一种高压LDO的限流电路及其限流方法与流程

本发明涉及一种限流电路及其限流方法，特别是一种高压ldo的限流电路及其限流方法，属于半导体集成电路。

背景技术：

1、现有技术的高压ldo（vin高于5v）及其限流电路结构如图3所示，现有技术的限流电路118由以下器件组成：电流采样管112、高压钳位运放113、电流源114、电阻116、电阻117以及限流比较器115。正常工作的时候，高压pmos 112和109同类型，它们的vgs和vds（通过运放113钳位）都相等，假设109和112的w/l的倍数等于k，假设流过109的电流等于限流值i1，流过112的电流等于i2，所以i2=i1/k，假设电阻117、116的阻值分别是r3、r4，所以限流环起作用的时候，i2*r3=ibias2*r4，我们得到i1*r3/k=ibias*r4，最后得到限流值i1= k*ibias*r4/r3。我们可以看到这样的限流结构，会增加电路复杂性，增加芯片的面积以及功耗，在芯片集成度越来越高，功耗越来越低的背景下，现有技术方案不具备优势。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是提供一种高压ldo的限流电路及其限流方法，电路结构简单、占芯片面积小、功耗低。

2、为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

3、一种高压ldo的限流电路，包含金属电阻和运算放大器，金属电阻的一端与运算放大器的同向输入端连接并连接输入信号vin，金属电阻的另一端与运算放大器的反向输入端和功率管的源极连接并连接输入信号vin2，运算放大器的输出端作为限流电路的输出端与高压ldo的节点vc连接。

4、进一步地，所述金属电阻为正温度系数的金属电阻。

5、进一步地，所述金属电阻的阻值为100-200mohm。

6、进一步地，所述运算放大器包含基准电流源、第一低压nmos管、第二低压nmos管、第三低压nmos管、第一高压nmos管、第二高压nmos管、第一电阻、第二电阻、第一高压pmos管、第二高压pmos管、第一低压pmos管、第二低压pmos管、第一pnp三极管、第二pnp三极管、第三电阻、第四电阻、电容、第一齐纳二极管、第五电阻、第二齐纳二极管、第三低压pmos管、第四低压nmos管、第五低压nmos管、第六低压nmos管、第七低压nmos管和第三pnp三极管；

7、基准电流源的一端连接低压电源vdda，基准电流源的另一端与第一低压nmos管的漏极、第一低压nmos管的栅极、第二低压nmos管的栅极和第三低压nmos管的栅极连接于节点vbn，第一低压nmos管的源极、第二低压nmos管的源极和第三低压nmos管的源极接地；

8、第二低压nmos管的漏极与第一高压nmos管的源极连接，第三低压nmos管的漏极与第二高压nmos管的源极连接，第一高压nmos管的栅极和第二高压nmos管的栅极连接低压电源vdda，第一高压nmos管的漏极与第一电阻的一端连接，第二高压nmos管的漏极与第二电阻的一端、电容的一端、第一齐纳二极管的阴极、第五电阻的一端和第三pnp三极管的基极连接于节点out1，第一电阻的另一端与第一高压pmos管的漏极、第一高压pmos管的栅极、第一低压pmos管的栅极、第二低压pmos管的栅极和第二高压pmos管的栅极连接于节点vbp，第一高压pmos管的源极与第一低压pmos管的漏极连接，第二电阻的另一端与第二高压pmos管的漏极连接，第二高压pmos管的源极与第二低压pmos管的漏极连接；

9、第一低压pmos管的源极与第一pnp三极管的集电极、第一pnp三极管的基极和第二pnp三极管的基极连接于节点vs1，第二低压pmos管的源极与第二pnp三极管的集电极连接于节点vs2，第一pnp三极管的发射极与第三电阻的一端连接于节点ve1，第二pnp三极管的发射极与第四电阻的一端连接于节点ve2，第三电阻的另一端与金属电阻的一端连接并连接输入信号vin，第四电阻的另一端与金属电阻的另一端连接并连接输入信号vin2；

10、第五电阻的另一端与第二齐纳二极管的阴极、第三低压pmos管的栅极、第四低压nmos管的栅极和第五低压nmos管的栅极连接于节点out2，第三低压pmos管的源极连接低压电源vdda，第三低压pmos管的漏极与第四低压nmos管的漏极、第六低压nmos管的栅极和第七低压nmos管的栅极连接，第四低压nmos管的源极与第五低压nmos管的漏极和第六低压nmos管的源极连接，第六低压nmos管的漏极连接低压电源vdda，第七低压nmos管的漏极连接节点vc，第七低压nmos管的源极与第三pnp三极管的发射极连接，电容的另一端、第一齐纳二极管的阳极、第二齐纳二极管的阳极、第五低压nmos管的源极和第三pnp三极管的集电极接地。

11、进一步地，所述第一低压nmos管、第二低压nmos管和第三低压nmos管的尺寸相同。

12、进一步地，所述第一高压pmos管和第二高压pmos管的尺寸相同，第一低压pmos管和第二低压pmos管的尺寸相同。

13、进一步地，所述第一pnp三极管和第二pnp三极管的单个尺寸相同，第一pnp三极管的m=1，第二pnp三极管的m=n，第三电阻和第四电阻的阻值相同。

14、进一步地，所述第五电阻、第三低压pmos管、第四低压nmos管、第五低压nmos管和第六低压nmos管组成一个施密特触发器。

15、一种基于高压ldo的限流电路的限流方法，包含以下步骤：

16、基准电流源的基准电流ibias流入第一低压nmos管，由于第一低压nmos管、第二低压nmos管和第三低压nmos管的尺寸相同，通过电流镜第二低压nmos管和第三低压nmos管产生的电流等于基准电流ibias；

17、由于第一高压pmos管和第二高压pmos管的尺寸相同，第一低压pmos管和第二低压pmos管的尺寸相同，且第二低压nmos管和第三低压nmos管产生的电流都等于基准电流ibias，根据电流的公式i=1/2μcox*w/l*（vgs-vth）2，第一低压pmos管和第二低压pmos管的源极电压相等，即节点vs1的电压等于节点vs2的电压；

18、第一pnp三极管的m=1，第二pnp三极管的m=n，第一pnp三极管和第二pnp三极管的尺寸相同，第三电阻和第四电阻的阻值相等且阻值为r5，金属电阻阻值为r6；

19、当高压ldo的负载电流il为0的时候，此时节点ve1的电压等于vin-ibias*r5，节点ve2的电压等于vin2-ibias*r5，此时vin=vin2，可以得出节点ve1的电压等于节点ve2的电压第一pnp三极管和第二pnp三极管的基射电压vbe和集射电压vce分别相等；由于第一pnp三极管的m=1，第二pnp三极管的m=n，因此流过第一pnp三极管的电流等于ibias，流过第二pnp三极管的电流理论上可以得到n*ibas，但是受限于同一条支路上第一低压nmos管的电流，所以第二pnp三极管最终只能流过ibias的电流；通过第二pnp三极管和第一低压nmos管的电流比较，此时节点out1的电压会上拉到第一齐纳二极管的钳位电压，第五电阻、第三低压pmos管、第四低压nmos管、第五低压nmos管和第六低压nmos管组成一个施密特触发器，这时候第七低压nmos管的栅极电压ng_rd为低，第三pnp三级管的基极电压为高，此时限流电路不起作用；

20、当高压ldo的负载电流il大于0的时候，节点vin2的电压等于vin-il*r6，所以节点ve2的电压等于vin2-ibias*r5-il*r6，而节点ve1的电压为vin-ibias*r5，可以看出节点ve2的电压小于节点ve1的电压，由于第一pnp三极管和第二pnp三极管的基级电压一样，所以第二pnp三极管的基射电压vbe2小于第一pnp三极管的基射电压vbe1；当高压ldo的负载电流il从0开始慢慢变大的时候，在负载电流il达到限流值之前，第一pnp三极管的电流受限于第三低压nmos管的电流会一直维持在ibias，节点out1的电压会维持为高；

21、当高压ldo的负载电流il达到限流值ilim的时候，第二pnp三极管和第一pnp三极管的基射电压差△vbe=vbe2-vbe1=ve1-ve2=il*r6，第一pnp三极管和第二pnp三极管的饱和电流分别是is1和is2，由于第一pnp三极管的m=1，第二pnp三极管的m=n，所以is2=n*is1；在高压ldo的负载电流il刚达到限流值ilim的时候，第一pnp三极管和第二pnp三极管的基极电流ic1和ic2是相等的，且ic1=ic2=ibias,根据公式vbe2-vbe1=vt*ln（ibias/is1）-vt*ln（ibias/n*is1）=vt*ln n，vt*ln n相当于限流比较器的offset，当金属电阻两端的压差达到offset=vt*ln n的时候，这时候第一pnp三极管的电流维持不了ibias，也就是说流过第一pnp三极管的电流小于ibias，此时节点out1的电压会被下拉到地；此时第七低压nmos管的栅极电压ng_rd为高，第三pnp三级管的基极电压为低，限流电路起作用，此时限流值ilim=(vt*ln n)/r6；vt*ln n是一个正温度系数的值,因此金属电阻的阻值r6也选择一个与vt*ln n正温度系数相当的正温度系数的值，用来抵消温度对限流值的影响。

22、本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：本发明提供了一种高压ldo的限流电路及其限流方法，电路结构简单、占用芯片面积小、功耗低；本发明相比于现有技术，不需要高压的钳位运放，也不需要额外的偏置电流ibias，只需要在功率管的源极串联一个正温度系数的金属电阻，金属电阻对ldo的功能和效率影响很小，金属电阻两端压降被采集到运算放大器进行比较，当ldo的负载电流达到限流值时，金属电阻两端压降超过运算放大器设置的offset=vt*ln n，运算放大器的输出电压会被下拉，节点vpg电压会被上拉，达到高压ldo限流的目的。