高性能LDO線性穩(wěn)壓器的設(shè)計

摘要：為了解決電力載波通信系統(tǒng)中LDO供電模塊常用單芯片而導(dǎo)致板上成本及面積增加的問題。文中將LDO集成進(jìn)系統(tǒng)芯片來為數(shù)字及模擬模塊分別供電，同時采用平滑極點(diǎn)跟隨技術(shù)來解決負(fù)載電流變化時芯片穩(wěn)定問題，該方法可使PSRR在低頻下達(dá)到63 dB，并能以IP方式在其他應(yīng)用中使用。
關(guān)鍵詞：LDO；線性穩(wěn)壓器；平滑極點(diǎn)跟隨；高PSRR；過壓保護(hù)

O 引言
    電源管理系統(tǒng)己成為當(dāng)前集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展中的一個熱點(diǎn)，也是一個必不可缺的技術(shù)。沒有電源管理，許多市場都將不存在。電源管理可使移動電話、筆記本電腦、遙控電視、可靠的電話服務(wù)等許多市場成為現(xiàn)實(shí)?，F(xiàn)如今，電子產(chǎn)品己普及到工作與生活的各個方面，其性能價格比愈來愈高，功能愈來愈強(qiáng)，而供電的電源電路在整機(jī)電路中也是越來越重要。
    電源系統(tǒng)設(shè)計不合理，就會影響到整個系統(tǒng)的架構(gòu)、產(chǎn)品的特性組合、元件的選擇、軟件的設(shè)計和功率分配架構(gòu)等。在不同的電流負(fù)載下，如何保證LDO的穩(wěn)定性，對LDO的設(shè)計是一個挑戰(zhàn)。為此本文提出了一種LDO，并采用平滑極點(diǎn)跟隨技術(shù)來解決不同電流負(fù)載下的極點(diǎn)偏移所導(dǎo)致的穩(wěn)定性問題，從而提高了PSRR。同時，其過壓保護(hù)電路也較好的防止了LDO輸出供電電壓過大的問題。

1 電路設(shè)計
    圖l所示是本設(shè)計中LDO的電路結(jié)構(gòu)。本LDO的基本結(jié)構(gòu)由4級構(gòu)成，主要利用誤差放大器A1、電壓放大器A2、電壓緩沖器A3、電壓調(diào)整管MPl和反饋網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的負(fù)反饋環(huán)路來維持VOUT的穩(wěn)定。米勒電容C1用來為電路進(jìn)行頻率補(bǔ)償，第二級與第三級的帶寬要大，以便保證LDO處在穩(wěn)定狀態(tài)。同時也應(yīng)保證在較寬的頻帶下調(diào)整管的輸出電阻維持不變，以便得到較好的電源抑制性能。若將A2、A3、A4簡化成一個，這樣，一個兩級米勒補(bǔ)償?shù)倪\(yùn)算放大器的LDO增益帶寬即可表示成：
   

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    式中，gm1是A1的跨導(dǎo)。由上式可以看到，增益帶寬不隨負(fù)載電容的變化而改變。其主極點(diǎn)P1可以表示成：
    
    Rol是A1的輸出電阻，類似于兩級米勒補(bǔ)償?shù)倪\(yùn)放。一般都希望合并后的第二級放大器是一個單極點(diǎn)系統(tǒng)，由于米勒補(bǔ)償引入的極點(diǎn)分離，次級點(diǎn)P2可近似表示成：
    
    式中，是的跨導(dǎo)，gm4是A4的跨導(dǎo)。為了讓次級點(diǎn)一直在輸出節(jié)點(diǎn)，第二級和第三級的輸出極點(diǎn)必須推到一個比次級點(diǎn)大很多的很高的頻率上。為了保證其穩(wěn)定性，次級點(diǎn)需要保持在輸出節(jié)點(diǎn)。
    對于一個內(nèi)部米勒補(bǔ)償?shù)母咴鲆嫦到y(tǒng)，米勒補(bǔ)償能夠更好地在較大的負(fù)載電容范圍內(nèi)控制其穩(wěn)定性，同時，它也會提供一個更好的瞬態(tài)響應(yīng)。因?yàn)槊桌针娙菪纬傻囊粋€高頻負(fù)反饋能直接耦合到輸出，而高增益能夠得到較好的直流及負(fù)載調(diào)制。不過測試結(jié)果顯示，在負(fù)載電流大幅度變化時LDO會有50 mV左右的調(diào)整。這是因?yàn)橹绷髫?fù)載調(diào)制的性能被bonding wire的寄生電容所限制，直流的IR壓降通過寄生電容會直接惡化直流負(fù)載調(diào)制。
    LDO的輸出電流要求從0到全負(fù)載(本設(shè)計為100mA)，因此gm4也會隨負(fù)載電流而變化，導(dǎo)致次級點(diǎn)P2也會隨著負(fù)載電流的變化而變化。設(shè)計時可用平滑極點(diǎn)技術(shù)來解決這個問題，對于R和MP2串聯(lián)組成的電路，它能動態(tài)的根據(jù)負(fù)載電流的變化來進(jìn)行偏置。在大負(fù)載電流狀況下，R和MP2能夠偏置更大的電流以展寬電路帶寬，同時降低輸出電阻以適應(yīng)次級點(diǎn)P2被推到更高的頻率下。在小負(fù)載電流狀態(tài)下，P2在較低的頻率，并將R和MP2偏置在更窄的帶寬和更大的電阻以保證其穩(wěn)定性。靜態(tài)偏置電流要盡量小，以保證電路的低功耗。
    調(diào)整管的柵極可設(shè)計成對地電阻明顯大于對VDD的電阻，以使得調(diào)整管的柵極能夠跟隨電源的變化，從而得到更好的電源抑制性。為了產(chǎn)生一個較小的對VDD的電阻，可用R和M串聯(lián)接在柵極與VDD之間。如果LDO的負(fù)載電流很小，那么，調(diào)整管將工作在弱反或亞閾值區(qū)，因此，MP的Vcs小于Vth，由于MP和MP的Vcs是相等的，MP被關(guān)掉。在這種情況下，R由前級電路的N管偏置。當(dāng)LDO的負(fù)載電流很大時，調(diào)整管的Vcs增加，MP打開，并以一個很小的電阻開啟與R串聯(lián)，此時MP表現(xiàn)為一個開關(guān)。此時調(diào)整管柵極對VDD的電阻會極大地減小，同時前級偏置電流增加，帶寬也會增加。從環(huán)路穩(wěn)定性來說，它允許LDO通過動態(tài)的改變調(diào)整管柵極處的帶寬和電阻來適應(yīng)負(fù)載電流的改變，從而較好地提高電路
的瞬態(tài)響應(yīng)。

2 過壓保護(hù)
    當(dāng)LDO的輸出電源電壓高于一定數(shù)值時，過壓保護(hù)電路會自動啟動，并對電源電壓進(jìn)行調(diào)整；而當(dāng)電源電壓恢復(fù)到正常范圍時，保護(hù)電路又會自動關(guān)閉。圖2為過壓保護(hù)電路結(jié)構(gòu)。需要注意的是，保護(hù)電路的調(diào)整管需要對大電流進(jìn)行泄放，因而需要在版圖上對其進(jìn)行特殊處理。

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3 仿真結(jié)果
    本芯片采用SMIC 0．18μm CMOS Logic工藝設(shè)計并流片。芯片面積為l70x280μm，靜態(tài)電流為200μA，電容采用MOM實(shí)現(xiàn)，其整體版圖如圖3所示。版圖內(nèi)大部分為功率管及米勒電容。輸出電源線的走線應(yīng)當(dāng)盡量寬，同時可用多層金屬，以減小線上電阻。

4 結(jié)束語
    當(dāng)負(fù)載電流從O到100 mA時，本設(shè)計的LDO瞬態(tài)特性電壓紋波在50 mV以下，調(diào)整時間在20μs左右，同時，LDO的PSRR在低頻時可達(dá)到63d-B，100 kHz時有35 dB，完全可以滿足系統(tǒng)要求。