一种用于低压差线性稳压器的限流保护电路和线性稳压器的制作方法

1.本发明涉及集成电路技术领域，尤其涉及一种用于低压差线性稳压器的限流保护电路和线性稳压器。


背景技术：

2.为了保护低压差线性稳压器（low dropout regulator，ldo）电路芯片不会因为输出电流过大或输出端对地短路造成不可逆损伤，需要设计限流保护电路结构限制ldo电路的输出电流。
3.图1是现有技术提供的一种ldo限流保护电路的结构示意图，如图1所示，其中101部分为ldo环路电路，102部分为传统限流保护电路，第一晶体管m
p1
采样与功率管mp电流等比例的电流，经过电流镜像后与基准电流iref比较。当基准电流iref大于采样电流时，第一节点vcon的电位升高，反相控制第二晶体管m
p2
的栅极为高电平，第二晶体管m
p2
关断，相反当基准电流iref小于采样电流时，第一节点vcon的电位降低，反相控制第二晶体管m
p2
打开，限制功率管mp栅极的电压下降，以达到限流的目的。
4.由于第一节点vcon既是第二晶体管m
p2
的控制端又是电流比较器限流判断信号的输出端，即限流控制环节需要将采样的模拟信号转换成数字信号，只要采样电流低于基准电流iref，第二晶体管m
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就导通，所以实际应用中需要设置限流阈值远高于正常的负载电流以防止限流保护电路误触发。因为限流之后流过功率管的电流会低于功率管正常工作的电流值，所以当ldo仅仅短时间过流并恢复正常负载电流时，ldo无法及时准确地返回正常工作状态，为了保护ldo免受损坏，需要给ldo重新上电，即重新加载负载，从而造成ldo尤其是启动过程复杂的ldo的反复重启。


技术实现要素：

5.本发明提供了一种限流保护电路和线性稳压器，可以使得ldo短时间过流时，及时准确地返回正常工作状态，有利于避免ldo尤其是启动过程复杂的ldo的反复重启，可以降低限流保护电路的限流阈值，以便降低ldo过流情况下的功率，可以使得采样的流过功率管的电流更精确，从而使得限流之后流过功率管的电流不受输出电压的影响。
6.第一方面，本发明实施例提供了一种用于低压差线性稳压器的限流保护电路，包括：电流采样单元、电压比较单元和限流环路控制单元；电流采样单元包括第一输入端、第二输入端和输出端，电流采样单元的第一输入端连接低压差线性稳压器功率管的栅极，电流采样单元的第二输入端连接功率管的第一极，电流采样单元用于对功率管的电流进行采样后输出；电压比较单元的第一输入端与电流采样单元的输出端连接，电压比较单元的第二输入端接入第一参考电压；限流环路控制单元的第一端连接电压比较单元的输出端，限流环路控制单元的第二端连接电流采样单元的输出端，限流环路控制单元的第三端连接功率管的栅极；限流环路控制单元用于根据电压比较单元的输出开启或关断限流，在限流开启时，将电流采样单元的采样电流反馈至功率管的栅极，以限制流过功率管的电流。
7.可选地，限流环路控制单元还用于在负载电流恢复至正常的工作电流，功率管的输出电压恢复到正常的工作电压之前，继续输出控制功率管的栅极，并在功率管的输出电压恢复到正常值时，软关断。
8.可选地，限流环路控制单元包括电流镜、限流开关和第一电阻；电流镜的第一端连接电流采样单元的输出端，电流镜的第二端连接功率管的栅极，电流镜的第三端连接限流开关的第一端，电流镜的第四端连接电源，电流镜用于按设定比例镜像缩小电流采样单元输出的电流并反馈输出至功率管的栅极；限流开关的控制端连接电压比较单元的输出端，限流开关用于根据电压比较单元输出端的电压导通或关断；第一电阻的第一端连接限流开关的第二端，第一电阻的第二端连接电流镜的第五端，第一电阻用于根据采样电流的大小软关断电流镜的输出。
9.可选地，电流镜包括第一晶体管和第二晶体管；第一晶体管的栅极分别与电流镜的第五端以及第二晶体管的栅极连接，第一晶体管的第一极分别与第一晶体管的栅极以及电流镜的第一端连接，第一晶体管的第二极连接电流镜的第四端；第二晶体管的第一极连接电流镜的第二端，第二晶体管的第二极连接电流镜的第三端。
10.可选地，限流开关包括第三晶体管；第三晶体管的栅极连接限流开关的控制端，第三晶体管的第一极连接限流开关的第一端，第三晶体管的第二极连接限流开关的第二端。
11.可选地，电流采样单元包括第四晶体管、第五晶体管、第六晶体管、第七晶体管、第八晶体管和电流源；第四晶体管的栅极与功率管的栅极连接，第四晶体管的第一极连接电源，第四晶体管的第二极连接第六晶体管的第一极；第五晶体管的栅极与第六晶体管的栅极连接，第五晶体管的第一极连接功率管的第一极，第五晶体管的第二极连接电流源，第六晶体管的第二极连接第七晶体管的第一极，第五晶体管的栅极与第五晶体管的第二极连接；第七晶体管的栅极与第八晶体管的栅极连接，第七晶体管的第二极接地，第八晶体管的第一极连接电流采样单元的输出端，第八晶体管的第二极接地，第七晶体管的栅极与第七晶体管的第一极连接。
12.可选地，电压比较单元包括迟滞比较器，迟滞比较器的反相输入端连接电压比较单元的第一输入端，迟滞比较器的同相输入端连接电压比较单元的第二输入端，迟滞比较器的输出端连接电压比较单元的输出端。
13.第二方面，本发明实施例提供了一种线性稳压器，包括上述任一实施例提供的限流保护电路；线性稳压器还包括误差放大单元和功率管；误差放大单元的第一输入端连接线性稳压器的输出端，误差放大单元的第二输入端接入第二参考电压，误差放大单元的输出端与功率管的栅极连接，功率管的第一极作为线性稳压器的输出端，功率管的第二极连接电源。
14.可选地，线性稳压器还包括分压输出单元，分压输出单元连接在功率管的第一极与地之间，分压输出单元用于根据功率管的电流向线性稳压器的输出端输出电压。
15.可选地，分压输出单元包括第二电阻和第三电阻，第二电阻和第三电阻串联在功率管的第一极与地之间，第二电阻和第三电阻的公共端连接误差放大单元的第一输入端；线性稳压器还包括电容，电容的第一端与线性稳压器的输出端连接，电容的第二端接地。
16.本发明实施例用于低压差线性稳压器的限流保护电路，包括电流采样单元、电压比较单元和限流环路控制单元；电流采样单元用于对所述功率管的电流进行采样后输出；
电压比较单元用于根据第一输入端和第二输入端的电压向限流环路控制单元输出控制电压；限流环路控制单元用于根据电压比较单元的输出电压开启或关断限流，在限流开启时，将电流采样单元的采样电流反馈至功率管的栅极，以钳制流过功率管的电流。即本发明实施例提供的限流保护电路，通过电压比较单元输出数字信号控制限流环路控制单元开启或者关断，将限流环路控制单元的第二端连接电流采样单元的输出端，把采样电流应用于反馈，因此限流环路控制单元中输入的全部都是模拟信号，没有将模拟信号转换成数字信号的过程，通过负反馈的调节使得限流之后流过功率管的电流不会低于功率管正常工作的电流值，因此对于短时间过载就恢复正常的负载，可以使得ldo及时准确地返回正常工作状态，有利于避免ldo尤其是启动过程复杂的ldo的反复重启，降低限流保护电路的限流阈值，以便降低过流情况下ldo的功率。通过将电流采样单元的第一输入端连接低压差线性稳压器功率管的栅极，电流采样单元的第二输入端连接功率管的第一极（ldo的输出端），可以使得电流采样单元采样的流过功率管的电流更精确，从而使得限流之后流过功率管的电流不受输出电压的影响。
17.应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本发明的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。
19.图1是现有技术提供的一种ldo限流保护电路的结构示意图；
20.图2是本发明实施例提供的一种限流保护电路的结构示意图；
21.图3是本发明实施例提供的又一种限流保护电路的结构示意图；
22.图4是本发明实施例提供的又一种限流保护电路的结构示意图；
23.图5为本发明实施例提供的又一种限流保护电路的结构示意图；
24.图6是本发明实施例提供的一种限流保护电路的工作过程曲线图；
25.图7是本发明实施例提供的一种线性稳压器的结构示意图；
26.图8是本发明实施例提供的又一种线性稳压器的结构示意图。
具体实施方式
27.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，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的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
28.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或
描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
29.现有的适用于高速大电流的ldo限流保护技术中，传统限流可以达到芯片保护的功能。但是由于限流控制环节的控制信号是电流比较器的输出信号，通常需要将限流阈值设置的很高，所以难以应用于限流阈值很低的应用场景中。因为限流之后流过功率管的电流会低于功率管正常工作的电流值，所以当ldo仅仅短时间过流并恢复正常负载电流时，这种过流保护方式很难使得ldo恢复到正常的工作状态，需要给ldo重新上电启动，使得ldo恢复到正常的工作状态。
30.有鉴于此，本发明实施例提供一种用于低压差线性稳压器的限流保护电路。图2是本发明实施例提供的一种限流保护电路的结构示意图，如图2所示，该限流保护电路包括：电流采样单元10、电压比较单元20和限流环路控制单元30。
31.电流采样单元10包括第一输入端、第二输入端和输出端，电流采样单元10的第一输入端连接低压差线性稳压器功率管mp的栅极，电流采样单元10的第二输入端连接功率管mp的第一极，电流采样单元10用于对功率管mp的电流进行采样后输出。
32.电压比较单元20的第一输入端与电流采样单元10的输出端连接，电压比较单元20的第二输入端接入第一参考电压vref1；
33.限流环路控制单元30的第一端连接电压比较单元20的输出端，限流环路控制单元30的第二端连接电流采样单元20的输出端，限流环路控制单元30的第三端连接功率管mp的栅极；限流环路控制单元30用于根据电压比较单元20的输出开启或关断限流，在限流开启时，将电流采样单元10的采样电流反馈至功率管mp的栅极，以限制流过功率管mp的电流。
34.其中，功率管mp的第一极连接低压差线性稳压器的输出端，也就是说功率管mp的第一极可以作为低压差线性稳压器的输出端，功率管的第二极连接电源vin。可理解的是，当限流保护电路不工作时，流过功率管mp的电流等于ldo的输出电流（负载电流）；当限流保护电路工作时，流过功率管mp的电流不等于ldo的负载电流，也就是说，当限流保护电路工作时，流过功率管mp的电流可以小于ldo的负载电流，流过功率管mp的电流也可以大于ldo的负载电流。
35.电流采样单元10采样流过功率管mp的电流。电流采样单元10的类型可以是具有电流采样功能的集成电路，还可以是分离的晶体管搭建的具有电流采样功能的电路，本发明对此不作具体限定。功率管mp工作在饱和区，流过功率管mp的电流，其中，kn表示功率管mp的工艺参数，w/l是功率管mp的宽长比，v
gs
表示功率管mp栅极与源极之间的电压，v
ds
表示功率管mp漏极与源极之间的电压，v
t
表示功率管mp的阈值电压。因此通过电流采样单元10的第一输入端连接低压差线性稳压器功率管mp的栅极，电流采样单元10的第二输入端连接功率管mp的第一极，可以实现对流过功率管mp的精确采样，从而使得限流之后流过功率管的电流不受输出电压的影响，即使得限流之后流过功率管的电流不受漏极与源极之间的电压的影响。
36.电压比较单元20将电流采样单元10输出端的电压与第一参考电压vref1进行比
较，产生用于控制限流环路控制单元30的控制电压。可选地，可以通过基准电压源为电压比较单元20提供高精度的第一参考电压vref1。电压比较单元20的第一输入端可以为同相输入端，也可以为反相输入端；电压比较单元20的第二输入端可以为同相输入端，也可以为反相输入端。
37.限流环路控制单元30根据电压比较单元20的输出开启或关断限流。示例性地，当电压比较单元20输出高电平时，限流环路控制单元30关断限流；当电压比较单元20输出低电平时，限流环路控制单元30开启限流，将电流采样单元10的采样电流反馈至功率管mp的栅极，以钳制流过功率管mp的电流。
38.继续参考图2，该用于低压差线性稳压器的限流保护电路的工作原理为：电流采样单元10对功率管mp的电流进行采样后输出，电压比较单元20将电流采样单元10输出端的电压与第一参考电压vref1进行比较，产生用于控制限流环路控制单元30的控制电压；限流环路控制单元30根据电压比较单元20输出开启或关断限流。示例性地，当电流采样单元10输出端的电压小于第一参考电压vref1时，电压比较单元20输出高电平，限流环路控制单元30关断限流；当电流采样单元10输出端的电压大于第一参考电压vref1时，电压比较单元20输出低电平，限流环路控制单元30开启限流，将电流采样单元10的采样电流反馈至功率管mp的栅极，以限制流过功率管mp的电流。
39.本发明实施例的限流保护电路，包括电流采样单元、电压比较单元和限流环路控制单元；电流采样单元用于对功率管的电流进行采样后输出；电压比较单元用于根据第一输入端和第二输入端的电压向限流环路控制单元输出控制电压；限流环路控制单元用于根据电压比较单元的输出电压开启或关断限流，在限流开启时，将电流采样单元的采样电流反馈至功率管的栅极，以限制流过功率管的电流。即本发明实施例提供的限流保护电路，通过电压比较单元输出数字信号控制限流环路控制单元开启或者关断，将限流环路控制单元的第二端连接电流采样单元的输出端，把采样电流应用于反馈，因此限流环路控制单元中输入的全部都是模拟信号，没有将模拟信号转换成数字信号的过程，使得限流之后流过功率管的电流不会低于功率管正常工作的电流值，因此对于短时间过载就恢复正常的负载，可以使得ldo及时准确地返回正常工作状态，有利于避免ldo尤其是启动过程复杂的ldo的反复重启，降低限流保护电路的限流阈值，以便降低ldo过流情况下的功率。通过将电流采样单元的第一输入端连接低压差线性稳压器功率管的栅极，电流采样单元的第二输入端连接功率管的第一极（ldo的输出端），可以使得电流采样单元采样的流过功率管的电流更精确，从而使得限流之后流过功率管的电流不受输出电压的影响。
40.图3为本发明实施例提供的又一种限流保护电路的结构示意图，本实施例在上述各实施例的基础上，如图3所示，限流环路控制单元30还用于在负载电流恢复至正常的工作电流，功率管mp的输出电压恢复到正常的工作电压之前，继续输出控制功率管mp的栅极，并在功率管mp的输出电压恢复到正常值时，软关断。
41.其中，软关断指的是当功率管mp的输出电压恢复到正常值时，限流环路控制单元30中晶体管的栅极电压缓慢下降的过程，即此时晶体管漏极与源极之间的导电沟道没有完全消失。
42.具体地，当负载电流恢复正常时，即电流采样单元10采样的电流会逐渐减小，在此过程中，限流环路控制单元30与ldo主环路共同工作，防止ldo主环路快速上拉功率管mp的
输出电压带来的大电流；当负载电流恢复正常工作电流，功率管mp的输出电压恢复到正常的工作电压之前时，限流环路控制单元30软关断，ldo主环路工作，ldo主环路稳定输出电压，待电压比较单元20输出端的电压信号由低电平翻转为高电平时，彻底关断限流环路控制单元30。
43.限流环路控制单元30包括电流镜301、限流开关302和第一电阻r1；电流镜301的第一端连接电流采样单元10的输出端，电流镜301的第二端连接功率管mp的栅极，电流镜301的第三端连接限流开关302的第一端，电流镜302的第四端连接电源vin，电流镜301用于按设定比例镜像缩小电流采样单元10输出的电流并反馈输出至功率管mp的栅极；限流开关301的控制端连接电压比较单元20的输出端，限流开关302用于根据电压比较单元20输出端的电压导通或关断；第一电阻r1的第一端连接限流开关302的第二端，第一电阻r1的第二端连接电流镜301的第五端，第一电阻r1用于根据采样电流的大小软关断电流镜301的输出。
44.具体地，由于第一电阻r1是固定电阻，阻值不变，但是电流镜301中的晶体管随着采样电流的减小，源极和漏极之间沟道的电阻将会变大，因此当负载电流恢复至正常工作电流，功率管mp的输出电压恢复到正常的工作电压之前时，电流采样单元10输出端的采样电流主要流过第一电阻r1，使得电流镜301分流较小的尾电流源，实现限流环路控制单元30的软关断，并以限流的方式缓慢恢复功率管mp的输出电压，待电压比较单元20输出端的电压信号由低电平翻转为高电平时，彻底关断限流环路控制单元30。
45.继续参考图3，该用于低压差线性稳压器的限流保护电路的工作原理为：电流采样单元10对功率管mp的电流进行采样后输出，电压比较单元20将电流采样单元10输出端的电压与第一参考电压vref1进行比较，产生用于控制限流环路控制单元30的控制电压；限流开关302根据电压比较单元20输出开启或关断限流。示例性地，当电流采样单元10输出端的电压小于第一参考电压vref1时，电压比较单元20输出高电平，限流开关302关断，电流镜301不工作；当电流采样单元10输出端的电压大于第一参考电压vref1时，电压比较单元20输出低电平，限流开关302导通，此工作阶段分两个过程。第一个过程：电流镜301按设定比例镜像缩小电流采样单元10输出的电流并反馈输出至功率管mp的栅极，以钳制流过功率管mp的电流，此时ldo的输出电压vout下降。第二个过程：在负载电流恢复至正常的工作电流，以及ldo的输出电压vout恢复到正常的工作电压之前，电流镜301中的晶体管因为第一电阻r1软关断（此时限流环路控制单元30仍然工作），ldo主环路继续工作，当ldo的输出电压恢复到正常的工作电压时，迟滞比较器201输出端的电压信号由低电平翻转为高电平，关断限流开关302，即关断限流环路控制单元30，ldo主环路稳定输出电压vout。如果在一定的计数时间内，负载电流仍处于过流状态，将发出过流信号，关断ldo以及限流保护电路，重启后继续通过电流采样单元10对功率管mp的电流进行采样。在负载电流恢复至正常的工作电流，以及ldo的输出电压vout恢复到正常的工作电压之前，通过第一电阻r1软关断电流镜301中的晶体管，有利于避免ldo的反复重启。当ldo的输出电压恢复到正常的工作电压时，迟滞比较器201输出端的电压信号由低电平翻转为高电平，关断限流开关302，即关断限流环路控制单元30，ldo主环路稳定输出电压vout，可以使得ldo及时准确地返回正常工作状态。
46.图4为本发明实施例提供的又一种限流保护电路的结构示意图，本实施例在上述各实施例的基础上，如图4所示，电流镜301包括第一晶体管m1和第二晶体管m2；第一晶体管m1的栅极分别与电流镜301的第五端以及第二晶体管m2的栅极连接，第一晶体管m1的第一
极分别与第一晶体管m1的栅极以及电流镜301的第一端连接，第一晶体管m1的第二极连接电流镜301的第四端；第二晶体管m2的第一极连接电流镜301的第二端，第二晶体管m2的第二极连接电流镜301的第三端。
47.限流开关302包括第三晶体管m3；第三晶体管m3的栅极连接限流开关301的控制端，第三晶体管m3的第一极连接限流开关301的第一端，第三晶体管m2的第二极连接限流开关302的第二端。
48.图5为本发明实施例提供的又一种限流保护电路的结构示意图，本实施例在上述各实施例的基础上，如图5所示，电流采样单元10包括第四晶体管m4、第五晶体管m5、第六晶体管m6、第七晶体管m7、第八晶体管m8和电流源is。
49.第四晶体管m4的栅极与功率管mp的栅极连接，第四晶体管m4的第一极连接电源vin，第四晶体管m4的第二极连接第六晶体管m6的第一极；第五晶体管m5的栅极与第六晶体管m6的栅极连接，第五晶体管m5的第一极连接功率管mp的第一极，第五晶体管m5的第二极连接电流源is，第六晶体管m6的第二极连接第七晶体管m7的第一极，第五晶体管m5的栅极与第五晶体管m5的第二极连接；第七晶体管m7的栅极与第八晶体管m8的栅极连接，第七晶体管m7的第二极接地，第八晶体管m8的第一极连接电流采样单元10的输出端，第八晶体管m8的第二极接地，第七晶体管m7的栅极与第七晶体管m7的第一极连接。
50.其中，限流时流过第二晶体管m2的电流恒定为ldo中误差放大器的尾电流，误差放大器的输出端连接功率管mp的栅极。其中，第四晶体管m4镜像缩小功率管mp的电流，第四晶体管m4与功率管mp的尺寸比为1：n。n一般范围在1000～100000之间。其中，n表示第四晶体管m4的宽长比。
51.可选地，第五晶体管m5与第六晶体管的的尺寸比为1:1，第七晶体管m7与第八晶体管m8的尺寸比为1:1。当流过第四晶体管m4与流过第二晶体管m2的电流比例为k:1，流过功率管mp与流过第四晶体管m4的电流比例为n：1，则此时流过功率管mp的电流恒定为iout=n*k*il，il为ldo中误差放大器的尾电流。通过第五晶体管m5和第六晶体管m6组成的第一电流镜使得第六晶体管m6第一极的电压等于第五晶体管m5第一极的电压等于ldo的输出电压vout（即功率管mp的输出电压），从而可以提高第四晶体管m4的采样精度。
52.电流采样单元10的工作过程为：
53.当流过功率管mp的电流较小，镜像到第四晶体管m4的电流也很小，通过第五晶体管m5和第六晶体管m6组成的第一电流镜使得第六晶体管m6第一极的电压等于第五晶体管m5第一极的电压等于ldo的输出电压vout（即功率管mp的输出电压），电流再镜像到第七晶体管m7和第八晶体管m8组成的第二电流镜输出。
54.限流环路控制单元30的第一晶体管m1、第二晶体管m2和第三晶体管m3，电流采样单元10的第四晶体管m4、第五晶体管m5和第六晶体管m6均包括pmos，第七晶体管m7和第八晶体管m8均包括nmos。
55.电压比较单元20包括迟滞比较器201，迟滞比较器201的反相输入端连接电压比较单元20的第一输入端，迟滞比较器201的同相输入端连接电压比较单元20的第二输入端，迟滞比较器201的输出端连接电压比较单元20的输出端。
56.迟滞比较器201有两个门限电压。反相输入端的电压由大变小时，对应下门限电压，小到比下门限电压小一点时，输出跳变为高电平；反相输入端的电压输入由小变大时，
对应上门限电压，大到比上门限电压大一点时，输出跳变为低电平。在两个门限电压之间，输出保持原来的输出。因此，第一参考电压vref1会随着输出的翻转而变化。
57.继续参考图5，该用于低压差线性稳压器的限流保护电路的工作原理为：第四晶体管m4对功率管mp的电流进行采样，第七晶体管m7为被镜像管，将采样电流镜像给镜像管第八晶体管m8后输出，迟滞比较器201将电流采样单元10输出端的电压与第一参考电压vref1（第一参考电压vref1会随着输出的翻转而变化）进行比较，产生用于控制限流环路控制单元30的控制电压；第三晶体管m3根据迟滞比较器201输出开启或关断限流。示例性地，当电流采样单元10输出端的电压由大变小时，小到比第一参考电压vref1（此时第一参考电压vref1为负电压）小一点时，电压比较单元20输出高电平，第三晶体管m3关断，电流镜301不工作；当电流采样单元10输出端的电压由小变大时，大到比第一参考电压vref1（此时第一参考电压vref1为正电压）大一点时，电压比较单元20输出低电平，第三晶体管m3导通，此工作阶段分两个过程。第一个过程：电流镜301按设定比例镜像缩小电流采样单元10输出的电流并反馈输出至功率管mp的栅极，以钳制流过功率管mp的电流，此时ldo的输出电压vout下降。第二个过程：在负载电流恢复至正常的工作电流，以及ldo的输出电压vout恢复到正常的工作电压之前，电流镜301中的第一晶体管m1和第二晶体管m2因为第一电阻r1软关断（此时第一晶体管m1和第二晶体管m2仍然工作），ldo主环路继续工作，当ldo的输出电压恢复到正常的工作电压时，迟滞比较器201输出端的电压信号由低电平翻转为高电平，关断第三晶体管m3，即关断限流环路控制单元30，ldo主环路稳定输出电压vout。如果在一定的计数时间内，负载电流仍处于过流状态，将发出过流信号，关断ldo以及限流保护电路，重启后继续通过第四晶体管m4对功率管mp的电流进行采样。在负载电流恢复至正常的工作电流，以及ldo的输出电压vout恢复到正常的工作电压之前，通过第一电阻r1软关断第一晶体管m1和第二晶体管m2，有利于避免ldo的反复重启。
58.图6为本发明实施例提供的一种限流保护电路的工作过程曲线图，如图6所示，该工作过程曲线图可适用于图5所示的限流保护电路。结合图5和图6，示例性地，601表示流过负载的电流曲线（负载电流曲线），602表示流过功率管mp的电流曲线，603表示ldo的输出电压曲线，该限流保护电路的工作过程包括多个阶段。
59.第一阶段t1，即ldo处于正常工作阶段，流过功率管mp的电流小于限流阈值icl，此时限流环路控制单元30不工作，流过功率管mp的电流等于负载电流。当负载电流上升至限流阈值icl，迟滞比较器201发出限流信号，打开限流环路控制单元30，进入限流过程的第二阶段t2。
60.第二阶段t2，此时的负载电流处于限流阈值icl附近，限流环路控制单元30工作，限制流过功率管mp的电流低于负载电流，导致ldo的输出电压vout降低，ldo芯片内功率降低，达到保护ldo芯片的目的。
61.第三阶段t3，负载电流恢复至正常的工作电流iout,nom，在ldo的输出电压恢复到正常的工作电压vout,nom之前，第一晶体管m1和第二晶体管m2因为第一电阻r1软关断，（此时限流环路控制单元30仍然工作），防止ldo主环路快速上拉ldo输出电压vout带来的大电流，当ldo的输出电压vout恢复到正常的工作电压vout,nom时，迟滞比较器201输出端的电压信号由低电平翻转为高电平，关断第三晶体管m3（即关断限流环路控制单元30），ldo主环路稳定输出电压vout。
62.图7为本发明实施例提供的一种线性稳压器的结构示意图，如图7所示，该线性稳压器包括上述任一实施例提供的限流保护电路。图7示意性给出了该线性稳压器包括图5提供的限流保护电路的情况。
63.线性稳压器还包括误差放大单元40和功率管mp；误差放大单元40的第一输入端连接线性稳压器的输出端，误差放大单元40的第二输入端接入第二参考电压vref2，误差放大单元40的输出端与功率管mp的栅极连接，功率管mp的第一极作为线性稳压器的输出端，功率管mp的第二极连接电源vin。
64.其中，误差放大单元40可以是一个带pmos差分输入对的单通道ab类增益。误差放大单元40将反馈电压与第二参考电压vref2进行比较，产生用于控制功率管mp栅极的误差电压，调整流过功率管mp的导通电流，使ldo的输出电压vout稳定。其中，可以通过基准电压源为误差放大单元10提供高精度的参考电压vref2。误差放大单元40的第一输入端可以为同相输入端，也可以为反相输入端；误差放大单元40的第二输入端可以为同相输入端，也可以为反相输入端。图7示意性给出了误差放大单元40的第一输入端为同相输入端，误差放大单元40的第二输入端为反相输入端的情况。
65.功率管mp又称调整管，它的主要作用是输入向负载提供大电流的通道。功率管mp的第二极连接电源vin，功率管mp的第一极连接ldo的输出端。也就是说，功率管mp的第一极可以作为ldo的输出端。功率管mp包括但不限于采用npn管、pnp管、pmos管或者nmps管。图7示意性示出了功率管mp采用pmos管的情况。线性稳压器输出端的输出电压vout驱动与其连接的负载。另外，功率管mp为减小导通电阻增大输出电流的能力，功率管mp的沟道长度通常较小，而宽度较大，即功率管mp的宽长比通常取值较大，一般大于或者等于1000，故功率管mp的栅极具有较大的寄生电容。
66.线性稳压器的工作原理是通过负反馈作用调整流过功率管mp的输出电流，使输出电压vout保持稳定。继续参考图7，第二参考电压vref2与误差放大单元40的反相输入端相连，输出电压vout通过反馈网路将产生的反馈电压与误差放大单元40的同相输入端相连。当输出电压vout降低时，输出电压vout经反馈网路传输至误差放大单元40的同相输入端，误差放大单元40反相输入端的电压降低，第二参考电压vref2与反馈电压的差值减小，功率管mp的栅极电压降低，栅源电压差值增加，功率管mp的漏极电流增加，即输出电流增加，输出电压vout升高，抑制了输出电压vout的进一步降低，从而使输出电压vout保持稳定。相反，当输出电压vout升高时，误差放大单元40的同相输入端的电压升高，第二参考电压vref2与反馈电压的差值增大，功率管mp栅极电压增大，功率管mp的漏极电流减小，即ldo的输出电流减小，输出电压vout降低。这样线性稳压器总是处于深度负反馈状态对输出电压vout进行连续校正，使输出电压vout总是稳定的。
67.图8为本发明实施例提供的又一种线性稳压器的结构示意图，如图8所示，线性稳压器还包括分压输出单元50，分压输出单元50连接在功率管mp的第一极与地之间，分压输出单元50用于根据功率管mp的电流向线性稳压器的输出端输出电压。
68.分压输出单元50包括第二电阻r2和第三电阻r3，第二电阻r2和第三电阻r3串联在功率管mp的第一极与地之间，第二电阻r2和第三电阻r3的公共端连接误差放大单元40的第一输入端；
69.线性稳压器还包括电容cl，电容cl的第一端与线性稳压器的输出端连接，电容cl
的第二端接地。
70.线性稳压器的工作过程为：
71.第二电阻r2和第三电阻r3对线性稳压器输出端的输出电压vout进行采集，将采集的电压输入到误差放大单元40的同相输入端，与误差放大单元40反相输入端的第二参考电压vref2进行比较，再将比较结果进行放大，放大后的信号输出到功率管mp的栅极。
72.当输出电压vout由于负载变化或其他原因导致电压下降时，即公共端a点的电压下降，公共端a点的电位经反馈网路传输至误差放大单元40的同相输入端（第一输入端），与误差放大单元40反相输入端（第二输入端）的第二参考电压vref2进行比较，误差放大单元40的输出电压减小，使得功率管mp栅极的电压下降，功率管mp源极的电压不变，进而使得功率管mp栅极与源极之间压差的绝对值|vgs|增加，功率管mp的漏极电流增加，输出电流增加，并对电容cl进行充电，使得输出电压vout上升，完成一次反馈控制，使得公共端a点的电位又回到正常电位。
73.当输出电压vout增大时，公共端a点电压增大，误差放大单元40的输出电压增加，使得功率管mp栅极的电压增大，功率管mp源极的电压不变，进而使得功率管mp栅极与源极之间压差的绝对值|vgs|减小，功率管mp的漏极电流减小，输出电流减小，电容cl放电给负载提供电流，ldo输出端的输出电压vout减小。因而输出反馈到误差放大单元40的反馈电压也减小，误差放大单元40的输出电压降低，此时误差放大单元40输出端后接的功率管mp栅极的电压随之拉低，功率管mp栅极与源极之间压差的绝对值|vgs|增大，提供负载的输出电流增大，电容cl停止放电，ldo输出端的输出电压vout不再继续降低，并开始回升。这样线性稳压器总是处于深度负反馈状态，对ldo输出端的输出电压vout进行连续校正，使ldo输出端的输出电压vout总是稳定的。
74.上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。

技术特征：
1.一种用于低压差线性稳压器的限流保护电路，其特征在于，包括：电流采样单元、电压比较单元和限流环路控制单元；所述电流采样单元包括第一输入端、第二输入端和输出端，所述电流采样单元的第一输入端连接低压差线性稳压器功率管的栅极，所述电流采样单元的第二输入端连接所述功率管的第一极，所述电流采样单元用于对所述功率管的电流进行采样后输出；所述电压比较单元的第一输入端与所述电流采样单元的输出端连接，所述电压比较单元的第二输入端接入第一参考电压；所述限流环路控制单元的第一端连接所述电压比较单元的输出端，所述限流环路控制单元的第二端连接所述电流采样单元的输出端，所述限流环路控制单元的第三端连接所述功率管的栅极；所述限流环路控制单元用于根据所述电压比较单元的输出开启或关断限流，在限流开启时，将所述电流采样单元的采样电流反馈至功率管的栅极，以限制流过功率管的电流。2.根据权利要求1所述的限流保护电路，其特征在于，所述限流环路控制单元还用于在负载电流恢复至正常的工作电流，所述功率管的输出电压恢复到正常的工作电压之前，继续输出控制所述功率管的栅极，并在所述功率管的输出电压恢复到正常值时，软关断。3.根据权利要求1或2所述的限流保护电路，其特征在于，所述限流环路控制单元包括电流镜、限流开关和第一电阻；所述电流镜的第一端连接所述电流采样单元的输出端，所述电流镜的第二端连接所述功率管的栅极，所述电流镜的第三端连接所述限流开关的第一端，所述电流镜的第四端连接电源，所述电流镜用于按设定比例镜像缩小所述电流采样单元输出的电流并反馈输出至所述功率管的栅极；所述限流开关的控制端连接所述电压比较单元的输出端，所述限流开关用于根据所述电压比较单元输出端的电压导通或关断；所述第一电阻的第一端连接所述限流开关的第二端，所述第一电阻的第二端连接所述电流镜的第五端，所述第一电阻用于根据所述采样电流的大小软关断所述电流镜的输出。4.根据权利要求3所述的限流保护电路所述限流环路控制单元，其特征在于，所述电流镜包括第一晶体管和第二晶体管；所述第一晶体管的栅极分别与所述电流镜的第五端以及所述第二晶体管的栅极连接，所述第一晶体管的第一极分别与所述第一晶体管的栅极以及所述电流镜的第一端连接，所述第一晶体管的第二极连接所述电流镜的第四端；所述第二晶体管的第一极连接所述电流镜的第二端，所述第二晶体管的第二极连接所述电流镜的第三端。5.根据权利要求3所述的限流保护电路所述限流环路控制单元，其特征在于，所述限流开关包括第三晶体管；所述第三晶体管的栅极连接所述限流开关的控制端，所述第三晶体管的第一极连接所述限流开关的第一端，所述第三晶体管的第二极连接所述限流开关的第二端。6.根据权利要求1所述的限流保护电路，其特征在于，所述电流采样单元包括第四晶体管、第五晶体管、第六晶体管、第七晶体管、第八晶体管和电流源；所述第四晶体管的栅极与所述功率管的栅极连接，所述第四晶体管的第一极连接电源，所述第四晶体管的第二极连接所述第六晶体管的第一极；所述第五晶体管的栅极与所述第六晶体管的栅极连接，所述第五晶体管的第一极连接所述功率管的第一极，所述第五晶体管的第二极连接所述电流源，所述第六晶体管的第二
极连接所述第七晶体管的第一极，所述第五晶体管的栅极与所述第五晶体管的第二极连接；所述第七晶体管的栅极与所述第八晶体管的栅极连接，所述第七晶体管的第二极接地，所述第八晶体管的第一极连接所述电流采样单元的输出端，所述第八晶体管的第二极接地，所述第七晶体管的栅极与所述第七晶体管的第一极连接。7.根据权利要求1所述的限流保护电路，其特征在于，所述电压比较单元包括迟滞比较器，所述迟滞比较器的反相输入端连接所述电压比较单元的第一输入端，所述迟滞比较器的同相输入端连接所述电压比较单元的第二输入端，所述迟滞比较器的输出端连接所述电压比较单元的输出端。8.一种线性稳压器，其特征在于，包括权利要求1-7任一项所述的限流保护电路；所述线性稳压器还包括误差放大单元和功率管；所述误差放大单元的第一输入端连接所述线性稳压器的输出端，所述误差放大单元的第二输入端接入第二参考电压，所述误差放大单元的输出端与所述功率管的栅极连接，所述功率管的第一极作为所述线性稳压器的输出端，所述功率管的第二极连接电源。9.根据权利要求8所述的线性稳压器，其特征在于，还包括分压输出单元，所述分压输出单元连接在所述功率管的第一极与地之间，所述分压输出单元用于根据所述功率管的电流向所述线性稳压器的输出端输出电压。10.根据权利要求8所述的线性稳压器，其特征在于，所述分压输出单元包括第二电阻和第三电阻，所述第二电阻和所述第三电阻串联在所述功率管的第一极与地之间，所述第二电阻和所述第三电阻的公共端连接所述误差放大单元的第一输入端；所述线性稳压器，还包括电容，所述电容的第一端与所述线性稳压器的输出端连接，所述电容的第二端接地。

技术总结
本发明公开了一种用于低压差线性稳压器的限流保护电路和线性稳压器，限流保护电路包括：电流采样单元、电压比较单元和限流环路控制单元；限流环路控制单元的第一端连接电压比较单元的输出端，限流环路控制单元的第二端连接电流采样单元的输出端，限流环路控制单元的第三端连接功率管的栅极；限流环路控制单元用于根据电压比较单元的输出开启或关断限流，在限流开启时，将电流采样单元的采样电流反馈至功率管的栅极，以限制流过功率管的电流。本发明实施例可以使得LDO短时间过流时，及时准确地返回正常工作状态，有利于避免LDO尤其是启动过程复杂的LDO的反复重启，可以降低限流保护电路的限流阈值，以便降低LDO过流情况下的功率。功率。功率。


技术研发人员：许伟伟 王冬雯
受保护的技术使用者：合肥乘翎微电子有限公司
技术研发日：2023.05.31
技术公布日：2023/7/12