【正文】 r和輸出電容 CL，一般應(yīng)設(shè)計(jì) 使 得Z0與系統(tǒng)的第一非主極點(diǎn) P1近似相等，從而讓兩者相抵消達(dá)到頻率補(bǔ)償?shù)哪康摹? 從 (47)式可以看出，系統(tǒng)存在三個(gè)極點(diǎn)和一個(gè)零點(diǎn)，分別是： 0 12 out LP RC?? (48) 1 2212 oP RC?? (49) 2 1112 oP RC?? (410) LesrCRZ ?210 ? (411) 第一個(gè)極點(diǎn) P0來自于等效輸出電阻 Rout和輸出電容 CL。也可以采用電阻來等效，用交流阻值極小而直流阻值極大的電阻模型代替電容來隔直流，用交流阻值極大而直流阻值極小的電阻代替 29 電感來隔交流，見圖 44。 LDO 環(huán)路增益的建模 V i n ( s )H ( s )G ( s )V o u t ( s ) 圖 41 負(fù)反饋系統(tǒng)框圖 圖 41示為一般負(fù)反饋系統(tǒng)框圖，其中 H(s)、 G(s)分別為前饋網(wǎng)絡(luò)和反饋網(wǎng)絡(luò)，Vin(s)、 Vout(s)分別為系統(tǒng)的輸入輸出信號(hào)。 總之，設(shè)計(jì)出的基準(zhǔn)電壓源模塊不僅應(yīng)該具有低功耗、高電源 抑制比的特性，而且為了滿足 LDO輸出電壓的高精度，基準(zhǔn)電壓應(yīng)該對(duì)溫度和工藝模型的敏感度較小。基準(zhǔn)電壓的漂移主要包括兩部分： 一是 溫度變化引起的基準(zhǔn)漂移； 二是 工藝模型變化引起的基準(zhǔn)漂移 [25]。這樣通過緩沖級(jí)就可以避免采用較大的輸出電容補(bǔ)償 P1，而且系統(tǒng)的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)特性也會(huì)得到較大的改善。 首先，誤差放大器的直流增益與 LDO的負(fù)載調(diào)整率、線性調(diào)整率成反比，從這個(gè)方面就要求誤差放大器的直流增益越大越好；但過大的低頻增益會(huì)展寬 LDO電路的帶寬，將高頻寄生極點(diǎn)包含在單位增益頻率內(nèi)，從而降低了系統(tǒng)的相位裕度，甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。但 類型 參數(shù) 達(dá)林頓管 NPN PNP PMOS 最大輸出電流 高 高 高 中 靜態(tài)電流 中 中 大 小 漏失電壓 Vsat+2Vbe Vsat+Vbe Vce Vsat 效率 低 中 高 高 22 如果一味地增大調(diào)整管的寬長比，其柵極寄生電容 Cpar也會(huì)增加，造成誤差放大器擺率的降低；同時(shí)使相應(yīng)的寄生極點(diǎn)左移，減小相位裕度，從而可能引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。 如果系統(tǒng)的電流供應(yīng)能力不足，穩(wěn)壓器甚 至無法正常啟動(dòng)。為了使之能夠正常工作，漏失電壓應(yīng)大于一個(gè) PN結(jié)正向?qū)▔航蹬c PNP飽和壓降之和，即： ( ) ce beV V sat V V? ? ? (322) 以上兩種結(jié)構(gòu)的調(diào)整管穩(wěn)壓器具有相對(duì)較小的靜態(tài)電流，因?yàn)檎{(diào)整管 NPN管的驅(qū)動(dòng)電流由 PNP管的集電極電流注入，驅(qū)動(dòng)電流直 接經(jīng)過大調(diào)整管 NPN管放大輸出給了負(fù)載。雙極器件開發(fā)早、工藝相對(duì)成熟、穩(wěn)定，用雙極工藝可以制造出速度高、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、模擬精度高的器件，適用于高精 度的模擬集成電路。因此，輸入輸出電壓關(guān)系為： 1211 ()out FFin F m a m p o a z o nV RRV R g g R R R? ????? (314) 和負(fù)載調(diào)整率一樣，只要提高了反饋環(huán)路的開環(huán)增益就可以減小電壓調(diào)整率。 輸出電壓最大變化量是系統(tǒng)閉環(huán)帶寬和擺率的函數(shù)，而帶寬和擺率又受電路靜態(tài)電流的嚴(yán)格限制。而調(diào)整時(shí)間 2t? 的確定主要依賴于調(diào)整管輸出電流驅(qū)動(dòng)輸出電容和旁路電容的能力，以及系統(tǒng)開環(huán)頻率響應(yīng)的相位裕度參數(shù)。比如輸出電流 Iout從 0跳變到最大輸出電流 Io(max)，那么輸出最大下降脈沖 14 tr maxV?? 為： ( ) ( )1 1 ( )O M A X O M A Xtr m a x e s r O M A X E S Ro u t o u tIIV t V t I RCC?? ? ? ? ? ? ? ? (31) 從 (31)式可以看到 tr maxV?? 是響應(yīng)時(shí)間 1t? 、輸出電容 outC 等的 函數(shù)。然后，重點(diǎn)說明了 LDO的幾組關(guān)鍵性能指標(biāo)， 為 后續(xù)章節(jié) 對(duì) LDO進(jìn)行瞬態(tài)、直流、交流 三方面的 研究 作好 鋪墊， 最后介紹了 LDO穩(wěn)壓器 在 幾種典型 場(chǎng)合下的 應(yīng)用。 在該電路中， LDO線性穩(wěn)壓器的作用是在 交流電源電壓或負(fù)載變化時(shí)穩(wěn)定輸出 直流 電壓， 減小交流噪聲對(duì)輸出電壓的影響。另外，在小負(fù)載電流時(shí)，穩(wěn)壓器的效率將受靜態(tài)電流的限制，比如輸出電流等于輸入電流的一半 時(shí) ，穩(wěn)壓器的效率將減 小 一半，因此當(dāng)設(shè)備處 于“待 10 機(jī)”時(shí)靜態(tài)電流將決定 電池的使用壽命。按輸出電壓值可分為 固定輸出電 壓和可調(diào)輸出電壓兩種類型。 LDO 的結(jié)構(gòu)與工作原理 基本的 LDO線性穩(wěn)壓器 包括 誤差放大器、調(diào)整元件、 基準(zhǔn)與偏置電路以及反饋比例電阻網(wǎng)絡(luò)，再加上諸如 過溫、限流 、電池極性反轉(zhuǎn)等 保護(hù)電路 就構(gòu)成了一個(gè)完整的 LDO系統(tǒng) [4~6]。引入了嵌套式密勒補(bǔ)償和動(dòng)態(tài)零點(diǎn)補(bǔ)償方法，并對(duì)嵌套式密勒補(bǔ)償中調(diào)零電阻可能存在的位置進(jìn)行分析，確定了最合適的補(bǔ)償結(jié)構(gòu)從而有效地消除了右半平面零點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。 LDO 線性穩(wěn)壓器的研究目的 從以上分析可以看出一方面電源管理芯片市場(chǎng)的飛速發(fā)展給工作效率不高但成 本上具有優(yōu)勢(shì)的 LDO 線性穩(wěn)壓器帶來了巨大的發(fā)展空間；另一方面便攜式電子產(chǎn)品對(duì)低功耗的強(qiáng)烈要求，使得 LDO 穩(wěn)壓器必須具有較小靜態(tài)電流的特點(diǎn)。 表 11 三種直流電源調(diào)整器的特點(diǎn)比較 類型 指標(biāo) 線性穩(wěn)壓器 開關(guān)式電壓調(diào) 整器 電荷泵式電壓調(diào)整器 功能 降壓 升壓、降壓、反相 升壓、反相 效率 中 高 高 功耗 大 較小 大 復(fù)雜度 低 中到高 中 尺寸 小 較大 較大 成本 低 較高 較低 波紋 /噪聲 低 較高 高 為了滿足日益復(fù)雜的電子產(chǎn)品電源需求，實(shí)現(xiàn)更高效率的電源變換，新一代高性能的電源管理方案將 DCDC變換器與 LDO線性穩(wěn)壓器，或是將電荷泵與 LDO線性穩(wěn)壓器結(jié)合起來，克服這三種電壓調(diào)整器各自固有的缺陷，從而達(dá)到低噪聲和高效率的最佳組合 [1~2]。如凌特公司 (Linear Technology)推出的輸入電壓可低至 300mA的 LDO線性穩(wěn)壓器，在滿負(fù)載電流時(shí)只有 45mV的極低漏失電壓。 賽迪顧問預(yù)測(cè)， 2021－ 2021年 中國電源管理芯片市場(chǎng) 規(guī)模復(fù)合增長率將達(dá) %，電 源管理產(chǎn)品仍將是集成電路產(chǎn)品中最為活躍的產(chǎn)品之一。 比如，負(fù)載器件在不同工作負(fù)荷下不必一律讓其處于全速運(yùn)行狀態(tài)；再如，負(fù)載器件在待機(jī)和工作狀態(tài)下不必供應(yīng)同樣的功率。本章首先介紹電源管理 IC的發(fā)展趨勢(shì)，比較幾種直流穩(wěn)壓電路的優(yōu)缺點(diǎn)，然后闡述了 LDO線性穩(wěn)壓器國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀，指出電路低功耗設(shè)計(jì)的需要，進(jìn)而引出研究 LDO電路的意義與目的，最后提出本文的結(jié)構(gòu)與主要內(nèi)容。通過建立 LDO電路的交流小信號(hào)模型，計(jì)算得到系統(tǒng)的環(huán)路增益并由此推出電路中零極點(diǎn)的分布位置從而獲得研究系統(tǒng)穩(wěn)定性問題的途徑。 LDO線性穩(wěn)壓器以其低噪聲、高電源抑制比、微功耗和 簡單的 外圍電路 結(jié)構(gòu) 等優(yōu) 點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于 各種直流穩(wěn)壓 電路中。最后分析了各子模塊電路的結(jié)構(gòu)與工作原理，并給出了 LDO系統(tǒng) 模塊與整體仿真的結(jié)果與分析。目前便攜設(shè)備 的 電源管理技術(shù)正朝著電源管理與系統(tǒng)整合的方向發(fā)展，主要呈現(xiàn)出以下三大發(fā)展趨勢(shì)： 一是盡可能提高電池功率轉(zhuǎn)換效率。 2 三是減小器件的體積 ， 進(jìn)一步提高集成度，并采用更先進(jìn)的封裝技術(shù)，如 CSP、LLP和 Micro SMD等。 LCD顯示器 、 數(shù)字電視 和 汽車電子 等產(chǎn)品的快速增長 ，以及中國 3G牌照 頒發(fā)與應(yīng)用的推廣，必將促進(jìn) 中國電源管理芯片市場(chǎng) 繼續(xù) 保持平穩(wěn)快速的發(fā)展 。在開關(guān)穩(wěn)壓電路中有一個(gè)工作在開關(guān)狀態(tài)的晶體管，工作于飽和導(dǎo)通或截止兩種狀態(tài)，因此開關(guān)管功耗較小并且與輸入電壓大小無關(guān)。以 NPN、 PNP為調(diào)整管的 LDO市場(chǎng)逐步萎縮；而以 PMOS管作為調(diào)整管的 LDO以其較低的漏失電壓、較小的靜態(tài)電流等優(yōu)勢(shì)占領(lǐng)了較大的市場(chǎng)份額； DMOS工藝的 LDO在對(duì)漏失電壓要求很高的應(yīng)用中占有一定的份額 ； BCDMOS工藝的 LDO也已有了批量生產(chǎn) [3]。 論文章節(jié)安排 本文總共分為七章，其中： 第一章主要闡述了 LDO線性穩(wěn)壓器的研究意義與目的。 第六章對(duì) LDO穩(wěn)壓器系統(tǒng)電路進(jìn)行全局仿真及分析。兩電壓差值通過 誤差放大器的 放大后直接控制功率調(diào)整元件的柵極，通過改變調(diào)整元件的導(dǎo)通 狀態(tài)來 控制 LDO的輸出 端從而獲得穩(wěn)定的輸出 電壓值。 LDO線性穩(wěn)壓器的輸出電壓精度是由多種因素的變化在輸出端共同作用的體現(xiàn)，主要有輸入電壓變化引起的輸出變化 LRV? 、負(fù)載變化引起的輸出變化 LDRV? 、基準(zhǔn)電壓漂移引起的輸出變化 refV? 、誤差放大器失調(diào)引起的輸出變化 ampV? 、反饋比例電阻阻值漂移引起的輸出變化 resV? 以及由環(huán)境溫度變化引起的輸出變化 8 TCV? ，輸出精度 ccA 由下式給出[8]： 2 2 2 2 100%L R L DR re f a mp re s T Ccc outV V V V V VAV? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??? (24) 其中 refV? 、 ampV? 及 resV? 對(duì) ccA 影響較大，因此基準(zhǔn)電壓源、誤差放大器及反饋比例電阻的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)需重點(diǎn)考慮。 線性調(diào)整率表征了穩(wěn)壓器輸入電壓大小變化對(duì)輸出電壓的影響程度，定義為負(fù)載一定時(shí)穩(wěn)壓電路輸出電壓相對(duì)變化量與其輸入電壓相對(duì)變化量之比，即： () 100outVIN o u t N O MVS VV????? ％ (211) 其中， )(NOMoutV 是標(biāo)定的輸出電壓值， INV? 為輸入電壓的變化量， outV? 為 輸入電壓變化引起的輸出電壓的變化量。 11 L D OD CD C D CL D OD CA CD C O u t p u tL D OL D OL D OL D OL D OD CE N 1E N 2E N 3E N 4O u t p u t 1O u t p u t 2O u t p u t 3O u t p u t 4( a )( b )( c )( d ) 圖 24 LDO的典型應(yīng)用示意圖 眾所周知，開關(guān)性穩(wěn)壓電源的效率很高，但輸出紋波電壓較高，噪聲較大，電壓調(diào)整率等性能也較差，特別是 對(duì)模擬電路供電時(shí)，將產(chǎn)生較大的影響。 LDO 系統(tǒng)電路的瞬態(tài)研究 LDO線性穩(wěn)壓器的瞬 態(tài)研究主要關(guān)注其瞬態(tài)響應(yīng)，是指輸入電壓、輸出負(fù)載階躍變化時(shí)引起的輸出電壓的瞬態(tài)脈沖現(xiàn)象和輸出電壓恢復(fù)穩(wěn)定的時(shí)間。但是實(shí)際應(yīng)用中，由于調(diào)整管產(chǎn)生的柵極電容影響了誤差放大器的擺率 ，從而增大了閉環(huán)響應(yīng)的時(shí)間，其近似表達(dá)式為 [17]： 1 11 GS R p a rc l c l s rVt t CB W B W I?? ? ? ? ? (32) 這里 GV? 是負(fù)載階躍變化后調(diào)整管柵極電位的改變量 ， Isr是 誤差放大器擺率電流。 LDO響應(yīng)時(shí)間結(jié)束 后 ，調(diào)整管隨之關(guān)閉，輸出電壓的改變量下降到 4V? ，然后經(jīng) 過 4t? 時(shí)間調(diào)整， LDO穩(wěn)定輸出。另外，擺率的提高，也需要增大誤差放大器的輸出級(jí)電路的偏置電流，以提供更強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)電流，驅(qū)動(dòng) 調(diào)整管柵極寄生 節(jié) 點(diǎn)的大電容。 18 LDO線性穩(wěn)壓器的 PSRR特性反映了輸出電壓對(duì)輸入噪聲和紋波的抑制能力。最重要的是 MOS 型線性穩(wěn)壓器的調(diào)整管是電壓驅(qū)動(dòng)的，能大大降低 器件消耗的靜態(tài)電流；而且其較小的導(dǎo)通阻抗使得漏失電壓比較低，從而提高了電源的轉(zhuǎn)換效率。這種結(jié)構(gòu)的 LDO最大優(yōu)點(diǎn)是 PNP管處于深飽和狀態(tài)下仍可維持穩(wěn)定輸出，所以漏失電壓較小，即： ( ) 5 ~ ceV V sat V?? (323) 調(diào)整管的靜態(tài)電流直接取決于 PNP調(diào)整管的增益和負(fù)載電流 Io，即： /drv oII?? (324) 其中β是晶體管電流增益，其值一般在 20— 500之間。 表 31 幾種結(jié)構(gòu)調(diào)整管的性能比較 總之， NPN達(dá)林頓結(jié)構(gòu)的穩(wěn)壓器由于其低價(jià)大驅(qū)動(dòng)能力的特點(diǎn)比較適合應(yīng)用于交流 供電的設(shè)備中； PNP結(jié)構(gòu)的穩(wěn)壓器很容易完成低漏失功能，但是它的 大 靜態(tài)電流和較低的效率使之不能應(yīng)用 于手持設(shè)備的 電路中； NMOS結(jié)構(gòu)的調(diào)整管 雖然 具有低導(dǎo)通阻抗，但 其 柵極需要 增加額外的 電荷泵電路 來 驅(qū)動(dòng)， 從而 限制了在 LDO穩(wěn)壓器中的廣泛 應(yīng)用 。反之，如果調(diào)整管寬長比過小，就會(huì)造成負(fù)載能力較弱，不能提供要求的輸出電流，還可能使