具有软启动控制电路的线性稳压源的制作方法
【专利摘要】提供了一种具有软启动控制电路的线性稳压源，包括运算放大器和输出级电路，运算放大器将输出级电路的输出节点的分压信号与参考电压进行比较，并输出控制信号用于控制输出级电路，在线性稳压源工作于非启动阶段时，输出级电路输出恒定电压，其特征在于：线性稳压源还包括软启动控制电路和第一功率驱动管，其中，第一功率驱动管的尺寸小于输出级电路中的功率驱动管的尺寸，其中，软启动控制电路检测线性稳压源是否处于启动阶段，当处于启动阶段时，开启该第一功率驱动管，使得线性稳压源仅以流过该第一功率驱动管的电流对负载充电，当处于非启动阶段时，控制输出级电路中的功率驱动管对负载充电。
【专利说明】具有软启动控制电路的线性稳压源
【技术领域】
[0001]本申请涉及系统级芯片(SOC)集成电路设计领域，更具体地，涉及一种能够控制启动电流的具有软启动控制电路的线性稳压源。
【背景技术】
[0002]图1是示出现有技术的线性稳压源(LDO)的示图。如图1所示，该电路包括运算放大器AMP和输出级电路，所述输出级电路可包括功率PMOS管、反馈电阻Rl、R2以及输出负载电容Cout，当启动时，该电路容易产生巨大的启动电流。图2示出图1的线性稳压源的时序图。如图2所示，当线性稳压源随其电源电压VDD由低到高变化而启动时，输出电压Vout的初始值为0，电阻分压端FB的电压也为O，远远低于运算放大器AMP的另一输入端(即，参考电压VREF)的电压，所以运算放大器AMP输出端VG的电压为O。这时，功率PMOS管的栅源电压(Vgs)和源漏电压(Vsd)的值都为电源电压VDD，功率PMOS管驱动的电流值
为1 一 = KSVthY (其中，K为由氧化层獅迁移率决定的系数，W、I分别为功
率PMOS管的宽、长，VDD为电源电压，Vth为功率PMOS管的阈值电压)，远远超过线性稳压源的正常工作值，甚至可能超出线性稳压源的电源电压VDD的输出承受能力。这种问题在电源电压VDD快速上升到较高值时尤其严重，可能使电源值大幅度跳变，容易引起整个系统锁死，并缩短芯片甚至供电电源的使用寿命。
【发明内容】
[0003]根据本发明的一方面，提供了一种具有软启动控制电路的线性稳压源，包括运算放大器和输出级电路，运算放大器将输出级电路的输出节点的分压信号与参考电压进行比较，并输出控制信号用于控制输出级电路，在线性稳压源工作于非启动阶段时，输出级电路输出恒定电压，其特征在于:线性稳压源还包括软启动控制电路和第一功率驱动管，其中，第一功率驱动管的尺寸小于输出级电路中的功率驱动管的尺寸，其中，软启动控制电路检测线性稳压源是否处于启动阶段，当处于启动阶段时，开启该第一功率驱动管，使得线性稳压源仅以流过该第一功率驱动管的电流对负载充电，当处于非启动阶段时，控制输出级电路中的功率驱动管对负载充电。
[0004]运算放大器可包括对称型运算放大器，软启动控制电路通过检测对称型运算放大器的输出电流来检测线性稳压源是否处于启动阶段。
[0005]软启动控制电路可包括充电晶体管、第一电容和触发器，充电晶体管镜像对称型运算放大器的所述输出电流以对第一电容充电，触发器检测第一电容的电压以确定输出级电路中的功率驱动管是否对负载充电，其中，在所述启动阶段，断开输出级电路中的功率驱动管，输出级电路中的功率驱动管不对负载充电，在所述非启动阶段，导通输出级电路中的功率驱动管，输出级电路中的功率驱动管对负载充电。
[0006]对称型运算放大器可包括第一和第二晶体管构成的输入晶体管，第一晶体管接收所述参考电压，第二晶体管接收所述分压信号，对称型运算放大器还包括第一、第二和第三电流镜，第一晶体管控制流过第一电流镜的电流，第二晶体管控制流过第二电流镜的电流，第一电流镜控制流过第三电流镜的电流，充电晶体管镜像第三电流镜的电流。
[0007]PMOS管Mc可构成充电晶体管，PMOS管Mpl构成第一晶体管，Mp2构成第二晶体管，NMOS管Mnl和Mn3构成第一电流镜，NMOS管Mn2和Mn4构成第二电流镜，PMOS管Mp3和Mp4构成第三电流镜，其中，Mpl的漏极连接至Mnl的栅极和漏极以及Mn3的栅极，Mn3的漏极连接至Mp3的栅极和漏极以及Mp4的栅极，Mp2的漏极连接至Mn2的栅极和漏极以及Mn4的栅极，Mp4的漏极和Mn4的漏极连接在一起作为对称型运算放大器的输出节点以控制第一功率驱动管。
[0008]充电晶体管可镜像PMOS管Mp3和Mp4的电流。
[0009]对称型运算放大器还可包括连接于线性稳压源的输入电源与PMOS管Mpl和Mp2的源极连接点之间的电流源，线性稳压源的输入电源为外部输入的电源。
[0010]所述线性稳压源还可包括软启动模式控制开关，软启动控制电路控制软启动模式控制开关以断开或导通输出级电路中的功率驱动管。
[0011 ] 软启动控制电路可包括在运算放大器中。
[0012]输出级电路中的功率驱动管和第一功率驱动管均可为PMOS管，输出级电路中的功率驱动管和第一功率驱动管的宽长比的比值为M，M>1。
[0013]将在接下来的描述中部分阐述本发明另外的方面和/或优点，还有一部分通过描述将是清楚的，或者可以经过本发明的实施而得知。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]通过下面结合附图进行的详细描述，本发明的上述和其它目的和特点将会变得更加清楚，其中:
[0015]图1是示出现有技术的线性稳压源(LDO)的示图；
[0016]图2示出图1的线性稳压源的时序图；
[0017]图3是示出根据本发明示例性实施例的具有软启动控制电路的线性稳压源的示图；
[0018]图4是示出根据本发明示例性实施例的运算放大器的示图；
[0019]图5是示出根据本发明示例性实施例的具有软启动控制电路的线性稳压源的启动过程时序图。
【具体实施方式】
[0020]现在，详细描述本发明的示例性实施例，其示例在附图中表示，其中，相同的标号始终表示相同的部件。
[0021]图3是示出根据本发明示例性实施例的具有软启动控制电路的线性稳压源的示图。
[0022]如图3所示，根据本发明示例性实施例的具有软启动控制电路的线性稳压源包括运算放大器AMP10、输出级电路、软启动模式控制开关以及功率驱动管11，其中，输出级电路为现有技术中的输出级电路，可包括功率驱动管12、反馈电阻13、14、输出负载电容Cout ;功率驱动管11尺寸小于功率驱动管12，功率驱动管12宽长比与驱动管11宽长比的比值为M (M>1);运算放大器10包含所述软启动控制电路；VREF为外部提供的参考电压，VDD为输入电源电压，Vout为线性稳压源的输出电压。当电源电压VDD由O到I变化时，电路开始启动，Vout初始电压为0，其分压点FB电压也为0，远远低于输入参考电压VREF。
[0023]运算放大器10比较输出电压Vout与参考电压VREF的大小以检测线性稳压源是否处于启动阶段，若线性稳压源处于启动阶段，则输出控制信号SST以断开功率驱动管12(SP，将功率驱动管12从环路中断开)并导通驱动管11，此时运算放大器10、功率驱动管
11、反馈电阻13、14构成环路，以较小的输出电流(即，较小的启动电流)对负载电容进行充电，达到软启动的效果；若线性稳压源处于正常工作阶段(即，非启动阶段)，则输出控制信号SST以导通功率驱动管12 (B卩，将功率驱动管12接入环路)，此时，运算放大器10、功率驱动管12、反馈电阻13、14可构成环路，并可以输出大电流以驱动负载电路，原理同现有技术。由于功率驱动管12与功率驱动管11宽长比的比值为M (M>1)，故在上述启动阶段，本发明以【背景技术】的理论峰值电流Iinrush (即，【背景技术】部分的电流Ipeak)的1/M对负载电容Cout进行充电,此时LDO的启动电流约为Iinrush/M,大大减小启动电流,达到软启动的目的。在本示例性实施例中，仅作为示例而非限制，功率驱动管11和12可均为PMOS管，在上述启动阶段中，运算放大器10输出的控制信号SST为I，控制软启动模式控制开关将功率驱动管12接入环路，在上述正常工作阶段(B卩，非启动阶段)中，运算放大器10输出的控制信号SST为0，控制软启动模式控制开关将功率驱动管12从环路中断开。此外，应该了解，图3中的软启动模式控制开关仅是示例，本领域技术人员可根据实际需要采用各种类似的电路结构来将功率驱动管12从环路中断开或接入环路。
[0024]图4是示出根据本发明示例性实施例的图3中的运算放大器10的示图。
[0025]如图4所示，根据本发明示例性实施例的运算放大器10可包括虚线框内部所示的软启动控制电路和虚线框外部分的典型的对称型运算放大器(Sy_etrical 0ΡΑ),其中,对称型运算放大器可包括NMOS管Mnl~Mn4、PM0S管Mpl~Mp4和偏置电流源Is，软启动控制电路可包括作为充电电流源的MOS管Mc，起保持和延迟作用的电容Ce和SMTT触发器10，该软启动控制电路将如上所述根据LDO工作状态自动判断LDO是否需要进入软启动状态，并发出控制信号SST。
[0026]输入参考电压VREF和分压点电压FB分别为运算放大器10的同向和反向输入电压。当LDO环路刚开始工作并处于启动状态时，LDO的输出电压很低(0V)，远远低于输入参考电压VREF，此时，Mpl断开，Mp2导通，运算放大器10中的电流源Is的电流完全流入Mp2，Mnl和Mn3断开，Mp3断开，输出级Mn4导通，Mp4断开，输出端CTRL电压为O。软启动控制电路中的Mc是Mp3和Mp4的镜像管，所以也处于断开状态而不对电容Ce进行充电，Charge点电压保持初始值0，经过SMTT触发器IO后，输出控制信号SST也为O。由于CTRL电压和SST的作用，附图3中的功率驱动管11导通，且栅源电压Vgs等于VDD，而功率驱动管12没有接入环路，其栅源电压为0，处于断开状态。LDO电路将以上述理论峰值电流Iinrush的1/M对负载电容进行充电；当启动阶段即将结束时，即，LDO的输出端非常接近目标值Vtarget=VREFX (R13+R14)/R14，FB电压非常接近输入参考电压VREF，电流源Is的电流接近均匀流过Mpl和Mp2 (BP,Mpl和Mp2各自流过约电流源Is的电流的一半),1]11、]/[113、]\^3和Mp4导通，由于软启动控制电路中的Mc与运放输出级Mp4有相同的栅源电压Vgs，且宽长比的比值为1: K，所以Mc以充电电流Imc=Imp4/K (Imp4为流过Mp4的电流)对电容Ce充电，可以通过设置Mnl、Mn3、Mp3和Mp4的宽长比的比值使得Mp3和Mp4的电流接近Is/2，此时软启动控制电路中Mc管以Is/2K的电流对Ce进行充电，经过KX VDDX Cc/Is的延迟时间(假设施密特触发器翻转电压约为VDD/2)，软启动控制电路输出的SST由O变为1，启动过程结束，附图3中的功率驱动管12接入环路，LDO进入正常工作阶段。
[0027]图5是示出根据本发明示例性实施例的具有软启动控制电路的线性稳压源的启动过程时序图。
[0028]Pl阶段，当电源电压VDD由O到I变化时，LDO电路开始启动，Vout初始电压为0，分压点电压FB也为0，远远低于输入参考电压VREF，使运算放大器10输出CTRL电压为0，输出控制信号SST也为O。由于CTRL电压和SST的作用，功率驱动管11导通，且栅源电压差Vgs等于VDD。P2阶段，LDO电路在以理论峰值电流Iinrush的1/M对负载电容Cout进行充电。当启动阶段P2即将结束时，Vout电压接近目标值，使得分压点电压FB接近VREF，Mc导通且以Is/2K的电流对Ce进行充电，充电时间为K X VDD X Cc/I S，而后SST由O变为1，功率驱动管12接入环路。此时，启动过程结束，LDO电路进入正常工作阶段P3，可对负载电路输出较大驱动电流。
[0029]需要说明的是，虽然上述示例性实施例中的软启动控制电路设置于运算放大器10内部，但是本领域的技术人员将理解，软启动控制电路完全可独立于运算放大器10而被设置。
[0030]根据本发明的示例性实施例，由于加入软启动控制电路检测线性稳压源电路的工作状态，在线性稳压源启动过程中，通过减小或限制功率驱动管的方法限制启动电流，改变LDO输出管驱动能力的大小，避免发生超出范围的巨大启动电流，在不增加电路物理面积的前提下，达到软启动的效果；在线性稳压源启动结束后，在将功率驱动管切换至正常尺寸，对负载电路供电。
[0031]虽然已经参照特定示例性实施例示出和描述了本发明，但是本领域的技术人员将理解，在不脱离范围由权利要求及其等同物限定的本发明的精神和范围的情况下可作出形式和细节上的各种改变。
【权利要求】
1.一种具有软启动控制电路的线性稳压源，包括运算放大器和输出级电路，运算放大器将输出级电路的输出节点的分压信号与参考电压进行比较，并输出控制信号用于控制输出级电路，在线性稳压源工作于非启动阶段时，输出级电路输出恒定电压，其特征在于: 线性稳压源还包括软启动控制电路和第一功率驱动管， 其中，第一功率驱动管的尺寸小于输出级电路中的功率驱动管的尺寸， 其中，软启动控制电路检测线性稳压源是否处于启动阶段，当处于启动阶段时，开启该第一功率驱动管，使得线性稳压源仅以流过该第一功率驱动管的电流对负载充电，当处于非启动阶段时，控制输出级电路中的功率驱动管对负载充电。
2.如权利要求1所述的线性稳压源，其中，运算放大器包括对称型运算放大器，软启动控制电路通过检测对称型运算放大器的输出电流来检测线性稳压源是否处于启动阶段。
3.如权利要求2所述的线性稳压源，其中，软启动控制电路包括充电晶体管、第一电容和触发器，充电晶体管镜像对称型运算放大器的所述输出电流以对第一电容充电，触发器检测第一电容的电压以确定输出级电路中的功率驱动管是否对负载充电，其中，在所述启动阶段，断开输出级电路中的功率驱动管，输出级电路中的功率驱动管不对负载充电，在所述非启动阶段，导通输出级电路中的功率驱动管，输出级电路中的功率驱动管对负载充电。
4.如权利要求3所述的线性稳压源，其中，对称型运算放大器包括第一和第二晶体管构成的输入晶体管，第一晶体管接收所述参考电压，第二晶体管接收所述分压信号，对称型运算放大器还包括第一、第二和第三电流镜，第一晶体管控制流过第一电流镜的电流，第二晶体管控制流过第二电流镜的电流，第一电流镜控制流过第三电流镜的电流，充电晶体管镜像第三电流镜的电流。
5.如权利要求4所述的线性稳压源，其中，PMOS管Mc构成充电晶体管，PMOS管Mpl构成第一晶体管，Mp2构成第二晶体管，NMOS管Mnl和Mn3构成第一电流镜，NMOS管Mn2和Mn4构成第二电流镜，PMOS管Mp3和Mp4构成第三电流镜，其中，Mpl的漏极连接至Mnl的栅极和漏极以及Mn3的栅极，Mn3的漏极连接至Mp3的栅极和漏极以及Mp4的栅极，Mp2的漏极连接至Mn2的栅极和漏极以及Mn4的栅极，Mp4的漏极和Mn4的漏极连接在一起作为对称型运算放大器的输出节点以控制第一功率驱动管。
6.如权利要求5所述的线性稳压源，其中，充电晶体管镜像PMOS管Mp3和Mp4的电流。
7.如权利要求6所述的线性稳压源，其中，对称型运算放大器还包括连接于线性稳压源的输入电源与PMOS管Mpl和Mp2的源极连接点之间的电流源，线性稳压源的输入电源为外部输入的电源。
8.如权利要求1?7之一所述的线性稳压源，还包括软启动模式控制开关，软启动控制电路控制软启动模式控制开关以断开或导通输出级电路中的功率驱动管。
9.如权利要求1?7之一所述的线性稳压源，其中，软启动控制电路包括在运算放大器中。
10.如权利要求1?7之一所述的线性稳压源，其中，输出级电路中的功率驱动管和第一功率驱动管均为PMOS管，输出级电路中的功率驱动管和第一功率驱动管的宽长比的比值为M，M>1。
【文档编号】G05F1/56GK103729007SQ201310597266
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2013年11月22日 优先权日:2013年11月22日
【发明者】吴献 申请人:三星半导体(中国)研究开发有限公司, 三星电子株式会社