具有过流保护的低压差线性稳压器、芯片及电子设备

技术领域

本发明涉及一种具有过流保护的低压差线性稳压器，同时也涉及包括该低压差线性稳压器的集成电路芯片及相应的电子设备，属于集成电路技术领域。

背景技术

低压差线性稳压器（Low Dropout Regulator，简称为LDO）电路是一种具有微功耗、低噪声、高电源抑制比等优异性能的稳压电源，广泛应用于各种集成电路及电子设备中。因此，LDO电路供电的可靠性是一个非常重要的性能指标。在实际应用中，当LDO电路的负载电流超过其额定电流以后，功率管会产生大量的热损耗，电源系统会出现烧毁的现象。而LDO电路中过流保护功能的设置，会极大的提高LDO电路供电的可靠性。

另外，在通信系统的射频前端模组中，功率放大器对LDO模块的过流保护功能提出了更高要求，其不仅要求LDO过流保护具有较高精度，而且当功率放大器汲取的电流超过其最大额定电流后，要求LDO的输出电流为功率放大器最大额定电流的同时，实现LDO输出功率随负载汲取电流增大而逐渐减小。

在申请号为201710012599.4的中国专利申请中，公开了一种用于低压差线性稳压器的过流保护电路。该过流保护电路包括电流采样电路、电流比较电路和上拉电路，电流采样电路采样低压差线性稳压器功率管的栅漏电压，输出采样电流至电流比较电路；电流比较电路将采样电流通过电流镜镜像后与电流源的电流进行比较，当低压差线性稳压器的输出电流超过电流保护阈值后，电流比较电路输出的控制电压导通上拉电路，上拉电路拉高低压差线性稳压器功率管的栅端电压，从而限制输出电流的增加，起到过流保护的作用。该过流保护电路虽然能够在一定程度上实现限流功能，但仍存在电流复制精确度受限和限流时会发生系统硬关断两个不足之处。

在专利号为ZL 201610362624.7的中国发明专利中，公开了一种低压差线性稳压器的过流保护电路。该过流保护电路包括采样管、电流比较电路、过流保护执行电路，过流保护执行电路的输出端与功率管的驱动电压端相连接。采样管采样输出电流，电流比较电路实现过流判断，过流保护执行电路在过电流发生时，将功率管栅端电压钳位，从而使功率管输出电流不能继续增大，实现限流功能。该过流保护电路的结构简单、静态功耗较低，但仍存在抗干扰能力差的不足之处。

发明内容

本发明所要解决的首要技术问题在于提供一种具有过流保护的低压差线性稳压器。

本发明所要解决的另一技术问题在于提供一种包括该低压差线性稳压器的集成电路芯片及相应的电子设备。

为了实现上述目的，本发明采用以下的技术方案：

根据本发明实施例的第一方面，提供一种具有过流保护的低压差线性稳压器，包括LDO主电路、高精度电流采样电路和过流保护控制环路；其中，

所述LDO主电路的输出端与所述高精度电流采样电路的输入端连接，所述高精度电流采样电路的输出端与所述过流保护控制环路的输入端连接，所述过流保护控制环路的输出端分别与所述LDO主电路和所述高精度电流采样电路连接，形成闭合控制回路；

所述LDO主电路用于根据输入参考电压，产生输出电压并提供负载电流；

所述高精度电流采样电路用于对所述LDO主电路的负载电流进行精确采样，并转换为控制电压输出至所述过流保护控制环路；

所述过流保护控制环路用于当控制电压达到设定值时开启所述过流保护控制环路，控制所述LDO主电路实现过电流保护。

其中较优地，所述LDO主电路包括第一参考电压源、误差放大器、功率管、第一反馈电阻、第二反馈电阻、负载电容和负载电阻；其中，第一参考电压源的负极与接地端连接，第一参考电压源的正极与误差放大器的同相输入端连接，误差放大器的输出端与功率管的栅极连接，同时，功率管的栅极还与所述高精度电流采样电路和所述过流保护控制环路连接；功率管的源极与电源端连接，功率管的漏极作为输出端一方面与第一反馈电阻、负载电容和负载电阻的一端连接，另一方面与所述高精度电流采样电路的输入端连接；第一反馈电阻的另一端一方面与误差放大器的反相输入端连接，另一方面与第二反馈电阻连接，第二反馈电阻的另一端、负载电容的另一端和负载电阻的另一端均与接地端连接。

其中较优地，所述高精度电流采样电路包括电流采样晶体管、钳位晶体管、第一运算放大器，以及第一采样电阻、第二采样电阻、第三采样电阻、第四采样电阻；其中，所述LDO主电路的输出端与第一运算放大器的反相输入端连接，第一运算放大器的输出端与钳位晶体管的栅极连接，所述钳位晶体管的源极一方面与第一运算放大器的同相输入端连接，另一方面与电流采样晶体管的漏极连接；电流采样晶体管的源极与电源端连接，电流采样晶体管的栅极一方面与所述LDO主电路中功率管的栅极连接，另一方面与所述过流保护控制环路连接；钳位晶体管的漏极一方面与第四采样电阻连接，另一方面作为第一控制电压的输出端与所述过流保护控制环路连接；第四采样电阻的另一端与第三采样电阻连接，第三采样电阻的另一端一方面与第二采样电阻连接，另一方面作为第二控制电压的输出端与所述过流保护控制环路连接；第二采样电阻的另一端一方面与第一采样电阻连接，另一方面作为第三控制电压的输出端与所述过流保护控制环路连接；第一采样电阻的另一端与接地端连接。

其中较优地，所述过流保护控制环路包括比较器、第二参考电压源、第二运算放大器和控制晶体管；其中，比较器的反相输入端与所述高精度电流采样电路的第一控制电压的输出端连接，比较器的同相输入端与第二参考电压源的正极连接，第二参考电压源的负极与接地端连接，比较器的输出端与第二运算放大器的使能端连接；所述高精度电流采样电路的第二控制电压的输出端和第三控制电压的输出端分别与第二运算放大器的反相输入端和同相输入端对应连接，第二运算放大器的输出端与控制晶体管的栅极连接，控制晶体管的源极与电源端连接，控制晶体管的漏极一方面与所述LDO主电路中功率管的栅极连接，另一方面与所述高精度电流采样电路中电流采样晶体管的栅极连接。

其中较优地，所述第一运算放大器和钳位晶体管构成负反馈结构，使得电流采样晶体管的漏极电压等于所述LDO主电路的输出电压，功率管的漏源电压等于电流采样晶体管的漏源电压。

其中较优地，当所述LDO主电路的负载电流逐渐增大时，采样电流也逐渐增大，同时，所述第一控制电压也随之增大；所述过流保护控制环路中，当所述第一控制电压大于第二参考电压时，比较器的输出电平由高电平变为低电平，所述过流保护控制环路开始工作。

其中较优地，当所述LDO主电路的负载电流逐渐增大时，采样电流也逐渐增大，当所述第二控制电压与所述第三控制电压之差大于失调电压时，第二运算放大器的输出电压降低，使控制晶体管的栅源压差变大，从而控制晶体管的漏极电流增大并注入到功率管的栅极，导致功率管的栅源电压差降低，使得流过功率管的电流减小，形成过流保护的负反馈控制环路。

其中较优地，当所述过流保护控制环路进行负反馈控制以后，随着负载电流的减小采样电流随之减小，所述第二控制电压与所述第三控制电压之差减小并等于失调电压，所述过流保护控制环路处于稳定状态。

其中较优地，当所述失调电压增大或第二采样电阻减小时，所述LDO主电路的限流值随之增大。

根据本发明实施例的第二方面，提供一种集成电路芯片，其中包括上述具有过流保护的低压差线性稳压器。

根据本发明实施例的第三方面，提供一种电子设备，其中包括上述具有过流保护的低压差线性稳压器。

与现有技术相比较，本发明所提供的具有过流保护的低压差线性稳压器，通过采用高精度电流采样产生控制电压，并控制过流保护控制环路提供负反馈控制的技术方案，实现了当负载电流超过限流值时，对LDO主电路功率管和负载的有效保护，同时不会发生系统硬关断现象。因此，本发明所提供的具有过流保护的低压差线性稳压器具有结构设计巧妙合理、设计成本较低、电流采样精度高，以及电路性能优异等有益效果。

附图说明

图1为本发明实施例中，具有过流保护的低压差线性稳压器的原理接线图；

图2为本发明实施例中，具有过流保护的低压差线性稳压器的限流效果图；

图3为采用本发明提供的低压差线性稳压器的电子设备的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术内容进行详细具体的说明。

如图1所示，本发明实施例提供的具有过流保护的低压差线性稳压器包括LDO主电路100、高精度电流采样电路200、过流保护控制环路300。其中，LDO主电路100的输出端与高精度电流采样电路200的输入端连接，高精度电流采样电路200的输出端与过流保护控制环路300的输入端连接，过流保护控制环路300的输出端分别与LDO主电路100和高精度电流采样电路200连接，形成闭合控制回路。

LDO主电路100的主要作用是根据输入参考电压，产生稳定的输出电压，并提供负载电流。

高精度电流采样电路200的主要作用是对LDO输出的负载电流进行精确采样，并转换为控制电压输出至过流保护控制环路。

过流保护（Over Current Protection，简称为OCP）控制环路300的主要作用是当控制电压达到设定值时开启OCP环路，通过OCP环路的负反馈控制LDO主电路100中功率管的栅极电压，实现LDO电路的过电流保护。

在本发明的一个实施例中，LDO主电路100包括第一参考电压源VREF、误差放大器EA、功率管MP0、第一反馈电阻R1、第二反馈电阻R0、负载电容CL和负载电阻RL。其中，第一参考电压源VREF的负极与接地端连接，第一参考电压源VREF的正极与误差放大器EA的同相输入端连接，误差放大器EA的输出端与功率管MP0的栅极连接，同时，功率管MP0的栅极还与高精度电流采样电路200和过流保护控制环路300连接。功率管MP0的源极与电源端VDD连接，功率管MP0的漏极作为输出端VOUT一方面与第一反馈电阻R1、负载电容CL和负载电阻RL的一端连接，另一方面与高精度电流采样电路200的输入端连接。第一反馈电阻R1的另一端一方面与误差放大器EA的反相输入端连接，另一方面与第二反馈电阻R0连接，第二反馈电阻R0的另一端、负载电容CL的另一端和负载电阻RL的另一端均与接地端连接。

在LDO主电路100中，第一反馈电阻R1和第二反馈电阻R0构成电阻分压网络，对LDO的输出电压VOUT进行分压后输入到误差放大器EA的反相输入端，误差放大器EA的同相输入端输入第一参考电压VREF，误差放大器EA根据输入电压的大小调整功率管MP0的栅极电压，以适应负载电流的变化，从而输出稳定电压VOUT。其中，功率管MP0为主要过流保护对象。

其中，误差放大器EA由于运放的钳位作用，将第一反馈电阻R1和第二反馈电阻R0构成的电阻分压网络的节点电压钳位为第一参考电压VREF，所以，LDO主电路的输出电压VOUT与第一参考电压VREF的关系为：

(1)

整理后，LDO的输出电压VOUT为：

(2)

其中，R1 和R0分别为第一反馈电阻R1和第二反馈电阻R0的电阻值。

当负载电阻RL发生变化时，负载电流I

在本发明的一个实施例中，高精度电流采样电路200包括电流采样晶体管MP1、钳位晶体管MP2、第一运算放大器201，以及第一采样电阻RS0、第二采样电阻RS1、第三采样电阻RS2、第四采样电阻RS3。其中，LDO主电路100的输出端与第一运算放大器201的反相输入端连接，第一运算放大器201的输出端与钳位晶体管MP2的栅极连接，钳位晶体管MP2的源极一方面与第一运算放大器201的同相输入端连接，另一方面与电流采样晶体管MP1的漏极连接，电流采样晶体管MP1的源极与电源端VDD连接，电流采样晶体管MP1的栅极一方面与LDO主电路100中功率管MP0的栅极连接，另一方面与过流保护控制环路300连接。钳位晶体管MP2的漏极一方面与第四采样电阻RS3连接，另一方面作为第一控制电压VS输出端与过流保护控制环路300连接。第四采样电阻RS3的另一端与第三采样电阻RS2连接，第三采样电阻RS2的另一端一方面与第二采样电阻RS1连接，另一方面作为第二控制电压VP输出端与过流保护控制环路300连接。第二采样电阻RS1的另一端一方面与第一采样电阻RS0连接，另一方面作为第三控制电压VN输出端与过流保护控制环路300连接。第一采样电阻RS0的另一端与接地端连接。

在高精度电流采样电路200中，取电流采样晶体管MP1与功率管MP0的宽长比为1:N（N>1）；为提高电流采样精度，第一运算放大器201和钳位晶体管MP2构成负反馈结构，使得电流采样晶体管MP1的漏极电压等于LDO的输出电压VOUT，也即功率管MP0的漏源电压等于电流采样晶体管MP1的漏源电压，消除了电流采样晶体管MP1由于沟道长度调制效应导致的电流偏差，实现高精度电流采样。

其中，由于电流采样晶体管MP1的栅极与功率管MP0的栅极相连，并且其宽长比为1:N，忽略反馈电阻分压网络静态电流的影响时，负载电流I

（3）

其中，I

公式3表示了对负载电流I

第一控制电压VS、第二控制电压VP和第三控制电压VN分别为：

（4）

（5）

（6）

其中，R

因此，当负载电流I

在本发明的一个实施例中，过流保护控制环路300包括比较器301、第二参考电压源VREF1、第二运算放大器302和控制晶体管MPC。其中，比较器301的反相输入端与高精度电流采样电路200的第一控制电压VS输出端连接，比较器301的同相输入端与第二参考电压源VREF1的正极连接，第二参考电压源VREF1的负极与接地端连接，比较器301的输出端与第二运算放大器302的使能端连接。高精度电流采样电路200的第二控制电压VP输出端和第三控制电压VN输出端分别与第二运算放大器302的反相输入端和同相输入端对应连接，第二运算放大器302的输出端与控制晶体管MPC的栅极连接，控制晶体管MPC的源极与电源端VDD连接，控制晶体管MPC的漏极一方面与LDO主电路100中功率管MP0的栅极连接，另一方面与高精度电流采样电路200中的电流采样晶体管MP1的栅极连接。同时，控制晶体管MPC的漏极引出一个备用端VPG。

在过流保护控制环路300中，比较器301将第一控制电压VS与第二参考电压进行比较，当LDO的负载电流逐渐增大时，采样电流也逐渐增大，因此第一控制电压VS也随之增大。当第一控制电压VS大于第二参考电压时，比较器301的输出电平信号HYS_EN由高电平变为低电平，该低电平信号使第二运算放大器302开始工作，即OCP环路开始正常工作。同时，当LDO的负载电流逐渐增大时，第二控制电压VP和第三控制电压VN也随之增大，即第二运算放大器302的输入电压增大，使得第二运算放大器302的输出电压减小。进一步使控制晶体管MPC的漏极电流增大，当控制晶体管MPC的漏极电流完全补偿LDO主电路100中的误差放大器EA的输出电流时，可以使功率管MP0栅极电压保持不变。当LDO的负载电流继续增加时，LDO主电路100的环路失去增益，过流保护控制环路300的负反馈控制将功率管MP0的栅极电位上拉，钳位在一个固定的电压上，所以LDO的输出电流无法继续增加，从而实现过电流保护的作用。

其中，比较器301用于判断LDO负载电流是否达到限流值，由公式4可知，当负载电流I

（7）

整理后，I

（8）

其中，I

第二运算放大器302的输入电压Vin可以表示为：

（9）

负载电流I

由于功率管MP0的尺寸较大，过流保护控制环路开启时主要是过流保护控制环路主导负反馈，LDO主电路的环路调整能力很弱，当第二运算放大器302的输入电压Vin等于固定的失调电压Vos时，过流保护控制环路处于稳定状态，此时负载电流I

因此，由公式8可知，通过改变第二运算放大器302的失调电压Vos和第二采样电阻RS1的大小可以实现改变LDO电路的限流值I

本发明实施例提供的具有过流保护的低压差线性稳压器的限流效果如图2所示，在正常工作情况下（见虚线右侧）LDO的输出电压VOUT不随负载电阻变化，保持稳定的输出电压。当负载电阻RL逐渐减小并达到某一值时，如图中虚线处，负载电流逐渐增大并达到限流值I

本发明实施例还提供一种集成电路芯片，该集成电路芯片包括上述具有过流保护的低压差线性稳压器，用于集成电路系统中作为电源模块的重要组成部分，为系统提供稳定的供电电压。对于该集成电路芯片中的具有过流保护的低压差线性稳压器的具体结构，在此就不再赘述了。

本发明所提供的具有过流保护的低压差线性稳压器可以被用在电子设备中，作为电源组件的重要组成部分。如图3所示，该电子设备至少包括处理器和存储器，还可以根据实际需要进一步包括通信组件、传感器组件、电源组件、多媒体组件及输入/输出接口。其中，存储器、通信组件、传感器组件、电源组件、多媒体组件及输入/输出接口均与该处理器连接。存储器可以是静态随机存取存储器（SRAM）、电可擦除可编程只读存储器（EEPROM）、可擦除可编程只读存储器（EPROM）、可编程只读存储器（PROM）、只读存储器（ROM）、磁存储器、快闪存储器等，处理器可以是中央处理器（CPU）、图形处理器（GPU）、现场可编程逻辑门阵列（FPGA）、专用集成电路（ASIC）、数字信号处理（DSP）芯片等。其它通信组件、传感器组件、电源组件、多媒体组件等均可以采用通用部件实现，在此就不具体说明了。

综上所述，与现有技术相比较，本发明所提供的具有过流保护的低压差线性稳压器，通过采用高精度电流采样产生控制电压，并控制过流保护控制环路提供负反馈控制的技术方案，实现了当负载电流超过限流值时，对LDO主电路的功率管和负载的有效保护，同时不会发生系统硬关断现象。因此，本发明所提供的具有过流保护的低压差线性稳压器具有结构设计巧妙合理、设计成本较低、电流采样精度高，以及电路性能优异等有益效果。

需要说明的是，上述多个实施例只是举例，各个实施例的技术方案之间可以进行组合，均在本发明的保护范围内。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

上面对本发明所提供的具有过流保护的低压差线性稳压器、芯片及电子设备进行了详细的说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本发明实质内容的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本发明专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。