[發明專利]一種基于電壓比較器的低功耗輕重負載轉換LDO電路

在審

• 申請號: 202211106326.3
• 申請日: 2022-09-11
• 公開（公告）號: CN115328255A
• 公開（公告）日: 2022-11-11
• 發明（設計）人: 陳志杰;彭宇軒;萬培元;李岸洲;劉穎達;王浩東;梁建燁
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: G05F1/56
• 分類號: G05F1/56
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 王兆波

本發明公開了一種基于電壓比較器的低功耗輕重負載轉換LDO電路，由偏置電路、誤差放大器、緩沖器、比較器、反相器以及傳輸門開關等模塊組成；靜態電流在幾百納安范圍內，并且在此基礎上增加了負載檢測功能，實現輕載與重載之間的轉換，以達到快速響應的特性，電路結構采用零輸入軌到軌緩沖器，以及輸出電壓偏移和基于差分翻轉電壓跟隨器用于驅動柵極。自適應偏置的誤差放大器模塊，實現了電流限制和在高負載和中等負載時對輸出電流的線性控制。偏置電路的反饋信號是誤差放大器的輸出，而不是通過柵極的電壓電路，從而將輕負載下的納安級偏置與跟隨器同時作用，以實現快速輸出電流瞬變的作用。

技術領域

本發明涉及一種基于電壓比較器的低功耗可輕重負載轉換的穩壓器，屬于線性穩壓器領域。

背景技術

近年來，新一代植入性醫療電子設備逐漸取代傳統便攜式醫療器械成為全球醫療研發熱點，相比于傳統便攜式醫療電子設備，植入式醫療在外型或使用上更為靈巧、方便，能夠實時監測健康狀況，甚至能預知疾病。植入式醫療電子設備只需將芯片植入體內，更為方便、快捷、準確性更高，而且可節約成本。由于植入式醫療電子設備應用場景大多數處于體內移植，其使用的安全性極大依靠供電電源芯片的高可靠性。

首先，植入式醫療電子設備的體積逐漸縮小，也對電源芯片面積提出了極大的挑戰。傳統的LDO的面積及抗干擾能力，已經逐漸無法適應當前植入式醫療設備的需求。在傳統的LDO的設計中，為了保證LDO內部的環路穩定能力，常常需要在LDO芯片片外添加額外的負載電容，來抑制輸出的過沖電壓及穩定LDO環路。然而，額外的片外電容所占面積通常接近了LDO芯片自身的面積，無法滿足當前植入式醫療設備對于微型化的需求。

其次，植入式醫療電子設備往往需要在人體內工作5-10年左右，電源芯片的低功耗及低輸出壓降便成為了至關重要的性能指標。低壓差線性穩壓芯片，即LDO(Low DropoutRegulator)芯片，應用較為簡單，可以在極低的功耗下，輸出電子設備所需的工作電壓，其良好的抗噪能力所帶來的高可靠性，可以滿足植入式醫療電子設備的需求。

最后要求其可以快速調節輸出端負載變化以適應復雜多變的人體電壓環境，所以需要該穩壓器有著可切換輕重負載的能力，根據電流的大小改變使用的功率管，使得面對輕載時能夠快速響應，面對重載時能夠正常工作，這對于高性能醫療電子設備領域具有著極大的研究價值。

目前LDO的工作原理是：使用在其飽和區域內運行的晶體管或場效應管(FET)，從應用的輸入電壓中減去超額的電壓，而產生經過調節的輸出電壓。所謂壓降電壓，是指穩壓器將輸出電壓維持在其額定值上下100mV之內所需的輸入電壓與輸出電壓差額的最小值。正輸出電壓的LDO穩壓器通常使用功率晶體管作為PNP。這種晶體管允許飽和，所以穩壓器可以有一個非常低的壓降電壓，通常為200mV左右；與之相比，使用NPN復合電源晶體管的傳統線性穩壓器的壓降為2V左右。負輸出LDO使用NPN作為它的傳遞設備，其運行模式與正輸出LDO的PNP設備類似。

但是已有的LDO芯片對于植入式醫療電子設備來說，有功耗過高導致無法實現低功耗及低輸出壓降和切換輕重負載的能力等問題。本發明能夠克服現有技術的不足，進一步改善LDO芯片電路的結構和性能。

發明內容