文獻標識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.190920
中文引用格式: 霍德萱,張國俊. 一種高穩定性的無片外電容的LDO的設計[J].電子技術應用,2020,46(1):44-47.
英文引用格式: Huo Dexuan,Zhang Guojun. Design of a high stability LDO without off-chip capacitor[J]. Application of Electronic Technique,2020,46(1):44-47.
0 引言
如今,隨著集成電路產業的迅速發展,芯片集成度也越來越高,同時為其供電的電源管理芯片的設計也愈發復雜[1]。目前主流上有許多電源管理方案,而對于應用在降壓場合,且輸入電壓與輸出電壓較為接近時,LDO穩壓器則成為了首要選擇[2-3]。本文基于0.18 μm BCD工藝,設計一種應用在便攜式電子產品中為其供電的高性能的LDO方案,該LDO的負載電容集成在芯片內部,無需片外電容,可以在外部封裝中減少一個管腳[2];同時可以集成在SoC系統中,無需外接分立元件[3-4]。
1 LDO設計原理
本文研究的LDO設計原理如圖1所示,主要包括帶隙電壓基準電路、電壓比較電路、補償電路、功率管以及調整電阻[1]。
如圖1所示,帶隙基準電壓模塊產生一個與溫度無關的穩定的電壓Vref輸出給電壓比較器正端,而電壓比較器負端接在調整電阻網絡形成負反饋。其電壓比較器的輸出電壓接在開關管M1的柵極,其目的是通過用帶隙基準電壓Vref和反饋電壓Vfb來控制M1管的開啟和關斷,進而控制整個電路的開啟和關斷[4]。
同時,當M1管開啟時,調整電阻網絡將輸入電壓VIN進行分壓得到反饋電壓Vfb,并將其輸入到電壓比較器的負端。故電壓比較器的正端是帶隙基準電壓Vref,負端是調整電阻網絡反饋電壓Vfb,當Vfb電壓值接近或遠大于Vref時,電壓比較器的輸出為低電平。此時,M1管的柵極電壓為低電平,遠小于M1管的源端電位VIN,M1導通。當輸入電壓VIN為定值時,且M1管處于飽和區時,其流過調整電阻網絡的電流基本不變,而Vfb的電壓值也基本不變,則輸出電壓VOUT的電壓也基本不變,從而實現將VIN的高電平轉換成VOUT的低電平為內部模塊供電的目的。
而VIN的電壓值為變量時,對于M1管來說,當VIN的值在一定范圍內滿足M1管處于飽和區的電壓條件時,其結果與上述結果相同;若VIN的電壓值迫使M1進入線性區,則隨著VIN的升高,其電流則會增大,VOUT會隨著電流的增大而增大。此時Vfb的值也會增大,通過負反饋網絡將M1柵極電壓降低,使M1進入飽和區,將VOUT、Vfb的電壓值維持不變。
2 具體電路設計
2.1 帶隙基準
帶隙基準主要是用兩個雙極型晶體管的VBE(負溫度系數)以及VBE的差值ΔVBE(正溫度系數)的線性疊加產生零溫度系數的帶隙基準電壓[3]。
2.1.1 負溫度系數(CTAT)
2.1.2 正溫度系數(PTAT)
如果兩個雙極晶體管工作在不相等的電流密度下,那么它們的基級—發射級電壓的差值就與絕對溫度成正比。
該溫度系數為正,與溫度和集電極電流無關,基于上述原理,設計出帶隙基準電路。
2.1.3 帶隙基準電壓電路
如圖2所示,當開關信號Switch1為低電平時,電路啟動。通過調整信號Adjust1~4控制調整MOS管進而控制整條支路的總電阻,當上電位VIN流過由兩個三極管和調整電阻形成的帶隙基準電壓網絡時產生壓降。本文在傳統帶隙基準結構的基礎上額外添加了比較電壓運放,從而整個模塊形成負反饋結構,性能更加優化,穩定性大大提升。在輸出端口添加了RC濾波網絡以達到輸出穩定電壓的目的。
2.2 電壓比較器
電壓比較器是LDO設計的核心部分,也是本文的最重要的創新點。在不使用電容的情況下,使用傳統的運算放大器,其穩定性非常差,相位裕度會在40°以下,甚至為負,以致產生較大的尖峰,其輸出電壓VOUT會在一定范圍內規律震蕩[5]。所以在傳統運算放大器的基礎上,設計了如圖3所示的電壓比較器。
如圖3所示,電路主要分為三個部分:(1)電流偏置電路;(2)差分運放電路;(3)帶Miller電容的輸出電路。
左側的Iref部分外接與M16尺寸相同且其柵漏短接的PMOS管,形成電流鏡而且可以有效降低其二次效應帶來的影響。在外接MOS的漏端接入電流源提供偏置電流Iref,Iref通過M13-M14電流鏡將電流傳遞至M12,再通過M12-M5電流鏡將電流提供到差分運放電路模塊。
中間的差分運放電路中正極為Vref,負極為Vfb,M3-M6、M4-M7將差分信號傳遞至M19的柵極,下面進行定性分析:Vref為定值,當Vfb遠大于Vref接近于上電位VIN時,M1打開、M2截止,Iref電流全部流進M1-M3電路,右側電路關斷。輸出電壓Vop接近于上電位VIN電壓,由圖1結構可知,開關管關斷,LDO不工作;而當Vfb逐漸減小至一定值時,M2管會打開,處于線性工作區,其漏端電壓會隨著Vfb的變化而變化,并將其電壓傳至M19柵端決定M19是否導通,通過M18、M19的狀態決定Vop的電壓;隨著Vfb繼續減小,M1、M2均會處于飽和區,此時電流平均分配給兩條支路,電流及電壓關系基本固定,將差分運放電路的輸出電壓傳至M19柵端。
右側為整個電壓比較器的輸出部分。主要功能是提供穩定的、期望的增益,并獲得低噪聲性能,不僅要穩定而且還要有良好的性能。而這些要求均取決于放大器的零極點位置。而本文為了減少功耗,放棄了增大偏置電流的方式,而選用加入Miller電容來增加新的極點來提高穩定性[5]。將非主極點轉移到足夠高的頻率上,使放大器與單極點系統相似。而為了能夠提供足夠的相位裕度,這個非主極點是GBW的3倍左右,且PM要在60°~70°之間[4-5]。
另外,本文提出的LDO結構應用在SOC系統中。而在整個SOC系統中,模擬信號和數字信號產生的噪聲會相互影響,使其環路穩定性降低[6]。在傳統LDO的研究基礎上,本文在電壓比較運放電路中加入了電源隔離管M11、M17,在正常工作中,電源隔離管關斷。這樣可實現即使在高頻電路中,也能夠將電流偏置電路的上電位和輸入電壓的電源隔離,使其兩端的噪聲互不干擾[7-8]。顯著提高其電源抑制比,減少高頻下的輸出紋波,增大其穩定性。
3 仿真結果及分析
本文仿真采用的華虹0.18 μm的BCD工藝,仿真工具是Spectre。
3.1 帶隙基準仿真分析
基于上述原理,對電路進行瞬態仿真,設置VIN的電壓從0到5 V緩慢上升,上升時間為10 ns。得到帶隙基準電壓模塊輸出Vref為1.261 V。由分析知,整個電路在啟動過程中Vref緩慢上升,通過電路負反饋調節Vref的大小,最終在6 μs處趨于穩定,如圖4和圖5所示,說明電路啟動過程中工作正常。在此基礎上對電路進行DC仿真,置VIN為直流電壓5 V,令溫度在-40 ℃~125 ℃范圍線性變化,并通過仿真數據計算溫漂系數。
3.2 LDO仿真分析
基于上述原理,對LDO整體進行瞬態仿真,設置VIN的電壓從0到6 V緩慢上升,上升時間為10 ns。帶隙基準電壓Vref為1.26 V,且電流偏置為5 μA。仿真結果如圖6、圖7所示,通過分析,整個LDO在啟動過程中VOUT緩慢上升,通過反饋回路來調節Vop的大小,從而控制VOUT的輸出的大小,最終在15 μs處趨于穩定。說明電路啟動過程工作正常。可以將6 V的輸入電壓穩定轉換成1.8 V電壓,穩定工作時靜態電流為82.18 μA。通過電源隔離管以及米勒補償電容的調整和設計,本文設計的LDO結構的輸出電壓非常穩定,輸出紋波為20 mV,誤差范圍在0.1%之間。
隨后,對LDO整體進行穩定性仿真分析,對整個電路從1 Hz到1 GHz進行仿真。仿真結果如圖8所示,通過仿真結果得知,其相位裕度PM=64.280 6°、幅值裕度GM=22.063 7°,通過分析可知,LDO模塊在波特圖中沒有尖峰,說明電路穩定性良好。
4 結論
本文介紹了一種基于BCD 0.18 μm工藝的無片外電容的LDO的設計,以理論分析為基礎對傳統電路結構進行改進。通過兩個雙極型晶體管的VBE(負溫系數)以及VBE的差值ΔVBE(正溫系數)的線性疊加產生零溫度系數的帶隙基準電壓,同時采用負反饋電路和濾波電路提高輸出電壓的溫漂系數。此外,基于傳統結構設計出新型二級運算放大器結構作為電壓比較。通過在運算放大器中加入特定的開關管來對上電位進行隔離,提高了LDO電源抑制比;同時,為解決穩定性不夠的問題,引入米勒電容來增加新的極點。通過米勒電容可以有效代替片外電容,這種結構不需要電容的分立器件,在封裝時可以減少一個引腳。
參考文獻
[1] 丁玲,李長猛.一種多模式高瞬態響應無片外電容LDO的設計[J].中國集成電路,2019,28(4):53-58.
[2] 譚傳武,周玲,劉紅梅,等.LDO調制的電荷泵穩壓電路設計[J].國外電子測量技術,2019,38(2):66-69.
[3] RAZAVI B.Design of analog CMOS integrated circuits[M].陳貴燦,程軍,張睿智,等,譯.西安:西安交通大學出版社,2002.
[4] 周志興,來強濤,郭桂良,等.一種應用于LDO的寬范圍穩壓電路[J].電子技術應用,2019,45(3):28-31.
[5] 牛剛剛,李威,劉文韜,等.基于動態頻率補償的LDO電路設計[J].電子科技,2019,32(2):61-65.
[6] SANSEN W M C.Analog design essentials[M].陳瑩梅,譯.北京:清華大學出版社,2007.
[7] 房緒鵬,趙揚,于志學.新型雙向DC/DC變流器在不停電電源系統中的應用[J].電子技術應用,2018,44(9):141-145.
[8] 初飛,宋奎鑫,趙元闖,等.一種應用于LDO的可編程電流限電路設計[J].電子技術應用,2018,44(4):23-26.
作者信息:
霍德萱,張國俊
(電子科技大學 薄膜與器件國家重點實驗室,四川 成都610054)