CN110018707A - 具有过流保护功能的低压差线性稳压器电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有过流保护功能的低压差线性稳压器电路。本发明包括稳压器部分、电流检测部分和电流控制部分，本发明的技术效果在于，取样精度高、电路稳定性好。本发明采用了电流‑电压转换型的取样电路，而不是基于取样电阻，这就避免了取样电阻容易受到温度、工艺影响等问题。取样稳定性好。本发明采用的源极跟随器的取样结构可以抑制输出电压变化带来的采样过电流阈值的变化，可以使得LDO的输入电压范围较宽。电路结构简单。且采用“折返式”工作模式，能够有效增强过流的保护能力。

Description

具有过流保护功能的低压差线性稳压器电路

技术领域

本发明涉及一种具有过流保护功能的低压差线性稳压器电路。

背景技术

当今，以智能手机为代表的各类便携式电子设备高速发展，其在经济、社会中发挥着重要的作用。性能优良的电源管理芯片是先进便携式电子设备的基础，是保证电子***正常工作的基本要求。外部供电电源中不可避免地包含高频噪声或纹波电压。这些高频噪声电压通常会通过耦合电容、直流通路在电子***内传播。当噪声信号的幅度与正常信号相当时，电子***无法正常工作。电源管理芯片的主要作用就是降低电子***电源中的高频噪声、提高电源抑制比、抑制输出负载电流变化对电源电压的影响。

常见的电源管理芯片包括开关电源DC-DC和低压差线性稳压器(LDO)。开关电源虽然具有效率高的优点，但由于需要外接电感或变压器，其存在开关噪声较大、电路体积庞大等问题。LDO线性稳压器因其具有集成度高、噪声低、静态电流低、结构简单等优点而得到了越来越广泛的应用。

电源的保护措施对整个电子***非常重要，，如过电压、过电流、过热保护等。当电子产品出现故障时，例如输入侧的短路或者输出侧的开路，则电源必须断开其输出电压，才能避免功率和输出侧设备的烧毁事故。然而直接关闭电源并不合适，过电流事件解除后电路还要能够恢复工作。因此，设计出一种不影响LDO正常工作的过电流保护结构对于便携式电子设备的电源电路的设计非常关键。

发明内容

本发明解决的主要技术问题是，提供了一适用于LDO稳压器的具有过流保护功能的低压差线性稳压器电路，其作用是检测LDO的过电流状态，并自适应地降低功率管上的电流，避免在过流保护阶段功率管上因长时间的大电流而损坏。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案是：

一种具有过流保护功能的低压差线性稳压器电路，包括稳压器部分和过流保护部分，所述的稳压器部分包括电压基准源、误差放大器、功率管和反馈电阻，所述的电压基准源连接误差放大器和过流保护部分以提供基准电压，所述的误差放大器、反馈电阻、功率管和过流保护部分互相连接，所述的功率管提供用于驱动负载工作的电源，所述的反馈电阻采集功率管的输出电压并反馈至误差放大器，误差放大器通过从反馈电阻得到反馈信息调整功率管的导通电流大小；所述的过流保护部分包括电流检测单元和电流控制单元，所述的电流检测单元连接至功率管以监测功率管电流并将监测到的信息发送至电流控制单元，所述的电流控制单元在发生过流且功率管电流大于第一阈值时钳制功率管电压保持稳定以使电流不再增大，当功率管电流大于第二阈值时上拉功率管电压以使电流下降，其中第二阈值大于第一阈值。

所述的一种具有过流保护功能的低压差线性稳压器电路，所述的电流控制单元包括用于钳制功率管电压保持稳定的“折式”保护电路和用于上拉功率管电压的“返式”保护电路，所述的“折式”保护电路连接功率管和电流检测单元，并在功率管电流大于第一阈值时由电流检测单元启动，与功率管和电流检测单元之间形成负反馈回路以钳制功率管电压保持稳定，所述的“返式”保护电路连接“折式”保护电路和功率管，并在功率管电流大于第二阈值时由功率管启动，以上拉功率管电压以使电流下降。

所述的一种具有过流保护功能的低压差线性稳压器电路，所述的电流检测单元包括第二晶体管M2、第三晶体管M3和过流检测电压比较器AP，所述的第二晶体管M2的栅极和漏极耦合到输入电压源VCC，源极耦合到第四节点n4；所述的第三晶体管M3的栅极耦合到第二基准电压源V_ref2，漏极耦合到第四节点n4，源极耦合到地电平GND；所述的过流检测电压比较器AP的正相输入端耦合到第四节点n2，负相输入端耦合到第四节点n4，输出端耦合到第五节点n5；

所述的一种具有过流保护功能的低压差线性稳压器电路，所述的“折式”保护电路包括第四晶体管M4，所述的第四晶体管M4的栅极耦合到第五节点n5，源极耦合到输入电压源VCC，漏极耦合到第二节点n2。

所述的一种具有过流保护功能的低压差线性稳压器电路，所述的“返式”保护电路包括第五晶体管M5、第六晶体管M6和第三电阻R3，所述的第五晶体管M5的栅极耦合到第六节点n6，源极耦合到输入电压源VCC，漏极耦合到第二节点n2，所述的第六晶体管M6的栅极耦合到第三基准电压源V_ref3，源极耦合到输入电压源VCC，漏极耦合到第三节点n3，所述的第三电阻R3耦合到第六节点n6和输入电压源VCC之间。

所述的一种具有过流保护功能的低压差线性稳压器电路，所述的“返式”保护电路第五晶体管M5、第六晶体管M6、第七晶体管M7、第八晶体管M8、第九晶体管M9、第三电阻R3和第四电阻R4；所述的第五晶体管M5的栅极耦合到第六节点n6，源极耦合到输入电压源VCC，漏极耦合到第二节点n2；所述的第六晶体管M6的栅极耦合到第九晶体管M9的栅极，源极耦合到第三节点n3，漏极耦合到第六节点n6；所述的第七晶体管M7的栅极耦合到第二节点n2，源极耦合到输入电压源VCC，漏极耦合到第八晶体管M8的源极；所述的第八晶体管M8的栅极耦合到第三节点n3，漏极耦合到第九晶体管M9的漏极；所述的第九晶体管M9的漏极和栅极还同时耦合到第六晶体管M6的栅极，源极串联第四电阻R4后耦合到地电平GND；所述的第三电阻R3耦合到第六节点n6和输入电压源VCC之间。

所述的一种具有过流保护功能的低压差线性稳压器电路，所述的稳压器部分包括电压基准源、误差放大器EA、作为功率管的第一晶体管M1、作为反馈电阻的第一电阻R1和第二电阻R2，所述的电压基准源设置于输入电压源VCC和地电平GND之间，并连接至过流保护部分，所述的误差放大器EA的正相输入端耦合到第一节点n1，负相输入端耦合到第一基准电压源V_ref1，输出端耦合到第二节点n2；所述的第一晶体管M1栅极耦合到第二节点n2，源极耦合到输入电压源VCC，漏极耦合到第三节点n3，所述的第一电阻R1和第二电阻R2分别耦合到第三节点n3和第一节点n1之间以及第一节点n1和地电平GND之间。

本发明的技术效果在于，取样精度高、电路稳定性好。本发明采用了电流-电压转换型的取样电路，而不是基于取样电阻，这就避免了取样电阻容易受到温度、工艺影响等问题。取样稳定性好。本发明采用的源极跟随器的取样结构可以抑制输出电压变化带来的采样过电流阈值的变化，可以使得LDO的输入电压范围较宽。电路结构简单。且采用“折返式”工作模式，能够有效增强过流的保护能力。

附图说明

图1为本发明框图；

图2为本发明电路结构示意图；

图3为低压差线性稳压器的过流保护电路实施例一的电路图；

图4为过流检测电压比较器AP内部结构示意图；

图5为低压差线性稳压器的过流保护电路实施例二的电路图；

图6为测试过流保护电路静态响应的方案图；

图7为过流保护电路静态响应效果示意图；

图8为测试过流保护电路瞬态响应的方案图；

图9为过流保护电路瞬态响应效果示意图。

具体实施方式

下面结合实附图所示的实施例对本发明作进一步描述。

本发明的LDO过流保护电路的设计是由以下部分构成的：

稳压器部分，其作用是在给定的电源模块当中提供一个稳定的降压电路；

电流检测部分，其作用是实时检测功率管内部的电流，并将检测到的结果传递给电流控制部分；

电流控制部分，其作用是接受和响应电流检测部分带来的输出翻转，并针对输出翻转带来的过流事实保护，达到保护功率管不受到损害的功效；

图2是低压差线性稳压器的***框图。该***由电压基准源、误差放大器、过流保护电路、功率管、反馈电阻及***器件构成。其中电压基准源给误差放大器以及过流保护电路提供稳定基准。误差放大器通过负反馈环路，调整功率管的导通电流大小，使得输出电压维持在一个较恒定的值。误差放大器的增益和带宽决定了LDO的稳定性和精度。过流保护电路是为了检测过电流状态，并给***提供过载时保护。负载的大电流主要由功率管提供。反馈电阻是为了给将采集到的输出电压反馈给误差放大器，从而精确控制输出电压。输出电压和输出电流可以由以下公式表示：

其中μ，C，W₁，L₁，V_GS1和V_TH1分别是功率管M1的载流子迁移率、栅氧化层厚度、栅宽、栅长、栅源电压和阈值电压。

在本发明中，功率管过电流保护的思想是：对于确定的功率管，其μ，C，W₁，L₁，和V_TH1均为确定值；因此，只需要降低M1的栅源电压V_GS1即可以降低输出电流I1。因此过流保护电路的核心模块在于检测出过载状态，并且降低M1的栅源电压V_GS1的值。对应地，过流保护电路的内部必须包含两个子模块：电流检测模块和电流控制模块。设计电流检测模块的目的是为了实时监控功率管M1的电流并将检测到的信息实时反馈给电流控制模块；而设计电流控制模块的目的则是在电流检测模块检测到过载发生后快速响应并拉高功率管M1的栅源电压。“折返式”工作模式能够增强过流的保护能力。从LDO的输出电压-输出电流关系曲线来，“折返式”工作模式应该分为(1)“折式”区段和(2)“返式”区段。在(1)“折式”区段，输出电流被钳制但是仍然略有增加，而原先由误差放大器控制的功率器件将会被一级上拉管给控制，从而原有的负反馈回路被破坏，线性稳压器无法正常工作，输出电压降低；在(2)“返式”区段，输出电流会随着输出电压的降低而降低。这里设置“折式”区段的目的实际上为了实现“返式”区段，因为“返式”区段的被实现需要输出电压的下降来协助，也就是正常工作下的负反馈回路要被破坏，而只有“折式”区段可以破坏掉原有的反馈回路，让稳压器无法稳压，输出电压下降，打开“返式”区段从而实现降低电流的功效。本发明的保护电路能够分别实现“折式”区段和“返式”区段，极大地增强过电流保护的稳健性。

实施例一：参见附图3所示

如图3所示为本发明的低压差线性稳压的过流保护电路的实施例一示意图。本实施例中涉及的由M2、M3和AP组成的电流检测模块以及由M4、M5、M6和R3组成的电流控制模块均是基于上述过流保护的原理提出来的。实施例一的具体工作原理如下：

电流检测模块是由M2、M3和AP组成，其中M2和M3采用的是源极跟随器的电流电压转换型取样结构，AP是一个过流检测电压比较器。AP的具体结构如图4所示，本文设计的电压比较器电路结构简单，采用了两级放大结构。其中，前级放大采用由M10-M14组成的差分放大电路，利用差分电路抑制共模信号的干扰，提高了共模抑制比，减少了信号中噪声的干扰。第二级放大采用由M15和M16组成的共源共栅电路。实现取样的方法是将输出电流I₁转换成取样电压V_A，实现转换的方式如下：

式2是功率管工作在饱和区的电流表达式，该式表明在功率管给定的情况下当功率管工作在饱和区时漏极电流I₁仅仅只和功率管的栅源电压V_GS1相关(即当μ，C，W，L，V_TH全部确定时)，而功率管的栅源电压是由输入电压(第二电源电压V_CC)和误差放大器的差值决定的。因此，可以通过检测功率管的栅源电压实现对功率管电流的检测。但是这种电流-电压转换的取样方法在稳压器当中可能会存在一些问题。由于稳压器中的输入电压不是固定不变的，而输入电压的值变化时，通过电流-电压转换采样得到的电流值就会变化。然而过流保护值却是事先确定的。这里，过流保护值的确定过程一般是：事先给定一个保护电流阈值I_lim，该值可以通过式2换算成一个保护电压阈值V_lim。因此，必须要设计一种保护电流、电压阈值恒定的电路，避免LDO***误触发、不保护等问题。在本实施例当中，通过源极跟随器结构来解决上述问题。源极跟随器是由M2和M3组成的，其工作原理如下：M2是一个二极管连接的晶体管，故M2始终工作在饱和区。给M3的栅极加一个稍稍大于其阈值电压的基准电压源，此时，M3就可以当作一个稳定的电流源来使用。当V_CC变化后，n5点可以随着V_CC变化而变化，该关系可以表示为式3：

V_CC-V_n5＝C (3)

其中C是一个常数。根据该式，n1可以作为一个可以对应对V_CC发生变化始终稳定的过流电压阈值。于是可以通过一个电压比较器AP对LDO***的过流状况进行检测，将n1和n5分别接在电压比较器的正相和负相输入端便可以实现这一点。如果稳压器***工作在安全电流以下(I_D<I_lim)，此时，n1点的电压大于n5点的电压，比较器的输出是高电平。高电平代表正常状态。如果稳压器***发现了过载现象(I_D>I_lim)，此时，n1点的电位小于n5点的电位，电压比较器的输出由高电平变化为低电平，输出翻转，该变化会被送到后面的电流控制模块，然后再对稳压器***进行过流保护。

根据图3，本实施例中的电流控制模块由“折式”保护电路和“返式”保护电路组成。其中M4和M5分别是“折式”保护电路上拉管和“返式”保护电路上拉管，M6是“返式”保护电路的开关管，其源极基准是由基准电路提供的一个与正常输入电压相同的基准电压，R3是一个取样电阻。电流控制模块接收过流检测模块的变化来降低LDO的电流。根据式2，降低功率管电流的思路是增大栅源电压。本实施例采用的方案是采用了“折式”保护电路上拉管M4和“返式”保护电路上拉管M5拉高功率管的栅极电压，“折式”保护电路上拉管M4使得功率管、过流检测电压比较器之间构成了一个负反馈回路，于是功率管的栅极电压被钳制住不再下降。“返式”保护电路上拉管M5则是是为了在上述的负反馈回路的建立之后，进一步拉高栅极电压，达到降低功率管大电流的目的。电流控制模块工作原理如下：当稳压器处在正常工作状态时(I₁<I_lim)，比较器AP的输出为高，一级上拉管M4关闭，电流控制模块不工作。一旦负载电流达到保护电流阈值时，比较器AP的输出翻转，此时，M4管打开，开启负反馈回路。于是输出电压Vout骤降，当它降低至某一电压时(V_REF4-Vout>V_TH6)，开关M6会被打开。由于Vout的持续下降，流过开关管M6的电流I₂会不断增加直到：

V_TH5＝I₂R₃-V_CC (4)

此时，I2使得流过R3上的压降变大，n7节点电位变低，二级上拉管M5被打开。于是先前被M4钳制的栅极电位被拉高了，因此被钳制的电流被大幅度降低了。当过流状态结束之后，电流控制模块停止工作，***回复正常。

实施例二：参见附图5

如图5所示为本发明的低压差线性稳压的过流保护电路的实施例二示意图。本实施例中涉及的由M2、M3和AP组成的电流检测模块以及由M4、M5、M6、M7、M8、M9、R3和R4组成的电流控制模块均是基于上述过流保护的原理提出来的。实施例二的具体工作原理如下：

由于实施例二与实施例一采用的是相同的电流检测模块，故只对电流控制部分的工作原理进行阐述。在本实施例当中依然是采用“折返式”保护电路上拉管M4和M5在过载发生后拉高M1的栅源电压V_GS1，这里只是触发“返式”保护电路上拉管打开M5的方式有不同，具体的电路实现原理如下：

当***正常工作时，比较器AP输出高电平，电流控制模块不工作。达到过载条件后，“折式”保护电路上拉管M4被打开，输出电压Vout开始骤降。在Vout骤降的过程，当满足V_S6-Vout<V_TH6时，开关管M6被打开。由于M6打开后，Vout仍然会下降。根据式1，可得当V_GS9＝V_S9-Vout变大时，流过M6支路I₂的电流会继续变大，该电流会不断增加直到电流达到式4时。此时，“返式”保护电路上拉管M5被打开，V_GS1被拉高，功率管内电流被降低，当过流状态结束之后，电流控制模块停止工作，***回复正常。

图6是本发明例中过流保护电路响应的测试方案电路图。本发明例测试的方法是在LDO***中当中的负载端加入一个可变化的负载电阻，负载电阻的变化范围是0.1Ω至20Ω，通过调节该可变化的负载电路，去测量输出电压与输出电流的关系观察过流保护的效果。

图7是本发明例中过流保护电路静态响应效果示意图。本发明当中，输出电压设定为1.8V，过流保护阈值设定的是200mA。可以从图7看出，在负载电流在到达200mA之前，电压始终都是保持在1。8V，这说明稳压器***始终在正常工作。一旦电流到达200mA后(图中第一个拐点)，“折式”保护电路上拉管打开，输出电压开始下降，此时电流仍然有小量增长。当输出电压下降至可以将“返式”保护电路上拉管打开之后(图中第二个拐点)，电流将被由210mA降低至35mA，此时，大电流减小，减轻了功率管的过载和热量聚集，使得稳压器***得到保护。从图7可以看到，(1)区段的输出电压-输出电流关系即“折式”保护区段，(2)区段的输出电压-输出电流关系即“返式”保护区段。

图8是本发明例中测试过流保护电路瞬态响应的方案的电路图。由于图6的测试只能反映静态的过流保护曲线，而实际的过流状态往往都是发生瞬间的，所以很有必要对过流保护的瞬态响应作出测试。本实例对过流保护电路瞬态响应测试的方法是：在稳压器的输出端加上一个由信号发生器控制的一个NMOS管MP，信号发生器产生的是一个方波信号V_PLUSE，当方波信号处在低电平时，NMOS管关闭。由于NMOS管MP的尺寸较大，当方波信号跳变至高电平后，会使整个电路瞬间产生一个大电流，因此，可以通过整个瞬间的大电流对过流保护电路进行检测。

图9是本实施中例过流保护电路瞬态响应时序图，脉冲信号给的3个周期的方波信号V_PLUSE，结果显示在V_PLUSE为低电平的时候，整个支路几乎没有电流流过，LDO的输出正常。当结果跳变至高电平后，MP管瞬间产生了一个大于200mA的电流，然后在35μS内该电流将被瞬间降低至35mA以下。而连续三个周期的方波控制下，可以发现当过流状态解除之后，电路仍然可以恢复正常工作。

其中，第一、四、五晶体管为NMOS器件，第二、三、六晶体管为PMOS器件。第一基准电压源是误差放大器的参考电压源，输入电压源是整个电路供电电源所给出的高电平电压源，第二基准电压源是电压比较器的参考电压源。第三基准电源是第六晶体管的参考电压源。基准电压源是电压基准源即带隙基准电路产生的，电压基准源通常都是稳定的电压，它们不会随电源电压以及温度改变，设置电压基准源的目的是为了给误差放大器和过流保护部分提供偏置电压，使它们可以工作在被预期的状态下，例如连接功率管的第一基准电压源V_REF1的值是在已设定好线性稳压器的输出电压下，通过计算得到的。

上述实施例只是本发明的举例，尽管为说明目的公开了本发明的最佳实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于最佳实施例和附图所公开的内容。

Claims (7)

1.一种具有过流保护功能的低压差线性稳压器电路，其特征在于，包括稳压器部分和过流保护部分，所述的稳压器部分包括电压基准源、误差放大器、功率管和反馈电阻，所述的电压基准源连接误差放大器和过流保护部分以提供基准电压，所述的误差放大器、反馈电阻、功率管和过流保护部分互相连接，所述的功率管提供用于驱动负载工作的电源，所述的反馈电阻采集功率管的输出电压并反馈至误差放大器，误差放大器通过从反馈电阻得到反馈信息调整功率管的导通电流大小；所述的过流保护部分包括电流检测单元和电流控制单元，所述的电流检测单元连接至功率管以监测功率管电流并将监测到的信息发送至电流控制单元，所述的电流控制单元在发生过流且功率管电流大于第一阈值时钳制功率管电压保持稳定以使电流不再增大，当功率管电流大于第二阈值时上拉功率管电压以使电流下降，其中第二阈值大于第一阈值。

2.根据权利要求1所述的一种具有过流保护功能的低压差线性稳压器电路，其特征在于，所述的电流控制单元包括用于钳制功率管电压保持稳定的“折式”保护电路和用于上拉功率管电压的“返式”保护电路，所述的“折式”保护电路连接功率管和电流检测单元，并在功率管电流大于第一阈值时由电流检测单元启动，与功率管和电流检测单元之间形成负反馈回路以钳制功率管电压保持稳定，所述的“返式”保护电路连接“折式”保护电路和功率管，并在功率管电流大于第二阈值时由功率管启动，以上拉功率管电压以使电流下降。

3.根据权利要求1所述的一种具有过流保护功能的低压差线性稳压器电路，其特征在于，所述的电流检测单元包括第二晶体管M2、第三晶体管M3和过流检测电压比较器AP，所述的第二晶体管M2的栅极和漏极耦合到输入电压源VCC，源极耦合到第四节点n4；所述的第三晶体管M3的栅极耦合到第二基准电压源V_ref2，漏极耦合到第四节点n4，源极耦合到地电平GND；所述的过流检测电压比较器AP的正相输入端耦合到第四节点n2，负相输入端耦合到第四节点n4，输出端耦合到第五节点n5。

4.根据权利要求3所述的一种具有过流保护功能的低压差线性稳压器电路，其特征在于，所述的“折式”保护电路包括第四晶体管M4，所述的第四晶体管M4的栅极耦合到第五节点n5，源极耦合到输入电压源VCC，漏极耦合到第二节点n2。

5.根据权利要求4所述的一种具有过流保护功能的低压差线性稳压器电路，其特征在于，所述的“返式”保护电路包括第五晶体管M5、第六晶体管M6和第三电阻R3，所述的第五晶体管M5的栅极耦合到第六节点n6，源极耦合到输入电压源VCC，漏极耦合到第二节点n2，所述的第六晶体管M6的栅极耦合到第三基准电压源V_ref3，源极耦合到输入电压源VCC，漏极耦合到第三节点n3，所述的第三电阻R3耦合到第六节点n6和输入电压源VCC之间。

6.根据权利要求4所述的一种具有过流保护功能的低压差线性稳压器电路，其特征在于，所述的“返式”保护电路第五晶体管M5、第六晶体管M6、第七晶体管M7、第八晶体管M8、第九晶体管M9、第三电阻R3和第四电阻R4；所述的第五晶体管M5的栅极耦合到第六节点n6，源极耦合到输入电压源VCC，漏极耦合到第二节点n2；所述的第六晶体管M6的栅极耦合到第九晶体管M9的栅极，源极耦合到第三节点n3，漏极耦合到第六节点n6；所述的第七晶体管M7的栅极耦合到第二节点n2，源极耦合到输入电压源VCC，漏极耦合到第八晶体管M8的源极；所述的第八晶体管M8的栅极耦合到第三节点n3，漏极耦合到第九晶体管M9的漏极；所述的第九晶体管M9的漏极和栅极还同时耦合到第六晶体管M6的栅极，源极串联第四电阻R4后耦合到地电平GND；所述的第三电阻R3耦合到第六节点n6和输入电压源VCC之间。

7.根据权利要求3-6任一所述的一种具有过流保护功能的低压差线性稳压器电路，其特征在于，所述的稳压器部分包括电压基准源、误差放大器EA、作为功率管的第一晶体管M1、作为反馈电阻的第一电阻R1和第二电阻R2，所述的电压基准源设置于输入电压源VCC和地电平GND之间，并连接至过流保护部分，所述的误差放大器EA的正相输入端耦合到第一节点n1，负相输入端耦合到第一基准电压源V_ref1，输出端耦合到第二节点n2；所述的第一晶体管M1栅极耦合到第二节点n2，源极耦合到输入电压源VCC，漏极耦合到第三节点n3，所述的第一电阻R1和第二电阻R2分别耦合到第三节点n3和第一节点n1之间以及第一节点n1和地电平GND之间。