（电路与系统专业论文）毫微功耗低漏失cmos线性稳压器.pdf

摘要 j i i j i i jijj li il i f ti i i f lir ll r y 19 9 6 4 3 9 ： 随着各种便携式电子产品的普及和快速发展，人们对产品性能和功耗的要求 越来越高，而电池技术近期内不会出现较大的突破。在全世界陷入能源危机，倡 导绿色能源这个大背景下，如何提高电源的利用效率、延长电池的使用寿命正成 为电源管理芯片设计者所面临的巨大挑战。 本论文的设计工作来源于西安电子科技大学电路设计研究所的重点科研项目 “深亚微米数模混合专用集成电路关键理论研究及设计实现”，文中详细介绍了毫 微功耗低漏失c m o s 型线性稳压器芯片x d 9 5 2 7 的设计过程，包括芯片指标的制 定、特性的分析计算、系统功能的电路设计、版图实现及仿真验证等。l l x a 的超 低静态电流使得芯片静态功耗大大降低，加上低压差设计方案，更是极大提高了 芯片的整体效率：采用本文独创的双重自适应补偿技术，有效的改善了环路稳定 性，只需一极小的陶瓷电容就可使输出在全负载范围内稳定，减小了应用电路的 面积，降低了应用成本；与常用的恒定限流电路不同，采用更为合理的折返式限 流保护电路，使系统在过载或短路情况下功耗显著减小。 x d 9 5 2 7 采用0 5 1 t t m 标准c m o s 工艺，现f 在国外某工艺线投片。利用c a d e n c e 、h s p i c e 等e d a 软件，对其在不同模型、电压、温度组合下进行了自订仿真和后 仿真验证。仿真结果表明：正常：作时典型情况下芯片静态电流仅l “a ，静态功耗 仅为3 1 t w ，负载电流为1 0 0 m a 时漏失电压只有1 4 0 m v ，所有参数和特性均达到指 标要求。 关键词：毫微功耗低漏失线性稳压器电源管理双重自适应补偿 折返式电流限制 ab s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ep o p u l a r i z a t i o na n dr a p i dg r o w t ho fp o r t a b l ee l e c t r o n i cp r o d u c t s ，t h e e q u i p m e n t sw i t hm o r ee x c e l l e n tp e r f o r m a n c ea n d l o w e rp o w e rc o n s u m p t i o na r e r e q u i r e dm o r et h a no f t e n h o w e v e r , b a t t e r yt e c h n i q u ew i l ln o tb ei m p r o v e dr e c e n t l y c h i pd e s i g n e r s a r ef a c i n g u n p r e c e d e n t e dp r e s s u r e t o i m p r o v et h ee f f i c i e n c yo f b a t t e r y p o w e r e de q u i p m e n t sa n dp r o l o n gt h eu s a g e o fb a t t e r y t h i sp a p e ri sb a s e do nt h ep r o je c t t h e o r e t i c a lr e s e a r c ha n dd e s i g no fk e y t e c h n i q u e sf o rd e e p s u b m i c r o nm i x e da s i c ”an a n o p o w e rl o wd r o p o u tc m o sl i n e a r r e g u l a t o r , x d 9 5 2 7 ，i si n t r o d u c e d t h ew o r ko f t h i sp a p e ri n c l u d ed e f i n i t i o no ft h e s p e c i f i c a t i o n ，f u r t h e ra n a l y s i so ft h ee l e c t r i c a lc h a r a c t e r i s t i c s ，r e a l i z a t i o no fs u b b l o c k c i r c u i t s ，l a y o u ta n dp o s t s i m u l a t i o no ft h ew h o l ec h i p t h es t a t i cp o w e rc o n s u m p t i o ni s s h a r p l yr e d u c e dd u et ot h eu l t r al o wq u i e s c e n tc u r r e n t ，w h i c hi sl e s st h a nib ai nt y p i c a l c o n d i t i o n a n dt h ee f f i c i e n c yi n c r e a s e sc o n s e q u e n t l ) b e c a u s eo ft h el o wd r o p o u tv o l t a g e a n du l t r al o wq u i e s c e n tc u r r e n t w i t ht h en o v e ld u a la d a p t i v ec o m p e n s a t i o nt e c h n i q u e t h es y s t e mc a nb es t a b l ew i t hl o w c o s ta n ds p a c e e f f i c i e n tc e r a m i cc a p a c i t o r s oi ti s v e r ys u i t a b l et ot h ep o r t a b l ed e s i g n f u r t h e r m o r e ，t h ep o w e rc o n s u m p t i o na to v e r - l o a d c o n d i t i o nb e c o m e sm u c hl o wd u et ot h eu s eo ft h ef o l d b a c k - c u r r e n tl i m i t o t h e rt h a n t r a d i t i o n a ic o n s t a n t c u r r e n tl i m i t x d 9 5 2 7i sb a s e do nt h eo 5 1 a ms t a n d a r dc m o sp r o c e s sa n dn o wi si nt h ep r o c e s s o fs h u t t l e t h es i m u l a t i o nh a sb e e nc o m p l e t e du n d e rp r o c e s sc o m e r s ，v a r i o u sv o l t a g e s a n dd i f f e r e n to p e r a t i n gt e m p e r a t u r e sb yu t i l i z i n gt h ee d as o f t w a r e ，s u c ha sc a d e n c e ， h s p i c e ，e t c t h er e s u l t so fs i m u l a t i o ni n d i c a t et h a t t h eq u i e s c e n tc u r r e n ti sll a ai n t y p i c a lc o n d i t i o n ，t h es t a t i cp o w e rc o n s u m p t i o no ft h ec h i pa b o u t3 “w ，a n dt h ed r o p o u t v o l t a g ei s14 0 m vw h e nl o a dc u r r e n ti s 10 0 m aa n da l lo fo t h e rc h a r a c t e r i s t i c sm e e tt h e s p e c if i c a t i o nt o o k e y w o r d ：n a n op o w e r l d ol i n e a rr e g u l a t o rp o w e r m a n a g e m e n t d u a la d a p t i v ec o m p e n s a t i o nf o l d b a c kc u r r e n tl i m i t 第一章绪论 第一章绪论 本章简要地介绍了电源管理类集成电路的市场前景、分类、特点，着重说明 了l d o 线性稳压器的研究现状和发展趋势，并对其主要指标进行了简单描述和分 析，最后对本论文的主要工作做了简要概括。 1 1 引言 电源及电源管理i c 市场在过去数年中如同坐上了过山车，风驰电掣般地向日，j 发展。2 0 0 4 年，半导体市场的景气带动电源供应与电源管理器件市场攀上又高 峰。i s u p p l i 公司在2 0 0 4 年9 月时认为，2 0 0 4 年全球电源管理器件的总体销售额 将达到2 0 1 亿美元，比2 0 0 3 年增长2 4 3 。实际情况是，仅在中国，2 0 0 4 年全年 电源管理类芯片销售量为3 0 8 亿片销售额达到1 6 5 2 亿元。同时i s u p p l i 公司还 认为2 0 0 8 年电源管理芯片销售额将上升到2 9 5 亿美元，2 0 0 3 年到2 0 0 8 年的年复 合增长率为1 2 7 t 2 1 。 未来的需求显而易见，首先是中国即将发放3 g 牌照【i j 。这个市场一丌盘，就 会对基础网络设备、无线基站、以及3 g 手机等便携式多媒体终端形成巨大的需求， 势必拉动电源管理市场的大幅增长。同时，笔记本电脑市场的稳步发展，将促进 电源管理器件的销售。另外，汽车内电子系统的增多，也越来越多的需要对功率 的流通进行管理与控制。 电源管理巨大的市场动力显然还来源于另一个因素，那就是能源危机。随着 全球普遍爆发的能源危机问题pj ，电荒、煤荒已经成为街头巷尾议论的热点问题。 面对并不是取之不尽，用之不竭的能源，提高供电和用电设备的效率必然是不一 选择。具体到电源管理i c ，其静态电流对于用户而言，便是白白浪费掉的电能 因此，低静念电流i c 必将拥有广阔的市场空| 日j ，币是基于如此背景，本文的设计 工作设计一款典型情况下静态电流只有l l a a 的l d o 线性稳压器芯片便 更显得格外的意义重大。 便携式电源l c 种类繁多，根据不同的工作原理可将便携式电源i c 分成三类： 线性稳压电源、丌关稳压电源及电荷泵电源1 4 i 。它们具有共同特点，第一、工作电 压低。一般的工作电压为3 0 3 6 v ，有一些更低，如2 0 、2 5 v 甚至可能低于l v 。 第二、工作电流小。由于大多数便携式电子产品的工作电流小于3 0 0 m a ，所以 3 0 3 0 0 m a 的电源i c 在品种及数量上占较大的比例。第三、封装尺寸小。近年来 大都采用贴片式器件，电源i c 也不例外，主要有s c 7 0 、s o t - 2 3 封装等，使电源 毫微功耗低漏火c m o s 线性稳压器 占的空白j 越来越小。第四、输出精度高。一般的输出电压精度为2 - - 4 之间，有不 少新型电源i c 的精度可达o 5 1 ，并且输出电压温度系数较小。 1 2l d o 线性稳压器简介 l d o 线性稳压器( l o wd r o p o u tl i n e a rr e g u l a t o r ，以下简称l d o ) ，也称低压 差线性稳压器或低漏失线性稳压器，是一个自功耗很低的微型片上系统( s o c ) ， 它通常由做电流主通道具有极低在线导通电阻r d s t o n ) 的m o s f e t 调整元件、反馈 电阻、过流保护、过热保护、带隙基准、误差放大器等专用晶体管电路在一个芯 片上集成而成，其基本结构如图1 1 所示。在所有电源i c 中，用在蜂窝电话和其 它便携设备中的线性稳压器i c 的销售额最大，而l d o 又是线性稳压器中增长最 多和最快的产品。 广。一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一i ii 图1 1l d o 结构简图 一、l d o 稳压器的分类 l d o 按其静态耗电流来分，可分为全向功耗( o m n i p o w e r ) 、微功耗 ( m i c r o p o w e r ) 、毫微功耗( n a n o p o w e r ) 三种产品l 卯。o m n i p o w e rl d o 的静念电 流大于l o o v a ，m i c r o p o w e rl d o 的静态电流在l o p a 1 0 0 p a 之间，n a n o p o w e r l d o 的静念电流小于1 0 衅，通常只有l 斗a 左右。 o m n i p o w e rl d o 是一种静态电流稍大但性能又优于三端式稳压器的新型线 性稳压器，适用于使用a c d c 固定电源的所有电子产品，因其需求量大，生产量 大，而生产成本极低，价格十分便宜。 第一章绪论 m i c r o p o w e rl d o 是一种微功耗的低压差线性稳压器，它具有极低的自有噪声 和较高的电源电压抑制( p s r r ) ，具有快捷的使能控制功能，给它一个高( 或者 低) 的电平可使它进入工作状态或睡眠状态，具有最好的性能功率比，在需要低 噪声的手机电源中必然使用。 n a n o p o w e rl d o 是一种微功耗的低压差线性稳压器，具有极低的静态电流， 稳压十分精确，最适用于需要节电的手提电子、电器产品。 二、l d o 稳压器的指标【6 】- 1 9 l 1 、漏失电压( d r o p o u tv o l t a g e ) 漏失电压是指由于输入电压降低，内部电路停止调整，办即输出电压丌始无 法保持稳定时的输入输出压差，漏失电压越低越好。对于调整管为p m o s 的l d o ， 其漏失电压由p m o s 管的导通电阻决定，导通电阻越小，漏失电压越小。因此， 减小漏失电压的途径有：增大调整管宽长比或增大调整管栅极电压的动念范围， 最好使其栅极电压能低至地电位。 2 、静态电流( q u i e s c e n tc u r r e n t ) 静态电流即芯片对地管脚电流，是指稳压器输入输出之间的电流差。在线性 稳压器中，静态电流就是电路的总偏置电流，其大小受调整管、电路的拓扑结构 和环境温度等因素影响很大。大的静念电流就意味着大的静态功耗，因此，我们 总是希望静态电流越小越好。一般柬c 兑，采用p m o s 管作调整元件并选择适当的 电流采样电路能够有效的降低芯片的静念电流。 3 、效率( e f f i c i e n c y ) l d o 的效率定义为输出输入功率之比，即： e f f i c i e c y 铣x1 0 0 = 煮南枷溉 m - ， 显然，输入输出压差越低、静念电流越低，l d o 的工作效率就越高。l d o 的 工作效率一般在6 0 7 5 之间。负载电流较大时，效率主要由漏失电压决定，而在 小负载电流时，稳压器的效率将受静态电流的限制，比如输出电流等于输入电流 的一半，则稳压器的效率将减少一半。因此，为提高系统的效率，特别是对电池 供电的静态功耗很小的系统，选择低漏失电压和低静态电流的l d o 是十分重要的。 设计低压差、低静态电流的线性稳压器已成为便携式设备电源管理课题的一大技 术解决方案。 4 、负载调整率( l o a dr e g u l a t i o n ) 负载调整率反映了输出电压随负载电流变化的灵敏程度。负载调整率定义为： s ，：垒竖盟一1 0 0 ：r o t r r 1 0 0 ( 1 - 2 ) 。o l r r 负载调整率的实质即是稳压器的输出阻抗。假设负载电流变化i o u t ，输出电 4 毫微功耗低渊火c m o s 线性稳乐器 压随之变化a v o u t ，则a i o u t 可表示为 2 誓讹，2 冬+ 寺 其中，1 3 为反馈系数，g m 为调整管跨导，a 为误差放大器增益， 增益。于是，稳压器的输出阻抗为 r 邮= 等= 鲁 ( 1 - 3 ) 为整个环路的 ( 1 4 ) 因此，改善负载调整率的主要途径有：( 1 ) 减小调整管的导通电阻；( 2 ) 增 大环路的环路增益。 5 、线性调整率( l i n er e g u l a t i o n ) 线性调整率，又称电压调整率，反映了输出电压随输入电压变化的灵敏程度。 它定义为在负载电流，环境温度保持不变的条件下，输入电压变化a v l n 由此引 发输出电压产生a v o u t 的变化量。其公式表示为 驴芒g o a z , 川2 等，击川。 m 5 ，” u t ne f 、 由上式可知，电压调整率主要由基准源的相对精度所决定。因此，要得到一 个高精度的输出电压，必须有一个高精度的基准电压。 6 、精度( a c c u r a c y ) 稳压器的输出电压精度一般是综合考虑电压调整率、负载调整率、基准精度、 运放失调、温度系数以及取样电阻的精度等特性后的结果。输出精度主要由随温 度变化的基准电压源、误差放大器特性，以及取样电阻误差决定。 7 、负载瞬态响应( l o a d t r a n s i e n tr e s p o n s e ) 负载瞬态响应反映了稳压器在输入电压、环境温度等条件不变的情况下j 输 出电压对于负载发生阶跃变化的响应能力，是稳压器的动态特性。在l d o 线性稳 压器中，主要由系统的闭环带宽、输出电容、e s r ( 等效串联电阻：e q u i v a l e n ts e r i e s r e s i s t a n c e ) 和负载电流这几个因素决定了负载电流的阶跃引起的输出电压变化的 幅度和响应时l 日j 。由于大的闭环带宽会使瞬念响应时间减小，这就要求较小的输 出电容和较大的e s r ，而较小的输出电容和较大的e s r 又可能使环路的稳定性变 差。所以闭合环路的稳定性和负载瞬念响应往往是矛盾的，在设计稳压器时要折 衷考虑这两者的关系。 8 、线性瞬念响应( l i n e t r a n s i e n tr e s p o n s e ) 线性瞬念响应反映了稳压器在负载电流、环境温度等条件不变的情况下，输 出电压对于输入电压发生阶跃变化的响应能力，也是稳压器的动态特性。l d o 线 性稳压器的线性瞬态响应性能主要由基准电压的性能决定。 9 、电源电压抑制比( p o w e rs u p p l yr i p p l er e j e c t i o n ：p s r r ) 第一章绪论 电源电压抑制比是专门衡量电路对于电源内各种频率的纹波的抑制能力，这 在许多射频和无线应用中非常重要。l d o 的电源抑制比是指输出纹波与输入纹波 在一个频率范围内的比值( 通常是1 0 h z 到1 0 0 m h z ) ，结果通常以分贝( d b ) 表 示。其基本公式可表示如下： p s r r ：2 0 1 9 孚墼：2 0 1 9 ( 1 - 6 ) k t p p l e o u n , t r t 月1 7 其中a 代表l d o 稳压器反馈回路的丌环增益，a v o 为l d o 稳压器反馈环路在丌 路状态下从v i n 到v o u t 的增益值。从上面公式即可以看出要提高电源电压抑制比， 我们可以增加丌环增益或是降低v i n 到v o u t 的增益值。 另外值得注意的是电源抑制比和线性瞬念响应是密切相关的，任何能够改善 其一的方法必能使另一项参数得以改进。还有就是，带隙基准电压的电源抑制比 也是影响l d o 稳压器电源电压抑制比的主要内部要素之一，进入基准电压的任何 纹波都会被放大和送至输出，因此，提高带隙基准电压的电源抑制比也是提高l d o 稳压器电源电压抑制比的有效手段之一。 1 0 、噪声( n o i s e ) 通常情况下，l d o 内的噪声被定义为输出参考噪声，它的主要噪声源通常是 带隙电压。一般情况下解决的方法是在带隙输出端添加一个大的低通滤波器，从 而阻止噪声进入增益级。 l d o 的另一个噪声源是电阻分压网络，此噪声属于热噪声，等于4 k t r ( 有时 称为4 k t r 噪声) ，其中k 是波尔兹曼常数，t 是温度，单位为绝对温度k ，r 是 电阻值。由于电阻分压器与误差放大器的输入端相连，因而l d o 的闭环增益放大 了这个噪声。所以，使用较小的反馈电阻会产生较少的热噪声，但这是以消耗更 多的静念电流为代价的，这里也有一个折衷的问题。 误差放大器也是一个不容忽视的主要噪声源，提高输入级的跨导可以减小这 个噪声。 最后一个偶尔用来降低噪声的方法是，在电阻分压器的项部电阻上添加一一个 电容。这种方法有效是因为在高频时电容丌始减小闭坏增益，因而减小了噪声。 三、l d o 的应用范围 当所设计的电路对分路电源有以下要求： ( 1 ) 高的噪音和纹波抑制； ( 2 ) 占用p c b 面积小，如手机等手持电子产品： ( 3 ) 电路电源不允许使用电感器，如手机； ( 4 ) 电源需要具有瞬时校准和输出状态自检功能： ( 5 ) 要求稳压器低压降，自身功耗低： ( 6 ) 要求线路成本低和方案简单： 浇微功耗低漏火c m o s 线性稳乐器 此时，选用l d o 是最恰当的选择，同时满足产品设计的各种要求。 四、l d o 稳压器的研究现状与发展趋势 l d o 线性稳压器呈现以下几方面的发展趋势：低静态电流、低噪声、高p s r r 、 低漏失电压，采用较小输出电容( 甚至无需输出电容i i0 1 ) 等，最近几年的主流l d o 芯片的发展情况【l 如表1 1 所示。现在工业界的相关产品有：t o r e x 公司的低静态 电流l d ox c 6 2 0 6 ，典型情况下静态电流只有l 衅：凌特公司的l p 5 9 0 0 ，输出电 压为3 v ，负载为1 0 0 m a 时噪声只有6 5 9 v r m s ( 1 0 h z 一1 0 0 k h z ) ；高p s r rl d o 有i n t e r s i l 公司的i s l 9 0 0 0 ，其在l k h z 时p s r r 仍高达9 0 d b ；理光( r i c o h ) 公司 的超低漏失l d o 芯片r 1 1 7 2 x ，负载电流为l a 时漏失电压仅有1 8 0 m v ，相当于导 通电阻仅为0 1 8 q 。 表1 il d o 芯片技术发展监图 n 2 0 0 32 0 0 42 0 0 52 0 0 6 数 最低输入电压( v ) 2 5 2 o2 0 一1 51 5 1 21 2 s u bl 最低输出电压( v ) 1 8 1 31 3 1 01 o 0 7 0 6 静念电流( g a ) 4 02 5 1 0 5 电容( o f ) 1 00 4 70 1 0 0 5 噪声水平( 1 a v r m s ) 4 02 5 1 0 v t 时的漏极电流。 枷弘x p ( 警卜x p ( 一剀 当v d s 2 0 0 m v 左右时，即v d s v t 时，上式可简化为： 铲，o e x 据) 其中， ( 2 3 ) ( 2 - 4 ) 则式( 2 1 ) 可表示为： ( 2 5 ) ( 2 6 ) 护警枷p ( 一矧 协7 ， 当m o s 管工作在亚阈值区时，我 f j t g 称该器件工作在弱反型区。除了n ，式 ( 2 6 ) 类似于双极型晶体管中i c n b e 的指数关系。这罩的关键是当v g s 下降到低 于v t h 时，漏电流以有限的速率下降。对于n 的典型值，在室温时，要使i d 下降 一个数量级，v g s 必须下降约8 0 m v 。m o s 管的亚闽值特性曲线如图2 1 所示。 幽2 1m o s f e t 弧阑值特性 虽然亚阈值区i d 与v g s 的指数关系也许会使人们想到：在这一区域使用m o s 器件可以获得较大的增益。但是由于只有器件宽度w 大和漏电流小才能满足这一 条件，因而亚阈值电路的速度是非常有限的。 由式( 2 1 ) ( 2 3 ) 可得： g m ：磐：量：生土 ( 2 - 8 ) b m a y g sn v rv rci s + c 弧 、 此时，跨导与漏电流的比值是一常数，表述如下： 第二章关键技术分析及系统设计 钞旷击2 毒丧 而在饱和区，跨导与漏电流的比值则是过驱动电压的函数： g 。i j l 盛反型2 d 22 k 添一 其中v 州表示过驱动电压。令式( 2 9 ) 与( 2 1 0 ) 相等，则有： = 一习刀吩 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 室温下n - 1 5 时这个值约为7 8 m v 。当o 1 p f ) 一般只有极小的e s r 值( 。但是，当负载电流增大时，第二级的电压 增益g m p r o 降低，密勒效应减弱，l 向( 0 2 靠拢，系统容易出现不稳定问题。为了 保证大负载条件下的稳定性必须增大c c ，这将导致系统带宽降低且芯片面积增大。 同时，为了获得足够大的负载范围，b u f f e r 电路一般要求由输入输出均为轨至轨的 运算放大器实现，从而增加了设计难度和电路的复杂程度。 为了节省面积，另一种使用了增强的电容倍乘技术的补偿电路如图2 9 所示 1 2 5 1 1 2 6 l 。c c r c ，g m 。和g l i l p 组成电流反馈单元，从而将等效电容放大为原来的 g m c g m p r m 倍。 如图2 9 所示，传输函数可表示为： 急= 高等。志 亿3 t ， 巧喳f( 1 + 彩1 ) ( 1 + s 国2 )尺f l + 尺f 2 一 其中： 氏= g m t g r r i r 【i c o ：= 1 r , c c ，i = v g m 。g m n r 、r n r m c 【。! = g l | i = g m 。r 【 c l 。 毫微功耗低渊火c m o s 线性稳压器 图2 9 补偿电路采圳电容倍乘技术的l d o 简幽 由以上分析可知，这种采用电容倍乘技术的补偿电路具有更强的极点分裂效 应。相对于传统的密勒补偿，主极点频率更低而第二个极点频率更高。这是由于 等效的电容值被放大了g m e g m 。