LDO线性稳压器结构的改进

发布于:2021-06-17 04:56:04

设计

CIC 中国集成电路
China lnte gra te d Circult

LDO 线性稳压器结构的改进

党华 1,王志功 1,王欢 1,徐建 2 (1. 东南大学 射频与光电集成电路研究所,江苏 南京 210096;
2. 江苏新志光电集成有限公司,江苏 南京 210016)

摘要:通过改进传统电路结构,设计出了一种低压差线性稳压器。通过解决系统上电所带来的一些问 题,达到了低功耗的设计目的。给出了带隙基准源和误差放大器等关键电路的设计方法,采用和舰 0. 35μm CMOS 工艺模型 Spi ce 进行了仿真,验证了设计的正确性。 关键字:LDO稳压器;带隙基准源;误差放大器
Improvement of LDO Linear Regulator

DANG Hua1, WANG Zhi-gong1, WANG Huan1, XU Jian2 (1.Institute of RF- & OE-ICs(IROI),Southeast University,Nanjing 210096,China;
2.Sino-Chip OE-ICs Jiangsu Co,Ltd,Nanjing 210016,China)

Abstract:A design of LDO voltage regulator is presented. The traditional structure of LDO circuit was improved. The starting- up problem of the system power was resolved, and the objective of low- power consumption was realized. The key circuits such as the bandgap voltage reference and the error amplifier were designed in HEJIAN’s 0.35μm CMOS process. Simulation results proved the validity of the design. Key words:LDO regulator; Bandgap voltage reference; Error amplifier

1 引言
*年来,移动电话、掌上电脑、笔记本电脑等便 携式设备及医疗、测试仪器的迅猛发展拉动了具有 低压差线性稳压器(LDO)的快速发展。图 1 是一个 典型 LDO 电路结构[1]。该结构主要包括 3 个部分:调 整管、误差放大器(EA)和电阻反馈网络。其基本工 作原理为:电阻反馈网络产生反馈电压,误差放大器 将反馈电压和基准电压之间的误差小信号进行放

大,再经调整管放大输出,并由此形成负反馈,保证 了输出电压稳定在规定值[2]。
2 电路结构的改进与分析
图 2 所示为 LDO 电路改进的结构框图。为了达 到低功耗设计,将 LDO 的输出电压作为带隙基准电 路的电源,这样通过使能电路(ENA)让整个电路关 断时,LDO 的输出电压 Vout 为零。由于 Bandgap 没

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CIC 中国集成电路 China lnte gra te d Circult 图 1 典型低压差线性稳压器结构

设计
通过对电路结构的改进,避免了电路刚启动时 带隙基准源电路不能工作导致的整个电路死锁的问 题,达到了电路低功耗的设计目的。
3 电路设计
3. 1 带隙基准电路
带隙基准的核心电路结构如图 3 所示。

图 2 电路结构改进框图
有电源,输出也为零,整个系统的功耗很低。同时,并 没有将带隙基准电压直接作为误差放大器的参考电 压。原因就是考虑到系统刚上电时,LDO 没有输出 的时候,带隙基准源不会工作,误差放大器没有输入 信号,也无法工作,这样整个系统会陷入死点。因此, 加入了如图 2 中虚线框所示的电路。首先,当电路 刚启动时,LDO 的输出电压还很低,这样带隙基准 源电路就不能工作,VFB 反馈信号给上电控制电路, 此电路产生的电流通过 I/V 转换得到一个参考电 压,使误差放大器工作,电路正常。同时,随着 LDO 的输出电压逐步升高,VFB 也跟着升高,当 LDO 输 出电压升高到能使带隙基准源开始工作时,带隙基 准源会产生控制信号,使上电控制电路关断。这时, 带隙基准源电路产生的带隙基准电压通过一个电压 跟随器、V/I 转换、I/V 转换来得到一个参考电压加入 到误差放大器的一个输入端,至此,误差放大器有了 稳定的参考电压,电路能够正常工作。

图 3 带隙基准电路

在理想情况下,通过运放的调节,两个差分输入

端的电压应该相等,不考虑运放失调电压,所以电阻

R1 上的电压为晶体管 Q1 和 Q2 发射极 - 基极电压

之差。设定 P1 和 P2 的宽长比,且都工作在饱和区,

使得电流比例为:

ID(p2)=k1ID(p1)

(1)

设 Q1 发射区面积是 Q2 的 k2 倍,则:

VBE1 =

kqT1n

ID(p1) k2Is

(2)

VBE2 =

kT1n k1ID(p1)

q

Is

(3)

由式(2)和(3)得

ID(p1)=

kT qR1

1n

k1k2



(4)

VREF=VBE2

+R2ID(p2)

=VBE2

+

R2k1kT R1q

1n k1k2

(5)

式(5)中,第一项是负温度系数,第二项是正温

度系数,适当选择 R2 和 R1 的比例,在一定温度下 V REF的温度系数理论上可以达到 0。

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3. 2 LDO关键电路的设计
本电路设计时考虑到,要用 LDO 的输出电压作 为带隙基准的电源,而且增加了系统上电控制电路, 完整的电路结构如图 4 所示。

Vgs(22)- Vgs(25)≥Vgs(21)- VTN 即

(8)

Vgs(22)≥Vgs(25)+Vgs(21)- VTN

(9)

根据 MOS 管工作在饱和区的电流方程[3]

ID=

1 2

μnCOX

LW(VGS-

2
VTH)

(10)

得到:

姨 VGS=

1 K

L W

ID

+WTH

(11)

其中

K=

1 2

μnCOX,将式(10)带入式(11),化

简后得:

姨姨 姨 姨姨 姨 姨 姨 姨 L W

=
22

L W

+
25

1L 2 W 21

因此,选择合适的宽长比,就可以使 N21 工作

在饱和区,差分放大电路正常工作。

图 4 LDO关键电路图
电路工作原理是:当系统刚启动时,由于电压还 很低,所以 LDO 的输出不足以使得 Bandgap 工作。 因此,在设计时增加了上电控制电路。开始时,LDO 输出一个反馈控制信号 CON 为低,Pc1 和 Pc2 导 通,N20 和 N22 中会有电流,N21 为差分对管提供尾 电流。二极管形式的 N22 产生一个栅源电压 Vgs 使 误差放大器 可以工作。当 LDO 的输出电压 使得 Bandgap 能够正常工作后,控制电路使控制信号 CON 变为高,Pc1 和 Pc2 关断,控制电路停止工作, 不再给 N20 和 N22 注入电流,电路开始正常工作。 电路左边部分是一个电压跟随器,差分对一端电压 是 Bandgap 的输出电压通过电阻网络升压得到的, N17、N18、P21、P22、P23、N22 形成 V/I 转换和 I/V 转 换,并且通过镜像 N20 和 N21 提供误差放大器中差 分对的尾电流,并且当 N22 和 N17 完全相同,电流 镜像比例都是 1:1,这时 N22 的栅电压就和 N17 的 栅电压相等,则 Vout= (R2/ (R1+R2))Vgs22 =(R2/ (R1+R2))Vref 在设计本电路时,应该考虑 N20、 N21、N22、N25 的尺寸,我们必须保证提供尾电流的 N21 工作在饱和区,所以:

4 电路模拟结果
采 用 0.35μm 18V CMOS 工 艺 模 型 库 , 通 过 Hspice 软件对整体电路及各关键模块进行了模拟优 化。图 5 给出了电源上电时各主要信号的波形。仿真 结果表明,当 Bandgap 电路正常工作后,CON 信号是 控制电路关断。所以,增加了上电控制电路后,系统避 免了因 Bandgap 没有工作而产生的死锁现象。通过仿 真表明,系统在关断时,功耗为 0.1μA 以下。
图 5 电源上电时 Vi n、Vout 、Vref、CON信号的波形
(下转第 67 页)

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封装

01005组件合适的压力范围为 150- 300 g。对于线路 板变形的情况,对应压力的变化,贴装轴必须能够感 应小到 25.4μm 的变形以补偿线路板变形。
(5)贴片精度对 0201/ 01005 组件装配的 影响
65um/3σ 的精度可以很好处理 0201 和 01005 组件的贴装。当然还必须保证焊膏的印刷精度,单 一的偏差有时不会有很大的影响。但是贴片偏差和 焊膏偏差的综合影响必须加以控制。比如,贴片偏 差 +50μm,而印刷偏差为 - 50μm,这个偏差达 0.1 mm,对 0201 和 01005 这类细小组件,此偏差已非常 大。所以我们必须关注细小组件电气端与焊膏的重 叠区域,细小组件两电气端与焊膏重叠区域的大小 和差异会对装配良率产生很大的影响。如果组件两 端与焊膏接触区域差异大,这种不对称很容易导致 组件在回流焊接炉内产生“立碑”、锡珠和组件间短 路。
5 结束语
虽然 0201/01005 组件的贴装现在是新贴装设

备的一个标准特性,还需要作另外的工作来改进终 端用户的整体工艺。在机器制造商、组件供应商、电 路板制造商、模板工厂和焊膏制造商之间的关系需 要加强,以形成一个更加无缝的(seamless)开发过 程。最终结果将是对该工艺的统一的理解,以及将 使最终用户受益的更好的工作关系,特别是使新的 生产技术更快和更有效地结合。CIC
参考文献
[1]吴懿*,鲜飞.电子组装技术[M].武汉:华中科技大 学出版社,2006. [2]王天曦,王豫明.贴片工艺与设备[M].北京:电子工 业出版社出版社,2008. [3]鲜飞.0201 片式组件应用面临的挑战[J].印制电路 信息,2003,10/11:40- 41.
作者简介
鲜飞,华中科技大学计算机学院工程硕士,工程师, 从事电子组装工艺技术工作,在各种学术会议及电 子科技期刊上发表学术论文 200 多篇,出版有《电 子组装技术》 专着,2008 年深圳华南 Nepcon 最佳 SMT 工程师获得者。

上接第 22 页

5 总结
本文首先分析了传统 LDO 结构存在的问题。根 据系统低功 耗设计的要 求,将 LDO 的输出 作为 Bandgap 的电源,解决了上电死锁的问题,进而提出 电路的改进方案,并设计了带隙基准和误差放大器 电路,最后给出部分仿真结果,证明了电路的正确 性。CIC
参考文献

[1] Gabriel A. Rincon- Mora, A Low- Voltage, Low Quiescent Current, Low Drop- Out Regulator [J], IEEE JOURNAL OF SOLID- STATE CIRCUITS, 1998, 33 (1):36- 44. [2] 刘其贵,李建中,郭振东,等.CMOS 单片 LDO 线性 稳压器设计[J].电路与系统学报,2002,7(4):5- 8. [3] Razavi B.模拟 CMOS 集成电 路设计[M].陈贵 灿 (译).西安:西安交通大学出版社,2002.
作者简介
党华,硕士研究生,主要方向:模拟集成电路设计。

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