CN110989756B - 基于恒定功率保护的低压差线性稳压器 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种基于恒定功率保护的低压差线性稳压器，包括：LDO单元，包括误差放大器AMP、MOS管MP及分压电阻Rf1和Rf2，LDO单元中负载电流为IL；第一电压检测单元，用于输出第一电压V1，其包括若干电流镜及电阻；第二电压检测单元，用于输出第二电压V2，其包括MOS管MS及电阻；恒定功率保护单元，包括模拟乘法器、比较器及MOS管PM5，模拟乘法器用于将第一电压V1和第二电压相乘并输出Vp，比较器用于将Vp与预设功率值Vrefp进行比较，并根据比较结果通过MOS管PM5控制LDO单元是否工作。本发明通过两个电压检测单元及恒定功率保护单元，在LDO单元输出过流时，可根据设定的功率P和VDD‑VOUT的值计算出实际的输出电流IL，可以对LDO单元进行直观并且线性的保护。

Description

基于恒定功率保护的低压差线性稳压器

技术领域

本发明属于低压差线性稳压器技术领域，具体涉及一种基于恒定功率保护的低压差线性稳压器。

背景技术

低压差线性稳压器(Low Dropout regulator，LDO)具有输出噪声小、电路结构简单、占用芯片面积小和电压纹波小等优点，已成为电源管理芯片中的一类重要电路。低压差线性稳压器能够为模拟电路和射频电路等噪声敏感电路提供低输出纹波的电源，而且由于结构相对简单，外围元器件少，因而被广泛应用于片上系统芯片中。

参图1所示，现有技术中的LDO主要包括误差放大器AMP、MOS管MP、分压电阻Rf1和Rf2、及负载(负载电流为IL)。LDO基本原理为：误差放大器AMP用于放大反馈电压Vfb与基准电压Vref之间的差值，MOS管MP的栅源电压Vgs增大或减小电流以控制输出电压，实现输出电压的稳定，最终Vref和Vfb误差放大经过误差放大器EA构成负反馈使得输出电压稳定在Vout＝Vref×(Rf1+Rf2)/Rf2。

现有技术中LDO过流时，在达到预设的电流保护点才开始保护，但是这个过流点会随着不同的芯片和不同的条件会有比较大的变化，这样有可能会发生功率过大而烧片，尤其是高压输入电路，也有可能发生电流出不来的情况，而且对芯片使用者来说，无法直观的了解芯片的电流能力，对使用带来不必要的麻烦。

因此，针对上述技术问题，有必要提供一种基于恒定功率保护的低压差线性稳压器。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于恒定功率保护的低压差线性稳压器，以实现LDO的恒定功率保护。

为了实现上述目的，本发明一实施例提供的技术方案如下：

一种基于恒定功率保护的低压差线性稳压器，所述低压差线性稳压器包括：

LDO单元，包括误差放大器AMP、MOS管MP及分压电阻Rf1和Rf2，LDO单元中负载电流为IL；

第一电压检测单元，用于输出第一电压V1，其包括若干电流镜及电阻；

第二电压检测单元，用于输出第二电压V2，其包括MOS管MS及电阻；

恒定功率保护单元，包括模拟乘法器、比较器及MOS管PM5，模拟乘法器用于将第一电压V1和第二电压相乘并输出Vp，比较器用于将Vp与预设功率值Vrefp进行比较，并根据比较结果通过MOS管PM5控制LDO单元是否工作。

一实施例中，所述第一电压检测单元包括MOS管NM1、NM2、NM3、NM4、NM5、NM6、PM1、PM2、PM3、PM4及电阻R1、R2、R3，NM1、NM2、NM3、NM4、NM5、NM6为NMOS管，PM1、PM2、PM3、PM4为PMOS管；其中：

电阻R1与电源电压VDD相连；

电阻R2与LDO单元输出电压VOUT相连；

电阻R3与地电位相连；

MOS管NM1、NM2共栅连接构成第一电流镜，MOS管NM1连接于电阻R1及地电位之间，MOS管NM2连接于PM1与地电位之间；

MOS管PM1、PM2共栅连接构成第二电流镜，MOS管PM1连接于电源电压VDD和MOS管NM2之间，MOS管PM2连接于电源电压VDD和MOS管NM3之间；

MOS管NM3、NM6共栅连接构成第三电流镜，MOS管NM3连接于MOS管PM2和地电位之间，MOS管NM6连接于MOS管PM3和地电位之间；

MOS管NM4、NM5共栅连接构成第四电流镜，MOS管NM4连接于NM3的栅极和地电位之间，NM5连接于电阻R2和地电位之间；

MOS管PM3、PM4共栅连接构成第五电流镜，MOS管PM3连接于电源电压VDD和MOS管NM6之间，MOS管PM4连接于电源电压VDD和电阻R3之间。

一实施例中，所述第一电压检测单元输出的第一电压V1为电阻R3两端的电压，第一电压为V1＝IR3*R3＝(IR1-IR2)*R3，其中，IR1、IR2、IR3分别为流经电阻R1、R2、R3的电流。

一实施例中，所述第一电压检测单元中：

其中，NM1和NM2的尺寸比、NM3和NM6的尺寸比、NM4和NM5的尺寸比、PM1和PM2的尺寸比、PM3和PM4的尺寸比均为1，VGSNM1、VGSNM5分别为NM1和NM5的栅源电压差，且VOUT<VDD。

一实施例中，所述第一电压检测单元中NM1和NM5的栅源电压差相等，电阻R1、R2、R3阻值相等，第一电压检测单元输出的第一电压V1＝VDD-VOUT。

一实施例中，所述第二电压检测单元包括MOS管MS及电阻R4，其中MOS管MS及MOS管MP均为PMOS管，且MOS管MS及MP共栅连接，MOS管MS与电源电压VDD相连及电阻R4相连，电阻R4与地电位相连。

一实施例中，所述第二电压检测单元中，MS与MP的尺寸比例为1：N，流经MOS管MS的电流Isen为：

一实施例中，所述第二电压检测单元输出的第二电压V2为电阻R4两端的电压，第二电压V2为：

一实施例中，所述恒定功率保护单元中，MOS管PM5为PMOS管，MOS管PM5的栅极与模拟乘法器的输出端相连，源极与电源电压VDD相连，漏极与误差放大器AMP的输出端相连。

一实施例中，所述恒定功率保护单元包括：

第一状态，Vp＝V1*V2>Vrefp时，MOS管PM5打开，MOS管MP关断，LDO单元不工作；

第二状态，Vp＝V1*V2<Vrefp时，MOS管PM5关断，MOS管MP不受MOS管PM5控制，LDO单元正常工作。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明通过两个电压检测单元及恒定功率保护单元，在LDO单元输出过流时，可根据设定的功率P和VDD-VOUT的值计算出实际的输出电流IL，可以对LDO单元进行直观并且线性的保护。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中低压差线性稳压器的电路原理图；

图2为本发明一具体实施例中基于恒定功率保护的低压差线性稳压器的电路原理图。

具体实施方式

以下将结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细描述。但该等实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据该等实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。

本发明公开了一种基于恒定功率保护的低压差线性稳压器，包括：

LDO单元，包括误差放大器AMP、MOS管MP及分压电阻Rf1和Rf2，LDO单元中负载电流为IL；

第一电压检测单元，用于输出第一电压V1，其包括若干电流镜及电阻；

第二电压检测单元，用于输出第二电压V2，其包括MOS管MS及电阻；

恒定功率保护单元，包括模拟乘法器、比较器及MOS管PM5，模拟乘法器用于将第一电压V1和第二电压相乘并输出Vp，比较器用于将Vp与预设功率值Vrefp进行比较，并根据比较结果通过MOS管PM5控制LDO单元是否工作。

以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。

参图2所示，本发明一具体实施例中基于恒定功率保护的低压差线性稳压器具体包括：

LDO单元10，包括误差放大器AMP、MOS管MP及分压电阻Rf1和Rf2，LDO单元中负载电流为IL；

第一电压检测单元20，用于输出第一电压V1，其包括若干电流镜及电阻；

第二电压检测单元30，用于输出第二电压V2，其包括MOS管MS及电阻；

恒定功率保护单元40，包括模拟乘法器、比较器及MOS管PM5，模拟乘法器用于将第一电压V1和第二电压相乘并输出Vp，比较器用于将Vp与预设功率值Vrefp进行比较，并根据比较结果通过MOS管PM5控制LDO单元是否工作。

以下对电路中的各单元进行详细说明。其中，LDO单元10中，AMP、MP、Rf1、Rf2构成基本的LDO电路，此处不再进行赘述。

第一电压检测单元20：

第一电压检测单元包括MOS管NM1、NM2、NM3、NM4、NM5、NM6、PM1、PM2、PM3、PM4及电阻R1、R2、R3，NM1、NM2、NM3、NM4、NM5、NM6为NMOS管，PM1、PM2、PM3、PM4为PMOS管。

本实施例中各元器件连接方式如下：

电阻R1与电源电压VDD相连；

电阻R2与LDO单元输出电压VOUT相连；

电阻R3与地电位相连；

MOS管NM1、NM2共栅连接构成第一电流镜，MOS管NM1连接于电阻R1及地电位之间，MOS管NM2连接于PM1与地电位之间，具体地，NM1的漏极与电阻R1相连，源极与地电位相连，NM2的漏极与PM1的漏极相连，源极与地电位相连；

MOS管PM1、PM2共栅连接构成第二电流镜，MOS管PM1连接于电源电压VDD和MOS管NM2之间，MOS管PM2连接于电源电压VDD和MOS管NM3之间，具体地，PM1的源极与电源电压VDD相连，漏极与NM2的漏极相连，PM2的源极与电源电压VDD相连，漏极与NM3的漏极相连；

MOS管NM3、NM6共栅连接构成第三电流镜，MOS管NM3连接于MOS管PM2和地电位之间，MOS管NM6连接于MOS管PM3和地电位之间，具体地，NM3的漏极与PM2的漏极相连，源极与地电位相连，NM6的漏极与PM3的漏极相连，源极与地电位相连；

MOS管NM4、NM5共栅连接构成第四电流镜，MOS管NM4连接于NM3的栅极和地电位之间，NM5连接于电阻R2和地电位之间，具体地，NM4的漏极与NM3和NM6的栅极相连，源极与地电位相连，NM5的漏极与电阻R2相连，源极与地电位相连；

MOS管PM3、PM4共栅连接构成第五电流镜，MOS管PM3连接于电源电压VDD和MOS管NM6之间，MOS管PM4连接于电源电压VDD和电阻R3之间，具体地，PM3的源极与电源电压VDD相连，漏极与NM6的漏极相连，PM4的源极与电源电压VDD相连，漏极与电阻R3相连。

本实施例中NM1和NM2的尺寸比、NM3和NM6的尺寸比、NM4和NM5的尺寸比、PM1和PM2的尺寸比、PM3和PM4的尺寸比均为1，由此可得：

其中，VGSNM1、VGSNM5分别为NM1和NM5的栅源电压差。

根据电流镜的镜像原理，流过PM2的电流等于IR1，流过NM4的电流等于IR2，那么流过NM3的电流等于IR1-IR2，那么流过NM6的电流等于NM3的电流，即IR1-IR2，流过R3的电流IR3＝IR1-IR2。

LDO单元的输出VOUT<VDD，通过电路设计可以使VGSNM1等于或近似等于VGSNM5，那么：

第一电压检测单元输出的第一电压V1(即电阻R3两端的电压)为：

其中，IR1、IR2、IR3分别为流经电阻R1、R2、R3的电流。

由此，设置电阻R1、R2、R3的阻值，使R1＝R2＝R3，则第一电压检测单元输出的第一电压V1＝VDD-VOUT。

第二电压检测单元30：

本实施例中第二电压检测单元包括MOS管MS及电阻R4，且MOS管MS及MP共栅连接，MOS管MS的源极与电源电压VDD相连，漏极与电阻R4相连，栅极与AMP输出端相连，电阻R4与地电位相连。

其中，MP为PowerMOS管(PMOS管)，即LDO单元的功率管，负载电流IL都要流过MP，MS(PMOS管)为电流检测管，MS与MP的尺寸比例为1：N，所以流经MS的电流为：

随着负载电流IL逐渐增大，Isen也逐渐增大。

本实施例中第二电压检测单元输出的第二电压V2为电阻R4两端的电压，第二电压V2为：

其中k＝R4/N，N一般是几百甚至上千，可以通过设计使R4＝N(即k＝1)，那么第二电压为V2＝IL。

恒定功率保护单元40：

恒定功率保护单元包括模拟乘法器(analog multiplier)、比较器(CMP)及MOS管PM5，MOS管PM5为PMOS管，MOS管PM5的栅极与模拟乘法器的输出端相连，源极与电源电压VDD相连，漏极与误差放大器AMP的输出端相连。

模拟乘法器(analog multiplier)用于将第一电压V1和第二电压相乘并输出Vp：

Vp＝V1*V2＝(VDD-VOUT)*k*IL。

比较器将Vp与预设功率值Vrefp进行比较，并根据比较结果控制MP5，进而对LDO单元的功率管MP进行限流。

恒定功率保护单元工作状态如下：

第一状态，Vp＝V1*V2>Vrefp时，MOS管PM5打开，MOS管MP关断，LDO单元不工作；

第二状态，Vp＝V1*V2<Vrefp时，MOS管PM5关断，MOS管MP不受MOS管PM5控制，LDO单元正常工作。

Vrefp为设定的功率值，比如Vrefp＝1.5V代表输出限制功率1.5W。

如此，在已知VDD和VOUT时，通过公式

就可以直接计算出过流点IL。

上技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

本发明通过两个电压检测单元及恒定功率保护单元，在LDO单元输出过流时，可根据设定的功率P和VDD-VOUT的值计算出实际的输出电流IL，可以对LDO单元进行直观并且线性的保护。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施例加以描述，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (9)

1.一种基于恒定功率保护的低压差线性稳压器，其特征在于，所述低压差线性稳压器包括：

LDO单元，包括误差放大器AMP、MOS管MP及分压电阻Rf1和Rf2，LDO单元中负载电流为IL；

第一电压检测单元，用于输出第一电压V1，其包括若干电流镜及电阻；

第二电压检测单元，用于输出第二电压V2，其包括MOS管MS及电阻；

恒定功率保护单元，包括模拟乘法器、比较器及MOS管PM5，模拟乘法器用于将第一电压V1和第二电压相乘并输出Vp，比较器用于将Vp与预设功率值Vrefp进行比较，并根据比较结果通过MOS管PM5控制LDO单元是否工作；

所述第一电压检测单元包括MOS管NM1、NM2、NM3、NM4、NM5、NM6、PM1、PM2、PM3、PM4及电阻R1、R2、R3，NM1、NM2、NM3、NM4、NM5、NM6为NMOS管，PM1、PM2、PM3、PM4为PMOS管；其中：

电阻R1与电源电压VDD相连；

电阻R2与LDO单元输出电压VOUT相连；

电阻R3与地电位相连；

MOS管NM1、NM2共栅连接构成第一电流镜，MOS管NM1连接于电阻R1及地电位之间，MOS管NM2连接于PM1与地电位之间；

MOS管PM1、PM2共栅连接构成第二电流镜，MOS管PM1连接于电源电压VDD和MOS管NM2之间，MOS管PM2连接于电源电压VDD和MOS管NM3之间；

MOS管NM3、NM6共栅连接构成第三电流镜，MOS管NM3连接于MOS管PM2和地电位之间，MOS管NM6连接于MOS管PM3和地电位之间；

MOS管NM4、NM5共栅连接构成第四电流镜，MOS管NM4连接于NM3的栅极和地电位之间，NM5连接于电阻R2和地电位之间；

MOS管PM3、PM4共栅连接构成第五电流镜，MOS管PM3连接于电源电压VDD和MOS管NM6之间，MOS管PM4连接于电源电压VDD和电阻R3之间。

2.根据权利要求1所述的基于恒定功率保护的低压差线性稳压器，其特征在于，所述第一电压检测单元输出的第一电压V1为电阻R3两端的电压，第一电压为V1＝IR3*R3＝(IR1-IR2)*R3，其中，IR1、IR2、IR3分别为流经电阻R1、R2、R3的电流。

3.根据权利要求2所述的基于恒定功率保护的低压差线性稳压器，其特征在于，所述第一电压检测单元中：

其中，NM1和NM2的尺寸比、NM3和NM6的尺寸比、NM4和NM5的尺寸比、PM1和PM2的尺寸比、PM3和PM4的尺寸比均为1，VGSNM1、VGSNM5分别为NM1和NM5的栅源电压差，且VOUT<VDD。

4.根据权利要求3所述的基于恒定功率保护的低压差线性稳压器，其特征在于，所述第一电压检测单元中NM1和NM5的栅源电压差相等，电阻R1、R2、R3阻值相等，第一电压检测单元输出的第一电压V1＝VDD-VOUT。

5.根据权利要求1所述的基于恒定功率保护的低压差线性稳压器，其特征在于，所述第二电压检测单元包括MOS管MS及电阻R4，其中MOS管MS及MOS管MP均为PMOS管，且MOS管MS及MP共栅连接，MOS管MS与电源电压VDD相连及电阻R4相连，电阻R4与地电位相连。

6.根据权利要求5所述的基于恒定功率保护的低压差线性稳压器，其特征在于，所述第二电压检测单元中，MS与MP的尺寸比例为1：N，流经MOS管MS的电流Isen为：

7.根据权利要求6所述的基于恒定功率保护的低压差线性稳压器，其特征在于，所述第二电压检测单元输出的第二电压V2为电阻R4两端的电压，第二电压V2为：

8.根据权利要求1所述的基于恒定功率保护的低压差线性稳压器，其特征在于，所述恒定功率保护单元中，MOS管PM5为PMOS管，MOS管PM5的栅极与模拟乘法器的输出端相连，源极与电源电压VDD相连，漏极与误差放大器AMP的输出端相连。

9.根据权利要求8所述的基于恒定功率保护的低压差线性稳压器，其特征在于，所述恒定功率保护单元包括：

第一状态，Vp＝V1*V2>Vrefp时，MOS管PM5打开，MOS管MP关断，LDO单元不工作；

第二状态，Vp＝V1*V2<Vrefp时，MOS管PM5关断，MOS管MP不受MOS管PM5控制，LDO单元正常工作。

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