（微电子学与固体电子学专业论文）输出可调、低电压的ldo线性稳压器的设计.pdf

j 瘟窒垣盔堂亟堂僮途塞 史塞埴墨 中文摘要 摘要：电源管理电路具有高集成度、高性价比、最简外围电路、最佳性能指 标、能构成高效率电源等优点，具有广阔的市场前景。本文所设计的电路主要用 于低电压的多媒体数字信号编解码器芯片的设计。一般应用包括p d a 、m p 3 播放 器、数码相机、无线电话与数据网络、仪器等。目前，电源管理集成电路市场大 部分被国外产品占据，研究开发国内的电源管理电路产品具有特别重要的意义。 本文设计了一种l d o ( 低压降) 线性降压变换器，它有较宽的输入电压范围 ( 1 6 v 3 6 v ) ，可输出7 种可调电压( 2 0 v 、1 9 v 、1 8 v 、1 7 v 、1 6 v 、1 5 v 、1 4 v ) ， 在典型负载电流( 5 0 m a ) 情况下，压降仅为1 0 0 m y 。该电路主要用作后级电路( 如 c p u 、d s p 等) 的电源电压。另外设计了过热保护电路以保证电路安全工作。 基于以上技术优势，该单片电源管理i c 具有优越的高效率、低功耗的特点，同时 外围电路简单，大大的降低了成本，同时系统对负载的调整能力很强，芯片能够 在各种工作条件下稳定工作。 l d o 线性稳压器的芯片设计采用s m i c 公司的0 1 8 # m c m o s 工艺，利用 c a d e n c e 、h s p i c e 等e d a 软件，对芯片电路在不同模型、电压、温度等条件下进 行了前仿真和后仿真验证，增强了设计可靠性和投片成功率。仿真数据表明设计 的芯片性能良好，能实现各种预定功能，满足预设的指标要求。 关键词：l d o 线性稳压器；低电压：输出可调；频率补偿 分类号；t n 4 3 2 a b s t r a c t a b s t l t a c t ：t h ep o w e r m a n a g e m e n ti c ( i n t e g r a t e dc i r c u i t ) h a sm a n ya d v a n t a g e s ， s u c ha sh i 曲i n t e g r i t y , h i 曲p e r f o r m a n c e p r i c er a t i o ，t h es i m p l e s tp e r i p h e r a lc i r c u i t ，t h e b e s tc a p a b i l i t y , a n dh i 曲一e f i c i e n c yp o w e rs u p p l ye t e i th a st h ev a s tm a r k e tf o r e g r o u n d t h ec i r c u i td e s i g n e di nt h i s p a p e ri sf o ral o wp o w e rc o d e cs y s t e m t h eg e n e r a l a p p l i c a t i o n si n c l u d et h ep d a ，m p 3 ，d c ，r a d i o t e l e p h o n ya n dt h en e t w o r ko fd a t a b a s e ， i n s t r u m e n te t c c u r r e n t l ym a n yf b r e i 印c o m p a n i e ss t i l lo c c u p ym o s tm a r k e to fp o w e r m a n a g e m e n ti c i ti si m p o r t a n tt os t u d ya n dd e v e l o pd o m e s t i cp o w e rm a n a g e m e n ti c p r o d u c t t h eo b j e c to ft h i sp a p e ri st od e s i g nal o wd r o p o u tv o l t a g e ( l d o ) h n e a rb u c k r e g u l a t o r i th a st h ew i d ei n p u tv o l t a g er a n g e ( 1 6 v ，v 3 6 v ) a n ds e v e nd i f f e r e n to u t p u t v o l t a g e s ( 2 0 v , 1 9 v , 1 8 v , 1 7 v1 6 v , 1 5 v , 1 4 v ) w h e nt h el o a dc u r r e n ti s5 0m a ，t h e d r o p o u tv o l t a g ei so n l y1 0 0m v t h i sc i r c u i ti sp r i m a r i l yu s e d 雒p o w e rs u p p l yo ft h e c i r c u i ts u c ha sc p u ，d s pe t c i na d d i t i o n , t h eo v e r h e a t i n gp r o t e c t i o nc i r c u i ti sa l s o d e s i g n e d ，w h i c hg u a r a n t e e st h ee l e c t r i cc i r c u i tw o r k i n gi ns a f eo p e r a t i o na r e a ( s o a ) b a s e do na b o v et e c h n i c a la d v a n t a g e s ，t h em o n o l i t h i cp o w e rs u p p l ym a n a g e m e n ti cc h i p p o s s e se x c e l l e n tc h a r a c t e r i s t i c so f h i g he f f i c i e n c ya n dl o wp o w e rw i t l ls i m p l ep e r i p h e r a l c i r c u i t ，t h ec o s ti sr e d u c e dd r a m a t i c a l l y , t h es y s t e mi sp o w e r f u lf o rl o a da d j u s t m e n t ，t h e c h i pc a no p e r a t e ss t a b l yu n d e r v a r i o u sc o n d i t i o n s t h el o wd r o p o u tr e g u l a t o ri sd e s i g n e di ns m i co 18 u r nc m o sp r o c e s sa n di s s i m u l a t e du s i n gt h ee d as o t t w a r e s ，s u c ha sc a d e n c ea n dh s p i c e t h ep r e s i m u l a t i o n a n dp o s t s i m u l a t i o nv e r i f i c a t i o na r ep e r f o r m e df o rt h ec h i pc i r c u i tu n d e rd i f f e r e n t m o d e l s ，v o l t a g e s ，t e m p e r a t u r e s ，t h i se n h a n c e st h ed e s i g nr e l i a b i l i t ya n df a bs u c c e s s t h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ep e r f o r m a n c ea n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h ec h i pa r e e x c e l l e n ta n di tc a l lp e r f o r md i v e r s ep r e s p e c i f i cf u n c t i o n sa n dm e e tt h es p e c i f i c a t i o n s k e y w o r d s ：l o wd r o p o u tl i n e a rr e g u l a t o r ；l o wv o l t a g e ；a d j u s t a b l eo u t p u t ； f r e q u e n c yc o m p e n s a t i o n c l a s s n 0 ：t n 4 3 2 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、一使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学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， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：商耋导师签名：加 签字日期：如四年i 胡z 毕日 、 签字吼叩蝴矸日 j e 夏窑重叁堂堡堂焦迨毫独创世童明 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和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人己经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学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己在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：角墓签字日期：) 1 年j 月 致谢 本文是在导师刘章发教授悉心指导和鼓励下完成的。论文的选题、具体工作 和撰写过程都凝聚着导师的心血和汗水。刘老师敏锐的洞察力、渊博的知识、严 谨的治学态度和一丝不苟的工作作风给我留下了深刻的印象，使我受益匪浅。在 攻读硕士学位期间，刘老师尽可能地为我创造了一个良好的科研和学习环境，并 且在生活上给予了极大的关心和帮助。在此谨向导师刘章发教授表示衷心的感谢 和崇高的敬意。 在实验室工作及撰写论文期间，姜明方、尉理哲、王启娟、杜春山、路宁、 幸小雷等同学对我论文中l d o 线性稳压器的研究工作给予了热情帮助，在此向他 们表达我的感激之情。 另外也感谢我的爸爸和妈妈，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我 的学业。 最后，感谢北京交通大学多年的培养。感谢曾经教育和帮助我的所有老师。 衷心感谢百忙之中抽出时间参加论文评阅和评议的各位专家学者，感谢他们为审 阅本文所付出的辛勤劳动 j e塞窑逼盔堂亟堂焦i 金塞i i宣 1 1 电源管理芯片概述 1 引言 1 1 1 电源管理芯片的市场前景 所有电气或电子设备都需要电源来维持正常工作，这为电源管理提供了足够 的市场空间。近年来，许多领域例如邮电通讯、军事装备、交通设备、仪器设备、 工业设备、家用设备等方面越来越多地应用开关电源，并取得显著效益。2 0 0 4 年 全球p c 、手机及数字消费电子等产品供需两旺，成为拉动半导体市场增长的主要 动力，全球半导体市场全面复苏。电源管理始终是模拟i c 市场最亮的看点，占到 整个模拟i c 市场3 1 2 的份额。据市场研究机构i s u p p l i 预测，2 0 0 8 年全球电源 管理芯片销售额将上升至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 ， 功率模拟器件将持续强劲地增长，p c 、手机、数码相机、m p 3 以及数字电视成为 最主要的增长市场。 中国的电源技术和产品，经过十几年的发展，已有很大进步。同国外的产品 相比虽然还有一定差距，由于价格上的优势，在东南亚、非洲以及发展中的国家 有相当的竞争能力。加入w t o 之后，不仅国内市场国际化，国内产品也要国际化， 国内生产企业不仅要重视国内市场的开发，也要重视国际市场的开发。 从应用领域看，电源管理芯片市场的焦点集中在便携式产品、消费类电子、 计算机、通讯和网络设备应用领域，同时工业设备和汽车电子对电源管理芯片的 需求也呈上升趋势，这些需求让电源管理芯片市场倍添活力。由于人们在生活和 工作中的移动性越来越强，对手机、数码相机、笔记本电脑、m p 3 播放器等便携 式产品的需求将越来越大，这些产品构成了电源管理芯片巨大的需求市场。另外， 由于便携式产品中彩屏、音视频、g p s 等功能的日益多样化，对电源管理芯片的 要求也日益提高，如便携式产品的板级空间十分有限，这就要求电源管理芯片厂 商把更多的功能集成在更小的封装内i t 。 1 1 2 电源管理芯片的发展趋势 当前电源管理芯片主要呈现以下三大发展趋势： 第一，尽可能提高电池功率转换效率电源管理i c 供应商目前主要利用先进 的半导体工艺。如美国国家半导体( n s ) 采用其“低电压低功耗c m o s 工艺”来减 小静态电流，提高转换效率。 第二，最大限度地提高负载器件的功率利用效率。传统上，电源管理i c 供应 商一直将关注重点放在管理功率的传递上，即如何为不同的负载器件分配不同的 功率。但现在发现负载器件的功率消耗也是一个充满潜力的研究课题，如负载器 件在不同工作负荷下不必一律让其处于全速运行状态，或负载器件在待机和工作 状态下不必供应同样的功率，只要管理得好，这也可成为延长电池工作寿命的一 大重要因素。美国国家半导体公司的自适应电压调整( a v s ) 技术和t i 的动态电压 与频率调整( d v f s ) 技术就是为了满足这一功率管理挑战而提出的解决办法。 第三，减小器件的体积，进一步提高集成度，并采用更先进的封装技术，如 c s p 、l l p 和m i c r os m d 等等。如今封装技术的发展重点有三方面：封装越来越 小，现在的封装芯片几乎可以接近裸片的大小：封装的厚度不断减小；i o 密度不断 提高。 电源管理的一个重要方面是对电压进行调节和稳定，低压差、低静态电流的 线性稳压器设计已成为便携式设备电源管理的发展方向。 1 2l d o 线性稳压器概述 集成稳压器( 电压稳压器) 是最常用的电源管理芯片。由于它使用方便、体 积小、性能良好、可靠性高，到目前为止已发展到几百个品种。下面首先就市场 上出现的几种常用稳压器进行分析比较，然后着重分析l d o 线性稳压器。 根据工作原理的不同可将电源管理i c 分成三类：线性稳压电源、开关稳压电 源及电荷泵电源。在过去的几年里，电源管理市场上高效率的稳压器倍受欢迎， 尽管开关稳压器效率较高，但是其系统复杂、成本高，而且输出电压开关噪声大， 由此带来了许多问题，正因为如此，许多电子系统的电源供电仍选择由线性稳压 器来提供。线性稳压器以其低噪声、低成本等优势，始终在电源管理市场上占有 重要的一席。为了改善线性稳压器效率的不足，新型超低漏失稳压器( l d o ) 减小了 输入输出压降，提高了工作效率，是目前线性稳压器中的最好选择。 1 2 1l d o 线性稳压器与开关式稳压器比较 低压降( l d o ) 线性稳压器的主要特点是：成本低，噪声低，静态电流小，这些 是它的突出优点。它需要的外接元件也很少，通常只需要一两个旁路电容。如果 输入电压和输出电压很接近，最好是选用l d o 稳压器，可达到很高的效率。所以， 韭塞銮亟塞堂亟堂焦j 盆塞j l直 在把锂离子电池电压转换为3 v 输出电压的应用中大多选用l d o 稳压器。虽说电 池的能量最后有百分之十没有使用，l d o 稳压器仍然能够保证电池的工作时间较 长，同时噪声较低。 对于d c d c 降压转换器，几乎所有的降压型d c _ d c 转换器的效率都高于l d o 稳压器，当输入电压高出输出电压很多时更是如此，这种电路的占空比能够达到 百分之百，可是电压差很高。通常，使用p f m 的d c d c 降压转换器输出脉动和 噪声较大，而静态工作电流较小：用p w m 的d c d c 降压转换器的输出脉动和噪 声都较小，但静态工作电流较大。在输入电压远远高于输出电压的应用中，为达 到高效率、低噪声的指标要求，有些降压型d c d c 控制器里面还有l d o 稳压器。 l d o 线性稳压器，比传统的线性稳压器有更高的电源转换效率，而比开关式 稳压器有更简单的结构、更低的成本和更低的噪声特性，因此它在便携式电子产 品中越来越受欢迎。l d o 线性稳压器和开关式稳压器作为当今便携式电子产品中 最常用的两类电源管理电路，它们的特点比较如表1 1 所示。 表1 1l d o 线性稳压器与开关型稳压器性能比较 t a b l e i 1c o m p a r a t i o n o f l o w d r o p o u t l i n e a r r e g u l a t o r a n ds w i t c h i n gr e g u l a t o r 线性稳压器开关型稳压器 功能只能降压，输入电压必须高于输出 升压、降压、反相 电压 效率低中等，实际电池寿命取决于负高，除非在很轻的负载下 载电流和整个工作周期内的电池 ( t a m p s ) ，此时开关电源的静态 电压，如果v m - v o u t 相差很小时，电流相对较大 效率较高 消耗热量如果平均负载电流输入输出压差低，功率低于1 0 w 时元器件不发 较大时消耗执量较高 热 复杂度低，通常仅需要调整管和小的旁路中等高，除i c 外通常还需要电 电容感、二极管、滤波电容，大功率 电路中需外接场效应管 尺寸小中等，需要散热时体积较大低功耗应用中尺寸大于线性稳 压器，大功率应用中不需散热 器，尺寸比线性稳压器小 总体成本低中等高，主要取决于外部元件 波纹噪声 低，没有纹波、低噪声，电源噪声中等高，纹波与开关频率有关 抑制 j e塞銮壅盔堂亟堂焦途塞i 宣 从表中可看出，l d o 线性稳压器和开关式稳压器各有优缺点，在应用时需权 衡考虑各种特点。如果所设计的电路对电源有以下要求： 1 ) 低噪声和高纹波抑制比( p s r r ) ； 2 ) 要求稳压器压降特别低，自身功耗极低； 3 ) 系统中不允许使用电感，外部元件很简单，如手机； 4 ) 电源需要具有瞬时校准和输出状态自检功能； 5 ) 占用p c b 板的面积小，成本低和方案简单等： l d o 线性稳压器应该是最恰当的选择，能同时满足产品设计的各种要求。 1 2 2l d 0 线性稳压器简介 l d o ( l o wd r o p o u o 线性稳压器，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 ) ，它由具有极低导通电阻n 1 的 m o s f e t 调整元件( 作为电流主通道) 、反馈电阻、过流保护、过热保护、精密 基准源、差分放大器等电路在一个芯片上集成而成。在所有电源i c 中，用在蜂窝 电话和其他便携设备中的线性稳压器i c 的销售额最大，而l d oi c 又是线性稳压 器中增长最多和最快的产品 l d o 线性稳压器之所以这么受欢迎，主要是它在调整元件上的压降非常低， 比传统的线性稳压器有更高的电源转换效率，自从9 0 年代出现l d o 线性稳压器 以来，已从最初的输入输出压差0 2 v 降至目前的1 0 0 m v 左右，某些小电流的低 压差线性稳压器其压差仅几十毫伏，这样调整管的损耗小，提高了输入电源的转 换效率，延长了电池的寿命。而且，线性稳压器相比开关型稳压器而言外围元件 最少、输出噪声最小、静态电流最小、价格也便宜。 在便携式电子设备中，电源效率越高意味着电池使用时间越长。 线性稳压器效率= 丽页两差要是篱螽琶告x 1 0 0 c - ， 线性稳压器输入输出压差越低、静态电流( 输入电流和输出电流之差) 越低， 线性稳压器的工作效率就越高。在实际应用中，分析效率时还必须清楚：电池不 是理想电源，它具有输出电阻，供电时，它的电压是逐渐下降的。电池的这种特 性是非常有利于l d o 线性稳压器工作效率的。l d o 线性稳压器工作效率是随着电 池电压的下降而逐渐升高的。另外，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 此设备处于“待机”时静态电流将决定电池的应用周期。 目前市场上主要有双极型和c m o s 型两种l d o 线性型稳压器。双极器件开发 4 早、工艺相对成熟、稳定，用双极工艺可以制造出速度高、驱动能力强、模拟精 度高的器件，适用于高精度的模拟集成电路，但其功耗大，集成度低，无法满足 集成规模越来越大的系统集成的要求，而且为了防止它的调整管进入饱和状态而 降低输出能力，输入输出之间必须维持一定的压降，无法提高转换效率；c m o s 器件有极低的静态功耗，高集成度，抗干扰能力强，宽的电源电压范围以及较宽 的输出电压幅度且无闭值损失，而且c m o s 型线性稳压器调整元件是电压驱动的， 不需要电流，大大降低了器件本身消耗的电流，输入输出间的压降特别低。与其 它半导体工艺相比，c m o s 工艺的发展已经十分成熟，占据了集成电路市场的绝 大部分的份额，并且随着其工艺不断向亚微米和深亚微米发展，其产品在速度上 也已经赶上并超过了双极工艺。新一代的l d o 都是用c m o s 工艺生产的，它和使 用b i p o l a r 工艺生产的l d o 功能上没有多大的区别，而静态电流、压降、噪声等 内在性能却有很大的提高，成本更低。 现在国外的许多大公司都在l d o 线性稳压器方面投入很多精力开发系列产 品，如n s 公司的l p 3 9 8 x 系列、m a x i m 公司的m a x 8 8 8 2 8 8 8 3 系列、t o r e x 公司 的x c 6 2 f p 系列、t i 公司的t p s 7 6 x x 系列等等。而我国在该领域的发展相当落后， 主要原因是同数字集成电路相比，模拟集成电路的研制要困难得多，不但对设计 者要求很高，还需要有先进的模拟软件和非常可靠的工艺模型做支持，特别是后 者，目前我国大部分的i c 生产线都不能提供准确详尽的模型m o d e l 参数，对设计 者的前期设计和仿真验证带来很多困难【2 】 1 3 论文的主要工作和章节安排 本论文主要研究m o s 型l d o 线性稳压器芯片的设计与实现，论文基于s m i c 公司的0 1 8 # m c m o s 工艺，利用c a d e n c e 和h s p i c e 等e d a 软件，设计了一款高 精度的低功耗c m o s 型l d o 线性稳压器芯片，该芯片功能比较齐全，最大限度地 提高了负载器件的功率利用效率。 本论文所设计的m o s 型l d o 线性稳压器虽然原理简单，但要在最小的面积 上设计出满足高性能技术指标的稳压器、达到工程实现并不容易，尤其对整个稳 压器进行低漏失、低静态电流、稳定性分析及全模型( 包括典型模型、快模型及 慢模型的各种组合) 仿真验证较难实现。本文详细地研究了l d o 低漏失电压、低 静态电流等性能的实现原理，在这些理论的基础上设计出了性能优良的l d 0 线性 稳压器。文中所设计的l d 0 线性稳压器具有高精度、低漏失、低功耗、稳定性好、 温度系数小、输出电压可选等特点，且输出精度、温度系数等技术指标比某些 d c d c ( 开关稳压器) 的性能还要好，更适合为某些便携式设计提供电源。现在， a e夏銮重盔堂塑主堂焦i 垒塞i i直 低漏失电压技术、多路输出技术、片上系统( s o c ) 集成技术已成为集成电路的发展 趋势。 目前，所设计的l d o 线性稳压器的电路设计、前仿真验证、版图设计及后仿 真验证都己经完成，正在投片，等待投片结果。 论文的章节安排如下，全文共分为六章： 第一章是引言，简要地介绍了电源管理类集成电路的发展及l d o 线性稳压器 的研究现状及发展趋势； 第二章全面而系统地分析了l d o 技术，详尽地分析、研究和计算了c m o s 型l d o 线性稳压器的各个关键电特性： 第三章系统概述了l d o 线性稳压器的功戆特点，提出了低功耗l d o 线性稳 压器的具体设计要求，并对l d o 线性稳压器进行系统级设计： 第四章以第二章的理论为指导，根据第三章的设计要求，对l d o 线性稳压器 各个模块的电路进行了详细的分析、设计和仿真验证； 第五章对设计的l d o 线性稳压器的整体电路的各项特性进行了仿真验证，并 完成了l d o 线性稳压器的版图设计及后仿真验证； 第六章总结该电路的设计工作。 j e 夏至通盔堂亟堂丝迨塞l 坠q 线丝毽压墨曲基奎垄途 2l d o 线性稳压器的基本理论 线性电压变换器电路技术比较成熟，已有大量集成化的电压变换器模块产品， 使得线性稳压电源电路更为简洁，使用更为方便。电压变换器的调整管工作在线 性放大状态，为了保证输出电压有足够的稳定范围，调整管上必须有一定余量的 电压降，这就使得整个线性电压变换器的功耗比较大、工作效率较低。为了减小 线性电压变换器的功耗，提高其工作效率，从而设计了低压降( l d o ) 线性电压变换 器。本章首先分析l d o 线性降压变换器的工作原理，然后介绍与之相关的一些设 计考虑。 2 1 线性电压变换器工作原理 电压变换器是一个恒压源，它能够随着负载电阻的改变而改变自身内阻，从 而输出一个恒定的电压值。 r i n r l o a d 图2 1 恒压源 f i g u r e 2 1c o n s t a n tv o l t a g es o l i r c e 恒压源( 图2 1 ) 的内阻必须远小于外电路负载( r n v r l o a d ) ，这样才能保证 负载电阻在一定范围内变化时，输出电压是一个恒定的值。 电压源的输出电压如下： y o w = y 删墨坚型l( 2 1 ) r n + r , o a d 当电压源空载( r l o d - 田时，最大输出电压等于输入电压( v o u - m a ) ( = v j n ) 。随 着负载降低( 初始值为无穷大) ，输出电压也随之降低。为方便描述，此处引入一 个参数：输出电压误差率e v o 。e v o 被定义为：电压源空载( r l 0 d = 时时的输出电 压( v o u t - m a x ) 与其有负载时的输出电压( v b u t l 0 d ) 的差值的百分率 v o u t - m a x - - v o d t - l o a dx 1 0 0 y d ，一 7 ( 2 2 ) j b 复銮垣盔堂亟堂僮监塞l 坠q 缉世整压墨曲基奎堡i 金 用v i n 代替v o u t - m a x ，式( 2 1 ) 替换v o u t - l o a d ，则电压误差率可用电阻r t n ， r l o a d 的比值来表示： e r o = 丛一1 0 0 ( 2 3 ) r 删+ 尺l o d 从式( 2 3 ) 可以看出：输出电压误差率e v 0 随着负载电阻限l 0 。d ) 的降低而升高。 为使电压误差率最小化，需要一个能够感应负载变化的电路，并通过反馈调整可 变内阻，使其与负载的比值为一常量：r n v r l o a o = k 。 则r 小与r l o a d 成一线性关系：r 刑- kr i o a d 。电路图如下： j r 脚 图2 2 i h 与r l o a d 的线性关系 f i g u r e 2 2 t h e l i n er e l a t i o n s h i p o f r r n a n d r l o a d 能够完成这样一个功能的电路基本上是一个线性电压变换器 2 2l d o 的组成结构及工作原理 一般的线性稳压器可分为以下四个基本的电路模块，如图2 3 所示。 + 矿 图2 3 简单的线性稳压器 f i g u r e 2 3f t m l i o n a lb l o c kd i a g r a mo f al o wd r o p o u tl i n e a rr e g u l a t o r + v o ( 1 ) 基准电压源 基准电压源是所有线性电压变换器的工作起点。基准源经常采用带隙结构， 因为这种基准源能够工作在低的电源电压下，并且有较高的精确度和热稳定性。 典型的带隙基准源电源灵敏度为0 5 一1 ，温度系数为2 5 5 0 p p l l l ，。 ( 2 ) 误差放大器 其功能主要是用来控制输出电压。其中v p - 、，o r j ( r l + ) 。让v p 与基准电压 v w v 进行比较，然后控制调整管的栅电压，从而可以控制输出电压v o 到需要的值。 由于此电路存在负反馈，因此误差放大器的输入差分信号( w v p v r e f ) 几乎为零。 设v r e f = v p 则有： vd=(1+坐)矿s口(24) r 2 只有在v i 足够高，可以维持误差放大器和调整管工作在饱和区时，( 2 4 ) 式才 成立。 ( 3 ) 反馈网络 它的作用是可以设定一个稳定的输出v o ，并通过电阻分压后与v r e f 进行比 较。因为v r 卧为定值，所以改变v o 的值只能通过调节r 2 瓜- 来实现。 ( 4 ) 调整管 它的主要作用是为输入j ) 向负载输出大电流提供通道。由于其容抗很大，所 以要求误差放大器要有很强的驱动能力。可看出调整管的设计是一个关键，要求 调整管的耐压高，能输出足够大的电流，功耗尽量小，电流增益大等。线性稳压 器的调整管可以选用n p n 达林顿管、n p n 、p n p 、p m o s 管和n i v i o s 管，从c m o s 工艺兼容和l d o 性能的角度考虑，通常选用p m o s 管。 下面介绍l d o 的工作原理。 由上述l d o 的基本结构可以知道，l d o 是通过工作在线性状态的调整管调整 其电流或电压，从而使负载上直流电压保持基本不变，这种调整是靠负反馈来实 现的。调整管与负载串联，则为串联型线性电压变换器，若是并联，则为并联型 线性电压变换器。本设计采用串联型线性电压变换器。除了调整元件外的控制电 路主要是控制调整管的电流大小及两端电压大小以实现其稳压的目的。 线性稳压器输出分为三个区：截止区、降压区、稳压区，如图2 4 所示。 9 35 3 罄：s 电 甓2 3 j 。5 0 00 5ii522 533 5 输入电压v ，( v ) 图2 4 线性稳压器输出 f i g u r e 2 4i n p u t o u t p u tv o l t a g ec h a r a c t e r i s t i c so f al i n e a rr e g u l a t o r 在降压区和稳压区的交界处，若调整元件为n p n 管结构，则n p n 管处于临 界饱和状态；若调整管为p m o s 管，则p m o s 管处于线性区，这一点非常重要。 p m o s 管的i v 曲线如下图所示。 i o v 3 只o v 2v l v d s 2 v t v o 图2 5 p m o s 管i v 曲线 f i g m e 2 5p m o si - vc i l i v e 1 0 j e 峦銮道叁堂亟堂僮迨塞圣旦q 缝丝氇匡矍的基奎堡盈 p m o s 调整管处于饱和状态( p i 点) 时，v o 满足预定的输出电压v o ( 。) 要求， 当负载变化时，稳压器内部环路控制调整管，使输出保持稳定。当输入电压v r 减 小时，工作点从p l 移到p 2 点( 朝漏失区方向，亦即调整管线性区) 。当v i 逐渐接 近v o ，负载电流不变的情况下，某一点时稳压器的环路将会失去控制，不能够再 维持稳定的输出，这时的输入输出压差就是所谓的漏失电压v d o 。此时调整管处 于线性区。在线性区，调整管像一个等效的串联电阻r 硝，因此漏失电压可用式( 2 5 ) 示。 y d d = h ) r o t e ( 2 5 ) 很明显，v o o 值越小，调整管的功耗就越低，因此这个值越小越好。前面已经 得出结论：在各种类型的调整管中，p m o s 调整管的漏失电压最小。在漏失区， 调整管的v o s 不再是控制环路的函数，而是输入电压的函数，当v i 进一步减小时， v o s 会随着输入电压成比例地减小，工作点也从p 2 移到p 3 ，最终调整管达到关断 状态。 35 3 誓：s 电 压2 如 5 15 l 。5 。 00 5ll522 5 3 ，j 输入电压y ，( v ) 图2 6p m o s 调整管工作状态与稳压器输出区域对应关系 f i g u r e 2 6t h er e l a t i o n s h i po f p m o sp a s se l e m e n td e v i c eo p e r a t i n ga r e aa n dr e g u l a t o ro u t p u t r e g i o n p m o s 调整管三种状态对应于稳压器输出的三个区如图2 6 所示，漏失电压即 为图中标出的v d o 。 显然，虽然p m o s 调整管处于线性区，但是稳压器仍可稳压输出，当v r r l o a d ，所以r e q 4 r l 0 d 。 将矿。：堡一y d 代入上式，并且通常情况下芦臣v s 1 ，可以简化得到如下 r i + r 2 式子： 肛丽( r i + r 2 ) 即掣“ ( 2 1 1 ) 将式子中的常数项鱼n 去掉，就可以得到线性稳压度的公式： 一a v o ： 上一】( 里立马 (212)a v ，。( r o s + r w o ) f l g 。“r 2 、。 显然增大卢和舀，u - - f 提高线性调整能力。 2 3 5 负载调整能力v 灶1 0 负载调整能力是指当负载发生变化时，输出电压保持恒定的能力，定义为 a v o a l o 。 如图2 8 所示，a v o = a i o r e q ，同样的由于限j + r 2 ) r t o a d 所以r e q 2 r t o d 。 1 0 是由于放大器输入端电压变化通过放大器和调整管放大，使得输出电流的变 化，所以1 0 的表达式如下： ”o - 肛g o x 邓w 。彘x a g 。( 2 1 3 ) 改变式( 2 1 3 ) 的形式，就得到负载稳压度的公式： 警：士( 譬刍 ( 2 1 4 ) i o p g 。1 r 2 、。 其中卢为功率管的电流增益；岛为误差放大器在工作点时的跨导。显然提高 负载调整能力的关键是增大p 和，同时这也可以提高输入电压发生变化时系统 保持输出电压稳定的能力，即线性调整能力。 2 3 6 负载瞬态响应 1 4 j b 基窑垣盔堂亟堂焦监塞坠立q 线世整压墨的基奎垄硷 l d o 线性稳压器通常会给低压数字电路供电，数字电路经常会存在各种工作 模式之间的开关转换，即稳压器的负载会阶跃变化，这就要求l d o 线性稳压器能 够跟随负载快速响应。负载的快速变化会使稳压器输出产生一个瞬态脉冲，这对 大部分数字电路来说是较难接受的，因此降低l d o 线性稳压器的负载瞬态响应脉 冲是非常重要的和关键的。瞬态响应是稳压器的动态特性，指负载电流阶跃变化 引起输出电压的瞬态脉冲现象和输出电压恢复稳定的时间，与输出电容c o u t 和输 出电容的等效串联电阻r e s r ，以及旁路电容c ! b 有关，大瞬态电压脉冲值a v t r ( m h x ) ： a v m m ) = 吾坐：等a t i + 矿m = j 旦垡等j + 1 0 ( m ) r ( 2 1 5 ) l d wl bl 删ol b 其中，h m a x 】是指发生阶跃变化的最大负载电流；a t i 是稳压器闭环的响应时 间，与稳压器闭环带宽( 0 d b 频率点) 有关。可以得出结论：在l d o 线性稳压器 中，主要由系统的闭环带宽、输出电容、等效串联电阻和负载电流这几个因素决 定了负载电流阶跃引起输出电压变化的幅度和响应时间。负载瞬态响应一般对系 统的环路精度影响3 - 4 ，因此要求a v t 9 4 m a x ) 必须很小，恢复稳定的时间越短越 好。这样就希望输出电容越大，e s r 越小，环路带宽越大，那么输出瞬态脉冲就 越小，恢复稳定的时间越短。 因此，设计应用时需考虑降低稳压器的瞬态电压脉冲，即提高稳压器的带宽， 增大输出和旁路电容，降低其等效电阻 2 3 7 频率响应 从负载电流以及外部电容的角度来看，必须考虑稳压器的稳定性。一般的l d o 稳压器控制回路如图2 9 所示，影响系统稳定性的主要因素有：误差放大器、调整 管、反馈电阻网络、输出电容及其等效串联电g f l ( e s r ) 、旁路电容等。频率响应是 评价所设计的l d o 系统是否稳定的一个重要指标。要分析频率响应，首先应建立 系统的a c 小信号模型。 j e 夏至垣态堂亟堂僮论塞l 望q 缉丝蕴压鳖盟基奎堡迨 f i g u r e 2 9s m a l ls i g n a lm o d e lo f l d o 根据图2 9 得到系统的输出阻抗z 0 ： z o 一舶，卜剖壶 = 墨! ! ! ! 兰墨苎兰! 2 1 s z r l 2 p r e s r c d c 6 + 研( 月1 2 ，+ r 跚) c d + 胄1 2 ，c b + l 这里，r 1 2 ，= r 脚i i ( 蜀十r 2 ) r 脚。 在通常情况下，输出电容c 0 远大于旁路电容c b ，因此，式( 2 1 6 ) 可近似为： z 。z f 而了忑r n s 瓦( 1 + s 而r 5 孤s r c o 雨) 厩丽 ( 2 1 7 ) 一。 口+ s ( 月n ，+ r e 强) c 0 1 【l + s ( r 珊| 月e 讣) c 6 】 、7 式( 2 1 7 ) 为l d o 的开环传输函数的一部分，由此可得到系统的极点( p o l e ) 和零 点( z e r o ) - p d z 上a j 丝 ( 2 1 8 ) 。2 1 r r o s c d2 x v j c o 、。7 n 2 志 g 。1 9 ) n 4 疵 伫2 0 ) 1 6 j e 立窑重丕堂亟堂僮监窑lqq 缮毽整匿墨艘垂奎堡诠 z e s n 2 志 g 2 1 ) 其中，r d s 圳a i t o a d ，v = l x ，入为p m o s 管的沟道调制因子。主极点p o 由 输出电容c o 和负载电阻r l o a d 的并联构成；极点p a 由r p a l 和c p a r 并联构成，它 处于l d o 系统的内部；极点p b 由旁路电容c b 和c o 的等效寄生电阻r 酷r 并联构 成；零点z e s r 由e s r 电阻和c o 串联构成。 2 3 8 输出精度 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计算结果，设稳压器输出精 度为a c c ，稳压器保持正常工作时的最大负载范围和最大输入电压范围内输出电压 变化量分别为a v ma v s v ，工作温度变化引起的输出变化为a v o ，t e ，基准漂移引 起的输出变化为a v o 。r e f , 误差放大器失调引起的输出变化为a v o ，a ，反馈电阻阻 值漂移引起的输出变化为a v o ，s 。这样，稳压器输出电压精度为 4 。：垃丝挫匕止些；生丝垒竺兰兰堕x 1 0 0 ( 2 2 2 ) 一 y o 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 容差决定。 2 3 9 调整管的尺寸 p m o s 调整管的尺寸是由最大的负载电流和最小的漏失电压决定的。大尺寸 的调整管会增大整个芯片的面积以及版图的复杂性。调整管会消耗近一半的l d o 的芯片面积，并且它是应用m o s 管工作在饱和区的漏电流公式求得的。当调整管 的尺寸增大时，它相应的门电容c p a r 会增加，这会降低误差放大器的摆率，同时 使相应的寄生极点降低，会减小相位裕度，从而引起稳定的问题。然而对p m o s 管的进一步研究，可以发现：调整管工作在线性区，在相同的漏失电压条件下有 更