一种带隙基准电流源、低压差线性稳压器及电源管理器

技术领域

本申请涉及电源芯片技术领域，具体涉及一种带隙基准电流源、低压差线性稳压器及电源管理器。

背景技术

现有低压差线性稳压器(Low Dropout regulator，LDO)主要功能电路单元包含有：基准源、误差放大器、反馈电阻网络、保护电路、使能电路、偏置电源等，其中MOS管类型的LDO主要利用MOS管的恒流区，通过调节V

因此，LDO的结构及电路性能有待改进和提升。

发明内容

有鉴于此，本说明书实施例提供一种带隙基准电流源、低压差线性稳压器及电源管理器，形成了一种LDO结构中新型基准电流源，能够提供正比于温度的基准电流，有利于降低LDO内功能电路对输出电压的影响，具有高电源抑制比、高带载能力，以及有利于提高LDO的整体电路性能。

本说明书实施例提供以下技术方案：

本说明书实施例提供一种带隙基准电流源，包括：第一带隙基准电路、第二带隙基准电路、运放钳位电路；第一带隙基准电路包括第一电阻、第一MOS管、第二MOS管和第一三极管；第二带隙基准电路包括第二电阻、第三MOS管、第四MOS管、第二三极管和第三电阻；运放钳位电路包括运放电路；

其中，第一电阻的一端连接输入电源，第一电阻的另一端连接第一MOS管的源极；第一MOS管的栅极与第三MOS管的栅极、第一MOS管的漏极以及运放电路的第一差分输入端连接，第一MOS管的漏极与第二MOS管的漏极连接；第二MOS管的栅极与第四MOS管的栅极、第一三极管的基极、第二三极管的基极连接，第二MOS管的源极与第一三极管的集电极连接；第一三极管的发射极连接电源地；第二电阻的一端连接输入电源，第二电阻的另一端与第三MOS管的源极连接；第三MOS管的漏极与运放电路的第二差分输入端、第四MOS管的漏极连接；第四MOS管的源极与第二三极管的集电极连接；第二三极管的发射极通过第三电阻连接到电源地；运放电路的输出端与第一MOS管的源极、第三MOS管的源极连接；第一三极管的基极作为恒流源的输出端以对外提供正比于温度的输出电流。

优选地，运放电路包括第五MOS管、第六MOS管、第七MOS管、第八MOS管和第九MOS管；

第五MOS管的源极连接输入电源，第五MOS管的漏极与第六MOS挂你的源极、第七MOS管的源极连接；第六MOS管的栅极作为运放电路的第一差分输入端；第七MOS管的栅极作为运放电路的第二差分输入端；第八MOS管和第九MOS管构成电流镜，其中第八MOS管的漏极与第六MOS管的漏极、第八MOS管的栅极、第九MOS管的栅极连接，第九MOS管的漏极与第七MOS管的漏极连接，第八MOS管的源极、第九MOS管的源极连接到电源地；第九MOS管的漏极作为运放电路的输出端；

其中，第五MOS管的栅极用于上电控制以在输入电源上电后使得第五MOS管导通以形成运放电路的静态电流。

优选地，运放电路还包括第十MOS管和第十一MOS管，第十MOS管的栅极、第十一MOS管的栅极与第九MOS管的漏极连接，第十MOS管的源极、第十一MOS管的源极连接到电源地；第十MOS管的漏极作为运放电路的第一输出端与第一MOS管的源极连接，第十一MOS管的漏极作为运放电路的第二输出端与第三MOS管的源极连接。

优选地，所述带隙基准电流源还包括启动电路，所述启动电路包括第四电阻、第十二MOS管，第十二MOS管的漏极与第一MOS管的栅极、第四MOS管的漏极连接，第十二MOS管的栅极连接到电源地，第十二MOS管的源极通过第四电阻连接到电源地；其中第十二MOS管为耗尽型MOS管。

优选地，所述启动电路还包括第五电阻、第十三MOS管，第五电阻的一端连接输入电源，第五电阻的另一端与第十三MOS管的源极连接，第十三MOS管的漏极与第十二MOS管的源极连接，第十三MOS管的栅极与第一MOS管的漏极连接。

优选地，所述启动电路还包括第十四MOS管，第十四MOS管的漏极与第十三MOS管的源极连接，第十四MOS管的源极连接到电源地，第十四MOS管的栅极与运放电路的输出端连接。

优选地，第二MOS管和第四MOS管为耗尽型MOS管；

和/或，第一电阻和第二电阻的阻值相等；

和/或，第一MOS管和第三MOS管为匹配对管；

和/或，第二MOS管和第四MOS管为匹配对管。

本说明书实施例还提供一种低压差线性稳压器，包括：

如本说明书中任意一项所述的带隙基准电流源；

功率MOS管；

调整电路，其中调整电路包括第三三极管和第六电阻；

其中，所述带隙基准电流源的输出端与第三三极管的基极连接，第三三极管的发射极连接到电源地，第三三极管的集电极与第三三极管的基极、第六电阻的一端连接，第六电阻的另一端与功率MOS管的漏极连接，功率MOS管的源极连接输入电源，功率MOS管的漏极作为稳压器的输出端，功率MOS管的栅极用于上电控制以在输入电源上电后使得功率MOS管导通以通过稳压器的输出端对外提供输出电压。

优选地，所述低压差线性稳压器还包括滤波电容和/或弥勒电容，其中滤波电容连接于功率MOS管的漏极与电源地之间，以用于稳压器的输出滤波；弥勒电容连接于功率MOS管的栅极和漏极之间，以对功率MOS管。

本说明书实施例还提供一种电源管理器，包括：如本说明书中任意一项所述的带隙基准电流源，或者如本说明书中任意一项所述的低压差线性稳压器；其中，带隙基准恒流源用于提供正比于温度的输出电流；低压差线性稳压器用于提供供电电压。

与现有技术相比，本说明书实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到的有益效果至少包括：

通过在传统LDO电路的基础上，提出了一种带隙基准型电流源来构成LDO结构，使得LDO能够产生一个不受温度影响的基准电压，还有结合LDO环路与带隙基准环路，相比较传统的带隙基准电路该发明具有较高的带载能力，且相较于传统LDO具有很低的静态电流和较高的电源噪声抑制比，提高了LDO电路的整体效率。另外，在该带隙结构基础上，因只有一个环路，该发明相较于传统LDO极大地减小了版图面积。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例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申请的一些实施例，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它的附图。

图1是本申请中一种带隙基准电流源及低压差线性稳压器的结构示意图；

图2是本申请中带隙基准电路当中电流受基极电压影响的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。

以下通过特定的具体实例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本申请，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目和方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。

还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本申请的基本构想，图式中仅显示与本申请中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践。

现有LDO是通过调节VGS电压，使MOS管处于不同的电流状态，即利用MOS管的恒流区，实现恒定电流控制，进而达到输出电压稳定目的。

由于MOS自身特性限制，上述结构及工作原理先，造成输出电压的大小容易受到影响。

有鉴于此，发明人通过对线性稳压器的结构以及工作原理进行深入研究及改进探索，发现：现有LDO结构中，因稳压所需的电流源是利用MOS管的恒流区实现，容易受到各种因素影响，比如输入电压、负载变化等等，而且电流源受到的这些影响，很难通过其他方式加以抵消或降低影响，导致了用于稳压控制的电流波动，进而引起输出电压的波动，影响了LDO的电路性能提升。

基于此，本说明书实施例提出了一种能够用于LDO的基准电流源方案：如图1所示，在LDO结构中，采用两个带隙基准(即第一带隙基准和第二带隙基准)构成新带隙环路单元，并使用运放钳位对带隙进行钳位调整，使得带隙基准单元能够产生正比于温度基准电流(Proportional To Absolute Temperature，PTAT)，消除了电流可能受到的其他影响，有利于后期利用温度系数相关电路，对该PTAT基准电流进行温度系数补偿后得到与温度无关的基准电压，即LDO能够得到不受温度影响的输出电压，极大的提高了线性稳压器的温度系数抑制性能，改善了稳压输出电压的稳定性，能够提升LDO电路性能。

还有，本发明带隙基准型LDO结构只具有一个环路，在版图当中具有更小的面积。

以下结合附图，说明本申请各实施例提供的技术方案。

下面结合附图对本发明专利作进一步详细的说明。

参考设计电路如图1所示，一种带隙基准电流源，包括：第一带隙基准电路、第二带隙基准电路、运放钳位电路。

如图1示意，第一带隙基准电路包括第一电阻R3、第一MOS管M2A、第二MOS管M2C和第一三极管Q2；第二带隙基准电路包括第二电阻R1、第三MOS管M2B、第四MOS管M2D、第二三极管Q1和第三电阻R2；运放钳位电路包括运放电路；其中，第一电阻R3的一端连接输入电源，第一电阻R3的另一端连接第一MOS管M2A的源极；第一MOS管M2A的栅极与第三MOS管M2B的栅极、第一MOS管M2A的漏极以及运放电路的第一差分输入端连接，第一MOS管M2A的漏极与第二MOS管M2C的漏极连接；第二MOS管M2C的栅极与第四MOS管M2D的栅极、第一三极管Q2的基极、第二三极管Q1的基极连接，第二MOS管M2C的源极与第一三极管Q2的集电极连接；第一三极管Q2的发射极连接电源地(即GND)；第二电阻R1的一端连接输入电源(即VIN)，第二电阻R1的另一端与第三MOS管M2B的源极连接；第三MOS管M2B的漏极与运放电路的第二差分输入端、第四MOS管M2D的漏极连接；第四MOS管M2D的源极与第二三极管Q1的集电极连接；第二三极管Q1的发射极通过第三电阻R2连接到电源地；运放电路的输出端与第一MOS管M2A的源极、第三MOS管M2B的源极连接；第一三极管Q2的基极作为电流源的输出端以对外提供正比于温度的输出电流。

在上述带隙基准单元中，第一带隙基准和第二带隙基准各自包括有阻值相等的R1、R3电阻，电阻的一端与电压“VIN”相接，电阻的另一端分别与电流镜M2B、M2A管子的源极相接。电流镜M2A、M2B对管的漏极分别与对管M2C、M2D的漏极相接。

进一步，对管M2C、M2D为耗尽型MOS管(其中Vth约等于-100mV)，对管M2C、M2D的栅极与Q1、Q2三极管的基极一同连接到一起，对管M2C、M2D的源极分别与Q2、Q1对管的集电极相接。Q2三极管的发射极与电压“GND”相接，Q1三极管的发射极与R2电阻的一端相接，电阻R2的另外一端与电压“GND”相接。

在一些实施方式中，运放电路可以是图1示意的五管放大器电路，也可以是其他电路形式。

下面给出五管放大器电路示例。如图1示意，运放电路包括第五MOS管M1A、第六MOS管M1B、第七MOS管M1C、第八MOS管M1D和第九MOS管M1E。

其中，第五MOS管M1A的源极连接输入电源，第五MOS管M1A的漏极与第六MOS管M1B的源极、第七MOS管M1C的源极连接；第六MOS管M1B的栅极作为运放电路的第一差分输入端；第七MOS管M1C的栅极作为运放电路的第二差分输入端；第八MOS管M1D和第九MOS管M1E构成运放电路中的电流镜，其中第八MOS管M1D的漏极与第六MOS管M1B的漏极、第八MOS管M1D的栅极、第九MOS管M1E的栅极连接，第九MOS管M1E的漏极与第七MOS管M1C的漏极连接，第八MOS管M1D的源极、第九MOS管M1E的源极连接到电源地；第九MOS管M1E的漏极作为运放电路的输出端。

另外，第五MOS管M1A的栅极用于上电控制以在输入电源上电后使得第五MOS管M1A导通以形成运放电路的静态电流。

进一步，运放电路还包括第十MOS管M1F和第十一MOS管M1G，第十MOS管M1F的栅极、第十一MOS管M1G的栅极与第九MOS管M1E的漏极连接，第十MOS管M1F的源极、第十一MOS管M1G的源极连接到电源地；第十MOS管M1F的漏极作为运放电路的第一输出端与第一MOS管M2A的源极连接，第十一MOS管M1G的漏极作为运放电路的第二输出端与第三MOS管M1B的源极连接。

运放钳位单元作用在于通过带隙基准环路，当电路正常工作时，确保运放的差分输入端电压近似相等，来保证带隙基准正常工作。

具体地，M1A的源极与“VIN”相接，漏极与放大器差分输入对管(M1B、M1C)的源极相接，此时M1A能够为五管放大器提供静态电流。差分输入对管(M1B、M1C)的栅极作为运放的差分输入，分别与带隙基准单元当中的M2A、M2B的漏极相接，差分输入对管(M1B、M1C)的漏极分别与电流镜(M1D、M1E)的漏极相接。电流镜(M1D、M1E)的源极与参考地“GND”相接。

在一些示例中，带隙基准电流源还可以包括启动电路，其中启动电路包括第四电阻R5、第十二MOS管M3B，第十二MOS管M3B的漏极与第一MOS管M2A的栅极、第四MOS管M2D的漏极连接，第十二MOS管M3B的栅极连接到电源地，第十二MOS管M3B的源极通过第四电阻R5连接到电源地；其中第十二MOS管M3B为耗尽型MOS管。

在一些示例中，启动电路还包括第五电阻R4、第十三MOS管M3A，第五电阻R4的一端连接输入电源，第五电阻R4的另一端与第十三MOS管M3A的源极连接，第十三MOS管M3A的漏极、源极相互连接，第十三MOS管M3A的栅极与第一MOS管M2A的漏极连接。

在一些示例中，启动电路还包括第十四MOS管M3C，第十四MOS管M3C的漏极与第十三MOS管M3B的源极连接，第十四MOS管M3C的源极连接到电源地，第十四MOS管M3C的栅极与运放电路的输出端(比如前述示例中的M1E的漏极)连接。

需要说明的是，启动单元中M3A、M3B、M3C和用来限流的R4、R5电阻，连接关系如下：R4电阻的一端与电压“VIN”相接，另一端接M3A的源极。M3A的栅极与运放的差分输入管M1B的栅极相接，漏极与M3B的源极和R5电阻的一端共同接到一起。实施中，M3B选用耗尽型的MOS管(Vth约等于-100mV)，且M3B的漏极还可以与后级电路(比如输出单元当中的M4A的栅极)以及带隙基准单元当中的M2D的漏极一同接到一起，栅极与电压“GND”相接。R5电阻的另外一端与电压“GND”相接。

基于相同发明构思，本说明还提供一种低压差线性稳压器，以及基于上述示例的电流源进行低压差线性稳压。

如图1示意，一种低压差线性稳压器包括：如上述任意一项示例中所述的带隙基准电流源、功率MOS管和调整电路。其中调整电路包括第三三极管Q3和第六电阻R6。

所述带隙基准电流源的输出端(比如前述示例中的Q2的基极)与第三三极管Q3的基极连接，第三三极管Q3的发射极连接到电源地，第三三极管Q3的集电极与第三三极管Q3的基极、第六电阻R6的一端连接，第六电阻R6的另一端与功率MOS管M4A的漏极连接，功率MOS管M4A的源极连接输入电源，功率MOS管M4A的漏极作为稳压器的输出端(即VOUT)，功率MOS管M4A的栅极用于上电控制以在输入电源上电后使得功率MOS管导通M4A以通过稳压器的输出端对外提供输出电压。

本发明的带隙基准型LDO相较于现有带隙基准电路具有较强的带载能力，且具有较小负载调整率，适用范围更加广泛。

在一些示例中，所述低压差线性稳压器还包括滤波电容C2和/或弥勒电容C1，其中滤波电容C2连接于功率MOS管M4A的漏极与电源地之间，以用于稳压器的输出滤波；弥勒电容C1连接于功率MOS管M4A的栅极和漏极之间，以对功率MOS管M4A实现米勒补偿电容，用来补偿电路的相位裕度，使电路更加稳定。

实施中，电容可以为极板电容形式，此时功率管M4A的源极与电压“VIN”相接，栅极与C1电容上级板相接，漏极与C1电容下级板、C2稳压电容的上级板以及R6电阻的一端共同接到一起。R6电阻的另一端与Q3三极管的基极和集电极一同接到一起，Q3的发射极与电压“GND”相接。稳压电容C2的下级板与电压“GND”相接。

基于相同发明构思，本说明还提供一种电源管理器，包括：如本说明书中前述任意一项示例所述的带隙基准电流源，或者如本说明书中前述任意一项示例所述的低压差线性稳压器，其中带隙基准恒流源用于提供正比于温度的输出电流；低压差线性稳压器用于提供供电电压。

下面，对图1示意的电路单元进行工作原理的解释：

1、M2C、M2D、M3B为耗尽型MOS管，其阈值电压约为-100mV。

2、隙基准单元(第一带隙基准和第二带隙基准)用于产生带隙基准PTAT电流，该电流通过三极管电流镜复制到输出单元。

3、运放钳位单元作用在于通过带隙基准环路，当电路正常工作时，确保运放的差分输入端电压近似相等，来保证带隙基准正常工作。

4、启动单元的工作原理：启动单元用于初始时刻整体电路的启动，当电路正常工作的时候该启动单元不工作，减少静态损耗。当电路还没有正常工作时，启动单元当中的M3B栅极和源极都为零，此时该MOS管的VGS电压等于零，因为该MOS管的Vth为-100mV，该管子处于导通状态，因为M3B处于导通状态，会将管子的漏极以及与漏极相接的点(管子M4A、M1A的栅极)电压拉低，当接入输入电压VIN后，管子M4A、M1A的VGS的绝对值会变大，管子导通，电路当中产生静态电流，电路开始工作。电路正常工作后，支路R4、M3A、R5会有电流产生，电流流经电阻R5后在电阻上端和M3B的源极产生一个电压，该电压会使M3B管子的VGS小于-100mV，故电路正常工作时，M3B管子处于关闭状态。为尽量减小电路工作状态下的静态电流，可以如前述示例中对支路(由R4、M3A、R5构成的支路)进行限流，该限流操作通过R5和M3C管进行，正常工作时M3C导走部分电流的同时增大电阻R5的阻值进行该支路的限流处理。

5、LDO电路能够输出为一个与温度无关的带隙基准电压，电压大小约为1.25V(当然可以根据需要调整R6电阻能进行设置，这里不作限定)。电路当中带隙基准单元产生基准电流PTAT，基准电流经过三极管电流镜Q1、Q2、Q3传到输出单元，并与电阻R6产生一个正温度系数的电压，该电压与三极管Q3产生的负温度系数电压VBE之和等于输出电压。通过运放单元当中输入差分对管来进行钳位，确保带隙基准单元当中对管M2C、M2D的漏极电压近似相等。另外，带隙基准单元当中耗尽型MOS管M2C、M2D进一步确保三极管Q1、Q2的集电极电压相等，同时保证三极管Q1、Q2工作在饱和区。

6、基于三极管工作特性在电路当中设计负反馈工作环路(参考图2示意)。举例说明：如图1所示，当输出电压突然变高后，Q1、Q2三极管的基极电压会被拉高，由图2可知此时Q2上流经的电流高于Q1上流经的电流，Q2上的支路电流通过电流镜M2A、M2B对管复制到MOS管M2B的漏极，此时MOS管M2D的上拉电流大于下拉电流，故MOS管M2D的漏极电压会被拉高，同时与M2D漏极相接的M4A的栅极电压也会被拉高，因为M4A为PMOS管，当栅极电压变高时，上拉力量会减弱，M4A的漏极输出电压VOUT会变小。此时就形成了一个负反馈环路用于稳定电路。

7、如图1所示电路图当中，MOS管M4A为该电路的功率管，功率管的大小决定了该电路的带载能力。图1所示电路图当中电容C1为引入该电路的米勒补偿电容，用来补偿电路的相位裕度，使电路更加稳定。

本说明书中，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例侧重说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于后面说明的实施例而言，描述比较简单，相关之处参见前述实施例的部分说明即可。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。