一种超低静态功耗LDO的设计

介绍了一种采用0.35 μm CMOS工艺制作的LDO电路。电路采用工作在亚阈值区的跨导放大器使得电路工作在超低静态电流下，因此实现了超低静态功耗和高效率性能。整个电路所占面积约为0.8 mm2，在典型工作状态下电路总的静态电流约为500 nA，最大负载电流为150 mA。电路输入电压为3.3 V～5 V，输出电压为3 V。 【超低静态功耗LDO设计详解】 在现代电子设备中，电源管理IC的重要性日益凸显，特别是对于便携式和物联网设备，它们需要更高效、更低功耗的电源解决方案。低 dropout regulator (LDO) 是一种常用的电源管理器件，能够为系统内部不同组件提供稳定电压，同时具有低静态电流和高效率特性。本文将深入探讨一种采用0.35微米CMOS工艺设计的超低静态功耗LDO电路，该电路在满足高性能要求的同时，实现了极小的面积占用和极低的静态电流。 LDO的主要任务是将较高的输入电压转换为所需的稳定输出电压，其性能指标包括电流效率、静态电流和负载电流范围。电流效率定义为输出功率与输入功率之比，即η = (Vout × ILoad) / (Vin × (Iq + ILoad))，其中Iq是静态电流。在低负载电流条件下，静态电流成为决定电源效率的关键因素。 该设计采用亚阈值区工作的跨导放大器，降低了静态电流，从而实现了超低静态功耗。电路的整体尺寸仅为0.8平方毫米，静态电流在典型工况下约为500 nA，最大负载电流可达150mA，输入电压范围为3.3V至5V，输出电压固定在3V。 LDO的基本结构包含带隙基准电路、误差放大器、调整管（通常是PMOS管）以及反馈电阻。带隙基准电路提供准确的参考电压，误差放大器比较输出电压与参考电压，并通过调整调整管的导通状态来保持输出电压稳定。输出电压公式为Vout = (Vin - Vref) × (R2 / (R1 + R2))。 误差放大器的设计至关重要，因为它决定了LDO的动态性能。图2展示了一个对称性运算放大器结构，其增益由跨导gm1和输出电阻 Rout决定。为了减少静态电流，设计中没有使用电压缓冲电路，而是通过在反馈环路中引入零点来补偿导通管的极点。这种方法利用MOS管MPpa产生一个零点，通过适当选择Rf+R2/R1的值，能够在不显著影响瞬态响应的前提下提供良好的补偿效果。 然而，直流补偿方面存在挑战，因为MPpa会引入负载依赖的直流电流，造成输出电压失调和负载调整率下降。为解决此问题，可以在MPpa和MPpass之间添加一个电阻，为MPpa的栅极提供固定电压VOS。此外，为了克服增益凹陷问题，设计中采用了RC网络来模拟大电容Cp的效果，通过级联多个电阻和电容，达到所需频率响应。 这种超低静态功耗LDO设计巧妙地平衡了功耗、效率和动态性能，为便携式设备和电池供电系统的电源管理提供了有效方案。通过精细的电路优化，实现了在小面积、低静态电流下仍能提供稳定、高效的电压调节。