一种低压MOSFET实现的耐高压LDO线性电源

技术领域

本发明涉及集成电源技术领域，具体的说，是一种低压MOSFET实现的耐高压LDO线性电源。

背景技术

近年来各种移动电子产品越来越受人们的欢迎，随着半导体工艺制程越来越先进，各种类型芯片的集成度更高，电子产品朝着高性能、低功耗、小面积发展，但是随着工艺制程的降低其耐压能力也相应地降低，低制程工艺下系统内部数字MOSFET耐压电压也越来越低，不能提供耐高压的LDO线性电源；而普通模拟MOSFET亦不能支持高的电源电压（比如使用较多的5V电源）。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低压MOSFET实现的耐高压LDO线性电源，用于解决现有技术中低制程工艺下系统内部数字MOSFET耐压电压也越来越低，不能提供耐高压的LDO线性电源的问题。

本发明通过下述技术方案解决上述问题：

一种低压MOSFET实现的耐高压LDO线性电源，包括电源电压转换模块、低压多级增益提高模块、高压驱动模块、功率提供模块和电压钳位模块，其中：

电源电压转换模块，用于将外部电源电压转换成低于MOSFET耐压界限的输出电压为低压多级增益提高模块提供工作电压，以及输出中间电平作为功率提供模块的控制电压；

低压多级增益提高模块，用于输出高增益的电压至高压驱动模块、以及接收电压钳位模块的反馈信号；

高压驱动模块，用于将输入的电压转换为电流，再将电流转换为高电压作为控制信号输出至功率提供模块；

功率提供模块，与电源输出端连接，用于根据高压驱动模块的控制信号和电源电压转换模块的控制电压，控制电源输出端的通断；

电压钳位模块，与功率提供模块的输出端和低压多级增益提高模块的反馈输入端连接，用于在功率提供模块中抽取取样电压并反馈至低压多级增益提高模块。

电源电压转换模块将外部电源电压（如5V）转换成低于MOSFET耐压值（小于等于2.5V）的电压输出到低压多级增益提高模块；低压多级增益提高模块提供高增益运放；高压驱动模块将低压MOSFET输出的耐压值（小于等于2.5V）的电压转换为5V的电压控制功率提供模块；功率提供模块为负载提供需要的电源；电压钳位模块产生反馈信号到低压多级增益提高模块用于钳制功率提供模块输出的电压值；使低压MOSFET能够安全工作在高压（高于MOSFET耐压值），能够对外提供耐高压的LDO线性电源。

由电源电压抑制比PSRR：

可知，本发明提高了AC

所述电源电压转换模块包括MOS管M1、MOS管M2、MOS管M3和MOS管M4，MOS管M1的漏极串联电阻R2和电阻R1后连接外部电源，MOS管M1的栅极串联电阻R5后连接MOS管M4的栅极；MOS管M1的源极与接地之间连接有用于调整输出电压的第一输出电压控制电路；MOS管M2的漏极串联电阻R4和电阻R3后连接外部电源，MOS管M2的栅极串联电阻R6后连接MOS管M3的栅极，MOS管M2的源极连接与第一输出电压控制电路匹配的第二输出电压控制电路，第二输出电压控制电路连接MOS管M1的源极；MOS管M3的漏极连接外部电源，MOS管M3的栅极连接功率提供模块，用于输出中间电平作为功率提供模块的控制电压；MOS管M3的源极连接MOS管M4的漏极；MOS管M4的源极连接低压多级增益提高模块，为低压多级增益提高模块提供工作电压；MOS管M1、MOS管M2、MOS管M3和MOS管M4的栅极与接地之间连接滤波电容；所述MOS管M4的源极与接地之间连接电压保持单元，所述电压保持单元由并联的电阻R7和电容C5构成。

电源电压转换模块中，由MOS管M3和MOS管M4供电给后级电路，电阻R5和电阻R6为限流保护电阻，MOS管M1为MOS管M4的栅压控制电压产生器件，MOS管M2为MOS管M3的栅压控制电压产生器件；第一输出电压控制电路决定电源电压转换模块的输出电压值，电压保持单元的设置避免负载阻抗过大时引起输出电压值电势抬升造成的电路系统损坏。MOS管M1、MOS管M2、MOS管M3和MOS管M4组成叠加的两层用于保护电路，使相对电势的差值不超过MOSFET的耐压值，避免发生电击穿现象。

所述第一输出电压控制电路、第二输出电压控制电路均由一个二极管或串联的多个二极管构成，第二输出电压控制电路的二极管数量与第一输出电压控制电路的二极管数量匹配，使MOS管的电压低于MOSFET耐压界限。

由电流镜模型得知，若本电路中第一输出电压控制电路由一个二极管构成，则输出电压为一个二极管的导通电压，如0.6V，同理，本电路可以得到1.2V，1.8V，2.4V等多种输出电压。可以通过跳线短接二极管实现输出电压的调整，也可以在二极管两端连接MOS管，再采用数字解码器控制MOS管的通断实现。

所述低压多级增益提高模块采用增强型运放模块，采用差分输出提供高增益。

所述低压多级增益提高模块包括源极与电源电压转换模块连接且共栅极连接的MOS管M8、MOS管M9、MOS管M13、MOS管M17和MOS管M21；MOS管M8的漏极连接MOS管M7的源极；MOS管M9的漏极连接MOS管M10的源极；MOS管M13的漏极连接MOS管M14的源极；MOS管M17的漏极连接MOS管M18的源极；MOS管M21的漏极连接MOS管M22的源极；MOS管M7、MOS管M10、MOS管M14、MOS管M18和MOS管M22共栅极连接；MOS管M7的漏极连接电阻R8的第一端，电阻R8的第二端与接地之间连接低功耗控制电路，MOS管M7的栅极连接电阻R8的第二端；MOS管M10的漏极连接电阻R10的第一端，电阻R10的第二端连接MOS管M11的漏极，MOS管M11的源极连接MOS管M12的漏极，MOS管M12的源极接地；MOS管M11的栅极与电阻R10的第一端连接，MOS管M12的栅极与电阻R10的第二端连接；MOS管M14的漏极连接MOS管M15和MOS管M16的源极；MOS管M15的栅极作为反馈输入端与所述电压钳位模块连接，MOS管M16的栅极外接输入参考电压；MOS管M18的漏极连接MOS管M19的漏极，MOS管M22的漏极连接MOS管M23的漏极，MOS管M19的源极连接MOS管M20的漏极，MOS管M23的源极连接MOS管M24的漏极，MOS管M20和MOS管M24的源极接地；MOS管M20和MOS管M24的栅极与电阻R10的第二端连接，MOS管M19和MOS管M23的栅极与电阻R10的第一端连接；MOS管M15的漏极连接MOS管M19的源极，MOS管M16的漏极连接MOS管M23的源极；MOS管M8的栅极输出至高压驱动模块作为第一路控制信号；MOS管M18的漏极输出至高压驱动模块作为第二路控制信号；MOS管M22的漏极输出至高压驱动模块作为第三路控制信号；MOS管M23的源极连接电容C6和电阻R12后与电源输出端连接。低压多级增益提高模块通过差分输出增强了本身的增益。

所述低功耗控制电路包括串联的二极管D28、二极管D29和电阻R9，所述二极管D28连接所述电阻R8的第二端，电阻R9连接MOS管M6的漏极，MOS管M6的漏极连接MOS管M6的栅极和MOS管M5的栅极，MOS管M6的源极连接MOS管M5的漏极，MOS管M5的源极接地。通过短接二极管D28、二极管D29或电阻R9，实现低功耗调节。

低功耗控制电路的另一种方案是，其中的二极管D28、二极管D29分别并联一个MOS管，电阻R9替换为多个串联的电阻，且每个电阻均并联一个MOS管，通过控制每个MOS的栅极电压，实现增加或减小此支路的电流，控制整体功耗。

所述高压驱动模块包括源极与外部电源连接、共栅极连接的MOS管M29和MOS管M30，MOS管M29的漏极连接MOS管M28的源极，MOS管M30的漏极连接MOS管M31的源极，MOS管M28与MOS管M31共栅极连接；MOS管M29的栅极连接MOS管M28的漏极，MOS管M28的漏极连接电阻R11的第一端，MOS管M28的栅极连接电阻R11的第二端；MOS管M31的漏极连接MOS管M32的漏极，MOS管M31的漏极连接功率提供模块，用于提供控制信号控制功率提供模块的通断；电阻R11的第二端连接MOS管M27的漏极，MOS管M27与MOS管M32共栅极连接并连接至功率提供模块，所述电源电压转换模块输出的中间电平作为MOS管M27、MOS管M32和功率提供模块的控制电压；MOS管M27的源极连接MOS管M26的漏极，MOS管M32的源极连接MOS管M33的漏极，MOS管M26和MOS管M33的栅极由所述第一路控制信号控制；MOS管M26的源极连接MOS管M25的漏极，MOS管M33的源极连接MOS管M34的漏极，MOS管M25的栅极由所述第三路控制信号控制，MOS管M34的栅极由所述第二路控制信号控制；MOS管M25和MOS管M34的源极接地。

高压驱动模块的MOS管M25、MOS管M26、MOS管M27、MOS管M28

、MOS管M29、MOS管M30、MOS管M31、MOS管M32、MOS管M33和MOS管M34构成了电压转换结构，将低压多级增益提高模块输出的电压（第二路控制信号、第一路控制信号）转换为电流再转换为高电压输出到功率提供模块；同时增加的转换结构使得反馈环路的级数变多，增强了整个环路的增益，获得了高精度电压和高PSRR，其中MOS管M26、MOS管M27、MOS管M32、MOS管M33提供了一个中间电势过度的作用，使得整个的结构在5V电压下各个MOSFET的相对电势依旧在其承受范围内。高压驱动模块使用了环路升压转换电路，使增益精度与驱动能力分别在不同电压域实现，保证了功率级的能量传输安全有效。

所述功率提供模块包括串联的MOS管M35和MOS管M36，MOS管M35的源极连接外接电源，MOS管M35的栅极连接所述控制信号，MOS管M35的漏极连接MOS管M36的源极，所述电源电压转换模块输出的中间电平作为MOS管M36的控制电压，MOS管M36的漏极连接所述电源输出端和电压钳位模块。

所述电压钳位模块包括串联的电阻R13和电阻R14，所述电阻R13与电源输出端连接，所述电阻R14接地，电阻R13和电阻R14之间的节点与所述低压多级增益提高模块的反馈输入端连接。

通过比例电压的分配钳位，使得每个器件的分压均匀，使其工作在安全的电压域，满足器件的SOA(Safe operating area)要求。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

（1）本发明具有小面积、芯片集成度高的优点，相比传统的LDO电源，此结构有更高的电源抑制比（Power Supply Rejection Ratio，PSRR），对外部电源有更强的抗干扰能力。

（2）本发明采用两种控制方案实现低功耗；电压保持单元避免因功率级输出浮空而引起电压的抬升而造成的电路系统损坏；可以调节输出电压，以及通过比例电压分配钳位，使得每个器件分压均匀，工作在安全的电压域，满足器件的SOA要求。

（3）本发明解决了低压MOSFET管耐高压（2.5V耐压的MOSFET耐压5V电源）的问题，提出的方案非常实用，使用范围宽广。

附图说明

图1为本发明的电路框图；

图2为本发明的电源电压转换模块的电路原理图；

图3为本发明中低压多级增益提高模块、高压驱动模块、功率提供模块和电压钳位模块的电路原理图；

图4为第一电压选项电路和第二电压选项电路的第二种电路图；

图5为低功耗控制电路的第二种电路图；

其中，2-低压多级增益提高模块；3-高压驱动模块；4-功率提供模块；5-电压钳位模块；11-电压保持单元；12-第二电压选项电路；13-第一电压选项电路；21-低功耗控制电路。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例：

结合附图1所示，一种低压MOSFET实现的耐高压LDO线性电源，包括电源电压转换模块、低压多级增益提高模块2、高压驱动模块3、功率提供模块4和电压钳位模块5，其中：

电源电压转换模块，用于将外部电源电压转换成低于MOSFET耐压界限的输出电压为低压多级增益提高模块2提供工作电压，以及输出中间电平作为功率提供模块4的控制电压；

低压多级增益提高模块2，用于输出高增益的电压至高压驱动模块3、以及接收电压钳位模块5的反馈信号；

高压驱动模块3，由外部电源电压提供工作电压，用于将输入的电压转换为电流，再将电流转换为高电压作为控制信号输出至功率提供模块4；

功率提供模块4，由外部电源电压提供工作电压，与电源输出端连接，用于根据高压驱动模块3的控制信号和电源电压转换模块的控制电压，控制电源输出端的通断；

电压钳位模块5，与功率提供模块4的输出端和低压多级增益提高模块2的反馈输入端连接，用于在功率提供模块4中抽取取样电压并反馈至低压多级增益提高模块2。

电源电压转换模块将外部电源电压（如5V）转换成低于MOSFET耐压值（小于等于2.5V）的电压输出到低压多级增益提高模块2；低压多级增益提高模块2提供高增益运放；高压驱动模块3将低压MOSFET输出的耐压值（小于等于2.5V）的电压转换为5V的电压控制功率提供模块4；功率提供模块4为负载提供需要的电源；电压钳位模块5产生反馈信号到低压多级增益提高模块2用于钳制功率提供模块4输出的电压值；使低压MOSFET能够安全工作在高压（高于MOSFET耐压值）外部电源。由电源电压抑制比PSRR：

可知，本发明提高了AC

实施例2：

在实施例1的基础上，结合附图2所示，所述电源电压转换模块包括MOS管M1、MOS管M2、MOS管M3和MOS管M4，MOS管M1的漏极串联电阻R2和电阻R1后连接外部电源，电阻R2并联多个二极管（二极管D1-D6），MOS管M1的栅极串联电阻R5后连接MOS管M4的栅极；MOS管M1的源极与接地之间连接有用于调整输出电压的第一输出电压控制电路；MOS管M2的漏极串联电阻R4和电阻R3后连接外部电源，电阻R4并联二极管D14、串联的二极管D11、二极管D12和二极管D13，MOS管M2的栅极串联电阻R6后连接MOS管M3的栅极，MOS管M2的源极连接与第一输出电压控制电路匹配的第二输出电压控制电路，第一输出电压控制电路与MOS管M1构成第一电压选项电路13；第二输出电压控制电路与MOS管M2构成第二电压选项电路12，MOS管M3的漏极连接外部电源，MOS管M3的栅极连接功率提供模块4，用于输出中间电平作为功率提供模块4的控制电压；MOS管M3的源极连接MOS管M4的漏极；MOS管M4的源极连接低压多级增益提高模块2，为低压多级增益提高模块2提供工作电压；MOS管M1、MOS管M2、MOS管M3和MOS管M4的栅极与接地之间连接滤波电容；所述MOS管M4的源极与接地之间连接电压保持单元11，所述电压保持单元11由并联的电阻R7和电容C5构成。

电源电压转换模块中，由MOS管M3和MOS管M4供电给后级电路，电阻R5和电阻R6为限流保护电阻，MOS管M1为MOS管M4的栅压控制电压产生器件，MOS管M2为MOS管M3的栅压控制电压产生器件；二极管D7-D10决定电源电压转换模块的输出电压值，即Vout，电阻R7和电容C5避免负载阻抗过大时引起输出电压值电势抬升造成的电路系统损坏。其余的电阻实现限流，其他的二极管实现保护以免出现电击穿现象。

MOS管M1、MOS管M2、MOS管M3和MOS管M4组成叠加的两层用于保护电路，使相对电势的差值不超过MOSFET的耐压值，避免发生电击穿现象。

所述第一输出电压控制电路、第二输出电压控制电路均由一个二极管或串联的多个二极管构成，第二输出电压控制电路的二极管数量与第一输出电压控制电路的二极管数量匹配，使MOS管的电压低于MOSFET耐压界限。

由电流镜模型得知，若本电路中第一输出电压控制电路由一个二极管构成，则输出电压为一个二极管的导通电压，如0.6V，同理，本电路若有多个二极管串联，则通过跳线短接二极管能够实现输出电压的调整，得到1.2V，1.8V或2.4V等多种输出电压。也可以在每个二极管两端分别并联一个MOS管，再采用数字解码器控制MOS管的通断实现。如图4所示。

实施例3：

在实施例1或2的基础上，结合附图3所示，所述低压多级增益提高模块2采用增强型运放模块，采用差分输出提供高增益。所述低压多级增益提高模块2包括源极与电源电压转换模块连接且共栅极连接的MOS管M8、MOS管M9、MOS管M13、MOS管M17和MOS管M21；MOS管M8的漏极连接MOS管M7的源极；MOS管M9的漏极连接MOS管M10的源极；MOS管M13的漏极连接MOS管M14的源极；MOS管M17的漏极连接MOS管M18的源极；MOS管M21的漏极连接MOS管M22的源极；MOS管M7、MOS管M10、MOS管M14、MOS管M18和MOS管M22共栅极连接；MOS管M7的漏极连接电阻R8的第一端，电阻R8的第二端与接地之间连接低功耗控制电路21，MOS管M7的栅极连接电阻R8的第二端；MOS管M10的漏极连接电阻R10的第一端，电阻R10的第二端连接MOS管M11的漏极，MOS管M11的源极连接MOS管M12的漏极，MOS管M12的源极接地；MOS管M11的栅极与电阻R10的第一端连接，MOS管M12的栅极与电阻R10的第二端连接；MOS管M14的漏极连接MOS管M15和MOS管M16的源极；MOS管M15的栅极作为反馈输入端与所述电压钳位模块5连接，MOS管M16的栅极外接输入参考电压；MOS管M18的漏极连接MOS管M19的漏极，MOS管M22的漏极连接MOS管M23的漏极，MOS管M19的源极连接MOS管M20的漏极，MOS管M23的源极连接MOS管M24的漏极，MOS管M20和MOS管M24的源极接地；MOS管M20和MOS管M24的栅极与电阻R10的第二端连接，MOS管M19和MOS管M23的栅极与电阻R10的第一端连接；MOS管M15的漏极连接MOS管M19的源极，MOS管M16的漏极连接MOS管M23的源极；MOS管M8的栅极输出至高压驱动模块3作为第一路控制信号；MOS管M18的漏极输出至高压驱动模块3作为第二路控制信号；MOS管M22的漏极输出至高压驱动模块3作为第三路控制信号；MOS管M23的源极连接电容C6和电阻R12后与电源输出端连接。低压多级增益提高模块2通过差分输出增强了本身的增益。

所述低功耗控制电路21包括串联的二极管D28、二极管D29和电阻R9，所述二极管D28连接所述电阻R8的第二端，电阻R9连接MOS管M6的漏极，MOS管M6的漏极连接MOS管M6的栅极和MOS管M5的栅极，MOS管M6的源极连接MOS管M5的漏极，MOS管M5的源极接地。通过短接二极管D28、二极管D29或电阻R9，实现低功耗调节。

如图5所示，低功耗控制电路21的另一种方案是，其中的二极管D28、二极管D29分别并联一个MOS管，电阻R9替换为多个串联的电阻，且每个电阻均并联一个MOS管，通过MOS管M39~Mn的开关控制可以增加或者减小此支路的电流，经过对此支路的镜像整体功耗就得到了控制，可根据使用情况来调节内部功耗，增强了此LDO的适用性。

实施例4：

在实施例3的基础上，结合附图3所示，所述高压驱动模块3包括源极与外部电源连接、共栅极连接的MOS管M29和MOS管M30，MOS管M29的漏极连接MOS管M28的源极，MOS管M30的漏极连接MOS管M31的源极，MOS管M28与MOS管M31共栅极连接；MOS管M29的栅极连接MOS管M28的漏极，MOS管M28的漏极连接电阻R11的第一端，MOS管M28的栅极连接电阻R11的第二端；MOS管M31的漏极连接MOS管M32的漏极，MOS管M31的漏极连接功率提供模块4，用于提供控制信号控制功率提供模块4的通断；电阻R11的第二端连接MOS管M27的漏极，MOS管M27与MOS管M32共栅极连接并连接至功率提供模块4，所述电源电压转换模块输出的中间电平作为MOS管M27、MOS管M32和功率提供模块4的控制电压；MOS管M27的源极连接MOS管M26的漏极，MOS管M32的源极连接MOS管M33的漏极，MOS管M26和MOS管M33的栅极由所述第一路控制信号控制；MOS管M26的源极连接MOS管M25的漏极，MOS管M33的源极连接MOS管M34的漏极，MOS管M25的栅极由所述第三路控制信号控制，MOS管M34的栅极由所述第二路控制信号控制；MOS管M25和MOS管M34的源极接地。

高压驱动模块3的MOS管M25、MOS管M26、MOS管M27、MOS管M28、MOS管M29、MOS管M30、MOS管M31、MOS管M32、MOS管M33和MOS管M34构成了电压转换结构，将低压多级增益提高模块2输出的电压（MOS管M19和MOS管M18的漏极输出、MOS管M22和MOS管M23的漏极输出）转换为电流再转换为高电压输出到功率提供模块4；同时增加的转换结构使得反馈环路的级数变多，增强了整个环路的增益，获得了高精度电压和高PSRR，其中MOS管M26、MOS管M27、MOS管M32、MOS管M33提供了一个中间电势过度的作用，使得整个的结构在5V电压下各个MOSFET的相对电势依旧在其承受范围内。高压驱动模块3使用了环路升压转换电路，使增益精度与驱动能力分别在不同电压域实现，保证了功率级的能量传输安全有效。

所述功率提供模块4包括串联的MOS管M35和MOS管M36，MOS管M35的源极连接外接电源，MOS管M35的栅极连接所述控制信号，MOS管M35的漏极连接MOS管M36的源极，所述电源电压转换模块输出的中间电平作为MOS管M36的控制电压，MOS管M36的漏极连接所述电源输出端和电压钳位模块5。功率提供模块4采用两级串联输出，可以保证每个MOSFET管子工作在正常耐压环境中。

所述电压钳位模块5包括串联的电阻R13和电阻R14，所述电阻R13与电源输出端连接，所述电阻R14接地，电阻R13和电阻R14之间的节点与所述低压多级增益提高模块2的反馈输入端连接。电压钳位模块5在功率提供模块4中抽取取样电压反馈到低压多级增益提高模块2中可实现输出电压Vout恒定。本发明通过比例电压的分配钳位，使得每个器件的分压均匀，使其工作在安全的电压域，满足器件的SOA要求。

尽管这里参照本发明的解释性实施例对本发明进行了描述，上述实施例仅为本发明较佳的实施方式，本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。