CN107783581A - 一种抗单粒子瞬态效应的低压降线性稳压器电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种抗单粒子瞬态效应的低压降线性稳压器电路。该电路主要由基准源电路、误差放大器电路、电阻分压电路、RC滤波电路、功率管网络和限幅电路构成。所述功率管网络由多个小尺寸功率管组成，功率管之间通过传输门相连，形成一定的传播延迟，功率管网络能够降低因误差放大器输出信号突变造成的LDO输出信号的变化幅度；所述限幅电路由多个二极管串联构成，连接在LDO的输出端，对LDO的输出进行限幅。本发明能够降低或避免辐射环境中单粒子瞬态效应的影响，确保LDO输出电压的稳定，提高***的可靠性，具有结构简单、实现方便、仅需在常见电路中添加少量电路等优点。

Description

一种抗单粒子瞬态效应的低压降线性稳压器电路

技术领域

本发明涉及一种基于CMOS工艺的抗单粒子瞬态(SET)效应的低压降线性稳压器(LDO)电路，属于集成电路设计领域。

背景技术

随着集成电路特征尺寸的不断缩小，针对太空辐射环境中高能粒子撞击所引发的单粒子瞬态(SET)效应越发不容忽视。低压降线性稳压器LDO 可以实现高输入电压向低输出电压转换，广泛应用于片上***(SoC)和各类单电源***中。稳定的电源模块是确保***稳定工作的关键，单粒子瞬态(SET)效应会造成LDO的输出产生剧烈变化，从而引发整个***出现错误甚至瘫痪。

常见的LDO电路如图1所示，它由基准源、误差放大器、功率管和反馈电阻构成。其中基准源提供参考电平VREF作为误差放大器(Error Amplifier)的一个输入，反馈电阻将输出电平分压后作为误差放大器的另一个输入，误差放大器通过比较这两个输入来控制功率管的导通程度。当 VREF大于电阻R2的电压时，误差放大器输出一个较低的电平，此时功率管导通程度变强，电流增加，VDDLV增加，电阻R2的电压增加；同理当 VREF小于电阻R2的电压，VDDLV减小，电阻R2的电压减小；最终使得输出电压VDDLV满足：VDDLV＝(1+R1/R2)×VREF。

已有的LDO电路结构对单粒子瞬态效应非常敏感，当高能粒子轰击到电路某些敏感节点时，LDO的输出会发生剧烈的变化。例如当高能粒子轰击到图1中的Z节点时，Z节点的电压会出现突然升高或降低的变化，这导致功率管的输出电流会突然的减小或增加，这使得输出电压VDDLV短时间内发生剧烈变化。当高能粒子轰击到基准源电路时，基准源的输出VREF 发生较大幅度的波动，由于LDO通常具有较小的环路带宽，所以LDO的输出会非常缓慢的响应VREF的变化，但变化幅度仍然较大。当高能粒子轰击误差放大器时，所引起的变化与直接轰击Z节点相似，不再追述。VDDLV 为负载电路(Load)提供电源，VDDLV的剧烈变化会导致负载电路功能失效，甚至造成器件损伤。

如何减小LDO的输出因单粒子瞬态效应引起的变化，实现一种抗单粒子瞬态效应的LDO电路，是本领域亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种抗单粒子瞬态的低压线性稳压器电路，降低因单粒子瞬态效应造成的电路输出波动，实现低压线性稳压器电路在宇航工程中的应用。

本发明目的通过如下技术方案予以实现：

提供一种抗单粒子瞬态的低压线性稳压器电路，包括基准源电路、RC 滤波电路、误差放大器电路、功率管网络和电阻分压电路；

所述基准源电路提供基准电压；

RC滤波电路对基准电压进行滤波；

误差放大器电路对滤波后的基准电压与电阻分压电路输出的反馈电压作差，并放大差值电压，输出电压至功率管网络；

电阻分压电路将功率管网络的输出电压进行分压后，输出反馈电压至误差放大器电路；

功率管网络在误差放大器电路输出电压的控制下，向负载提供输出电压。

优选的，功率管网络包括N个PMOS管和N-1个传输门；每个PMOS 管源极与输入电源相连，漏极与电压输出端口相连；每两个相邻的PMOS 管的栅极之间连接一个传输门，第一个PMOS管的栅极连接误差放大器电路的输出端。

优选的，每个PMOS管的尺寸为1/N*(W/L),其中W/L为低压线性稳压器电路所需的功率管总尺寸。

优选的，低压线性稳压器电路所需的功率管总尺寸的确定方法为： W/L≥VDDLV/[μ*C_ox*(1/2*VDDHV+1/2*VDDLV-Vz_min-V_TH)*(VDDHV-VDDLV)*R_Load] 其中μ为PMOS功率管的迁移率，C_ox为PMOS功率管的栅氧电容，Vz_min为误差放大器最小输出电压，V_TH为PMOS功率管的阈值电压，R_Load为负载的等效电阻，VDDHV为PMOS管源极连接的输入电源的电压，VDDLV为PMOS管漏极的输出电压。

优选的，所述传输门的延时时间t满足t_L<t<t_H；t_L为传输门的延时时间的下限，大于单粒子引起的误差放大器电路输出瞬态脉冲宽度；t_H为传输门的延时时间的上限，正比与传输门等效导通电阻的大小。

优选的，t_H的确定方法为：1/N*10*W_z*R_on*C_eq<<1， t_H＝1/N*R_on*C_eq<1/(10*W_z)，其中W_z为误差放大器电路输出节点对应的极点频率，R_on为传输门等效导通电阻，C_eq为PMOS管总的寄生电容。

优选的，RC滤波电路为低通滤波器，其传输函数H_RC应满足： |f_SET*H_bg*H_RC*(R1+R2)/R2|<(△VDDLV)_max，其中f_SET为基准源内部被单粒子轰击的节点产生的瞬态变化信号，H_bg为所述基准源内部被单粒子轰击的节点到基准源输出节点的传输函数，f_SET*H_bg*H_RC为RC滤波器输出信号的变化，R1、R2为电阻分压网络上下分压电阻的阻值，(△VDDLV) _max为负载所能承受的最大电压波动。

优选的，还包括限幅电路，对功率管网络的输出电压进行限幅。

优选的，限幅电路为多个串联的二极管，二极管的数量应满足：

(VDDLV)_typ/V_on<N<V_max/V_on，其中(VDDLV)_typ为低压线性稳压器电路正常工作时的输出电压，V_max为负载最大承载电压能力，V_on为单个二极管的导通电压。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)本发明利用RC滤波的方式，对高能粒子轰击基准源造成的基准源输出瞬态波动进行滤波，降低基准源输出波动幅度，从而降低LDO电路输出电平的波动，实现了对基准源电路单粒子瞬态效应的衰减。

(2)本发明利用功率管网络来替代单个功率管，本质上是将一个大尺寸的功率管，拆分成了多个小尺寸的功率管。当误差放大器的输出节点因单粒子瞬态效应出现电平突然增加的情况时，现有的LDO结构因为只有一个功率管，所以随着功率管的突然关闭，输出电流骤降，本发明由于采用了多个功率管，且各个功率管之间均通过传输门连接，传输门具有一定的延迟，因为单粒子瞬态的传播需要一定的时间，合理调整传输门的延迟可以使得单粒子瞬态效应仅能导致一个或者少数几个功率管在同一时刻关闭，从而不会造成输出电流骤降，实现了对误差放大器电路等具有快速单粒子瞬态响应电路的单粒子瞬态效应的屏蔽。

(3)本发明利用限幅电路对LDO的输出进行限幅。对于现有LDO结构，当单粒子瞬态效应引起LDO输出电平的大幅度增加时，受LDO驱动的负载电路将承受过高的电压，这可能会造成电路的工作异常，甚至会造成器件损伤。本发明利用多个二极管串联的限幅电路对LDO的输出进行限幅，当LDO的输出高于这些二极管的导通电压之和时，各个二极管导通，输出电流通过二极管泄放，输出电压降低；当LDO的输出低于这些二极管的导通电压之和时，二极管不起作用，与现有结构无异。本发明限制了LDO电路因单粒子瞬态效应造成的LDO输出过高的情况，实现了对负载电路的保护。

(4)本发明通过RC滤波电路、功率管网络以及限幅电路的组合使用，对LDO电路各个部分进行了保护，全面降低了单粒子的干扰，保证了输出电压既没有大幅升高也没有大幅降低。

高能粒子轰击基准源造成瞬态波动会经LDO低通环路的作用以慢速瞬态变化反映到功率管网络，由于中传输门的延迟不能过大，所以单纯的功率管网络仅能滤除单粒子引起的快速瞬态变化，而对于单粒子轰击基准源引起的慢速变化效果较弱，本发明利用RC滤波电路专门用于滤除基准源的单粒子瞬态。所以RC滤波电路与功率管网络组合既能够消除单粒子引起的快速瞬态变化，又能够减弱单粒子引起的慢速瞬态变化，为LDO提供了全方位的保护。

(5)本发明与现有技术相比能够显著的降低或者屏蔽单粒子瞬态效应对负载电路的影响，具有很强的抗单粒子瞬态效应的能力。

附图说明

图1为已有常见的低压降线性稳压器LDO电路。

图2为本发明所述的一种抗单粒子瞬态效应的低压降线性稳压器电路。

图3为本发明传输门结构示意图。

具体实施方式

如图1所示为现有的低压降线性稳压器LDO电路包括基准源电路11、误差放大器电路12，PMOS功率管13，电阻14和15组成的分压电路。在空间环境中，基准源电路11和误差放大器电路12会受到单粒子的干扰，导致LDO电路的输出大幅波动，可能导致负载工作出现错误，严重情况下会导致负载失效。

如图2所示一种抗单粒子瞬态效应的低压降线性稳压器电路包括基准源电路21、RC滤波电路22、误差放大器电路23、功率管网络24、电阻分压电路25、以及限幅电路26；

基准源电路提供基准电压VREF；

误差放大器电路对基准电压VREF与电阻分压电路25输出的反馈电压 VFB作差，并放大差值电压，输出至功率管网络24；

电阻分压电路将功率管网络24的输出电压VDDLV进行分压后，输出反馈电压VFB；

限幅电路26对功率管网络24的输出电压VDDLV进行限幅。根据负载的承载电压能力，限制功率管网络24的输出电压VDDLV的幅值，同时限幅电路26应在LDO稳定工作时关闭，以避免误开启对正常工作状态造成干扰。例如负载的承载能力为V_max，如果限幅电路26所用二极管的导通电压为V_on，则选择VDDLV/V_on与V_max/V_on的值之间的整数作为串联二极管的个数。

RC滤波电路包括一个电阻221和一个电容222，电阻221的一端连接基准源的输出，电阻221的另一端连接电容222的一端，同时连接误差放大器的负输入端，电容222的另一端接地；RC滤波电路组成低通滤波器，滤除基准源电路21由单粒子效应引起的瞬态波动。

RC滤波电路为低通滤波器，其传输函数H_RC应满足：

|f_SET*H_bg*H_RC*(R1+R2)/R2|<(△VDDLV)_max，其中f_SET为单粒子轰击到基准源某节点引起的瞬态变化信号，H_bg为该节点到基准源输出节点的传输函数，f_SET*H_bg*H_RC即为RC滤波器输出信号的变化△VREF，R1、 R2为电阻分压网络上下两电阻值，(R1+R2)/R2为误差放大器、功率管网络和反馈网络的组合的闭环传输函数，(△VDDLV)_max为负载所能承受的最大电压波动。

功率管网络包括第一PMOS管2411、第二PMOS管2412、……、第 N PMOS管241n和第一传输门2421、第二传输门2422、……、第N-1传输门242n-1。误差放大器21的输出与第一PMOS管2411的栅极相连，同时与第一传输门2421的输入端相连，第一PMOS管2411的源极与输入电源VDDHV相连，第一PMOS管2411的漏极与LDO电路的输出端口VDDLV 相连；第一传输门2421的输出端与第二PMOS管2412的栅极相连，同时与第二传输门2422的输入端相连，第二PMOS管2412的源极与输入电源 VDDHV相连，第二PMOS管2412的漏极与LDO电路的输出端口VDDLV 相连；第二传输门2422的输出端与第三PMOS管2413的栅极相连，同时与第三传输门2423的输入端相连，第三PMOS管2413的源极与输入电源 VDDHV相连，第三PMOS管2413的漏极与LDO电路的输出端口VDDLV 相连；以此类推，第N-2传输门242n-2的输出端与第N-1PMOS管241n-1 的栅极相连，同时与第N-1传输门242n-1的输入端相连，第N-1PMOS管241n-1的源极与输入电源VDDHV相连，第N-1PMOS管241n-1的漏极与LDO电路的输出端口VDDLV相连；第N-1传输门242n-1的输出端与第 N PMOS管241n的栅极相连，第N PMOS管241n的源极与输入电源 VDDHV相连，第N PMOS管241n的漏极与LDO电路的输出端口VDDLV 相连。PMOS管为N个，每两个PMOS管之间放置一个传输门，传输门为 N-1个，PMOS管的尺寸为传统单个PMOS管尺寸的1/N，没有单粒子干扰的情况下，N个PMOS管均正常工作，提供电流的能力与传统单个PMOS 管相通；当存在单粒子干扰的情况下，误差放大器电路23的输出Z点产生一定宽度的干扰，干扰传递过程中经过了传输门的延时，使得不同的功率管不会同时被干扰，每次仅有一个或少量几个功率管被干扰，其他功率管正常工作，仍能保证输出电压的波动较小，满足负载要求。每个PMOS功率管管的尺寸为1/N*(W/L),其中W/L为同等负载条件下常规LDO电路所需的功率管尺寸。

传输门的延时时间(或少量几个传输门的延迟时间)的下限应大于单粒子引起的误差放大器电路23输出瞬态脉冲宽度，传输门的延时时间的上限应满足电路稳定性的要求，传输门的延时时间取决于传输门的等效导通电阻的大小，导通电阻不能过大，以避免零极点分布与传统LDO结构相比发生较大改变，可以近似认为功率管网络的等效阻抗在小于10倍的极点频率的范围内与传统LDO的功率管寄生电容的等效阻抗近似。可由如下公式确定： t_H＝1/N*R_on*C_eq<1/(10*W_z)，其中W_z为误差放大器电路输出节点对应的极点频率，R_on为传输门等效导通电阻，C_eq为传统LDO的功率管寄生电容。传输门的延时时间的下限应大于等于单粒子引起的误差放大器电路(23)输出瞬态脉冲宽度。

如图3所示，每个传输门2421～242n-1包括一个PMOS管31和一个 NMOS管32，它们的漏极相接、源极相接，分别连接到传输门的输入端IN 和输出端OUT，PMOS管31的栅极连接到低电平“0”，NMOS管32的栅极连接到高电平“1”，形成一个常通的传输门结构。

限幅电路包括第一二极管261、第二二极管262、……、第M二极管 26m，它们首尾相接，第一二极管261的正极接LDO电路的输出端VDDLV，第M二极管26m的负极接地。

限幅电路26为多个串联的二极管，二极管的数量应满足：(VDDLV) _typ/V_on<N<V_max/V_on，其中(VDDLV)_typ为LDO正常工作时的输出电压，V_max为负载最大承载电压能力，V_on为二极管的导通电压。从而保证限幅电路26 在LDO正常工作时不开启，而在VDDLV因单粒子轰击而上升到负载最大承载电压V_max之前开启并对负载进行保护。

基准源电路21受单粒子轰击引起VREF的瞬态变化，由于误差放大器电路23、功率管网络24和电阻分压电路25组成的反馈环路具有低通特性，所以基准源电路21的瞬态变化传导到误差放大器电路23的输出端后，变为慢速变化，单纯使用功率管网络24不足以消除慢速的影响，因此基准源电路21的输出端就进行低通滤波，降低单粒子引起的幅度变化。

太空辐射环境中高能粒子撞击所引发的单粒子瞬态对航天飞行器的电源干扰较大，导致航天飞行器中电子设备出现电压不稳定的情况，通过改进低压降线性稳压器LDO的电路结构，保证了低压降线性稳压器输出电压的稳定性。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (9)

1.一种抗单粒子瞬态的低压线性稳压器电路，其特征在于：包括基准源电路(21)、RC滤波电路(22)、误差放大器电路(23)、功率管网络(24)和电阻分压电路(25)；

所述基准源电路(21)提供基准电压(201)；

RC滤波电路(22)对基准电压进行滤波；

误差放大器电路(23)对滤波后的基准电压与电阻分压电路(25)输出的反馈电压作差，并放大差值电压，输出电压至功率管网络(24)；

电阻分压电路将功率管网络(24)的输出电压进行分压后，输出反馈电压至误差放大器电路；

功率管网络(24)在误差放大器电路(23)输出电压的控制下，向负载提供输出电压。

2.根据权利要求1所述的抗单粒子瞬态的低压线性稳压器电路，其特征在于，功率管网络(24)包括N个PMOS管和N-1个传输门；每个PMOS管源极与输入电源相连，漏极与电压输出端口相连；每两个相邻的PMOS管的栅极之间连接一个传输门，第一个PMOS管的栅极连接误差放大器电路的输出端。

3.根据权利要求2所述的抗单粒子瞬态的低压线性稳压器电路，其特征在于，每个PMOS管的尺寸为1/N*(W/L),其中W/L为低压线性稳压器电路所需的功率管总尺寸。

4.根据权利要求2所述的抗单粒子瞬态的低压线性稳压器电路，其特征在于，低压线性稳压器电路所需的功率管总尺寸的确定方法为：

W/L≥VDDLV/[μ*C_ox*(1/2*VDDHV+1/2*VDDLV-Vz_min-V_TH)*(VDDHV-VDDLV)*R_Load]其中μ为PMOS功率管的迁移率，C_ox为PMOS功率管的栅氧电容，Vz_min为误差放大器最小输出电压，V_TH为PMOS功率管的阈值电压，R_Load为负载的等效电阻，VDDHV为PMOS管源极连接的输入电源的电压，VDDLV为PMOS管漏极的输出电压。

5.根据权利要求2所述的抗单粒子瞬态的低压线性稳压器电路，其特征在于，所述传输门的延时时间t满足t_L<t<t_H；t_L为传输门的延时时间的下限，大于单粒子引起的误差放大器电路(23)输出瞬态脉冲宽度；t_H为传输门的延时时间的上限，正比与传输门等效导通电阻的大小。

6.根据权利要求5所述的抗单粒子瞬态的低压线性稳压器电路，其特征在于，t_H的确定方法为：1/N*10*W_z*R_on*C_eq<<1，t_H＝1/N*R_on*C_eq<1/(10*W_z)，其中W_z为误差放大器电路输出节点对应的极点频率，R_on为传输门等效导通电阻，C_eq为PMOS管总的寄生电容。

7.根据权利要求1所述的抗单粒子瞬态的低压线性稳压器电路，其特征在于，RC滤波电路为低通滤波器，其传输函数H_RC应满足：

|f_SET*H_bg*H_RC*(R1+R2)/R2|<(△VDDLV)_max，其中f_SET为基准源内部被单粒子轰击的节点产生的瞬态变化信号，H_bg为所述基准源内部被单粒子轰击的节点到基准源输出节点的传输函数，f_SET*H_bg*H_RC为RC滤波器输出信号的变化，R1、R2为电阻分压网络上下分压电阻的阻值，(△VDDLV)_max为负载所能承受的最大电压波动。

8.根据权利要求1或2所述的抗单粒子瞬态的低压线性稳压器电路，其特征在于，还包括限幅电路(26)，对功率管网络(24)的输出电压进行限幅。

9.根据权利要求1或2所述的抗单粒子瞬态的低压线性稳压器电路，其特征在于，限幅电路(26)为多个串联的二极管，二极管的数量应满足：

(VDDLV)_typ/V_on<N<V_max/V_on，其中(VDDLV)_typ为低压线性稳压器电路正常工作时的输出电压，V_max为负载最大承载电压能力，V_on为单个二极管的导通电压。