一种适用于高压电源管理的无输出电容自基准低压差线性稳压器.pdf

第 3 7卷 第 1 期 2 0 1 4年 2月 电 子 器 件 C h i n e s e J o u r n a l o f E l e c t r o n D e v ic e s V o 1 3 7 No 1 Fe b 201 4 A Ca p a c i t o r Le s s Lo w Dr o p o u t Li n e a r Re g u l a t o r wi t h S e l f - Vo l t a g e Re f e r e n c e f o r Hi g h Vo l t a g e Po we r M a n a g e me n t T A N G Y u ， F E N G Q u a n y u a n ( I n s t i t u t e o fMi c r o e l e c t r o n i c s ， S o u t h w e s t J i a o t o n g U n iv e r s i t y ， C h e n g d u 6 1 0 0 3 1 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： A s e l f - v o l t a g e r e f e r e n c e f u l l y i n t e g r a t e d l o w d r o p o u t l i n e a r r e g u l a t o r w a s d e s i g n e d a s a i n t e r n a l p o we r s u p p l y f o r t h e h i g h v o l t a g e p o we r ma n a g e me n t c h i p s ， a n d w i t h o u t a n o u t p u t c a p a c i t o r I t a c h i e v e d t h e r e d u c t i o n o f c i r c u i t s c a l e b e c a u s e o f t h e s e rf - p o w e r e d a n d s e rf - b i a s l o o p， wh i c h w a s c o n s t i t u t e d b y t h e l o w d r o p o u t l i n e a r r e g u l a t o r a n d t he v o ha g e r e f e r e n c e Th r o u g h a n a l y z i n g a n d s i mu l a t i n g t h e s ma l l s i g n a l c h a r a c t e r i s t i c o f t h e l o o p wi t h Hs p i c e ， a l o w e n o u g h l o o p g a i n a c h i e v e d 一8 2 d B a t l o w e q u e n c y， wh i c h p r o v e d t h e l o o p h a s n o e f f e c t o n t h e s t a bi l i t y o f t h e po we r s u p p l y s y s t e m Ke y wo r d s ： p o we r ma n a g e me n t ； s e l f - v o l t a g e r e f e r e n c e L DO； o u t p u t c a p a c i t o r l e s s ； s e l f - p o w e r e d a n d s e rf- b i a s E E ACC： 8 1 1 0 d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 5 9 4 9 O 2 0 1 4 0 1 0 0 7 一 种适用于高压电源管理的无输出电容自 基准低压差线性稳压器术 唐 宇， 冯全源 ( 西南交通大学微电子研究所， 成都 6 1 0 0 3 1 ) 摘 要 ： 设计了一种用于高压电源管理( P o w e r M a n a g e m e n t ) 芯片内部供电的无输出电容、 自 基准全集成低压差线性稳压器， 低压差线性稳压器与电压基准形成 自供电自偏置环路， 减少了电路的规模。通过对 L D 0 一基准环路小信号特性分析， 并用 H s p i c e 进行仿真验证 ， 该环路具有足够低的环路增益， 低频时能达到一 8 2 d B， 不会对供电系统的稳定性造成影响。 关键词 ： 电源管理； 自基准L D O ； 无输出电容； 自 供电自 偏置 中图分类号： T N 4 3 文献标识码： A 文章编号 ： 1 0 0 5 9 4 9 0 ( 2 0 1 4 ) O 1 0 0 2 6 0 4 目前的集成高压 电源管理芯片内部控制电路中 使用的是低压器件， 因此需要高一 低压转换供电模 块， 低压差( L D O ) 线性稳压器， 因其低噪声、 低功 耗、 线路简单易于实现这些优点， 被广泛应用于芯片 内部供 电。L D O一般 由误 差放 大器 、 传输管 ( 使用 大尺寸的 P MO S ， 实现低压差 的关键所 在， P M O S工 作在饱和区， 使得 L D O供电和输 出电压最小差值为 流过 P M O S的电流作用在其 尺 。 一导通 电阻上的 电压) 、 参考电压、 以及反馈网络构成。基准 和 L D O 形成的传统拓扑结构如图 1 所示， 预稳压输出 。 作为基准的供电 电压 ， 待基准 电压 建立完成 ， L D O输出经过分 压电阻 吲 和 尺 眦得 到反馈 电压 ，反馈电压与基准 电压经误差放大器 比较 ， 其输 出控制传输管的栅极电压， 此负反馈机制能够保证 L D O输 出电压稳定 卜 。 图 1 L D O和基准的传统拓扑结构 预稳压电路的简单实现方式如图2所示， 齐纳二 极管的作用在于钳制 N M O S 栅极电压， 电阻R 阻值 较大 ， 用于限制齐纳二极管反向击穿后的电流。此电 项目来源： 国家 自然科学基金重大项 目( 6 0 9 9 0 3 2 0 ， 6 0 9 9 0 3 2 3 ) ； 国家高技术研究发展计划( 8 6 3计划) 重大项目( 2 0 1 2 A A 0 1 2 3 0 5 ) ； 国家 自然科 学基金 面上项 目( 6 1 2 7 1 0 9 0) ； 四川 省科技 支撑计 划项 目( 2 0 1 2 G Z 0 1 0 1 ) ； 成都 市科 技计 划项 目 ( 1 2 D X Y B 3 4 7 J H一 0 0 2 ) 收稿 日期 ： 2 0 1 3 0 4 2 0 修改 日期 ： 2 0 1 3 0 5 1 4 第 1期 唐 宇， 冯全源： 一种适用于高压电源管理的无输 出电容 自基准低压差线性稳压器 2 7 路优点在于结构简单， 容易实现； 但因 N M O S 作为跟 随器 ， 源极输出电压至少 比栅极 电压低其阈值 电压 删，故其效率低。预稳压的实现方式有很多， 作者在 这里未一一列举 ， 它们都存在 同样的缺点 ， 即是 内部 供电正常工作时， 预稳压电路必然会有功耗 ， 这 与电 力电子发展的低功耗趋势是背道而驰的。 R Ze n e r d i o d e 0S 图 2 预稳 压的 简单 电路 实现 为降低芯片成本， 既要减少芯片外围无源器件 的数量， 还需精简内部电路模块。 为解决上述 问题 ： ( 1 ) L D O外接 电容 ， 增加成本 且不利于全集成； ( 2 ) 预稳压电路的存在增加供电 模块 自身 功 耗。本 文设 计 了一 种新 颖 的 自基 准 L D O拓扑结构， 如图3 所示， L D O为基准供电， 基准 为 L D O提供参考电压和电流偏置， 基准和 L D O形 成 自 供电、 自 偏置机制， 基准无需再单独供电。 图 3 L D O和 b a n d g a p基 准形成的反馈拓扑 1 自基准 L Do的实现 自 基准 L D O实际晶体管级电路如图 4 、 图 5 所示 。 误 差 放 大 级 启 动 电 路 功 率 级 错 莅 偏 置 电 路 输 出 钳 位 图 4 自基 准 L DO 电路 图 1 1 电路 自启动分析 本文设计的 自基准 L D O， 电路中的启动 功能是 关键因素之一， L D O和基准都含有各 自的启动电 路 。L D O率先启动 ， 启动伊始 ， 通过 R 和 C 对 MM 栅极充电， 直至其开启后将传输管 M 栅极拉至 地电位 ， L D O输出电压开始上升 ， 待输 出电压 经 R 吲 、 尺 眦 和 R 嘲分压后能够使 M 开启而将 MM关 闭， 启动完成。L D O启动结束后的输出电压 必 须高于基准的最低工作 电压 ， 才能够确保基准电压 的正常建立 ， 因此 3个分压电阻的比例尤为重要 。 图 5 带 隙基 准电路 图 对基准而言， 当 电压满足其最低工作电压 时， R 。 将 M P 仃 和 M 附栅极电位拉至地电位， M 导 通， 并经过 R 和c ， 对 M 栅极充电至将其开启， 电 流镜主控管 Mm开始 正常工 作 ； 与此 同时 ， MP 埽 开 启， 电流流经 Q Q ， 其 差值施加在 尺 两端形成 P T A T ( 与绝对温度成正 比) 电流 ， 此 P T A T电流流经 。 一 。 得到 P T A T电压 ， 并与 Q 6 之 叠加 ， 因 具有负温度系数， 因此调节 尺 。 一 尺 的大小就可以 得到与温度 系数无关的基准 电压 m 电流镜 正常 工作使得 M m和M 栅极电位经 M 上拉至 ， 基 准启动结束， 此时 M 川并未关闭， 而是与 M 眦一起作 为基准误差放大器的第 3 级放大之用。 基准产生的参考电压 和偏置电压 i 提供 给 L D O差分输入， 以保证 L D O正常工作并使其输 出稳定， 这样 L D O和基准就形成自启动， 自 偏置， 自 供 电机制。 1 2自基准 L DO环路稳定性分析 本文设计的自基准 L D O存在 3个反馈环路， 基 准和 L D O各 自的反馈环路为负反馈 ， 二者是相互独 立的 ； 而 L D O为基准供电 ， 基准为 L D O提供参 考电压 和偏置 i 以使 L D O稳定地提供 ， 和 其 中一者 偏高 ， 都会使另一 者输 出值增 加 ， 此环路形成正反馈 机制 ， 如果此环路 增益大 于 0 d B， 则会影响到整个供电系统 的稳定性 。 1 2 1 L D O自身环路稳定性 L D O的反馈环路由误差放大级和功率级构成 ， 其开环增益可用式( 1 ) 表示 ： A 。 P e =gm ， MP 5 r0 ，M N 2 g m ， M N 3 r 0 M P 2 g m ， M P ( 尺F B l + R F B 2 + 尺 )l I ( 1 ) 电子 器件 第 3 7卷 其中， g 为 M O S 管的跨导， r 。为 M O S管沟道长度 调制效应产生 的等效 阻抗 ( r 。 =1 A I D ) ， 为 L D O 输出端的等效负载电阻。 环路零极点分布 ： 对 A C小信号来讲， c 。 可看成是 M m 栅极和漏 极之间的密勒 电容 ， 其等效到 M栅极 的电容被放 大 ， 因本文设计的 L D O无外接电容 ， 故环路主极 点 出现在 M ， 栅极结点处 ， 且 大小 可 由式 ( 2 ) 大致 表 示； 次极点出现在功率传输管 M 栅极结点处， 大小 可 由式 ( 3 ) 给出： 1 ， 、 p。 z 1 PI ( 赢 1 ) c t+ M P + lM P ) ( ro 1 II r o ,M ) ( 3 ) 其中 C G S 和 分别为 M 的栅一 源等效电容和 ,MP CG B ,MP 栅极与衬底之间的等效电容。 电路有两个主要的零点， 其一是由 和 c 串 联产生， 其二是 c ， 和反馈电阻( + )lf 产 生 ， 可用式 ( 4 ) 和式( 5 ) 表示 ： 1 Z 0 - 疵 ( 4 ) 丽 1 2 2 L D O与基准形成的环路稳定性 ( 5 ) L D O与基准形成的正反馈环路拓扑 图可由图 3 表示。该环路的开环小信号增益可看成 经 L D O 到 的增益与 经 b a n d g a p到 的增益之积 ； 前者即为 L D O的闭环增益A ， 而后者则是 b a n d g a p的电源抑制 比 P S R R b 。 故 L D O与基准构成的反馈环路开环增益A 。 。 。 可表示为式 ( 6 ) ： A 。 P =Av - c l o s eP S R R b g ( 6 ) 式 中， 可由式( 7 ) 计算 ： A I A e v o p e n ( 7 ) 其中A 。 为式( 1 ) 中描述的 L D O开环增益， ，为 L D O的负反馈系数， 其大小为： F 1 F B 3 ( 8 ) 从数量级来讲 ， A 为三 级放 大器的增益 ， 其 估计值在 6 0 d B 左右， 即A v -op 1 ， 因此式( 7 ) 可简 化为 A 。 。 =1 F， 因而式( 6 ) 可重新表示为 ： Av 1 o op- P s R R ( 9 ) 一 儿 n 岵 从式( 9 ) 可以很直观地看出 ， 只要基准的 P S R R性能 不太差， 即可满足 A 。 叩 为一个小于 0 d B的值， 当 或者 出现小信号波动， L D O和基准构成的环 路能够很好地抑制小信号的放大， 从而保证 自基准 L D O供电的稳健性 。 2 仿真结果与分析 电路基于 0 5 m B C D工艺 ， 利用 H s p i c e进行 仿真 。在 分别为 7 V、 1 O V、 l 5 V以及 2 0 V时， L D O自 身环路特性仿真结果如图6所示， 其低频增 益约7 0 d B ， 带宽2 1 4 M H z ， 相位裕度5 3 9 。 ， 能够保 证 L D O自身的负反馈环路稳定。 霎 z s 虽 o 1 1 0 1 0 0 1 k 1 0k 1 0 ok l M 1 0M f r 、 Hz V rN = 7 V ( a ) 一 l Ov 一 - LLe v e l ： 6 6 3 33 =IV = 一 1 1 0 1 o 0 1 k 1 0k l o ok 1 M 1 OM f Hz ( b ) 图 6 本文设计的 自基准 L D O开环 小信号特性 图 7所 示为 b a n d g a p基准 的 P S R R指标 ， 以及 L D O和 b a n d g a p 构成的环路增益 。 。 。 ， 两者低频值 相差 1 3 3 d B ； 实际电路中， 、 R F B 3 分别取值 3 2 5 MQ、 1 4 M Q、 1 2 5 MQ， 因此 有 2 0 1 g A l 。 = 2 0 1 g ( 1 F) =1 3 4 7 d B， 故仿 真结果验证了式( 9) 的 正确性； 随着频率的升高， 二者差值没有一直保持 1 3 3 d B， 是 因为 L D O中存在 的调零 电容 C 和 会对后 者 的频 率 响应 带 来 微弱 的影 响。L D O 和 b a n d g a p 基准产生的正反馈环路增益， 低频值为一 8 2 兽 0 f H z 图 7 B a n d g a p P S R R及 A 1o o p 仿真波形 第 1期 唐 宇， 冯全源： 一种适用于高压 电源管理 的无输 出电容 自基准低压差线性稳压器 2 9 d B， 最坏情况在 2 5 MH z高频处也有一1 8 d B， 足够 低 的环路增益能够在 或者 出现波动时， 有效 地抑制纹波电压对整个供 电系统带来 的影 响， 以确 保供电的稳健工作。 图 8所示为本文设计 的 自基准 L D O线性 响应 仿真结果， 以0 2 V ix s 速度上升及下降， L D O输 出电压变化量分别为 3 8 8 4 1 mV、 4 2 3 6 7 mV， 无需 外接输出电容亦能使输出电压在输入阶跃变化时保 持稳定。 之 s ( a ) ： e n a s 4 ： D e l1【 I0 4 2 3 6 7 I l j _ f s ( b ) 图 8 L D O线性响应仿 真结果 3 结论 为适应电源管理芯片 日益低功耗化的发展趋势 ， 唐字( 1 9 8 9 一 ) ， 男， 汉族， 四川资阳人， 硕士研究生， 主要从事模拟集成电路的 研究与设计， y u t a n g _ 0 0 7 1 6 3 c o m； 本文设计一种无输 出电容的 自基准 L D O， 无需为基 准单独供 电， 以 L D O和基 准 的 自启动 电路作 为基 础 ， 在不影响 L D O 自身环路稳定性 的前提下 ， 基准 与 L D O形成 自供 电、 自偏置环路 ， 该环路具有较低 的环路增益， 确保基准和L D O组成的供电系统在环 路出现小信号波动时不受其影响。此拓扑结构新 颖 ， 既有效地降低芯片内部供 电系统的功耗 ， 同时此 自基准 L D O无需外接电容就可以保证输出电压在 输入电压阶跃变化时 陕速恢复稳定。 参考文献 ： 1 C h a v a C K， S i l v a M a r ti n e z J A R o b u s t F r e q u e n c y C o m p e n s a t i o n S c h e me f o r L D O R e g u l a t o r s C P r o c I E E E I C E C S 2 0 0 2， Ma y 2 0 0 2 ( 5 ) ： 8 2 5 8 2 8 2 D o k a n i a R K， R i