论文研究-一种LDO稳压器芯片的研究与设计 .pdf

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一种LDO稳压器芯片的研究与设计,于飞,邹锦华,设计出一种适合便携式电子产品应用的LDO(Low-dropout voltage regulator)稳压器芯片。相比于传统的LDO稳压器芯片,新的设计在误差放大器与�
国科技论文在线 http:/www.paper.edu.cn 速度。引入低阻抗的缓冲器 Buffer,可以确定精度参数,如负载调整率和线性调整率、电源 抑制比等 752模块电路设计 21放大器(OTA)模块电路设计 误差放大器(OTA)的设计是LDO设计的关键,放大级(OIA〕的增益、带宽、失调、 驱动能力和工作电压范围等直接影响LDO的输出电压精度、负载调整率、线性调整率、和 瞬态响应等特性。LDO中的放大级(OTA)具有较高的开环增益,可以有效地保证负反馈 80的深度、减小负载调整率和线性调整率并増人PSRR,从而保证输岀电压的精度和稳定并提 高输出电压对输入噪声和纹波的抑制能力。在误差放大器的控制下提供驱动负载的输出电 流,在过载和压差过大等情况下个会产生多余的接地电流。 改进的差分放大电路如图2所小。其中所需的输入电压V≥V+VGs≈2Ⅴs,只要输 入电压大」2V,就可以正常工作,低的输入电压有效地降低了芯片的功耗。利用品体管抑 85制共模电压的能力,将VN的纹波引入误差放大器的输出端ⅤEA,最终V被送到功率管的 栅极或基极,可以将从功率管源极或射极引入的纹波抵消,提髙电源抑制比PSRR。 PDB PD日 v 2mv Tmv matching C rdtahing1 mMi vsat=21t 6界 vsat= iAMPOLT 29.3r Onm na Ydsat-1c0my matching 图2放大器(OTA)模块电路图 Figure 2 Circuit of amplifier(OTA)module 22带偏置的缓冲级 Buffer,RC补偿电路 在放大级OTA(输出阳抗较人)和功率级 POWER(寄生电容较大)之间加入缓冲级 ( Buffer)作用有二:一、通过加入缓冲级( Buffer),将原先电路(未加入缓冲级)中调 整管栅极处岀现的中频板点一分为二,分袈为两个较高频率的极点,从而减小补偿电容的大 95小,并使系统有足够的相位裕度,保证系统稳定;二、减轻PMOS功率管的较大的栅极寄 国科技论文在线 http:/www.paper.edu.cn 生电容(为保证有足够大的输出电流,PMOS功率管的宽长比较大)的影响,从而改善系统 的瞬态响应特性。 =1u 31th=4. 0m metal 4 oton hatching. c. - pbsct=24 m:--. matching, A .natching. matcning] notlstrictly[ m=24 vcsut=1(+: 9mvvdsat=445 3riv E Imax=2.0mA matching. iM i ydsat=77my P 图3带偏置的缓冲级 Buffer电路图 Figure 3 Circuit of buffer(BUFFER) module and rC compensation module 2.3限流电路OCP,短路保扩电路SCP 限流电路OCP,短路保护电路SCP,功率级电路 POWER如图4所示。限流电路OCP 和短路保护电路SCP共用同比较器,正常状态下限流电〔限沇电路的采样电阻)发挥作 105用,当输出电压较低时,通过传输门开关将保护电路中比较器的输入端切換到短路保护电路 (短路保护电路的采样电阻) 4 国科技论文在线 http:/www.paper.edu.cn =1u n P吧 ESDRULE matching c latching A NBs matching /dsa=775m 欢3 192 v6.6m3h=2.7 F C i YFB_OL matching. 5: 22 =2 we vsat=229. m 列th=55m matchine M23 PD =503 8n lu 58 图4垠流电路OCP,短路保护电路SCP Figurc 4 Circuit of ovcr-currcnt protcction(OCP)module, short-currcnt protcction(SCP)module and POWER 3电路仿真 在实验室的条件下,利用一个可变电阳来模拟负载,通常是最简单的情况,通过负载电 阻R1ωAD的变化,观察稳压器的输出端电压Ⅴυur的变化,可以确定芯片的稳压性能。利用 5一个可变电阻来模拟负载能正常进行测试的前提是能够准确预测芯片负载的动态范围,但实 际上,负载的动态范围通常很难预测。利用电流源模拟负载电流,可以根据用户需要定义负 载电流的变化,可以模拟R1。An的不同极限对芯片造成的影响。测试电路图如图5所示 国科技论文在线 http:/www.paper.edu.cn OC CINT CIN 0线 R1 MN 想性 1K in VSOURCE C3 in RSET 120 图5电流源负载线性稳压器芯片测试电路 Figure 5 Test circuit of linear regulator chip with current source load 基于CSMC0.5μ uum CMOS工艺,采用 Hspice对电路进行仿真,仿真过程中,考虑到了 温度变化,输入电压变化,以及负载电流变化等因素,对LDO稳压器心片整体的负载调整 125率、线性调整率、瞬态响应和电源抑制比进行了仿真,仿真结果如下列各图所示。 线性调整率 3296 32g3 X13.6y1=x06 3292 DeY0.0011738 length=1. 9 clpe-0.0021967 329 VOLTS 图6线性调整率交化曲线 Figure 6 Line regulation curve 130 LDO稳压器芯片在25℃的条件下,负载电流IoAD分别为300mA时,稳压器芯片输出 电压Vour随输入电压Ⅴn的变化。从图6中可以看出,当电源电压在3.4V~56V变化时, 其输出电压的变化幅度约为4mV左右。随着电源电压的变化,输出电压会出现微小幅度的 变化 山国科技论文在线 http:/www.paper.edu.cn 135 线性调整率( line regulation,用LNR表示)是指在低频时,输入直流电压的变化引起 的输出直流电压的变化。线性调整率的变化曲线如图6所示。在输出电流为300mA时,输 出电压变化量约为4mV,输入电压变化范围约为2V,所以根据线性调整率公式间 4m y LNR 0.2% △ 2卩 在输入电压范围内,线性调整率达到0.2%。输入电压每变化IV,输出电压仅仅会相应 140的变化2mV,由此可见,所设计的LDO稳压器芯片能够很好的抑制输入电压变化给输出电 仄带来的影响。 2、负载调整率 33 3.298 3 1=00Y1=32984 又-0323.2906 3.298 DeltaX=0.3 ehaY=00075243 skpe=st300 3.292 3291 0.025.0m50.0m75.0mc10.1250.150.1750202250259275030325 AMPS(A) 图8负载调整率变化曲线 145 Figure 8 Load regulation curve 调节直流输出电压Vou,消除因负载电流改变造成的输岀电压的变化,可以提高直流 精度)且有利于提高环路増益。负载调整率是指在负载电流变化的情况下,LDO稳压器 片保持输出电压稳定的能丿。负载调整率的变化曲线如图8所示。 150 在0mA-100mA的负载电流和3.6V的输入电压下,输出电压的变化量约为-0.75mV 负载电流的变化量约为0.3A,根据负载调整率公式7 △卩 OUT 0.0075V (2 LDR LOAD 0.3A 负载调整率为2.5%,满足技术指标要求。负载电沇每变化100mA,输出电压仅仅会相 应的变化2.5mV。由此可见,所设计的LDO稳压器芯片能够很好的抑制负载电流变化给输 155出电压带来的影响。 3、瞬态响应 7 国科技论文在线 http:/www.paper.edu.cn vlave Vin=4.3V 20 035 014) 03 lout=0-300m A 0.15 X1=020002Y1=5482 0): As xQUZUUUS.<9552 vout) 32△vout=41mV Delax-35183u DelaY.0 40505 leng?.0.40505 20729548) 30 aope-115190 29 (02.294 27 25 019925 01505 09975 020005 0200075 0200125 图9瞬态响应测试曲线 Figure 9 Transient response curve 瞬态响应是指当负载电流突然发生阶跃变化时,输岀电压所允许的最大变化。负载电流 突然变大的情况下,输出电容和旁路电容会向负载放电,由于输出电容申联等效电阻的影响, 负载电流变化越大,输出电谷放电的电流越大,那么在串联等效电阻上的压降越大,输出电 瓜变化也就越大。瞬态响应仿真曲线如图9所 165 仿真是在输出电流从OmA变化到300mA,输入电压为43V的条件下进行的。从图中 可以看到输出电压的最大超调量大约为41mV,瞬态响应时间仅为50μs,发生在输出电流从 小电流阶跃至大电流的过程中。可以看出输出电压的超调量较小,而且恢复稳定的时间也比 较短。这是因为在误差放人器和功率管之间加入缓冲器 buffer,有效地增人了误差放人器的 输出电流,加快了充电速度,克服了由功率管大的栅极寄生电容带来的动态响应速度慢的问 170题 4、电溴抑制比 8 国科技论文在线 http:/www.paper.edu.cn vdb(o ut avdc 2.0 〔101350.1了.64) 30.0 42216.-39.534 -40.0 60.0 了0 .0 1. 1c.0 1.Ok 10.CK 10o.K 10meg loomed 图10电源抑制比仿真曲线 Figure 10 Power supply rejection radio curve 175 电源抑制比又可以称为纹波抑制比,可以表示对噪声的抑制能力,其实也就是在所有频 率范围内,LDO稳压器芯片对因输入电压变化而引起的输出电压变化的一种抑制能力,通 常用PSR表示电源抑制比。显然,大的旁路电容,输出电容和小的串联等效电阻,有利于 提高PSRR。通常,电源抑制比与纹波频率、、带隙基准电路的PSRR、误差放大器的PSRR、 180开环增益及电路中的零极点密切相关。实际的设计中,该参数与工艺制作也有很人关系。 如图10所示,在输入电压为3.6V的情况下,进行了电源抑制比PSRR的仿真与检测。 从图中可以看出,频率从1Hz到100kHz,纹波抑制都非常好,即使到了1MHz左右基 木上也大」-40dB。低频时,PSRR保持稳定,达到-40dB;当频率达到10kHz时,达到-17dB 所设计的电路对输入纹波的抑制是满足系统要求的。负载的增大对电溟纹波的抑制是有影响 185的,不过该影响还是可以接受的。之所以有较好的电源抑制比,主要是因为在误差放大器的 设计中,利用一个MOS管,将输入电压纹波引入到误差放大器的输出端,抵消了输出电压 中的纹波,从而提高了LDO稳压器整体的电源抑制比。 4结论 从具体的技术指标出发,设计了一款适用」便携式电子产品的LDO稳压器芯片。设计 190的过程中,考虑到现代电了产品功能增多和负载电流要求变大的实际情况,将LDO稳压器 芯片的负载电流提髙到300mA,同时还俣证瞬态响应和压降等指标的优化。由于要尽量提 髙转换效率,选用P型MOS管做为功率管。缓冲器Bufr有效地提高了瞬态响应速度。在 误差敚大器的设计屮,折叠电流源负载仗输入电压降低到2Ⅴs,从而降低了功耗;在输出 端引入输如电压纹波提高电源抑制比PSRR。在仿真与测试环节,利用有派负载,可以更大 195范围的模拟负载电流的变化。 所设计的LDO稳压器芯片工作电压范围在3.2V-5.5V,输出电压为3V,最小输入电压 为2V,线性调整率为0.2%,负载调整率为3%,电源抑制比PSRR(1OKHz时)为-17dB, 瞬态响应时间小于50μs,可以满足便携式电子设备的婁求。 山国科技论文在线 http:/www.paper.edu.cn 200|参考文献l( References) []丁行波当今电源管理技术旱现四大发展趋势[J.电子工稈师专辑,2003,15(3):25 [2] Gabriel Alfonso, Rincon- Mora, Phlillip e Allen. 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