一種適用于高壓電源管理的無輸出電容自基準(zhǔn)低壓差線性穩(wěn)壓器*

唐 宇，馮全源

(西南交通大學(xué)微電子研究所，成都610031)

一種適用于高壓電源管理的無輸出電容自基準(zhǔn)低壓差線性穩(wěn)壓器*

唐 宇，馮全源*

(西南交通大學(xué)微電子研究所，成都610031)

設(shè)計(jì)了一種用于高壓電源管理(Power Management)芯片內(nèi)部供電的無輸出電容、自基準(zhǔn)全集成低壓差線性穩(wěn)壓器，低壓差線性穩(wěn)壓器與電壓基準(zhǔn)形成自供電自偏置環(huán)路，減少了電路的規(guī)模。通過對(duì)LDO—基準(zhǔn)環(huán)路小信號(hào)特性分析，并用Hspice進(jìn)行仿真驗(yàn)證，該環(huán)路具有足夠低的環(huán)路增益，低頻時(shí)能達(dá)到-82 dB，不會(huì)對(duì)供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成影響。

電源管理;自基準(zhǔn)LDO;無輸出電容;自供電自偏置

目前的集成高壓電源管理芯片內(nèi)部控制電路中使用的是低壓器件，因此需要高-低壓轉(zhuǎn)換供電模塊，低壓差(LDO)線性穩(wěn)壓器，因其低噪聲、低功耗、線路簡單易于實(shí)現(xiàn)這些優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于芯片內(nèi)部供電。LDO一般由誤差放大器、傳輸管(使用大尺寸的PMOS，實(shí)現(xiàn)低壓差的關(guān)鍵所在，PMOS工作在飽和區(qū)，使得LDO供電和輸出電壓最小差值為流過PMOS的電流作用在其RDS，ON—導(dǎo)通電阻上的電壓)、參考電壓、以及反饋網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成?；鶞?zhǔn)和LDO形成的傳統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，預(yù)穩(wěn)壓輸出VDD作為基準(zhǔn)的供電電壓，待基準(zhǔn)電壓VREF建立完成，LDO輸出經(jīng)過分壓電阻RFB1和RFB2得到反饋電壓VFB，反饋電壓與基準(zhǔn)電壓經(jīng)誤差放大器比較，其輸出控制傳輸管的柵極電壓，此負(fù)反饋機(jī)制能夠保證LDO輸出電壓穩(wěn)定［1-5］。

圖1 LDO和基準(zhǔn)的傳統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

預(yù)穩(wěn)壓電路的簡單實(shí)現(xiàn)方式如圖2所示，齊納二極管的作用在于鉗制NMOS柵極電壓，電阻R0阻值較大，用于限制齊納二極管反向擊穿后的電流。此電路優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡單，容易實(shí)現(xiàn);但因NMOS作為跟隨器，源極輸出電壓至少比柵極電壓低其閾值電壓VTH，故其效率低。預(yù)穩(wěn)壓的實(shí)現(xiàn)方式有很多，作者在這里未一一列舉，它們都存在同樣的缺點(diǎn)，即是內(nèi)部供電正常工作時(shí)，預(yù)穩(wěn)壓電路必然會(huì)有功耗，這與電力電子發(fā)展的低功耗趨勢是背道而馳的。

圖2 預(yù)穩(wěn)壓的簡單電路實(shí)現(xiàn)

為降低芯片成本，既要減少芯片外圍無源器件的數(shù)量，還需精簡內(nèi)部電路模塊。

為解決上述問題:(1)LDO外接電容，增加成本且不利于全集成;(2)預(yù)穩(wěn)壓電路的存在增加供電模塊自身功耗。本文設(shè)計(jì)了一種新穎的自基準(zhǔn)LDO拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖3所示，LDO為基準(zhǔn)供電，基準(zhǔn)為LDO提供參考電壓和電流偏置，基準(zhǔn)和LDO形成自供電、自偏置機(jī)制，基準(zhǔn)無需再單獨(dú)供電。

圖3 LDO和bandgap基準(zhǔn)形成的反饋拓?fù)?/p>

1 自基準(zhǔn)LDO的實(shí)現(xiàn)

自基準(zhǔn)LDO實(shí)際晶體管級(jí)電路如圖4、圖5所示。

圖4 自基準(zhǔn)LDO電路圖

圖5 帶隙基準(zhǔn)電路圖

1.1 電路自啟動(dòng)分析

本文設(shè)計(jì)的自基準(zhǔn)LDO，電路中的啟動(dòng)功能是關(guān)鍵因素之一，LDO和基準(zhǔn)都含有各自的啟動(dòng)電路。LDO率先啟動(dòng)，啟動(dòng)伊始，VIN通過R2和C2對(duì)MN4柵極充電，直至其開啟后將傳輸管MP柵極拉至地電位，LDO輸出電壓開始上升，待輸出電壓VCC經(jīng)RFB1、RFB2和RFB3分壓后能夠使MN5開啟而將MN4關(guān)閉，啟動(dòng)完成。LDO啟動(dòng)結(jié)束后的輸出電壓VCC必須高于基準(zhǔn)的最低工作電壓，才能夠確?；鶞?zhǔn)電壓的正常建立，因此3個(gè)分壓電阻的比例尤為重要。

對(duì)基準(zhǔn)而言，當(dāng)VCC電壓滿足其最低工作電壓時(shí)，R10將MP17和MP18柵極電位拉至地電位，MP17導(dǎo)通，并經(jīng)過R11和C11對(duì)MN11柵極充電至將其開啟，電流鏡主控管MP12開始正常工作;與此同時(shí)，MP18開啟，電流流經(jīng)Q0、Q1，其VBE差值施加在R15兩端形成PTAT(與絕對(duì)溫度成正比)電流，此PTAT電流流經(jīng)R14～R17得到PTAT電壓，并與Q6之VBE疊加，因VBE具有負(fù)溫度系數(shù)，因此調(diào)節(jié)R14～R17的大小就可以得到與溫度系數(shù)無關(guān)的基準(zhǔn)電壓VREF，電流鏡正常工作使得MP17和MP18柵極電位經(jīng)MP11上拉至VCC，基準(zhǔn)啟動(dòng)結(jié)束，此時(shí)MN11并未關(guān)閉，而是與MP12一起作為基準(zhǔn)誤差放大器的第3級(jí)放大之用。

基準(zhǔn)產(chǎn)生的參考電壓VREF和偏置電壓Vbias提供給LDO差分輸入，以保證LDO正常工作并使其輸出穩(wěn)定，這樣LDO和基準(zhǔn)就形成自啟動(dòng)，自偏置，自供電機(jī)制。

1.2 自基準(zhǔn)LDO環(huán)路穩(wěn)定性分析

本文設(shè)計(jì)的自基準(zhǔn)LDO存在3個(gè)反饋環(huán)路，基準(zhǔn)和LDO各自的反饋環(huán)路為負(fù)反饋，二者是相互獨(dú)立的;而LDO為基準(zhǔn)供電VCC，基準(zhǔn)為LDO提供參考電壓VREF和偏置Vbias以使LDO穩(wěn)定地提供VCC，VCC和VREF其中一者偏高，都會(huì)使另一者輸出值增加，此環(huán)路形成正反饋機(jī)制，如果此環(huán)路增益大于0 dB，則會(huì)影響到整個(gè)供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1.2.1 LDO自身環(huán)路穩(wěn)定性

LDO的反饋環(huán)路由誤差放大級(jí)和功率級(jí)構(gòu)成，其開環(huán)增益可用式(1)表示:其中，gm為MOS管的跨導(dǎo)，rO為MOS管溝道長度調(diào)制效應(yīng)產(chǎn)生的等效阻抗(rO=1/λID)，RL為LDO輸出端的等效負(fù)載電阻。

環(huán)路零極點(diǎn)分布:

對(duì)AC小信號(hào)來講，C1可看成是MN3柵極和漏極之間的密勒電容，其等效到MN3柵極的電容被放大，因本文設(shè)計(jì)的LDO無外接電容，故環(huán)路主極點(diǎn)出現(xiàn)在MN3柵極結(jié)點(diǎn)處，且大小可由式(2)大致表示;次極點(diǎn)出現(xiàn)在功率傳輸管MP柵極結(jié)點(diǎn)處，大小可由式(3)給出:

其中CGS，MP和CGB，MP分別為MP的柵-源等效電容和柵極與襯底之間的等效電容。

電路有兩個(gè)主要的零點(diǎn)，其一是由R1和C1串聯(lián)產(chǎn)生，其二是C3和反饋電阻(RFB1+RFB2)‖RFB3產(chǎn)生，可用式(4)和式(5)表示:

1.2.2 LDO與基準(zhǔn)形成的環(huán)路穩(wěn)定性

LDO與基準(zhǔn)形成的正反饋環(huán)路拓?fù)鋱D可由圖3表示。該環(huán)路的開環(huán)小信號(hào)增益可看成VREF經(jīng)LDO到VCC的增益與VCC經(jīng)bandgap到VREF的增益之積;前者即為LDO的閉環(huán)增益Av-close，而后者則是bandgap的電源抑制比PSRRbg。

故LDO與基準(zhǔn)構(gòu)成的反饋環(huán)路開環(huán)增益Av-loop可表示為式(6):

式中，Av-close可由式(7)計(jì)算:

其中Av-open為式(1)中描述的LDO開環(huán)增益，F(xiàn)為LDO的負(fù)反饋系數(shù)，其大小為:

從數(shù)量級(jí)來講，Av-open為三級(jí)放大器的增益，其估計(jì)值在60 dB左右，即Av-open?1，因此式(7)可簡化為Av-close=1/F，因而式(6)可重新表示為:

從式(9)可以很直觀地看出，只要基準(zhǔn)的PSRR性能不太差，即可滿足 Av-loop為一個(gè)小于0 dB的值，當(dāng)VCC或者VREF出現(xiàn)小信號(hào)波動(dòng)，LDO和基準(zhǔn)構(gòu)成的環(huán)路能夠很好地抑制小信號(hào)的放大，從而保證自基準(zhǔn)LDO供電的穩(wěn)健性。

2 仿真結(jié)果與分析

電路基于0.5μm BCD工藝，利用Hspice進(jìn)行仿真。在VIN分別為7 V、10 V、15 V以及20 V時(shí)，LDO自身環(huán)路特性仿真結(jié)果如圖6所示，其低頻增益約70 dB，帶寬2.14 MHz，相位裕度53.9°，能夠保證LDO自身的負(fù)反饋環(huán)路穩(wěn)定。

圖6 本文設(shè)計(jì)的自基準(zhǔn)LDO開環(huán)小信號(hào)特性

圖7所示為bandgap基準(zhǔn)的PSRR指標(biāo)，以及LDO和bandgap構(gòu)成的環(huán)路增益Av-loop，兩者低頻值相差13.3 dB;實(shí)際電路中，RFB1、RFB2、RFB3分別取值3.25 MΩ、1.4 MΩ、1.25 MΩ，因此有20lg Av-close= 20lg(1/F)=13.47 dB，故仿真結(jié)果驗(yàn)證了式(9)的正確性;隨著頻率的升高，二者差值沒有一直保持13.3 dB，是因?yàn)長DO中存在的調(diào)零電容C1和C3會(huì)對(duì)后者的頻率響應(yīng)帶來微弱的影響。LDO和bandgap基準(zhǔn)產(chǎn)生的正反饋環(huán)路增益，低頻值為-82 dB，最壞情況在2.5 MHz高頻處也有-18 dB，足夠低的環(huán)路增益能夠在VREF或者VCC出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，有效地抑制紋波電壓對(duì)整個(gè)供電系統(tǒng)帶來的影響，以確保供電的穩(wěn)健工作。

圖7 Bandgap PSRR及Av-loop仿真波形

圖8所示為本文設(shè)計(jì)的自基準(zhǔn)LDO線性響應(yīng)仿真結(jié)果，VIN以0.2 V/μs速度上升及下降，LDO輸出電壓變化量分別為388.41 mV、423.67 mV，無需外接輸出電容亦能使輸出電壓在輸入階躍變化時(shí)保持穩(wěn)定。

3 結(jié)論

為適應(yīng)電源管理芯片日益低功耗化的發(fā)展趨勢，本文設(shè)計(jì)一種無輸出電容的自基準(zhǔn)LDO，無需為基準(zhǔn)單獨(dú)供電，以LDO和基準(zhǔn)的自啟動(dòng)電路作為基礎(chǔ)，在不影響LDO自身環(huán)路穩(wěn)定性的前提下，基準(zhǔn)與LDO形成自供電、自偏置環(huán)路，該環(huán)路具有較低的環(huán)路增益，確?；鶞?zhǔn)和LDO組成的供電系統(tǒng)在環(huán)路出現(xiàn)小信號(hào)波動(dòng)時(shí)不受其影響。此拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)新穎，既有效地降低芯片內(nèi)部供電系統(tǒng)的功耗，同時(shí)此自基準(zhǔn)LDO無需外接電容就可以保證輸出電壓在輸入電壓階躍變化時(shí)快速恢復(fù)穩(wěn)定。

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A Capacitor-Less Low Dropout Linear Regulator w ith Self-Voltage Reference for High Voltage Power M anagement*

TANG Yu，F(xiàn)ENGQuanyuan*
(Instituteof Microelectronics，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China)

A self-voltage reference fully integrated low dropout linear regulatorwas designed as a internal power supply for the high-voltage powermanagement chips，and without an output capacitor.It achieved the reduction of circuit scale because of the self-powered and self-bias loop，which was constituted by the low dropout linear regulator and the voltage reference.Through analyzing and simulating the small signal characteristic of the loop with Hspice，a low enough loop gain achieved-82 dB at low frequency，which proved the loop has no effect on the stability of the power supply system.

powermanagement;self-voltage reference LDO;output capacitor-less;self-powered and self-bias

10.3969/j.issn.1005-9490.2014.01.007

TN43 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1005-9490(2014)01-0026-04

項(xiàng)目來源:國家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目(60990320，60990323);國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)重大項(xiàng)目(2012AA012305);國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(61271090);四川省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2012GZ0101);成都市科技計(jì)劃項(xiàng)目(12DXYB347JH-002)

2013-04-20修改日期:2013-05-14

EEACC:8110

唐 宇(1989-)，男，漢族，四川資陽人，碩士研究生，主要從事模擬集成電路的研究與設(shè)計(jì)，yutang_007@163.com;

馮全源(1963-)，男，漢族，江西景德鎮(zhèn)人，現(xiàn)任西南交通大學(xué)微電子研究所所長、博士生導(dǎo)師，IEEE高級(jí)會(huì)員。主要研究方向?yàn)闉閿?shù)字、模擬、射頻與混合信號(hào)集成電路設(shè)計(jì)，數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)和嵌入式系統(tǒng)研究，現(xiàn)代天線技術(shù)、RFID技術(shù)(物聯(lián)網(wǎng)技術(shù))等，fengquanyuan@163.com。