CMOS单片ldo线性稳压器的设计

发布于:2021-09-20 11:53:39

第7卷 第4期 2002 年 12 月             
文章编号:1007-0249 (2002) 04-0005-04

电路与系统学报 JOURNAL OF CIRCUITS AND SYSTEMS         

Vol.7 No.4 December, 2002

CMOS 单片 LDO 线性稳压器的设计*
刘其贵, 李建中, 郭振东, 魏同立

( 东南大学 微电子中心,江苏 南京 210096 )

摘要:设计出一种低压差线性稳压器,并对其结构和工作原理进行分析,重点讨论了各个关键电路模块的设计, Hspice 模拟结果验证了设计的正确性。 关键字: 低压差;线性调整;负载调整;瞬态特性 中图法分类号:TN43 文献标志码:A

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引言

DC/DC 变换器已广泛应用于便携式 电子系统中,如笔记本计算机、蜂窝电话、寻呼机、 PDA 等。 LDO(Low Dropout)属于 DC/DC 变换器中的降压变换器,它具有低成本、低噪声、低功耗等突出优点, 另外它的外围器件也很少,通常只有 1~2 个旁路电容。 *年来电子产品的工作电压越来越低,从以前的 5V 逐步降为 3.3V、2.5V,甚至更低,因此必须 提高 LDO 的电源利用率,这就要求 LDO 具有尽可能低的压差。 早期采用 NPN 达林顿管作为调整管, 其压差在 2.5V~3V 之间;改用 PNP 和 NPN 结构后,其压差降为 1.2V~1.5V 之间;采用 PNP 管作为调 整管,其压差可以降到 0.3V~0.6V 之间;若采用 P 沟道功率 MOSFET ,则可以进一步减小压差[1]。 设计的 LDO 采用 PMOS 晶体管作为调整管,其压差设计为 0.12V,另外该 LDO 还具有选通 /关闭 电源功能、温度保护电路和宽的电源电压工作范围(3.42V~10V)。

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LDO 电压变换器的电路组成与工作原理

LDO 电路设计如图 1 所示,图中 V C C、 V O U T 分别为输入、 输出电压; K1 、 K2 、 K3 和 K4 均为 CMOS 开关; EN 为使能 信号;OR1 为或门; A1 为误差放大器;V REF 为基准电压; V COMPOUT 为温度保护电路产生的控制信号; D、G 和 S 分别 为 PMOS 调整管的漏、栅和源端;R1 和 R2 为取样电阻。 系统各组成部分和要求如下: 1) 基准电压源,要求精度高、温度漂移小。 2) 电压误差放大器 A1,要求增益高、失调小、功耗低。
图1 LDO 电路结构示意图

3) 电压差负*骷 PMOS 管,其源漏承担了输入和输出之间的全部电压之差。 4) 反馈取样电阻,要求电阻比的精度高、温度漂移小,阻值大,功耗低。 5)温度保护电路,具有史密特触发特性。即温度高于 160 ℃时该电路将系统关断,而在温度低于 120℃时系统又重新正常工作。 6) CMOS 开关和倒相器,控制系统的开与关两种工作状态。 初始时刻 EN 为低电位,开关 K1 和 K2 闭合,V COMPOUT 为低电位,K3 闭合、K4 断开,整个系统正 常工作。在工作期间,电路的温度会随耗散功率的增大而升高,当温度升高到 160 ℃时,温度保护电 路启动,V COMPOUT 变为高电*,将开关 K3 断开、 K4 合上,系统不再工作,温度下降,当温度下降到 120℃时,V COMPOUT 变为低电位,整个系统又开始正常工作。

* 收稿日期:2001-09-03    修订日期:2001-10-30

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电路与系统学报

第7卷

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3.1

LDO 电压变换器的设计考虑
临界压差 V Dropout LDO 输入电压大于输出电压一定数值时,系统具有保证输出电压稳定的能力,当输入电压减小到

某一临界值时,系统失去对输出电压的调整能力,V Dropout 定义为临界点处输入电压和输出电压之间的 差值。设 PMOS 在临界点处的线性电阻为 R on ,负载电流为 Io ,则有: V Dropout = Vin ? Vout = I o Ron (1) 设计中应尽可能地降低 PMOS 调整管临界工作点时的导通电阻。 3.2 效率 LDO 效率与输入电压有关,定义为:
η= I O VO × 100 % ( I O + I q )V I

(2)

其中 IO 是输出电流; V O 为输出电压; Iq 为静态电流; V I 为输入电压。 在设计中应降低 I q 和 V Dropout , 在应用中应减小输入和输出电压之间的差值。 3.3 瞬态特性 瞬态特性为负载电流突变时引起输出电压的最大变化, 它是输出电容 C0 及其寄生电阻 ESR 和旁路 [2] 电容 Cb 的函数,其中 Cb 的作用是提高负载的瞬态响应 。最大瞬态电压变化 ? Vtr ,max 定义为[3]:
? Vtr , max = I O,max C0 + Cb ?t1 + ?VESR

(3)

式中 ? VESR 为电阻 ESR 上的压降;Io,max 为最大负载电流; ? t1 与 LDO 的闭环带宽有关。为了获得 良好的瞬态响应,LDO 应该具有高的带宽、大的输出和旁路电容、低的 ESR。 3.4 线性调整能力 线性调整能力是指当输入电压变化时,输出电压保持恒定的能力,定义为 ? VO ?V I
?VO ? 1 =? ?VI ? ( Rds + RL ) g m Aod ? ? R1 + R2 ?? ? ? ? R2 ? ? ? ?
[4]

: (4)

其中 g m 为调整管的跨导; Aod 为误差放大器的开环差模增益;R L 为负载电阻; Rds 为调整管源漏间 的等效电阻。显然减小 ? VO ?VI 的关键是增大 g m 和 Aod ,同时这也可以提高负载发生变化时系统保持 输出电压稳定的能力,即负载调整能力。 3.5 精度 系统的精度主要是由以下因素在输出端引起的误差电压产生:线性调整 ( Δ V LR ) 、 负 载 调 整( Δ

V LDR)、基准电压源的漂移( ΔV o,ref) 、误差放大器的漂移( ΔV o,a ) 、采样电阻误差 ( ΔV o,r )、温度因子( Δ V TC)。总的误差决定的精度为[3]:
a= ? VLR + ? VLDR + ? Vo,ref + ?V o,a + ?Vo, r + ? VTC VO
2 2 2 2

× 100 %

(5)

其中对精度影响最大的是基准电压源的温漂、误差放大器的温漂和采样电阻的误差。 综合以上因素,LDO 设计的关键是小的 V Dropout 、稳定的基准源、高增益和高带宽误差放大器以及 小的静态电流等。

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4.1

LDO 电压变换器主要电路模块的设计
基准电压源的设计 基准电压源决定了 LDO 电压变换器的输出精度。本电路中基准电压源采用带隙结构,其基本工作

第4期

刘其贵等:CMOS 单片 LDO 线性稳压器的设计

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原理是用放大 K 倍的热电压 V T 的正温度系数与双极型晶体管 V BE 的负温度系数所产生的漂移相互抵 消。带隙基准电压 VREF 表达为:VREF = VBE + KVT 。适当选取放大倍数 K ,可以使两个电压的温度漂移在 工作点温度上刚好对消[5]。 采用 Hspice 对所设计的带隙基准电压源进行了模拟,结果表明常温下 V REF =1.169V,当温度变化 范围在-30℃~100℃之间时,温漂系数<20ppm/℃。 4.2 误差放大器的设计

误差放大器的增益、带宽、失调、驱动能力、工作电压范围等指标直接影响 LDO 电压变换器的 性能,如输出电压精度、负载调整能力、线性调整能力、瞬态特性等。本电路用的误差放大器为带有 频率补偿的两级放大结构,差分级输入,甲乙类输出,它具有以下特点:偏置电路稳定、静态电流小、 电压工作范围宽、增益高、失调电压小等。 模拟结果表明:在 V cc =4.3V 时误差放大器的直流增益为 108dB;此时单 位增益带宽达到 10MHz; 输入失调电压为 0.01μV。这些良好的指标保证了 LDO 具有优越的性能。 4.3 PMOS 调整管尺寸的设计 PMOS 调整管为压差负*骷涑叽缭酱螅纪ǖ缱柙叫。 V Dropout 越小,但是尺寸太大也会增 大误差放大器的负载,并使版图面积增大。所以要折中考虑调整管的尺寸。 当输入电压较大时,调整管栅源最大驱动电压 V GS 也较大,驱动电流调整和输出能力也大。当输 入电压 V CC 降低到 Vin = VDropout + Vout 时到达临界点,当 V CC 再进一步减小时,系统失去对输出最大电流 驱动的调整能力。 在临界点输出电压应保持稳定, 并且满足输出最大驱动电流的条件, 即 IO U T=150mA。 另外 V OUT=3.3V,V Dropout =120mV。所以有:
max min { VGS }min = Vcc = VDropout + Vout = 120 mV + 3 .3V = 3 .42V

(6)

临界点处源漏电压为 120mV,此时 PMOS 调整管工作于线性区,因此有:
1 2 I SD = K [( VGS ? VTP )VSD ? VSD ] 2

(7)

代入以上各参数,可以计算得到增益因子 K ,结合具体工艺参数可以进一步求出 PMOS 调整管的 宽长比为 W/L= 1 .66 × 10 4 。 4.4 温度保护电路的设计 保护电路设计的关键是产生在正向 160 °C 处,反向 120 °C 处发生跳变 的具有史密特触发特性的信号,用该信号控制系统输出的关与断。 图 2 为温度保护触发信号产生电路, 其中 VR E F 为基准电压;VCOMPOUT 为输出的触发信号;Q1 为基极和集电极短接的 PNP 管,可以由横向 PNP 管构成; R1 、R2 、 R3 和 R4 为电阻; M1 为 NMOS 晶体管;C 1 为比较器; INV1 为倒相器;V A 、V B 为对应点的电压。 该电路工作原理为:常温下设计 V B <V A ,比较器 COMP 输出端电压 图 2 温度保护触发 信号产生电路 V COMOUT 为低电*,系统正常工作,此时 VB = VREF × R 3 /( R3 + R2 ) 。随着温度 的升高,由于 PN 结的负温度系数,V A 下降,而 V B 不变。当温度升高到 160 °C 时,V B >V A ,V COMOUT 变为高电*,系统不工作,此时 V B = V REF × ( R3 + R 4 ) /( R 4 + R 3 + R2 ) 。随着温度的降低 V A 逐渐提高,当 温度降低到 120 °C 时,V A 开始高于 V B ,V COM O U T 又变为低电*, 系统重新工作。
表1 模拟结果参数表

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LDO 电压变换器的模拟结果
根据总体指标和各模块的具体要求,对电路进行了完整的设

计。利用贝岭 3 微米 CMOS 工艺模型和 Hspice 工具对电路进行

(VIN =4.3V, T=250 C) 参数类型 静态电流 线性调整对输出的影响 负载调整对输出的影响 电源电压抑制比(1KHz)

参数值 35μA 15mV 8mV 60dB

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电路与系统学报

第7卷

了详细的模拟和调试,并进行了优化,典型工作条件下的主要 模拟结果如表-1 所示。 模拟结果完全达到指标要求, 这反映了电路设计的正确性。 下面给出电路的三种特性曲线, 它们均反映了电路的良好性能。 5.1 输出电压随输入电压的变化 图 3 中输入电压在小于 3.42V 时输出电压即达到稳定值
图3 输出电压随输入电压 的变化(IOL=150mA)

3.3V,即 V Dropout <120mV。在输入电压从 3.42V 变化到 10V 时,输出电压的变化仅为 10mV。 5.2 输出电压随温度的变化 图 4 为输出电压随温度变化的波形图,在-40 °C~160°C 之 温度保护电路特性 图 5 为温度

间其温漂为 60ppm/℃,这反映了电路具有良好的温度特性。 5.3
图4 输出电压随温度的 变化(IOL=150mA)

保护电路输出信 号 VCOMPOUT 与 温度的关系。 当温度升高到 160 °C 时 VCOMPOUT 由低电* 变成高电*,将系统关断,而温度回落到 120 °C 时, VCOMOUT 由高电*变成低电*,系统恢复正常工作。

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总结

图5

温度保护电路特性

LDO 结构简单,工作原理也不复杂,但是设计一高性能 LDO 却存在一定的困难。 本文首先从总 体上分析 LDO 的各种特性,从中明确各个参数的优值和设计方向,以及设计中的关键因素,即小的 V Dropout 、稳定的基准源、高增益和高带宽误差放大器以及小的静态电流等,以此为基础,随后给出了 关键电路的设计。模拟结果则验证了电路的良好特性。当然,更加优化的参数值,例如更低的静态电 流、更高的环路带宽、更高的 PSRR 都可以进一步提高 LDO 的性能。 参考文献: 
[1] 方佩敏. 新型大电流、低压差线性稳压器[J]. 今日电子,2001, (5). [2] 严洁. Micrel 低压差线性稳压器及其应用[J]. 国外电子元器件,1998, (7). [3] Lee Bang S. Understanding the Terms and Definitions of LDO Voltage Regulators[J]. Texas Instruments Application Report,1999, (10). [4] Lee Bang S. Technical Review of Low Dropout Voltage Regulator Operation and Performance[J]. Texas Instruments Application Report, 1999,(8) [5] 谢沅清,解月珍. 模拟集成电路分析与设计[M]. 华中理工大学出版社,1990.

作者简介: 刘其贵(1977 -), 男, 1995 年毕业于东南大学电子工程系,目前正在东南大学电子工程系攻读博士学位,
研究方向为 VLSI 设计与 CAD。

Design of a One-chip LDO Voltage Regulator
LIU Qi-gui, LI Jian-zhong, GUO Zhen-dong, WEI Tong-li
(Microelectronic Center, Southeast University, Nanjing 210096, China) Abstract: A design of LDO voltage regulators is presented. After analyzing its structure and principle, the design of key circuits of this LDO voltage regulator is given. At last, the Hspice simulation results prove that the design is of high quality. Key words : Low Dropout ; Line Regulation; Load Regulation; Transient Response


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