一种极低静态电流LDO线性稳压器的设计.doc

一种极低静态电流LDO线性稳压器的设计 杨学硕，陆铁军，宗宇 （北京微电子技术研究所，北京100076） 摘要：在此设计一个具有560nA静态电流、150mA驱动能力的低压差线性稳压器。该LDO采用TSMC0.18m混合信号CMOS工艺，输出电压是3.3V，输入电压为3.55V。低静态电流LDO电路的设计难点是频率补偿和瞬态响应，这里通过引入一个带有负反馈的动态偏置缓冲器，不仅保证了系统在空载到满载整个负载范围内的稳定性，还极大地改善了低静态电流LDO的瞬态响应问题。仿真结果表明，全负载范围内相位裕度最小为65.8，同时最大的瞬态响应偏差小于10mV。 关键词：ldo；低静态电流；频率补偿；瞬态响应 ：TN43?34：A：1004?373X（xx）20?0125?04 ：xx?04?08 Designofultra?lowquiescentcurrentLDOYANGXueshuo，LUTiejun，ZONGYu （BeijingMicroelectronicsTechnologyInstitute，Beijing100076，China） Abstract：Alowdropoutregulator（LDO）withquiescentcurrentof560nAanddrivecapabilityof150mAwasdesigned.TheTSMC0.18ummixed?signalCMOStechnologyisadoptedinLDO，whoseoutputvoltageis3.3Vandinputvoltageis3.55V.ThedesigndifficultiesofLDOcircuitwithlowquiescentcurrentarefrequencypensationandtransientresponse.Adynamic?biasingbufferwithnegativefeedbackisintroducedtoensurethestabilityinallloadconditionsofthesystem，andimprovethetransientresponseoflowquiescentcurrentLDO.Thesimulationresultsshowthattheminimumphasemargininallloadcondi?tionsis65.8，andthemaximumdeviationoftransientresponseislessthan10mV. Keywords：LDO；low?quiescentcurrent；frequencypensation；transientresponse 0引言 随着智能手机、PDA、笔记本电脑等便携式电子产品在日常生活中的普及，LDO线性稳压器因低噪声、低功耗、高电源抑制比、线路成本低等优点，而得到广泛的应用。对于便携式电子设备而言，续航时间是一个十分重要的指标，因此需要降低电路的静态电流从而增加电池的使用时间。在CMOS电路中，LDO大部分时间都工作在低负载情况下，所以轻载下的静态电流消耗在一定程度上决定着电池的寿命。但是，低静态电流会导致误差放大器的摆率降低，使瞬态响应变差，同时会增加频率补偿的难度，所以必须在功耗和瞬态响应之间做合理的折中。本文针对上述问题，提出了一种低静态电流LDO的方案，该LDO在空载情况下仅消耗560nA的电流，并能够驱动150mA的负载。该电路的创新点在于误差放大器的设计和频率补偿。空载时误差放大器工作在浅饱和区，在不使用大的倒比管的情况下，仅需很小的静态电流，就可保证系统的稳定和直流增益，并配合改进的极点?极点追踪的频率补偿，使得LDO在全负载范围内都能保持稳定。由于负载电容的加入，即使空载时静态电流很小，电路在从满载向空载跳变，空载向满载跳变时，过（欠）冲电压都不会很大。 1电路设计 由于MOS管的等效输出阻抗ro随漏源电流IDS的减小而增大，并且MOS管的跨导gm随着漏源电流IDS的减小而减小，因此无论是差分放大器、共源级放大器还是源跟随器，它们的等效输出阻抗都随偏置电流的减小而增大。所以在低静态电流LDO中，受到误差放大器尾电流的限制，无法将放大器的极点推到较高的频率上；而且输出极点随负载电流的增大而增大，大概有6个量级的变化，因此低静态电流LDO的一个设计难点是：全负载范围内的系统稳定性1。同时尾电流的限制会使得放大器的摆率降低，所以低功耗LDO的另外一个设计难点是：瞬态响应。本文通过引入一个带负反馈的动态偏置缓冲器，不仅解决了LDO频率补偿难的问题，更极大地改善了LDO的瞬态响应。 1.1缓冲级的设计 所谓的动态偏置缓冲器，就是让缓冲器的偏置电流和负载电流相关。只需在原来的偏置电流的基础上，再加入一个PMOS管，使PMOS的栅源和功率管的栅源连在一起，如图3所示。这样，缓冲器的输出极点也会跟随输出极点的变化而变化，降低频率补偿的难度。更重要的是，LDO的摆率也会随着偏置电流的变大而变大，从而改善瞬态响应，而且这种方法不会增加电路在空载时的电流消耗。 1.2误差放大器的设计 误差放大器是LDO线性稳压器的核心模块，它的直流增益决定着输出电压的精度。如果误差放大器使用一级结构，低频增益小，电路的直流参数不会太好；由于电路引入了缓冲级，所以再使用两级或者两级以上的放大器，不仅增加了对地的支路电流，而且会使系统的频率补偿方案变得复杂。因此，本文采用折叠式共源共栅结构的运放，在不增加误差放大器级数的同时，能够提高电路的直流增益。 1.3频率补偿 由于电路的驱动能力比较大，为150mA，而静态电流的设计目标需要控制在1A以内。一般的数字模块都希望供电电压瞬间的最大波动4不大于10%。如果没有片外电容，并且负载从满载跳变到空载时，受到静态电流的限制，电路的摆率较低，此时会产生比较大的过冲，且稳定时间较长，很可能会破坏后续电路。因此在本文的设计中，引入了1F的片外电容。 输出极点频率随负载电流的变化而变化。由于缓冲器的极点和它的偏置电流有关系，当增加它的偏置电流时，其输出极点频率也变大。为了保证Y点的极点频率始终在单位增益带宽之外，本文利用M14管来调整缓冲器的尾电流，从而进一步衰减其输出阻抗，使得Y点的极点P2随着LDO的输出极点PPOW的变化而变化。为了进一步分离PEA和P2，采用米勒电容CC降低PEA的极点频率。具体的实现方式如下：M10，M14的栅源和功率管的栅源连在一起，所以缓冲级的尾电流与负载电流成正比。M10，M14的宽长比为12，并且M9，M13的宽长比也为12，从而可以保证M15和M16的电流比始终相同。虽然电路的静态电流很小，但通过合理得设置参数，采用倒比管，仍能保证所有的器件都工作在饱和区。 实际上，1pF的米勒电容就可以保证系统的稳定性。并且，后面的仿真结果将会验证电路在整个负载范围内的稳定性。 2性能仿真验证 本文利用Cadence公司的Spectre软件以及TSMC的0.18m混合信号模型库进行了系统仿真。 图5为LDO在不同负载条件下的环路增益，以满载150mA，1mA、空载为例进行了仿真。图6为不同负载条件下，LDO的相位裕度，进一步证明了前面的理论推导，LDO在中度负载时，相位裕度最小；在满载和空载时，相位裕度接近90。其中，最小相位裕度为65.8，因此LDO在整个负载范围内都能保持稳定。 图7为LDO的瞬态响应曲线，负载接有1F的片外电容。当负载电流从空载跳变到满载时，欠冲电压只有0.5mV；当从满载跳变到空载时，过冲电压也仅只有8.1mV，稳定时间需要75ms，但是电路的过冲不足0.3%，所以这并不影响电路的使用。 图8是不同负载条件下的静态电流曲线。在空载状态下，仅仅消耗558na的静态电流；在满载时，需要消耗62a的静态电流。对于cmos电路来讲，电路大部分时间工作在空载的状态下，或是非常小的负载电流下，该小电流由cmos电路的漏电引起。所以，本文设计的ldo的静态电流指标，具有很大的优势。在表1中，列举了本文与参考文献中的ldo的电特性对比情况5。 3结语 本文针对低静态电流LDO设计的两大难点：频率补偿和瞬态响应，提出了相应的解决方案。 该LDO采用极点?极点追踪补偿方法，在全负载条件下，系统都能保持稳定。当LDO的负载从满载到空载跳变时，稳定时间较长。由于过冲很小，不足输出电压的0.3%，所以并不影响使用。若要缩短瞬态响应时间，就不可避免得要增加电路的静态电流，这是低静态电流LDO尽量要避免。所以缩短LDO稳定时间，也是接下来继续研究的问题。本文在文献3的基础上做了结构改进。仿真结果进一步表明本设计在性能指标上有很大突破。该指标优于现在市场上主流低静态电流LDO芯片，具有重要实践意义。为了实现该芯片的IP化，也会继续研究无片外负载电容的低静态电流LDO。 参考文献 1叶强，来新泉，袁冰，等.一种采用新颖的双重自适应补偿的低静态电流LDO稳压器的设计J.半导体学报，xx，29（10）：2057?2063. 2王忆，何乐年.CMOS低压差线性稳压器M.北京：科学出版社，xx. 3AL?SHYOUKHM，LEEH，PEREZR.Atransient?enhancedlow?quiescentcurrentlow?dropoutregulatorwithbufferim?pedanceattenuationJ.IEEEJournalofSolid?StateCircuits，xx，42（8）：331?334. 4崔传荣.新型低功耗无片外电容LDOD.杭州：浙江大学，xx. 5CHONGSS，CHANPK.A0.9Aquiescentcurrentoutput?capacitorlessLDOregulatorwithadaptivepowertransistorsin65nmCMOSJ.IEEETransactionsonCirc