一种过冲保护电路、线性稳压器及电源模块的制作方法

本发明涉及模拟集成电路技术领域，具体而言，涉及一种过冲保护电路、线性稳压器及电源模块。

背景技术：

低压线性稳压器(lowdropoutregulator，ldo)是一种常用的模拟电路，其作用是产生一个具备较大电流驱动能力及稳定的直流电压。由于低压线性稳压器的输出电压必须小于其供电电压，因此低压线性稳压器在集成电路中的作用是将外部较高的电源降压至特定电压，为内部低压逻辑器件供电。

现有的低压线性稳压器由于其电路结构内部的寄生电容作用，在低压线性稳压器快速上电时会出现电压过冲现象，使得低压线性稳压器的输出电压瞬时增大，导致后端的低压逻辑器件会在一定程度上被损害，降低低压逻辑器件的可靠性和寿命。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种过冲保护电路、线性稳压器及电源模块，该过冲保护电路在线性稳压器快速上电时具有过冲保护功能，避免线性稳压器的输出电压对其所驱动的电压器件的有害影响。

为了实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：

第一方面，本发明实施例提供了一种过冲保护电路，应用于线性稳压器，过冲保护电路包括：第一开关单元及第二开关单元；第一开关单元与线性稳压器的输入端和第二开关单元均电连接，第二开关单元与线性稳压器的输出端电连接；第一开关单元，用于在线性稳压器正常工作时控制第二开关单元处于开路状态，在线性稳压器快速上电时控制第二开关单元处于导通状态；第二开关单元，用于在线性稳压器快速上电时形成一个低阻通路，进而将线性稳压器的输出电压降压至一预设值。

第二方面，本发明实施例还提供了一种线性稳压器，该线性稳压器包括：第一运算放大器、第四开关管、分压单元和过冲保护电路，过冲保护电路包括：第一开关单元及第二开关单元；第一运算放大器的输入端与第一开关单元电连接，第一运算放大器的输出端与第四开关管的第一引脚电连接，第四开关管的第三引脚与电源电连接，第四开关管的第二引脚与第二开关单元和分压单元电连接，分压单元还与第一运算放大器的反馈端电连接，第一开关单元与第二开关单元电连接；第一开关单元，用于在线性稳压器正常工作时控制第二开关单元处于开路状态，在线性稳压器快速上电时控制第二开关单元处于导通状态；第二开关单元，用于在线性稳压器快速上电时形成一个低阻通路，进而第四开关管的第二引脚输出的输出电压降压至预设值。

第三方面，本发明实施例还提供了一种电源模块，该电源模块包括线性稳压器，该线性稳压器包括：第一运算放大器、第四开关管、分压单元和过冲保护电路，过冲保护电路包括：第一开关单元及第二开关单元；第一运算放大器的输入端与第一开关单元电连接，第一运算放大器的输出端与第四开关管的第一引脚电连接，第四开关管的第三引脚与电源电连接，第四开关管的第二引脚与第二开关单元和分压单元电连接，分压单元还与第一运算放大器的反馈端电连接，第一开关单元与第二开关单元电连接；第一开关单元，用于在线性稳压器正常工作时控制第二开关单元处于开路状态，在线性稳压器快速上电时控制第二开关单元处于导通状态；第二开关单元，用于在线性稳压器快速上电时形成一个低阻通路，进而第四开关管的第二引脚输出的输出电压降压至预设值。

本发明实施例提供的一种过冲保护电路、线性稳压器及电源模块，该过冲保护电路包括第一开关单元及第二开关单元，第一开关单元与线性稳压器的输入端和第二开关单元均电连接，第二开关单元与线性稳压器的输出端电连接；第一开关单元用于在线性稳压器正常工作时控制第二开关单元处于开路状态，在线性稳压器快速上电时控制第二开关单元处于导通状态；第二开关单元用于在线性稳压器快速上电时形成一个低阻通路，进而将线性稳压器的输出电压降压至一预设值。可见，在线性稳压器快速上电时，通过第一开关单元控制第二开关单元处于导通状态，进而使得线性稳压器的输出端与地之间形成一个低阻通路，将线性稳压器因电压过冲现象而瞬时增大的输出电压拉低至预设值，避免线性稳压器所驱动的电压器件受到损害。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1示出了本发明实施例提供的现有的线性稳压器的电路原理图；

图2示出了本发明实施例提供的线性稳压器的结构框图；

图3示出了本发明实施例提供的过冲保护电路的结构框图；

图4示出了本发明实施例提供的第一开关单元的电路原理图；

图5示出了本发明实施例提供的第二开关单元的电路原理图；

图6示出了本发明实施例提供的分压单元的电路原理图。

图标：1-线性稳压器；10-过冲保护电路；11-第一开关单元；12-第二开关单元；20-分压单元；30-电源；m1-第一开关管；m2-第二开关管；m3-第三开关管；m4-第四开关管；r1-第一电阻；r2-第二电阻；r3-第三电阻；r4-第四电阻；op1-第一运算放大器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

如图1所示，为现有的线性稳压器的电路原理图，现有的线性稳压器由nmos管m5、第五电阻r5、第六电阻r6、第二运算放大器op2组成，第二运算放大器op2的正输入端接外部参考电压vref，第二运算放大器op2的输出端与nmos管m5的栅极电连接，nmos管m5的漏极与电源电连接，nmos管m5的源极为线性稳压器的输出端，并与第五电阻r5的一端电连接，第五电阻r5的另一端与第二运算放大器op2的负输入端、第六电阻r6的一端均电连接，第六电阻r6的另一端接地。

现有的线性稳压器的工作原理为：由于第二运算放大器op2具有很高的直流增益，并且第二运算放大器op2、nmos管m5、第五电阻r5和第六电阻r6形成的负反馈回路，使得第二运算放大器op2的正输入端的外部参考电压vref和负输入端的电压vn近似相等。那么第二运算放大器op2的电压vn满足以下公式：

其中，vout为线性稳压器的输出端提供的输出电压，r5为第五电阻的阻值，r6为第六电阻的阻值。

由于第二运算放大器op2的正输入端的外部参考电压vref和负输入端的电压vn近似相等，那么可得以下公式：

由于第二运算放大器op2的正输入端的外部参考电压是一个稳定的外部输入电压，故线性稳压器的输出端提供的输出电压也是一个稳定的电压。另外，nmos管m5具有较强的电流驱动能力，因此线性稳压器的输出端输出较大电流时，线性稳压器的输出端提供的输出电压也能保持稳定。

但现有的线性稳压器存在以下技术问题：

当现有的线性稳压器所驱动的电路为低压逻辑器件电路时，若低压逻辑器件电路的工作电压为0.9v，为保障低压逻辑器件电路的正常工作，线性稳压器的输出端提供的输出电压会被设置在0.9v。当线性稳压器上电时，电源向线性稳压器提供的供电电压会从0v上升至vdd(例如2.5v)，若电源的供电电压上电过快，nmos管m5的栅极节点电压在nmos管m5的漏栅寄生电容的作用下被快速上拉至vdd附近，使得nmos管m5的栅源电压增大，nmos管m5的漏极输出电流大于其额定输出电流，从而导致线性稳压器的输出端提供的输出电压瞬时增大，该现象被称为电压过冲现象。当线性稳压器的输出端提供的输出电压大于0.9v时，低压逻辑器件电路会在一定程度上被损害，低压逻辑器件电路的可靠性和寿命都会降低。其中，nmos管m5的漏极的额定输出电流为使nmos管m5的源极输出电压为0.9v的电流。

本发明实施例提供一种线性稳压器的可能的实现方式，以期解决上述技术问题。具体的，请参照图2，本发明实施例提供的线性稳压器1包括：第一运算放大器op1、第四开关管m4、分压单元20和过冲保护电路10，第一运算放大器op1的输入端与过冲保护电路10电连接，第一运算放大器op1的输出端与第四开关管m4的第一引脚电连接，第四开关管m4的第三引脚与电源30电连接，第四开关管m4的第二引脚与过冲保护电路10和分压单元20电连接，分压单元20还与第一运算放大器op1的反馈端电连接。

在本实施例中，第一运算放大器op1的输入端可以理解为其正输入端，第一运算放大器op1的反馈端可以理解为其负输入端，第四开关管m4的第二引脚输出的输出电压即线性稳压器1的输出电压。根据线性稳压器1的工作原理描述可得，第四开关管m4的第二引脚输出的输出电压根据第一运算放大器op1的输入端得到的外部参考电压和分压单元20的阻值得到。

在本实施例中，过冲保护电路10用于在电源30向第四开关管m4快速上电时形成一个低阻通路，进而将第四开关管m4的第二引脚输出的输出电压降压至预设值。其中，预设值可以理解为线性稳压器1的输出电压的正常值，即线性稳压器1所驱动的电压器件的工作电压。

当电源30向第四开关管m4快速上电时，在第四开关管m4内部的寄生电容的作用下，第四开关管m4的第二引脚输出的输出电压会被快速拉升，过冲保护电路10会因为第四开关管m4的第二引脚输出的输出电压上升而形成一个低阻通路，进而将第四开关管m4的第二引脚输出的输出电压降压至预设值。

在本实施例中，第四开关管m4可以采用nmos管。其中，第四开关管m4的第一引脚可以理解为nmos管的栅极，第四开关管m4的第二引脚可以理解为nmos管的源极，第四开关管m4的第三引脚可以理解为nmos管的漏极。

当电源30向第四开关管m4快速上电时，由于第四开关管m4的漏极与栅极之间存在寄生电容，第四开关管m4的栅极节点电压会被快速拉升至电源30提供的供电电压，使得第四开关管m4的栅源电压增大，进而导致第四开关管m4的源极输出的输出电压增大，过冲保护电路10会在第四开关管m4的源极的输出电压增大至其导通电压值时形成一个低阻通路，进而将第四开关管m4的源极的输出电压降压至预设值。

可选地，基于图2所示的线性稳压器1，本发明实施例还提供一种过冲保护电路10可能的实现方式，具体的，如图3所示，过冲保护电路10包括第一开关单元11及第二开关单元12，第一开关单元11与第一运算放大器op1的输入端和第二开关单元12均电连接，第二开关单元12还与第四开关管m4的第二引脚电连接。

在本实施例中，第一开关单元11用于在线性稳压器1正常工作时控制第二开关单元12处于开路状态，在线性稳压器1快速上电时控制第二开关单元12处于导通状态；第二开关单元12用于在线性稳压器1快速上电时形成一个低阻通路，进而将线性稳压器1的输出电压降压至预设值。

可见，在线性稳压器1正常工作时，第一开关单元11控制第二开关单元12处于开路状态，使得过冲保护电路10对线性稳压器1的正常的输出电压并不会产生任何影响；在线性稳压器1快速上电时，第一开关单元11控制第二开关单元12处于导通状态，进而在第四开关管m4的第二引脚处形成一个低阻通路，将第四开关管m4的第二引脚的输出电压降压至预设值，进而避免了线性稳压器1的输出电压在快速上电时发生电压过冲现象。

可选地，基于图3所示的过冲保护电路10，本发明实施例还提供一种第一开关单元11可能的实现方式，具体的，如图4所示，第一开关单元11包括第一开关管m1和第一电阻r1，第一开关管m1的第一引脚与线性稳压器1的输入端电连接，第一开关管m1的第二引脚与第二开关单元12和第一电阻r1的一端均电连接，第一开关管m1的第三引脚接地，第一电阻r1的另一端与一电源30电连接。

在本实施例中，由于第一运算放大器op1的输入端得到的外部参考电压是一个稳定的外部输入电压，第一开关管m1的第二引脚处的电流也是固定的，所以第一开关管m1的第二引脚处的节点电压由第一电阻r1调节，故第一电阻r1可以用于调节第一开关管m1的第二引脚处的节点电压在一预设范围内，以便于控制第二开关单元12在线性稳压器1正常工作时处于开路状态，控制第二开关单元12在线性稳压器1快速上电时处于导通状态。

可以理解，在线性稳压器1正常工作时，第四开关管m4的第二引脚的输出电压与第一开关管m1的第二引脚处的节点电压之间的压差并不能使得第二开关单元12导通，那么第四开关管m4的第二引脚的输出电压照常输出；在线性稳压器1快速上电时，第四开关管m4的第二引脚的输出电压会上升，那么上升后的输出电压与第一开关管m1的第二引脚处的节点电压之间的压差将会使得第二开关单元12导通，第二开关单元12形成的低阻通路将输出电压降压至预设值后，第二开关单元12则会处于开路状态，则此时的线性稳压器1也上电完成，线性稳压器1处于正常工作状态，第四开关管m4的第二引脚的输出电压一直以预设值向电压器件提供工作所需电压。

可选地，基于图3所示的过冲保护电路10，本发明实施例还提供一种第二开关单元12可能的实现方式，具体的，如图5所示，第二开关单元12包括第二开关管m2、第三开关管m3和第二电阻r2，第二开关管m2的第一引脚与第一开关管m1的第二引脚电连接，第二开关管m2的第二引脚和第三开关管m3的第三引脚均与线性稳压器1的输出端电连接，第二开关管m2的第三引脚与第三开关管m3的第一引脚和第二电阻r2的一端均电连接，第三开关管m3的第二引脚和第二电阻r2的另一端均接地。

在本实施例中，第二开关管m2的第二引脚处的节点电压为第四开关管m4的第二引脚的输出电压，第二开关管m2的第一引脚处的节点电压为第一开关管m1的第二引脚处的节点电压。

在线性稳压器1正常工作时，第二开关管m2的第二引脚和第一引脚的压差并不能使第二开关管m2导通，则第二开关管m2的第三引脚处的节点电压为0v，第三开关管m3则同样保持断开状态，故在线性稳压器1正常工作时，过冲保护电路10对线性稳压器1的输出电压并不会产生影响，线性稳压器1输出正常的输出电压。

在线性稳压器1快速上电时，由于线性稳压器1的输出电压在第四开关管m4的寄生电容的影响下会快速被拉升，同时第二开关管m2的第二引脚和第一引脚的压差也会增大，当第二开关管m2的第二引脚和第一引脚的压差增加至第二开关管m2的导通电压值时，第二开关管m2将会导通，则第二开关管m2的第三引脚处的节点电压将增大至第三开关管m3的导通电压值，第三开关管m3导通使得第四开关管m4的第二引脚与地之间形成了一个低阻通路，进而使得第四开关管m4的第二引脚的输出电压(即线性稳压器1的输出电压)迅速降低至预设值，且在第四开关管m4的第二引脚的输出电压(即线性稳压器1的输出电压)降低至预设值后第二开关管m2的第二引脚和第一引脚的压差会降低至第二开关管m2的导通电压值，第二开关管m2则会由导通状态转换成开路状态，此时的线性稳压器1也上电完成，线性稳压器1处于正常工作状态，第四开关管m4的第二引脚的输出电压一直以预设值向电压器件提供工作所需电压。

在本实施例中，第一开关管m1和第二开关管m2可以采用pmos管，第三开关管m3可以采用nmos管。

其中，第一开关管m1的第一引脚可以理解为pmos管的栅极，第一开关管m1的第二引脚可以理解为pmos管的源极，第一开关管m1的第三引脚可以理解为pmos管的漏极；第二开关管m2的第一引脚可以理解为pmos管的栅极，第二开关管m2的第二引脚可以理解为pmos管的源极，第二开关管m2的第三引脚可以理解为pmos管的漏极；第三开关管m3的第一引脚可以理解为nmos管的栅极，第三开关管m3的第二引脚可以理解为nmos管的源极，第三开关管m3的第三引脚可以理解为nmos管的漏极。

对第一开关管m1和第二开关管m2采用pmos管，第三开关管m3采用nmos管的实施方式进行详细说明：通过第一开关管m1和第一电阻r1构成了第二开关管m2的栅极节点电压(即第二开关管m2的第一引脚节点电压)的源极跟随器偏置。那么第二开关管m2的栅极节点电压(即第二开关管m2的第一引脚节点电压)由以下公式得到：

vg2＝vdd-r1*(0.5*β*(vg2-vref)²)；

其中，vdd表示电源30提供的供电电压，r1表示第一电阻r1的阻值，β表示第一开关管m1的工艺和尺寸决定的常量，vref表示线性稳压器1的输入端提供的输入电压(即第一运算放大器op1输入端得到的外部参考电压)。

上述公式中的(0.5*β*(vg2-vref)²)表示当第一开关管m1的栅极电压为外部参考电压vref时，流经第一开关管m1的漏极的电流大小。由于外部参考电压vref为一稳定的输入电压，且第一开关管m1的漏极电流也是固定的，所以第二开关管m2的栅极节点电压的大小(即第一开关管m1的源极节点电压的大小)通过调节第一电阻r1的阻值大小来实现。

为了保证在线性稳压器1正常工作时第二开关管m2和第三开关管m3处于开路状态，以及线性稳压器1快速上电时第二开关管m2和第三开关管m3处于导通状态，在本实施例中，通过调节第一电阻r1的阻值大小使得第二开关管m2的栅极节点电压在预设范围内，该预设范围为大于或等于供电电压与第二开关管m2的开启电压之间的差值，且小于或等于供电电压与第二开关管m2的开启电压之间的差值加上供电电压与第二开关管m2的开启电压之间的差值的5％的数值之和。可以理解，若供电电压为2.5v，第二开关管m2的开启电压为0.5v，那么预设范围为2v-2.1v之间。

可选地，基于图2所示的线性稳压器1，本发明实施例还提供一种分压单元20可能的实现方式，具体的，如图6所示，分压单元20包括第三电阻r3和第四电阻r4，第三电阻r3的一端与第四开关管m4的第二引脚电连接，第三电阻r3的另一端与第一运算放大器op1的反馈端和第四电阻r4的一端均电连接，第四电阻r4的另一端接地。

在本实施例中，通过第四开关管m4、第三电阻r3和第四电阻r4形成第一运算放大器op1的负反馈回路。那么第一运算放大器op1的反馈端的电压满足以下公式：

其中，vout为线性稳压器1的输出端提供的输出电压，r3为第三电阻r3的阻值，r4为第四电阻r4的阻值。

由于第一运算放大器op1的输入端的外部参考电压vref和反馈端的电压vn近似相等，那么第四开关管m4第二引脚输出的输出电压(即线性稳压器1的输出电压)与外部参考电压的关系可以由以下公式表示：

可见，第四开关管m4的第二引脚输出的输出电压根据第一运算放大器op1的输入端得到的外部参考电压和分压单元20的阻值得到。

进一步地，在本实施例中，上述的线性稳压器1可以运用在电源模块中，该电源模块通过线性稳压器1向后端的电压器件提供稳定的直流电压，以便于电压器件能够正常工作。

综上所述，本发明实施例提供的过冲保护电路、线性稳压器及电源模块，该过冲保护电路包括第一开关单元及第二开关单元，第一开关单元与线性稳压器的输入端和第二开关单元均电连接，第二开关单元与线性稳压器的输出端电连接；第一开关单元用于在线性稳压器正常工作时控制第二开关单元处于开路状态，在线性稳压器快速上电时控制第二开关单元处于导通状态；第二开关单元用于在线性稳压器快速上电时形成一个低阻通路，进而将线性稳压器的输出电压降压至一预设值。可见，在线性稳压器快速上电时，通过第一开关单元控制第二开关单元处于导通状态，进而使得线性稳压器的输出端与地之间形成一个低阻通路，将线性稳压器因电压过冲现象而瞬时增大的输出电压拉低至预设值，避免线性稳压器所驱动的电压器件受到损害。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。