（电路与系统专业论文）低功耗高稳定性ldo的研究与设计.pdf

浙江大学硕i ：学位论文 摘要 随着电子类产品的不断发展进步，电源管理技术在各种电子系统中得到了广 泛应用。作为电源管理类芯片中常见的一种稳压电源，低压差( l d o ，l o w d r o p o u t ) 线性稳压器具有高调整率，小输出纹波，低输出噪声等特点，在手机、 音频设备、蓝牙器件、无线网络以及p d a ( 个人数字助理 等领域均有广泛应 用。随着电路集成度的不断增加，可移动设备产量的不断上升，目前，低压差线 性稳压器的设计主要朝大负载应用、低功耗、高效率、高稳定性要求等方向发展。 本文首先对低压差线性稳压器系统拓扑进行了研究分析，并对系统实现中的 关键技术进行了介绍。此外，为了完善整体功能，系统还引入了部分模块给l d o 芯片提供使能控制和保护功能，其中包括久压锁定，过流限制，过温保护，基准 电压的低通滤波，以及快速启动等模块。 随后，本文阐述了各模块电路级的具体实现。在研究了一些模块各常见结构 优缺点的基础上，对不足之处进行了比较分析，提出了各模块的改进方法，并综 合各结构的优点，最终给出了本文设计所采用的具体电路结构。其中，着重介绍 的模块主要有误差放大器，带隙基准电压源，限流保护电路，过温保护电路，用 于改善输出电压瞬态响应的相关电路以及系统补偿电路等。 本次设计在1 5 9 i nb c d ( 双极型c m o s d m o s ) 工艺下，采用c a d e n c e 公 司的s p e c t r e s 软件对系统和模块进行设计和研究。仿真所得，系统的工作电流为 6 9 9 a ，电源抑制为5 3 d b ，在2 0 0 m a 负载电流时的输入输出电压差为2 0 0 m v ， 负载电容为2 2 9 f 时系统从轻负载到满负载范围内都能稳定工作。仿真结果表 明，本文设计的低压差线性稳压器不但具有低功耗，高电源抑制( p s r , p o w e r s u p p l yr e j e c t i o n ) ，低输出噪声等特点，同时亦具备启动速度快，负载调整率高， 输入输出电压差低，高稳定性等性能，完全符合预期的设计目标，具有良好的整 体性能。 关键词：低压差，稳压器，带隙基准，误差放大器，高稳定性，低功耗 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a st h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i cp r o d u c t i o n s ，p o w e rm a n a g e m e n tt e c h n o l o g yi s w i d e l ya p p l i e dt od i f f e r e n tk i n d so fe l e c t r i cs y s t e m a saf a m i l i a rp a r to fp o w e r m a n a g e m e n t s ，t h el o wd r o p - o u t ( l d o ) l i n e a rr e g u l a t o rh a st h ec h a r a c t e r i s t i co fh i g h r e g u l a t i o n ，l o wr i p p l ea n dl o wo u t p u tn o i s e ，a n di sw i d e l ya p p l i e di nc e l lp h o n e ，a u d i o d e v i c e s , b l u e t o o t h ，w i r e l e s sl a n ，h a n d h e l do r g a n i z e r s ，a n dp d a s a st h ei n c r e a s eo f t h ec i r c u i ti n t e g r a t i o na n dt h ep o r t a b l ep r o d u c t s ，t h el o wd r o p - o u tl i n e a rr e g u l a t o rw i l l b ea v a i l a b l ei nl a r g el o a d s ，l o wp o w e rd i s s i p a t i o n ，h i g he f f i c i e n c ya n dh i g hs t a b i l i t y a p p l i c a t i o n s t h et o p o l o g yo ft h e s y s t e ma n dt h ek e yt e c h n o l o g i e s o ft h es y s t e ma r e r e s e a r c h e da n da n a l y z e di nt h i sd i s s e r t a t i o nf i r s t l y i no r d e rt op e r f e c tt h ef u n c t i o no f t h es y s t e m ，s o m ef u n c t i o n a lm o d u l e sa r ei n t r o d u c e dt oe n a b l ea n dp r o t e c tt h es y s t e m ， w h i c hi n c l u d eu n d e rv o l t a g el o c k - o u t ，c u r r e n tl i m i t i n gm o d u l e ，o v e rt e m p e r a t u r e p r o t e c t i o n ，l o wp a s sf i l t e rf o rb a n d g a pv o l t a g e ，q u i c ks t a r tm o d u l ea n ds o o n t h e n ，t h ec i r c u i tl e v e ld e s i g no ft h em o d u l e si si n t r o d u c e dd e t a i l e d l y b a s e do n t h ec o m p a r i s o na n da n a l y s i so fa d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fs o m eb a s i cb l o c k s , t h i sd i s s e r t a t i o ng i v e st h ei m p r o v e m e n t s ，a n dp r o p o s e st h ep r o p e rs t r u c t u r e sf o rt h e c h i p t h ek e ym o d u l e sm a i n l yc o n t a i ne r r o ra m p l i f i e r , b a n d g a pv o l t a g er e f e r e n c e ， c u r r e n tl i m i t i n gc i r c u i t ，o v e rt e m p e r a t u r ep r o t e c t i o n ，t h et r a n s i e n tr e s p o n s eh e l pc i r c u i t a n dt h es y s t e ms t a b i l i t yc o m p e n s a t i o nc i r c u i t t h es y s t e mi sd e s i g n e di n1 5 p mb c d ( b i p o l a r - c m o s d m o s ) t e c h n o l o g y , a n d s i m u l a t e db yt h es p e c t r e so fc a d e n c ec o m p a n y t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h e s y s t e mc u r r e n ti sa b o u t6 9 p a ，t h ep o w e rs u p p l yr e j e c t i o n ( p s r ) i sa b o u t5 3 d b ，t h e d r o p - o u tv o l t a g ei sa b o u t2 0 0 m vw h i l et h el o a dc u r r e n ti s2 0 0 m a ，a n dt h es y s t e m c o u l do p e r a t es t a b l yf r o ml i g h tl o a dt oh e a v yl o a dw h e nt h el o a dc a p a c i t o ri s2 2 i t f i t i so b v i o u st h a tt h ed e s i g n e dl d ol i n e a rr e g u l a t o rd o e s n to n l yh a v et h ec h a r a c t e r i s t i c s o fl o wp o w e r , h i g hp s kl o wo u t p u tn o i s e ，b u ta l s oh a sq u i c ks t a r t - u p ，h i g hr e g u l a t i o n ， l o wd r o p - o u tv o l t a g ea n dh i g hs t a b i l i t y a n da l ls i m u l a t i o nr e s u l t so ft h el o wd r o p 。o u t l i n e a rr e g u l a t o ra r ec o n s i s t e n tw i t ht h ee x p e c t a t i o n sa n dt h es y s t e mp e r f o r m a n c ei s w e l l k e y w o r d s ：l o wd r o p - o u t , r e g u l a t o r , b a n d g a pr e f e r e n c e ，e r r o ra m p l i f i e r , h i g hs t a b i l i t y ，l o wp o w e r 浙江大学硕士学位论文 图目录 图2 1基本的系统框图5 图2 2输出电压随输出电流变化曲线7 图2 3输出电压随输入电压的变化曲线8 图3 - 1系统拓扑图13 图3 2l d o 输出电压的瞬态响应图1 5 图3 3控制环路零极点分布示意图1 7 图3 - 4零极点补偿原理1 7 图3 5u v l o 的磁滞窗口1 9 图3 - 6温度迟滞2 0 图3 7低通滤波器2 0 图3 8低通滤波器的波特图2 l 图4 - 1两级放大器的等效电路2 4 图4 2单级增益级误差放大级和调整管直接相连2 4 图4 3带缓冲器的单级增益误差放大器和调整管相连2 5 图4 - 4简单的单级跨导放大器2 6 图4 5单级折叠共源共栅跨导放大器2 7 图4 - 6电流镜单级跨导放大器。2 8 图4 7源级跟随器2 9 图4 8计算p s r 时的小信号模型3 0 图4 - 9改善p s r 后的跨导增益级3 l 图4 1 0改善s l e wr a t e 的误差放大器结构3 2 图4 1 l误差放大器输出的频率响应3 3 图4 1 2误差放大器p s r 的仿真结果。3 4 图4 1 3恒定尾电流源结构输出电压的大信号变化波形。3 4 图4 1 4改进的尾电流变化结构输出电压的大信号变化波形3 5 图4 1 5带隙基准电压源原理图一3 6 图4 - 16限流反相器3 8 图4 1 7输出电压随温度变化曲线4 0 浙江大学硕士学位论文 图4 1 8 图4 1 9 图4 2 0 图4 - 2 l 图4 2 2 图4 2 3 图4 2 4 图4 2 5 图4 2 6 图4 2 7 图4 2 8 图4 2 9 图4 3 0 图4 3 l 图4 3 2 图4 3 3 图4 3 4 图5 1 图5 2 图5 3 图5 - 4 图5 5 图5 - 6 图5 7 图5 8 图5 - 9 图5 1 0 图5 1 l 带隙基准电压的电源抑制4 0 限流保护模块的电路原理图4 l 欠压锁定电路原理图4 3 欠压锁定电路的仿真波形4 4 过温保护电路原理图4 5 温度上升时的输出电压波形4 6 温度下降时输出电压波形4 7 瞬态响应帮助电路一一加快调整管的关断4 8 瞬态响应帮助电路一一引入放电通路4 9 控制环路电路原理图。5 0 环路的小信号模型。5 1 控制开环的仿真原理图5 3 2 0 0 m a 负载时的开环频率响应仿真曲线5 4 1 0 0 m a 负载时的开环频率响应仿真曲线5 4 5 0 m a 负载时的开环频率响应仿真曲线5 5 1 0 m a 负载时的开环频率响应仿真曲线5 5 l m a 负载时的开环频率响应仿真曲线5 6 输出电压随负载电流的变化曲线5 8 l m a 负载电流时的温度特性曲线5 9 1 0 m a 负载电流时的温度特性曲线5 9 2 0 0 m a 负载电流时的温度特性曲线6 0 l m a 负载时的输入输出电压差6 l 2 0 0 m a 负载时的输入输出电压差6 l 系统的电源电压抑制6 2 负载变化时的接地电流6 2 输入电压变化的接地电流6 3 温度上升时输出电压波形6 3 温度下降时输出电压的波形6 4 i 浙江大学硕士学位论文 表格目录 表格i 设计目标。l l 表格2 负载变化时的开环增益频率响应5 6 表格3 温度特性总结表。6 0 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝江盘堂或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名、铂汐b p 签字日期： 眵l 啦年易月f ，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权逝鎏盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：y 耖岛厶i 阳 签字日期：莎矿略年易月f f 日 学位论文作者毕业后去向：工作 工作单位：安那络器件( 中国) 有限公司 通讯地址：北京海淀区上地东路5 2 号5 层 导师签名 签字日期 电话：1 3 5 7 5 7 5 4 5 7 3 邮编：1 0 0 0 8 5 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 背景 线性稳压源具有反应速度快，输出纹波小，噪声低等特点，早期得到了广泛 应用。但早期的线性稳压源转换效率不高，其输入输出电压差较大，如7 8 x x 系 列的芯片就要求输入电压比输出电压高2 v 至3 v 以上，否则就不能正常工作。 大的输入输出电压差使得稳压源在电压转换时的功率消耗比较大，从而导致线性 稳压源的转换效率降低。尤其在提供大负载电流的场合，线性稳压器本身的功耗 会更大，产生大量的热，间接成为系统的热噪声源。而且，在一些应用场合下， 如此大的输入输出电压差也变得十分苛刻，比如5 v 电压转3 3 v 电压时，传统 的线性稳压器显然不满足条件p l ，这样就大大限制了线性稳压器的使用。为了扩 大线性稳压器的应用范围，减小线性稳压器输入输出的电压差，市场上出现了低 压差线性稳压器。低压差线性稳压器的输入输出电压差可以降到几百毫伏，大大 拓展了线性稳压器的使用范围，同时降低了功率损耗，提高了稳压器的效率【4 1 。 正因为其稳定的、低纹波的输s t 5 6 】，使得低压差线性稳压器从d c d c 电压变 换器的市场中，赢同了一定的份额。 d c d c 电压变换器是指直流到直流的电压变化器，他可以实现由高压变到 低压的变换，也可以实现低压到高压的变换。从广义的角度来讲，线性稳压器也 是d c d c 电压变换器的一类，只是通常所说的d c d c 电压变换器是指采用开 关方式实现电压的转换的结构。因为d c d c 电压变换器采用的是开关管通断的 方式来调整输入输出电压的比例，所以其功率器件导通损耗低，转换效率很高。 缺点是其输出纹波比较大，开关频率对输出的影响比较大。在很多应用场合采用 d c d c 与l d o 两级电压变换的方法，第一级用高效率的d c d c 电压变换器实 现高效的电压变换，第二级采用低纹波、低噪声输出的低压差线性稳压器来进一 步调整电压，稳定输出。 浙江大学硕士学位论文 1 2 发展现状 目前，在国外就低压差线性稳压器件而言，n p n 技术呈衰减趋势，p n p 保 持一定的市场份额，但因为双极型器件是电流控制型器件，在大负载的情况下， 需要较大的基极控制电流，使得控制部分的设计难度增加，损耗升高。所以在大 负载电流的场合常采用电压控制型器件，避免控制部分的大电流输出。p m o s 主 要在7 v 以内应用，其产品开发长期很受重视，d m o s 在压差电压要求很高的应 用中占有一定的份额，b c d 已有批量生产。l d o 标准产品设计大多采用先进的 c m o s 工艺，先进的生产技术赋予产品优良的性能，优良的性能又使国外生产的 l d o 产品应用范围和适用范围十分广泛。例如，a d p 3 3 3 8 和a d p 3 3 3 9 ，不仅可 用于电缆盒、音频娱乐系统还可用于嵌入式d s p 和带微控制器系统的电源、无 线基站、u s b ( 通用串行总线) 、集线器外部d s l 线缆调制解调器、路由器等领 域。而且国外的l d o 产品种类繁多，各种产品适用的对象不同。目前，仅t i 公司的l d o 产品种类就超过了2 8 9 种【7 】。 国内的低压差线性稳压器的设计起步比较晚，同国外相比还存在较大的差 距。国内公司生产的低压差线性稳压器与国外一些大公司的产品相比，在性能、 稳定性等方面略有不足，仍有待进一步地提高。 1 3 研究动机和意义 l d o 的输入输出电压差低，能满足大部分电压变换的需求。同时，因为l d o 相比d c d c 变换器具有低纹波，低输出噪声的优点，使得在一些对电压精度、 准确度要求比较高的场合，l d o 具有不可比拟的优势，市场发展前景很好。因 为l d o 没有采用开关的方式对电压进行调制，所以节省了占用大面积、大空间 的电感元件，外围电路也比较简单，这就为可移动设备的轻型化、小型化提供了 方便，因而在手机、音频设备、蓝牙、无线网络以及p d a ( 个人数字助理) 等 领域，l d o 均有广泛的应用，市场需求量比较大。 随着电路集成度的不断增加，可移动设备产量的不断上升，低压差线性稳压 器的设计主要朝大负载应用、低功耗、高效率、高稳定性要求等方向发展。目前 国外对l d o 的研究比较深入，开发的产品也比较多样，但国内对l d o 的研究 2 浙江大学硕士学位论文 还有待进一步加强，所以对l d o 进行研究设计具有实际的工程意义。 1 4 本文的主要内容简介 本文第二章介绍了低压差线性稳压器的基本工作原理，以及低压差线性稳压 器设计中一些性能参数的定义及其与系统性能的关系。 第三章从系统的角度对本次设计进行了详细地介绍。首先明确了系统设计的 目标，制定了系统设计的参数，并针对参数间的冲突进行了系统性能的权衡。确 定了系统的拓扑结构，并对其工作原理进行了介绍。在系统实现的关键技术一节， 对本次系统设计中的关键技术进行了详细的介绍，其中包括电源抑制，温漂，瞬 态响应，以及系统的稳定性补偿等。最后介绍了为完善系统功能所引入的其他功 能模块，包括欠压锁定，限流保护，过温保护，基准电压的低通滤波器以及快速 启动模块。 第四章具体介绍了各模块的电路实现。在分析一些常见模块结构优缺点的基 础上，对每种结构均给出了改进的设计思路和改进方法，并最终提出本文设计所 采用的电路结构。其中，详细介绍的模块主要有误差放大器，带隙基准电压，限 流保护，欠压锁定，过温保护，瞬态响应帮助电路以及系统的稳定性补偿电路。 在对这些模块进行研究、分析和设计的同时，也给出了各模块的仿真结果，验证 设计的正确性。 第五章给出了系统的仿真结果，仿真结果表明，所设计的系统基本实现了最 初的设计目标。 第六章总结了本次设计的研究成果，并对未来的工作进行了展望。 3 浙江大学硕士学位论文 第2 章l d o 的基本原理和主要性能指标 本章将介绍有关低压差线性稳压器的基本工作原理，并对低压差线性稳压器 设计和应用中常见的性能参数进行介绍。 2 1 基本工作原理 如图2 1 所示为l d o 的基本的系统框刚引。调整管p m o s 串连在输入电压 和输出电压之间。采用分压电阻网络进行对输出电压检测，将采样到的输出电压 和芯片内部的基准电压进行比较，比较的误差通过误差放大器( e r r o ra m p l i f i e r , 简写为e a ) 放大，输入到调整管的栅极，改变调整管的栅源电压，从而来调整 输出电流跟踪负载，稳定低压差线性稳压器的输出电压。其环路反馈的实现为： 检测到的电压为 k = 忐咿 ( 1 ) 检测电压和基准电压比较的误差放大到栅极处的电压为 陋= r o - l 吒( 吃眦一) ( 2 ) 其中，v 6 a v z 是指调整管栅极电压。是指输出电压的检测值和基准电压相 等时误差放大器的输出电压，此电压是误差放大器设计时的静态工作点电压，具 体数值跟误差放大器的设计有关，一旦误差放大器的设计完成，该值不变，不受 误差放大器输入输出电压的影响。g 队是指误差放大器的增益，一般设计都在 4 0 d b 以上，且该值越人越好。因为要得到同样的调整管栅极电压，越大的增益 能使检测电压越接近基准电压，从而使输出电压的误差越小。f 是芯片内部产 生的基准电压。 4 浙江大学硕士学位论文 v o u t c l 图2 - 1壬本的系统框图 低压差线性稳压器的稳压作用主要表现在以下三种情况：输入电压变化，负 载电流变化，输入电压负载电流同时变化。 输入电压变化 当输入电压变大时，假定调整管的栅极电压和负载电流不变，则处在饱和区 的调整管的输出电流变大【9 1 。而此时，负载不变，势必使得输出电压变大。变大 的输出电压信号经过分压电阻网络、误差放大器反馈到调整管的栅极，使得调整 管的栅极电压变高，拉低调整管的输出电流，使输出电流和负载电流相同，从而 稳定输出电压。同理，当输入电压在允许范围内变小时，也能通过反馈环路的控 制，降低调整管的栅极电压，使输出电流跟踪负载电流，从而实现输出电压不随 输入电压变化的稳压目的。 负载电流变化 当负载电流变大时，假定调整管的输入电压和栅极电压不变，则输出电压被 变大的负载电流拉低。下降的输出电压信号，经过反馈电阻网络和误差放大器的 检测比较放大，反馈到调整管的栅极，拉低调整管的栅极电压，提高调整管的输 出电流，满足负载的要求。同理，当负载电流变小时，通过反馈环路的控制，提 高了调整管的栅极电压，减小了调整管的输出电流，使输出电流跟随负载电流， 浙江大学硕士学位论文 稳定了输出电压。 输入电压和负载电流同时变化 输入电压和负载电流同时变化时的稳定方法是上述两种输出电压调整方法 的综合。通过电阻分压网络对输出电压进行采样，并把采样信号和基准进行比较 放大，反馈到调整管的栅极，在满足输出电流跟随负载电流的同时，调整管的栅 极电压也适当跟随输入电压，从而实现稳定输出电压不随输入电压和负载电流的 变化而变化的目的。 输出电雎的调整是通过控制调整管的栅极电压来实现的。但a t e 并 不是可以任意变化的，其大小不可以超出电源电压。即使在栅极电压摆幅最大时， 从式( 2 ) 中可知，只要误差放大器的增益足够大，就可以把蚝刚s e 和f 的电 压差可以做的很低。假定误差放大器的增益无限大，则蚝翻s e 和陆f 相等。由 式( 1 ) 可以得到输出电压为： v o u tm 警 ( 3 ) 当误差放大器的增益是有限时，输出电压u t 会跟式( 3 ) 中的结果存在误 差。该误差值跟误差放大器的增益有关，其误差大小如式( 4 ) 所示。所以，增 大误差放大器的增益可以提高l d o 的输出电压在不同负载或其他情况下的精 度。 rror-五100erro xl u u ( 4 ) 一 r 4 、 1 + 吒 、1 7 2 2l d o 系统的性能指标 衡量低压差线性稳压器( l d o ) 的性能有几个技术指标，分别是：输出电压 精度，最大负载电流，负载调整率( l o a dr e g u l a t i o n ) ，线性调整率( l i n e r e g u l a t i o n ) ，接地电流( g r o u n dc u r r e n t ) ，输入输出电压差( d r o p o u tv o l t a g e ) ， 电源抑制比( p o w e rs u p p l yr e j e c t i o nr a t i o ) ，带宽( b a n d w i d t h ) ，摆率( s l e wr a t e ) 。 6 浙江大学硕士学位论文 输出电压精度 l d o 是一款提供精确稳定输出电压的器件，显而易见，输出电压的精度是 设计低压差线性稳压器首先要考虑的一项要求。从式( 3 ) ，( 4 ) 中可以知道，输 出电压的不是一成不变的，在不同负载电流和输入电压的情况下，输出电压会出 现波动。其精度误差的计算公式如下式所示。 e 舢，：竽1 0 0 ( 5 ) 最大负载电流 低压差线性稳压器同一些仅提供基准电压电压源的最大区别在于，低压差线 性稳压器能提供比较大的输出电流，具有一定的带载能力，且负载电流的变化范 围比较广，在全负载范围内均能提供稳定的输出电压。目前电子设备日益集成化， l d o 所带负载不断增多，也就使得其负载电流的要求也在不断增大。 负载调整率 当负载电流发生变化时，输出电压会出现波动，负载调整率就是用来描述 l d o 在整个负载范围内输出电压随负载电流波动的稳定性。图2 2 所示为低压 差线性稳压器输出电压和负载电流的关系曲线。在大负载的情况下，输出电压会 被拉低，与低负载时的输出电压存在误差。 图2 2输出电压随输出电流变化曲线 7 浙江大学硕士学位论文 负载调整率的计算由式( 6 ) 给出。 2 瓦a v 1 。 ( 6 ) 其中：y 指最大负载电流时输出电压和无负载时输出电压的差值，v o 指 无负载时的输出电压，k a x 指最大负载电流。 线性调整率 当输入电压变化时，输出电压也会随输入电压的变化而变化。线性调整率描 述的是输出电压受输入电压的影响。图2 3 所示为输入输出电压的关系曲线。 图2 - 3 输出电压随输入电压的变化曲线 线性调整率的计算由式( 7 ) 给出。 5 丽而a v 宰l 。 ( 7 ) 其中，y 是指在整个输入电压范围内，输出电压的最大值和最小值之差。 际i l n 是指最小的输入电压，a x 是指最大的输入电压。 接地电流 接地电流是指l d o 本身工作消耗的电流。测量芯片的消耗电流多为测量电 源的输出电流，但因为l d o 的电源电流一大部分是流入负载，不记入l d o 本 身的电流消耗，所以在测量l d o 的工作电流时是测量l d o 的接地电流。接地 电流越小，功耗越小，才能最有效的把电源能量传递到负载，提高l d o 传输功 8 浙江大学硕士学位论文 率的效率。 输入输出电压差 输入输出电压差是指输入电压和输出电压的最小电压差。也是调整管的最小 源漏电压。因为调整管工作在饱和区，所以源漏电压最小值为调整管的过驱动电 压，而不能无限小下去。即使为了拓展低压差线性稳压器的带载能力让调整管进 入线性区，也是让其处在浅线性区，源漏电压差和过驱动电压相比不是很小。 这样才能保证足够的环路增益，用以保证环路对输出变化的响应。所以，输入输 出电压差有一个最小值，如果输入输出电压差过小，则无法实现环路的控制。同 时，因为调整管要流经很大的负载电流，大的负载电流在源漏电势差下会产生调 整管功耗，电压差越大，功耗越大，这是我们不希望看到的。所以在输入输出电 压差和环路设计中存在着折中。 电源抑制比 电源输入端的噪声信号引起输出电压的变化，电源抑制比描述的就是输入电 压的噪声对输出电压的影响。与线性调整率的不同在于：线性调整率是描述大信 号的特征，表征了l d o 在不同的输入电压的情况的工作状态，描述的是直流的 响应；而电源抑制比是描述的小信号的特征，表征了输入电压上的噪声对输出电 压的影响情况，描述的是交流的响应。 摆率 当负载出现瞬间的跳变时，输出端由于有负载电容及其等效串连电阻的存 在，输出电压也会出现瞬间的跳变。在输出电压回复到稳定输出电压的过程中， 主要包括两部分：第一部分，电压恢复比较快，此时检测电压与参考电压相差比 较大，误差放大器饱和，输出电压波形主要表现为恒定电流给几个大电容节点充 电的过程，主要表现大信号的特征；第二部分，检测电压与参考电压相差不大， 误差放大器正常工作，输出电压恢复变缓，逐渐稳定于恒定的输出电压，这部分 主要是控制环路的工作来稳定输出电压，输出电压的波形主要受环路设计的影 9 浙江大学硕士学位论文 响。摆率是描述低压差线性稳压器在负载或其他原因出现输出电压跳变时，输出 电压的快速恢复能力。影响输出电压大信号的建立时间。 1 0 浙江大学硕士学位论文 第3 章l d o 的系统设计 本章将从低压差线性稳压器的系统级设计进行研究、分析和介绍，从制定设 计目标，到拓扑的选取，关键技术的研究分析，以及完善系统功能引入的功能模 块几个章节，详细介绍低压差线性稳压器的系统设计。 3 1 系统设计目标 本节将结合实际应用和设计需求，提出本次设计的系统目标，给出具体的指 标要求。并对各指标进行适当的分析，分析各性能之间的冲突和权衡。 3 1 1 设计目标 目前，随着集成电路设计的特征尺寸越来越小，电子类产品集成度越来越高， 更多的功能模块都集成到芯片中去。这就意味着，同样的大小，体积，现在的电 子产品提供了更多的功能，性能也有了很大的提高。与此同时，也要求给芯片提 供电源的l d o 能驱动更多的负载，并能应对负载的变化，提供较为稳定的输出 电压。在负载出现阶跃跳变时，能及时跟踪、稳定输出电压。为保证l d o 功率 传输的效率，还要降低l d o 的功耗。 本次系统设计的目标列于表格l 中。 表格1 设计目标 参数 最小值 数值 单位 典型值 最大值 输出电压u t v d r o p o u r 电源抑制p s r 接地电流 负载电流 6 0 8 01 0 0 2 0 0 v m v d b u a m a 输出电压温度系数 一 4 05 0 p p m 。c 浙江大学硕士学位论文 工作温度4 0 1 2 0o c 过温保护温度 1 6 5 o c 低温重启温度 1 4 5 o c 3 1 2 性能间的权衡 为了保证输出电压的稳定和高精度，要求控制环路的增益要大。大的环路增 益的实现可以有几种方法：增加增益级，增大偏置电流，增大输出阻抗。这几种 方法遇到的困难为：增益级的增加将给系统引入低频极点，低频极点的增多将给 系统稳定性补偿带来困难；增大偏置电流将增大芯片的功耗，降低l d o 系统的 功率传输效率；在跨导增益不变，偏置电流不变的情况下，要想增大环路增益， 必须增大增益级的输出阻抗，而输出阻抗的增加将使得输出极点频率更低，给环 路的频率补偿造成困难。所以，在输出电压的精度，系统环路的稳定性，以及系 统的功耗，芯片面积几个方面中存在着折中，需要针对具体的应用实际进行权衡。 在负载电容的选取上，较大的负载电容可以使得输出主极点更低频，可以使 系统更容易稳定，但大的负载电容引入的低频极点将使得控制环路增益的o d b 穿越频率比较低，低带宽将影响控制环路对高频信号的响应速度，从而影响系统 的瞬态响应性能。这其中，存在着折中。 驱动更大的负载电流是低压差线性稳压器的一个发展趋势，但大的负载能力 也带来了一些挑战。大的负载电流能力，意味着l d o 要在一个更宽的负载变化 范围内都要达到稳定，这给系统的稳定性设计带来了困难，所以在负载电流和系 统稳定性间存在着权衡。 输入输出电压差将引起l d o 调整管上的功率损耗，所以输入输出电压差越 小越好。但为了减小输入输出电压差，就需要提高调整管的宽长比。而调整管宽 长比的提高意味着更大的调整管面积，更大的栅极电容，这必然会给系统的稳定 性补偿带来难题，同时也增大了芯片面积，这几者间存在着折中。 3 2 系统拓扑结构 本次设计的系统架构采用了传统的拓扑结构【1 0 1 ，如图3 - 1 所示，输出电压 1 2 浙江大学硕士学位论文 检测采用分压电阻网络，检测信号和基准电压进行比较后，由放大器放大误差并 传递到调整管的栅极，控制调整管。在主环路拓扑的基础上，引入了一些保护和 其他功能模块，以改善l d o 的性能。保护模块主要有限流控制，过温保护。并 引入欠压锁定模块，保证芯片的正常工作。同时在基准电压的输出端引入低通滤 波器，以提高基准电压的噪声性能，从而提高低压差线性稳压器的输出电压的噪 声性能。同时，为了较快地给用于低通滤波的电容充电，引入快速启动模块，加 快基准电压的启动速度。 图3 - 1系统拓扑图 3 3 系统实现的关键技术 本次设计中，采用了一些关键性的技术，保证了系统性能的实现。本节中， 将从系统的角度对这些关键性技术进行研究，分析和介绍。 3 3 3 电源抑制 电源抑制是低压差线性稳压器的重要性能指标。好的低压差线性稳压器需要 抑制电源中的噪声，稳定输出电压。电源噪声主要存在两部分结构中：误差放大 器和带隙基准电压源。 误差放大器的输出直接提供给调整管的栅极。如果误差放大器的输出电压不 浙江大学硕士学位论文 稳定，必然引起调整管输入信号的不稳定，从而使得输出电流随电源电压波动， 引起输出电压的不稳定。所以在电路实现的时候，需要做好误差放大器的电源抑 制性能，避免电源噪声进入输出。 带隙基准电压源给l d o 系统提供电压基准。如果参考电压波动很大，必然 引起输出电压的不稳定，使得输出电压随电源电压波动很大。所以要实现输出电 压对电源电压的抑制，就要严格做好带隙基准电压源输出的电压基准。 3 3 4 低温漂 芯片在工作时，因为负载条件的变化，或者环境的影响会使得芯片的温度变 化。如果低压差线性稳压器的输出电压随温度变化比较大，必然引起低压差线性 稳压器的输出不稳定，不满足更大系统对l d o 的性能要求。 在控制环路增益足够大时，l d o 的输出电压遵从输出电压的计算公式，基 本只受基准电压的影响。所以设计好带隙基准电压源的电压输出，设计好其温度 系数，才能实现系统的低温漂。其实现方法1 就是将正温度系数的电压和负温度 系数的电压进行叠加，产生一个零温度系数的电压用来作为l d o 的参考电平。 3 3 5 瞬态响应 当负载电流出现阶跃跳变时，低压差线性稳压器因为无法迅速地作出响应， 所以输出电压也会跟随跳变，然后输出电压才会慢慢恢复。其瞬态响应过程大致 分为三个阶段，如图3 2 所示。第一阶段，输出电压出现跳变。这部分是输出电 容对外冲放电的过程，表现为电容以及电容的寄生等效串联电阻和等效串联电感 对输出电压的贡献。对此部分的优化可以选取合适的输出电容大小，电容类型等， 降低跳变的幅度。其趋势是大的电容，小的寄生等效串联电阻和等效串联电感， 跳变幅度将越小。因为输出电容的选取是低压差线性稳压器外部应用时的选取， 此处不予过多介绍；第二阶段，输出电压以一定斜率恢复。此阶段为s l e wr a t e 的过程，主要表现为误差放大器饱和，控制环路对一些大电容节点以恒定电流进 行充电的过程。适当增大充电电流的大小，将改善s l e wr a t e 阶段；第三阶段为 输出电压逐渐稳定阶段。在这个阶段，误差放大器进入正常工作的区域，此时， 因为控制环路的带宽和相位裕度的限制，输出电压也不能瞬间稳定，而是一个逐 1 4 浙江大学硕士学位论文 渐稳定的过程。为了使这个阶段的响应快速，就需要增大控制环路的带宽，为了 使输出能够稳定而不发生振荡，就需要使控制环路稳定，为了使电压恢复的超调 量不是很大，就需要改善控制环路的相位裕度。 第二阶段 第一阶段 第三阶段 v i v o t r r 五 t 图3 - 2l d o 输出电压的瞬态晌压图 改进方法除了上述提到的一些方法，如合理选取输出电容，提高s l e wr a t e ， 补偿好控制环路的频率响应外，还给系统添加瞬态响应帮助电路。瞬态响应帮助 电路在系统正常工作时，对系统的控制环路没有影响，但当系统负载发生瞬态的 跳变时，则形成高频通路，加快系统对高频成分的响应，从而改善系统的瞬态响 应。 3 3 6 系统稳定性补偿 低压差线性稳压器中，在控制环路中，存在几个低频极点，使得反馈环路存 在稳定性问题【1 2 】【1 3 】【1 4 1 1 5 1 。 低压差线性稳压器的基本拓扑包括2 个低频极点：输出极点和调整管栅极极 点。在系统的输出节点处，为了输出滤波，也为了提高输出电压对负载的瞬态特 浙江大学硕士学位论文 性，一般会在输出并联一个很大的对地电容。大的对地电容的引入使得输出极点 频率很低。在调整管的栅极，为了驱动大的负载电流，所以调整管的尺寸非常大， 大尺寸的调整管在栅极处存在比较大的寄生电容。同时，调整管的栅极正好是误 差放大器的输出，为了实现大的增益，误差放大器中的跨导放大器的输出电阻会 很大( g a i n = g i n x r o t r r ) 。大的寄生电容和大的对地电阻同时出现在一个节点， 使得该节点处的极点频率也很低。这两个节点的频率太低，靠的比较近，引起系 统不稳定。为了对两极点进行稳定性补偿，必须把两个极点推开。密勒补偿可以 在不引入较大电容的情况下将两个靠的较近的极点分开，但此处的密勒补偿也存 在不足。密勒补偿的结果是把主极点向低频推。在此应用环境下，就使得主极点 频率更低，使得系统的穿越频率比较低，则系统的动态响应性能会很差【3 引。 极点距离过近的两极点系统，补偿时遇到了动态响应性能的问题，补偿很难 做【1 7 1 。解决办法就是将其中大寄生电容和大电阻并存的极点，进行电容和电阻 部分的分离，变低频极点为两个稍高频的极点。虽然3 极点的系统补偿困难，但 系统的穿越频率有了保证，改善了系统的动态响应性能，所以此方法是可取的。 具体实现方法是在误差放大器的输出和调整管的栅级之间引入缓冲级，在保证误 差放大器的增益的同时，降低调整管的栅极对地阻抗，将大电阻节点和大电容节 点分离，实现低频极点的分裂悟】。 极点分裂的系统存在三个低频极点。输出极点，以及跨导增益放大器输出极 点和调整管的栅极极点。其中，输出极点频率最低为主极点。 为了保证控制环路具有较好的控制调制效果，所以控制环路的开环增益要比 较大。本次设计中，控制换路的开环增益大概为8 0d b 。大的开环增益使得增益 在0d b 的穿越频率离主极点比较远。所以，分裂后的两个极点均在增益穿越频 率以内，引起系统的不稳定。控制环路的补偿方法是；在跨导增益放大器( o t a ) 的输出端引入零极点对，把此处的极点推向高频，同时利用该处产生的零极点对， 合理设置其位置，来改善系统的瞬态响应性能。利用密勒补偿的方式将调整管栅 极极点向高频推，推出穿越频率以外【1 9 】。在引入密勒补偿的时候，将其中一个 极点推向高频的同时，也在密勒电容的前向跨接处产生低频极点，利用输出电容 的等效串连电阻产生的