一种低压差线性稳压器及其控制电路

技术领域

本发明涉及线性调整器技术领域，更具体地，涉及一种低功耗的低压差线性稳压器及其控制电路。

背景技术

低压差线性稳压器(Low Dropout Regulator，LDO)是将不稳定的输入电压转换为可调节的直流输出电压，以便于作为其它系统的供电电源。由于线性稳压器具有结构简单、静态功耗小、输出电压纹波小等特点，因此线性稳压器常被用于移动消费类电子设备芯片的片内电源管理。

图1示出了传统的低压差线性稳压器的电路示意图。如图1所示，低压差线性稳压器100包括功率晶体管Mpout、误差放大器110以及电阻R1和电阻R2。功率晶体管Mpout用于根据输入电压Vin向后级负载提供输出电压Vout。电阻R1和电阻R2串联连接在功率晶体管Mpout的输出端和地之间，电阻R1和电阻R2的中间节点用于提供输出电压Vout的反馈电压VFB。误差放大器110用于将反馈电压VFB与一参考电压VREF进行比较，以获得二者之间的误差信号，并根据二者之间的误差信号调整功率晶体管Mpout的栅极电位，调节控制使得反馈电压VFB等于参考电压VREF，从而稳定输出电压Vout。

传统的LDO的功率晶体管Mpout的源极和衬底与输入电压Vin的连接方式如图1所示，功率晶体管Mpout的衬底与漏极之间的寄生体二极管D1的阴极与输入电压Vin连接，阳极与输出电压Vout连接。因为传统的LDO多应用于降压场合，所以一般情况下输入电压Vin大于输出电压Vout，功率晶体管Mpout的寄生体二极管D1处于反向截止，不会影响LDO的正常工作。但是随着集成电路的快速发展和LDO的广泛应用，有时负载端会存在着多电源供电的情况，使得输出电压Vout大于输入电压Vin，或者在应用时出现输入电压Vin短接到地或者悬空的情况，这些都会使得功率晶体管Mpout中的寄生体二极管D1正向导通，不仅会损耗电路中的电流，甚至可能造成功率晶体管Mpout永久性的损坏。所以，需要对传统的LDO的防倒灌问题进行解决。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种低压差线性稳压器及其控制电路，在输出电压大于输入电压时及时关断功率晶体管及其寄生体二极管，防止电流倒灌对功率晶体管的损坏，提高低压差线性稳压器的可靠性。

根据本发明实施例的一方面，提供了一种低压差线性稳压器的控制电路，所述低压差线性稳压器包括连接于电源端和输出端之间的功率晶体管，所述控制电路用于驱动所述功率晶体管以将输入电压转换为输出电压，其中，所述控制电路包括：误差放大器，用于根据所述输出电压的反馈电压与参考电压之间的电压差驱动所述功率晶体管；以及防倒灌电路，用于将所述输入电压和所述输出电压进行比较，以将所述功率晶体管的衬底电压和控制端电压切换为所述输入电压和所述输出电压之间的最高电位。

优选地，所述防倒灌电路还用于在所述输出电压大于所述输入电压时，关断所述误差放大器的输出端至所述功率晶体管的控制端之间的信号路径。

优选地，所述控制电路还包括连接于所述误差放大器的输出端与所述功率晶体管的控制端之间的开关电路，其中，所述防倒灌电路还用于根据所述输入电压和所述输出电压之间的比较结果控制所述开关电路的导通和关断。

优选地，所述开关电路包括并联连接于所述误差放大器的输出端与所述功率晶体管的控制端之间的第一开关管和第二开关管，其中，所述第一开关管的控制端接收第一开关控制信号，所述第二开关管的控制端接收第二开关控制信号。

优选地，所述第一开关管选自P型MOSFET，所述第二开关管选自N型MOSFET。

优选地，所述防倒灌电路包括：比较模块，用于将所述输入电压和所述输出电压进行比较，以得到比较信号；逻辑模块，用于根据所述比较信号生成所述第一开关控制信号和所述第二开关控制信号；以及输出模块，用于根据所述第一开关控制信号和所述第二开关控制信号将所述功率晶体管的衬底电压切换至所述输入电压或者输出电压，以及根据所述第二开关控制信号将所述功率晶体管的控制端电压切换至所述输出电压。

优选地，所述防倒灌电路还包括供电模块，所述供电模块用于在所述输出电压和所述输入电压的电压差小于晶体管的导通阈值时为所述比较模块供电。

优选地，所述供电模块包括：第一晶体管，其具有与所述衬底电压连接的第一端、用于接收所述输入电压的第二端以及控制端；第二晶体管，其具有与所述衬底电压连接的第一端、用于接收所述输出电压的第二端以及控制端，其中，所述第一晶体管的控制端与所述第二晶体管的第二端连接，所述第二晶体管的控制端与所述第一晶体管的第二端连接。

优选地，所述比较模块包括：依次串联连接于所述衬底电压和地之间的第三晶体管和第九晶体管；依次串联连接于所述衬底电压和地之间的第四晶体管、第七晶体管和电流源；依次串联连接于所述衬底电压和所述电流源的第一端之间的第五晶体管和第八晶体管；依次串联连接于所述衬底电压和地之间的第六晶体管和第十晶体管，其中，所述第三晶体管和所述第四晶体管构成电流镜，所述第五晶体管和所述第六晶体管构成电流镜，所述第九晶体管和所述第十晶体管构成电流镜，所述第七晶体管的控制端用于接收所述输出电压，所述第八晶体管的控制端用于接收所述输入电压，所述第六晶体管和所述第十晶体管的中间节点用于提供所述比较信号。

优选地，所述逻辑模块包括依次串联连接的第一反相器、第二反相器和第三反相器，其中，所述第一反相器的输入端用于接收所述比较信号，所述第二反相器的输出端用于提供所述第二开关控制信号，所述第三反相器的输出端用于提供所述第一开关控制信号。

优选地，所述输出模块包括：第十一晶体管，其具有与所述衬底电压连接的第一端、用于接收所述输入电压的第二端、以及用于接收所述第一开关控制信号的控制端；第十二晶体管，其具有与所述衬底电压连接的第一端、用于接收所述输出电压的第二端、以及用于接收所述第二开关控制信号的控制端；以及第十三晶体管，其具有与所述衬底电压连接的第一端、与所述功率晶体管的控制端连接的第二端、以及用于接收所述第二开关控制信号的控制端。

优选地，所述控制电路还包括串联连接于所述输出端和地之间的第一电阻和第二电阻，其中，所述第一电阻和所述第二电阻的中间节点用于提供所述反馈电压。

优选地，所述控制电路还包括连接于所述第一电阻和所述第二电阻的中间节点和地之间的钳位电路，所述钳位电路用于将所述反馈电压钳位于一安全电压。

优选地，所述钳位电路包括依次串联连接于所述第一电阻和所述第二电阻的中间节点和地之间的第十四晶体管至第十六晶体管，其中，所述第十四晶体管至所述第十六晶体管分别连接成二极管结构。

优选地，所述第一晶体管和所述第二晶体管选自P型MOSFET。

优选地，所述第三晶体管、所述第四晶体管、所述第五晶体管和所述第六晶体管分别选自P型MOSFET，所述第七晶体管、所述第八晶体管、所述第九晶体管和所述第十晶体管分别选自N型MOSFET。

优选地，所述第十一晶体管、所述第十二晶体管和所述第十三晶体管分别选自P型MOSFET。

优选地，所述第十四晶体管、第十五晶体管和第十六晶体管分别选自N型MOSFET。

根据本发明实施例的另一方面，提供了一种低压差线性稳压器，包括：串联连接于电源端和输出端之间的功率晶体管；以及上述的控制电路，所述控制电路用于驱动所述功率晶体管。

在本发明实施例的低压差线性稳压器及其控制电路中，控制电路还包括防倒灌电路，防倒灌电路用于将输入电压和输出电压进行比较，以将功率晶体管的衬底电压和控制端电压切换为输入电压和输出电压之间的最高电位，从而可以在输出电压大于输入电压时及时关断功率晶体管及其寄生体二极管，防止电流倒灌对功率晶体管的损坏，有利于提高低压差线性稳压器的可靠性。

在进一步的实施例中，该控制电路还包括连接在误差放大器的输出端和功率晶体管的控制端之间的开关电路，防倒灌电路用于在输出电压大于输入电压时通过开关电路断开误差放大器的输出端至功率晶体管的控制端的信号路径，从而可以避免当输出电压大于输入电压时形成功率晶体管的控制端至误差放大器的电流倒灌通路，保护误差放大器不受到损坏。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1示出了传统的低压差线性稳压器的电路示意图；

图2示出了根据本发明实施例的低压差线性稳压器的电路示意图；

图3示出图2中防倒灌电路的电路示意图。

具体实施方式

以下将参照附图更详细地描述本发明的各种实施例。在各个附图中，相同的元件采用相同或类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。

应当理解，在以下的描述中，“电路”是指由至少一个元件或子电路通过电气连接或电磁连接构成的导电回路。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件/电路“连接在”两个节点之间时，它可以直接耦合或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦合到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。

在本申请中，功率晶体管是工作在线性模式以提供电流路径的晶体管，包括选自双极晶体管或场效应晶体管的一种。功率晶体管的第一端和第二端分别是电流路径上的高电位端和低电位端，控制端用于接收驱动信号以控制功率晶体管的压降。功率晶体管可以为P型MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金属氧化物半导体场效应晶体管)或N型MOSFET。P型MOSFET的第一端、第二端和控制端分别为源极、漏极和栅极，N型MOSFET的第一端、第二端和控制端分别为漏极、源极和栅极。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图2示出根据本发明实施例的低压差线性稳压器的电路示意图。如图2所示，该低压差线性稳压器200包括集成在同一集成电路芯片中的功率晶体管Mpout和控制电路。功率晶体管Mpout为芯片的主要输出管，功率晶体管Mpout例如选用P型MOSFET，其第一端接收输入电压Vin，第二端向后级负载提供输出电压Vout。

在其他实施例中，功率晶体管Mpout也可以选自NPN达林顿管、NPN型双极性晶体管、PNP型双极性晶体管、或者N型MOSFET等。

控制电路用于驱动功率晶体管Mpout，以使得功率晶体管Mpout可以向后级负载提供输出电流。

具体的，控制电路包括误差放大器210和防倒灌电路220。误差放大器210通过控制功率晶体管Mpout的控制端电压，来控制功率晶体管Mpout的第一端和第二端之间的导通电阻，从而控制所述功率晶体管Mpout的源漏压降。

进一步的，误差放大器210将反馈电压VFB和参考电压VREF进行比较，当二者出现偏差时，误差放大器210将所述偏差放大后控制功率晶体管Mpout的源漏压降。在本实施例中，当输出电压Vout降低时，反馈电压VFB与参考电压VREF之间的电压差增大，使得施加到功率晶体管Mpout的控制端的电压增大，功率晶体管Mpout的第一端和第二端之间的导通电阻减小，功率晶体管Mpout两端的压降降低，从而使得低压差线性稳压器200的输出端的电压升高，使得输出电压Vout恢复到正常水平。

在本发明的其他实施例中，控制电路还包括连接在输出端和地之间的反馈网络，误差放大器210根据所述反馈网络提供的反馈电压和参考电压之间的电压差控制功率晶体管Mpout的源漏压降。作为示例，低压差线性稳压器200的控制电路包括串联连接在功率晶体管Mpout的输出端和地之间的电阻R1和电阻R2，电阻R1和电阻R2的中间节点用于提供输出电压Vout的反馈电压VFB。

防倒灌电路220用于将输入电压Vin和输出电压Vout进行比较，根据比较结果将功率晶体管Mpout的衬底电压VCCH和控制端电压Vgate切换至输入电压Vin和输出电压Vout之间的最高电位。例如，当输入电压Vin大于输出电压Vout时，功率晶体管Mpout的衬底电压VCCH等于输入电压Vin，功率晶体管Mpout的控制端电压Vgate由误差放大器210控制，此时功率晶体管Mpout中的寄生体二极管D1和D2都不会正向导通，功率晶体管Mpout没有衬偏效应，因此不会影响功率晶体管Mpout的正常工作。又例如，当输出电压Vout大于输入电压Vin时，功率晶体管Mpout的衬底电压VCCH和控制端电压Vgate都等于输出电压Vout，功率晶体管Mpout中的寄生体二极管D1和D2都不会正向导通。此外，因此功率晶体管Mpout的栅源电压Vgs大于0，功率晶体管的栅漏电压Vgd等于0，所以功率晶体管Mpout关断，电路中不存在输出电压Vout至输入电压Vin的电流倒灌通路，有效地保护了功率晶体管Mpout。

进一步的，由于误差放大器210中的内部电路的最大电压等于输入电压Vin，所以当输出电压Vout大于输入电压Vin时，功率晶体管Mpout的控制端电压Vgate和误差放大器210的内部电路会存在一定的电位差，该电位差会导致功率晶体管Mpout的控制端至误差放大器210的电流倒灌通路。为了避免当输出电压Vout大于输入电压Vin时形成功率晶体管Mpout的控制端至误差放大器210的电流倒灌通路，本实施例的控制电路还包括连接在误差放大器210的输出端和功率晶体管Mpout的控制端之间的开关电路230。防倒灌电路220还用于在输出电压Vout大于输入电压Vin时，控制开关电路230断开误差放大器210的输出端至功率晶体管Mpout的控制端之间的信号路径。

进一步的，开关电路230包括开关管Mpsw和开关管Mnsw组成的CMOS开关，开关管Mpsw和开关管Mnsw并联连接于误差放大器210的输出端和功率晶体管Mpout的控制端之间，开关管Mpsw的控制端用于接收第一开关控制信号V

其中，开关管Mpsw例如通过P型MOSFET实现，开关管Mnsw例如通过N型MOSFET实现。当输出电压Vout大于输入电压Vin时，第一开关控制信号V

在进一步的实施例中，控制电路还包括连接于所述反馈网路和地之间的钳位电路240，该钳位电路240用于在输出电压Vout较大时，将反馈电压VFB钳位于一安全电压以下，使得反馈电压VFB不会超过电路内部的击穿(breakdown)电压，有效地保护控制电路内部的其他电路不受损坏。

进一步的，钳位电路240包括依次串联连接于电阻R1和电阻R2的中间节点和地之间的晶体管Mn1-Mn3，晶体管Mn1-Mn3分别连接成二极管结构。

图3示出图2中防倒灌电路的电路示意图。如图3所示，防倒灌电路220包括供电模块221、比较模块222、逻辑模块223以及输出模块224。

供电模块221用于在输入电压Vin和输出电压Vout之间的电压差小于晶体管的导通阈值时为比较模块222供电。

其中，供电模块221包括晶体管Mp1和晶体管Mp2，晶体管Mp1和晶体管Mp2的第一端与衬底电压VCCH连接，晶体管Mp1的第二端用于接收输入电压Vin，晶体管Mp2的第二端用于接收输出电压Vout，晶体管Mp1的控制端与晶体管Mp2的第二端连接，晶体管Mp2的控制端与晶体管Mp1的第二端连接。

当输出电压Vout和输入电压Vin之间的电压差小于晶体管的导通阈值时，晶体管Mp1和晶体管Mp2关断，此时初始衬底电压VCCH为：

VCCH＝Max(Vin，Vout)-VD

其中，Max(Vin，Vout)表示所述输入电压和所述输出电压之间的最高电位，VD表示晶体管Mp1和晶体管Mp2的寄生体二极管D3和D4的开启电压。

当输出电压Vout和输入电压Vin之间的电压差大于晶体管的导通阈值时，此时存在两种情况：当输入电压Vin大于输出电压Vout时，晶体管Mp1导通，晶体管Mp2关断，初始衬底电压VCCH等于输入电压Vin；当输出电压Vout大于输入电压Vin时，晶体管Mp1关断，晶体管Mp2导通，初始衬底电压VCCH等于输出电压Vout。进一步的，供电模块221还将该初始衬底电压VCCH提供至比较模块222，以为比较模块222供电。

比较模块222用于将输入电压Vin与输出电压Vout进行比较，以生成一比较信号VA。逻辑模块223用于根据所述比较信号VA生成所述第一开关控制信号V

进一步的，比较模块222包括晶体管Mp3-Mp6、晶体管Mn4-Mn7和电流源I1。晶体管Mp3和晶体管Mn6依次串联连接在衬底电压VCCH和地之间，晶体管Mp4、晶体管Mn4和电流源I1依次串联连接在衬底电压VCCH和地之间，晶体管Mp5和晶体管Mn5依次串联连接在衬底电压VCCH和电流源I1的第一端之间，晶体管Mp6和晶体管Mn7依次串联连接在衬底电压VCCH和地之间。晶体管Mp3和晶体管Mp4构成电流镜，晶体管Mp5和晶体管Mp6构成电流镜，晶体管Mn6和晶体管Mn7构成电流镜。晶体管Mn4的控制端用于接收输出电压Vout，晶体管Mn5的控制端用于接收输入电压Vin，晶体管Mp6和晶体管Mn7之间的节点A用于提供所述比较信号VA。其中，衬底电压VCCH为比较模块222的工作电压，晶体管Mn4和晶体管Mn5的衬底接地，使得晶体管Mn4和晶体管Mn5的导通阈值较大，保证当衬底电压VCCH＝Max(Vin，Vout)-VD时比较模块仍然可以正常工作。

逻辑模块223包括依次串联连接的反相器INV1-INV3，反相器INV1的输入端与节点A连接以接收所述比较信号VA，反相器INV2的输出端用于提供所述第二开关控制信号V

输出模块224包括晶体管Mp7-Mp9。晶体管Mp7-Mp9的第一端都与衬底电压VCCH连接，晶体管Mp7的控制端用于接收第一开关控制信号V

其中，当输入电压Vin大于输出电压Vout时，晶体管Mp6将节点A的电位拉高，所以比较信号VA为高电平，第一开关控制信号V

此外，在上述实施例中，晶体管Mp1-Mp9例如通过P型MOSFET实现，晶体管Mn1-Mn7例如通过N型MOSFET实现。

综上所述，本发明实施例的低压差线性稳压器及其控制电路中，控制电路还包括防倒灌电路，防倒灌电路用于将输入电压和输出电压进行比较，以将功率晶体管的衬底电压和控制端电压切换为输入电压和输出电压之间的最高电位，从而可以在输出电压大于输入电压时及时关断功率晶体管及其寄生体二极管，防止电流倒灌对功率晶体管的损坏，有利于提高低压差线性稳压器的可靠性。

在进一步的实施例中，该控制电路还包括连接在误差放大器的输出端和功率晶体管的控制端之间的开关电路，防倒灌电路用于在输出电压大于输入电压时通过开关电路断开误差放大器的输出端至功率晶体管的控制端的信号路径，从而可以避免当输出电压大于输入电压时形成功率晶体管的控制端至误差放大器的电流倒灌通路，保护误差放大器不受到损坏。

在进一步的实施例中，该控制电路还包括连接于反馈网路和地之间的钳位电路，该钳位电路用于在输出电压较大时，将反馈电压钳位于一安全电压以下，使得反馈电压不会超过电路内部的击穿电压，有效地保护控制电路内部的其他电路不受损坏，进一步地提高了低压差线性稳压器的可靠性。

应当说明，尽管在本文中，将器件说明为某种N沟道或P沟道器件、或者某种N型或者P型掺杂区域，然而本领域的普通技术人员可以理解，根据本发明，互补器件也是可以实现的。本领域的普通技术人员可以理解，导电类型是指导电发生的机制，例如通过空穴或者电子导电，因此导电类型不涉及掺杂浓度而涉及掺杂类型，例如P型或者N型。本领域普通技术人员可以理解，本文中使用的与电路运行相关的词语“期间”、“当”和“当……时”不是表示在启动动作开始时立即发生的动作的严格术语，而是在其与启动动作所发起的反应动作(reaction)之间可能存在一些小的但是合理的一个或多个延迟，例如各种传输延迟等。本文中使用词语“大约”或者“基本上”意指要素值(element)具有预期接近所声明的值或位置的参数。然而，如本领域所周知的，总是存在微小的偏差使得该值或位置难以严格为所声明的值。本领域已恰当的确定了，至少百分之十(10％)(对于半导体掺杂浓度，至少百分之二十(20％))的偏差是偏离所描述的准确的理想目标的合理偏差。当结合信号状态使用时，信号的实际电压值或逻辑状态(例如“1”或“0”)取决于使用正逻辑还是负逻辑。

此外，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

依照本发明的实施例如上文，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。