CN115756070B - 一种低压差线性稳压器以及稳压*** - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种低压差线性稳压器以及稳压***，低压差线性稳压器包括第一误差放大器、第二误差放大器、驱动模块、PMOS管和采样模块；所述第一误差放大器连接采样模块，用于计算并放大第一反馈电压与基准电压的误差，并输出第一误差信号；所述第二误差放大器连接采样模块，用于计算并放大第二反馈电压与基准电压的误差，并输出第二误差信号；所述驱动模块分别连接第一误差放大器和第二误差放大器；所述PMOS管的栅极连接驱动模块，源极接入电源，用于根据第一误差信号和第二误差信号导通或关断，并输出目标电压；所述采样模块分别连接PMOS管、第一误差放大器和第二误差放大器，用于输出第一反馈电压和第二反馈电压；本申请具有加快其启动过程的效果。

Description

一种低压差线性稳压器以及稳压***

技术领域

本申请涉及芯片电源管理的技术领域，尤其是涉及一种低压差线性稳压器以及稳压***。

背景技术

LDO（Low Dropout Regulator）为一种低压差线性稳压器，被广泛应用于电源管理、模数转换器/数模转换器和锁相环等集成电路中，能够提供不受供电电压、环境温度以及工艺影响的电源电压。

随着现代集成电路的发展，对电源的响应速度有了更高的要求，而传统的LDO结构已经无法满足当前的需求。

发明内容

为了提高性能，本申请提供了一种低压差线性稳压器以及稳压***。

第一方面，本申请提供一种低压差线性稳压器，采用如下的技术方案：

一种低压差线性稳压器，包括第一误差放大器、第二误差放大器、驱动模块、PMOS管和采样模块；

所述第一误差放大器连接采样模块，用于计算并放大第一反馈电压与基准电压的误差，并输出第一误差信号；

所述第二误差放大器连接采样模块，用于计算并放大第二反馈电压与基准电压的误差，并输出第二误差信号；

所述驱动模块分别连接第一误差放大器和第二误差放大器，用于放大第一误差信号和第二误差信号的驱动能力；

所述PMOS管的栅极连接驱动模块，源极接入电源，用于根据第一误差信号和第二误差信号导通或关断，并输出目标电压；

所述采样模块连接PMOS管，用于输出所述第一反馈电压和第二反馈电压；

当所述目标电压达到指定电压时，所述第一反馈电压与基准电压相等，所述第二反馈电压大于基准电压。

通过采用上述技术方案，两个误差放大器共同作用，启用两套不同的反馈回路。两者在启动过程中共同起作用，从而加快LDO的启动过程，以减小LDO启动时间。于此同时，启动后只有第一误差放大器工作，进而降低功耗。

可选的，所述驱动模块包括主驱动单元和辅助驱动单元；

所述主驱动单元连接第一误差放大器，用于放大第一误差信号的驱动能力；

所述辅助驱动单元连接第二误差放大器，用于放大第二误差信号的驱动能力；

所述主驱动单元的驱动能力大于辅助驱动单元的驱动能力。

可选的，所述采样模块包括三个定值电阻器，三个定值电阻器串联于PMOS管的漏极与地之间；

两个定值电阻器间的公共端分别输出第一反馈电压和第二反馈电压。

可选的，还包括频率补偿模块；

所述频率补偿模块包括NMOS管、电容器和电流源，所述NMOS管和电流源串联于电源，所述NMOS管的栅极连接PMOS管的漏极，所述电容器一端与NMOS管和电流源的公共端连接，一端与第一误差放大器的输出端连接。

第二方面，本申请提供一种稳压***，采用如下的技术方案：

一种稳压***，包括处理模块和第一方面的低压差线性稳压器，所述处理模块被配置为：

获取型号信息、实时电流和使用时间；

基于预设的对应关系表，根据型号信息确定布设间距，所述布设间距为PCB板上两个误差放大器的距离；

基于预设的温度计算规则，根据实时电流和使用时间计算误差放大器的模拟温度；

根据模拟温度和布设间距计算实际温度；

确定实时电流或实际温度达到报警条件输出报警信号。

可选的，所述处理模块被进一步配置为：

所述基于预设的温度计算规则，根据实时电流和使用时间计算误差放大器的模拟温度包括：

所述实时电流持续低于安全值的时长低于极限时长时，温度变化速度为a度/单位时间；所述实时电流持续低于安全值的时长达到极限时长后，温度变化速度为b度/单位时间，其中，b＞a；

所述实时电流达到安全值时，根据实时电流确定温度变化速度。

可选的，所述处理模块被进一步配置为：

所述根据模拟温度和布设间距计算实际温度包括：

确定布设间距小于预设间距，则根据模拟温度确定影响系数；

根据模拟温度和影响系数计算实际温度。

可选的，所述处理模块被进一步配置为：

所述报警条件为：

所述实时电流持续超过电流警戒值的时长达到第一预设时长，或者实时电流达到电流极限范围；

或所述实际温度持续超过温度警戒值的时长达到第二预设时长，或者实际温度达到温度极限范围。

综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：

本申请应用两个误差放大器共同作用，启用两套不同的反馈回路。两者在启动过程中共同起作用，从而加快LDO的启动过程，以减小LDO启动时间。于此同时，启动后只有第一误差放大器工作，进而降低功耗。

附图说明

图1是本申请实施例的低压差线性稳压器的电路示意图。

图2是本申请实施例的处理器的流程示意图。

附图标记说明：1、采样模块；2、频率补偿模块；3、主驱动单元；4、辅助驱动单元。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图1-2及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

本申请实施例公开一种低压差线性稳压器，能够加快启动速度。参照图1，低压差线性稳压器包括第一误差放大器OTA1、第二误差放大器OTA2、驱动模块、PMOS管和采样模块1。

其中，第一误差放大器OTA1连接采样模块1，用于计算并放大第一反馈电压VF2与基准电压VREF的误差，并输出第一误差信号。具体来说，第一误差放大器OTA1的同相输入端连接采样模块1，能够接入第一反馈电压VF2，其反相输入端用于接入基准电压VREF即用户预先设置的电压。第一误差放大器OTA1能够计算第一反馈电压VF2与基准电压VREF的差值，放大并输出第一误差信号。当第一反馈电压VF2小于基准电压VREF时，第一误差放大器OTA1输出的第一误差信号为低电平信号。当第一反馈电压VF2等于或大于基准电压VREF时，第一误差放大器OTA1输出的第一误差信号则为高电平信号。

同样的，第二误差放大器OTA2也连接采样模块1，用于计算并放大第二反馈电压VF1与基准电压VREF的误差，并输出第二误差信号。具体来说，第二误差放大器OTA2的同相输入端也用于接入基准电压VREF，其反相输入端连接采样模块1，能够接入第二反馈电压VF1。第一误差放大器OTA1能够计算基准电压VREF与第二反馈电压VF1的差值，放大并输出第二误差信号。当第二反馈电压VF1小于基准电压VREF时，第二误差放大器OTA2输出的第二误差信号为高电平信号。当第一反馈电压VF2等于或大于基准电压VREF时，第一误差放大器OTA1输出的第一误差信号则为低电平信号。

驱动模块分别连接第一误差放大器OTA1和第二误差放大器OTA2，用于放大第一误差信号和第二误差信号的驱动能力。驱动模块包括主驱动单元3和辅助驱动单元4。

其中，主驱动单元3连接第一误差放大器OTA1，用于放大第一误差信号的驱动能力。具体来说，主驱动单元3包括一个PMOS管P1和一个NMOS管N1。NMOS管N1的栅极与第一误差放大器OTA1的输出端连接，其漏极连接电源。PMOS管P1的栅极也与第一误差放大器OTA1的输出端连接，其漏极接地，其源极与NMOS管N1的源极相接，并且公共端作为输出端。当第一误差放大器OTA1的输出端输出的第一误差信号为高电平信号时，NMOS管N1处于导通状态，PMOS管P1处于关断状态，此时两个MOS管的公共端输出高电平信号。反之，当第一误差放大器OTA1的输出端输出的第一误差信号为低电平信号时，PMOS管P1处于导通状态，NMOS管N1处于关断状态，此时两个MOS管的公共端输出低电平信号。在上述过程中，两个MOS管使得第一误差信号的驱动能力得到提升。

辅助驱动单元4连接第二误差放大器OTA2，用于放大第二误差信号的驱动能力。辅助驱动单元4为NMOS管N2。具体的，NMOS管N2的栅极连接第二误差放大器OTA2的输出端，其源极接地，其漏极与主动驱动单元的输出端连接。当第二误差放大器OTA2输出的第二误差信号为高电平信号时，NMOS管N2处于导通状态，此时NMOS管N2的漏极输出低电平信号。反之，当第二误差放大器OTA2输出的第二误差信号为低电平信号时，NMOS管N2处于关断状态，此时NMOS管N2的漏极输出高电平信号。同样的，NMOS管N2也能够放大第二误差信号的驱动能力。但相比之下，辅助驱动单元4的驱动能力小于主驱动单元3的驱动能力。

PMOS管P2连接驱动模块，用于根据第一误差信号和第二误差信号导通或关断，并输出目标电压VOUT。具体的，PMOS管P2的栅极分别连接PMOS管P1的源极、NMOS管N1的源极和NMOS管N2的漏极，其源极接入电源，其漏极作为电压输出端。当PMOS管P2的栅极接入高电平信号时，PMOS管P2处于关断状态。反之，当PMOS管P2的栅极接入低电平信号时，PMOS管P2处于导通状态，此时PMOS管P2的漏极电压升高，并趋向电源电压。

采样模块1连接PMOS管P2，用于输出第一反馈电压VF2和第二反馈电压VF1。具体的，采样模块1包括依次串联的三个定值电阻器R1、R2、R3。其中，定值电阻器R1与PMOS管P2的漏极连接，定值电阻器R3接地。定值电阻器R1与定值电阻器R2的公共端输出第二反馈电压VF1，定值电阻器R2和定值电阻器R3的公共端输出第一反馈电压VF2。

值得说明的是，定值电阻器R1、定值电阻器R2和定值电阻器R3在选取阻值时，需要满足以下条件：当输出的目标电压VOUT的电压值为指定电压时，第一反馈电压VF2与基准电压VREF相等，第二反馈电压VF1大于基准电压VREF。

本申请的低压差线性稳压器的工作原理为：

当低压差线性稳压器在启动的过程中，由于存在寄生电容器，所以输入电压和目标电压VOUT都需要一定的启动时间。在目标电压VOUT升高的过程中，第一反馈电压VF2和第二反馈电压VF1亦在升高。具体可分为三个阶段：

在第一阶段时，第一反馈电压VF2和第二反馈电压VF1均小于基准电压VREF，此时第一误差放大器OTA1输出低电平信号，第二误差放大器OTA2输出高电平信号，使得PMOS管P2导通，PMOS管P2漏极输出的目标电压VOUT快速升高。

在第二阶段时，随着PMOS管P2漏极输出的目标电压VOUT快速升高，第一反馈电压VF2和第二反馈电压VF1也逐步升高。直至第二反馈电压VF1达到基准电压VREF时，第一误差放大器OTA1输出低电平信号，第二误差放大器OTA2输出低电平信号，使得NMOS管N2关断。此时，PMOS管P2导通，目标电压VOUT持续升高。

在阶段时，直至第一反馈电压VF2达到基准电压VREF时即目标电压VOUT高于指定电压。第一误差放大器OTA1输出高电平信号，第二误差放大器OTA2输出低电平信号，使得NMOS管N2关断。此时，PMOS管P2关断，通过负载消耗电压，使得电目标压降低。

其中，指定电压与基准电压VREF之比为固定电阻器R1、R2、R3的阻值之和与定值电阻器R3的阻值之比。当然，固定电阻器的数量也可以根据实际情况增加。

本申请的低压差线性稳压器还包括频率补偿模块2。频率补偿模块2包括NMOS管N3、电流源I2和电容器C。其中，NOMS管N3与电流源I2串联于电源。具体来说，NMOS管N3的栅极与PMOS管P2的漏极连接，其漏极与电源连接，电流源I2接地。电容器C的一端连接NMOS管N3与电流源I2的公共端，一端连接第一误差放大器OTA1的输出端。NMOS管N3、电流源I2与电容器C四者组成了带有源跟随器的频率补偿，由于NMOS管N3的栅源极电容器C通常比电容器C小的多，使用这种结构可以利用一个左半平面的零点，并可以消除一个极点，以加增加LDO电路的动态响应能力增强整个***的稳定性。

本申请实施例一种低压差线性稳压器的实施原理为：应用两个误差放大器共同作用，启用两套不同的反馈回路。两者在启动过程中共同起作用，从而加快LDO的启动过程，以减小LDO启动时间。于此同时在启动后只有第一误差放大器OTA1工作，从而降低功耗。

参照图1和图2，可以了解的是，无论是焊接在PCB板的低压差线性稳定器，还是封装成芯片或元器件的低压差线性稳压器，都难以通过监控温度来检测第一误差放大器OTA1和第二误差放大器OTA2的工作状态。

因此，本申请实施例还公开一种稳压***。稳压***包括上述低压差线性稳压器和处理模块。

处理模块与低压差线性稳压器连接，被配置为：

S101：获取型号信息、实时电流和使用时间。

其中，型号信息为低压差线性稳压器的型号。因为不同型号的低压差线性稳压器中，线路布局都有所不同，所以为了更好地对低压差线性稳压器进行监控，则需要了解更多关于低压差线性稳压器的内容。实时电流为第一误差放大器OTA1的工作电流和第二误差放大器OTA2的工作电流。使用时间则为每一次低压差线性稳压器的工作时长，即当前时间与启动时间的时间差值。

S102：基于预设的对应关系表，根据型号信息确定布设间距。

其中，布设间距为PCB板上两个误差放大器之间的距离，或者为芯片中两个误差放大器之间的距离。由于低压差线性稳压器的型号较多，所以不同型号的低压差线性稳压器的布设间距不同。为此，预先在诸如存储器等具有存储功能的存储设备中存储有对应关系表。对应关系表包括型号信息与布设间距的对应关系。

当了解型号信息后，即可确定布设间距。

S103：基于预设的温度计算规则，根据实时电流和使用时间计算误差放大器的模拟温度。

具体的，实时电流持续低于安全值的时长低于极限时长时，温度变化速度为a度/单位时间。实时电流持续低于安全值的时长达到极限时长后，温度变化速度为b度/单位时间，其中，b＞a。实时电流达到安全值时，根据实时电流确定温度变化速度。

其中，安全值为一个阈值，当电流值低于该值时，误差放大器完全能够保持良性的散热，因此，其温度变化速度也很稳定，具体为a度/单位时间。单位时间可以为3分钟、5分钟等，可以根据实际情况做适应性设计。

但是，实时电流持续低于安全值的时长过大，也会对误差放大器的温度产生影响。因此，a度/单位时间只是当实时电流持续低于安全值的时长低于极限时长内的温度变化速度。而当实时电流持续低于安全值的时长超过极限时长后，温度变化速度则为b度/单位时间。

进一步的，当实时电流达到或者超过安全值时，误差放大器的温度会更容易受到实时电流大小的影响。因此，此时需要根据实时电流确定温度变化速度。在一个具体的示例中，温度变化速度和实时电流为正比例关系。在另一个具体的示例中，温度变化速度和实时电流为指数关系。

总之，在确定实时电流后，能够计算得到每一时刻的温度变化速度，进而根据使用时间即可计算当前误差放大器的模拟温度。因此，能够分别计算得到两个误差放大器各自的模拟温度。

当然，计算误差放大器的模拟温度还有其他方法，在此不再一一介绍。

S104：根据模拟温度和布设间距计算实际温度。

可以了解的是，按照上述计算方式计算得到的模拟温度并不一定是误差放大器的实际温度。两个误差放大器在工作过程中，各自产生的热量都会对彼此产生一些影响。但影响程度与两个误差放大器之间的距离相关。

具体的，首先判断布设间距是否小于预设间距，若布设间距超过了预设间距，则认为两个误差放大器之间不会彼此影响，即误差放大器的实际温度即模拟温度。反之，当布设间距小于预设间距时，则需要根据模拟温度确定影响系数。其中，预设间距根据低压差线性稳压器的形式有不同的数值，即焊接在PCB板上的低压差线性稳压器和芯片形式的低压差线性稳压器，两者的预设间距不同。

可以了解的是，模拟温度越高，影响系数越大。在一个具体的示例中，影响系数和模拟温度为正比关系。在另一个具体的示例中，影响系数和模拟温度的对应关系可以为：在不同的温度范围内，影响系数不同，并且温度越高，影响系数越大。

进一步的，在确定影响系数后，需要根据模拟温度和影响系数计算实际温度。具体来说，实际温度可以为模拟温度*影响系数。在一个具体的示例中，假设第一误差放大器OTA1的模拟温度为50度，第一误差放大器OTA1对第二误差放大器OTA2的影响系数为1.15，第二误差放大器OTA2的模拟温度为30度，第二误差放大器OTA2对第一误差放大器OTA1的影响系数为1.1，则：第一误差放大器OTA1的实际温度为50*1.1=55度，第二误差放大器OTA2的实际温度为30*1.15=34.5度。

S105：确定实时电流或实际温度达到报警条件输出报警信号。

可以了解的是，电流过大和温度过高都会对误差放大器产生影响，例如导致误差放大器烧毁。因此，需要在实时电流或实际温度达到报警条件时快速报警，以避免误差放大器继续使用而造成烧毁。

报警条件为：实时电流持续超过电流警戒值的时长达到第一预设时长，或者实时电流达到电流极限范围。或所述实际温度持续超过温度警戒值的时长达到第二预设时长，或者实际温度达到温度极限范围。

其中，电流警戒值高于安全值。当实时电流持续超过电流警戒值的时长达到第一预设时长，则说明误差放大器已经在高温下工作了较长时间，不适宜再继续工作。而极限范围则是实时电流能够达到的最大范围，可以是最大电流值*0.9~最大电流值。只要当实时电流达到电流极限范围，则说明误差放大器的工作状态异常，需要立即停止工作。同样的，当实际温度持续超过温度警戒值的时长达到第二预设时长，或者实际温度达到温度极限范围，也需要让误差放大器停止工作。

以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，本说明书（包括摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或者具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

Claims (5)

1.一种低压差线性稳压器的稳压***，其特征在于：包括处理模块和低压差线性稳压器；

所述低压差线性稳压器包括第一误差放大器、第二误差放大器、驱动模块、PMOS管和采样模块(1)；

所述第一误差放大器连接采样模块(1)，用于计算并放大第一反馈电压与基准电压的误差，并输出第一误差信号；

所述第二误差放大器连接采样模块(1)，用于计算并放大第二反馈电压与基准电压的误差，并输出第二误差信号；

所述驱动模块分别连接第一误差放大器和第二误差放大器，用于放大第一误差信号和第二误差信号的驱动能力；

所述PMOS管的栅极连接驱动模块，源极接入电源，用于根据第一误差信号和第二误差信号导通或关断，并输出目标电压；

所述采样模块(1)连接PMOS管，用于输出所述第一反馈电压和第二反馈电压；

当所述目标电压达到指定电压时，所述第一反馈电压与基准电压相等，所述第二反馈电压大于基准电压；

所述处理模块被配置为：

获取型号信息、实时电流和使用时间；

基于预设的对应关系表，根据型号信息确定布设间距，所述布设间距为PCB板上两个误差放大器的距离；

基于预设的温度计算规则，根据实时电流和使用时间计算误差放大器的模拟温度；

根据模拟温度和布设间距计算实际温度；

确定实时电流或实际温度达到报警条件输出报警信号；

所述基于预设的温度计算规则，根据实时电流和使用时间计算误差放大器的模拟温度包括：

所述实时电流持续低于安全值的时长低于极限时长时，温度变化速度为a度/单位时间；所述实时电流持续低于安全值的时长达到极限时长后，温度变化速度为b度/单位时间，其中，b＞a；

所述实时电流达到安全值时，根据实时电流确定温度变化速度；

所述根据模拟温度和布设间距计算补偿温度包括：

确定布设间距小于预设间距，则根据模拟温度确定影响系数；

根据模拟温度和影响系数计算实际温度。

2.根据权利要求1所述的低压差线性稳压器的稳压***，其特征在于：所述驱动模块包括主驱动单元(3)和辅助驱动单元(4)；

所述主驱动单元(3)连接第一误差放大器，用于放大第一误差信号的驱动能力；

所述辅助驱动单元(4)连接第二误差放大器，用于放大第二误差信号的驱动能力；

所述主驱动单元(3)的驱动能力大于辅助驱动单元(4)的驱动能力。

3.根据权利要求2所述的低压差线性稳压器的稳压***，其特征在于：所述采样模块(1)包括三个定值电阻器，三个定值电阻器串联于PMOS管的漏极与地之间；

两个定值电阻器间的公共端分别输出第一反馈电压和第二反馈电压。

4.根据权利要求3所述的低压差线性稳压器的稳压***，其特征在于：还包括频率补偿模块(2)；

所述频率补偿模块(2)包括NMOS管、电容器和电流源，所述NMOS管和电流源串联于电源，所述NMOS管的栅极连接PMOS管的漏极，所述电容器一端与NMOS管和电流源的公共端连接，一端与第一误差放大器的输出端连接。

5.根据权利要求1所述的低压差线性稳压器的稳压***，其特征在于：所述处理模块被进一步配置为：

所述报警条件为：

所述实时电流持续超过电流警戒值的时长达到第一预设时长，或者实时电流达到电流极限范围；

或所述实际温度持续超过温度警戒值的时长达到第二预设时长，或者实际温度达到温度极限范围。