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CN110134176A - Ldo电路及无线充电系统 - Google Patents

Ldo电路及无线充电系统 Download PDF

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CN110134176A
CN110134176A CN201910474349.1A CN201910474349A CN110134176A CN 110134176 A CN110134176 A CN 110134176A CN 201910474349 A CN201910474349 A CN 201910474349A CN 110134176 A CN110134176 A CN 110134176A
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Abstract

本公开提供了一种LDO电路及无线充电系统，LDO电路包括：LDO模块及电流检测和限流模块；LDO模块包括：第一比较器，反相输入端用于接入带隙基准电压VBGR；第一PMOS，栅极与第一比较器的输出端连接；电阻R1，第一端与第一PMOS的漏极连接；变阻器R2，第一端与电阻R1的第二端连接；及二输入多路选择器，第一输入端与电阻R1的第二端连接，输出端与第一比较器的同相输入端连接；以及电流检测和限流模块包括：电流传感器，第一端与第一PMOS的栅极连接，第二端与选择器的第二输入端连接；及第二比较器，同相输入端与二输入多路选择器的第二输入端连接，反相输入端用于接入基准电压VBGR，输出端与二输入多路选择器的控制端连接。本公开LDO电路及无线充电系统减小了电路成本与复杂度。

Description

LDO电路及无线充电系统
技术领域
本公开涉及一种带有电流检测和限流保护的LDO电路及无线充电系统。
背景技术
在现代社会中，使用各种电子设备的地方越来越多，其范围和数量也在不断增加。这些电子设备基本上都需要充电。而目前大部分电源都会通过LDO后对后续的核心电路进行供电。这样既可以保证电源的稳定，又可以保证电路正常工作。
如图1所示，在无线充电系统中，接收器将交流电源转换为直流电源，但是由于直流电源内纹波影响，对负载正常工作产生影响，因此一般通过LDO对负载电路进行供电。而如何对LDO输出电流进行检测以及限流保护电路对负载电路的安全性显得十分重要，特别是对于无线充电系统，其对输出电流的控制以及对负载的保护是实现稳定高效率无线充电系统的关键。
图2为现有LDO电路示意图。当VOUT高于设计值时，VFB高于VBGR，导致放大器输出高于设计值，从而使功率管PMOS的栅极与源极之间电压VGS减小，使得主电流通路电流减小，使得VOUT减小。同理可知，当VOUT低于设计值时，环路会使得VOUT增加。从而使VOUT稳定在设计电压上。图2所示LDO电路的一个明显的缺陷是无法控制输出电流的大小。在功率管驱动能力足够的情况下，其负载电阻越低，流过负载的电流越大，无法对负载及时提供限流保护。在实际应用中，有可能对负载造成不可逆的损坏。
图3为现有LDO检测及限流电路示意图，其LDO包含电流模块环路和电压模块环路，其通过两个比较器来实现两个环路的闭合，这两个环路独立工作且共同作用于G点来实现对输出电流电压的控制。此电路的缺点在于需要两个高性能比较器，而在无线充电系统中，这两个高性能比较器工作在高压情况下，因此必须采用高压器件，从而大大增加了电路面积成本。同时，该电路采用了charge pump模块，使G点处于约为VRECT+VTH的高压工作状态，不仅增加了芯片面积，而且对系统稳定性以及功率传输效率产生影响。
发明内容
(一)要解决的技术问题
鉴于上述问题，本公开的主要目的在于提供一种LDO电路及无线充电系统，以便解决上述问题的至少之一。
(二)技术方案
为了达到上述目的，作为本公开的一个方面，提供了一种LDO电路，包括：LDO模块、以及电流检测和限流模块；其中
所述LDO模块，包括：
第一比较器，其反相输入端用于接入一带隙基准电压VBGR；
第一PMOS，其栅极与所述第一比较器的输出端连接；
电阻R1，其第一端与所述第一PMOS的漏极连接；
变阻器R2，其第一端与所述电阻R1的第二端连接，第二端接地；及
二输入多路选择器，其第一输入端与所述电阻R1的第二端连接，输出端与所述第一比较器的同相输入端连接；以及
所述电流检测和限流模块，包括：
电流传感器，其第一端与所述第一PMOS的栅极连接，第二端与所述二输入多路选择器的第二输入端连接；及
第二比较器，其同相输入端与所述二输入多路选择器的第二输入端连接，反相输入端用于接入所述基准电压VBGR，输出端与所述二输入多路选择器的控制端连接。
在一些实施例中，所述第二比较器的同相输入端接入的电压为VLIM，用于比较所述检测电压VLIM与基准电压VBGR，并根据比较结果输出控制信号OCL_EN；
所述二输入多路选择器的控制端用于接收所述第二比较器输出的控制信号OCL_EN，并根据所述控制信号OCL_EN切换电流模式环路或者电压模式环路。
在一些实施例中，若VLIM高于VBGR，则电流环路模式闭合，电压模式环路断开；若VLIM低于VBGR，则电压模式环路闭合，电流环路模式断开。
在一些实施例中，所述电流传感器包括：第二PMOS，其栅极与所述第一PMOS的栅极连接，源极与所述第一PMOS的源极连接，漏极分别与一电阻RLIM的第一端、所述二输入多路选择器的第二输入端以及所述第二比较器的同相输入端连接，所述电阻RLIM的第二端接地。
在一些实施例中，所述第一PMOS与第二PMOS构成共源共栅电流镜；所述第二PMOS与所述电阻RLIM连接处的电流即为检测电流ILIM，连接处的电压即为检测电压VLIM，二者满足以下关系式：VLIM＝ILIM×RLIM。
在一些实施例中，所述的LDO电路还包括，基准模块，与所述第一比较器的反相输入端连接，用于提供所述基准电压VBGR。
在一些实施例中，所述的LDO电路还包括，源极跟随器缓冲器，其连接在所述第一比较器的输出端与所述第一PMOS的栅极之间。
在一些实施例中，式中，Ratio表示第一PMOS与第二PMOS的比值，IOUT表示LDO的输出电流值，RLIM表示检测电阻值。
根据本公开的另一个方面，还提供了一种无线充电系统，其包括所述的LDO电路。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开LDO电路及无线充电系统至少具有以下有益效果其中之一：
(1)LDO电路及无线充电系统包括电流检测和限流模块，可以实现即时电流检测以及限流。
(2)通过对电压模式环路与电流模式环路的切换可实现限流，且两种模式环路共用一个比较器，避免使用charge pump模块，减小了电路成本与复杂度。
附图说明
图1为现有无线电力传输系统示意图。
图2为现有LDO电路示意图。
图3为现有LDO检测及限流电路示意图。
图4为依据本公开一实施例LDO电路示意图。
图5为依据本公开一实施例限流开启和限流关闭的LDO时序图。
图6为依据本公开另一实施例LDO电路示意图。
<符号说明>
P1-片上，P2-片下；1-交流电源，2-整流器，3-LDO，4-负载，5、6-比较器，7-电荷泵；10-LDO模块，20-电流检测和限流模块；101、201-第一比较器，102、202-第二比较器，103、203-二输入多路选择器，104、204-电流传感器，205-源极跟随器缓冲器，206-限制器，207-基准模块，ER-外部电阻，FRC-反馈电阻控制(Feedback resistor control)。
具体实施方式
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开作进一步的详细说明。
本公开提供的LDO是一种带有电流检测和限流保护的LDO电路。与现有LDO相比，其只用一个比较器可实现电流检测和限流的功能，避免了使用电荷泵模块。
在一实施例中，如图4所示，所述LDO电路包括：
第一比较器101，其具有一反相输入端，一同相输入端，一电源端及一输出端，反相输入端用于接入一带隙基准电压VBGR，电源端用于接入电源电压VDD_5V；当然，电源电压VDD并不限于5V；
第一PMOS MPl，其栅极与所述第一比较器101的输出端连接，其源极和漏极之间连接有一寄生二极管，源极接电压VRECT；
电流传感器104，其第一端与所述第一PMOS MP1的栅极连接，第三端接电压VRECT；
电阻R1，其第一端与所述第一PMOS MP1的漏极连接；
变阻器R2，其第一端与所述电阻R1的第二端连接，第二端接地；
第二比较器102，其反相输入端用于接入带隙基准电压VBGR，同相输入端与所述电流传感器的第二端连接，用于接入检测电压VLIM；
二输入多路选择器103，其控制端与所述第二比较器102的输出端连接，第一输入端与所述电阻R1的第二端连接，第二输入端与所述电流传感器104的第二端及所述第二比较器102的同相输入端连接，输出端与所述第一比较器101的同相输入端连接。
此外，一负载电容CLOAD，其第一端与所述第一PMOS的漏极连接，其第二端接地；
一负载电阻RLOAD，其第一端与所述第一PMOS的漏极连接，其第二端接地；其中，所述负载电容CLOAD与所述负载电阻RLOAD的连接处的电压为VOUT；
一电阻RLIM，其第一端与所述电流传感器的第二端连接，其第二端接地，所述电阻RLIM与所述电流传感器的连接处的电压为VLIM。
本实施例LDO电路包括电压模式环路以及电流模式环路。通过多路选择器来实现电压模式环路以及电流模式环路的断开和闭合，从而切换电压模式环路以及电流模式环路。
具体的，当负载较大，流过负载电流IoUT较小的情况下，所述第二比较器输出OCL_EN为低电平，所述二输入多路选择器的控制端接收所述第二比较器输出的低电平，从而电压模式环路闭合，电流模式环路断开(所述电阻R1的第二端与所述二输入多路选择器的第一输入端之间通路，所述电流传感器的第二端与所述二输入多路选择器的第二输入端之间断路)，且此时电流检测器可持续检测输出电流。
当负载较小，流过负载电流IoUT变大，VLIM增大，在IoUT高于限流值ILIM的情况下，导致VLIM增大到高于设定值VBGR时，所述第二比较器输出OCL_EN为高电平，所述二输入多路选择器的控制端接收所述第二比较器输出的高电平，从而电压模式环路断开，电流模式环路闭合，此时输出电流会稳定在设计最大值上，IoUT一直为限流值ILIM，从而达到电流检测和限流保护的效果，因此，本实施例LDO电路实现电流检测和限流。
图5为本实施例带有电流检测以及限流保护的LDO电路的时序图。其中，深色实线表示限流开启时各个关键信号变化情况；虚线表示限流关闭时各个关键信号变化情况。
如图5所示，在Φ0时刻，系统关闭，所有信号处于初始状态。在Φ1时刻，VDD处于上电阶段，此时各个信号逐渐建立起来，系统正常工作，此时系统处于电压模式环路工作状态。
在Φ2时刻，对于开启限流功能来说，即OCL ON，由于IOUT高于限流值，使得VLIM高于VBGR，导致OCL_EN为高电平，从而使得系统从电压模式进入电流模式，只要VLIM高于VBGR，其输出电流IOUT一直为限流值。对于未开启限流功能来说，即OCL OFF，由于OCL_EN一直为低电平，使得系统一直处于电压模式状态，如虚线所示，系统无限流作用，IOUT可以高于限流值。
在Φ3时刻，对于开启限流功能来说，即OCL ON，此时VDD开始下降，由于IOUT仍然高于限流值，从而使得系统一直为电流模式，其输出电流IOUT一直为限流值。对于未开启限流功能来说，即OCL OFF，系统一直处于电压模式状态，由于VDD开始下降，IOUT与VOUT也开始缓慢下降，如虚线所示。
在Φ4时刻，对于开启限流功能来说，即OCL ON，由于VDD逐渐下降，使得IOUT开始低于限流值，VLIM低于VBGR，导致OCL_EN为低电平，从而使得系统从电流模式进入电压模式，IOUT开始下降。对于未开启限流功能来说，即OCL OFF，系统一直处于电压模式状态，由于VDD开始下降，IOUT与VOUT也开始缓慢下降，此时虚线与实线重合，并最终回到Φ0时刻。
在又一实施例中，如图6所示，所述LDO电路包括：LDO模块以及电流检测和限流模块；其中，所述LDO模块(LDO core)10包括：
限制器(Limiter)206，其输入端接入整流电压VRECT，并输出电压VLIM；
基准模块(BGR)207，其输入端与所述限制器的输出端连接，用于接入电压VLIM，并输出基准电压VBGR；
第一比较器201，其反相输入端接入所述带隙基准电压VBGR，其同相输入端接入反馈电压VFB；
源极跟随器缓冲器(source follower buffer)205，其一端与所述第一比较器的输出端连接；
第一PMOS，其栅极与所述源极跟随器缓冲器的第二端连接，源极接整流电压VRECT，其源极和漏极之间有一寄生二极管；
电容C1，其第一端与所述PMOS的漏极连接；
电阻R1，其第一端与所述PMOS的漏极连接；
变阻器R2，其第一端与所述电阻R1的第二端连接，第二端接地；
二输入多路选择器203，其控制端用于接入控制信号OCL_EN，第一输入端与所述电阻R1的第二端连接，其第二输入端接入电压VLIM，其输出端与所述第一比较器的反相输入端连接。
所述电流检测和限流模块(current sensor(over current limit))20包括：
第二PMOS 204，其栅极与所述第一PMOS的栅极连接，源极与所述第一PMOS的源极连接；
电阻RLIM，其第一端与所述第二PMOS的漏极连接，第二端接地；
第二比较器202，其反相输入端接入带隙基准电压VBGR，同相输入端接入检测电压VLIM，并输出所述控制信号OCL_EN。
此外，一外部电容C2(external capatitor)，其第一端与所述第一PMOS的漏极连接，其第二端接地；
一负载电阻RLOAD，其第一端与所述第一PMOS的漏极连接，其第二端接地。
本实施例具体的描述了所述电流检测和限流模块。此电流检测和限流模块通过电流镜的形式检测LDO第二PMOS的电流大小，并使检测电流流过外部电阻(ER，External Res)RLIM得到检测电压VLIM，检测电压VLIM通过与VBGR比较来切换电流模式环路或者电压模式环路。当VLIM高于VBGR，系统进入电流模式环路；当VLIM低于VBGR，系统进入电压模式环路。其限流值可以通过外部电阻大小进行灵活设置。
其中，Ratio表示主PMOS与检测PMOS的比值(PMOS的宽度(Width)比)，可选的，Ratio取1000∶1，但不限于此。
本公开通过切换电流模式环路和电压模式环路达到了和图3相近的效果，与图3结构相比，其减小使用了一个高性能高压比较器，避免了使用charge pump模块，大大减小了电路成本。
本公开已成功运用于无线充电系统芯片中，整体效率高于90％，与预期结果一致。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
再者，单词“包含”或“包括”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种LDO电路，包括：LDO模块、以及电流检测和限流模块；其中
所述LDO模块，包括：
第一比较器，其反相输入端用于接入一带隙基准电压VBGR；
第一PMOS，其栅极与所述第一比较器的输出端连接；
电阻R1，其第一端与所述第一PMOS的漏极连接；
变阻器R2，其第一端与所述电阻R1的第二端连接，第二端接地；及
二输入多路选择器，其第一输入端与所述电阻R1的第二端连接，输出端与所述第一比较器的同相输入端连接；以及
所述电流检测和限流模块，包括：
电流传感器，其第一端与所述第一PMOS的栅极连接，第二端与所述二输入多路选择器的第二输入端连接；及
第二比较器，其同相输入端与所述二输入多路选择器的第二输入端连接，反相输入端用于接入所述基准电压VBGR，输出端与所述二输入多路选择器的控制端连接。
2.根据权利要求1所述的LDO电路，其中，
所述第二比较器的同相输入端接入的电压为VLIM，用于比较所述检测电压VLIM与基准电压VBGR，并根据比较结果输出控制信号OCL_EN；
所述二输入多路选择器的控制端用于接收所述第二比较器输出的控制信号OCL_EN，并根据所述控制信号OCL_EN切换电流模式环路或者电压模式环路。
3.根据权利要求2所述的LDO电路，其中，若VLIM高于VBGR，则电流环路模式闭合，电压模式环路断开；若VLIM低于VBGR，则电压模式环路闭合，电流环路模式断开。
4.根据权利要求1所述的LDO电路，其中，所述电流传感器包括：第二PMOS，其栅极与所述第一PMOS的栅极连接，源极与所述第一PMOS的源极连接，漏极分别与一电阻RLIM的第一端、所述二输入多路选择器的第二输入端以及所述第二比较器的同相输入端连接，所述电阻RLIM的第二端接地。
5.根据权利要求4所述的LDO电路，其中，所述第一PMOS与第二PMOS构成共源共栅电流镜；所述第二PMOS与所述电阻RLIM连接处的电流即为检测电流ILIM，连接处的电压即为检测电压VLIM，二者满足以下关系式：VLIM＝ILIM×RLIM。
6.根据权利要求1所述的LDO电路，还包括，基准模块，与所述第一比较器的反相输入端连接，用于提供所述基准电压VBGR。
7.根据权利要求1所述的LDO电路，还包括，源极跟随器缓冲器，其连接在所述第一比较器的输出端与所述第一PMOS的栅极之间。
8.根据权利要求4所述的LDO电路，其中，
式中，Ratio表示第一PMOS与第二PMOS的比值，IOUT表示LDO的输出电流值，RLIM表示检测电阻值。
9.一种无线充电系统，其包括如权利要求1至8中任一项所述的LDO电路。
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