穩(wěn)壓器的制造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明的實(shí)施方式提供了一種穩(wěn)壓器，包括：源跟隨器，包括串聯(lián)在高壓輸入電源和地之間的第一電阻、高壓隔離開(kāi)關(guān)和低壓PMOS晶體管，其中所述第一電阻的第一端接所述高壓輸入電源而其第二端接所述高壓隔離開(kāi)關(guān)的第一端，所述高壓隔離開(kāi)關(guān)的第二端接所述低壓PMOS晶體管的源極；誤差放大器，其反相輸入端連接至一基準(zhǔn)電壓源，其輸出端耦合到所述低壓PMOS晶體管的柵極；功率PMOS晶體管，其源極耦合到所述高壓輸入電源，其柵極耦合到所述高壓隔離開(kāi)關(guān)的第一端，該功率PMOS晶體管的漏極作為所述穩(wěn)壓器的輸出端，并且經(jīng)過(guò)串聯(lián)的第二電阻和第三電阻接地，其中所述第二電阻和第三電阻之間的連接點(diǎn)耦合到所述誤差放大器的同相輸入端。該穩(wěn)壓器可以使用低壓運(yùn)算放大器而使成本降低，并且使用電阻產(chǎn)生偏置電流從而便于設(shè)計(jì)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】穩(wěn)壓器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明的各實(shí)施方式涉及低壓差穩(wěn)壓器領(lǐng)域，更具體地涉及用于高壓的線(xiàn)性穩(wěn)壓器，尤其是用于集成電路的高壓線(xiàn)性穩(wěn)壓器。
【背景技術(shù)】
[0002]低壓差線(xiàn)性穩(wěn)壓器(LDO,Low Dropout Regulator)具有輸出噪聲小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、低功耗以及小封裝尺寸等突出優(yōu)點(diǎn)，已成為電源管理應(yīng)用中的重要電路。其在集成電路尤其是芯片中廣為應(yīng)用。
[0003]現(xiàn)有的低壓差線(xiàn)性穩(wěn)壓器往往使用誤差放大器直接對(duì)電壓調(diào)整管進(jìn)行反饋控制，以補(bǔ)償穩(wěn)壓器輸出端的電壓隨負(fù)載變化而產(chǎn)生的波動(dòng)。這對(duì)于低壓輸入電源而言通常是有效、經(jīng)濟(jì)并且安全的。這里的低壓通常指5V以下，這對(duì)于電壓調(diào)整管和誤差放大器的額定工作電壓的要求較低，這也意味著誤差放大器的成本較低。然而，對(duì)于相對(duì)高壓的應(yīng)用環(huán)境，例如12V以上，若仍采用該誤差放大器直接控制電壓調(diào)整管，則該誤差放大器將工作在相對(duì)高壓的狀態(tài)下。這要求誤差放大器具有比低壓環(huán)境下工作高得多的額定工作電壓，這進(jìn)而意味著該誤差放大器的成本將大大增加，因?yàn)檎`差放大器的成本是隨著額定工作電壓的增加而顯著增加的。這顯然不利于低壓差線(xiàn)性穩(wěn)壓器在相對(duì)高壓環(huán)境的廣泛應(yīng)用。
[0004]另外，現(xiàn)有的線(xiàn)性穩(wěn)壓器中通常在偏置電路中使用MOS管來(lái)產(chǎn)生偏置電流。由于MOS管的阻值受到流經(jīng)的偏置電流的變化的影響而變化，因而偏置電路中的極點(diǎn)位置也會(huì)隨著偏置電流的變化而變化。這對(duì)于穩(wěn)壓器中的補(bǔ)償電路的設(shè)計(jì)是非常不利的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]鑒于上述原因，本發(fā)明提供一種穩(wěn)壓器，其用于解決上述現(xiàn)有的低壓穩(wěn)壓器中所存在的問(wèn)題的至少一部分。
[0006]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種穩(wěn)壓器，包括:
[0007]源跟隨器，包括串聯(lián)在高壓輸入電源和地之間的第一電阻、高壓隔離開(kāi)關(guān)和低壓PMOS晶體管，其中所述第一電阻的第一端接所述高壓輸入電源而其第二端接所述高壓隔離開(kāi)關(guān)的第一端，所述高壓隔離開(kāi)關(guān)的第二端接所述低壓PMOS晶體管的源極；
[0008]誤差放大器，其反相輸入端連接至一基準(zhǔn)電壓源，其輸出端耦合到所述低壓PMOS晶體管的柵極；
[0009]功率PMOS晶體管，其源極耦合到所述高壓輸入電源，其柵極耦合到所述高壓隔離開(kāi)關(guān)的第一端，該功率PMOS晶體管的漏極作為所述穩(wěn)壓器的輸出端，并且經(jīng)過(guò)串聯(lián)的第二電阻和第三電阻接地，其中所述第二電阻和第三電阻之間的連接點(diǎn)耦合到所述誤差放大器的同相輸入端。
[0010]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，所述高壓隔離開(kāi)關(guān)包括一個(gè)高壓NMOS晶體管，其漏極作為所述高壓隔離開(kāi)關(guān)的第一端，其源極作為所述高壓隔離開(kāi)關(guān)的第二端。
[0011]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，所述誤差放大器的電源端和所述高壓NMOS晶體管的柵極通過(guò)一降壓電路耦合到所述輸入電源。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，所述降壓電路包括:第四電阻，其一端耦合到所述高壓輸入電源，另一端耦合到一齊納二極管的陰極；一NM0S電壓調(diào)整管，該NMOS電壓調(diào)整管的漏極耦合到所述輸入電源，該NMOS電壓調(diào)整管的柵極耦合到所述齊納二極管的陰極，該NMOS電壓調(diào)整管的源極作為該降壓電路的輸出端，并耦合到一偏置電阻；以及一濾波電容并聯(lián)到該偏置電阻的兩端。
[0013]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，在所述穩(wěn)壓器的輸出端和所述誤差放大器的輸出端之間率禹合有一補(bǔ)償電容。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，在所述穩(wěn)壓器的輸出端和接地之間耦合有一輸出電容。
[0015]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，所述高壓輸入電源的電壓大于或等于12V。
[0016]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，所述誤差放大器EA的工作電壓小于或等于5V。
[0017]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種集成電路，其包括根據(jù)本發(fā)明所述的穩(wěn)壓器。
[0018]通過(guò)設(shè)置高壓隔離開(kāi)關(guān)，可以將運(yùn)算放大器的低工作電壓與輸入高壓源相隔離，從而可以使用低壓運(yùn)算放大器來(lái)驅(qū)動(dòng)用于高壓電源的穩(wěn)壓器，使得運(yùn)算放大器乃至整個(gè)穩(wěn)壓器的成本顯著降低。通過(guò)采用第一電阻產(chǎn)生偏置電流，使得該第一電阻下游的極點(diǎn)位置變化范圍較小，從而便于穩(wěn)壓器電路中各電學(xué)參數(shù)的設(shè)計(jì)，使得整個(gè)穩(wěn)壓器的設(shè)計(jì)變得容易。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0019]當(dāng)結(jié)合附圖閱讀下文對(duì)示范性實(shí)施方式的詳細(xì)描述時(shí)，這些以及其他目的、特征和優(yōu)點(diǎn)將變得顯而易見(jiàn)，在附圖中:
[0020]圖1是根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的穩(wěn)壓器的電路圖；
[0021]圖2是根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的降壓電路的電路圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022]現(xiàn)在將僅通過(guò)示例性方式來(lái)詳細(xì)地描述本發(fā)明的各種實(shí)施方式。
[0023]圖1是根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的一穩(wěn)壓器的電路圖。該穩(wěn)壓器包括一源跟隨器，包括串聯(lián)在聞壓輸入電源Vinjligh和地之間的第一電阻％、聞壓隔尚開(kāi)關(guān)Hv_nmos和低壓PMOS晶體管Lv_pmoS。其中所述第一電阻R1的第一端接所述高壓輸入電源Vin high而其第二端接所述高壓隔離開(kāi)關(guān)的第一端，所述高壓隔離開(kāi)關(guān)的第二端接所述低壓PMOS晶體管Lv_pmos的源極。
[0024]該穩(wěn)壓器還包括誤差放大器EA，其反相輸入端連接至一基準(zhǔn)電壓源Vief,其輸出端耦合到所述低壓PMOS晶體管的柵極。
[0025]該穩(wěn)壓器還包括功率PMOS晶體管Power_pmos,其源極稱(chēng)合到所述高壓輸入電源，其柵極耦合到所述高壓隔離開(kāi)關(guān)的第一端，該功率PMOS晶體管的漏極作為所述穩(wěn)壓器的輸出端Vwt，并且經(jīng)過(guò)串聯(lián)的第二電阻和第三電阻接地，其中所述第二電阻R2和第三電阻R3之間的連接點(diǎn)耦合到所述誤差放大器的同相輸入端。該第二電阻和第三電阻構(gòu)成反饋電路并將第三電阻兩端的電壓反饋到誤差放大器的同相輸入端。
[0026]該穩(wěn)壓器的高壓輸入端Vin high連接高壓直流電源為該穩(wěn)壓器提供輸入電壓。這里所指的高壓通常相對(duì)于例如5V及以下的低壓而言，通常指12V及以上的電壓。對(duì)于集成電路而言，12V及以上的電壓是常見(jiàn)的電源電壓。
[0027]優(yōu)選地,所述高壓隔離開(kāi)關(guān)包括一個(gè)高壓NMOS晶體管Hv_nmos,其漏極作為所述高壓隔離開(kāi)關(guān)的第一端，其源極作為所述高壓隔離開(kāi)關(guān)的第二端。
[0028]該高壓NMOS晶體管Hv_nmoS的柵極和該誤差放大器EA的電源端連接到一低壓輸入源Vin>。該低壓輸入源Vin>用于為該誤差放大器提供工作電壓，并為該高壓NMOS晶體管Hv_nmoS提供柵極的相對(duì)低的電壓。該低壓輸入源Vin lw優(yōu)選為5V。
[0029]用于該誤差放大器EA的反相端的該參考電壓源Vref優(yōu)選為一與溫度無(wú)關(guān)的電壓源，即帶隙基準(zhǔn)源，且其優(yōu)選為1.25V。
[0030]在工作時(shí)，在所述高壓輸入端Vin high輸入例如12V的高電壓，并在輸出端Vtjut和地電位之間連接負(fù)載IlMd。當(dāng)由于負(fù)載的變化導(dǎo)致第三電阻R3兩端的電壓差VFB(即反饋到誤差放大器的同相端的反饋電壓VFB)不等于參考電壓Vref時(shí)，閉合環(huán)路會(huì)通過(guò)誤差放大器EA將反饋電壓VFB調(diào)整至與該參考電壓VMf相等。
[0031]當(dāng)誤差放大器EA的輸出端輸出與反饋電壓信號(hào)VBF的變化同相的變化信號(hào)時(shí)，低壓PMOS晶體管Lv_pmos的源柵極電壓差將同相變化，而高壓NMOS晶體管Hv_nmos作為開(kāi)關(guān)元件，其兩端相位是相同的，因此與連接到該高壓NMOS晶體管第一端的功率PMOS晶體管Power_pmos的柵極的相位也是相同的?？梢?jiàn)，該第一電阻R1、高壓隔離開(kāi)關(guān)Hv_nmos和低壓PMOS晶體管Lv_pmoS組成的源跟隨器使得功率PMOS晶體管P0Wer_pm0S的柵極的電壓跟隨誤差放大器輸出端的電壓變化而同相變化。而功率PMOS晶體管P0Wer_pm0S的柵極和漏極之間的相位將反相變化，從而使得R3上的電壓產(chǎn)生反相的變化。因此，在誤差放大器和反饋信號(hào)VFB組成的負(fù)反饋電路的作用下，R3兩端的電壓差將穩(wěn)定在參考電壓Vref上。此
時(shí)，電路輸出端Vwt的電壓將穩(wěn)定為L(zhǎng)。通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)牡诙娮杳窈偷谌?br> 阻R3的阻值比以及參考電壓VMf，可以獲得所期望的輸出電壓。
[0032]在工作中，由于高壓隔離開(kāi)關(guān)Hv_nmoS的柵極接在低壓源上，而只有當(dāng)柵極電壓高于源極電壓時(shí)，該高壓隔離開(kāi)關(guān)Hv_nmos才導(dǎo)通。因此工作中該高壓隔離開(kāi)關(guān)Hv_nmos的源極的電壓將始終低于其柵極的低壓源的電壓，從而將源極的電壓與其漏極所處的相對(duì)高壓隔離。因此，低壓PMOS晶體管Lv_pmoS和誤差放大器EA將工作在比該低壓源更低的電壓下。這因而極大的節(jié)省了誤差放大器的成本，因?yàn)檎`差放大器的成本隨著其工作電壓的上升而顯著地增加。
[0033]由于采用了第一電阻R1來(lái)產(chǎn)生偏置電流I_driVe，而第一電阻R1的阻值是固定的，其不會(huì)隨著偏置電流I_drive的變化而變化，因而相對(duì)于采用具有MOS管的比例電路或鏡像電路來(lái)產(chǎn)生偏置電流來(lái)說(shuō)，該第一電阻R1的第二端(即功率PMOS晶體管P0Wer_pm0S的柵極)的極點(diǎn)n3的變化范圍更小。而且，由于第一電阻R1的阻值是固定的，因而隨著負(fù)載的變化，偏置電流I_drive的變化也更小，由此該高壓隔離開(kāi)關(guān)Hv_nmoS和低壓PMOS晶體管Lv_pmoS的小信號(hào)行為也更好。而且，由于偏置電流I_driVe的變化變小，誤差放大器的工作點(diǎn)也更容易找到。上述優(yōu)點(diǎn)對(duì)于在設(shè)計(jì)該穩(wěn)壓器時(shí)選擇各電子元件的參數(shù)值更為有利，因?yàn)榛跇O點(diǎn)位置和電流值計(jì)算設(shè)計(jì)的其他的電路參數(shù)不會(huì)反過(guò)來(lái)對(duì)該極點(diǎn)位置和電流值帶來(lái)大的影響，從而避免強(qiáng)的相互影響而對(duì)參數(shù)的優(yōu)化帶來(lái)困難。[0034]優(yōu)選地，在所述誤差放大器EA的輸出端和所述穩(wěn)壓器電路的輸出端Vwt之間耦合有一補(bǔ)償電容C。，以用于對(duì)該穩(wěn)壓器的輸出端進(jìn)行米勒補(bǔ)償,從而使輸出端Vtjut的輸出電壓穩(wěn)定。
[0035]優(yōu)選地，在穩(wěn)壓器的負(fù)載兩端并聯(lián)一輸出電容ClMd，以當(dāng)負(fù)載突然需要大電流時(shí)，對(duì)負(fù)載進(jìn)行快速補(bǔ)償，以彌補(bǔ)負(fù)反饋補(bǔ)償電路的響應(yīng)較慢的缺陷。
[0036]在應(yīng)用中，通常系統(tǒng)只提供一個(gè)相對(duì)高壓的電壓源，例如為12V。為了向誤差放大器的電源端和高壓隔離開(kāi)關(guān)Hv_nmoS的柵極提供低壓源，優(yōu)選地，通過(guò)一降壓電路將所述高壓輸入端Vin high的相對(duì)高壓進(jìn)行降壓后提供給誤差放大器的電源端和高壓隔離開(kāi)關(guān)Hv_nmos的柵極。
[0037]圖2示出了根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的降壓電路的電路圖。在圖2中，所述高壓輸入端Vinjligh作為該降壓電路的輸入端，并為該電路提供高電壓。一第四電阻R4 —端耦合到所述高壓輸入端Vin high，另一端耦合到一齊納二極管Z1的陰極。一 NMOS電壓調(diào)整管PoWer_nmos的漏極耦合到所述高壓輸入端Vin high，該NMOS電壓調(diào)整管的柵極耦合到所述齊納二極管的陰極，該NMOS電壓調(diào)整管的源極作為該降壓電路的輸出端ν_—?Μ(即穩(wěn)壓器的低壓輸入端Vin—1(J，并耦合到一偏置電阻Rb。一濾波電容Cf并聯(lián)到該偏置電阻的兩端。齊納二極管的陽(yáng)極、偏置電阻Rb的另一端和濾波電容Cf的另一端接地。
[0038]在工作時(shí)，齊納二極管Z1將NMOS電壓調(diào)整管Power_nmos的柵極電壓鉗位在低電壓，從而該NMOS電壓調(diào)整管Power_nmos的源極的電壓將位于比該柵極的低電壓更低的期望電壓上，從而從Vrat lw端(即穩(wěn)壓器的低壓輸入端Vin ltJ向誤差放大器和高壓隔離開(kāi)關(guān)Hv_nmos的柵極提供低壓源。
[0039]本領(lǐng)域技 術(shù)人員應(yīng)當(dāng)了解，也可以使用其他任何可能的用于降低電壓的電路，來(lái)對(duì)系統(tǒng)提供的高壓進(jìn)行降壓，將該降低后的電壓作為低壓源提供給穩(wěn)壓器的誤差放大器的電源端和高壓隔離開(kāi)關(guān)Hv_nmoS的柵極。也可以使用獨(dú)立于該高壓輸入的單獨(dú)的低壓電源，例如電池等向誤差放大器的電源端和高壓隔離開(kāi)關(guān)Hv_nmoS的柵極提供低電壓。
[0040]所述穩(wěn)壓器可以用于集成電路中，為各負(fù)載提供相對(duì)穩(wěn)定的電壓源。該穩(wěn)壓器尤其適用僅具有單一高壓電源(例如12V以上)的集成電路環(huán)境中，用于為該集成電路中的需要低壓(例如低于12V)的負(fù)載提供穩(wěn)定的低壓電源，該穩(wěn)壓器提供的電壓隨負(fù)載變化而產(chǎn)生的變化小，并且由于采用場(chǎng)效應(yīng)晶體管，該穩(wěn)壓器產(chǎn)生的壓差小，因而可以提供較接近輸入電壓的輸出電壓。
[0041]已經(jīng)出于示出和描述的目的給出了本發(fā)明的說(shuō)明書(shū)，但是其并不意在是窮舉的或者限制于所公開(kāi)形式的發(fā)明。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以想到很多修改和變體。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明實(shí)施方式中的方法和裝置可以以軟件、硬件、固件或其組合實(shí)現(xiàn)。
[0042]因此，實(shí)施方式是為了更好地說(shuō)明本發(fā)明的原理、實(shí)際應(yīng)用以及使本領(lǐng)域技術(shù)人員中的其他人員能夠理解以下內(nèi)容而選擇和描述的，即，在不脫離本發(fā)明精神的前提下，做出的所有修改和替換都將落入所附權(quán)利要求定義的本發(fā)明保護(hù)范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種穩(wěn)壓器,包括: 源跟隨器，包括串聯(lián)在高壓輸入電源(Vinhigh)和地之間的第一電阻(R1)、高壓隔離開(kāi)關(guān)(Hv_nmos)和低壓PMOS晶體管(Lv_pm0S)，其中所述第一電阻的第一端接所述高壓輸入電源而其第二端接所述高壓隔離開(kāi)關(guān)的第一端，所述高壓隔離開(kāi)關(guān)的第二端接所述低壓PMOS晶體管的源極； 誤差放大器(EA)，其反相輸入端連接至一基準(zhǔn)電壓源(VMf)，其輸出端耦合到所述低壓PMOS晶體管的柵極； 功率PMOS晶體管(P0Wer_pm0S)，其源極耦合到所述高壓輸入電源，其柵極耦合到所述高壓隔離開(kāi)關(guān)的第一端，該功率PMOS晶體管的漏極作為所述穩(wěn)壓器的輸出端(Vrat)，并且經(jīng)過(guò)串聯(lián)的第二電阻(R2)和第三電阻(R3)接地， 其中所述第二電阻(R2)和第三電阻(R3)之間的連接點(diǎn)耦合到所述誤差放大器的同相輸入端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的穩(wěn)壓器，其中所述高壓隔離開(kāi)關(guān)包括一個(gè)高壓NMOS晶體管(Hv_nmoS)，其漏極作為所述高壓隔離開(kāi)關(guān)的第一端，其源極作為所述高壓隔離開(kāi)關(guān)的第二端。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的穩(wěn)壓器，其中所述誤差放大器的電源端和所述高壓NMOS晶體管的柵極通過(guò)一降壓電路耦合到所述輸入電源。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的穩(wěn)壓器，其中，所述降壓電路包括: 第四電阻(R4),其一端耦合到所述高壓輸入電源，另一端耦合到一齊納二極管(Z1)的陰極； 一 NMOS電壓調(diào)整管(Power_nmos)，該NMOS電壓調(diào)整管的漏極耦合到所述高壓輸入電源，該NMOS電壓調(diào)整管的柵極耦合到所述齊納二極管的陰極，該NMOS電壓調(diào)整管的源極作為該降壓電路的輸出端，并耦合到一偏置電阻(Rb); 以及一濾波電容(Cf)并聯(lián)到該偏置電阻的兩端。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的穩(wěn)壓器，其中，在所述穩(wěn)壓器的輸出端(Vwt)和所述誤差放大器的輸出端之間耦合有一補(bǔ)償電容(C。)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的穩(wěn)壓器，其中，在所述穩(wěn)壓器的輸出端(Vwt)和接地之間率禹合有一輸出電容(Clrad)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的穩(wěn)壓器，其中，所述高壓輸入電源(Vinhigh)的電壓大于或等于12V。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的穩(wěn)壓器，其中，所述誤差放大器(EA)的工作電壓小于或等于5V。
9.一種集成電路，包括如權(quán)利要求1-8中任一項(xiàng)所述的穩(wěn)壓器。
【文檔編號(hào)】G05F1/56GK103853222SQ201210528551
【公開(kāi)日】2014年6月11日 申請(qǐng)日期:2012年12月5日 優(yōu)先權(quán)日:2012年12月5日
【發(fā)明者】周立波 申請(qǐng)人:艾爾瓦特集成電路科技（天津）有限公司