（电路与系统专业论文）一款高负载电流的低压差线性稳压器的设计与研究.pdf

摘要 fllrlf i i1 1 ) ) lr l r lri iii y 2 0 6 8 16 6 在经过了三次工业革命后，信息时代来临，电子产品近乎主导了人类社会文 明的进程，当今时代的各种主流概念也几乎都是以电子设备为载体传播流行的。 渡过了二十一世纪的第一个十年，便携式电子产品更是成为大众眼中的生活必须 品。电子设备的可靠性很大程度上依赖于电源，而且不同的电子设备需要不同的 电源，因此电源芯片的管理成为了一个十分重要的课题。 总的来讲，电源管理技术也经历了几个发展阶段，已然从过去的体积大，效 率低，耗能多的时代发展为今天的高集成度，低功耗的新时期，同时当前的产品 生产商还希望尽量控制电源芯片的成本，并要求在其他性能方面，如波纹抑制， 抗噪声能力方面都有优良的表现。新一代的低压降( l d o ) 线性稳压器正是在这样的 技术环境下以其所具有的优良本质而受到了使用者越来越多的青睐。 本论文以西安电子科技大学c a d 所科研项目为背景，对各种低压差线性稳压 器进行调研，整理并比较了各类稳压器的表现数据，并对低漏失线性稳压器的关键 特性，及其理论进行了详尽的分析与推导。同时，本文还针对环路稳定这一难题 提出了相关解决方案，并对芯片的基准单元和误差放大器单元进行了整合，即达 到了设计指标的要求，还大幅度减小了芯片面积。最后是芯片x d 5 3 1 3 的整体设计。 整个设计基于低漏失线性稳压器的基本原理通过控制调整元件的导通，以保证电 源的内阻和负载电阻保持稳定的线性关系，维持输出不变。 关键词：电源管理低压差降线性稳压器噪声功耗 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n ta n dp o p u l a r i z a t i o no fm o d e me l e c t r i c a l i n d u s t r ya n d p e r s o n a le l e c t r i c a lp r o d u c t s ，t h er e l i a b i l i t yo fe l e c t r o n i ce q u i p m e n th a sc o n s i d e r e dm o r e a n dm o r ea saf o c u so fc o n c e r n s i n c et h er e l i a b i l i t yo fe l e c t r o n i cd e v i c em a j o r l y d e p e n d so np e r f o r m a n c eo fp o w e r , a n dd i f f e r e n td e v i c e sf i td i f f e r e n tp o w e rp l a n ，t h e m a n a g e m e n to fp o w e rc h i p si sg r a d u a l l yb e c o m i n ga i le s s e n t i a li s s u e g e n e r a l l ys p e a k i n g ，t h ep o w e rm a n a g e m e n tt e c h n i q u e sh a v es w i t c h e df r o mb u l k y ， l o we f f i c i e n c y ，a n de n e r g yc o n s u m i n gt oi n t e g r a t e da n dm a r k e t s h a r i n g ，a n db e c a u s e t e c h n i c i a n sn o w a d a y sc o n c e n t r a t eo nu l t r a - l o wn o i s e ，h i g hp s r r , m i c r op o w e rl o s sa n d t h el o wc o s t ，t h en e wl o w - d r o p o u t ( l d o ) l i n e a rr e g u l a t o ri sd r a w i n gm o r ea t t e n t i o nw i t l l i t ss u p e r i o rp e r f o r m a n c ei na b o v ea r e a s t h i sp a p e ri sb a s e do nt h e p r o j e c tf r o mc a di n s t i t u t eo fx i d i a nu n i v e r s i t y r e s e a r c ho fs e v e r a lk i n d so fl o w - d r o p o u t ( l d o ) l i n e a rr e g u l a t o r sh a sb e e nc o n d u c t e d ， c o m p a r i s o no f d i f f e r e n tp e r f o r m a n c ed a t a s e t sb e t w e e ne a c ho n eo ft h e mi sm e n t i o n e di n t h ea r t i c l e ，a l s o ，t h ec r i t i c a lf e a t u r ea n di t sc o r r e s p o n d i n gt h e o r yh a sb e e n a n a l y z e d t h i s a r t i c l ea l s op r o p o s e sas o l u t i o nt ol o o ps t a b i l i t yi s s u ea n df o rt h ep u r p o s eo fr e d u c t i o no f t h ea r e ao fc h i p ，am e t h o do ft h ec o m b i n a t i o no fb a n d c a pr e f e r e n c ea n de r r o ra m p l i f i e r i ss u g g e s t e d a tl a s t , ad e s i g no fx d 5 313c h i pi sp r o t o t y p e da n dt e s t e db a s e do nt h e d e v e l o p i n gp r i n c i p l eo fl o w - d r o p o u t ( l d o ) l i n e a rr e g u l a t o r k e y w o r d s ：p o w e rm a n a g e m e n tl d ol i n e a rr e g u l a t o rn o i s e p o w e r d i s s i p a t i o n 第一章绪论 第一章绪论 随着近年来电子以及其相关行业的迅速发展，以及集成电路的集成程度按照 摩尔定理而不断提升，各式各样的电子娱乐设备，通讯设备，手持移动设备，车 载电子以及军工电子产品得到了蓬勃发展。 因为所有的电子设备都不能不需要可靠的电源，而且不同的电子设备需要不 同的电源，这些电源的不同表现为输出电压，效率，噪声，波纹等的差异，以及 其对大小，体积，可靠性，稳定性的不同要求。并且随着可持续发展课题的深入， 环保与节能成为电子产品乃至各个产业的重大议题，又使得电源管理芯片成为不 可或缺的关键器件【l j 。 根据i s u p p l i 公司的统计，2 0 11 年上半年电源管理半导体销售收入强劲上升， 出乎供应商意料。2 0 11 年第一季度，电源管理半导体销售收入达到6 9 亿美元，比 2 0 1 0 年第四季度的6 7 亿美元增长2 9 。该市场曾在2 0 1 0 年第三季度曾陷入停滞， 第四季度开始扩张，第一季度数据显示该市场仍在扩张。预计今年第二季度将保 持增长趋势，销售收入有望再增长7 2 ，达到7 4 亿美元。尽管去年同期增幅较大 当时电源管理半导体劲增18 2 ，从4 4 亿上升到5 2 亿美元但2 0 11 年第 二季度将取得该产业今年最强劲的增长。 由此可见，电源管理技术已然从过去的具有体积大，效率低，耗能多等缺点 的技术过渡发展为今天的高集成度，高市场份额的重要学科【舶。 1 1 稳压电源的分类 根据不同的分类方式，我们可以对电源管理芯片进行不同的划分，并且每种 划分都是从不同角度去分析一类产品。如果根据调整元件的类型，那么稳压电源 有以双极型晶体管为调整元件的双极型半导体电源、以m o s f e t 为调整元件的 m o s 管电源以及以功率晶体管电源。如果按照电源芯片的应用范围来分，稳压电 源可以被区分为直流稳压电源和交流稳压电源，前者向负载提供稳定的直流驱动， 而后者则向负载提供稳定的交流电。更多的时候我们按照调整元件的工作模式来 分类，这样稳压电源又可以分为两大类，即平常用到最多的开关型稳压电源和线 性稳压电源。 调整元件对于稳压电源的起着至关重要的作用，线性稳压器正是利用调整元 件的阻抗改变的特性，来限制其干路电流的大小，从而达到调整的目的，整个过 程中调整元件一直处于打开并导电的状态，这种工作方式我们称之为线性模式。 与之相对应的开关电源则是通过不断的打开关断其调整元件，改变它的导通时间， 一款高负载电流的低压差线性稳压器的设计与研究 限制平均电流的大小，继而达到获得稳定输出电压的目的，因为调整元件工作于 高速通断的开关导电状态，这种工作方式我们称为开关模式。 具体产品主要有以下几项： 1 开关式稳压器 开关式稳压器主要指的是那些通过工作在重复进行开关动作的晶体管( 多数 情况下是m o s f e t ) 完成负载功率调节的稳压电源，一般以d c d c 为主。开关稳 压器从某个输入源不断的获取能量，用一个开关晶体管把获得的这些能量截断成 一个个的能量包，然后通过储能元件电容和电感进行传输，从而可以按照规则在 电路中转换并调整这些能量包，最后再将之前的这些能量包汇合在一起，这样在 稳压器的输出端口便能够得到稳定的电压【3 】。这种工作方式也被称作为直流斩波。 在实际的应用中，电源的输入电压各不相同，同时它的负载所需要的输入电压( 即 稳压器的输出电压) 也各有差异，于是根据稳压器的输入电压和输出电压之间的 大小关系，d c d c 稳压器可以分为b u c k 型稳压器，也就是降压转换器，使得输出 电压低于输入电压；b o o s t 型稳压器，也就是升压转换器，使输出电压高于输入电 压；b u c k - b o o s t 型，这种既可以实现升压，也可以实现降压。 2 线性稳压器 线性稳压器，是指一类将调整元件的工作状态设为线性模式的稳压器。低压 差线性稳压器是我们平时使用最多的线性稳压器。线性稳压器同开关式稳压器最 大的不同是它只具有把输入电压降为更低的输出电压的功能，即只能降压，不能 升压。它最大的优点是电源纹波抑制效果好、外围电路简单、成本较低；但它的缺 点是电源转换效率相对较低。但是当我们需要把1 s v 的电压降到1 2 v 的时候， 不论是开关电源稳压器和标准低压差线性稳压器都无法适用，因为它的压差通常 都大于7 0 0 m y ，这种情况下会采用超低压差线性稳压器来解决这个问题，一般情 况下其输入电压大概是l v 左右，而它的压差则会低于3 0 0 m v ，内部基准接近0 5 v 。 这样的线性稳压器可以很容易的实现小压差降压，同时还能保证稳压器的效率高 于8 5 0 4 。 几乎所有的电子设备中，稳定的电源不可或缺，在这些电源中，线性稳压器 以其独有的优势成为某些电子产品的主要供电电源之一。因为线性稳压器的成本 一般比较低廉，体积小且集成度高，同时对外围电路的拓扑结构要求简单而成为 电子电路中最常用的电子元器件。各种不同的l d 0 线性稳压器的应用电路主要分 为以下几种情况。表1 1 总结了各类稳压电源的优点和缺点。 1 2l d 0 线性稳压电源的典型应用 几乎所有的电子设备中，稳定的电源不可或缺，在这些电源中，线性稳压器 第一章绪论 以其独有的优势成为某些电子产品的主要供电电源之一。因为线性稳压器的成本 一般比较低廉，体积小且集成度高，同时对外围电路的拓扑结构要求简单而成为 电子电路中最常用的电子元器件。各种不同的l d o 线性稳压器的应用电路主要分 为以下几种情况。 表1 1 各种稳压电源优缺点对照表 稳压器类型线性稳压器 开关式稳压器 1 、线性电压调整，输出纹波小，l 、大负载时效率高 噪声小2 、输出电压可升可降 优点2 、无电磁干扰( e m i )3 、具有多种控制方式 3 、负载瞬态响应快4 、具有大电流驱动能力，可以大 4 、外围电路少功率输出 5 、电路结构相对简单 l 、效率相对较低1 、芯片面积较大 2 、只能单向降压2 、输出纹波，噪声较大 缺点3 、限于低输出功率的场合3 、电磁干扰( e m i ) 比较严重 4 、外围电路复杂 5 、设计比较复杂 如图1 1 所示，电路的左边是一个交流电的输入，然后通过整流作用，将交流 电最终变为我们需要的直流电，这个过程可以描述为交流转直流，即a c d c 过程。 首先交流电源电压经过变压器变压，一般这种情况下输入的电压多为从输电系统 接收的高压交流电，通过变压器降压作用变为用电产品所需范围内的交流电，变 换后的交流电经过桥式整流二级管整流，这样得到输出的就是我们所需要的直流 电压。但是该电压波动性较大，电源不稳定，对于要求较高的负载我们不能直接 使用整流后的直流电，这样就需要使用一个l d o 线性稳压器。l d o 线性稳压器在 该电路中的作用为：当交流电源电压产生不希望的变化或者负载随工作状态以及 温度产生变化时依然能够输出稳定的电压，消除电源所产生的交流波纹噪纠5 】- 【7 1 。 羲， 4 一款高负载电流的低压差线性稳压器的设计与研究 图1 1l d o 后接于整流器 随着手持设备的发展与日益普及，人们在日常生活中越来越多的需要用到由 电池供电的设备，而在各种由电池作为电源的电路中，由于电池本身的化学属性， 以及电池的使用情况，电池的输出电压一般都不是固定不变的，而是在某一范围 内变化。为了确保由电池供电的设备的内部具有恒定电压输出电路，设计师往往 都会在电池的输出端口使用l d o 线性稳压 器，如图1 2 所示。这保证了电池输出电压可 以稳定。因为的l d o 线性稳压器的输出电压 和输入电压的差值，即漏失电压很小，所以从 电池从满电量使用到放电快完毕的整个过程 内，只要电池的输入电压与线性稳压器的输出 图1 2l d o 接于直流电源后 电压之差不低于漏失电压，那么l d o 线性稳 压器给负载的输出电压可以一直保持稳定，并且供电效率会随着电池电量的衰减 而增加。 还有一种情况，正如我们所知道的，开关稳压电源具有很高的效率，因此在 很多电路中都得到了广泛的应用，但是开关电源的输出的纹波电压较高，线性调 整率等性能也较差，同时还会产生较大噪声，对于一些对噪声和电源波纹要求较 高的电路，特别是在模拟电路中，开关稳压器的使用将会对后面的负载有较大的 影响。因此，设计人员可以用一个线性稳压 器接在开关稳压器的输出端如图1 3 所示， 通过利用线性稳压器的高噪声抑制和波纹 抑制能力，实现有源滤波作用，同时输出电 压的稳压精度也得到了很高的保证，就整个 过程而言，系统的效率并没有因为线性稳压 器的使用而大幅度降低。 图1 3l d o 做i x ；d c 的负载 1 3 论文主要工作和章节安排 本论文来源于西安电子科技大学电路c a d 所的科研项目。在简单的介绍了线 第一章绪论 性稳压器的基本原理、核心结构后，着重对稳压器的一些重要的参数及输出精度 进行了说明。然后给出了x d 5 3 1 3 的系统设计要求，对关键指标进行了限定并完 成了芯片的系统框架结构和内部关键功能模块的电路设计及仿真。 论文详细描述了片内偏置启动电路，基准电路，保护电路和调整元件电路等子 模块的电路设计，并给出电路工作原理和相应仿真结果。最后完成了电路的整体 仿真，给出了部分仿真波形图以及电气特性数据。电路的仿真通过使用h s p i c e 等 e d a 软件，采用的是某标准b i p o l a r 工艺完成。 论文共分为五章，第一章介绍现在电子设备中电源的基本知识；第二章对线性 稳压器的主要特性进行了详细说明；第三章给出了整体参数，并对闭环系统的稳 定性进行了分析；第四章对各个子电路进行了详细的设计说明和验证；第五章是 对整体的仿真和总结；最后为结束语。 6 一款高负载电流的低压差线性稳压器的设计与研究 第二章低压差线性稳压器的基本原理以及性能分析 7 第二章低压差线性稳压器的基本原理以及性能分析 2 1 线性稳压器的定义 为了更好地理解和分析低压差线性稳压器，我们首先来分析线性稳压器的基 本原理。线性稳压器就其本质来说其实是一个恒压源，或者说我们从宏观使用的 角度来看，它的基本特性就是当负载的阻值发生变化的时候，它能够根据这种变 化而改变其自身的内阻，从而确保给负载提供稳定的输出电压。实际上，实现输 出电压的恒定有两种方法。一种是恒压源的内阻与负载电阻相比较其阻值极小， 这样恒压源内阻就可以忽略不计，从而保证恒压源的电压全部落在负载电阻上。 另一种就是保持恒压源内阻与负载电阻的比值不变。 如图2 1 所示，如果电源的内阻r r n 远远小于负载电阻r l o a d ，那么落在内阻 上的压降小到可以忽略不计，也就是v 烈全部落在负载r l o a d 上，那么负载上的电 压值受到负载本身变化的影响将会小到几乎可以忽略不计，这就是第一种能达到 输出电压恒定的目的的方法j 。 v i n r i n r l o a d 图2 1l d o 基本原理图 在图2 1 中，v 矾为电源电压，i h 为电压源的内阻，r l o a d 为负载电阻，则电 压源的输出电压为 ( 2 - 1 ) 由式( 2 1 ) 可以看出由于电源内阻r n 的存在使得电源的输出电压v o u t 会随着 负载电阻阻值的不同而变化，为了能保证电源的输出电压v o u t 不会随负载电阻 r l o a d 的变化而变化( 即电源落在负载上的输出是一个恒定值，输出相当于是一个 恒压源) ，电源内阻r m 必须能够随着负载电阻r l o a d 的变化而改变自身的内阻阻 值，使r 酣r l o a d 为一常量，即只要使与r l o a d 的变化成线性关系，则输出电 压也会是一个恒定的常数，从而确保稳压器的输出电压将会是一个恒定不变的值。 士 是 8 一款高负载电流的低压差线性稳压器的设计与研究 因此这里就要求有一个能够感应到负载的变化的电路，并通过反馈变化给电源去 调整其可变内阻，实现内阻与负载电阻的比值为一常量k ，使输入电阻与负载电阻 的关系满足 = ( 2 - 2 ) 还有另一种情况，就是在保证负载电阻r l o a d 不变的情况下，如果电源电压 v 矾发生改变的话，输出电压v o u t 也会跟着发生变化，为了保证输出电压v o u t 不 随着电源电压v 烈改变，当电源电压v 矾变化时，电源内阻r l o a d 必须随之同时变 化，从而保持输出电压v o u t 的值保持固定不变【9 】【1 1 1 。从整体上来说，线性稳压器 就是一个能够通过感知负载电阻的变化而完成自身内阻变化的电路系统。 线性稳压器又称为串联型稳压器，或者简称串联稳压器，可以通过它由输入 电压获得直流的可调节的输出电压。从整体结构上来看，线性稳压器正是通过串 联在在输入端和输出端之间的晶体管，或者称为调整元件，来实现其稳压功能。 通过进一步的研究，我们可以发现串接在输入输出端的晶体管的工作区间位于其 伏安特性曲线的线性区，这样才可以起到可变电阻的作用。 现实应用中不存在理想的开关器件，所以即使开关器件饱和导通，它上面依 然会存在定的压降。因此，正向导通的最小压降值就是通过开关器件达到的压 降。低压降调整器就是这种在输入电压v 矾仅高于输出电压v o v r 一个相对较小的 值的时候依然能够工作的线性调整器。值得注意的是，l d o 压降的精确值是没有 正式规定过的，传统的线性稳压器压降通常为2 v ，随着技术的更新，现在越来越 多的l d o 的压降值已经到了1 v 甚至更小l l 2 。 线性稳压器存在的输入输出电压差值，从式( 2 3 ) 中可以看出，k 的值越小，则 输入输出电压差也就越小。 1 ，r 一2 一最2 焘( 2 - 3 ) 2 2 低压差线性稳压器的核心结构 低压差线性稳压器的结构如图2 2 所示，它由基准电压( b a n d g a pr e f e r e n c e ) 、 误差放大器( e r r o r a m p l i f i e r ) ，保护电路( t h e r m a lp r o t e c t 和c u r r e n tp r o t e c t ) ，调整 元件( p a s se l e m e n t ) 、以及反馈网络( r i 和r 2 ) 组成。 2 2 1l d o 线性稳压器结构分析 在图2 2 中，反馈网络r l 和i 也所反馈的电压信号输入到误差放大器的同项 端，基准电压输入到误差放大器的反相端，低压差线性稳压器在电路中的工作原 理为：当输入的电源电压v n 保持不变时，如果此时负载电阻r l o a d 减小，根据分 压原理，则l d o 输出的电压v o l r r 也会跟着下降，由于反馈的电压信号和输出电 第二章低压差线性稳压器的基本原理以及性能分析 9 压v o t r r 是线性分压关系，所以反馈电压也要下降。 图2 2 线性稳压器的基本结构图 反馈电压加到误差放大器的同相端，根据放大器的性质，输出电压v o t r r 下降， 误差放大器控制调整管元件电压也变小，这相当于调整元件的驱动电压变大，进 而增大了调整元件输出的电流，提升了输出电压v o l t 。 同理可知，在相反的情况下，即如果负载电阻p , a o m 增大，输出电压v o t r r 亦 会随之增大，于是反馈到误差放大器的反馈电压u f b 也会增大，然后放大器的输 出电压会控制调整元件的驱动电压使之变小，进而减小输出电流，从而达到使输 出电压v o t r r 下降的目的【1 3 】。 保护电路对于l d o 线性稳压器而言至关重要。为了防止由于运行环境的突变 而导致的系统的永久性损坏，设计师都会在l d o 线性稳压器内部加上各种保护电 路，一般常见的保护电路有电流限制电路、过温保护电路、电池反接保护等。 2 2 2 调整管的分析 + v m - + v o o 一 ( a ) n p n 达林顿结构( b ) n p n 结构( c ) p n p 结构 + v o o 厂 t ( d ) p m o s 结构 图2 3 各种调整结构图 调整元件正是l d o 线性稳压器能够实现内阻随负载电阻改变的关键部件，其 特性和结构在一定程度上直接影响了整个线性稳压器的工作特性，特别是漏失电 压等关键参数。因此，每个l d o 线性稳压器的设计都会将调整元件列为其中关键 一环【1 4 】。 选择调整元件的一般要求是：元件耐压高、功耗尽量低、输出电流尽量大、 增益大、二次击穿性好等。 1 0 一款高负载电流的低压差线性稳压器的设计与研究 n p n 达林顿结构和n p n 结构，如图2 3 中的( a ) 和( b ) 所示，是在电子电源发展 的过程中较早使用的两种调整管拓扑结构。现在的应用中，p n p 结构以及p m o s 结构更为常见，如图2 3 中的( c ) 和( d ) ，选用这两种结构作为调整管的线性稳压器 可以实现更低的压差，即我们所说的低漏失特性【l 引。 首先分析n p n 达林顿结构，若要求整个系统能够工作，根据双极型晶体管的 原理，则要求集电结和发射结之间的压降不能小于两个p n 结的导通电压，即当压 差大约为1 4 v 的时候，调整管才能工作在正常状态下【1 6 】。所以为了维持调整管正 常工作的最小漏失，也就是所谓的漏失电压v o o ，可以得到下式 v o o = k 捌埘l + 2 k 陋1 5 v 2 4 v ( 2 - 4 ) 与n p n 达林顿结构相似，如果采用n p n 结构作为调整管的话，电路也需要 一个最小的导通电压，也就是集电结和发射结之间的压差不能小于一个p n 结的导 通电压时，才能正常工作，那么稳压器最小输入输出压差可由下式表示 = 阳1 + o 8 v ( 2 - 5 ) 从上面的分析可以得出，不论是图2 3 中的( a ) 的结构或是( b ) 的结构，它们的 最终调整管都使用n p n 管，这些双极型晶体管是由电流驱动的，并且驱动它们的 电流都是上一级的晶体管的输出端电流，通过它们本身所具有的放大作用，它们 会将上一级的相对较小的输入电流放大并输出到负载。从而可以得出，以上这两 种结构对静态电流的要求会相对较小。因此我们可得出静态电流i q 厶= ( 2 - 6 ) 式( 2 6 ) 中的电流i b 醅指的是l d o 线性稳压器工作在正常状态下的总偏置电流， 它的大小可以表示为各电路模块偏置电流相加的总和。即 i q = i b 慨= i 队+ l r + i s 锚1 0 0 p a q o n 其中，i e a 、i r 、i s 分别表示误差放大器模块，基准模块，以及采样电阻模块的偏置 电流【1 7 j 。 下面我们再来讨论图2 3 ( c ) 的p n p 结构，这种结构所具有的最大优势是：无 论p n p 管工作于何种状态，饱和或者深饱和，它的输出电压可以一直保持为一个 稳定值，即 v o o = v c , t 剐1 0 1 5 v 0 4 v ( 2 - 8 ) 由式( 2 8 ) 可以看出，采用阶咿结构作为调整管的稳压器的漏失电压v d o ，即 最小输入输出电压差很低【l s l 。但是这种结构的缺点是：因为p n p 管不同于n p n 管，它的驱动电流i d r 是由基极直接流向地端的，所以这样结构的调整管会使多一 部分电流流向了地点，从而导致稳压电源的静态电流i q 相对较大。静态电流的大 小还和电路的输出电流有关，特别是当输出电流相对较大的时候，它与调整管的 第二章低压差线性稳压器的基本原理以及性能分析 1 1 器件增益p 在一定程度上会决定静态电流的大d , t 1 9 1 。可表示为 ， = 乞+ k 等0 8 m a - 2 4 m a ( 2 - 9 ) j 对于图2 3 ( d ) e p 的p m o s 结构调整管，使用它作为电路的调整元件的优点是： 电路的静态电流会比前面介绍的几种结构都要低，原因是m o s f e t 由加在栅极的 电压控制器件工作的状态，而非像前面介绍的b j t 都是受流入基极的电流控制。 它的漏失电压正比于环路的输出电流，这点我们会在后面的漏失电压中重点讨论， 这里我们可以先将其表示为 v o o = i o 叮 ( 2 1 0 ) 其中r o n 表示p m o s 管的导通电阻。表2 1 总结了图2 3 中的四种不同调整 元件结构的优缺点，设计者可以根据实际电路的需要选择具有合适电气特性的元 件。 表2 1 调整元件的性能 参数n p n 达林顿 n p np n pp m o s 最大输出电流高高高中等 静态电流中等中等大小 漏失电压 v c e r 斌) + 2 v b e) + v b e)v s d ( 蛆t ) 效率低中等高高 速度快快中等中等 2 3 低压差线性稳压器的主要参数 对电路原理的充分理解，以及电路的各种指标对应电路结构的关系，是我们 在设计具体电路前的必经途径，我们通过分析，仿真影响电路的各种因素，可以 使我们在电路设计的各个阶段都能够充分理解并调整电路的各个因素，使电路设 计中的重要参数符合标准。这对后期版图的设计，电路的后仿真以及投片都有良 好的作用。下面将对l d o 线性稳压器电路中的重要参数进行详细说明。 2 3 1 输出电压( o u t p u tv o l t a g e ) 输出电压是l d o 线性稳压器最重要的衡量指标，任何线性稳压器的使用者或 者电路的设计师在进行电路搭建的时候会首先考察该参数是否符合真个系统的指 标要求。低压差线性稳压器的输出模式有两种：固定输出电压输出模式和可调输 出电压输出模式【2 0 1 。如果设计者需要选择的线性稳压器对稳压的精度要求较高， 则应该选择固定输出电压线性稳压器，因为它的输出电压经过了是经过了生产者 1 2 一款高负载电流的低压差线性稳压器的设计与研究 的细致调整，保证输出精确并且便于使用和搭建外围电路，但是因为不同客户对 于输出电压有着不同要求，它设定的输出电压数值均为固定常用的电压值，所以 具有一定的使用局限性。对于输出电压可调的稳压器，使用者可以通过改变外接 元件的值的大小而改变稳压器的输出电压，但是随着外接元件数值上的变化，输 出电压精度会受到一定影响。 2 3 2 最大输出电流( m a x i m u mo u t p u tc u r r e n t ) ： 最大输出电流是用来表征稳压器驱动负载能力的参数。对于不同的负载，所 要求的应用功率也不相同，所以稳压器的输出最大电流的不同就会有重要意义。 实际应用中，输出电流越大的稳压器通常成本会越高【2 。为了合理的控制成本， 在同时具有多只稳压器组成的供电系统中，设计者应根据各部所需的实际电流值 来选择匹配的稳压器。 2 3 3 漏失电压( d r o p o u tv o l t a g e ) l d o 线性稳压器工作的时候是要求输出稳定不变的电压的，也就是平常所说 的处于正常工作状态。若要保证系统能够在运行的时候都处于正常工作状态，对 输入电压的大小会有要求，即输入电压v 小一定要比输出电压v o l r r 高，并且它们 的差值有一个最小值。因为如果当输入电压减d , n 某一数值，即我们所谓的临界 值的时候，内部电路停止调整，系统开始失去保证输出电压稳定的能力。漏失电 压v d o 定义为临界点处输入电压和输出电压之间的差值，如式( 2 - 1 1 ) 。 l 漏失区 关断区厂 稳压区 。 ： l 图2 4 漏失电压原理图 如图2 4 所示，即 = 一 ( 2 - 1 1 ) 在各种调整元件中，p m o s 结构的漏失电压v d o 一般最低，所以下面我们以 p m o s 调整管为例，说明漏失电压的特性。当p m o s 管处于饱和区，实际上此时 它的模型是一个压控电流源，控制电压是源栅电压的绝对值，而此时的线性稳压 第二章低压差线性稳压器的基本原理以及性能分析 1 3 器工作于稳压区。若使p m o s 管一直工作于饱和区，那么l d o 线性稳压器会一直 输出稳定的电压，而且随着负载电阻r l o a d 的变化其内部环路会控制调整管以保证 有稳定的输出网。可是当我们减小输入电压v 矾的时候，p m o s 调整管的工作状态 会渐渐从饱和区向线性区移动，线性稳压器的工作点也会移向漏失区。 当保持输出端负载不变的情况下，而输入电压v 矾逐渐接近输出电压v o l r r 时， 在某一临界值的电路系统的控制能力瓦解，无法继续保持稳定的输出电压，此时 的p m o s 调整管便工作于线性区，它的等效电路模型是一个串联于输入与输出之 间的电阻r o n ，这时候的输入输出压之间的差值，也就是漏失电压v d o 可以表示 为 = i o w ( 2 - 1 2 ) 其中i o l r r 为负载电阻上的电流。由式( 2 1 2 ) 可知，漏失电压v d o 的大小与导通电阻 r o s 的值成正比关系，而导通电阻r o s 又可以近似表达为 1 = 弋乒一 ( 2 - 1 3 ) j l l p c 矗( 一) l 只要能够尽量的减小导通电阻r o n ，那么得到的漏失电压v d o 就会越小。因 此，通过式( 2 1 3 ) 可以发现有以下两种方法减小漏失电压v d o ：增大p m o s 调整管 宽长比即w l ；或者增大调整管的过驱动电压v g s v t h 。 2 3 4 静态电流( q u i e s c e n tc u r r e n t ) 如图2 5 所示，线性稳压器的静态电流，有时也称作对地管脚电流，被定义为 输入电流与输出的电流之间的差值，公式表达为 i 。= i i n i o 听p 1 4 ) 图2 5 静态电流原理图 静态电流i q 是l d o 线性稳压器器件本身工作所消耗的电流，它包括偏置电路 消耗的电流，如带隙基准，误差放大器，采样电阻和保护电路等，以及串联在输 入输出端的调整管的驱动电流。此外，静态电流还会受到温度和一些周围器件布 1 4 一款高负载电流的低压差线性稳压器的设计与研究 局的影响。又因为双极型器件是电流驱动器件，所以如果电路设计者使用双极型 器件作为调整管，那么随着负载电流的增大，则静态电流还随之而增大幽j 。 2 3 5 效率( e f f i c i e n c y ) 效率是所有电路设计师都需要考虑的问题，l d o 线性稳压器的效率反映的是 来自电源的能量有多少比重被有效的利用了。当电路的设计者使用电池作为电子 产品的电源时，功耗低的电子产品意味着电池使用时间越长，这也就说明电源的 效率越高。在电源领域，我们对效率定义通常是指输出功率与输入功率的比值的 百分率，即 卵：v o u tx g o u t 1 0 0 l y l n x i l n ( 2 - 1 5 ) 又根据式( 2 1 4 ) ，则 ，7 = i ：_ v 王0 1 u t j 而x o u t 1 。( 2 - 1 6 ) 由式( 2 1 6 ) 知，当输出电流，也就是负载电流较低，并且静态电流也很小的时 候，l d o 线性稳压器可以获得的较高的效率。反之则效率越低，特别是对于日常 中便携手提式设备而言，待机的时间要远远大于使用时间和关机时间，待机时的 效率我们不能用式( 2 1 5 ) 计算，因为此时的输出电压i o t r r 约等于零，所以在此状态 下，静态电流i q 的大小成了决定效率的关键因素，它甚至决定了在待机状态下的 系统对电池的使用时间以及电池的寿命【2 5 1 。 当稳压器工作于带载状态，即负载电流相对较大时，相比于输出负载电流， 静态电流值要小得多，因此我们甚至可以忽略电路中静态电流的作用，这样效率 又可以表示为 叩铬警= 等= 丽再i r o u t 丽枷。 倍切 。 乇叮咿+ ( 一圪叮) 、。 通过式( 2 1 7 ) 我们可以看出，当电路工作于带载状态下时，只要线性稳压器能 够保证输出电压v o u t 的值稳定，那么不论输出的负载电流i o l r r 如何变化，线性稳 压器的效率只取决于输入电压与输出电压的差值。因此，为提高稳压器系统的工 作效率，尤其是对一些由电池供电的并且静态功耗很小的系统，低漏失电压v d o 的l d o 线性稳压器是一个很好的选择。 2 4l d 0 线性稳压器的输出精度研究 现在各类数字系统的发展方向基本上趋向于低压供电，而低压供电则对供电 芯片的输出精度有着很高的要求，因此我们有必要在此讨论下线性稳压器的输出 精度。稳压器的输出电压精度是指稳压器所输出电压的变化范围，由于高精度的 第二章低压差线性稳压器的基本原理以及性能分析 1 5 要求，设计者所需要考虑较多的因素，包括基准精度、运放失调、负载调整率、 线性调整率、采样电阻的精度以及温度系数等【2 6 】。 我们用a c c 来表示稳压器的精度，那么稳压器精度的大小可以表示为 缸：坠坚l 坠丝趔垒兰! 垒竺：丝垒! ：丝垒竺：竺1 0 0 ( 2 1 8 ) 其中，a v l d r 、a v e r 分别表示线性稳压器保持正常工作于非理想状态时的最大负 载范围( 负载调整率) 和最大输入电压范围( 线性调整率) 产生的输出电压变化 量，a v o t 是指在额定的工作温度范围内由于工作温度的变化而引起的负载电压的 变化量，a v o r 、a v o a 、a v o f 分别指在其他条件不变的情况下由于出现基准漂移 所引起的负载电压变化量，由误差放大器失调所产生的负载电压的变化量，由采 样电阻阻值漂移所引起的负载电压的变化量。 通过式( 2 1 8 ) ，我们可以看出对l d o 线性稳压器的输出电压精度造成影响的 因素比较多，其中比较重要的是基准电压源漂移、误差放大器失调以及采样电阻 的漂移值l z 。 为了分析上面提到的各个参数对环路输出电压精度造成的影响，假设线性稳 压器的环路增益为，放大器的增益为a ，调整管的跨导为g m ，反馈系数为卢， 调整管的输出电阻为r c 岍则有 4 = j i b 彳g 埘订( 2 - 1 9 ) 其中 卢= 彘 ( 2 - 2 0 ) 式( 2 - 2 0 ) 中的r l 、i 也分别表示分压反馈电阻的阻值。根据放大器的负反馈相 关知识，基准电压v r 与输出电压v o l r r 的关系可以表示为 v o u r = a ( 一) = 鲁( 一) ( 2 _ 2 1 ) 其中，v r 是基准的输出电压，v f b 是反馈网络反馈给误差放大器的电压，并且 = 卢w( 2 - 2 2 ) 所以 = 尚 从式( 2 2 3 ) 可以看出，输出电压的大小不仅与基准电压有关系，还与环路增益 和反馈系数有关，得到的这个结论非常重要，我们还会在后面用到。下面我们分 别讨论影响其输出电压精度的各类重要参数。 1 6 一款高负载电流的低压差线性稳压器的设计与研究 2 4 1 线性调整率 线性调整率是用来衡量当输入电压发生变化时输出电压保持稳定的能力，定 义为当环境温度和负载电流不发生改变而输入电压变化一个单位量a v i n 时，所引 起的输出电压变化的百分率，表示为 s v - - 芒( 2 - 2 4 ) 它反映了在其它客观条件不变的情况下，输出电压因输入电压的变化而保持 不变的灵敏程度。由式( 2 2 3 ) 可知 s v = 丽a v o w x 1 0 0 = 等击。 c 2 彩， 叮k 、 从式( 2 - 2 5 ) 可以看出，基准的相对精度，以及输入电压的改变值都会影响到稳 压器的线性调整率。所以为了能够得到高精度的输出电压，必须设计高精度的基 准电压。线性调整率的值越小越好，因为这表明了在有较大的输入电压的变化的 情况下输出电压随之改变的很少【2 8 】。因为线性调整率是一个静态参数，所以在分 析电路时可不考虑电路中的电感和电容等元件。 2 4 2 负载调整率 负载调整率表征了当负载出现变化而稳压器维持输出在标称值上的能力，显 然该值同样也是越小越好，因为他越大则说明负载变化对输出精度的影响越大， 也说明线性稳压器抑制负载干扰的能力越弱。现假设当前其他工作条件不变，如 工作温度、输入电压、负载及噪声干扰等，若此时的负载电流变化a l o t r r ，这样会 引起了输出电压的变化av o t r r ，那么负载调整率则表示为 墨=瓦avoutvox a l o l o 。= 鲁v o 1 0 。 ( 2 - 2 6 ) 沂u r旧 、 由于 屿咿2 9 m 州2 9 , x a 焘a v o t r r ( 2 - 2 7 ) = 肚( 2 - 2 8 ) 其中，g m 为调整管的跨导，a 为误差放大器的增益，1 3 为反馈系数。于是，整理后 可得 旧= 等= 南= 去( 警 由式( 2 2 9 ) n - i 知，要减小或改善稳压器的负载调整率，可以有增大环路的环路 增益和增大调整元件跨导这两种方法。 第二章低压差线性稳压器的基本原理以及性能分析 1 7 2 4 3 基准电压漂移 基准电压在理想状态下是一个保持固定不变的值，可实际应用中，因为一些 因素的影响，会使基准电压v r 上出现一个微小的变化量v r ，这个变化会对输出 电压产生一定的影响，这就是基准电压漂移 2 9 1 。那么此时误差放大器的反向输入 端为v r + a v r 时，如图2 6 所示，那么根据式( 2 2 3 ) ，可以得到输出电压的变化量 为 = 器 那么，由基准漂移引起的输出电压变化又可以又可以表示为 一a v o , , ：坐 ( 2 3 1 ) 沂 、7 从式( 2 3 1 ) 可以看出，输出电压精度与基准电压精度的关系是直接正比的关 系，即基准输出的精度为多少，线性稳压器输出的精度亦然。 在电路的实际设计过程中，基准电压的设计的地位相当重要，设计者不但需 要考虑基准随温度的漂移，同时还要顾及基准随工艺模型的变化，所以在设计基 准时设计者通常会加测试脚和调节脚，以方便在今后测时对基准电压进行修正。 v 图2 6 基准电压漂移分析电路 2 4 4 误差放大器电压漂移 在设计放大器电路时，因电路拓扑结构的的不同，抑或是选择了不同的工艺 模型，在投片后芯片的实际使用时，误差放大器的输出难以避免的产生失调，并 且还伴有温度漂移，这些都会改变输出电压v o t r r 的精度。因为误差放大器失调或 者说电压漂移对输出电压精度的影响较为关键，所以可根据运放失调的定义，为 了能够和理想运算放大器的状况尽可能接近，需要使用一定的电压来补偿偏移量。 其原理图如图2 7 所示。 1 8 款高负载电流的低压差线性稳压器的设计与研究 v 图2 7 放大器误差漂移分析电路 根据前面的说明，假设误差放大器能够获得的增益为a ，此时又失调电压v o s ， 如果为了使误差放大器成为理想运放，使用基准的一部分电压去补偿放大器的失 调电压，那么输入打误差放大器的反向端的实际电压为v r + v d ，所以我们可以得 出 圪= 导 ( 2 3 2 ) 根据式( 2 2 3