（微电子学与固体电子学专业论文）ldo线性稳压器的研究与设计.pdf

摘要 摘要 随着信息科学的快速发展，电源技术变得越来越重要。因低压差线性稳压器( l d o ) 的体积小，高电源抑制比，功耗小，低噪声以及应用端电路简单等优点在众多电源中， 受到人们的普遍关注。此外，由于l d o 还具有较好的线性瞬态响应和负载瞬态响应， 使它在便携式、工业化、汽车行业等领域占有重要地位，比如在p d a ，m p 3 播放器， 无线电话，d d r 等电子设备中应用广泛。因此，l d o 的设计成为当前电源技术领域的 研究热点，具有重要的理论意义和实际应用价值。 本文采用无锡上华c m o s0 5 u r n 器件模型，分析和设计了一款新颖的l d o 线性稳 压器，包括二阶曲率补偿带隙基准电压源、误差放大器、过热保护和限流电路。作者首 先较详细分析了l d o 线性稳压器的基本结构及工作原理，然后根据其功能和性能指标 参数要求，在传统l d o 基础上结合功率管的串联结构，修改其误差放大器的结构并增 加一个反相输出端，实现2 a 的拉电流和灌电流的能力，为双通道数据内存( d d r ) 提供 稳定的输出电压。当负载电流从0 到2 a 变化时，启动时间约为6 0 0 u s ，输出电压为1 2 5 v ， 其变化量为2 8 5 m v 。该仿真结果表明改进后的l d o 线性稳压器具有良好的瞬态响应和 稳定输出。同时为防止m o s 功率管因过热、过流而被烧毁，按照过热、限流的工作原 理，给l d o 设计了一种过热保护电路和一种限流保护电路。过热时，关断温度为1 6 9 4 0 ， 滞回量为4 0 8 0 ；过流时，功率管的电流分别被限制在2 8 3 a 和2 6 6 a 。以上的仿真结果 说明了该l d o 线性稳压器具有较高的精度、响应速度较快、安全性好等优点，在意外 短路或恶劣环境下能够安全工作。 文中的仿真结果均采用c a d e n c e s p e c t r e 仿真工具完成，并将设计的预指标和仿真结 果进行对比分析，证明该l d 0 线性稳压器满足d d r 应用的要求，为其设计提供了可靠 的依据，然后基于该代工厂的工艺文件绘制整个电路的版图。 关键词 带隙基准，线性稳压器，过热保护，限流，版图设计 a b s t r a c t w i t ht h eh i g h - s p e e dd e v e l o p m e n to ft h ei n f o r m a t i o ne r a , t h ep o w e r t e c h n o l o g yb e c o m e s n o t ea n dm o r ei m p o r t a n t i nn u m e r o u sp o w e r ，l d o ( l o wd r o p o u tv o l t a g er e g u l a t 0 0h a s t r o u s e dg r e a t e ra t t e n t i o nb e c a u s eo fi t ss m a l la r e a , h i 曲p s r r , l o wp o w e rd i s s i p a t i o n , l o w a o i s ea n df e wo f f - c h i pc o m p o n e n t s ，e r e i na d d i t i o n , t h et r a n s i e n tr e s p o n s et oi n p u tv o l t a g e m do u t p u ti o a di sf a s t e r t h e s ea d v a n t a g e sm a k el d os u i t a b l ef o rt h ed o m a i nc o n c e r n i n g p o r t a b l ee l e c t r o n i cp r o d u c t s ，i n d u s t r ya n da u t o m o b i l e ，f o re x a m p l e ：t h ep d a , m p 3 ， d c ，r a d i o t e l e p h o n ya n dd d u s i n gc s m cc m o so 5 u mm o d e l s t h ep a p e ra n a l y z e sa n dd e s i g n san o v e ll d ol i n e a r r e 9 3 j 【l a t o r , a n di ti n c l u d e st h es e c o n dc u r v a t u r ec o m p e n s a t i o nb 缸i d g a pv o l t a g er e f e r e n c e ，e r r o r a m p l i f i e r , o v e rt h e r m a lp r o t e c t , l i m i tc u r r e n tp r o t e c t f i r s t l y t h ea u t h o ri n t r o d u c e st h eb a s i c s t r u c t u r ea n do p e r a t i o n a lp r i n c i p l eo f i t , s e c o n d l y ，a c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o na n dp e r f o r m a n c e o fl d o ，t h ei m p r o v e dc i r c u i t w h i c hi sb a s e do nt r a d i t i o n a ll d oa n dt h es e r i a ls t x u c t u r eo f p o w e rt a r a n s i s t o r s ，a c h i e v e st h ec a p a b i l i t yo f2 as o u r c e s i n ka n ds a t i s f i e st h es t a b l es u p p l y v o l t a g ef o rd d i lm s i m u l a t e dr e s u l t , w h i c hi s6 0 0 u so fs t a r t - u pt i m e ，1 2 5 vo ft h eo u t p u t a n d2 $ 6 m vo ft h eo u t p u tc h a n g e , r e f l e c t st h i sc i r c u i th a s9 0 0 dt r a n s i e n tr e s p o n s ea n dt h e s t a b l eo u t p u t c o n s i d e r i n gt h es a f e t yo fp o w e r t r a n s i s t o r , i ta l s oh a st h e r m a lp r o t e c tc i r c u i ta n d c u r r e n tl i m i tp r o t e c tc i r c u i t ms h u t d o w nt e m p e r a t u r ei s16 9 4 c ，a n dt h eh y s t e r i s i s t e m p e r a t u r ei s4 0 8 p o w e rt r a n s i s t o r s c u r r e n t sa r er e s p e c t i v e l yl i m i t e db y2 8 6 aa n d2 6 6 a t h e s es u g g e 殴t h a tl d oh a sh i g hp r e c i s i o n , f a s tr e s p o n s e ，g o o dr e l i a b i l i t y ，a n dt h es a f e t yo f t h ew h o l ec i r c u i tu n d e rd e s t r u c t i v ee n v i r o n m e n to rs u d d e ns h o r t - d r c u i tc o n d i t i o n ， a l ls i m u l a t i o n so ft h ep a p e ra r ec o m p l e t e db yc a d e n c e s p e c 仃es i m u l a t e dt 0 0 1 c o m p a r i n gt h es i m u l a t e dr e s u l tw i t ht h ep r e - t a r g e t ，t h ed d ra p p l i c a t i o ni ss a t i s f i e d , w h i c hi s p r o v i d i n gt h ee v i d e n c ef o rl d od e s i g n i na d d i t i o n a l ，i t sl a y o u th a sa l s ob e e nd e s i g n e db y a p p l y i n g t h ef o u n d r y st e c h n o l o g y k e y w o r d s b a n d g a p ，l i n e a rr e g u l a t o r , t h e r m a lp r o t e c t , c u r r e n tl i m i ll a y o u td e s i g n 西北大学学位论文知识产权声明书 本人完全了解西北大学关于收集、保存、使用学位论文的规定。 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。 本入允许论文被查阅和借阅。本人授权西北大学可以将本学位论文的 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 描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研 究所等机构将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库或其它 相关数据库。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者躲堡聿耸：指导教师躲隆 w 矿7 年月2 日 纱哆年多月。日 西北大学学位论文独创性声明 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，本论文不包含其他入已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得西北大学或其它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：喜牛哗 v 缈夕年6 月，2 。日 西北大学硕士学位论文 1 1 课题的背景及意义 第一章绪论 在高速发展的信息领域中，电源技术的地位显得越来越重要。无论是先进的计算机、 无线通讯设备，还是汽车电子产品，都体现了电源技术的优越性。它已经成为当前集成 电路产业发展中的一个热点，是一种必不可少的技术【1 1 。现如今，基于电源技术设计的 电子产品已经普及到人们的工作、生活的各个方面，其性能价格比愈来愈高，功能愈来 愈强，市场竞争愈来愈激烈。 当计算机技术、多媒体技术、通信技术与电源技术相互融合以及集成电路制造工艺 不断发展，一方面，电源被集成在具有多功能的系统中，并为系统中的功能模块提供稳 定的电源电压。因此，在多功能系统中，需要考虑如何有效对系统内部的电源进行动态 管理，这就加速了对电源的开发需求。另一方面，各种电子产品，诸如手机，m p 3 、p d a 、 p m p 、d s c 、数码像机、医疗仪器、测试仪器等基本上都采用电池供电，如何有效的提 高电池的使用寿命和解决耗散问题变得更加突出。高效性、智能化的电源技术是解决这 些问题的关键磁。基于这两方面的推动作用，电源i c 产业得到了空前的发展。据统计， 在中国，2 0 0 6 年的电源i c 销售额已达到2 7 2 亿元，到了2 0 0 8 上半年销售额又增加了近 1 5 亿元。但在下半年期间，由于全球的经济危机，国内的电源及电源管理芯片的销售额 虽然有所下降但幅度不是很大，预计2 0 0 9 年末中国电源i c 销售额会再次增加。因此， 研究和开发电源i c 还是有市场潜力的。 尽管电源i c 的市场很广，但中国造的市场份额不大，主要为国外产品。例如德州 仪器是最大的供应商，国家半导体排行第二，国际整流器、美信、安森美也是目前电源 i c 市场中最具竞争力的企业。上述的外资企业几乎占据国内市场份额的5 0 3 1 。而国内 的电源i c 设计正处于起步阶段，研发能力相对比较薄弱，无论是设计技术还是制造水 平都比较落后。要想从外资企业夺回应有的市场份额，就必须努力迎合市场需求，设计 出低成本、高质量的电源产品，同时在激烈的市场竞争中不断壮大自己。因此，研发电 源i c 具有重要的现实意义。 在电源i c 中，一个重要的发展分支为d c d c 变换器。d c d c 变换器顾名思义就 是将输入的直流电压转换成另一种输出稳定的直流电压。它是根据负载变化，调节内部 电阻阻值而实现的，有时也称其为直流斩波器。d c d c 变换器根据传输功率管的工作 第一章绪论 方式，大致可分为线性稳压器和开关型稳压器两大类 4 1 。 开关型稳压器是一种离散系统，其内部的功率管工作在高频开关状态，导通电阻小。 当流过较大电流时，消耗在功率管上的功率很小，电源效率很高，可达到8 5 以上。有 时也称它为“高效节能型电源”。现在已经成为稳压器的主流产品，但是开关噪声大是它 的致命缺点，大大限制了在低噪声、低纹波的模拟和射频领域的应用。而线性稳压正好 相反，它是个连续系统。效率低、功率管发热量大、输出总小于输入是它的缺点，但它 有良好的线性调整率、负载调整率、高电源抑制比、低噪声的优点，正好可以弥补开关 型稳压器的不足。线性稳压器还因具有低的纹波电压而被广泛应用于对噪声、纹波要求 很高的电子设备中。然而，它的低效率给它带来诸多不便。为了解决效率低的问题，低 压降线性稳压器，简称“l d o ，就产生了，现已成为线性稳压器的主流方向嘲。 1 2l d o 的研究现状及发展趋势 1 2 1l d o 的研究现状 在国外，l d o 线性稳压器采用n p n 工艺进行设计逐渐呈现出衰退趋势，而采用p n p 工艺还镉特了一定的市场份额；采用p m o s 工艺主要应用于8 v 以内；d m o s 工艺在脱落电 压要求很高的领域：基于b c d 工艺设计的l d o 也开始了批量生产：许多l d 0 线性稳压器 典型产品大都采用成本低的c m o s 工艺实现。 针对n p n 和p n p 双极工艺产生大的脱落电压和功耗的问题，国外做了大量的研究。 修改传输器件结构或是采用p m o s 、n m o s 以及c m o s 技术，在保持更低的功耗前提下，大 幅度地降低脱落电压：当脱落电压降至6 0 0 m v 以内，l d o 线性稳压器才真正进入低压差 时代。然而采用双极和b i c m o s 工艺技术设计的线性稳压器在军事和一些特殊应用领域 依然具有其他l d o 产品不可替代的优点，例如在具有较高功率要求但对脱落电压要求不 高的领域以及在汽车电子、性价比高的领域具有一定的优势，保持着自己的生存和发展 空间【5 1 网。 国外的许多l d o 线性稳压器具有很优越的性能。在超小功率范围，例如奥地利微 电子2 0 0 8 年推出的一款型号为a s l 3 6 0 低功耗l d o ，其静态电流只需1 s g a 。还有德 州仪器( t d 的t p s 7 6 7 3 3 ，采用c m o s 工艺设计，具有1 2 3 3 v 可调输出，脱落电压为 3 0 m v 4 0 m a ，而静态电流在4 0 m a 负载电流下只有2 0 9 a 7 1 。在中小功率范围，脱落电 压在5 0 0 m y 以下，输出电流从毫安级到安级已经很普遍，例如a d i 的a d p 3 3 3 8 和 2 西北大学硕士学位论文 a d p 3 3 3 9 两种a n y c a p 系列的l d o ，其脱落电压为1 9 0 m v 1 a i s 。由此可见，国外电源 i c 设计公司在l d o 线性稳压器设计方面是非常具有实力的。 在国内，l d o 线性稳压器的开发还处于起步阶段，产品种类少，产量也小，而且 大多数产品的性能差。目前国内自主研发及生产l d o 线性稳压器的企业大约有3 0 0 家， 形成规模也不过十几家钔。虽然很多企业的l d o 产品已占据了国内相当的市场，并且 还有少量产品出口，但还是缺乏电路设计的核心技术，所以还需要把大量的精力放在 l d o 线性稳压器的研究和开发上。 1 2 2l d o 的发展趋势 ( 1 ) 电源寿命和效率最大化； 电子产品中电池供电时间，已经成为消费者最为关心的性能之一。提高电池的寿命 和延长电子产品的使用时间，是电源i c 设计的重要趋势。预计在未来几年里，l d o 线 性稳压器的发展也将主要围绕这种趋势展开。 ( 2 ) 体积和成本最小化； 在性能相同的前提下，体积更小、成本更低的产品必然更具竞争力。为了减小体积， 封装也是l d o 线性稳压器要解决的难题之一。而缩减成本、提高利润一直是各个厂商 的最终追求目标。换言之，l d o 线性稳压器面临的关键任务之一就是如何使产品的性 价比最大化。 ( 3 ) 电压提供多样化： 现在的便携产品通常都会集成诸如视频、音频、照相、录像等多种功能。不同功能 的实现都需要不同的供电电压，而且要求供电电压稳定、干净、可靠、高效。这就要求 l d o 具有台皂够提供多种输出电压的功能，并能有效地管理多种电压，并且使之互不干 扰。 ( 4 ) 设计周期最短化； 市场竞争的日趋激烈和产品的快速更新换代使得企业不得不在尽可能短的时间内 将产品推向市场以抢占先机。为此，l d o 线性稳压器的设计周期也从过去的1 2 1 8 个 月变为6 个月甚至更短。这使电源i c 设计人员将面临严峻的挑战。 3 第一章绪论 ( 5 ) 数字电源和模拟电源的相互结合。 过去业晃很多人认为，数字技术很快将争夺电源i c 的主导权。但从用户的角度来 说，只有当数字电源的成本等于或低于模拟电源时，用户才会考虑使用。如今的实际情 况是，这两年中技术看起来正齐头并进，互为补充。相信在未来几年，两种技术相互结合， 共同推动电源技术的发展。l d o 线性稳压器也在这种驱使下出现了数字l d o 技术。这 种技术是采用a d c 和d s p 取代误差放大器而实现，从根本上讲，它是数字单元与模拟 l d o 相结合的结果【1 】【9 1 。 1 3 论文的内容及安排 本文内容是设计一款c m o sl d o 线性稳压器。根据表l 给出的具体指标，改进传 统l d o 线性稳压器结构，采用双电源模式供电，实现2 a 的拉电流和灌电流的功能。此 外，为防止过热、过流，还设计了过热保护电路和限流保护电路，使l d 0 线性稳压器能 够安全、可靠的工作。 本文采用无锡上华0 5 u mc m o s 混合工艺，在c a d e n c e 环境下采用s p e c t r a 进行设 计和仿真，然后采用v i r t u o s o 完成整体芯片的版图。 论文分为五章： 第一章绪论，包括课题的背景及意义、l d 0 的研究现状及发展趋势，并给出l d o 线性稳压器的具体设计指标。 第二章l d 0 线性稳压器理论概述，包括l d 0 线性稳压器的基本结构、工作原理、性 能指标、稳定性以及瞬态响应；并在稳定性中，分析了v c e s 补偿和e s r 补偿，同时结 合具体的电路结构，选用e s r 补偿实现l d o 环路的稳定。 第三章l d o 线性稳压器的各个子模块的设计，较详细分析每个模块的工作原理， 给出了具体实现的晶体管级电路，并提出了电路设计的一些关键点，为仿真、调试提供 有效的方法。 第四章l d o 线性稳压器的子模块仿真和系统仿真，较详细分析仿真结果，与具体 设计指标对比，验证电路设计的合理性。 第五章l d o 线性稳压器的版图设计包括版图设计流程、m o s 管失配特性分析、 4 西北大学硕士学位论文 m o s 管的版图匹配原则以及给出该稳压器的整体版图。 表1l i ) o 线性稳压器的设计指标 参数测试条件典型值要求 l d o 线性稳压器：v 旷1 8 v ；v 西m = 5 v ；负载为1 8 0 欧；温度为2 5 c 电源的输出电流负载电流为零 2 5 m a 电源抑制比p s r r输入到输出p s r r 啦6 0 d b 电源到输出 p s r r v c y n 6 0 d b 输出失调电压 负载电流为零 2 0 m v 最大输出电流拉电流2 a 灌电流- 2 a 输出电压变化负载电流为2 a 2 0 m v 邑 负载电流为2 a 纹波电压从轻载到重载 8 0 m v ”保护电路 限流保护输出对地短路2 8 a 输出对输入短路2 6 a 过热保护关断温度 1 7 0 i 温度迟滞量 4 0 带隙基准电压源v v a w 输出参考电压 1 ，2 5 v 温度系数1 0 p p m c 电源抑制比6 0 d b 电压调整率 0 5 m v v 5 第二章l d o 线性稳压器理论概述 第二章l d o 线性稳压器理论概述 l d o 线性稳压器是一种步降式d c d c 变换器【4 1 。它是利用工作在饱和区的功率管 ( 通常被称为传输器件) 串联在输入输出节点之间，并通过输入电压减去多余电压差，产 生稳定输出电压的一种直流电压源。 2 1l d o 的基本结构 l d o 线性稳压器的基本结构，如图2 1 所示。它由作为电流主通道并且具有低导通 电阻的功率管，参考电压源，误差放大器，反馈网络组成【1 0 】；如果芯片要安全、可靠的 工作，还应该包含诸如启动、负载电流采样以及过流保护、过温保护、欠压锁定等电路 模块【l o 】。 v 图2 1u 加i 线性稳压器的基本结构 ， ( 1 ) 带隙基准电压源v r m , 带隙基准电压源为误差放大器提供参考电压v r e f ，它的精度直接影响l d o 线性稳 压器的精度。 ( 2 ) 误差放大器e a 误差放大器是将反馈电压v m 与参考电压v l 吁进行比较，产生用于控制功率管栅 极的误差电压，调整流过功率管的导通电流，使输出电压v o u r 稳定。 ( 3 ) 反馈网络 反馈网络是由电阻r f i 、r r 2 组成：它的作用是通过对l d o 线性稳压器的输出电压 6 西北大学硕士学位论文 进行采样，将得到的反馈电压送到误差放大器的输入端，与参考电压进行比较。 ( 4 ) 功率管 功率管，也称“调整管”。它的主要作用是输入向负载提供大电流的通道。 2 2l d o 的工作原理 l d o 线性稳压器的工作原理是通过负反馈作用调整流过功率管的输出电流，使输 出电压保持稳定【1 1 1 1 1 。 在图2 1 中，参考电压v r 部与误差放大器的反相输入端相连；输出电压v o t r r 通过 反馈网路p - f l 、r n 分压后，将产生的输出反馈电压v m 与误差放大器的同相输入端相连； l d o 线性稳压器输出端接入负载r l 、c l 。当输出电压v o l r r 降低时，v o u r 经反馈网路 分压后，误差放大器的同相输入端电压降低，参考电压与反馈电压的差值减小，功率管 栅极电压降低，输出电流增加并对负载电容c l 充电，输出电压升高。相反，当输出电 压v o t r r 升高时，误差放大器的同相输入端电压升高，其输入电压差值增大，功率管的 输出电流减小，c l 向负载r l 放电，输出电压降低。这样，l d o 线性稳压器总是处于深 度负反馈状态，对输出电压进行连续校正，使输出电压总是稳定的。 2 3l d o 的指标参数 l d o 线性稳压器的指标参数主要包括i 输出电压、脱落电压、静态电流、线性调 整率、负载调整率、a c 线性调整率、电源抑制比、输出噪声电压、精度、温度系数、 输出电容以及e s r 稳定范围、最大负载电流等【1 2 1 1 3 1 。 ( 1 ) 输出电压v o t r r 输出电压是l d o 线性稳压器重要的指标参数。它也是电子应用工程师选择l d o 时 必先考虑的参数；可分为固定型和可调型。从图2 1 可知，由于负反馈作用，使误差放 大器输入端电压相等，输出电压为： v o - v 腼( 1 + 辛 ( 2 1 ) 从式( 2 1 ) 可知，由于电阻r f l 、& 2 因工艺条件限制会影响v o u r 的精度；所以本文将 7 第二章l d o 线性稳压器理论概述 电阻r f 2 去掉，使输出电压与参考电压相等：这样v o u t 的精度不会受到电阻r f l 、r f 2 的影响。 ( 2 ) 脱落电压v d o 脱落电压被定义为l d o 线性稳压器的输出电压v o u t 保持稳定时的最小输入输出电 压差。图2 2 给出了典型的l d o 输入输出特性曲线，当输入电压v i 大于v 2 时，l d o 进入饱和区，输出电压稳定并与输入电压和负载电流无关；当v j 在v i 、v 2 之间，l d o 位于脱落区，功率管可等效为一个电阻，脱落电压为： v 矗= i l r o n( 2 2 ) 其中r o n 为功率管的导通电阻：i 乙为负载电流。 图2 2u ) o 输入输出特性曲线 它主要由功率管的特性决定，一般宽长比越大则脱落电压越小。该参数较小有两面 的优点，一是稳压器的输入较小，即输入接近于输出也能正常工作；二是保持低压差工 作可以减小功耗：这两个优点使l d o 能够延长电池的寿命。 ( 3 ) 静态电流i o 静态电流，也称“地电流”。它是指l d o 线性稳压器正常工作时内部电路消耗的电 流，等于输入电流减去输出电流；它是一个直流参数，反映了电路的静态功耗；该参数 主要由l d o 中基准的偏置电流、误差放大器和保护电路的工作电流以及限流电路的采 样电流决定。当输出电流为零时，静态电流等于输入电流，主要由功率管的漏电流产生。 当功率管采用双极晶体管时，由于它是电流驱动型器件，静态电流会因输出电流增加而 成比例的增加；在脱落区中，双极型晶体管的基极电压小于输出电压而引起基极与发射 3 西北大学硕士学位论文 极之间额外的寄生电流通路，也可使静态电流增加。如果采用m o s 管作为功率管，由 于m o s 管是电压驱动型器件，静态电流不会随着输出电流增大而增大。所以在低功耗 应用中选用m o s 功率管。 i q 的计算公式为： 正常工作： i q = i i - i o 其中，i i 为输入电流；i o 为输出电流。 ( 4 ) 转换效率r ( 2 3 ) 转换效率定义为l d o 线性稳压器的输出功率与输入功率的比值。它反映了l d o 转 换能量效率的高低。稳压器在满载时效率最高；空载时效率最低。 ，7 的计算公式为： 刁2 撒邓一导，c 古 i 。 ( 2 4 ) 从式( 2 4 ) g 知，为提高l d o 线性稳压器的转换效率，可以通过两个方面实现。一 是减小静态电流i q ；二是降低脱落电压v d o 。 ( 5 ) 线性调整率s v 线性调整率反映了l d o 线性稳压器输入电压变化对输出电压的影响程度，图2 3 给出了线性调整曲线。它是一个直流参数；该参数越小，线性度越好。 v 图2 3 线性调整曲线 9 第二章l d o 线性稳压器理论概述 s v 的计算公式为： s v 一专畿枷。 由图2 1 可知，l d o 线性稳压的近似计算公式为： s v 瓦1 瓦1磊r f i + r n 其中g m 是功率管的跨导；a v l 为误差放大器的增益。 小。 ( 2 5 ) ( 2 6 ) 从式( 2 6 ) 可看出，通过提高误差放大器的增益和功率管的跨导可使线性调整率很 ( 6 ) 负载调整率s l 负载调整率反映了l d o 线性稳压器的输出电压随着负载变化保持恒定的能力。它 是一个直流参数；该参数越小越好。 s l 的计算： s l 学加泓 ( 2 7 ) l v 0 i o 。 图2 1 中，l d o 负载调整率的近似公式为： s l 士_ r f l + r 砣 ( 2 8 ) k v og m a v lr f l 、7 从式( 2 8 ) 可知，改善线性调整率的同时也可改善负载调整率。 ( 7 )a c 线性调整率v p v a c 线性调整率，也称l d o 线性稳压器的“纹波电压”。它是指l d o 对输入电压上 的a c 斜坡信号的稳压能力，反映了输出对输入a c 斜坡信号的瞬态响应：它主要与l d o 的环路带宽、响应时间以及误差放大器的压摆率有关。 v 忡的计算公式为： 1 0 西北大学硕士学位论文 ( 8 ) 电源抑制比p s r r ( 2 9 ) 电源抑制比表征l d o 线性稳压器输出对输入电源交流纹波的抗干扰能力。它与纹 波信号的频率有关，是一个交流参数；一般与参考电压的p s r r 、误差放大器的p s r r 、 系统的环路增益和零极点有关。 p s r r 的计算公式为： p s ? g ( 鲁 其中a v l 为l d o 的环路增益：a v 2 是输入到输出的电压增益。 ( 9 ) 输出噪声电压 输出噪声电压是指在一定的负载电流和任意纹波的输入电压下，某个给定频段 ( 1 0 h z - 1 0 0 k b z ) 的输出噪声均方根。该参数与设计、工艺密切相关。 ( 1 0 ) e s r 稳定范围【1 4 1 l d o 线性稳压器的稳定性受负载电容的等效串联电阻的影响，所以l d o 制造商应 该提供e s r 的稳定范围；图2 4 给出了典型的e s r 稳定的范围。曲线表明负载电容的 e s r 阻值在0 0 1 欧和9 欧之间，系统是稳定的；在此范围之外，系统不稳定。 蛊 罾 沓 哥 鬏 拂 u t m a bl er e g i o u - k - h i t a b l er e g i，n 1 u n s t a d l cr e 口。日 ot ml q 描 图2 4e s r 稳定范围 第二章l 【) o 线性稳压器理论概述 ( 1 1 ) 精度a c c l d o 线性稳压器的精度受到许多误差源的影响；这些误差源由线性调整率、负载 调整率、基准漂移电压、误差放大器输出漂移电压、反馈电阻误差以及温度系数组成； 其中对精度影响不太大的是负载调整率和线性调整率。 图2 1 中，假设v d 是基准漂移电压；v 鸺是误差放大器输出漂移电压；x r f l 、i 沁 是电阻r f , 、的误差；计算输出电压变化为： 学= 、v ，d ( 2 1 1 ) 够 ?7 = 吼赫 毗寺鲁v 髓 l d o 线性稳压器的总精度计算公式： ( 2 1 3 ) 忙绁丝岖事一枷。 其中，a v l d r 、a v t x 分别是线性调整率、负载调整率引起的输出变化；x v t c 是温度 系数造成的输出电压的变化。 2 4l d o 的稳定性 2 4 1l d o 的交流小信号等效模型 分别用误差放大器和功率管的交流小信号等效模型代替图2 1 中的误差放大器、功 率管的拓扑结构，得到l d o 线性稳压器的交流小信号等效模型，如图2 5 所示。 1 2 西北大学硕士学位论文 4 - 1 t工 婚：气 g m 2 ：毒 i 、；二：! ( ：c i l ：一 v o u 夕s l 口 d ，一 附一、 图2 5l d o 线性稳压器的交流小信号等效模型 图2 5 中，g m 是误差放大器的有效跨导；r 傀是误差放大器的输出电阻；c p 盯主要 是功率管的栅源电容：g 叩为功率管的跨导：r 出为功率管的漏源之间的等效电阻。当考 虑沟道长度调制效应时，流过功率管的电流i d 和栅源电压v o s 、漏源电压v d s 之间的关 系为： 一言粕( 凯) ( 1 + 删 其中，五为沟道调制因子：功率管的等效电阻为： = a 研v d 。s = 一面器而2 l i p 瓦河瓦1 2 ，4 。2l d o 的闭环传输函数 ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 从图2 1 可以看出，l d o 线性稳压器是一个闭环系统；图2 5 中，交流小信号模型 是将闭环系统中反馈网络输出端v m 断开；在计算l d o 的闭环传输函数时，交流信号 必须从断开点流入，最后从断开点流出。因此，闭环传输函数求解过程如下： 图2 5 中，在节点v c 、v o u t 处，分别列出基尔霍夫电流方程t 节点v c ： 节点v o t r r ： 之+ s c 阿v c g 叫 ( 2 1 7 ) i u t + i v o 面u t + v k o u l r + s c l = g 呷v c ( 2 1 8 ) 第二章l d o 线性稳压器理论概述 = i r 面f 1 通过式( 2 1 7 ) - ( 2 1 9 ) 可得闭环传输函数为： a f ( s ) = 诗面gm 雨g m p r 丽o r d , 蒜毫 其中，r l i l ( r ，。+ r 砣) 8 r 血。 令式( 2 2 0 ) 的分母为零，可得系统极点为： 如果考虑功率管的栅漏电容c g d ，可得右半平面零点为： z t = 鱼 1 c 一 ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) 根据系统稳定性理论可知1 1 5 】，由于c l c p = ，r d s r 啦，使得p l 为系统主极点，p 2 为次主极点，并且二者靠得很近，导致系统在频域下的相位裕度很小；在时域下的阶跃 响应出现振荡。如果考虑z t ，情况将更加严重。为了让系统稳定，需要采用频率补偿技 术提高相位裕度；一般要求相位裕度不低于4 5 0 。 2 4 3l d o 的频率补偿 在系统的稳定性理论中，反馈系统的频率补偿方式大致有以下三种【1 6 】： ( 1 ) 总相移减至最小，相位交点向外推： ( 2 ) 降低增益，增益交点向原点推； ( 3 ) 引入左半平面零点，消除极点个数： 第一种方式是将信号通路上的极点数减至最少，但这种方法具有一定的局限性。 1 4 焦q = 一艮 去， = 。2 胪 巳 西北大学硕士学位论文 因为在电路设计时，系统结构基本上是预先设计好的，信号通路上的极点数也基本是确 定的。对于极点个数不低于两个的较复杂系统，只能通过第二种或第三种方法对系统进 行频率补偿，然而第二种方法是以牺牲低频增益和输出摆幅为代价来改善频率特性；第 三种方法最为普遍，它在不牺牲增益的前提下可以加大带宽，因此，采用第三种方法对 l d o 线性稳压器的稳定性进行频率补偿。 在频率补偿技术中，引入左半平面零点的方法很多，诸如e s r 补偿、v c c s 补偿、 基于动态零点补偿等。在这里，我们将较详细分析两种补偿方法，分别为v c c s 补偿和 e s r 补偿。 ( 1 ) e s r 补偿方法【1 7 1 e s r 补偿方法是利用在输出端接入一个带寄生串联等效电阻的电容，产生一个左半 平面的零点，实现l d o 线性稳压器稳定。这种方法是最直接、最有效的。然而l d o 线 性稳压器的输出电阻是有限的，并且输出电容的寄生串联等效电阻也会因不同的电容表 现出不同的阻值，产生的零点也不同，频率补偿难以控制，因此选取带有e s r 的负载 电容是非常重要的。图2 6 给出了带e s r 补偿的l d o 交流小信号等效模型。 j _ i 一 i 汹= 鼠) 摹r 舳= 一 厂(一- ：p a r b 图2 6 带e s r 补偿的u o 交流小信号模型 图2 6 中，电容c b p 为高频旁路电容，目的是旁路掉输出高频噪声；l d o 的输出阻 抗为： z 叩= 毛i i r , i i ( r n + r v 2 ) 卜弧+ 司1k g 2 4 ， 假设r e s r r d s ，r d s r l ，轧 ( r f l + r f 2 ) ，化简等式( 2 2 4 ) ，可得： 第二章l d 0 线性稳压器理论概述 悯= 涛吨c r b 丽r f l z 叩 从式( 2 2 5 ) 中可以推算出系统的零极点，由于前面已给出了两个极点表达式，下面将给 出剩余的零点和极点。 ( 2 2 6 ) ( 2 2 7 ) 选取小的高频旁路电容c b p ，可把p 3 推至系统单位增益频率以外；虽然功率管的输 出电流i d 在轻载和重载时不同，但由于负载电容c l 很大，决定了p i 为系统的主极点； 由于功率管的尺寸和误差放大器输出电阻r 傀较大，p 2 一般为次主极点；寄生电容c g d 相对较小，z l 属于高频零点。因此在系统频率响应中，存在两个极点p i 、p 2 和一个可 调的左半平面零点z 2 。通过适当调节z 2 ，可使系统的相位裕度不低于4 5 0 ，实现闭环系 统稳定。图2 7 给出了e s r 补偿。 图2 7e s r 补偿 前 在e s r 补偿中，由于e s r 阻值范围在0 0 1 欧和9 欧之间，为了保证系统稳定，在 计算机仿真时，我们必须考虑所有的情况。 ( 2 ) v c c s 补偿【1 羽 v c c s 补偿是利用电容反馈产生一个左半平面的零点来改善频率特性。它由于能够 较为精确的控制零点的位置和减少过冲而优越于e s r 补偿。这种方法是用压控电流源 与反馈电阻l b l 并联而得，如图2 8 所示。 1 6 一 嗽 一 呶击击 - = b 乙 西北大学硕士学位论文 v r n 图2 8 的闭环输出函数为： 图2 8v c c s 补偿 、船- 当l 3 戤。2 巧巧 ( 1 + x 1 + ) 其中，p 5 与p 2 相同；a o 为开环直流增益；1 4 、z 3 的表达式如下： r 通过设计台_ 理盼高频电容c l 和压控电流源i ，可以实现闭环系统的稳定。 ( 2 2 8 ) ( 2 2 9 ) ( 2 3 0 ) 从上述的两种补偿方法看，v c c s 补偿属于内部补偿而e s r 补偿属于片外补偿。由 于本文设计的l d o 线性稳压器的功率管由两个串联n m o s 管组成以及反馈网路也去掉 了电阻r f l ，无法采用v c c s 补偿进行设计。因此我们采用最直接、有效的e s r 补偿实 现l d o 的稳定。 2 5l d o 的瞬态响应 l d o 线性稳压器的瞬态响应是一个非常重要的指标【1 9 1 。它被定义为当负载从轻载 到重载或是从重载到轻载变化时，输出电压允许的最大变化。图2 9 给出了本文设计的 1 7 斋 磊 素 一 第二章l d o 线性稳压器理论概述 l d o 线性稳压器的仿真结构。 图2 9l d o 的仿真结构 为分析l d o 线性稳压器的瞬态响应，可以将负载变化分为丽个阶段，第一阶段是 轻载到重载过程；第二阶段是重载到轻载过程，如图2 1 0 所示。 输 ( 1 ) 轻载到重载过程 时间 图2 1 0l d o 的瞬态响应 在t l 期间，负载电流突然从零跳变到满载，由于l d o 线性稳压器的带宽限制， 负载电容c l 放电并提供满载电流，输出瞬态电压k 为； 巩衄撬t 1 + ( 2 3 1 ) 其中t i 与l d o 的闭环回路带宽以及误差放大器的压摆率有关；a v e s r 是电阻e s r 的 压降。在t 2 内，输出电压开始上升并最终达到稳定值，它与理想输出电压的差值a v 2 为： 1 8 西北大学硕士学位论文 v 2 r 响i 嘲螂 ( 2 3 2 ) 其中凡懈为l d o 的输出电阻。建立b 寸i n a t 2 与负载电容充电、系统的相位裕度有关。 ( 2 ) 重载到轻载过程 在a t 3 内，负载又突然从重载跳变到零，由于功率管流过的电流不可能立即下降， 负载电容c l 充电使得输出电压升高，输出的瞬态电压a v 3 为： v 3 撬址，+ ( 2 3 3 ) 其q 了a t 3 同样与l d o 的闭环回路带宽以及误差放大器的压摆率有关；在t 4 内，输出电 压开始下降并最终达到稳定值，输出在c l 上的充电电压a v 4 为： 本章小结 a v 4 厶蟛一厶 t 孚鱼“ 她专：“ ( 2 3 4 ) ( 2 3 5 ) 本章主要分析了l d o 线性稳压器的基础理论，包括基本机构、工作原理、指标参 数、稳定性以及瞬态响应：同时也为下一章的电路设计提供一定的理论指导。 1 9 第三章l d o 线性稳压器的子模块设计 第三章l d o 线性稳压器的子模块设计 本章将详细设计和分析l d o 的各个子模块。由于设计的l d o 是为d d r 提供稳定 酌电源电压，并要求具有2 a 的拉电流和灌电流的能力。因此，该电路除了基准电压源、 误差放大器、反馈网络以及带启动的偏置电路外，还有一些保护电路，包括过热保护和 限流保护。其中，要特别注意的是它的反馈网络和误差放大器。反馈网络不采用电阻分 压反馈结构，而是直接进行反馈，其反馈系数为1 ；误差放大器采用非对称双端输入双 端输出结构，驱动两个n m o s 功率管来满足拉电流和灌电流的功能。具体的电路框桨， 如图3 1 所示。 v o u t 圈3 1 线性稳压器的系统框图 百面将详细分析和设计各个子模块，并给出具体实现的晶体管级电路。 3 1 带隙基准电压源 基准源是l d o 系统中的