CN201527594U - 一种超低压差以及大驱动能力的线性稳压器 - Google Patents

Abstract

一种超低压差及大驱动能力的线性稳压器，基于由驱动电路(Buffer)(3)，电阻分压的反馈网络(4)，误差放大器(2)，基准电路(1)，负载(5)所组成的电路，其特征在于还包括NMOS输出管(7)以及正向升压电荷泵电路(8)，其中：NMOS输出管(7)，被配置成接受驱动电路(Buffer)(3)输出的电压信号，并提供相应电流给负载(5)；正向升压电荷泵电路(8)，被配置成接受线性稳压器外部的电压信号VIN，并为驱动电路(Buffer)(3)供电。本实用新型特别适合输入电压和输出电压接近的场合，并且又可以提供较强的驱动能力，显著提升效率。因此本实用新型可以在保证低压降和强驱动能力两种性能的前提下，节省芯片面积，节约成本，并具有很强的可实施性。

Description

一种超低压差以及大驱动能力的线性稳压器

所属技术领域

本实用新型涉及模拟集成电路，属于一种线性稳压器，尤其是一种超低压差及大驱动能力的线性稳压器。

背景技术

线性稳压器(Low Dropout Regulator)属于电源管理IC的一种，广泛应用于便携式设备中。相比于使用电感的DC-DC(直流-直流)转换器，它具有成本低、噪声低、和静态电流低等特点，同时由于没有电感，也没有EMI问题。

传统线性稳压器通常由PMOS输出管，驱动电路(Buffer)，电阻分压的反馈网络，误差放大器以及基准电路组成。基准电路通常采用带隙基准(Bandgap reference)，该模块产生一个几乎不随温度和电源等工作环境变化的参考电位。输出电压VOUT通过分压电阻R1、R2采样，并将该信号反馈至误差放大器的正向输入端。同时误差放大器的负向输入端接基准电压，误差放大器的输出接PMOS输出管的栅极。当外部负载条件或其他条件变化导致线性稳压器输出电压发生变化时，误差放大器的输出也会相应的发生变化，调整PMOS输出的导通状态(类似可变电阻)，进而保证输出电压回到稳定状态。负载电容CL用于辅助控制这样的一个闭环反馈***在各种应用情况下保持稳定，RL为等效负载电阻。

线性稳压器的驱动能力由下式决定：

V_DS＞(V_GS-V_TH)，饱和区PMOS输出管的导通电流满足：

$I_D=\frac{1}{2}{\mathrm{\μ}}_P{C}_{\mathrm{OX}}\frac{W}{L}{(V_{\mathrm{SG}}-V_{\mathrm{TH}})}^2$ 公式[1]

μ_p为空穴载流子的迁移率，C_OX为单位面积的栅氧化层电容，W/L为输出管的宽长比，V_SG为PMOS管的栅源电压差，V_TH为PMOS管阈值。

为了提高PMOS输出管的驱动能力，可以通过增加宽长比W/L，但是宽长比增加通常要增加芯片面积，这样会带来芯片成本的增加，同时更大的宽长比意味着更大的寄生电容，会影响线性稳压器的响应速度。

NMOS管饱和导通电流满足：(V_DS＞V_GS-V_TH条件下)

$I_D=\frac{1}{2}{\mathrm{\μ}}_n{C}_{\mathrm{OX}}\frac{W}{L}{(V_{\mathrm{GS}}-V_{\mathrm{TH}})}^2$ 公式[2]

μ_n为电子载流子的迁移率，通常μ_n比μ_p大，那么在同样的宽长比情况下，采用NMOS管做驱动管可以比PMOS驱动管驱动能力显著提高。

现有的NMOS输出管的线性稳压器电路图2。

线性稳压器压降V_DROPOUT为：

线性稳压器输入电压V_IN下降到一定临界值时，***失去对输出电压的调节能力，V_DROPOUT定义为临界点处输入电压和输出电压的差值。

不考虑内部静态电流损耗，线性稳压器的转化效率为：

$\mathrm{\η}=\frac{V_{\mathrm{OUT}}}{V_{\mathrm{IV}}}\×100\%$ 公式[3]

V_IN为线性稳压器输入电压，V_OUT为线性稳压器输出电压。

可以看到，在相同的V_OUT的情况下，VIN越低，效率越高。但是在随着VIN下降，在V_IN接近V_OUT时，忽略驱动电路压降V_DS(P)，近似有V_G≈V_IN，那么：

V_DS＝V_IN-V_OUT                 公式[4]

V_GS-V_TH＝V_IN-V_OUT-V_TH         公式[5]

不能满足V_DS≤V_GS-V_TH          公式[6]

即不能进入线性区。

意味着压降V_DROPOUT近似为：

V_DROPOUT≈V_GS+V_DS(P)          公式[7]

其中V_DS(P)是驱动级(Buffer)的压降。

忽略驱动级(Buffer)的压降V_DS(P)，近似有：

V_DROPOUT≈V_GS                 公式[8]

直接采用NMOS导致线性稳压器压降高，不能满足对效率要求较高的场合。因此，为了克服上述缺点，就非常有必要对现有线性稳压器进行改进。

实用新型内容

本实用新型的目的，在于克服上述现有的线性稳压器电路所存在的不足，从而提供一种采用NMOS驱动管以及电荷泵升压电路的线性稳压器，可以同时满足超低压差及大驱动能力。

本实用新型提供了一种超低压差以及大驱动能力的线性稳压器，基于由驱动电路(Buffer)(3)，电阻分压的反馈网络(4)，误差放大器(2)，基准电路(1)，负载(5)所组成的电路，其特征在于还包括NMOS输出管(7)以及正向升压电荷泵电路(8)，其中：

NMOS输出管(7)，被配置成接受驱动电路(Buffer)(3)输出的电压信号，并提供相应电流给负载(5)；

正向升压电荷泵电路(8)，被配置成接受线性稳压器外部的电压信号VIN，并为驱动电路(Buffer)(3)供电。

在上述的超低压差及大驱动能力的线性稳压器，NMOS输出管(7)被配置成栅极接驱动电路(Buffer)(3)的输出端，漏极接线性稳压器外部的电压信号VIN，源极接负载(5)和电阻分压的反馈网络(4)共同的VOUT输出端，并且衬底和源极相连。

在上述的超低压差及大驱动能力的线性稳压器，NMOS输出管(7)在制作中必须采用P阱工艺。

在上述的超低压差及大驱动能力的线性稳压器，正向升压电荷泵电路(8)，被配置成接受线性稳压器外部的电压信号VIN，并进行升压操作，输出电压为N(N＞1)倍的VIN，即N*VIN；

在上述的超低压差及大驱动能力的线性稳压器，正向升压电荷泵电路(8)的输出电压为驱动电路(Buffer)(3)供电；

在上述的超低压差及大驱动能力的线性稳压器，驱动电路(Buffer)(3)被配置成由正向升压电荷泵电路(8)供电，接收来自误差放大器(2)的控制信号，并输出NMOS输出管(7)的控制信号。

在上述的超低压差及大驱动能力的线性稳压器，驱动电路(Buffer)(3)被配置成由正向升压电荷泵电路(8)供电，并且其输出电压用来驱动NMOS输出管(7)的栅极。

在上述的超低压差及大驱动能力的线性稳压器，NMOS输出管(7)的栅极被配置成最高电位可以达到N(N＞1)倍的VIN，即N*VIN。

由于采用上述的解决方案，相比于的现有的PMOS驱动的线性稳压器和单独NMOS驱动的线性稳压器，同时引入NMOS驱动管以及电荷泵升压电路，可以同时兼有NMOS较PMOS的强驱动能力，以及线性稳压器低的压降两个优点，从而特别适合输入电压和输出电压接近的场合，并且又可以提供较强的驱动能力，显著提升效率。因此本实用新型可以在保证以上两种性能的前提下，节省芯片面积，节约成本，并具有很强的可实施性。

参考下面的详细说明和附图，可以更全面的理解本实用新型的各种其它目的、特征和优点。

附图说明

图1是现有的PMOS线性稳压器原理图；

图2是现有使用NMOS的线性稳压器；

图3是本实用新型使用的带正向升压电荷泵的NMOS增强驱动线性稳压器；

图4是本实用新型使用的2倍正向电荷泵的标准电路。

具体实施方式

本实用新型提供了一种超低压差以及大驱动能力的线性稳压器(图3)，基于由驱动电路(Buffer)(3)，电阻分压的反馈网络(4)，误差放大器(2)，基准电路(1)，负载(5)所组成的电路，其特征在于还包括NMOS输出管(7)以及正向升压电荷泵电路(8)，其中：

NMOS输出管(7)，被配置成接受驱动电路(Buffer)(3)输出的电压信号，并提供相应电流给负载(5)；

正向升压电荷泵电路(8)，被配置成接受线性稳压器外部的电压信号VIN，并为驱动电路(Buffer)(3)供电。

通过引入电荷泵电路(Chargepump)来提升NMOS驱动管栅电位，可以很好解决采用NMOS导致线性稳压器压降高的问题，并且可以提升驱动能力。

例如V_IN供电的xN倍的电荷泵电路，可以提供NV_IN电压，例如1.5倍，2倍，3倍等。例如采用比较简单的2倍正向电荷泵(如图4)，只需要2个小寄生电容和环形振荡器，就可以在CMOS工艺中很好实现升压功能。

图4中INV1～INV5反相器构成环形振荡器，输出控制信号Φ和分别控制开关S1和S2来达到将V_IN升压到V_CP＝2V_IN的目的。

那么

V_G(max)可以接近NV_IN，满足：

V_DS＝V_IN-V_OUT≤NV_IN-V_OUT-V_TH＝V_GS-V_TH    公式[9]

V_DS≤(V_GS-V_TH)    

即进入线性区，NMOS管导通电阻R_ON为：

$R_{\mathrm{ON}}=\frac{1}{{\mathrm{\μ}}_n{C}_{\mathrm{OX}}\frac{W}{L}(V_{\mathrm{GS}}-V_{\mathrm{TH}})}$ 公式[10]

可以注意到V_GS＝V_G-V_OUT，那么NMOS管栅电位V_G越高，R_ON就越小。

压降V_DROPOUT为：

$V_{\mathrm{DROPOUT}}=R_{\mathrm{ON}}\·I_{\mathrm{OUT}}=\frac{I_{\mathrm{OUT}}}{{\mathrm{\μ}}_n{C}_{\mathrm{OX}}\frac{W}{L}(V_{\mathrm{GS}}-V_{\mathrm{TH}})}$ 公式[11]

I_OUT为负载电流，同样的负载电流，当NMOS管栅电位V_G越高，R_ON就越小，同时V_DROPOUT也越小，V_IN越接近V_OUT，从而提高效率。

有电荷泵供电的：V_GS1＝NV_IN-V_OUT              公式[12]

对比没有电荷泵供电的图2中：V_GS2＝V_IN-V_OUT    公式[13]

V_GS＞V_GS2                                    公式[14]

结合公式[2] $I_D=\frac{1}{2}{\mathrm{\μ}}_n{C}_{\mathrm{OX}}\frac{W}{L}{(V_{\mathrm{GS}}-V_{\mathrm{TH}})}^2$

在同样的VOUT条件下，NMOS的最大电流驱动能力随着V_GS的提升，也会提升。

因此，在使用NMOS输出管并带有正向升压电荷泵的线性稳压器，相比PMOS输出管的线性稳压器和普通NMOS输出管的线性稳压器，同样芯片尺寸下，可以显著提升电流驱动能力，并可以显著降低V_DROPOUT电压，使输入和输出电压更接近，显著提升效率。

在工艺选择上，采用P阱CMOS工艺，NMOS管源和衬底连一起，消除衬偏效应对阈值的影响。利用公式

$V_{\mathrm{TH}}=V_{\mathrm{TH}0}+\mathrm{\γ}(\sqrt{|2{\mathrm{\Φ}}_F+V_{\mathrm{SB}}|}-\sqrt{\left|2{\mathrm{\Φ}}_F\right|})$ 公式[15]

V_TH0定义为界面的电子浓度等于p型衬底的多子浓度时的栅压，γ是体效应系数，|2ΦF|为表面反型势，V_SB为源衬电势差。

当V_SB＝0时，V_TH＝V_THO，可以消除衬偏效应对阈值的影响。

下面结合图3介绍本实用新型的工作工程：

超低压差以及大驱动能力的线性稳压器包括NMOS输出管，驱动电路(Buffer)，电阻分压的反馈网络，误差放大器，基准电路，负载以及正向升压电荷泵电路。

电阻分压的反馈网络连接于NMOS输出管以及误差放大器之间，根据NMOS输出管输出电流的大小，提供输出电压，并提供反馈电压VFB至误差放大器的反相输入端。反馈网络采用电阻R1和R2分压电阻构成，R1连接在VOUT和VFB之间，R2连接在VFB和GND之间，由图3可以得到输出电压VOUT和反馈电压VFB之间的比例为VOUT＝(1+R1/R2)VFB。

误差放大器的正相端接基准电压VREF，负相端接反馈电压VFB，通过比较VREF和VFB，输出合适的电压到驱动电路(Buffer)，起到控制NMOS输出管栅电压，进而稳定输出电压。

驱动电路(Buffer)是用来直接驱动NMOS输出管，由于NMOS输出管尺寸一般都比较大，寄生电容明显，为了提高响应速度，必须加驱动电路(Buffer)。另外本例驱动电路采用正向升压电荷泵供电，这样可以保证为NMOS输出管的栅提供高于输入电压VIN的电位，从而保证该线性稳压器的超低压差以及大驱动能力。

基准电路是为误差放大器的正相端提供参考电位，以保证合适的输出电压。本例中采用带隙基准电路，可以提供具有良好温度特性和电源特性的参考电压。

正向升压电荷泵电路接受线性稳压器外部的电压信号VIN，经过升压操作，输出电压为N(N＞1)倍的VIN，即N*VIN，并为驱动电路(Buffer)(3)供电，从而提升NMOS驱动管栅电位，可以很好解决采用NMOS导致线性稳压器压降高的问题，并且可以提升驱动能力。

本实用新型具有很多优点。相比于的现有的PMOS驱动的线性稳压器和单独NMOS驱动的线性稳压器，同时引入NMOS驱动管以及电荷泵升压电路，可以同时兼有NMOS较PMOS的强驱动能力，以及线性稳压器低的压降两个优点，从而特别适合输入电压和输出电压接近的场合，并且又可以提供较强的驱动能力，显著提升效率。因此本实用新型可以在保证以上两种性能的前提下，节省芯片面积，节约成本，并具有很强的可实施性。

以上实施例仅供说明本实用新型之用，而非对本实用新型的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，还可以做出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案也应该属于本实用新型的范畴之内，应由各权利要求限定，而纳入权力要求的范围之内。

Claims (6)

1.一种超低压差及大驱动能力的线性稳压器，基于由驱动电路(3)，电阻分压的反馈网络(4)，误差放大器(2)，基准电路(1)，负载(5)所组成的电路，其特征在于还包括NMOS输出管(7)以及正向升压电荷泵电路(8)，其中：

NMOS输出管(7)，被配置成接受驱动电路(3)输出的电压信号，并提供相应电流给负载(5)；

正向升压电荷泵电路(8)，被配置成接受线性稳压器外部的电压信号VIN，并为驱动电路(3)供电。

2.根据权利要求1所述的超低压差及大驱动能力的线性稳压器，其特征在于，所述NMOS输出管(7)被配置成栅极接驱动电路(3)的输出端，漏极接线性稳压器外部的电压信号VIN，源极接负载(5)和电阻分压的反馈网络(4)共同的VOUT输出端，并且衬底和源极相连。

3.根据权利要求1所述的超低压差及大驱动能力的线性稳压器，其特征在于，所述正向升压电荷泵电路(8)，被配置成接受线性稳压器外部的电压信号VIN，并进行升压操作，输出电压为N(N＞1)倍的VIN，即N*VIN。

4.根据权利要求1所述的超低压差及大驱动能力的线性稳压器，其特征在于，正向升压电荷泵电路(8)的输出电压为驱动电路(3)供电。

5.根据权利要求1所述的超低压差及大驱动能力的线性稳压器，其特征在于，驱动电路(3)被配置成由正向升压电荷泵电路(8)供电，接收来自误差放大器(2)的控制信号，并输出NMOS输出管(7)的控制信号。

6.根据权利要求1所述的超低压差及大驱动能力的线性稳压器，其特征在于，驱动电路(3)被配置成由正向升压电荷泵电路(8)供电，并且其输出电压用来驱动NMOS输出管(7)的栅极。

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