LDO穩(wěn)壓器高精度電壓基準(zhǔn)源的分析與設(shè)計(jì)

隨著集成電路規(guī)模的發(fā)展，電子設(shè)備的體積、重量和功耗越來越小，這對電源電路的集成化、小型化及電源管理性能提出了越來越高的要求。電源IC產(chǎn)品主要包括線性穩(wěn)壓器、開關(guān)式穩(wěn)壓器(DC/DC)、電池充電/管理IC、PWM/PFM控制器、AC/DC穩(wěn)壓器及功率因數(shù)校正(PFC)預(yù)穩(wěn)壓器等。而目前在所有這些電源IC中，線性穩(wěn)壓器IC的銷售額最大，LDO線性穩(wěn)壓器又是增長最多和最快的產(chǎn)品，它的快速崛起源自于便攜式產(chǎn)品的不斷涌現(xiàn)，如便攜式電話、 PDA(個(gè)人數(shù)字助理)、掌上型/膝上型電腦、數(shù)碼相機(jī)等。

LDO線性穩(wěn)壓器綜述

LDO(LowDropout)線性穩(wěn)壓器，也稱低壓差線性穩(wěn)壓器或低漏失線性穩(wěn)壓器。

LDO線性穩(wěn)壓器與開關(guān)式穩(wěn)壓器的比較

LDO線性穩(wěn)壓器，比傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器有更高的電源轉(zhuǎn)換效率，而比開關(guān)式穩(wěn)壓器有更簡單的結(jié)構(gòu)、更低的成本和更低的噪聲特性，因此它在便攜式電子產(chǎn)品中越來越受歡迎。LDO線性穩(wěn)壓器和開關(guān)式穩(wěn)壓器作為當(dāng)今便攜式電子產(chǎn)品中最常用的兩類電源管理電路，它們的特點(diǎn)比較如表1所示。

從表中可看出，LDO線性穩(wěn)壓器和開關(guān)式穩(wěn)壓器各有優(yōu)缺點(diǎn)，在應(yīng)用時(shí)需權(quán)衡考慮各種特點(diǎn)。

LDO線性穩(wěn)壓器應(yīng)用效率

在便攜式電子設(shè)備中，電源效率越高意味著電池使用時(shí)間越長，這是用戶渴望的事情。





因此，輸入輸出壓差越低、靜態(tài)電流(輸入電流和輸出電流之差)越低線性穩(wěn)壓器的工作效率就越高。在實(shí)際應(yīng)用中，我們分析效率時(shí)還必須清楚:電池不是理想電源，它具有輸出電阻，供電時(shí)，它的電壓是逐漸下降的。電池的這種特性是非常有利于LDO線性穩(wěn)壓器工作效率的。LDO線性穩(wěn)壓器工作效率隨著電池電壓的下降而逐漸升高。另外，在小負(fù)載電流時(shí)，穩(wěn)壓器的效率將受靜態(tài)電流的限制，比如輸出電流等于輸入電流的一半，則穩(wěn)壓器的效率將減少一半，因此當(dāng)設(shè)備處于“待機(jī)”狀態(tài)時(shí)，靜態(tài)電流決定了電池的使用壽命。因此設(shè)計(jì)低壓差、低靜態(tài)電流的線性穩(wěn)壓器已成為便攜式設(shè)備電源管理課題的一大技術(shù)解決方案。

雙極型超LDO線性穩(wěn)壓器的設(shè)計(jì)要求

本設(shè)計(jì)完成的是一款小功率超LDO(超低漏失電壓)線性穩(wěn)壓器，最大工作電流能達(dá)到100mA，輸出電壓3.3V。

引腳設(shè)計(jì)要求

為了滿足便攜式設(shè)備小體積的要求，芯片可采用SOT-23封裝，電路中需設(shè)置5個(gè)引出腳，管腳功能如表2。

SOT-23封裝外形示意如圖1，這種封裝的面積小于3×3mm2。



圖1SOT-23封裝外形

應(yīng)用要求

本設(shè)計(jì)的應(yīng)用要求是要占盡量小的PCB板空間，可外接元件很少，只有輸入輸出電容，當(dāng)使能功能閑置時(shí)，將該引腳接到輸入端。

極限參數(shù)設(shè)計(jì)要求

極限參數(shù)反應(yīng)了穩(wěn)壓器所能承受的最大的安全工作條件，該芯片的極限參數(shù)如表3所示。

注1:最大允許功耗是最大結(jié)溫TJ(max)，結(jié)與外界熱敏電阻θJA，以及外界溫度TA的函數(shù)，在任何外界溫度下的最大允許功耗用下式計(jì)算:

對于SOT-23封裝θJA的值為220℃/W，則這個(gè)芯片在常溫下的PM(忽略了器件正常工作下的靜態(tài)功耗)為

如果超出最大允許功耗將導(dǎo)致死溫，穩(wěn)壓器進(jìn)入熱關(guān)斷。

模塊電路設(shè)計(jì)和性能實(shí)現(xiàn)

實(shí)現(xiàn)超低漏失電壓和低靜態(tài)電流是本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)，同時(shí)為了兼顧其它主要電特性，對每個(gè)模塊的設(shè)計(jì)都提出了很高的要求。本文著重介紹其中基準(zhǔn)源模塊的設(shè)計(jì)。

系統(tǒng)框圖和工作原理

作為雙極型LDO線性穩(wěn)壓器，必須包含PNP調(diào)整管、電壓基準(zhǔn)、誤差放大器、反饋采樣電阻以及啟動和偏置電路。為了實(shí)現(xiàn)使能控制和過溫過流保護(hù)功能，還增加了使能電路和過溫過流保護(hù)電路，如圖2的系統(tǒng)框圖所示。

圖2XD4821的系統(tǒng)框圖

基本工作原理是：系統(tǒng)加電，如果使能腳處于高電平時(shí)，電路開始啟動，電流源電路給整個(gè)電路提供偏置，基準(zhǔn)源電壓快速建立，輸出隨著輸入不斷上升。當(dāng)輸出即將達(dá)到規(guī)定值時(shí)，由采樣電阻得到的反饋電壓也接近于基準(zhǔn)電壓值，此時(shí)誤差放大器將輸出反饋電壓和基準(zhǔn)電壓之間的誤差小信號進(jìn)行放大，再經(jīng)調(diào)整管放大到輸出，從而形成負(fù)反饋，保證了輸出電壓穩(wěn)定在規(guī)定值上;同理如果輸入電壓變化或輸出電流變化，這個(gè)閉環(huán)回路將使輸出電壓保持不變。如果使能腳處于低電平，啟動電路不工作，電流源偏置無法建立，電路處于關(guān)閉狀態(tài)。

高精度電壓基準(zhǔn)模塊設(shè)計(jì)

基準(zhǔn)模塊是線性穩(wěn)壓器的一個(gè)核心部分，基準(zhǔn)的大小直接決定了穩(wěn)壓器輸出的大小，它是影響穩(wěn)壓器精度的最主要因素。LDO線性穩(wěn)壓器為了實(shí)現(xiàn)高精度和低壓輸出，所以采用高精度低溫度系數(shù)的帶隙(Bandgap)基準(zhǔn)電壓源結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于各種模擬或數(shù)模混合集成電路中，如穩(wěn)壓器、充電保護(hù)器、 ADC、DAC、RF(射頻)電路等，工藝已很成熟。

實(shí)用的帶隙基準(zhǔn)電壓電路

圖3 是一種實(shí)用的帶隙基準(zhǔn)電壓電路。Ql和Q2的發(fā)射區(qū)面積比為1:N，Q3和Q4完全對稱，構(gòu)成鏡像電流源給Ql和Q2提供工作電流，因而IC3=IC4，ICl=IC2，IEl=IE2。則Rl上的壓降為





式中，VT=KT/q為熱電壓，J1、J2分別是Q1、Q2管的發(fā)射極電流密度，它們之間的比值為





由IE1=IE2得R2上的壓降為

基準(zhǔn)電壓為





從上式中可得到基準(zhǔn)電壓只與PN結(jié)的正向壓降、電阻的比值以及Ql和Q2的發(fā)射區(qū)面積比有關(guān)，因此在實(shí)際的工藝制作中將會有很高的精度。當(dāng)基準(zhǔn)建立之后，基準(zhǔn)電壓與輸入電壓無關(guān);而且VBE具有負(fù)溫度系數(shù)，VT為正溫度系數(shù)，理論上，只要選取合適的R2/R1和R1(決定Q1發(fā)射極電流，從而影響 VBE1)的值就可以得到零溫度系數(shù)基準(zhǔn)電壓。

完整電路的設(shè)計(jì)

完整的帶隙基準(zhǔn)電路需要啟動電路、偏置電路以及反饋回路，如圖4所示。Q6、R3作為基準(zhǔn)的啟動和偏置電路，并且和Q5構(gòu)成基準(zhǔn)的反饋電路，保證了電路的穩(wěn)定性。

圖3實(shí)用的帶隙基準(zhǔn)電壓電路





圖4完整的帶隙基準(zhǔn)電壓電路

Q1、Q2、R1和R2組成的是一種帶隙比較器，其門限電壓為(式5)所求得的值，當(dāng)輸入電壓較低時(shí)，基準(zhǔn)電壓小于門限電壓，此時(shí)電流很小，兩晶體管的 VBE幾乎相等，而Q2比Q1面積大，故IC2大于IC1，帶隙比較器輸出(Q1集電極)為“高”，Q5截止;隨著輸入電壓的增大，基準(zhǔn)逐漸增大，IC1 電流呈指數(shù)規(guī)律上升，IC2受電阻R1限制線性上升，當(dāng)這兩者電流達(dá)到相等時(shí)，帶隙比較器輸出“低”使Q5導(dǎo)通，吸收部分Io電流，使基準(zhǔn)輸出穩(wěn)定到門限值。因此Q5起反饋?zhàn)饔?，而這整個(gè)電路就相當(dāng)于電壓跟隨器。但是這種結(jié)構(gòu)的特殊之處是通過改變偏置電流源而實(shí)現(xiàn)反饋功能的，反饋過程如下:





結(jié)束語

基準(zhǔn)模塊是線性穩(wěn)壓器的一個(gè)核心部分，基準(zhǔn)的大小直接決定了穩(wěn)壓器的輸出的大小，它是影響穩(wěn)壓器精度的最主要因素。本文基于LDO線性穩(wěn)壓器在電源管理類 IC家族中的重要地位，給出了實(shí)現(xiàn)超低漏失、低靜態(tài)電流的電壓基準(zhǔn)模塊的設(shè)計(jì)，為便攜式設(shè)備的電源管理提供了可行的解決方案。