隨著(zhù)筆記本電腦、手機、PDA等移動(dòng)設備的普及，對應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(xiàn)性穩壓器由于具有結構簡(jiǎn)單、成本低廉、低噪聲、小尺寸等特點(diǎn)，在便攜式電子產(chǎn)品中獲得了廣泛應用。
在便攜式電子產(chǎn)品中，電源效率越高意味著(zhù)電池使用時(shí)間越長(cháng)，而線(xiàn)性穩壓器效率=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(xiàn)性穩壓器的工作效率就越高。
本文設計的低壓差線(xiàn)性穩壓器其輸出電壓為2.5V或輸出可調，滿(mǎn)足當負載為1mA時(shí)，最小輸入輸出壓差為0.4mV，當負載為300mA時(shí)，壓差為120mV，電源電壓工作范圍為2.5～6V。
電路結構與工作原理
低壓差線(xiàn)性穩壓器的電路結構如圖1所示，電路由調整管，帶隙基準電壓、誤差放大器、快速啟動(dòng)、過(guò)流限制、過(guò)熱保護、故障檢測、及取樣電阻網(wǎng)絡(luò )等模塊 組成，并具有使能、輸出可調等功能。調整管作為壓差的負載器件，要滿(mǎn)足本設計的要求，對于它的選擇需重點(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管結構的靜態(tài)電流更低。其次，NMOS管工作時(shí)需一比輸出電壓高的驅動(dòng)信號，而PMOS管則無(wú)此需求，特別 在低輸入電壓時(shí)要產(chǎn)生一高的驅動(dòng)電壓變得較困難。因此，本文采用PMOS管作為調整管。
圖1 低壓差線(xiàn)性穩壓器電路結構
電路的工作原理是：在電路上電過(guò)程中，快速啟動(dòng)電路內有一個(gè)500μA的電流源的對CC端的旁路電容C充電，使電路盡快上電啟動(dòng)，誤差運放的同相端 經(jīng)由取樣電阻R1、R2對輸出電壓V0采樣，再與Vref比較后輸出放大信號，控制調整PMOS管的柵極電壓，使輸出電壓V0保持穩定，即：
電路在工作過(guò)程中出現過(guò)流、過(guò)熱情況時(shí)，過(guò)流限制與過(guò)熱保護電路會(huì )快速響應，調整管的導通狀態(tài)會(huì )被減弱、關(guān)斷，保護電路不致?lián)p壞，同時(shí)故障檢測電路 會(huì )產(chǎn)生一個(gè)低電平信號。使能端接高電平時(shí)電路正常工作;當使能端為低電平時(shí)，基準電路及調整PMOS管關(guān)斷，電路處于等待狀態(tài)。
關(guān)鍵特性分析及設計考慮
1、漏失電壓（VDO）和靜態(tài)電流（Iq）
漏失電壓定義為維持穩壓器正常工作的最小輸入輸出電壓差，它是反映調整管調整能力的一個(gè)重要因素。對采用PMOS管作調整管的電路，漏失電壓由導通 電阻（Ron）和負載電流（Io）確定，即： VDO = Io×Ron.低壓差線(xiàn)性穩壓器的靜態(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整管的柵極驅動(dòng)電流組成。對PMOS調整管而言，柵極由電壓驅動(dòng)，幾乎不產(chǎn)生功耗。在穩壓器承載小負載或空載時(shí)，漏失電壓 極低，靜態(tài)電流等于穩壓器工作時(shí)的總偏置電流。設計時(shí)注意使PMOS調整管的導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(xiàn)性穩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，前一項是調整管產(chǎn)生的功耗，后一項是靜態(tài)電流功耗。穩壓器效率如前所述可表示為：
η= IO VO / （ IO + Iq ） VI×100 %
功耗與效率的表達式充分說(shuō)明對于低壓差線(xiàn)性穩壓器，低漏失電壓、低靜態(tài)電流意味著(zhù)低功耗、高效率。
3、負載調整能力和電壓調整能力
負載調整能力指當輸出電流變化時(shí)，輸出電壓維持一定值的能力，定義為：ΔVO /ΔIO，它表征了負載變化而穩壓器維持輸出在標稱(chēng)值上的能力，該值越小越好。電壓調整能力指當輸入電壓變化時(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壓器維持輸出在標稱(chēng)值上的能力，該值也是越小越好。對圖1的電路結構其負載調整能力和電壓調整能力分別為：
其中g(shù)m為調整管的跨導;Aod為誤差放大器的開(kāi)環(huán)差模增益;Rds為調整管源漏間的等效電阻;RL為負載電阻;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.
4、瞬態(tài)響應
瞬態(tài)響應是穩壓器的動(dòng)態(tài)特性，指負載電流階躍變化引起輸出電壓的瞬態(tài)脈沖現象和輸出電壓恢復穩定的時(shí)間，與輸出電容COUT和輸出電容的等效串聯(lián)電阻RESR，以及旁路電容Cb有關(guān)，最大瞬態(tài)電壓脈沖值ΔVTR（MAX）為：
其中： IO（MAX）是指發(fā)生階躍變化的最大負載電流;Δt1是穩壓器閉環(huán)的響應時(shí)間，與穩壓器閉環(huán)帶寬（0dB頻率點(diǎn)）有關(guān)。設計應用時(shí)需考慮降低穩壓器的瞬態(tài)電壓脈沖，即提高穩壓器的帶寬，增大輸出和旁路電容，降低其等效電阻。
5、輸出精度
穩壓器的輸出精度是由多種因素的變化在輸出端共同作用的體現，主要有輸入電壓變化引起的輸出變化ΔVLR、負載變化引起的輸出變化ΔVLDR、基準 漂移引起的輸出變化ΔVref、誤差放大器失調引起的輸出變化ΔVamp、采樣電阻阻值漂移引起的輸出變化ΔVres、以及工作溫度變化引起的輸出變化 ΔVTC，輸出精度ACC由下式給出：
其中ΔVref、ΔVamp及ΔVres對ACC影響較大，故基準電壓源、誤差放大器及采樣電阻網(wǎng)絡(luò )的拓撲結構在設計時(shí)需重點(diǎn)考慮。 電路設計及模擬結果
1、帶隙基準電壓源的設計
基準電壓源是線(xiàn)性穩壓器的核心模塊，是影響穩壓器精度的最主要因素。帶隙基準電壓源的工作原理是利用晶體管的VBE所具有的負溫度系數與不同電流密度下兩晶體管之間的ΔVBE所具有正溫度系數的特性，乘以合適的系數使二者相互補償，從而得到低溫漂的輸出電壓。
電路實(shí)現如圖2所示，有：
其中n為Q1、Q2的發(fā)射區面積比。Hspice模擬結果表明，當電源電壓變化范圍在2.5～6V之間時(shí)，常溫下VREF = 1.254V，溫度變化范圍在-30～120℃之間時(shí)，溫漂系數小于10×10-6/℃。
圖2 帶隙基準源電路
2、誤差放大器的設計
誤差放大器將輸出反饋采樣電壓與基準電壓進(jìn)行差值信號比較放大，輸出后控制調整管的導通狀態(tài)，保持Vout穩定，其增益、帶寬及輸入失調電壓等指標 對穩壓器的輸出精度、負載和電壓調整能力、瞬態(tài)響應等特性有較大影響，電路實(shí)現如圖3所示。通過(guò)Hspice模擬得到該誤差放大器在VCC1為4.2V 時(shí)，其輸入失調電壓為0.05μV，直流增益為110dB，帶寬達到10MHz.
圖3 誤差放大器電路
3、過(guò)流限制模塊的設計
過(guò)流限制電路的設計思路是通過(guò)對調整管柵源電壓進(jìn)行采樣，實(shí)現控制調整管的柵極電壓，從而達到限制輸出電流的目的，電路實(shí)現如圖4所示。
圖4 過(guò)流限制電路
當負載電流由小增大時(shí)，VDrv隨之降低，調整管MTG的ID隨之增大，通過(guò)M20對調整管MTG的柵源電壓進(jìn)行采樣，使得M31的柵極電壓增大， 這樣M21的柵極電壓隨之降低，從而實(shí)現對VDrv的調整。通過(guò)Hspice模擬得到，當負載電流超過(guò)330mA時(shí)，M21將開(kāi)始導通，從而使VDrv隨 之提高，使調整管MTG導通程度減弱，起到限流保護作用。
3.4過(guò)熱保護模塊的設計
過(guò)熱保護電路的設計思路是利用對溫度敏感的元件來(lái)檢測的片內溫度的變化，當溫度超過(guò)設定值時(shí)，保護電路動(dòng)作，調整管被關(guān)斷，以防其損壞，電路實(shí)現如圖5所示。
圖5 過(guò)熱保護電路
利用晶體管的VBE具有負溫度系數的特性，將Q0作為測溫元件，由M12、M13、M10、M5、和M4形成一比較器，M11、R1和R2組成分壓 電路。在低于溫度設定值時(shí)設計VGM12 VGM13，比較器反轉，VGM3變?yōu)楦唠娖�，TOUT的輸出為低電平，從而實(shí)現關(guān)斷調整管。本電路的溫度保護設定值為160℃，Hspice的模擬結果 如圖6所示，圖中×代表輸出電壓VOUT，⊙代表VGM12，Δ代表VGM13，負載電流為300mA.
圖6 輸出電壓隨溫度的變化（I0=300mA）
3.5總體電路模擬結果
本電路采用韓國現代公司0.6μm工藝模型，通過(guò)Hspice對整體電路及各關(guān)鍵模塊進(jìn)行了模擬優(yōu)化，典型工作條件下模擬結果如表1，輸出電壓隨輸入電壓及溫度的變化如圖6、圖7所示，模擬結果充分驗證了設計的正確性。
圖7 輸出電壓隨輸入電壓的變化（IO = 300mA）
4總結
本文分析討論了低壓差線(xiàn)性穩壓器的工作特性及設計考慮，并給出了關(guān)鍵模塊的電路設計圖，HSPICE的模擬結果驗證了電路具有良好特性，該電路采用標準CMOS工藝實(shí)現，具有較高的實(shí)用價(jià)值。 |
