基于0.35 μm CMOS 工藝的高溫高壓LDO 芯片設(shè)計*

吳 霞，鮑言鋒，鄧婉玲，黃君凱

(暨南大學 信息科學技術(shù)學院 電子工程系，廣東 廣州 510632)

0 引言

隨著嵌入式電子產(chǎn)品在日常生活的廣泛應(yīng)用，對電源的充電速度、續(xù)航能力及轉(zhuǎn)換效率等技術(shù)指標的要求越來越高，因此對電源管理芯片提出了更高的要求。不但需要電源芯片具有精度高、功耗低和體積小等特點，在一些應(yīng)用場景中，還要求芯片能在高溫高壓的惡劣環(huán)境中穩(wěn)定地工作[1]。例如，混合動力汽車的引擎裝置和控制系統(tǒng)通常工作于高達150 ℃以上的高溫環(huán)境，石油和天然氣油井的井底傳感系統(tǒng)和監(jiān)測設(shè)施的工作溫度也超過150 ℃，探月工程電子設(shè)備需要在-153 ℃～127 ℃的大溫差環(huán)境下工作。但目前普通的電源管理芯片的最大工作溫度通常在150 ℃以下，因此不能直接應(yīng)用在這種高溫和大溫差的環(huán)境中。

LDO 作為電源管理芯片中占據(jù)市場較大份額的產(chǎn)品，由于具有體積小、功耗低和輸出紋波小等優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于片上集成系統(tǒng)[2-7]。但是，目前市場上LDO 芯片的輸入電壓范圍通常在2 V～5 V，當輸入高于5 V 時，典型應(yīng)用中的大多數(shù)LDO 芯片將會被燒毀[8]，從而限制了LDO 在高溫高壓環(huán)境下的應(yīng)用，因此設(shè)計一款面積小、輸入電壓范圍大且能在高溫環(huán)境中長期穩(wěn)定工作的LDO 芯片便顯得十分必要[9-12]。

本文針對這一需要，基于X-FAB xa 0.35 μm CMOS工藝，設(shè)計了一款高溫高壓LDO 芯片，該芯片可以實現(xiàn)在輸入電壓為5.5 V～30 V，工作溫度為-55 ℃～175 ℃的情況下，輸出電壓為5 V 且輸出誤差小于±5%的設(shè)計目標，可應(yīng)用于航空航天和混合動力汽車等苛刻環(huán)境。

1 LDO 的基本工作原理

典型LDO 的電路結(jié)構(gòu)[13]如圖1 所示，包含基準電路[14]、誤差放大器、P 型功率管MPSS[15-17]、電阻RF2和RF1組成的反饋網(wǎng)絡(luò)、大電容CL和等效串聯(lián)電阻RESR。當電源輸入電壓VIN上電時，啟動電路使基準電路擺脫簡并點開始工作；穩(wěn)定后的基準模塊為后續(xù)的電路提供基準電流和基準電壓，同時關(guān)閉了啟動電路，產(chǎn)生的基準電壓VREF作用于誤差放大器負端。開始時，由于整個反饋網(wǎng)絡(luò)還沒有建立，輸出電壓VOUT為低電平，基準電壓VREF和反饋電壓VFB的差值增加，信號經(jīng)過誤差放大器使其輸出減小，導(dǎo)致功率管的驅(qū)動電壓增加，流過電阻RF1和RF2的電流增加，輸出電壓也增大；最終，建立的負反饋系統(tǒng)使基準電壓VREF和反饋電壓VFB相等，輸出電壓保持不變。

圖1 典型LDO 的電路框圖

2 LDO 芯片系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計的高溫高壓LDO 芯片的系統(tǒng)框圖如圖2所示，該系統(tǒng)主要由基準電路模塊、過溫保護模塊、過流保護模塊、過壓保護模塊、邏輯控制模塊和誤差放大器模塊組成。其中，基準電路模塊采用高壓管和增大負反饋環(huán)路，在高溫高壓情況下為誤差放大器模塊的反相輸入端提供一個穩(wěn)定的基準電壓VREF，同時也為其他模塊提供穩(wěn)定的偏置電壓和偏置電流；誤差放大器模塊主要用于反饋信號VFB和基準電壓VREF的比較，通過控制功率管柵極保證輸出電壓的穩(wěn)定，同時采用動態(tài)零點補償方法，以提高系統(tǒng)在負載變化時的穩(wěn)定性?？紤]到系統(tǒng)輸入電壓變化范圍較大，輸出高壓功率管兩端的壓差導(dǎo)致芯片內(nèi)部發(fā)熱嚴重，長時間工作時將加速芯片老化甚至燒壞芯片，因此需要采用過溫、過壓、過流等保護模塊以及邏輯控制模塊來控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)，實現(xiàn)對芯片的有效保護。

圖2 LDO 的系統(tǒng)框圖

3 LDO 芯片核心電路模塊設(shè)計與驗證

下面基于X-FAB xa 0.35 μm CMOS工藝，給出所研制的高溫高壓LDO 芯片中基準電路和誤差放大器兩個核心模塊的具體設(shè)計。

3.1 高溫高壓基準電路設(shè)計及其驗證

本文設(shè)計的高溫高壓基準電路的結(jié)構(gòu)如圖3 所示，其中電阻R1與晶體管MN15、MN16 經(jīng)分壓，為晶體管MN17 的柵極提供偏置電壓，使MN17 工作在飽和區(qū)；電阻R2與晶體管MN17、電阻R3經(jīng)分壓，為高壓管MP1 提供偏置電壓。通過合理設(shè)計電阻R1、R2、R3的阻值和晶體管MN15、MN16、MN17 的尺寸，使高壓管MP1 在整個輸入電壓范圍內(nèi)一直處于線性區(qū)，確保了后續(xù)各個模塊在整個輸入電壓范圍內(nèi)正常工作。晶體管MP2、MP3、MP12、MP13，運算放大器OP、Q1、Q2 以及電阻R5、R6、R7構(gòu)成了基準電流源電路，基準電流I3由正溫度系數(shù)的電流I1與負溫度系數(shù)的電流I2相加得到。通過合理設(shè)置晶體管Q1和Q2 發(fā)射極的面積之比N、電阻R6和R7的值，可以得到一個與溫度無關(guān)的基準電流I3，并通過晶體管MP2、MP3 鏡像給晶體管MP7-MP11，為其他模塊提供偏置電流?；鶞孰娏鱅3通過MP5、MP6 鏡像到輸出端，為后續(xù)模塊提供偏置電壓VO2、VO3和VO4，同時由于電阻R11的溫度系數(shù)很小，工作在線性區(qū)的晶體管MN9的源-漏壓降也很小，因此電阻R11兩端的電壓即是與溫度無關(guān)的基準電壓。

圖3 高溫高壓基準電路的結(jié)構(gòu)圖

需要指出，第一，考慮到電源電壓在實際高壓應(yīng)用中，由于晶體管之間的不匹配將導(dǎo)致偏置電流產(chǎn)生偏差，因此本文采用Cascode 電流鏡和高壓管MP12-MP21的設(shè)計，用于解決偏置電流的穩(wěn)定性問題。第二，注意到在基準電路包含有運放的情況下，不同模塊可以通過基準連線產(chǎn)生“串擾”，導(dǎo)致運算放大器無法保持VP恒定，從而使MP7-MP11 的偏置電流出現(xiàn)較大的瞬態(tài)變化，因此本文通過加入大電容C1旁路到地來抑制外界的干擾，并添加電阻R4來進一步提高運放的穩(wěn)定性。

圖4 給出了在tm、wp、ws 三種工藝角，溫度在-55 ℃、25 ℃、125 ℃、175 ℃，共12 種組合情況下圖3 基準電路的線性調(diào)整率?？梢钥吹?，輸入電壓從5.5 V～30 V 變化時，基準電壓的輸出保持穩(wěn)定，因此可滿足本設(shè)計需要的高溫高壓以及寬輸入電壓的要求。此外，在最差工藝角的情況下，基準電壓只偏離理論值31.5 mV，滿足了對高電源抑制比的設(shè)計需要。

圖4 基準電路的線性調(diào)整率

3.2 誤差放大器設(shè)計及其驗證

由于誤差放大器的增益、單位增益帶寬和閉環(huán)穩(wěn)定性等主要性能指標對整個LDO 芯片的質(zhì)量產(chǎn)生重要影響[2-3]，針對高溫時誤差放大器的增益和帶寬下降將嚴重影響LDO 芯片穩(wěn)定性的問題，本文在緩沖級隔離補償?shù)幕A(chǔ)上，基于動態(tài)零點補償原理[18]，設(shè)計了一種新的動態(tài)零點補償電路結(jié)構(gòu)，如圖5 所示。通過在誤差放大器輸出端口加入補償電容CZ和工作在線性區(qū)的晶體管MZ，當輸出電流變化時，晶體管的阻值也隨之改變來補償輸出極點的變化，從而確保在整個負載變化范圍內(nèi)系統(tǒng)保持穩(wěn)定。

圖5 動態(tài)零點補償結(jié)構(gòu)圖

本文設(shè)計的帶有用于提高系統(tǒng)帶寬的緩沖級電路的誤差放大器，采用了可提高運放增益的PMOS 折疊共源共柵結(jié)構(gòu)，其等效輸出阻抗電路如圖6 所示，這里RZ是工作在線性區(qū)晶體管的等效電阻，Ro3和C3分別是運放的輸出電阻和輸出電容，因此，等效的交流輸出阻抗Z 可表示為：

圖6 誤差放大器輸出端的等效電路圖

令上式分子分母等于零，可得到兩個極點和一個零點，分別為：

通過動態(tài)零點補償后，誤差放大器的輸出端變?yōu)閮蓚€極點P3，P4和零點Zc，通過優(yōu)化寄生參數(shù)以及合理設(shè)計Rz和Cz，使P3成為系統(tǒng)的主極點，極點P4在增益帶寬積之外，動態(tài)零點Zc補償了輸出端極點P0；同時，通過緩沖器降低了功率管柵極間電阻，使該處極點也在增益帶寬積之外。通過這樣的補償方式，使電路的主極點基本不變，從而保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

在電源電壓10 V，溫度25 ℃，負載電容CL為4.7 μF，串聯(lián)電阻RESR為0.1 Ω 的條件下，圖7 分別給出了負載電流為0 mA和200 mA 情況下，環(huán)路增益和相位裕度的仿真結(jié)果，可以看到系統(tǒng)的環(huán)路增益在全負載范圍內(nèi)最低在72 dB 以上，相位裕度最小為45.83°；在不同的負載條件下，通過合理設(shè)計，使動態(tài)零點跟隨輸出極點變化，從而在單位增益帶寬積內(nèi)僅有一個極點，其他零點和極點都在高頻處。因此，本文的設(shè)計可以保證動態(tài)零點補償結(jié)果滿足LDO 要求。

圖7 負載電流分別為0 mA和200 mA 的環(huán)路增益和相位裕度

4 LDO 芯片的整體布局及其版圖設(shè)計

圖8 給出所設(shè)計的LDO 芯片的整體布局及其版圖，其中已經(jīng)嵌入為LDO 芯片提供保護機制和增加使用壽命所設(shè)計的過溫模塊、過壓模塊、過流模塊及邏輯控制模塊。這里，考慮到LDO 芯片功率管的尺寸比較大，在芯片中的發(fā)熱也較嚴重，基準電壓易受到溫度的影響，因此在圖8 中將基準電路模塊遠離功率管布置，保證了基準電路的偏置電壓和偏置電流的穩(wěn)定。同時，本文還在芯片端口之間加入了ESD 保護電路，以避免人體放電對LDO 芯片的影響；這里，ESD 保護電路采用廠家提供的IP 核。此外，圖8 中也將過溫保護模塊、過流保護模塊和過壓保護模塊靠近驅(qū)動管設(shè)計，以避免驅(qū)動管發(fā)熱影響到芯片正常工作。最后，通過各個模塊的布局布線，采用Cadence Virtusuo 軟件工具，并經(jīng)過DRC和LVS 規(guī)則檢查，完成了LDO 芯片的版圖設(shè)計和驗證，最終芯片的面積為2.822 3 mm2。

圖8 LDO 芯片的版圖

5 LDO 芯片的整體性能仿真及其驗證

前面已經(jīng)對LDO 的基準電路模塊和誤差放大器模塊進行設(shè)計和仿真驗證，為了保證所設(shè)計的LDO 芯片達到預(yù)期的指標和功能，下面使用Cadence spectre 軟件工具對LDO 芯片的整體性能進行仿真，并對仿真結(jié)果進行分析和驗證。

在輸入電壓VIN=10 V，溫度范圍為25 ℃～175 ℃的空載情況下，圖9 給出了LDO 在不同工藝角下的輸出電壓溫度漂移。從圖中結(jié)果可以看到，當溫度從25 ℃～175 ℃變化時，輸出電壓在wp 工藝角下從5.01 V 變化到4.93 V，因此輸出電壓的變化率為1.6%，輸出電壓的溫度系數(shù)約為108 ppm/℃，可滿足本文設(shè)計對輸出電壓精度的要求。

圖9 不同工藝角下的輸出電壓溫度漂移

在空載條件下，輸入電壓VIN在5.5 V～30 V 范圍內(nèi)，溫度為-55 ℃、25 ℃和175 ℃情況下，LDO 在wp 工藝角下的線性調(diào)整率如圖10 所示。從圖中結(jié)果可以得到，在溫度為175 ℃時，線性調(diào)整率為1.95 mV/V。注意到高溫情況下誤差放大器的直流增益會發(fā)生改變，將導(dǎo)致LDO在不同工藝角具有不同的線性調(diào)整率。與上面類似的仿真結(jié)果表明，在tm 工藝角下，溫度為175 ℃時的線性調(diào)整率為0.64 mV/V；在ws 工藝角下，溫度為175 ℃時的線性調(diào)整率為2.18 mV/V。

圖10 wp 工藝角下的線性調(diào)整率

在輸入電壓VIN=7.4 V，負載電流從0 mA 變化到200 mA時，溫度為-55 ℃、25 ℃和175 ℃情況下，在典型工藝角tm 下LDO 的負載調(diào)整率如圖11 所示。從圖中結(jié)果可以得到，在溫度為25 ℃時，負載調(diào)整率為46 μV/mA。相應(yīng)地，在輸入電壓VIN=30 V，溫度在175 ℃時，由于晶體管的泄漏電流增大導(dǎo)致誤差放大器的直流增益下降，輸出電壓的變化也增大，與上面類似的仿真結(jié)果表明，這時的負載調(diào)整率為164 μV/mA。

圖11 輸入電壓為7.4 V 時的負載調(diào)整率

表1 是本文設(shè)計的LDO 芯片與其他同類LDO 芯片的主要技術(shù)指標對比。可以看到，本文設(shè)計的LDO 芯片比文獻[4]具有更高的輸出電流，比文獻[5]、[6]具有更寬的輸入電壓范圍，并可在更高的電壓下穩(wěn)定工作。同時，本文設(shè)計的LDO 芯片，其工作溫度范圍也具有明顯的優(yōu)勢，不僅工作溫度范圍比文獻[4-6]的結(jié)果更寬，并且可以在高達175 ℃的溫度下正常工作。因此，本文設(shè)計的LDO 芯片的主要技術(shù)指標可滿足實際應(yīng)用的要求。

表1 LDO 芯片的系統(tǒng)指標及其對比

6 結(jié)論

本文設(shè)計了一款基于0.35 μm CMOS 工藝的高溫高壓LDO 芯片，其最小的線性調(diào)整率和負載調(diào)整率分別為2.18 mV/V和46 μV/mA，芯片 面積為2.822 3 mm2。使用Cadence spectre 工具對所研制的LDO 芯片進行仿真驗證，結(jié)果表明該LDO 芯片能工作在-55 ℃～175 ℃的環(huán)境中，輸入電壓范圍在5.5 V～30 V，其輸出最大電流為200 mA，并可以穩(wěn)定地輸出5 V 電壓，且輸出電壓誤差不超過5%。因此，可適用于汽車、宇航空間和井下系統(tǒng)等惡劣環(huán)境中的嵌入式電子產(chǎn)品。