具有軟啟動控制電路的線性穩壓源的製作方法

2023-05-13 20:47:16 3

具有軟啟動控制電路的線性穩壓源的製作方法
【專利摘要】提供了一種具有軟啟動控制電路的線性穩壓源，包括運算放大器和輸出級電路，運算放大器將輸出級電路的輸出節點的分壓信號與參考電壓進行比較，並輸出控制信號用於控制輸出級電路，在線性穩壓源工作於非啟動階段時，輸出級電路輸出恆定電壓，其特徵在於：線性穩壓源還包括軟啟動控制電路和第一功率驅動管，其中，第一功率驅動管的尺寸小於輸出級電路中的功率驅動管的尺寸，其中，軟啟動控制電路檢測線性穩壓源是否處於啟動階段，當處於啟動階段時，開啟該第一功率驅動管，使得線性穩壓源僅以流過該第一功率驅動管的電流對負載充電，當處於非啟動階段時，控制輸出級電路中的功率驅動管對負載充電。
【專利說明】具有軟啟動控制電路的線性穩壓源
【技術領域】
[0001]本申請涉及系統級晶片(SOC)集成電路設計領域，更具體地，涉及一種能夠控制啟動電流的具有軟啟動控制電路的線性穩壓源。
【背景技術】
[0002]圖1是示出現有技術的線性穩壓源(LDO)的示圖。如圖1所示，該電路包括運算放大器AMP和輸出級電路，所述輸出級電路可包括功率PMOS管、反饋電阻Rl、R2以及輸出負載電容Cout，當啟動時，該電路容易產生巨大的啟動電流。圖2示出圖1的線性穩壓源的時序圖。如圖2所示，當線性穩壓源隨其電源電壓VDD由低到高變化而啟動時，輸出電壓Vout的初始值為0，電阻分壓端FB的電壓也為O，遠遠低於運算放大器AMP的另一輸入端(即，參考電壓VREF)的電壓，所以運算放大器AMP輸出端VG的電壓為O。這時，功率PMOS管的柵源電壓(Vgs)和源漏電壓(Vsd)的值都為電源電壓VDD，功率PMOS管驅動的電流值
為1 一 = KSVthY (其中，K為由氧化層獅遷移率決定的係數，W、I分別為功
率PMOS管的寬、長，VDD為電源電壓，Vth為功率PMOS管的閾值電壓)，遠遠超過線性穩壓源的正常工作值，甚至可能超出線性穩壓源的電源電壓VDD的輸出承受能力。這種問題在電源電壓VDD快速上升到較高值時尤其嚴重，可能使電源值大幅度跳變，容易引起整個系統鎖死，並縮短晶片甚至供電電源的使用壽命。

【發明內容】

[0003]根據本發明的一方面，提供了一種具有軟啟動控制電路的線性穩壓源，包括運算放大器和輸出級電路，運算放大器將輸出級電路的輸出節點的分壓信號與參考電壓進行比較，並輸出控制信號用於控制輸出級電路，在線性穩壓源工作於非啟動階段時，輸出級電路輸出恆定電壓，其特徵在於:線性穩壓源還包括軟啟動控制電路和第一功率驅動管，其中，第一功率驅動管的尺寸小於輸出級電路中的功率驅動管的尺寸，其中，軟啟動控制電路檢測線性穩壓源是否處於啟動階段，當處於啟動階段時，開啟該第一功率驅動管，使得線性穩壓源僅以流過該第一功率驅動管的電流對負載充電，當處於非啟動階段時，控制輸出級電路中的功率驅動管對負載充電。
[0004]運算放大器可包括對稱型運算放大器，軟啟動控制電路通過檢測對稱型運算放大器的輸出電流來檢測線性穩壓源是否處於啟動階段。
[0005]軟啟動控制電路可包括充電電晶體、第一電容和觸發器，充電電晶體鏡像對稱型運算放大器的所述輸出電流以對第一電容充電，觸發器檢測第一電容的電壓以確定輸出級電路中的功率驅動管是否對負載充電，其中，在所述啟動階段，斷開輸出級電路中的功率驅動管，輸出級電路中的功率驅動管不對負載充電，在所述非啟動階段，導通輸出級電路中的功率驅動管，輸出級電路中的功率驅動管對負載充電。
[0006]對稱型運算放大器可包括第一和第二電晶體構成的輸入電晶體，第一電晶體接收所述參考電壓，第二電晶體接收所述分壓信號，對稱型運算放大器還包括第一、第二和第三電流鏡，第一電晶體控制流過第一電流鏡的電流，第二電晶體控制流過第二電流鏡的電流，第一電流鏡控制流過第三電流鏡的電流，充電電晶體鏡像第三電流鏡的電流。
[0007]PMOS管Mc可構成充電電晶體，PMOS管Mpl構成第一電晶體，Mp2構成第二電晶體，NMOS管Mnl和Mn3構成第一電流鏡，NMOS管Mn2和Mn4構成第二電流鏡，PMOS管Mp3和Mp4構成第三電流鏡，其中，Mpl的漏極連接至Mnl的柵極和漏極以及Mn3的柵極，Mn3的漏極連接至Mp3的柵極和漏極以及Mp4的柵極，Mp2的漏極連接至Mn2的柵極和漏極以及Mn4的柵極，Mp4的漏極和Mn4的漏極連接在一起作為對稱型運算放大器的輸出節點以控制第一功率驅動管。
[0008]充電電晶體可鏡像PMOS管Mp3和Mp4的電流。
[0009]對稱型運算放大器還可包括連接於線性穩壓源的輸入電源與PMOS管Mpl和Mp2的源極連接點之間的電流源，線性穩壓源的輸入電源為外部輸入的電源。
[0010]所述線性穩壓源還可包括軟啟動模式控制開關，軟啟動控制電路控制軟啟動模式控制開關以斷開或導通輸出級電路中的功率驅動管。
[0011 ] 軟啟動控制電路可包括在運算放大器中。
[0012]輸出級電路中的功率驅動管和第一功率驅動管均可為PMOS管，輸出級電路中的功率驅動管和第一功率驅動管的寬長比的比值為M，M>1。
[0013]將在接下來的描述中部分闡述本發明另外的方面和/或優點，還有一部分通過描述將是清楚的，或者可以經過本發明的實施而得知。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]通過下面結合附圖進行的詳細描述，本發明的上述和其它目的和特點將會變得更加清楚，其中:
[0015]圖1是示出現有技術的線性穩壓源(LDO)的示圖；
[0016]圖2示出圖1的線性穩壓源的時序圖；
[0017]圖3是示出根據本發明示例性實施例的具有軟啟動控制電路的線性穩壓源的示圖；
[0018]圖4是示出根據本發明示例性實施例的運算放大器的示圖；
[0019]圖5是示出根據本發明示例性實施例的具有軟啟動控制電路的線性穩壓源的啟動過程時序圖。
【具體實施方式】
[0020]現在，詳細描述本發明的示例性實施例，其示例在附圖中表示，其中，相同的標號始終表示相同的部件。
[0021]圖3是示出根據本發明示例性實施例的具有軟啟動控制電路的線性穩壓源的示圖。
[0022]如圖3所示，根據本發明示例性實施例的具有軟啟動控制電路的線性穩壓源包括運算放大器AMP10、輸出級電路、軟啟動模式控制開關以及功率驅動管11，其中，輸出級電路為現有技術中的輸出級電路，可包括功率驅動管12、反饋電阻13、14、輸出負載電容Cout ;功率驅動管11尺寸小於功率驅動管12，功率驅動管12寬長比與驅動管11寬長比的比值為M (M>1);運算放大器10包含所述軟啟動控制電路；VREF為外部提供的參考電壓，VDD為輸入電源電壓，Vout為線性穩壓源的輸出電壓。當電源電壓VDD由O到I變化時，電路開始啟動，Vout初始電壓為0，其分壓點FB電壓也為0，遠遠低於輸入參考電壓VREF。
[0023]運算放大器10比較輸出電壓Vout與參考電壓VREF的大小以檢測線性穩壓源是否處於啟動階段，若線性穩壓源處於啟動階段，則輸出控制信號SST以斷開功率驅動管12(SP，將功率驅動管12從環路中斷開)並導通驅動管11，此時運算放大器10、功率驅動管
11、反饋電阻13、14構成環路，以較小的輸出電流(即，較小的啟動電流)對負載電容進行充電，達到軟啟動的效果；若線性穩壓源處於正常工作階段(即，非啟動階段)，則輸出控制信號SST以導通功率驅動管12 (B卩，將功率驅動管12接入環路)，此時，運算放大器10、功率驅動管12、反饋電阻13、14可構成環路，並可以輸出大電流以驅動負載電路，原理同現有技術。由於功率驅動管12與功率驅動管11寬長比的比值為M (M>1)，故在上述啟動階段，本發明以【背景技術】的理論峰值電流Iinrush (即，【背景技術】部分的電流Ipeak)的1/M對負載電容Cout進行充電,此時LDO的啟動電流約為Iinrush/M,大大減小啟動電流,達到軟啟動的目的。在本示例性實施例中，僅作為示例而非限制，功率驅動管11和12可均為PMOS管，在上述啟動階段中，運算放大器10輸出的控制信號SST為I，控制軟啟動模式控制開關將功率驅動管12接入環路，在上述正常工作階段(B卩，非啟動階段)中，運算放大器10輸出的控制信號SST為0，控制軟啟動模式控制開關將功率驅動管12從環路中斷開。此外，應該了解，圖3中的軟啟動模式控制開關僅是示例，本領域技術人員可根據實際需要採用各種類似的電路結構來將功率驅動管12從環路中斷開或接入環路。
[0024]圖4是示出根據本發明示例性實施例的圖3中的運算放大器10的示圖。
[0025]如圖4所示，根據本發明示例性實施例的運算放大器10可包括虛線框內部所示的軟啟動控制電路和虛線框外部分的典型的對稱型運算放大器(Sy_etrical 0ΡΑ),其中,對稱型運算放大器可包括NMOS管Mnl~Mn4、PM0S管Mpl~Mp4和偏置電流源Is，軟啟動控制電路可包括作為充電電流源的MOS管Mc，起保持和延遲作用的電容Ce和SMTT觸發器10，該軟啟動控制電路將如上所述根據LDO工作狀態自動判斷LDO是否需要進入軟啟動狀態，並發出控制信號SST。
[0026]輸入參考電壓VREF和分壓點電壓FB分別為運算放大器10的同向和反向輸入電壓。當LDO環路剛開始工作並處於啟動狀態時，LDO的輸出電壓很低(0V)，遠遠低於輸入參考電壓VREF，此時，Mpl斷開，Mp2導通，運算放大器10中的電流源Is的電流完全流入Mp2，Mnl和Mn3斷開，Mp3斷開，輸出級Mn4導通，Mp4斷開，輸出端CTRL電壓為O。軟啟動控制電路中的Mc是Mp3和Mp4的鏡像管，所以也處於斷開狀態而不對電容Ce進行充電，Charge點電壓保持初始值0，經過SMTT觸發器IO後，輸出控制信號SST也為O。由於CTRL電壓和SST的作用，附圖3中的功率驅動管11導通，且柵源電壓Vgs等於VDD，而功率驅動管12沒有接入環路，其柵源電壓為0，處於斷開狀態。LDO電路將以上述理論峰值電流Iinrush的1/M對負載電容進行充電；當啟動階段即將結束時，即，LDO的輸出端非常接近目標值Vtarget=VREFX (R13+R14)/R14，FB電壓非常接近輸入參考電壓VREF，電流源Is的電流接近均勻流過Mpl和Mp2 (BP,Mpl和Mp2各自流過約電流源Is的電流的一半),1]11、]/[113、]\^3和Mp4導通，由於軟啟動控制電路中的Mc與運放輸出級Mp4有相同的柵源電壓Vgs，且寬長比的比值為1: K，所以Mc以充電電流Imc=Imp4/K (Imp4為流過Mp4的電流)對電容Ce充電，可以通過設置Mnl、Mn3、Mp3和Mp4的寬長比的比值使得Mp3和Mp4的電流接近Is/2，此時軟啟動控制電路中Mc管以Is/2K的電流對Ce進行充電，經過KX VDDX Cc/Is的延遲時間(假設施密特觸發器翻轉電壓約為VDD/2)，軟啟動控制電路輸出的SST由O變為1，啟動過程結束，附圖3中的功率驅動管12接入環路，LDO進入正常工作階段。
[0027]圖5是示出根據本發明示例性實施例的具有軟啟動控制電路的線性穩壓源的啟動過程時序圖。
[0028]Pl階段，當電源電壓VDD由O到I變化時，LDO電路開始啟動，Vout初始電壓為0，分壓點電壓FB也為0，遠遠低於輸入參考電壓VREF，使運算放大器10輸出CTRL電壓為0，輸出控制信號SST也為O。由於CTRL電壓和SST的作用，功率驅動管11導通，且柵源電壓差Vgs等於VDD。P2階段，LDO電路在以理論峰值電流Iinrush的1/M對負載電容Cout進行充電。當啟動階段P2即將結束時，Vout電壓接近目標值，使得分壓點電壓FB接近VREF，Mc導通且以Is/2K的電流對Ce進行充電，充電時間為K X VDD X Cc/I S，而後SST由O變為1，功率驅動管12接入環路。此時，啟動過程結束，LDO電路進入正常工作階段P3，可對負載電路輸出較大驅動電流。
[0029]需要說明的是，雖然上述示例性實施例中的軟啟動控制電路設置於運算放大器10內部，但是本領域的技術人員將理解，軟啟動控制電路完全可獨立於運算放大器10而被設置。
[0030]根據本發明的示例性實施例，由於加入軟啟動控制電路檢測線性穩壓源電路的工作狀態，在線性穩壓源啟動過程中，通過減小或限制功率驅動管的方法限制啟動電流，改變LDO輸出管驅動能力的大小，避免發生超出範圍的巨大啟動電流，在不增加電路物理面積的前提下，達到軟啟動的效果；在線性穩壓源啟動結束後，在將功率驅動管切換至正常尺寸，對負載電路供電。
[0031]雖然已經參照特定示例性實施例示出和描述了本發明，但是本領域的技術人員將理解，在不脫離範圍由權利要求及其等同物限定的本發明的精神和範圍的情況下可作出形式和細節上的各種改變。
【權利要求】
1.一種具有軟啟動控制電路的線性穩壓源，包括運算放大器和輸出級電路，運算放大器將輸出級電路的輸出節點的分壓信號與參考電壓進行比較，並輸出控制信號用於控制輸出級電路，在線性穩壓源工作於非啟動階段時，輸出級電路輸出恆定電壓，其特徵在於: 線性穩壓源還包括軟啟動控制電路和第一功率驅動管， 其中，第一功率驅動管的尺寸小於輸出級電路中的功率驅動管的尺寸， 其中，軟啟動控制電路檢測線性穩壓源是否處於啟動階段，當處於啟動階段時，開啟該第一功率驅動管，使得線性穩壓源僅以流過該第一功率驅動管的電流對負載充電，當處於非啟動階段時，控制輸出級電路中的功率驅動管對負載充電。
2.如權利要求1所述的線性穩壓源，其中，運算放大器包括對稱型運算放大器，軟啟動控制電路通過檢測對稱型運算放大器的輸出電流來檢測線性穩壓源是否處於啟動階段。
3.如權利要求2所述的線性穩壓源，其中，軟啟動控制電路包括充電電晶體、第一電容和觸發器，充電電晶體鏡像對稱型運算放大器的所述輸出電流以對第一電容充電，觸發器檢測第一電容的電壓以確定輸出級電路中的功率驅動管是否對負載充電，其中，在所述啟動階段，斷開輸出級電路中的功率驅動管，輸出級電路中的功率驅動管不對負載充電，在所述非啟動階段，導通輸出級電路中的功率驅動管，輸出級電路中的功率驅動管對負載充電。
4.如權利要求3所述的線性穩壓源，其中，對稱型運算放大器包括第一和第二電晶體構成的輸入電晶體，第一電晶體接收所述參考電壓，第二電晶體接收所述分壓信號，對稱型運算放大器還包括第一、第二和第三電流鏡，第一電晶體控制流過第一電流鏡的電流，第二電晶體控制流過第二電流鏡的電流，第一電流鏡控制流過第三電流鏡的電流，充電電晶體鏡像第三電流鏡的電流。
5.如權利要求4所述的線性穩壓源，其中，PMOS管Mc構成充電電晶體，PMOS管Mpl構成第一電晶體，Mp2構成第二電晶體，NMOS管Mnl和Mn3構成第一電流鏡，NMOS管Mn2和Mn4構成第二電流鏡，PMOS管Mp3和Mp4構成第三電流鏡，其中，Mpl的漏極連接至Mnl的柵極和漏極以及Mn3的柵極，Mn3的漏極連接至Mp3的柵極和漏極以及Mp4的柵極，Mp2的漏極連接至Mn2的柵極和漏極以及Mn4的柵極，Mp4的漏極和Mn4的漏極連接在一起作為對稱型運算放大器的輸出節點以控制第一功率驅動管。
6.如權利要求5所述的線性穩壓源，其中，充電電晶體鏡像PMOS管Mp3和Mp4的電流。
7.如權利要求6所述的線性穩壓源，其中，對稱型運算放大器還包括連接於線性穩壓源的輸入電源與PMOS管Mpl和Mp2的源極連接點之間的電流源，線性穩壓源的輸入電源為外部輸入的電源。
8.如權利要求1?7之一所述的線性穩壓源，還包括軟啟動模式控制開關，軟啟動控制電路控制軟啟動模式控制開關以斷開或導通輸出級電路中的功率驅動管。
9.如權利要求1?7之一所述的線性穩壓源，其中，軟啟動控制電路包括在運算放大器中。
10.如權利要求1?7之一所述的線性穩壓源，其中，輸出級電路中的功率驅動管和第一功率驅動管均為PMOS管，輸出級電路中的功率驅動管和第一功率驅動管的寬長比的比值為M，M>1。
【文檔編號】G05F1/56GK103729007SQ201310597266
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2013年11月22日 優先權日:2013年11月22日
【發明者】吳獻 申請人:三星半導體(中國)研究開發有限公司, 三星電子株式會社