一种应用于高温LDO的超低静态功耗漏电补偿电路

一种应用于高温ldo的超低静态功耗漏电补偿电路
技术领域
1.本发明属于模拟电路电源管理技术领域，具体涉及一种应用于高温ldo的超低静态功耗漏电补偿电路。


背景技术：

2.近年来，新能源、自动驾驶、智慧交通等概念不断发展，大量的电子系统在汽车中承担了不同的角色。电源管理芯片是为电子系统转换能量的心脏，日益增多的车载电子设备和复杂的使用场景对电源管理芯片提出了更加严苛的标准并且带来旺盛的市场需求。ldo是电源管理芯片中常见的一类，相比于其他类型的电源管理芯片，它具有低输出电压纹波、较低的静态电流和较高的环路带宽等优势。因此针对汽车电子中的可靠性、低功耗和快速瞬态响应等需求，ldo具有可观的市场价值。
3.ldo根据使用的功率管为nmos功率管或pmos功率管的不同可以分为nmos ldo和pmos ldo。nmos ldo为了保证输入输出压差较小时功率管依然有一定的栅源电压，需要额外加入电荷泵电路，来抬高nmos功率管栅端电压，这会引入额外的功耗。而pmos ldo功率管的栅源电压可以在输入电压和地电位之间进行调整，因此相对来说pmos ldo相对来说工作效率会更高。
4.由于目前国内汽车类芯片的工艺还不太完善，因此应用于汽车的芯片在高温下会存在漏电流。一般来说ldo在空载条件下必须保持输出电压直流值稳定。对于要求低静态功耗的ldo来说，其输出电压分压电阻网络的阻值一般很高，而由于功率管本身面积很大，在高温条件下功率管本身的漏电流就比较可观，因此很容易导致输出电压在高温条件下偏离正常工作状态。在普通工作条件下，由于电流很小，这些漏电流并不会影响芯片的工作状态，但是在极端条件下，这些漏电流就会影响芯片的工作状态造成芯片失效，因此如何解决高温下芯片漏电流的影响是非常关键的。


技术实现要素：

5.针对传统动ldo电路在高温下因为漏电而造成芯片失效的问题，本发明提出了一种应用于高温ldo的超低静态功耗漏电补偿电路。其设计思想是通过一个与功率管同型的采样管对功率管的漏电流进行等比例采样，再通过电流比例放大器生成一个电流沉，用该电流沉将功率管的漏电流泄放掉。在非高温工作状态下，采样管正常关断，而在高温工作条件下如果功率管存在漏电流，那么该采样管就会对漏电流进行采样；同时该漏电流补偿电路要保证只要有输入电压，该漏电流补偿电路就能产生作用。
6.为实现上述目的，本发明的技术方案为：
7.一种应用于高温ldo的超低静态功耗漏电补偿电路，包括采样电路，电流放大电路和电压转电流电路；其中电压转电流电路中还包含了使能控制部分；采样电路利用了栅源短接的采样管，这样既能保证采样电路再功率管发生漏电时能准确采样功率管的电流，又能保证当功率管正常工作时采样电路关断，减小静态功耗的损失；由于采样管与功率管的
尺寸比例很小，因此采样的电流也比较小，为了保证漏电流补偿电路能完全吃掉漏电流，同时满足后面电压转电流电路的输入范围的需求，需要将采样电流进行放大，电流放大电路就是这样的作用；而最后的电压转电流电路则是将被放大的采样电流进行二次放大，保证放大后的电流沉能完全补偿功率管的漏电流；
8.所述采样电路包括第一采样管ms1、第二采样管ms2、第一nmos管mn1、第二nmos管mn2、第一nmos耐压管mnh1、第一pmos管mp1、第二pmos管mp2、第一齐纳二极管d1；其中，第一采样管ms1的源极和栅极接输入电压，其漏极接第一齐纳二极管d1的阴极、第一nmos管mn1的栅漏极和第二nmos管mn2的栅极；第一齐纳二极管d1的阳极、第一nmos管mn1的源极和第二nmos管mn2的源极接地；第二nmos管mn2的漏极接第一nmos耐压管mnh1的源极，第一nmos耐压管mnh1的栅极接第一偏置电压vb，第一nmos耐压管mnh1的漏极接第一pmos管mp1的漏极；第一pmos管mp1的源极接输出端，其栅极和漏极互连；第二采样管ms2的源极和栅极接输入电压，其漏极接第二pmos管mp2的源极；
9.所述电流放大电路包括第三nmos管mn3、第四nmos管mn4、第三pmos管mp3、第四pmos管mp4、第二nmos耐压管mnh2、第一电阻r1、第二齐纳二极管d2；其中，第二齐纳二极管d2的阴极、第三nmos管mn3的栅漏极、第四nmos管mn4的栅极接第二pmos管mp2的漏极；第二齐纳二极管d2的阳极、第三nmos管mn3的源极、第四nmos管mn4的源极接地；第三pmos管mp3的源极接输入电压，其栅极和漏极互连；第二nmos耐压管mnh2的漏极接第三pmos管mp3的漏极，第二nmos耐压管mnh2的栅极接偏置电压，第二nmos耐压管mnh2的源极接第四nmos管mn4的漏极；第四pmos管mp4的源极接输入电压，其栅极接第三pmos管mp3的漏极，第四pmos管mp4的漏极接第一电阻r1的一端，第一电阻r1的另一端接地；
10.所述电压转电流电路包括第五nmos管mn5、第六nmos管mn6、第七nmos管mn7、第八nmos管mn8、第五pmos管mp5、第六pmos管mp6、第七pmos管mp7、第八pmos管mp8、第二电阻r2、第三齐纳二极管d3；其中，第七pmos管mp7的源极接输入电压，其栅极接第三pmos管mp3的漏极，第七pmos管mp7的漏极接第五pmos管mp5的源极、第三齐纳二极管d3的阴极、第七nmos管mn7的源极和第六pmos管mp6的源极；第五nmos管mn5的栅极接第四pmos管mp4的漏极，第五nmos管mn5的漏极接第五nmos管mn5的栅漏极和第六nmos管mn6的栅极，第五nmos管mn5的源极和第六nmos管mn6的源极接地；第八pmos管mp8的源极接内部供电电压vdd，其栅极接第二偏置电压vbp，其漏极接第七nmos管mn7的漏极；第七nmos管mn7的栅极接使能信号；第六pmos管mp6的栅极接第八nmos管的源极，第六pmos管mp6的漏极接第六nmos管的漏极；第八nmos管的栅极接第六pmos管mp6的漏极，第八nmos管的漏极为输出端，第二电阻r2的另一端接地。
11.本发明的有益效果为：解决了ldo在高温条件下，由于功率管漏电流而导致的芯片失效的问题。本发明电路能保证芯片在极端条件下，内部的漏电流补偿电路都能根据功率管泄漏电流的大小来进行自适应的补偿，从而确保输出电压在正常的负载范围内的稳定性。同时在正常工作范围内，该漏电补偿又能保持很小的静态功耗，提高电路整体的工作效率。
附图说明
12.图1是本发明提出的应用于高温ldo的超低静态功耗漏电补偿电路的整体框架图；
13.图2是本发明提出的应用于高温ldo的超低静态功耗漏电补偿电路在实施例中的一种具体电路实现图；
14.注：名字以mp开头的晶体管为pmos(p-metal-oxide-semiconductor)管；名字以mn开头的晶体管为nmos(n-metal-oxide-semiconductor)管；名字以r开头的器件为电阻；名字以d开头的器件为二极管；vin为输入电压；vb为第一偏置电压；vbp为第二偏置电压；vdd为内部生成的供电电压。
具体实施方式
15.下面结合附图，对本发明技术方案进行详细描述：
16.如图1所示为本发明提出应用于高温ldo的超低静态功耗漏电补偿电路的大致结构图，功率管采用pmos功率管，主要包括采样电路、电压转电流电路，pmos功率管。
17.采样电路对功率管的漏电流进行采样，当功率管没有漏电流时，其采样管也不会有电流，此时运放的两个输入端为地电位，漏电补偿电路不输出电流并保持在超低静态功耗的状态；当功率管发生漏电时，采样管会等比例采样漏电流，将漏电流转化为电压。再通过电压转电流的方式等比例放大采样电流，只要设置合适的采样比例与电流放大比例，即可用电路的方式实现对功率管漏电流的补偿。
18.如图2所示是本发明提出的应用于高温ldo的超低静态功耗漏电补偿电路的具体实现电路。
19.采样电路中包含了钳位电路和主采样管ms2，当功率管没有漏电流时，主采样管和钳位电路都不工作；但是当主功率管有漏电流时，采样管ms1和ms2上都流过同样大小的采样电流，此时钳位电路会将采样管ms2的漏电位钳位至vout电位，保证主采样管ms2的采样精度。同时，该电路中还有一个耐压管mnh1，用来避免输出电压过高时mn2管击穿的风险。
20.电流放大电路则是将采样到的漏电流进行适当比例的放大。由于采样管与功率管的比例比较小，因此采样得到的电流很小，为了减小了其他管子漏电流的影响，必须将采样到的漏电流进行放大。同时，由于电压转电流电路输入范围的限制，mp5管的栅极电压不能太低，因此再放大采样电流也能避免r1太大而占用太多面积。
21.电压转电流电路则是利用运放钳位的原理，将流过电阻r1的电流等比例放大到电阻r2上，流过r2上的电流与流过r1上的电流的比值为
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电压转电流电路中的误差放大器是一个经过改造的五管运算放大器，其尾电流有两部分组成，一部分是经过放大的采样电流，由mp7管提供，该部分电流的作用是保证即便芯片在不使能的条件下，即没有基准电流的条件下，该误差放大器在功率管有漏电流的条件下仍然能正常工作；另一部分是基准电流，由mp8管提供，该部分电流的作用是保证芯片在正常工作时，该误差放大器保持在稳定工作状态，避免误差放大器的开启过程。
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为了保证芯片在加上输入电压，但是未使能时该漏电补偿电路仍然能工作，电路除了mp7管外还加入了mn7管，mn7管的作用是在芯片不使能时将mp8管从误差放大器中断开，避免mp7管的电流经由mp8管流到vdd1，从而造成误差放大器不工作的问题。
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在该设计中，假设ms2与功率管的尺寸比为α，电流放大电路的放大倍数为β，那么
只要保证
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那么经由漏电补偿电路生成的电流就刚好等于功率管的漏电流，这样漏电补偿电路就能保证芯片在高温空载条件下输出电压稳定性。而且该电路还可以跟随功率管漏电流的大小自适应调节补偿电流的大小。