一款可實(shí)現(xiàn)超低壓差CMOS線性穩(wěn)壓器的設(shè)計(jì)方案

隨著筆記本電腦、手機(jī)、PDA等移動(dòng)設(shè)備的普及，對(duì)應(yīng)各種電池電源使用的集成電路的開(kāi)發(fā)越來(lái)越活躍，高性能、低成本、超小型封裝產(chǎn)品正在加速形成商品化。LDO(低壓差)型線性穩(wěn)壓器由于具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、低噪聲、小尺寸等特點(diǎn)，在便攜式電子產(chǎn)品中獲得了廣泛應(yīng)用。

在便攜式電子產(chǎn)品中，電源效率越高意味著電池使用時(shí)間越長(zhǎng)，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(jì)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(mǎn)足當(dāng)負(fù)載為1mA時(shí)，最小輸入輸出壓差為0.4mV，當(dāng)負(fù)載為300mA時(shí)，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(dòng)、過(guò)流限制、過(guò)熱保護(hù)、故障檢測(cè)、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(mǎn)足本設(shè)計(jì)的要求，對(duì)于它的選擇需重點(diǎn)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(shí)需一比輸出電壓高的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，而PMOS管則無(wú)此需求，特別在低輸入電壓時(shí)要產(chǎn)生一高的驅(qū)動(dòng)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(guò)程中，快速啟動(dòng)電路內(nèi)有一個(gè)500μA的電流源的對(duì)CC端的旁路電容C充電，使電路盡快上電啟動(dòng)，誤差運(yùn)放的同相端經(jīng)由取樣電阻R1、R2對(duì)輸出電壓V0采樣，再與Vref比較后輸出放大信號(hào)，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(guò)程中出現(xiàn)過(guò)流、過(guò)熱情況時(shí)，過(guò)流限制與過(guò)熱保護(hù)電路會(huì)快速響應(yīng)，調(diào)整管的導(dǎo)通狀態(tài)會(huì)被減弱、關(guān)斷，保護(hù)電路不致?lián)p壞，同時(shí)故障檢測(cè)電路會(huì)產(chǎn)生一個(gè)低電平信號(hào)。使能端接高電平時(shí)電路正常工作;當(dāng)使能端為低電平時(shí)，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(jì)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(gè)重要因素。對(duì)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(dòng)電流組成。對(duì)PMOS調(diào)整管而言，柵極由電壓驅(qū)動(dòng)，幾乎不產(chǎn)生功耗。在穩(wěn)壓器承載小負(fù)載或空載時(shí)，漏失電壓極低，靜態(tài)電流等于穩(wěn)壓器工作時(shí)的總偏置電流。設(shè)計(jì)時(shí)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(xiàng)是調(diào)整管產(chǎn)生的功耗，后一項(xiàng)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(shuō)明對(duì)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(shí)，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(chēng)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(shí)，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(chēng)值上的能力，該值也是越小越好。對(duì)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(kāi)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(jiàn)，減小ΔVO÷ΔIO和ΔVO÷ΔVI的關(guān)鍵是盡可能增大gm和Aod.