本發(fā)明屬于電源管理技術(shù)領(lǐng)域，具體地涉及一種超低功耗的低壓差線性穩(wěn)壓器。

背景技術(shù)：

隨著技術(shù)的發(fā)展以及便攜式電子設(shè)備的快速普及，使得集成電路設(shè)計(jì)趨向于低功耗、高安全性、高能效和高集成度等特點(diǎn)。

電源管理模塊是芯片的基本單元電路，低壓差線性穩(wěn)壓器(ldo，lowdropoutregulator)作為電源管理模塊在大規(guī)模集成電路系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用

ldo由于所需外部元器件較少而在低功耗的電源管理系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。受低功耗要求的影響，傳統(tǒng)ldo的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，在電源電壓或者輸出負(fù)載條件變化時(shí)由于沒(méi)有足夠的電流來(lái)支撐ldo快速響應(yīng)導(dǎo)致ldo輸出表現(xiàn)出較大的過(guò)壓或欠壓現(xiàn)象，并且恢復(fù)到穩(wěn)定輸出值的時(shí)間也較長(zhǎng)。此外，由于ldo中保護(hù)功能需要消耗一定的功耗，所以傳統(tǒng)的低功耗ldo中大都省略部分保護(hù)功能，包括過(guò)溫保護(hù)和過(guò)流保護(hù)功能，如公開(kāi)專利：cn102789256b，這樣不利于芯片的工作安全，容易過(guò)溫或者過(guò)流從而導(dǎo)致芯片失效。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種超低功耗的低壓差線性穩(wěn)壓器用以解決上述的問(wèn)題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種超低功耗的低壓差線性穩(wěn)壓器，包括主環(huán)路電路、輸出電壓檢測(cè)及第一動(dòng)態(tài)偏置電流產(chǎn)生電路和第一電流源，所述第一電流源為主環(huán)路電路的誤差放大器提供靜態(tài)偏置電流ib0，所述輸出電壓檢測(cè)及第一動(dòng)態(tài)偏置電流產(chǎn)生電路用于檢測(cè)主環(huán)路電路的輸出電壓的過(guò)壓和欠壓并把過(guò)壓和欠壓轉(zhuǎn)換成與其正相關(guān)的電流作為主環(huán)路電路的誤差放大器的第一動(dòng)態(tài)偏置電流ib1。

進(jìn)一步的，所述靜態(tài)偏置電流ib0小于10na。

進(jìn)一步的，所述輸出電壓檢測(cè)及第一動(dòng)態(tài)偏置電流產(chǎn)生電路包括第一電流鏡、比較器a0、比較器a1、pmos管m4-m5和nmos管m6-m7，所述比較器a0的同相輸入端接主環(huán)路的電壓采樣電路的輸出端vfb，所述比較器a0的反相輸入端接參考電壓vref，所述比較器a0的輸出端接pmos管m4的柵極，所述比較器a1的反相輸入端接主環(huán)路的電壓采樣電路的輸出端vfb，所述比較器a1的同相輸入端接參考電壓vref，所述比較器a1的輸出端接pmos管m5的柵極，所述pmos管m4和m5的漏極接地，所述pmos管m4和m5的源極接第一電流鏡的輸入端，所述第一電流鏡的輸出端同時(shí)接nmos管m6的柵極、nmos管m7的柵極和nmos管m7的漏極，所述nmos管m6和m7的源極接地，所述nmos管m6的漏極為主環(huán)路電路的誤差放大器提供第一動(dòng)態(tài)偏置電流ib1。

更進(jìn)一步的，所述第一電流鏡為非線性電流鏡。

更進(jìn)一步的，所述第一電流鏡包括pmos管m8-m10，所述pmos管m8和m9的源極接電源vcc，所述pmos管m8的漏極同時(shí)接nmos管m6的柵極、nmos管m7的柵極和nmos管m7的漏極，所述pmos管m9的漏極同時(shí)接pmos管m4、m5和m10的源極，所述pmos管m8-m10的柵極同時(shí)接偏置電壓vbias，所述pmos管m10的漏極接電流源ib3。

進(jìn)一步的，還包括輸出電流檢測(cè)及第二動(dòng)態(tài)偏置電流產(chǎn)生電路，所述輸出電流檢測(cè)及第二動(dòng)態(tài)偏置電流產(chǎn)生電路用于檢測(cè)主環(huán)路電路的輸出電流并將主環(huán)路電路的輸出電流按一定比例轉(zhuǎn)換后作為主環(huán)路電路的誤差放大器的第二動(dòng)態(tài)偏置電流ib2。

更進(jìn)一步的，所述輸出電流檢測(cè)及第二動(dòng)態(tài)偏置電流產(chǎn)生電路包括pmos管ms1、nmos管m11和nmos管m12，所述pmos管ms1的柵極接主環(huán)路電路的輸出功率管mp0的控制端，所述pmos管ms1的源極接電源vcc，所述pmos管ms1的漏極同時(shí)接nmos管m11的漏極、nmos管m11的柵極和nmos管m12的柵極，所述nmos管m11和nmos管m12的源極接地，所述nmos管m12的漏極為主環(huán)路電路的誤差放大器提供第二動(dòng)態(tài)偏置電流ib2。

進(jìn)一步的，還包括輸出電流判斷電路和過(guò)流保護(hù)電路，所述輸出電流判斷電路用于判斷主環(huán)路電路的輸出電流是否超過(guò)設(shè)定值，當(dāng)主環(huán)路電路的輸出電流超過(guò)設(shè)定值時(shí)，則輸出控制信號(hào)給過(guò)流保護(hù)電路使其啟動(dòng)工作，所述過(guò)流保護(hù)電路用于對(duì)主環(huán)路電路進(jìn)行過(guò)流保護(hù)。

更進(jìn)一步的，所述過(guò)流保護(hù)電路為折返式過(guò)流保護(hù)電路。

進(jìn)一步的，還包括輸出電流判斷電路和過(guò)溫保護(hù)電路，所述輸出電流判斷電路用于判斷主環(huán)路電路的輸出電流是否超過(guò)設(shè)定值，當(dāng)主環(huán)路電路的輸出電流超過(guò)設(shè)定值時(shí)，則輸出控制信號(hào)給過(guò)溫保護(hù)電路使其啟動(dòng)工作，所述過(guò)溫保護(hù)電路用于對(duì)主環(huán)路電路進(jìn)行過(guò)溫保護(hù)。

進(jìn)一步的，所述主環(huán)路電路的電壓采樣電路包括電阻r1和r0，所述電阻r1的第一端與電阻r0的第一端連接，所述電阻r1的第二端接主環(huán)路電路的輸出功率管的輸出端，所述電阻r0的第二端接地，所述電阻r1為可調(diào)電阻。

本發(fā)明的有益技術(shù)效果：

本發(fā)明通過(guò)輸出電壓檢測(cè)及第一動(dòng)態(tài)偏置電流產(chǎn)生電路，當(dāng)輸出過(guò)壓或者欠壓時(shí)會(huì)產(chǎn)生第一動(dòng)態(tài)偏置電流ib1，該電流為動(dòng)態(tài)電流，只有在輸出過(guò)壓或者欠壓情況下電流值變大，而在輸出穩(wěn)定時(shí)該電流值很小，且靜態(tài)偏置電流ib0設(shè)置很小，滿足超低功耗的設(shè)計(jì)。

輸出電壓檢測(cè)及第一動(dòng)態(tài)偏置電流產(chǎn)生電路中所采用的非線性電流鏡技術(shù)，使得ldo負(fù)載電壓突變的幅度較大時(shí)能夠提供更多的第一動(dòng)態(tài)偏置電流ib1給主環(huán)路電路的誤差放大器，從而使得ldo具有更快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。

輸出電流判斷電路用于開(kāi)關(guān)ldo保護(hù)功能的作用，只有輸出電流超過(guò)所設(shè)定的閾值時(shí)才開(kāi)啟保護(hù)功能，使得在負(fù)載電流較小時(shí)保護(hù)功能關(guān)閉從而達(dá)到低負(fù)載條件下低功耗的目的，由于低負(fù)載條件不會(huì)發(fā)生過(guò)溫過(guò)流的極端情況，因此輸出電流檢測(cè)的開(kāi)關(guān)作用使得降低功耗的同時(shí)不影響電路的工作安全。

過(guò)流保護(hù)的閾值不隨者輸出電壓設(shè)定的不同而改變，通過(guò)不同的電阻r1的值來(lái)設(shè)定不同的輸出電壓時(shí)過(guò)流保護(hù)的啟動(dòng)閾值及輸出短路的電流限定值均不會(huì)改變。從而賦予輸出電壓更多可能的配置值，實(shí)現(xiàn)具有可編程的多種輸出電壓選擇。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例的主環(huán)路電路的電路原理圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例的輸出電壓檢測(cè)及第一動(dòng)態(tài)偏置電流源產(chǎn)生電路的電路原理圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例的第一電流鏡的電路原理圖；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例的輸出電流檢測(cè)及第二動(dòng)態(tài)偏置電流源產(chǎn)生電路的電路原理圖；

圖6為本發(fā)明實(shí)施例的輸出電流判斷電路和過(guò)流保護(hù)電路的電路原理圖；

圖7為本發(fā)明實(shí)施例的過(guò)溫保護(hù)電路的電路原理圖。

具體實(shí)施方式

現(xiàn)結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。

如圖1所示，一種超低功耗的低壓差線性穩(wěn)壓器，包括主環(huán)路電路11、輸出電壓檢測(cè)及第一動(dòng)態(tài)偏置電流產(chǎn)生電路13和第一電流源12，所述第一電流源12為主環(huán)路電路的誤差放大器提供靜態(tài)偏置電流ib0，所述輸出電壓檢測(cè)及第一動(dòng)態(tài)偏置電流產(chǎn)生電路13用于檢測(cè)主環(huán)路電路11的輸出電壓的過(guò)壓和欠壓并把過(guò)壓和欠壓轉(zhuǎn)換成與其正相關(guān)的電流作為主環(huán)路電路11的誤差放大器的第一動(dòng)態(tài)偏置電流ib1。

本具體實(shí)施例中，所述靜態(tài)偏置電流ib0小于10na，優(yōu)選小于5na，更優(yōu)選小于3na。即靜態(tài)偏置電流ib0的大小只要滿足主環(huán)路電路11正常工作的最低值即可，從而實(shí)現(xiàn)超低功耗。當(dāng)然，在其它實(shí)施例中，靜態(tài)偏置電流ib0根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定，只要滿足主環(huán)路電路11正常工作的最低值即可，此是本領(lǐng)域技術(shù)人員可以輕易實(shí)現(xiàn)的，不再詳細(xì)說(shuō)明。

本具體實(shí)施例中，主環(huán)路電路11包括誤差比較器、輸出功率管、補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)和電壓采樣電路，具體的，如圖2所示，誤差比較器包括nmos管m0-m1和pmos管m2-m3，輸出功率管為pmos管mp0，補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)包括電容cc和電阻rc，電壓采樣電路包括電阻r1和r0，其具體連接關(guān)系可以參見(jiàn)圖2，此不再詳細(xì)說(shuō)明。

本具體實(shí)施例中，電阻r1為可調(diào)電阻，通過(guò)改變電阻r1的阻值可以實(shí)現(xiàn)輸出電壓可編程的功能。環(huán)路控制使得電壓vfb＝vref，從而獲得穩(wěn)定的輸出電壓vout＝(r1+r0)*vref/r0。

當(dāng)然，在其它實(shí)施例中，主環(huán)路電路11也可以采用現(xiàn)有的其它低壓差線性穩(wěn)壓器電路，此是本領(lǐng)域技術(shù)人員可以輕易實(shí)現(xiàn)的，不再詳細(xì)說(shuō)明。

本具體實(shí)施例中，如圖3所示，輸出電壓檢測(cè)及第一動(dòng)態(tài)偏置電流產(chǎn)生電路13包括第一電流鏡1、比較器a0、比較器a1、pmos管m4-m5和nmos管m6-m7，所述比較器a0的同相輸入端接主環(huán)路電路的電壓采樣電路的輸出端vfb(即電阻r1和r0之間的節(jié)點(diǎn))，所述比較器a0的反相輸入端接參考電壓vref，所述比較器a0的輸出端接pmos管m4的柵極，所述比較器a1的反相輸入端接主環(huán)路電路11的電壓采樣電路的輸出端vfb，所述比較器a1的同相輸入端接參考電壓vref，所述比較器a1的輸出端接pmos管m5的柵極，所述pmos管m4和m5的漏極接地，所述pmos管m4和m5的源極接第一電流鏡1的輸入端，所述第一電流鏡1的輸出端同時(shí)接nmos管m6的柵極、nmos管m7的柵極和nmos管m7的漏極，所述nmos管m6和m7的源極接地，所述nmos管m6的漏極接nmos管m0和m1的源極，即為主環(huán)路電路11的誤差放大器提供第一動(dòng)態(tài)偏置電流ib1。

本具體實(shí)施例中，所述第一電流鏡1優(yōu)選為非線性電流鏡，當(dāng)然，在其它實(shí)施例中，也可以采用線性電流鏡。

具體的，如圖4所示，所述第一電流鏡1包括pmos管m8-m10，所述pmos管m8和m9的源極接電源vcc，所述pmos管m8的漏極同時(shí)接nmos管m6的柵極、nmos管m7的柵極和nmos管m7的漏極，所述pmos管m9的漏極同時(shí)接pmos管m4、m5和m10的源極，所述pmos管m8-m10的柵極同時(shí)接偏置電壓vbias，所述pmos管m10的漏極接電流源ib3。當(dāng)然，在其它實(shí)施例中，第一電流鏡1也可以采用其它的非線性電流鏡電路，此是本領(lǐng)域技術(shù)人員可以輕易實(shí)現(xiàn)的，不再詳細(xì)說(shuō)明。

當(dāng)輸出電壓過(guò)壓或者欠壓，即電壓vref大于或者小于電壓vfb時(shí)，由于比較器a0和a1輸入對(duì)管的不平衡產(chǎn)生了電流idyn，完成了從過(guò)壓或者欠壓轉(zhuǎn)成電流的變換過(guò)程。非線性電流鏡1使得電流imirr/idyn的值隨著電流idyn的增加而增加，從而在輸出過(guò)壓或者欠壓的情況下快速產(chǎn)生第一動(dòng)態(tài)偏置電流ib1，并且第一動(dòng)態(tài)偏置電流ib1的值隨著過(guò)壓或者欠壓幅度的增加而迅速增大，從而使得ldo具有更快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。

當(dāng)然，在其它實(shí)施例中，輸出電壓檢測(cè)及第一動(dòng)態(tài)偏置電流產(chǎn)生電路13也可以采用現(xiàn)有的其它電壓檢測(cè)及轉(zhuǎn)換電路，此是本領(lǐng)域技術(shù)人員可以輕易實(shí)現(xiàn)的，不再詳細(xì)說(shuō)明。

本具體實(shí)施例中，還包括輸出電流檢測(cè)及第二動(dòng)態(tài)偏置電流產(chǎn)生電路14，所述輸出電流檢測(cè)及第二動(dòng)態(tài)偏置電流產(chǎn)生電路14用于檢測(cè)主環(huán)路電路11的輸出電流并將主環(huán)路電路11的輸出電流按一定比例轉(zhuǎn)換后作為主環(huán)路電路11的誤差放大器的第二動(dòng)態(tài)偏置電流ib2。

具體的，如圖5所示，所述輸出電流檢測(cè)及第二動(dòng)態(tài)偏置電流產(chǎn)生電路14包括pmos管ms1、nmos管m11和nmos管m12，所述pmos管ms1的柵極接主環(huán)路電路11的pmos管mp0的柵極(輸出功率管mp0的控制端)，所述pmos管ms1的源極接電源vcc，所述pmos管ms1的漏極同時(shí)接nmos管m11的漏極、nmos管m11的柵極和nmos管m12的柵極，所述nmos管m11和nmos管m12的源極接地，所述nmos管m12的漏極接nmos管m0和m1的源極，即為主環(huán)路電路11的誤差放大器提供第二動(dòng)態(tài)偏置電流ib2。

輸出電流檢測(cè)及第二動(dòng)態(tài)偏置電流產(chǎn)生電路14將主環(huán)路電路11的輸出電流按一定比例縮小后輸出給主環(huán)路電路11的誤差放大器，作為其第二動(dòng)態(tài)偏置電流ib2，當(dāng)輸出電流越大時(shí)，第二動(dòng)態(tài)偏置電流ib2越大，從而使得ldo具有更快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。

圖5只是給出了輸出電流檢測(cè)及第二動(dòng)態(tài)偏置電流產(chǎn)生電路14優(yōu)選的實(shí)施方式，在其它實(shí)施例中，也可以采用其它電路實(shí)現(xiàn)方式，此是本領(lǐng)域技術(shù)人員可以輕易實(shí)現(xiàn)的，不再詳細(xì)說(shuō)明。

本具體實(shí)施例中，還包括輸出電流判斷電路15和過(guò)流保護(hù)電路16，所述輸出電流判斷電路15用于判斷主環(huán)路電路11的輸出電流是否超過(guò)設(shè)定值，當(dāng)主環(huán)路電路11的輸出電流超過(guò)設(shè)定值時(shí)，則輸出控制信號(hào)給過(guò)流保護(hù)電路16使其啟動(dòng)工作，所述過(guò)流保護(hù)電路16用于對(duì)主環(huán)路電路11進(jìn)行過(guò)流保護(hù)。

本具體實(shí)施例中，所述過(guò)流保護(hù)電路16優(yōu)選為折返式過(guò)流保護(hù)電路。

具體的，如圖6所示，輸出電流判斷電路15包括pmos管ms0和參考電流源ib4，所述過(guò)流保護(hù)電路16包括pmos管m13-m17、nmos管m22-m23、開(kāi)關(guān)sw0-sw2、pmos管mp1-mp2、電阻r2-r3和電流源ib5-ib7。具體連接關(guān)系參見(jiàn)圖6，此不再細(xì)說(shuō)，pmos管ms0和參考電流源ib4之間的節(jié)點(diǎn)oc為輸出電流判斷電路15的輸出端，用于輸出控制信號(hào)給開(kāi)關(guān)sw0-sw2的控制端，控制開(kāi)關(guān)sw0-sw2導(dǎo)通。

當(dāng)主環(huán)路電路11的輸出電流大于設(shè)定值(過(guò)流)，即pmos管ms0中的電流大于參考電流源ib4的電流時(shí)，輸出端oc輸出為高電平，開(kāi)關(guān)sw0-sw2閉合從而接通過(guò)流保護(hù)電路16，過(guò)流保護(hù)電路16確定了啟動(dòng)閾值及輸出短路時(shí)pmos管mp0上流過(guò)電流的限定值。負(fù)載過(guò)流時(shí)的啟動(dòng)閾值ioc＝n*vref/r2，其中n為pmos管mp0與pmos管ms0的鏡像比例。輸出短路時(shí)的電流限定值ilim＝n*ib8*r3/r2。通過(guò)設(shè)定不同的電阻r1的值來(lái)設(shè)定不同的輸出電壓時(shí)過(guò)流保護(hù)的啟動(dòng)閾值及輸出短路的電流限定值均不會(huì)改變。從而賦予輸出電壓更多可能的配置值。

當(dāng)pmos管ms0中的電流小于參考電流源ib4的電流時(shí)，輸出端oc輸出為低電平，開(kāi)關(guān)sw0-sw2斷開(kāi)從而斷開(kāi)過(guò)流保護(hù)電路，節(jié)省能耗。

當(dāng)然，在其它實(shí)施例中，輸出電流判斷電路15和過(guò)流保護(hù)電路16也可以采用現(xiàn)有的電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，此是本領(lǐng)域技術(shù)人員可以輕易實(shí)現(xiàn)的，不再詳細(xì)說(shuō)明。

本具體實(shí)施例中，還包括過(guò)溫保護(hù)電路16，當(dāng)主環(huán)路電路11的輸出電流超過(guò)設(shè)定值時(shí)，輸出電流判斷電路15輸出控制信號(hào)給過(guò)溫保護(hù)電路16使其啟動(dòng)工作，所述過(guò)溫保護(hù)電路16用于對(duì)主環(huán)路電路11進(jìn)行過(guò)溫保護(hù)。

具體的，主環(huán)路電路11的nmos管m0和m1的源極均通過(guò)開(kāi)關(guān)sw6與第一電流源12、第一動(dòng)態(tài)偏置電流ib1和第二動(dòng)態(tài)偏置電流ib2連接，過(guò)溫保護(hù)電路16包括pmos管m18-m19、nmos管m20-m21、開(kāi)關(guān)sw3-sw5，電阻r3、電流源ib8-ib10和溫度傳感器d1，具體連接關(guān)系詳見(jiàn)圖7，此不再細(xì)說(shuō)，開(kāi)關(guān)sw3-sw5的控制端接輸出電流判斷電路15的輸出端oc，pmos管m18的漏極和nmos管m20的漏極之間的節(jié)點(diǎn)為過(guò)溫保護(hù)電路16的輸出端ot，輸出端ot與開(kāi)關(guān)sw6的控制端連接。本具體實(shí)施例中，溫度傳感器d1為熱敏二極管。

當(dāng)輸出端oc為高電平時(shí)，開(kāi)關(guān)sw3-sw5閉合從而接通過(guò)溫保護(hù)電路16，當(dāng)溫度超過(guò)設(shè)定值時(shí)，輸出端ot輸出高電平，使開(kāi)關(guān)sw6斷開(kāi)，從而使主環(huán)路電路11停止工作，實(shí)現(xiàn)過(guò)溫保護(hù)。

當(dāng)輸出端oc為低電平時(shí)，開(kāi)關(guān)sw3-sw5斷開(kāi)從而斷開(kāi)過(guò)溫保護(hù)電路16，降低能耗。由于過(guò)溫情況只可能發(fā)生在輸出電流比較大的情況下，因此在輸出電流比較下時(shí)關(guān)斷過(guò)溫保護(hù)電路16不會(huì)影響其芯片的過(guò)溫保護(hù)功能。

盡管結(jié)合優(yōu)選實(shí)施方案具體展示和介紹了本發(fā)明，但所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該明白，在不脫離所附權(quán)利要求書(shū)所限定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，在形式上和細(xì)節(jié)上可以對(duì)本發(fā)明做出各種變化，均為本發(fā)明的保護(hù)范圍。