具有多模式控制功能的高可靠性低压差线性稳压器电路的制作方法

本发明属于电源管理领域，具体涉及具有多模式控制功能的高可靠性低压差线性稳压器电路。

背景技术：

随着半导体器件尺寸的小型化和工艺的不断革新，电源类芯片也有了突飞猛进的发展。低压差线性稳压器(LDO)就是利用运算放大器和闭环负反馈系统，在不同的输出电流下将输入电压转换成稳定的输出电压的电路。低噪声、小体积、低输出纹波等优点促使LDO成为电源管理家族中炙手可热的成员之一。

图1为业内现有通用技术中典型的LDO电路结构。该模块由运算放大器、参考电压源、功率管和分压反馈环路组成。参考电压源模块一端连接电源电压VDD，另一端连接至运算放大器的负向输入端，所述运放正向端连接至反馈电阻R1和R2一端，输出端连接至功率管M1的栅极，所述功率管的源极连接至电源电压VDD，漏极连接至反馈电阻R1的另一端、负载电容和负载电阻的一端，所述负载电容、负载电阻、反馈电阻R2的另一端与地电平GND相连。

对于芯片本身而言，这样的配置已经比较成熟，但是这种传统的LDO电路结构存在如下缺点：

第一，工作模式单一，如果线性稳压器损坏或其使能前处于高阻态时，该电路应用于系统中会对系统工作状态造成极大威胁，甚至导致系统无法正常工作。

第二，输出电压单一，无法实现任意电压值的输出，应用灵活性低。即使使用控制逻辑实现可配置型多电压值输出，也需要消耗巨大的版图面积保证电阻精度，从而实现输出电压的高精度。

第三，当负载发生突变时，反馈环路需要一定的时间对功率管的栅压进行调整，因此输出电压无法立即对负载的改变有所回应，导致输入输出电流不匹配，在输出端表现为一个较大的瞬态过冲。

从以上分析可见，需要发明一种LDO系统模块，可以实现任意输出电压值，提高LDO的使用灵活性；可以在不同的模式下工作，最大程度确保系统稳定性；提供一条快速响应通路，使输出负载的变化可以及时的通过功率管进行调节，确保LDO的环路响应速度。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述不足，提供具有多模式控制功能的高可靠性低压差线性稳压器电路，解决由于LDO输出不定态对系统造成的风险，提供灵活多变的输出电压值，并实现较高的瞬态响应速度。

为了达到上述目的，本发明包括均接入使能信号的逻辑控制单元和参考电压产生单元，逻辑控制单元的输出端连接参考电压产生单元的输入端，参考电压产生单元的输出端连接误差放大器单元的输入端，误差放大器单元的输入端还连接LDO电路的输出电压Vout和反馈电压Vf，误差放大器单元的输出端与限流保护单元的输入端相连，限流保护单元的输入端还连接LDO电路的输出电压Vout，限流保护单元的输出端连接功率管的栅极，功率管的源极与电源电压AVDD连接，漏极与LDO电路的输出电压Vout连接，LDO电路的Vf0端连接误差放大器单元的输入端。

所述反馈电压Vf通过第一开关单元连接误差放大器单元的输入端，Vf0端通过第二开关单元连接误差放大器单元的输入端。

所述LDO电路包括均接地的接地保护单元、负载电容CL、输出负载电阻RL、电阻R20和反馈电阻R2，电阻R20连接电阻R10，反馈电阻R2连接反馈电阻R1，反馈电阻R1、电阻R10、接地保护单元、负载电容CL和输出负载电阻RL连接于Vout点，电阻R20和电阻R10间为Vf0端，反馈电阻R2和反馈电阻R1间为反馈电压Vf端。

所述功率管的漏极与反馈电阻R1一端、输出负载电阻RL和负载电容CL一端连接于Vout点。

所述逻辑控制单元的输入端连接系统使能信号Glo_EN和输入选择信号Sel<1:0>，逻辑控制单元的输出端为六路控制信号ctr1和ctr2和ctr3和其中ctr1和ctr2和分别作为第一开关单元单元和第二开关单元的控制信号与其连接，作为接地保护单元的控制信号，ctr3与参考电压产生单元连接。

所述参考电压产生单元的输出端产生三路偏置信号Ibias1、Ibias2和Vref，Ibias1和Ibias2为误差放大器单元和限流保护单元提供稳定的偏置电流，Vref作为参考电平与误差放大器单元连接。

与现有技术相比，本发明连接逻辑控制单元、参考电压产生单元、误差放大器单元、限流保护单元和LDO电路，能够使本发明在三种模式内自由切换：常态模式、外接电阻模式以及接地保护模式，实现LDO应用的灵活性，自由切换使得LDO相对于整个系统功能多样化；采用外接电阻模式为系统提供多种输出电压值，用户可根据自身需要调整反馈电阻值从而得到所需电压，提高使用灵活性，本发明的输出端信号直接反馈进入主回路提高了LDO的瞬态响应速度；本发明在现有同类LDO电路基础上增加更多功能，扩展LDO模块应用范围，提高其使用可靠性和灵活性；通过逻辑单元实现输出电压的多样化，提高适用性和灵活性；通过快速响应回路抑制输出负载突变带来的尖峰效应，提高环路带宽，优化瞬态响应速度。

进一步的，本发明采用的接地保护模式的使用可有效防止LDO的不定态输出导致系统中高阻节点的存在，提高系统可靠性。

附图说明

图1为现有技术中典型的LDO电路的电路结构图；

图2为本发明的电路图；

其中，1、逻辑控制单元；2、参考电压产生单元；3、误差放大器单元，4、限流保护单元；5、第一开关单元；6、第二开关单元；7、功率管；8、接地保护单元。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

参见图2，本发明包括均接入使能信号的逻辑控制单元1和参考电压产生单元2，逻辑控制单元1的输出端连接参考电压产生单元2的输入端，参考电压产生单元2的输出端连接误差放大器单元3的输入端，误差放大器单元3的输入端还连接LDO电路的输出电压Vout和反馈电压Vf，误差放大器单元3的输出端与限流保护单元4的输入端相连，限流保护单元4的输入端还连接LDO电路的输出电压Vout，限流保护单元4的输出端连接功率管7的栅极，功率管7的源极与电源电压AVDD连接，漏极与LDO电路的输出电压Vout连接，LDO电路的Vf0端连接误差放大器单元3的输入端，反馈电压Vf通过第一开关单元5连接误差放大器单元3的输入端，Vf0端通过第二开关单元6连接误差放大器单元3的输入端。

LDO电路包括均接地的接地保护单元8、负载电容CL、输出负载电阻RL、电阻R20和反馈电阻R2，电阻R20连接电阻R10，反馈电阻R2连接反馈电阻R1，反馈电阻R1、电阻R10、接地保护单元8、负载电容CL和输出负载电阻RL连接于Vout点，电阻R20和电阻R10间为Vf0端，反馈电阻R2和反馈电阻R1间为反馈电压Vf端，功率管7的漏极与反馈电阻R1一端、输出负载电阻RL和负载电容CL一端连接于Vout点。

逻辑控制单元1的输入端连接系统使能信号Glo_EN和输入选择信号Sel<1:0>，逻辑控制单元1的输出端为六路控制信号ctr1和ctr2和ctr3和其中ctr1和ctr2和分别作为第一开关单元单元5和第二开关单元6的控制信号与其连接，作为接地保护单元8的控制信号，ctr3与参考电压产生单元2连接。

本发明的工作原理为：

由全局使能信号Glo_EN和输入选择信号Sel<1:0>控制该低压差线性稳压器的2个开关单元、接地保护单元8和参考电压产生单元2的动作，使其可以工作在三种不同的模式下。参考电压产生单元2产生的基准电压Vref与反馈电压Vf作为误差放大器单元3的输入端进行比较，此外，LDO的输出信号Vout作为该误差放大器单元3的输入信号提高系统的响应速度；上级输出的结果驱动限流单元里的互补推挽式结构为功率管7提供栅控信号，其中输出信号直接反馈给限流保护单元保证整个系统的可靠性；最后通过功率管7的漏极输出LDO的Vout信号，反馈分压电阻将分压后的Vf传递给误差放大器形成闭环回路。

本发明LDO的特点体现在以下几方面：

第一，为了提高LDO使用的灵活性，多种工作模式的自由切换是本发明的特点之一。如图2所示，通过系统使能信号Glo_EN和输入选择信号Sel<1:0>经过一定的逻辑运算产生6路控制信号分别控制第一开关单元5、第二开关单元6和接地保护单元8的行为。当Glo_EN＝0，无论Sel<2:0>为何值时，逻辑控制单元1的6路控制信号均为低电平，整个LDO电路不工作，即系统未使能；当Glo_EN＝1，Sel<1:0>＝11时，第一开关单元5和第二开关单元6的驱动电路接收到逻辑信号ctr1和ctr2和后控制开关断开此单元连接，接地保护单元8的驱动电路接收到逻辑信号ctr3和后控制开关导通该单元，此时LDO处于接地保护模式，该模式的设置是在系统启动时，由于LDO的关闭，其输出端的不定态会导致电路中高阻节点的存在，导致整个系统无法正常工作；当Glo_EN＝1，Sel<1:0>＝01时，第二开关单元6和接地保护单元8接收到逻辑信号ctr2和ctr3和后控制开关断开此单元，第一开关单元5接受到逻辑信号ctr1和后导通该单元，此时LDO处于常态工作模式，可以实现某种固定电压的片内输出；当Glo_EN＝1，Sel<1:0>＝10时，第一开关单元5和接地保护单元8接收到逻辑信号ctr1和ctr3和后控制开关断开此单元，第二开关单元6接受到逻辑信号ctr2和后导通该单元，此时LDO处于外接电阻模式，可外接电阻进行分压反馈直接供给误差放大器使用，提高使用灵活性。

第二，为了扩展应用范围，本发明通过增加外接电阻模式为系统提供多种输出电压值，通过逻辑控制单元1产生的信号在此模式下，可通过外接任意阻值的电阻提供用户需要的电压，与片内输出电压可配置型LDO相比大大减小了版图面积，节省成本，并解决了此种LDO无法实现的任意输出电压值问题，极大的提高了应用灵活性。

第三，将输出电压直接连接至误差放大器单元3内是基于这样的发现，目前同类LDO一般通过反馈电压响应至主回路内，这样在负载发生突变时，功率管7无法对输出端的变化做出及时的调整，导致输出电压出现瞬态的尖峰，降低LDO的瞬态响应特性。本发明采用将输出电压直接反馈至误差放大器内，将产生的信号快速传递给功率管，使其做出相应的改变，提高LDO的瞬态特性。

如图2所示，以工作在正常模式下的情况为例，其中正电源电压AVDD＝3.3V，地电平AGND＝0V，Glo_EN＝1，Sel<1:0>＝01，此时逻辑单元产生的六路控制信号分别为ctr1＝3.3V，ctr2＝0V，ctr3＝0V，分别控制开关单元1开启，开关单元2和接地保护单元关闭。此种情况下，参考电压产生单元的输出Vref＝1.2316V，Ibias1＝825.2nA，Ibias2＝411.3nA，经误差放大器和限流保护单元后传输给功率管的栅控电压为2.632V，该信号经过功率器件和反馈电阻的作用后在输出端产生Vout＝1.817V的电压，该电压以及经过反馈电阻R1和R2分压后的Vf＝1.232V电压共同进入误差放大器，形成闭环回路，闭环电压负反馈系统可以根据输出电压的大小改变功率管的栅极电压，从而达到稳定输出电压的目的，其中输出电压Vout同时进入限流保护单元进行监控，此时限流保护单元没有开启。

对于接地保护工作模式，Glo_EN＝1，Sel<1:0>＝11，此时逻辑单元产生的六路控制信号分别为ctr1＝0V，ctr2＝0V，ctr3＝3.3V，分别控制开关单元1和2关断，接地保护单元开启。此时参考电压产生电路关断，LDO输出电压Vout＝0V，避免了系统中高阻结点的出现。

对于外接电阻工作模式，Glo_EN＝1，Sel<1:0>＝10，LDO内部负反馈环路断开，误差放大器的同向输入端电压Vfo由外接电阻R1o和R2o构成的反馈回路提供，此时逻辑单元产生的六路控制信号分别为ctr1＝0V，ctr2＝3.3V，ctr3＝0V，分别控制开关单元1和接地保护单元关断，开关单元2开启，LDO的输出电压值由外接电阻的大小决定，由于外接电阻拆卸方便，阻值类型繁多，因此可根据用户需要得到灵活多样的输出电压。

从以上分析可见，本发明的LDO采用系统使能信号和输入选择信号进行逻辑运算实现三种工作模式的切换，使LDO的应用更加灵活方便，并且提高了可靠性。其中，接地保护模式可有效防止LDO的不定态输出导致系统中高阻节点的存在，外接电阻模式可实现多样化的输出电压，提高使用灵活性。此外，快速反馈环路的应用使得环路速度变快，提高动态响应特性，优化LDO的性能。