一种支持双向电流的线性稳压器及控制方法与流程

1.本技术涉及恒定电压输出领域的线性稳压器，具体涉及一种支持双向电流的线性稳压器及其控制方法。


背景技术：

2.发明人所知道的线性稳压器常应用于将电池作为电源的系统中，或者用在射频、音频、adc转换等应用系统中，实现某一特定值的电压输出。在不同的应用方向，线性稳压器被设计具有不同特性。在工业控制领域采用复位设计控制特性的线性稳压器，在数据采集方面通常设计超低纹波、高精度的线性稳压器。在发明人了解到的某一些低功耗应用场景中，线性稳压器被设计为具有较低压差及较低的静态电流。发明人所知低压差稳压器一般是指输入电压与输出电压差值小于2v的稳压器。
3.发明人所了解到的低压差稳压器（ldo, low-dropout voltage regulator）设计之一,通过误差放大器（error amplifier, ea）驱动适当栅极的pmos（p-metal-oxide-semiconductor, p型金属氧化物半导体）和nmos（n-metal-oxide-semiconductor, n型金属氧化物半导体）功率晶体管负责向负载提供电流或者从负载吸收电流，实现低静态电流、无输出电容的稳压器。该稳压器电路由误差放大器（ea）和补偿电容器cp、两个传输晶体管mp和mn、电流降低电路及其摆幅升压器、反馈网络和片上输出电容器组成。在误差放大器中，当传输晶体管mp导通并向负载供电时，传输晶体管mn断开，设计两组晶体管负责传输晶体管mp和mn的精确偏置，反之亦然。同时，两组晶体管在空载时关闭，最大程度地降低总电流消耗。误差放大器中设计两组开关晶体管以及旁路电容器组，以降低电路瞬态行为的劣化。为了平衡误差放大器的高功耗，设计了具有更宽松尺寸的电流降低电路，为传输晶体管的栅极提供精确偏置。
4.发明人所了解到的低压差稳压器之二，稳压器基于广泛使用的电流镜架构被设计为跨导驱动。当负载加载电流时，频率补偿放大器与电流镜电路一构成低压差稳压器的跨导驱动。当从负载吸收电流时，低压差稳压器的跨导驱动来自频率补偿放大器和电流镜电路二。低压差稳压器调节器是单极系统，基于两个电流加法器，能够精确控制输出级的静态电流。在片外设计了约30μf的大电容器连接在输出节点，获得良好的瞬态响应。电流镜的架构实现了误差放大器的低输出阻抗，从而提高了传输元件栅极寄生电容的充电和放电速度。
5.发明人所了解到的低压差稳压器设计方案之三，低压差稳压器使用两级结构，增加两个nmos（n-metal-oxide-semiconductor, n型金属氧化物半导体）晶体管以提供或者吸收大负载电流，能够解决电路因大负载而产生的ldo不稳定的问题，第一个nmos晶体管配合第一个pmos晶体管实现电流吸收，第二个nmos晶体管实现拉电流。轻载时，只有第一个pmos晶体管吸收负载电流。当负载电流增大时，电路自动打开第一个nmos管吸收较大负载电流。同时，添加第二个nmos晶体管实现第一个nmos晶体管的源极负载电流，两个nmos晶体管设置在低压差稳压器的输出端，解决了大负载时低压差稳压器的稳定性问题。
6.发明人所知道的上述ldo稳压器技术方案，根据不同的应用，设计了不同电路特性。但经发明人分析，上述电路结构可能存在输出电流较小的问题，且仅仅适用于小范围的电流负载，在大电流正负载下，输出电压电平与理想值相差较大。另一方面，存在低压差稳压器静态电流随器件的不匹配和固有的工艺漂移，大负载时ldo电路出现不稳定的情形，也无法实现轨到轨输出，输出电压小于电源电压。


技术实现要素：

7.本技术提供一种支持双向电流的线性稳压器，电路结构包括功率管2、功率管1，功率管2及功率管1分别接误差放大器及共模反馈模块，并经共模反馈模块再次连接误差放大器。功率管2、功率管1连接稳压器输出端口，稳压器输出端口经差模反馈模块连接误差放大器。功率管2外接工作电压源v
dd
，功率管1一端接地，误差放大器接参考电压。共模反馈模块控制功率管2、功率管1开或关，实现稳压器输出端口的输出电压稳定在设定的值。
8.功率管2、功率管1为nmos功率管，其栅极连接共模反馈模块输入端，功率管2栅极经电荷泵连接误差放大器。功率管2和功率管1设计为具有相同的阈值电压，稳压器参考电压设置为功率管2和功率管1的阈值电压值。共模反馈模块设置共模点电压值，共模点电压值由功率管2栅极电压值与稳压器输出端口电压值的差值、功率管1栅极的电压值计算算数平均值获得。共模点电压值低于阈值电压时，误差放大器输入电压降低，电荷泵提高输出电压，以增加稳压器输出端口电压值。共模点电压值高于阈值电压时，误差放大器输入电压高，电荷泵降低输出电压，以降低稳压器输出端口电压值。
9.在一些实施例中，共模反馈模块包括开关1-1、开关1-2、开关2-1、开关2-2、电容3-1、电容3-2、pmos管4-1、pmos管4-2、pmos管4-3、nmos管5-1、nmos管5-2。开关1-1串接在稳压器输出端口与开关2-1第一端口之间，开关1-2串接于功率管2栅极与开关2-2第一端口之间。电容3-1一端连接开关2-2第一端口，另一端连接开关2-1第一端口。电容3-2一端接开关2-1第二端口且接地，另一端接开关2-2第二端口与pmos管4-1栅极。pmos管4-1源极连接pmos管4-2源极并同时连接电流源。pmos管4-2栅极连接功率管1栅极，pmos管4-2漏极与pmos管4-1漏极连接nmos管5-1栅极与漏极。pmos管4-3源极连接电流源，栅极接参考电压，漏极接误差放大器共模电压变化值输入端与pmos管5-2栅极和漏极。pmos管5-1与pmos管5-2源极接地，其栅极与漏极连接。电流源分流三路，第一路经pmos管4-1、nmos管5-1后接地，第二路经pmos管4-2、nmos管5-1后接地，第三路经pmos管4-3、nmos管5-2后接地。设置时钟控制开关1-1、开关1-2、开关2-1、开关2-2。当时钟信号相位在φ时，开关2-2与开关2-1断开，开关1-1、1-2连通，功率管2栅极与稳压器输出端口电压差值为电容3-1充电。当相位为时，开关1-1、1-2断开，开关2-2与开关2-1连通，将电容3-1并联在保持电容3-2上，pmos管4-1的栅极电压为功率管2栅极与稳压器输出端口电压差值。pmos管4-1与pmos管4-2共模电压值为其栅极电压算数平均值，比较其共模电压值与pmos管4-3栅极外接参考电压值，通过监控pmos管4-3漏极电压值并控制电荷泵实现稳压器静态电流控制。通过开关电容实现反馈控制，解决了source/sink cmos线性稳压器的ab型输出不容易实现静态电流控制的问题，实现了低静态电流，较大的输出电压可调范围，并且实现了轨到轨输出。
附图说明
10.图1为根据本技术的发明构思实施的第一个实施例稳压器结构示意图。
11.图2为根据本技术的发明构思实施的第二个实施例的稳压器部分结构示意图。
12.图3为根据本技术的发明构思实施的第三个实施例共模反馈模块的结构示意图。
13.图4为根据本技术的发明构思实施的第四个实施例中稳压器工作时的电压与电流图表。
具体实施方式
14.下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明申请的具体实施方式作进一步具体说明。
15.实施例一：如图1所示，本实施例提供一种线性稳压器，包括误差放大器、功率管2、功率管1，共模反馈模块、差模反馈模块，功率管2第一端口与功率管1第一端口分别连接误差放大器，共模反馈模块第二端口接功率管2第一端口与功率管1 第一端口，共模反馈模块第一端口连接误差放大器。差模反馈模块第一端口连接误差放大器，第二端口连接稳压器输出端口out端，以控制设定输出电压值v
out
。功率管1和功率管2设计有相同的阈值电压v
th
，共模反馈模块设置参考电压v
th
，参考电压v
th
设置为功率管1和功率管2的阈值电压，由（（tg点电压-v
out
） bg点电压值）/2计算得到共模反馈模块的共模电压值。共模反馈模块控制共模电压值，误差放大器实时接收共模反馈模块控制的共模电压值变化情况，在任何时间点功率管1和功率管2仅其中一个能实现导通、另一个关闭，误差放大器控制tg点电压值、bg点电压值从而实现共模电压保持在阈值电压v
th
附近
±
10mw范围内，稳压器保持微弱电流通过的状态，实现稳定的电压输出。本实施例提供的线性稳压器（linear regulator）将在调节电压恒定输出的电源类芯片中广泛应用，在输入端电压产生较大波动时也能实现稳定的电压输出。
16.实施例二：如图2所示，本实施例提供了一种线性稳压器，共模反馈模块与差模反馈模块与稳压器电路连接结构引用实施例1中的设计，该线性稳压器包括误差放大器、电荷泵、功率管2和功率管1，tg点连接共模反馈模块第一端口，bg点连接共模反馈模块第一端口，共模反馈模块第二端口连接误差放大器cmf接口。差模反馈模块第一端口接误差放大器，第二端口接稳压器输出端口out端。差模反馈模块与共模反馈模块设置位置与实施例1中相同，不再详细展开记载。功率管2与功率管1设计为拥有同样阈值电压v
th
的nmos管，且功率管1和功率管2无法实现同时开启，如功率管2开启时，功率管1关闭；功率管2关闭时，功率管1开启。功率管2的栅极经电荷泵连接误差放大器，功率管2漏极连接电压源v
dd
，其源极连接稳压器输出端口out。功率管1栅极连接误差放大器，功率管1的源极接地，其漏极接out端。
17.共模反馈模块反馈共模电压，当共模电压小于功率管2与功率管1阈值电压v
th
时，图2中误差放大器cmf处电压降低，电荷泵接收电压值降低的信号，提高tg点电压以稳定输出电压v
out
。当共模电压大于功率管2与功率管1阈值电压v
th
时，误差放大器cmf处电压升高，电荷泵接收电压值升高的信号，降低tg点电压以稳定输出电压v
out
。
18.发明人所了解的传统稳压器由参考电压、误差放大器、传输元件和反馈网络构成，
这种结构一般仅采用单一晶体管作为通路元件，通常不具备拉电流能力，而本实施例提供了nmos管2和nmos管1作为通路元件，当nmos管2栅极tg点电压增加时，功率管1栅极bg点电压降低；反之，当nmos管2栅极电压降低时，nmos管1栅极电压bg点增加，配合实现拉电流和灌电流，实现稳压器输出端out稳定输出设定的电压值。同时，本实施例提供的稳压器电路并未采用传统增加电容器或源极跟随器等元件实现拉/灌电流功能，而是采用两个nmos管配合共模反馈模块稳定线性稳压器输出端电压值的技术方案，解决了低压差稳压器承载输出电流较低的问题，能够实现较大电流输出。
19.实施例三：本实施例提供一种支持双向传输电流的线性稳压器，包括图1中的误差放大器、连接误差放大器的功率管2、功率管1，以及连接误差放大器输入端及稳压器输出端口的差模反馈模块。功率管1接地，功率管2外接电压源v
dd
。
20.本实施例中，功率管2设计为nmos管并记为nmos管2，功率管1同样设计为nmos管并记为nmos管1。
21.本实施例中共模反馈模块具体设计为如图3所示，包括开关1-1、开关1-2、开关2-1、开关2-2、电容3-1、电容3-2、功率管4-1、功率管4-2、功率管4-3、功率管5-1、功率管5-2。功率管4-3栅极处连接参考电压v
th
，参考电压设置为nmos管2及nmos管1的阈值电压。功率管4-1、功率管4-2并联到电流源、功率管5-1，功率管5-1接地。功率管4-1第一端口与功率管4-2第一端口并联连接电流源，且连接功率管4-3的第一端口，功率管4-3第二端口连接功率管5-2，并经cmf端连接误差放大器。如图3所示，a点处连接电流源，电流分流后其中的一路电流经功率管4-1、功率管4-2流向功率管5-1后接地。电流源另一分路经功率管4-3后流出经功率管5-2接地，功率管4-3第二端口接误差放大器的共模反馈电压输入端cmf。如图3所示，开关1-1连接稳压器电压输出端out，开关1-1另一端连接电容3-1第一端口、开关2-1第一端口。开关1-2一端连接nmos管2的tg端，另一端连接电容3-1第二端口、开关2-2第一端口。开关2-2第二端口连接电容3-2第二端口，开关2-1第二端口连接电容3-2第一端口并接地。
22.利用时钟控制开关1-1、开关1-2、开关2-1、开关2-2实现共模电压反馈，当时钟信号相位为时，开关2-1、开关2-2断开，开关1-1、开关1-2连通，tg点与稳压器输出端out点的电压差为电容3-1充电。当相位为时，开关1-1、开关1-2断开，开关2-2与开关2-1连通，将电容3-1并联在电容3-2上，实现将tg点与稳压器输出端out点电压的差值转移到功率管4-1的栅极。此时电路的共模电压为：(（v
tg-v
out
） v
bg
)/2，图3中功率管4-1、功率管4-2分压即为共模电压，功率管4-3连接的cmf点电压变化可用如下公式表示。
23.△vcmf
=a((（v
tg-v
out
） v
bg
)/2-v
th
)。
[0024]vtg
表示tg点电压；v
out
表示稳压器输出点电压；v
th
表示功率管4-3外接参考电压。a表示功率管4-3与功率管5-1组成的放大器电压放大倍数，与功率管4-3和功率管5-2的跨导相关，可表示为a=g
m4-3
/g
m5-2
，g
m4-3
表示功率管4-3跨导，g
m5-2
表示功率管5-2跨导。
[0025]
输出电压v
out
的增大或者减小都将导致共模电压（（v
tg-v
out
） v
bg
)/2随之减小或者增大，又由于v
th
保持在固定值，因此输出电压v
out
的变化将导致误差放大器cmf点电压产生变化，即
△vcmf
变化，由此，稳压器输出端口out点的输出电压值变化被实时反馈到误差放大器。误差放大器与电荷泵接收共模电压变化情况，并随之调整tg点、bg点电压，从而实现将
稳压器输出端out点的电压稳定在某一特定电压值。
[0026]
实施例四：本实施例提供一种线性稳压器，包括如图1中所示的功率管2、功率管1，功率管2外接电压源v
dd
,功率管1接地，功率管2第一端口tg点连接误差放大器，功率管1第一端口bg点连接误差放大器，功率管2第二端口与功率管1第二端口连接稳压器输出端口。差模反馈模块第一端口连接误差放大器，差模反馈模块第二端口连接稳压器输出端口。共模反馈模块设计为包括开关1-1、开关1-2、开关2-1、开关2-2、电容3-1、电容3-2、pmos管4-1、pmos管4-2、pmos管4-3、nmos管5-1和nmos管5-2。
[0027]
在另外一些实施例中，功率管2和功率管1设计为如图2所示的nmos管。并且nmos管2栅极经电荷泵连接误差放大器，漏极外接电压源v
dd
,源极连接稳压器电压输出端口。nmos管1栅极连接误差放大器，源极接地，漏极连接稳压器电压输出端口。
[0028]
如图3所示，pmos管4-1的源极连接a点处电流源、栅极连接电容3-2、漏极连接nmos管5-1的漏极，pmos管4-2源极连接a点处电流源、栅极连接nmos管1栅极bg点、漏极连接nmos管5-1的漏极，pmos管4-3源极连接a点电流源、栅极外接参考电压v
th
、漏极连接nmos管5-2漏极与误差放大器cmf点。nmos管5-1的栅极连接漏极、源极接地，nmos管5-2的栅极连接漏极、源极接地。pmos管4-3外接参考电压v
th
设置为nmos管1及nmos管2的阈值电压。开关1-1一端连接稳压器电压输出端out，开关1-1另一端连接电容3-1第一端口、开关2-1第一端口。开关1-2一端连接nmos管2的tg端，另一端连接电容3-1第二端口、开关2-2第一端口。开关2-2第二端口连接电容3-2第二端口，开关2-1第二端口连接电容3-2第一端口并接地。
[0029]
a点处接电流源，电流分流后经pmos管4-1、pmos管4-2源极流向nmos管5-1后接地。电流源另一分路经pmos管4-3源极流出后经nmos管5-2接地，pmos管4-3漏极接误差放大器反馈电压输入端cmf。利用时钟控制开关1-1、开关1-2、开关2-1、开关2-2断开和连通，实现共模反馈电压的变化实时反馈到误差放大器，从而控制稳压器输出端电压稳定在设定值。当时钟信号相位在 时，开关2-2与开关2-1断开，开关1-1、1-2连通，tg点与out点的电压差为电容3-1充电。当相位为时，开关1-1、1-2断开，开关2-2与开关2-1连通，将电容3-1并联在保持电容3-2上，电容3-1的电压值被搬运到电容3-2，pmos管4-1的栅极电压为tg点与out点的电压差值。
[0030]
pmos管4-1与pmos管4-2尺寸大小相同，且尺寸为pmos管4-3尺寸的一半。tg点与out点的电压差、bg点的电压值计算算数平均值获得共模电压:(（v
tg-v
out
） v
bg
)/2，共模电压与v
th
阈值电压差值变化将影响cmf点的电压值。当共模电压高于阈值电压v
th
时，cmf点电压增加，反馈到误差放大器的电压相应增大，此时，误差放大器及电荷调节tg点与bg点电压，降低共模电压值，以稳定out端输出电压。当共模电压低于阈值电压时，cmf点输出电压降低，误差放大器获取的反馈电压降低，tg点与bg点电压产生变化，提高共模电压值，以稳定out端的输出电压。共模反馈模块控制下的稳压器电路电压变化如图 4 中的 a所示，当tg点电压与稳压器输出端电压差值（v
tg-v
out
）降低时，bg点的电压v
bg
增大；当tg点电压与稳压器输出端电压差值（v
tg-v
out
）增大时，bg点的电压v
bg
降低。如图 4 中的 b所示，纵坐标i表示实时流过nmos管1的电流，曲线411段表示nmos管2打开、nmos管1关断，此时nmos管1电流逐渐接近0，nmos管1栅极电压v
bg
小于阈值电压v
th
。曲线412段表示nmos管1打开、nmos管2
关断，此时nmos管1栅极电压v
bg
大于阈值电压v
th
，nmos管1有电流流过，且当电流逐渐增大时，nmos管1栅极电压v
bg
均保持接近阈值电压。该电路利用共模电压与参考阈值电压的对比设计，通过反馈共模电压值，以调节输出端电压，从而将输出端电压稳定在期望值。
[0031]
上述实施例仅列举了较佳的具体技术方案及技术手段，不排除在本发明权利要求范围内，有其他可以解决该技术问题的等同技术手段的替换形式，也应当理解为本发明要求保护的内容。