【正文】 理 想 的 帶 寬增益 (dB)頻 率 （ H z ）變 化 的 主 極 點0PoutI減 小 的 方 向 圖 48 主極點和帶寬隨輸出電流變化的示意圖 ESR電阻 補償方法的第二個缺陷就是選用的輸出電容值與 ESR電阻阻 值都有一定的范圍限制，而且 ESR電阻的阻值隨環(huán)境溫度變化較大，也 給系統(tǒng) 帶來了 補償 不精確 的問題 [31~32]。通過優(yōu)化電路結(jié)構(gòu)與合理的設(shè)計，使得電路的單位增益頻率 UGF(unit gain frequency)內(nèi)只有主極點存在，第一非主極點與零點相互補償，其它非主極點均設(shè)計在 UGF外，從而保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性 [28]。隨后引入了嵌套式密勒補償和動態(tài)零點補償方法來保證兩級級聯(lián)誤差放大器直接驅(qū)動調(diào)整管柵極拓撲結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)穩(wěn)定性。因此，本文設(shè)計的 LDO不采用緩沖級結(jié)構(gòu)作為誤差放大器的輸出。 誤差放大器 的 設(shè)計考慮 誤差放大器是 LDO線性穩(wěn)壓器的核心模塊，是用來將反饋電壓 Vfb和基準電壓Vref進行比較放大，輸出到調(diào)整管的柵極，通過調(diào)節(jié)功率管的工作狀態(tài)，從而保證輸出電壓的穩(wěn)定。但由于 Idrv不是輸出到負載，而是 直接輸出到地，所以采 21 用 PNP作為調(diào)整管的線性穩(wěn)壓器靜態(tài)電流相對較大。通過 PSRR的零極點分析，可以得出以下結(jié)論： 19 1） 誤差放大器的直流增益 (0)OTAAV 決定了低頻段的 PSRR，直流增益越高，低頻段的 PSRR特性越好；但是高增益的放大器將會使單位增益頻率變大，可能導(dǎo)致負反饋環(huán)路穩(wěn)定性變差，因而需要與穩(wěn)定性同步考慮； 2） PSRR的第一個零點 Z1和第一個極點 P1分別與放大器的帶寬、環(huán)路的增益帶寬積成正比，它們應(yīng)盡可能靠近，但它們同樣對環(huán)路 的穩(wěn)定性起著相反的作用； 3） PSRR的第二個極點 P2與輸出電容 Cout成反比，雖然增大輸出電容可以將該極點向前推，獲得較好的 PSRR特性，但該方法同樣可能會導(dǎo)致整個環(huán)路的不穩(wěn)定，因此在利用此方法改善 PSRR時必須同時考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性。由以上的分析 可以看到附加的高頻旁路電容 (低 ESR)減小了負載瞬態(tài)響應(yīng)的峰值，即 tr maxV?? 和 3V? 。 同時 由于 LDO的響應(yīng)速度決定了負載電路恢復(fù)正常工作的能力 ，因此設(shè)計出的 LDO線性穩(wěn)壓器應(yīng)該具有較好的瞬態(tài)特性。 LDO 的基本應(yīng)用 LDO線性 穩(wěn)壓 器 作為直流電壓轉(zhuǎn)換器，適用于多種場合的應(yīng)用。從圖 中可以看出由誤差放大 器、調(diào)整元件和反饋比例電阻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成一個負反饋環(huán)路所以： 1 refout AVV A??? ? (21) 112FFFRRR? ? ? (22) 其中， A 為 LDO反饋環(huán)路的開環(huán)增益， ? 為反饋比例電阻網(wǎng)絡(luò)的反饋系數(shù)。 第三章從瞬態(tài)、直流、交流三方面對 LDO線性穩(wěn)壓器進行全面分析，研究了系 5 統(tǒng)主要參數(shù)的內(nèi)在聯(lián)系與各種折衷關(guān)系。 電荷泵式電壓調(diào)整器通過電容上電荷積累效應(yīng)來產(chǎn)生高于電源的輸出電壓或者負電壓。2021年，中國電源管理芯片銷售額達到了 267億元。 結(jié)果表明：電路 不帶負載的 靜態(tài)電流為 uA， 系統(tǒng) 帶寬幾乎不隨負載變化，在輸出電流范圍內(nèi)能保證 較好 的 穩(wěn)定性。其次，從瞬態(tài)、直流、交流三方面對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行深入研究，闡述 LDO穩(wěn)壓器的設(shè)計要點與各種參數(shù)的折衷關(guān)系。 過去 電源管理 IC供應(yīng)一直將關(guān)注重點放在管理功率的傳遞上，即如何為不同的負載器件分 配不同的功率。一般認為線性穩(wěn)壓電源的輸入電壓與輸出電壓之間的漏失電壓 Vdif較大，導(dǎo)致電路轉(zhuǎn)換效率較低。例如，國內(nèi)早期從事 LDO生產(chǎn)的圣邦微電子有限公司生產(chǎn)的 SG202 SG2021以及 SG2021系列 LDO，足以滿足當前市場上主流電壓、電流的需要； SG202 SG2021以及 SG2021系列產(chǎn)品，則非常適合于大電流負載應(yīng)用； SGM2021/2021/2021系列 RF LDO更適合于手機電源的應(yīng)用。其中 OmniPower型 LDO的靜態(tài)電流在 100uA至 1mA之間；MicroPower型 LDO的靜態(tài)電流在 10uA至 100uA之間； NanoPower型 LDO的靜態(tài)電流則 小于 10uA。 051 01 5 2 02 52 . 53 . 03 . 54 . 04 . 56 07 08 09 01 0 0時 間 （ 小 時 ）電池電壓（V，三節(jié)堿性電池）效率 （%）電 池 電 壓效 率 曲 線 圖 23 LDO效率與電池輸出電壓的時間關(guān)系 在實際應(yīng)用中，分析效率時還必須清楚：由于電池不是理想電源，它具有輸出電阻，因此供電時它的輸出電壓是逐漸下降的，電池的這種特性是非常有利于LDO線性穩(wěn)壓器工作效率的提高。 為了節(jié)省共 用 電池的電量， 在 設(shè)備不工作時， LDO穩(wěn)壓器上的使能端可以使 LDO進入休眠模式，從而達到省電目的 [13]。 隨著 LDO響應(yīng)負載階躍變化 的 結(jié)束，系統(tǒng)經(jīng)過調(diào)整時間 2t? 后，輸出電壓重新穩(wěn)定，比 標稱輸出電壓 值減小了 2V? ， 其 變化量 2V? 可以用式 (33)表示： 2 (max)o reg OV R I??? (33) 其中， oregR? 是 LDO系統(tǒng)的閉環(huán)輸出阻抗，是調(diào)整管導(dǎo)通電阻減小 ( VA??1 )倍后的輸出 ， Io(max)是負載階躍變化量。 負載調(diào)整率的研究 假設(shè)某一時刻輸出電流變化 oI? ，由此引起的輸出電壓變化為： out o outV I R? ?? ? (38) 對于由調(diào)整管、誤差放大器和反饋比例電阻構(gòu)成的閉合回路來說，輸出電壓變化outV? 被采樣反饋給誤差放大器輸入端的電壓信號為： 112Fs outFFRVVRR? ? ? ?? (39) 它經(jīng)過誤差放大器和調(diào)整管的放大后對輸出電流的影響變?yōu)椋? 112Fo s m a m p o u t m a m p o aFFRI V g g V g g RRR? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? (310) 由 (310)式得 ： 1211out FFo u t m a m p o a FV RRI g g R R? ???? ? ? (311) 從上式就可以得知負載調(diào)整率與系統(tǒng)電路的開環(huán)增益成反比，系統(tǒng)的直流增益越大， LDO穩(wěn)壓器 的負載調(diào)整率就越好。 20 （ a ） 達 林 頓 N P N 結(jié) 構(gòu) （ b ） N P N 結(jié) 構(gòu)（ c ） P N P 結(jié) 構(gòu)（ d ） P M O S 管 結(jié) 構(gòu) （ e ） N M O S 管 結(jié) 構(gòu) 圖 33 幾種類型的 LDO調(diào)整管 圖 33(a)所示為 NPN達林頓管結(jié)構(gòu)的調(diào)整管，由兩個 NPN管和一個 PNP管構(gòu)成。作為輸入端向負載提供輸出電流的通道，調(diào)整管的寬長比越大，驅(qū)動負載的能力就越強。一些研究表明由于調(diào)整管的尺寸較大，因而在其柵極有較大的寄生電容；又由于誤差放大器的輸出阻抗也較 大，從而在調(diào)整管的柵極出現(xiàn)一個中低頻極點 P1[23~24]。 Carvalho Ferreira等提出的利用工作在弱反型區(qū)的 MOSFET設(shè)計出超低功耗的基準電源 [27]。利用電感的隔交流特性和電容的隔直流特性可以獲得交流開路、直流閉合的效果。 第三個極點 P2來自誤差放大器內(nèi)部第一級輸出阻抗 Ro1和第一級輸出的等效電 32 容 C1。S t a 。 第二個極點 P1來自于誤差放大器第二級輸出阻抗 Ro2和 PMOS調(diào)整管柵極等效電容 C2。 H ( s )G ( s )V o u t ( s )V x ( s )V y ( s ) 圖 43 開環(huán)小信號等效模型 如果不考慮直流工作的變化，那么環(huán)路傳輸函數(shù)為 )()()( )()( sGsHsV sVsA xyV ?? (41) 實際上，如果對直流工作點不加考慮，工作狀態(tài)不對或是無法正確模擬環(huán)路的工作狀態(tài)，那么開環(huán)的環(huán)路小信號分析結(jié)果肯定是不對的。國內(nèi)外學(xué)者對基準電路的低功耗設(shè)計研究得較多，比如： Filanovsky .等指出工作在亞閾值區(qū) MOSFET的柵源電壓滿足準指數(shù)關(guān)系，可以取代雙極晶體管進行低功耗參考源設(shè)計 [26]。所以，我們將誤差放大器的結(jié)構(gòu)定為簡單的二級級聯(lián)放大器上。通過比較上述五種結(jié)構(gòu)，為實現(xiàn)線性穩(wěn)壓器低功耗、低漏失、高效率的特點， 選 用 PMOS管作 為 調(diào)整管是最佳的 方案 。新一代的 LDO 都是用 CMOS 工藝生產(chǎn)的，它和使用 Bipolar 工藝生產(chǎn)的 LDO 功能上沒有太大的區(qū)別，而靜態(tài)電流、轉(zhuǎn)換效率、噪音抑制等內(nèi)在性能卻有很大的提高 [20]。 所以系統(tǒng)的低功耗設(shè)計和負載瞬態(tài)響應(yīng)是矛盾的，在設(shè)計 LDO穩(wěn)壓器時要折衷考慮這兩者的關(guān)系。 當 Isr足夠大時，響應(yīng)時間主要由系統(tǒng)閉環(huán)帶寬決定。在開關(guān)性穩(wěn)壓器輸出端接入 LDO線性穩(wěn)壓器，如圖 24(c)所示，就可以實現(xiàn)有源濾波，而且也可大大提高輸出電壓的穩(wěn)壓精度，同時電源系統(tǒng)的效率也不會明顯下降。 漏失電壓與靜態(tài)電流 漏失電壓 Vdif定義為保證 LDO線性穩(wěn)壓器正常工作時對應(yīng)的輸入輸出電壓間的最小電壓差 [9~10]， 即： m in ,d if in o u t LD OV V V?? 正 常 工 作 (25) 它是反映調(diào)整管調(diào)節(jié)輸出電壓能力的一個重要參數(shù)。 第七章是全文總結(jié)，簡單歸納了本文所做的主要工作。 與國外相比，國內(nèi) LDO線性穩(wěn)壓器的研究起步較晚。 直流電源變換器的比較 根據(jù)不同的工作原理可將便攜式穩(wěn) 壓電源 IC分成三類：線性穩(wěn)壓器、開關(guān)式電壓調(diào)整器及電荷泵式電壓調(diào)整器。電源管理 IC供應(yīng)商目前主要利用先進的半導(dǎo)體工藝，如美國國家半導(dǎo)體 (NS)采用其 “ 低電壓低功耗 CMOS工藝 ” ，來減小靜態(tài)電流，提高轉(zhuǎn)換效率。 為適應(yīng)電源市場發(fā)展的需要 ，結(jié)合 LDO系統(tǒng)自身特點，設(shè)計了一款低功耗、高穩(wěn)定性 LDO線性穩(wěn)壓器。 LDO(lowdropout)線性穩(wěn)壓器作為較早應(yīng)用于電子設(shè)備中的一種電源管理電路，以其電路結(jié)構(gòu)簡單、占用芯片面積小、高紋波抑制比、低噪聲等優(yōu)點，牢固地占據(jù)著電源管理 IC市場的一席之地。 從應(yīng)用領(lǐng)域來看，國內(nèi)電源管理芯片市場主要分布在消費電子、網(wǎng)絡(luò)通信、計算機 和 工業(yè)控制等領(lǐng)域 。從目前的發(fā)展趨勢看，電荷泵輸出電流越來越大，因而常被選作系統(tǒng)的主電源。 第四章建立了 LDO線性穩(wěn)壓器的交流小信號模型，對系統(tǒng)電路的穩(wěn)定性進行了深入的研究。 LDO 的基本性能指標 輸出電壓與輸出精度 輸出電壓 Vout是 LDO線性 穩(wěn)壓 器的重要參數(shù)，也是電子設(shè)備設(shè)計者選用 LDO時首先應(yīng)考慮的參數(shù) 。 圖 24(a)所示電路是一種最常見的 AC/DC交流電源電壓經(jīng)變壓器變 為直流 電壓， 再經(jīng)過 LDO得到所需的輸出直流電壓。當輸出動態(tài)負載階躍變化時穩(wěn)壓器輸出脈沖值應(yīng)該是在穩(wěn)壓器閉合環(huán)路響應(yīng)之前輸出電流對電容的充電電壓值。 從上面的分析可以得出結(jié)論：在 LDO線性穩(wěn)壓器中，主要由系統(tǒng)的閉環(huán)帶寬、輸出電容和負載電流這幾個因素決定負載電流階躍引起輸出電壓變化的幅度和響應(yīng)時間。 LDO 子模塊的設(shè)計考慮 調(diào)整管的設(shè)計 考慮 目前市場上主要有雙極型和 MOS 型兩種 LDO 線性穩(wěn)壓器。此時，為了維持輸出電壓不變，它就必須汲取更多的基極電流 Ib，這就 需要較大的啟動電流。根據(jù) LDO電路的系統(tǒng)特征并結(jié)合本論文的低功耗設(shè)計要求，通過對各種結(jié)構(gòu)誤差放大器的分析來確定最終的拓撲結(jié)構(gòu)。它是 LDO穩(wěn)壓器的核心模塊之一，是影響穩(wěn)壓器輸出電壓精度最主要的因素之一。 最后給出這兩種補償方法應(yīng)用于 LDO的仿真并對數(shù)據(jù)結(jié)果進行分析。 1m ingV 1oR1V 1CinV in 2V 2C21mgVoR 32mgV esrR LC//oLrR 2FR 1FRfbVoutV圖 47 ESR 電阻補償小信號模型 根據(jù)基爾霍夫電流規(guī)則分別在 V V Vout三點處列出 KCL方程： 11 1 11()( ) ( ) 0m inoVsg V s V s C sR? ? ? (43) 22 1 2 22()( ) ( ) 0moVsg V s V s C sR? ? ? (44) 3212( ) ( ) ( )( ) 01//out out outm o L F Fe s rLV s V s V sg V sr R R RR sC? ? ? ??? (45) 又因為： 112( ) ( ) ( )