LDO设计讨论PPT课件VIP

1 LDO设计讨论邢向龙 上海复旦微电子股份有限公司2008年04月03日 2020 4 13 2 LDO与DC DC 2020 4 13 3 LDO设计参数 稳态参数 静态功耗 Dropout电压 精度 负载调整率 线性调整率 温度特性 效率动态参数 线性瞬态响应 负载瞬态响应 启动时间频率参数 稳定性 PSRR 噪声其他 面积 Trade off 2020 4 13 4 LDO设计参数 LDOApplicationCL uF external Dropout Loadregulation Lineregulation Efficiency 低dropout电压意味着更大的面积 2020 4 13 5 LDO架构 由调整管 电阻反馈网络和控制电路构成的负反馈环路使得当Vi Vo时 根据负载电流的大小改变调整管的导通能力 使Vo在一定负载范围内保持稳定输出可供选择的调整管器件包括PMOS NMOS NPN PNP和Darlington管 PMOS是各方面性能 静态功耗 导电能力 速度 dropout电压和工艺等 折中考虑后最好的选择 也是最常见的调整管器件 2020 4 13 6 LDO架构 Passelement PMOS gmpEA ErroramplifierwithgainofA1Buffer optional gain 1Feedbackloop EA buffer PMOS R1 R2 Protectioncircuits Thermal Overcurrent ReversebatteryprotectionCL uF Resr 0 severalohms 2020 4 13 7 LDO架构 Loopgain Loadregulation Lineregulation Frequencyresponse 2020 4 13 8 设计考虑 LDO的环路稳定性是关键 负载电流变化大 0 几十或者几百mA 为频率补偿带来难度 输出端的极点位置变化很大 rds与输出电流成反比 低dropout电压大负载电流要求芯片的面积增大 使得寄生极点的频率比较低 增加补偿难度低功耗可以增加环路增益 但同时会使LDO瞬态特性变差 在电源电压不变的情况下 低功耗同时也意味着芯片面积增大增加环路增益和调整管尺寸可改善负载调整率和线性调整率 2020 4 13 9 LDO频率补偿 1 使用ESR补偿 原理 使用ESR电阻与Co构成的零点抵消一个次极点影响 频率响应最差情况发生在最大负载时 此时主极点处于较高频率 高频极点有可能落在单位增益带宽之内 使相位裕度变差这种方法的缺点在于电容的ESR受到温度 电压 频率和材料等因素影响 不够稳定 ESR的取值范围根据不同的应用有一定限制 且ESR的引入会对LDO的瞬态特性带来不利影响 2020 4 13 10 LDO频率补偿 LDO的buffer Px和Zx产生原理 增益提高的频率响应 加入buffer增加对调整管的驱动能力第一级运放用cascode提高增益Cff产生一对零极点 保证UGB不变 2020 4 13 11 LDO频率补偿 2 密勒电容补偿 原理 利用Miller电容倍乘原理 将误差放大器的输出补偿为主极点 CL 1 5nF 20uF ESR 0 3 Iout 0 200mA Iq 30uADcgain 60dB UGB tensofkhz 2020 4 13 12 LDO频率补偿 电容倍乘原理 2020 4 13 13 LDO频率补偿 3 零点 极点跟踪补偿 原理 利用可变电阻Zc和补偿电容Cc构成的零点抵消输出端极点 K是常数 Dcgain 72dB PM 86 UGB around1khzIout 0 100mA 2020 4 13 14 LDO频率补偿 4 压控电流源 VCCS 补偿 VCCS引入零点补偿 VCCS的实现 原理 通过VCCS引入一个零点优点 消除了ESR要求 CL 2 2uF ESR 60 UGB 250khz 650khz 2020 4 13 15 LDO频率补偿 5 Adaptivemillercompensation AMC phase leadcompensation AMC Phaseleadcompensation 2020 4 13 16 LDO频率补偿 电路实现 Rm为一随着负载电流变化而变化的电阻 所以Zm是一个可变零点 超前相位补偿在大负载电流时用Zf来增加环路的相位裕度 CL 2 2uFIout 0 3ADcgain 60dB PM 60 PSRR 30dB 20khz 10mA 2020 4 13 17 LDO频率补偿 6 Dampingfactorcontrolcompensation Cout 0 Iout 0 Cout 0 Iout 0 Cout 0 Iout 0 2020 4 13 18 LDO频率补偿 电路实现 CL Free 0 10uFinpaper Cm1 Cm2 CF1 90dB PSRR 30dB 1MhzVref 302 24mV TC LDO 38ppm 2020 4 13 19 LDO频率补偿 7 Pole zeropairscancellationscheme 原理 产生一系列成对零极点 Zi 10 Pi 其对相位的作用互相抵消Case1 CL 0 输出极点频率很高 PM 135 Case2 CL 0 ESR 0 PM 45 Case3 CL 0 ESR 0 PM PM case2 CL 0 47uFIout 0 150mA Iq 90uADcgain 40dBVout 2 5VESR 0 RL min 2020 4 13 20 LDO频率补偿 8 Internalmillercompensation actsonlyatheavyload ErrorAmplifier 原理 通过该结构将两个次极点 P2和P3 推向高频 P1为主极点 miller补偿和零点在大电流负载时起作用 CL 2 2uF vref 0 6vIout 0 100mA Iq 47uALoad reg 0 1mV mA 2020 4 13 21 设计实例 设计指标 最大电流负载300mACL 2 2uF静态电流50uADropout电压120mV输入电压3 3 4 2V输出电压3 3VPSRR 50dB 2020 4 13 22 设计实例 误差放大器 补偿网络 PMOSPASS 电阻反馈 PMOSBuffer 瞬态性能增强电路 2020 4 13 23 设计实例 误差放大器采用单极对称结构的运放 buffer用PMOS源极跟随器实现 增加对PMOS调整管的驱动能力 频率补偿采用miller电容和动态零点 可变MOS电阻 固定电容 相结合的方法 为提高LDO在负载突变时的瞬态响应 增加了瞬态性能增强电路 Equations k 4 A 1 1000 B 1 4 C 1 1000 2020 4 13 24 设计实例 设计步骤 根据输入电压 最大负载电流以及dropout指标计算调整管尺寸根据静态功耗指标为各模块分配功耗设计基准电压设计误差放大器和反馈网络设计频率补偿设计其他辅助电路整体协调仿真 2020 4 13 25 设计实例 误差放大器 单极结构 有利于频率补偿直流增益55dB左右 LDO环路增益主要由该极增益贡献功耗10uA 考虑瞬态性能 slewrate 功耗不能太小对称结构 可利用miller电容倍乘效应 也可采用cascode结构获得更高的直流增益 代价是增加功耗 2020 4 13 26 设计实例 Steady statecharacteristics 静态电流 输出电压 负载电流 Dropout电压 静态电流 由于在瞬态性能增强电路以及过流保护电路中对负载电流按一定比例采样 因此静态电流随着负载电流增大而增大 I load 0 300mAI q 45uA 890uA 2020 4 13 27 设计实例 Steady statecharacteristics 2020 4 13 28 设计实例 LDO环路增益随着负载电流增大略有下降 增益的减小主要来源于输出级 PMOS的跨导与负载电流平方根成正比 而其输出阻抗与输出电流成反比 环路的零极点分布与负载电流相关 大负载电流时 主极点等效在误差放大器的输出 而小电流时主极点位于LDO输出端 Frequencyresponse BodeDiagram 2020 4 13 29 设计实例 Frequencyresponse pole zerotracking a b c 2020 4 13 30 设计实例 Frequencyresponse powersupplyrejection 电源抑制比的低频值与线性调整率相同 随着频率升高 电源抑制比迅速下降 这是因为在高频情况下 从电源到LDO输出路径上的电容耦合效应迅速增强 当Vin 4 2V Iout 10mA时 频率为100Hz时的PSRR为54dB 随着电源电压减小 PSRR减小 这是由于环路增益也随电源电压下降 2020 4 13 31 设计实例 Transientresponse 典型的LDO负载瞬态响应 与环路的相位裕度有关 与闭环带宽及调整管栅极slew rate有关 2020 4 13 32 设计实例 Transientresponse ESReffect 对于负载电流突变的情况 ESR电阻会对输出电压的瞬态变化产生一定影响 在同样的负载电流变化条件下 ESR电阻越大 输出电压的尖峰越大 本例中电压尖峰持续时间 200ns 2020 4 13 33 设计实例 Transientresponse LoadTransient LineTransient undershoot 132mv overshoot 82mv overshoot 130mv undershoot 38mv 2020 4 13 34 设计实例 Transientresponse 瞬态性能增强电路 C par 100pF 作用 增强瞬态响应性能 w ov 79mv wo ov 893mv 改善频率响应特性 w PM 300mA 76 wo PM 300mA 30 5 2020 4 13 35 设计实例 温度特性 TT 20ppm 功率效率 LDO温度特性与基准电压温度特性和反馈网络温度特性密切相关 LDO功率效率与输入电压和负载电流相关 输入电压越低 负载电流越大 效率越高 Othercharacteristics 2020 4 13 36 参考文献 Ricon mora currentefficientlowvoltagelowdropoutregulator KaChunKwok Pole zerotrackingfrequencycompensationforlowdropoutregulator 2002IEEE Ricon mora activecapacitormultiplierinmiller compensatedcircuits IEEEtransactionsonsolidstatecircuits Vol 35 No 1 January2000 WeiChen etal Dual loopfeedbackforfastlowdropoutregulators 2001IEEE TexasInstruments Technicalreviewoflowdropoutvoltageregulatoroperationandperformance August1999 ChaitanyaK Chava AfrequencycompensationschemeforLDOvoltageregulators IEEETrans Oncircuitsandsystems 1 regularpapers VOL 51 No 6 June 2004 2020 4 13 37 参考文献 Thanks LaiXinQuan etal A3 ACMOSlow dropoutregulatorwithadaptivemillercompensation AnalogIntegr Circ Sig Process 2006 49 5 10 Hsuan IPan etal ACMOSlowdropoutregulato