LDO線性穩(wěn)壓器設(shè)計方案及工作特性

在便攜式電子產(chǎn)品中，電源效率越高意味著電池使用時間越長，而線性穩(wěn)壓器效率=輸出電壓×輸出電流/輸入電壓×輸入電流×100%,因此，輸入與輸出電壓差越低、靜態(tài)電流(輸入電流與輸出電流之差)就越低，線性穩(wěn)壓器的工作效率就越高。

本文設(shè)計的低壓差線性穩(wěn)壓器其輸出電壓為2.5V或輸出可調(diào)，滿足當(dāng)負(fù)載為1mA時，最小輸入輸出壓差為0.4mV,當(dāng)負(fù)載為300mA時，壓差為120mV,電源電壓工作范圍為2.5~6V.

電路結(jié)構(gòu)與工作原理

低壓差線性穩(wěn)壓器的電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，電路由調(diào)整管，帶隙基準(zhǔn)電壓、誤差放大器、快速啟動、過流限制、過熱保護、故障檢測、及取樣電阻網(wǎng)絡(luò)等模塊組成，并具有使能、輸出可調(diào)等功能。調(diào)整管作為壓差的負(fù)載器件，要滿足本設(shè)計的要求，對于它的選擇需重點考慮：首先比較三極管和MOS管，由于三極管是流控器件，而MOS管是壓控器件，比較而言MOS管結(jié)構(gòu)的靜態(tài)電流更低。其次，NMOS管工作時需一比輸出電壓高的驅(qū)動信號，而PMOS管則無此需求，特別在低輸入電壓時要產(chǎn)生一高的驅(qū)動電壓變得較困難。因此，本文采用PMOS管作為調(diào)整管。

圖1低壓差線性穩(wěn)壓器電路結(jié)構(gòu)

電路的工作原理是：在電路上電過程中，快速啟動電路內(nèi)有一個500μA的電流源的對CC端的旁路電容C充電，使電路盡快上電啟動，誤差運放的同相端經(jīng)由取樣電阻R1、R2對輸出電壓V0采樣，再與Vref比較后輸出放大信號，控制調(diào)整PMOS管的柵極電壓，使輸出電壓V0保持穩(wěn)定，即：

電路在工作過程中出現(xiàn)過流、過熱情況時，過流限制與過熱保護電路會快速響應(yīng)，調(diào)整管的導(dǎo)通狀態(tài)會被減弱、關(guān)斷，保護電路不致?lián)p壞，同時故障檢測電路會產(chǎn)生一個低電平信號。使能端接高電平時電路正常工作;當(dāng)使能端為低電平時，基準(zhǔn)電路及調(diào)整PMOS管關(guān)斷，電路處于等待狀態(tài)。

關(guān)鍵特性分析及設(shè)計考慮

1、漏失電壓(VDO)和靜態(tài)電流(Iq)

漏失電壓定義為維持穩(wěn)壓器正常工作的最小輸入輸出電壓差，它是反映調(diào)整管調(diào)整能力的一個重要因素。對采用PMOS管作調(diào)整管的電路，漏失電壓由導(dǎo)通電阻(Ron)和負(fù)載電流(Io)確定，即： VDO = Io×Ron.低壓差線性穩(wěn)壓器的靜態(tài)電流為輸入電流與輸出電流之差，即： Iq = Ii -Io.靜態(tài)電流由偏置電流和調(diào)整管的柵極驅(qū)動電流組成。對PMOS調(diào)整管而言，柵極由電壓驅(qū)動，幾乎不產(chǎn)生功耗。在穩(wěn)壓器承載小負(fù)載或空載時，漏失電壓極低，靜態(tài)電流等于穩(wěn)壓器工作時的總偏置電流。設(shè)計時注意使PMOS調(diào)整管的導(dǎo)通電阻和漏電流盡可能做小，各模塊電路在小電流狀態(tài)下能正常工作。

2、功耗( Pw)和效率(η)

低壓差線性穩(wěn)壓器的功耗為輸入能量與輸出能量之差，即：

PW = VI II - VO IO = ( VI - VO) IO + VI Iq

上式中，前一項是調(diào)整管產(chǎn)生的功耗，后一項是靜態(tài)電流功耗。穩(wěn)壓器效率如前所述可表示為：

η= IO VO / ( IO + Iq ) VI×100 %

功耗與效率的表達(dá)式充分說明對于低壓差線性穩(wěn)壓器，低漏失電壓、低靜態(tài)電流意味著低功耗、高效率。

3、負(fù)載調(diào)整能力和電壓調(diào)整能力

負(fù)載調(diào)整能力指當(dāng)輸出電流變化時，輸出電壓維持一定值的能力，定義為：ΔVO /ΔIO,它表征了負(fù)載變化而穩(wěn)壓器維持輸出在標(biāo)稱值上的能力，該值越小越好。電壓調(diào)整能力指當(dāng)輸入電壓變化時，輸出電壓維持一定值的能力，定義為：ΔVO /ΔVI,它表征了輸入電壓變化而穩(wěn)壓器維持輸出在標(biāo)稱值上的能力，該值也是越小越好。對圖1的電路結(jié)構(gòu)其負(fù)載調(diào)整能力和電壓調(diào)整能力分別為：

其中g(shù)m為調(diào)整管的跨導(dǎo);Aod為誤差放大器的開環(huán)差模增益;Rds為調(diào)整管源漏間的等效電阻;RL為負(fù)載電阻;R1、R2為取樣電阻。由上式可見，減小ΔVO÷ΔIO和ΔVO÷ΔVI的關(guān)鍵是盡可能增大gm和Aod.

4、瞬態(tài)響應(yīng)

瞬態(tài)響應(yīng)是穩(wěn)壓器的動態(tài)特性，指負(fù)載電流階躍變化引起輸出電壓的瞬態(tài)脈沖現(xiàn)象和輸出電壓恢復(fù)穩(wěn)定的時間，與輸出電容COUT和輸出電容的等效串聯(lián)電阻RESR,以及旁路電容Cb有關(guān)，最大瞬態(tài)電壓脈沖值ΔVTR(MAX)為：

其中： IO(MAX)是指發(fā)生階躍變化的最大負(fù)載電流;Δt1是穩(wěn)壓器閉環(huán)的響應(yīng)時間，與穩(wěn)壓器閉環(huán)帶寬(0dB頻率點)有關(guān)。設(shè)計應(yīng)用時需考慮降低穩(wěn)壓器的瞬態(tài)電壓脈沖，即提高穩(wěn)壓器的帶寬，增大輸出和旁路電容，降低其等效電阻。

5、輸出精度

穩(wěn)壓器的輸出精度是由多種因素的變化在輸出端共同作用的體現(xiàn)，主要有輸入電壓變化引起的輸出變化ΔVLR、負(fù)載變化引起的輸出變化ΔVLDR、基準(zhǔn)漂移引起的輸出變化ΔVref、誤差放大器失調(diào)引起的輸出變化ΔVamp、采樣電阻阻值漂移引起的輸出變化ΔVres、以及工作溫度變化引起的輸出變化ΔVTC,輸出精度ACC由下式給出：

其中ΔVref、ΔVamp及ΔVres對ACC影響較大，故基準(zhǔn)電壓源、誤差放大器及采樣電阻網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在設(shè)計時需重點考慮。

電路設(shè)計及模擬結(jié)果

1、帶隙基準(zhǔn)電壓源的設(shè)計

基準(zhǔn)電壓源是線性穩(wěn)壓器的核心模塊，是影響穩(wěn)壓器精度的最主要因素。帶隙基準(zhǔn)電壓源的工作原理是利用晶體管的VBE所具有的負(fù)溫度系數(shù)與不同電流密度下兩晶體管之間的ΔVBE所具有正溫度系數(shù)的特性，乘以合適的系數(shù)使二者相互補償，從而得到低溫漂的輸出電壓。

電路實現(xiàn)如圖2所示，有：

其中n為Q1、Q2的發(fā)射區(qū)面積比。HspICe模擬結(jié)果表明，當(dāng)電源電壓變化范圍在2.5~6V之間時，常溫下VREF = 1.254V,溫度變化范圍在-30~120℃之間時，溫漂系數(shù)小于10×10-6/℃。

圖2帶隙基準(zhǔn)源電路

2、誤差放大器的設(shè)計

誤差放大器將輸出反饋采樣電壓與基準(zhǔn)電壓進行差值信號比較放大，輸出后控制調(diào)整管的導(dǎo)通狀態(tài)，保持Vout穩(wěn)定，其增益、帶寬及輸入失調(diào)電壓等指標(biāo)對穩(wěn)壓器的輸出精度、負(fù)載和電壓調(diào)整能力、瞬態(tài)響應(yīng)等特性有較大影響，電路實現(xiàn)如圖3所示。通過HspICe模擬得到該誤差放大器在VCC1為4.2V時，其輸入失調(diào)電壓為0.05μV,直流增益為110dB,帶寬達(dá)到10MHz.

圖3誤差放大器電路

3、過流限制模塊的設(shè)計

過流限制電路的設(shè)計思路是通過對調(diào)整管柵源電壓進行采樣，實現(xiàn)控制調(diào)整管的柵極電壓，從而達(dá)到限制輸出電流的目的，電路實現(xiàn)如圖4所示。

圖4過流限制電路

當(dāng)負(fù)載電流由小增大時，VDrv隨之降低，調(diào)整管MTG的ID隨之增大，通過M20對調(diào)整管MTG的柵源電壓進行采樣，使得M31的柵極電壓增大，這樣M21的柵極電壓隨之降低，從而實現(xiàn)對VDrv的調(diào)整。通過Hspice模擬得到，當(dāng)負(fù)載電流超過330mA時，M21將開始導(dǎo)通，從而使VDrv隨之提高，使調(diào)整管MTG導(dǎo)通程度減弱，起到限流保護作用。

3.4過熱保護模塊的設(shè)計

過熱保護電路的設(shè)計思路是利用對溫度敏感的元件來檢測的片內(nèi)溫度的變化，當(dāng)溫度超過設(shè)定值時，保護電路動作，調(diào)整管被關(guān)斷，以防其損壞，電路實現(xiàn)如圖5所示。

圖5過熱保護電路

利用晶體管的VBE具有負(fù)溫度系數(shù)的特性，將Q0作為測溫元件，由M12、M13、M10、M5、和M4形成一比較器，M11、R1和R2組成分壓電路。在低于溫度設(shè)定值時設(shè)計VGM12 VGM13,比較器反轉(zhuǎn)，VGM3變?yōu)楦唠娖剑琓OUT的輸出為低電平，從而實現(xiàn)關(guān)斷調(diào)整管。本電路的溫度保護設(shè)定值為160℃，Hspice的模擬結(jié)果如圖6所示，圖中×代表輸出電壓VOUT,⊙代表VGM12,Δ代表VGM13,負(fù)載電流為300mA.

圖6輸出電壓隨溫度的變化( I0=300mA)

3.5總體電路模擬結(jié)果

本電路采用韓國現(xiàn)代公司0.6μm工藝模型，通過Hspice對整體電路及各關(guān)鍵模塊進行了模擬優(yōu)化，典型工作條件下模擬結(jié)果如表1,輸出電壓隨輸入電壓及溫度的變化如圖6、圖7所示，模擬結(jié)果充分驗證了設(shè)計的正確性。

圖7輸出電壓隨輸入電壓的變化( IO = 300mA)

4總結(jié)

本方案分析討論了低壓差線性穩(wěn)壓器的設(shè)計方案及工作特性，并給出了關(guān)鍵模塊的電路設(shè)計圖，HSPICE的模擬結(jié)果驗證了電路具有良好特性，該電路采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝實現(xiàn)，具有較高的實用價值。