器的电阻参数值由所述电阻决定。
9.一种集成电路芯片，其特征在于，所述集成电路芯片中包括有权利要求1～8中任意一种所述的低压差线性稳压器。
10.一种通信终端，其特征在于，所述通信终端中包括有权利要求1～8中任意一种所述的低压差线性稳压器。
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