支持多路直接并联输出的低压差稳压电路、操作方法及其供电装置与流程

[0001]
本发明涉及一种电源供给技术领域，特别指一种应用于多种不同供电负载类型的消费电子、通信领域和汽车电子等领域的多路直接并联输出的低压差稳压电路、操作方法以及具有所述低压差稳压电路的供电装置。


背景技术：

[0002]
消费类电子产品已经成为人们日常生活中不可或缺的一部分，而电源管理芯片在电子设备中担负着重要职责，其性能的优劣对整个电路的能耗有直接的影响。而电源管理芯片的种类比较多，其中线性稳压器、开关稳压器(dc/dc)、驱动芯片以及电源管理单元占据了大半江山。而在这几个主要种类中，线性稳压器又占据了最大的市场份额。低压差线性稳压器由于其转换效率高、体积小、低噪声、外接元件少、价格低的特点，成为目前应用最为广泛的电源管理芯片。传统的低压差稳压电路输出的噪声大，现有的降噪电路结构复杂，功耗大，并且稳定性也不够好。而现行电子产品集成了越来越多的芯片和外设，工作电流显著提高,针对高负载电流应用，有时候会将两路或多路低压差稳压电路ldo并联起来使用。相比单个ldo稳压器，并联ldo稳压器可以将功耗热量分配在多个ldo稳压器封装上。一般来说，两路或多路ldo稳压器是不能直接将输出端连接一起的。由于多路ldo基准电压、反馈电阻和pcb寄生电阻等特性不可能完全一致，直接并联后的ldo稳压器输出电压不匹配，进而引起各路ldo稳压器的输出电流严重不平衡。最差情况是，它可能导致其中一个ldo稳压器承受大部分负载电流，从而触发限流保护。为了使并联应用的ldo稳压器对负载电流进行均流，以两路ldo稳压器为例，现有技术主要采用以下两种并联方式：
[0003]
1.使用二极管的并联方式。单路ldo输出端串联二极管之后，再并联使用，如图1所示。由于二极管正向导通电压vf随着流过二极管的电流变化而发生变化，所以两路ldo稳压器的输出电压差别可以被部分抵消，从而起到均流效果。而该技术的缺点：二极管正向导通电压vf会随着负载电流和环境温度的变化而变化，导致ldo稳压器并联之后输出电压精度不高，负载调整率较差。
[0004]
2.使用镇流电阻的并联方式。单路ldo输出端串联镇流电阻之后，再并联使用。与二极管并联方式的原理类似，其中大电流支路流过镇流电阻造成更大的输出电压下降，从而使另一支路输出更大电流，起到均流效果。而该技术的缺点：均流效果与镇流电阻阻值相关，阻值越大，均流效果越好，但同时输出电压的ir drop越大，系统功耗损失也越大。而且多路并联的镇流电阻r1和r2之间不容易做到完全匹配，如图2所示。
[0005]
由上述可见，无论对于多路的分立结构ldo芯片并联，还是多通道电源管理芯片(pmu芯片)内部不同的ldo模块并联，要实现输出电流的均流效果都需要外部的二极管或者镇流电阻进行辅助，而且均流效果有限。同时，采用上述两种技术，ldo稳压器并联后的环路稳定性会受到影响，需要额外进行考虑频率补偿。
[0006]
有鉴于此，本发明设计人致力于现有技术中所产生的缺失，经过悉心试验与研究，
提出一种支持多路直接并联输出的低压差稳压电路以及具有所述低压差稳压电路的供电装置，以解决现有技术中存在的上述技术问题。


技术实现要素：

[0007]
本发明的目的在于：提供一种支持多路直接并联输出的低压差稳压电路，无需外部二极管或者镇流电阻即可进行均流，满足多种负载需求,以解决现有技术中存在的上述技术问题。
[0008]
为达成本发明的目的，本发明提供的一种技术方案如下：
[0009]
一种支持多路直接并联输出的低压差稳压电路，包括：
[0010]
n个误差放大器、n个输出级电路以及n个分压器，误差放大器用以比较参考电压与输出电压的反馈电压，并基于比较结果来输出误差信号，误差放大器由输入电压偏置；输出级电路包含多个金属氧化物半导体晶体管且金属氧化物半导体晶体管具有连接误差信号的栅极、连接输入电压的源极和连接输出电压的漏极；分压器用以将输出电压的预定的部分作为反馈信号反馈给误差放大器；其中n≧2，每一误差放大器、每一输出级电路和每一分压器形成并联,而每一输出级电路包含第一金属氧化物半导体晶体管和第二金属氧化物半导体晶体管，第一金属氧化物半导体晶体管具有连接输入电压的源极、连接误差放大器的漏极且栅极和漏极相互连接；第二金属氧化物半导体晶体管具有连接到输入电压的源极、连接到输出电压的漏极且栅极和第一金属氧化物半导体晶体管的栅极相互连接。
[0011]
在一种可能的设计中，第一金属氧化物半导体晶体管和第二金属氧化物半导体晶体管构成一对匹配电流镜,用以对参考电流进行复制并转换为固定倍数电流。
[0012]
在一种可能的设计中，第一金属氧化物半导体晶体管和第二金属氧化物半导体晶体管采用共质心布局来实现,用以减小输出电流失配。
[0013]
在一种可能的设计中，每一输出级电路采用p沟道金属氧化物半导体晶体管。
[0014]
在一种可能的设计中，每一误差放大器采用运算跨阻放大器(operational trans-impedance amplifier，ota)。
[0015]
在一种可能的设计中，每一分压器具有以串联方式连接在输出电压和接地之间的第一电阻和第二电阻，反馈电压连接在第一电阻和第二电阻之间。
[0016]
为达成本发明的另一目的，本发明提供的另一技术方案如下：
[0017]
一种支持多路直接并联输出的低压差稳压电路的操作方法，包括以下步骤：
[0018]
提供n个误差放大器、n个输出级电路以及n个分压器且每一误差放大器、每一输出级电路和每一分压器形成并联，每一输出级电路包含第一金属氧化物半导体晶体管和第二金属氧化物半导体晶体管，第一金属氧化物半导体晶体管具有连接输入电压的源极、连接误差放大器的漏极且栅极和漏极相互连接；第二金属氧化物半导体晶体管具有连接到输入电压的源极、连接到输出电压的漏极且栅极和第一金属氧化物半导体晶体管的栅极相互连接；
[0019]
输出电压通过n个输出级电路之其中一者的分压器,以产生反馈电压；
[0020]
通过n个误差放大器接收反馈电压并与参考电压进行比较,以产生参考电流；以及
[0021]
分别通过n个输出级电路中的第一金属氧化物半导体晶体管与第二金属氧化物半导体晶体管产生n路输出电流；
[0022]
其中第一金属氧化物半导体晶体管和第二金属氧化物半导体晶体管构成一匹配电流镜,以使n路输出电流之间形成均流。
[0023]
为达成本发明的另一目的，本发明提供的另一技术方案如下：
[0024]
一种具有支持多路直接并联输出的低压差稳压电路的供电装置，包括：电源，切换电路，低压差稳压电路以及m个负载；
[0025]
低压差稳压电路包含n个误差放大器、n个输出级电路以及n个分压器，误差放大器用以比较参考电压与输出电压的反馈电压，并基于比较结果来输出误差信号，误差放大器由输入电压偏置；输出级电路包含多个金属氧化物半导体晶体管且金属氧化物半导体晶体管具有连接误差信号的栅极、连接输入电压的源极和连接输出电压的漏极；分压器用以将输出电压的预定的部分作为反馈信号反馈给误差放大器；
[0026]
其中n≧2且n≧m，每一误差放大器、每一输出级电路和每一分压器形成并联,而每一输出级电路包含第一金属氧化物半导体晶体管和第二金属氧化物半导体晶体管，第一金属氧化物半导体晶体管具有连接输入电压的源极、连接误差放大器的漏极且栅极和漏极相互连接；第二金属氧化物半导体晶体管具有连接到输入电压的源极、连接到输出电压的漏极且栅极和第一金属氧化物半导体晶体管的栅极相互连接；电源的输出端连接切换电路的输入端；电源的输出端连接低压差稳压电路的输入端；切换电路的输出端连接低压差稳压电路的输入端；低压差稳压电路的输入端连接负载；根据m个负载的多路电流输出需求,通过增加或减少n个误差放大器、n个输出级电路和n个分压器的数量形成并联配置,以获得相同或不相同的多路电流输出
[0027]
在一种可能的设计中，具有支持多路直接电路输出的低压差稳压电路的供电装置应用于多通道电源管理芯片(pmu芯片)。
附图说明
[0028]
图1是现有技术使用二极管的并联方式ldo稳压器的电路架构图。
[0029]
图2是现有技术的使用镇流电阻的并联方式ldo稳压器的电路架构图。
[0030]
图3a-3b是本发明的支持两路直接并联输出的低压差稳压电路架构图。
[0031]
图4a是本发明的支持多路直接并联输出的低压差稳压电路的一具体范例。
[0032]
图4b是本发明的支持多路直接并联输出的低压差稳压电路的另一具体范例
[0033]
图5是本发明的具有低压差稳压电路的供电装置的方块图。
[0034]
图6a-6c是根据本发明图3a-3b的供电装置扩展到n路的不同实施应用范例。
[0035]
附图标记说明：10-低压差稳压电路；20-电源；30-切换电路；40-负载；ldo,ldo1,ldo2,ldo3,ldo4-低压差稳压电路；ota,ota1,ota2-误差放大器；output stage,output stage1,output stage2-输出级电路；rd,rd1,rd2-分压器；opa1,opa2-运算放大器；m1,m3-第一金属氧化物半导体晶体管；m2,m4-第二金属氧化物半导体晶体管；vref-参考电压；vin-输入电压；vout-输出电压；v
fb-反馈电压；iref-参考电流；iout1-第一输出电流；iout2-第二输出电流。
具体实施方式
[0036]
有关本发明的详细说明及技术内容，配合图式说明如下，然而所附图式仅提供参
考与说明用，并非用来对本发明加以限制。以下结合附图对本发明的各种实施例进行详细描述，但本发明并不仅仅限于这些实施例。本发明涵盖任何在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。
[0037]
除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的结构部分。本公开中使用的“包括”、“包含”、“具备”等类似的词语意指出现词前面的组件或者对象涵盖出现在词后面列举的组件或者对象及其等同，而不排除其他组件或者对象。“上”、“下”等用语仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则相对位置关系也可能相应地改变。在整个说明书中使用的术语“耦合”表示“通过电气、机械等中间连接(例如，开关)直接或间接地连接”，并且不必限于物理连接。附加地，连接可以使得物体永久地连接或可释放地连接。连接可以通过开关。
[0038]
请参考图3a-3b所示，其绘制本发明支持多路直接并联输出的低压差稳压电路示意图(由于基准电压产生电路、电流源产生电路、放大器电路不是本发明的关键所在，并且本领域技术人员可以从现有技术中获得，因此本实施例中不做重点阐述)。为有效解决现有技术所提及的问题,其一如何在无需外部二极管或者镇流电阻的情况下，如何通过良好的匹配技术和版图布局，实现两路或多路ldo稳压器直接并联应用和保证均流输出；其二在多路ldo稳压器并联应用情况下，如何保证良好的环路稳定性。
[0039]
本发明提出一种支持多路直接并联输出的低压差稳压电路10,包括：n个误差放大器ota、n个输出级电路output stage以及n个分压器rd，每一误差放大器ota、每一输出级电路output stage和每一分压器rd形成并联以构成多组型态；在本实施例中,我们采用2组(n＝2)的实施例去做说明,包含2组误差放大器(ota1,ota2)、输出级电路(output stage1,output stage2)以及分压器(rd1,rd2)，虽图示中表示为2组,但不用以之作为限制。
[0040]
承上述,误差放大器(ota1,ota2)用以比较参考电压vref与输出电压vout的反馈电压v
fb
，并基于比较结果来输出误差信号，而误差放大器(ota1,ota2)由输入电压vin偏置；输出级电路(output stage1,output stage2)包含多个金属氧化物半导体晶体管(m1,m2,m3,m4)且金属氧化物半导体晶体管具有连接误差信号的栅极、连接输入电压vin的源极和连接输出电压vout的漏极；分压器(r1,r2)用以将输出电压vout的预定的部分作为反馈信号反馈给误差放大器(ota1,ota2)；其中第一组输出级电路output stage1包含第一金属氧化物半导体(metal-oxide-semiconductor，mos)晶体管m1和第二金属氧化物半导体(metal-oxide-semiconductor，mos)晶体管m2，而另一组输出级电路output stage2包含第一金属氧化物半导体晶体管m3和第二金属氧化物半导体晶体管m4；而每一组输出级电路(output stage1,output stage2)的第一金属氧化物半导体晶体管(m1,m3)具有连接输入电压vin的源极、连接误差放大器(ota1,ota2)的漏极且栅极和漏极相互连接；第二金属氧化物半导体晶体管(m2,m4)具有连接到输入电压vin的源极、连接到输出电压vout的漏极且栅极和第一金属氧化物半导体晶体管(m1,m3)的栅极相互连接。
[0041]
根据本发明一实施例,对于这样的电路结构，每一组输出级电路(output stage1,
output stage2)的第一金属氧化物半导体晶体管(m1,m3)和第二金属氧化物半导体晶体管(m2,m4)可以是p金属氧化物半导体功率晶体管。作为通道器件(pass device)的第一金属氧化物半导体晶体管(m1,m3)和第二金属氧化物半导体晶体管(m2,m4)的电压可以被称为“压差(drop-out)”。根据本发明实施例，压差电压越小是越优选的。由于第一金属氧化物半导体晶体管(m1,m3)和第二金属氧化物半导体晶体管(m2,m4)的栅极互连，它们的栅极电压可以由任何结构的带隙基准源提供，可以由电路中任何一个恒定电压端提供，也可以由任何能够提供参考电压的电路提供。
[0042]
根据本发明一实施例,为求良好的匹配技术和版图布局以实现两路或多路ldo稳压器直接并联应用和保证均流输出,每一组输出级电路(output stage1,output stage2)的第一金属氧化物半导体晶体管(m1,m3)和第二金属氧化物半导体晶体管(m2,m4)构成一匹配电流镜,用以对参考电流进行复制并转换为固定倍数电流。
[0043]
进一步说明,匹配技术亦可是每一组输出级电路(output stage1,output stage2)的第一金属氧化物半导体晶体管(m1,m3)和第二金属氧化物半导体晶体管(m2,m4)采用共质心布局来实现,用以减小输出电流失配问题。
[0044]
根据本发明一实施例,每一组误差放大器(ota1,ota2)由输入电压vin偏置，误差放大器(ota1,ota2)比较参考电压vref与输出电压vout的反馈电压v
fb
，以基于比较结果将误差信号输出到第一金属氧化物半导体晶体管(m1,m3)的栅极。这意味着，对于实例图3b中所示的稳压器的快速和准确的操作，误差放大器主要是检测并放大参考电压vref与反馈电压v
fb
之差。在本实施例中,每一误差放大器可采用运算跨阻放大器(operational trans-impedance amplifier，ota)。
[0045]
根据本发明一实施例,每一组分压器(rd1,rd2)包含通过串联方式连接在输出电压vout和接地之间的第一电阻r1和第二电阻r2，而反馈电压v
fb
连接在第一电阻r1和第二电阻r2之间。
[0046]
基于上述实施例中的支持多路直接并联输出的低压差稳压电路，本发明提出一种基于支持多路直接并联输出的低压差稳压电路的操作方法,包括以下步骤：
[0047]
输出电压vout通过第一组输出级电路output stage1的分压器rd1,以产生反馈电压v
fb
；
[0048]
通过n个误差放大器(ota1,ota2)接收反馈电压v
fb
并与参考电压vref进行比较,以产生参考电流iref；以及
[0049]
分别通过每一输出级电路(output stage1,output stage2)中的第一金属氧化物半导体晶体管(m1,m3)和第二金属氧化物半导体晶体管(m2,m4)产生第一输出电流iout1与第二输出电流iout2。补充说明,若有n个输出级电路(output stage1,output stage2
…
output stage n),则分别通过这些输出级电路中的第一金属氧化物半导体晶体管(m1,m3)和第二金属氧化物半导体晶体管(m2,m4)产生n路输出电流。
[0050]
通过上述实施例中以特定的匹配技术，可以使两路输出级电路(output stage1,output stage2)的第一输出电流iout1和第二输出电流iout2完全匹配和均流，无需外部二极管或者镇流电阻的辅助。
[0051]
请参考图4a,本发明针对上述实施例中的支持多路直接并联输出的低压差稳压电路的特点进一步说明,如图4a中所表示一具体范例,低压差稳压器(ldo1,ldo2)是两个完全
相同的低压差稳压器，电路结构中相同位置的加粗黑节点通过控制开关k1_a、k1_b和k1_c相连接。当需要低压差稳压器(ldo1,ldo2)并联使用时，可通过寄存器控制同时闭合开关k1_a、k1_b和k1_c，并且通过电路上和版图上相关的匹配技术，可以实现输出电流iout1和iout2完全均流。
[0052]
再请参考图4b,本发明针对上述实施例中的支持多路直接并联输出的低压差稳压电路的特点进一步说明,如图4b中所表示另一具体范例,根据图4a中所表示的具体范例,为了使参考电流iref、第一输出电流和第二输出电流(iout1,iout2)达到更好的镜像效果，本实施例中采用运放钳位电流镜的匹配技术，通过运算放大器opa1钳位其中一组的第一金属氧化物半导体晶体管m1和第二金属氧化物半导体晶体管m2的漏极电位，保证第一金属氧化物半导体晶体管m1和第二金属氧化物半导体晶体管m2的vds电压相等(vds即漏极相对于源极的电压)，实现第一金属氧化物半导体晶体管m1和第二金属氧化物半导体晶体管m2之间良好的电流镜像匹配。同理，通过运算放大器opa2钳位另一组的第一金属氧化物半导体晶体管m3和第二金属氧化物半导体晶体管m4的漏端电位，保证第一金属氧化物半导体晶体管m3和第二金属氧化物半导体晶体管m4的vds电压相等，实现第一金属氧化物半导体晶体管m3和第二金属氧化物半导体晶体管m4之间良好的电流镜像匹配。藉此，第一输出电流和第二输出电流(iout1,iout2)实现了均流效果。
[0053]
请参考图5所示,基于上述实施例中的支持多路直接并联输出的低压差稳压电路，本发明提出一种具有支持多路直接并联输出的低压差稳压电路的供电装置,可应用于多通道电源管理芯片(power management units，pmu)。供电装置包括：电源20，切换电路30，上述低压差稳压电路10以及m个负载40；关于上述低压差稳压电路10在此不另行赘述；其中n≧2且n≧m,电源20的输出端连接切换电路30的输入端；电源20的输出端连接低压差稳压电路10的输入端；切换电路30的输出端连接低压差稳压电路10的输入端；低压差稳压电路10的输入端连接负载40；根据m个负载的多路电流输出需求,通过增加或减少n个误差放大器、n个输出级电路和n个分压器的数量形成并联配置,以获得相同或不相同的多路电流输出。
[0054]
本发明基于上述实施例中的供电装置，通过以下3种供电装置的实施应用范例做举例说明,如图6a-6c所示,如果采用本发明的支持多路直接并联输出的低压差稳压电路结构，只需设计一种100ma结构的ldo，其他三种各种不同的负载电流需求可以像使用类似搭积木的方法，由几个100ma的ldo并联来产生。图6a所表示的电路结构可以提供200ma的两路输出电流；图6b所表示的电路结构可以提供300ma和100ma的两路输出电流；图6c所表示的电路结构可以提供400ma的单路输出电流。由此可知,图6a-6c所表示各种不同电路结构表明，针对不同的负载条件，使用本发明的低压差稳压电路结构，可使用类似搭积木的方法，能获得良好的灵活性和适应性。
[0055]
综所上述，本发明的支持多路直接并联输出的低压差稳压电路、操作方法及其供电装置,具有以下特点:
[0056]
1.支持多路直接并联输出的低压差稳压电路的输出可以根据不同的负载需求，采用类似搭积木的方法，直接并联使用，无需外部二极管或镇流电阻即可实现均流。
[0057]
2.支持多路直接并联输出的低压差稳压电路并联结构中，采用控制开关kn将单路ldo稳压器中与环路稳定性有关的零极点位置节点实现连接。
[0058]
3.支持多路直接并联输出的低压差稳压电路采用运放钳位电流镜技术保证电流
精确匹配。
[0059]
4.支持多路直接并联输出的低压差稳压电路直接并联使用后，频率补偿自动完成，无需调整，环路稳定性不受影响。
[0060]
上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施方式，但如前，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施方式的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。