【文章內(nèi)容簡介】 路正常工作時內(nèi)部消耗的電流，它等于輸入 電流與輸出電流之差 [11]， 即 : q in outI I I?? (27) outIin outVOUTING NDL D OoutC esrRqIinI dif?? ?? 圖 22 漏失電壓與靜態(tài)電流示意圖 9 功耗與效率 LDO線性穩(wěn)壓器的功耗 PW為： ()W in in o u t o u t in o u t o u t in qP V I V I V V I V I? ? ? ? ? ? ? ? ? (28) (28)式中，第一項是調(diào)整管上產(chǎn)生的功耗，第二項則是芯片靜態(tài)電流功耗 ，因而LDO的 工 作效率為 [12]： 100%()out outout q inVII I V? ????? (29) 式 (29)說明了 LDO線性穩(wěn)壓器的效率與漏失電壓和靜態(tài)電流有關(guān)，低漏失電壓、小靜態(tài)電流則意味著 LDO電路具有低功耗、高效率的特點。 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。 LDO線性穩(wěn)壓器工作效率是隨著電池電壓的下降而逐漸升高的，實際電池的電壓、 LDO線性穩(wěn)壓器工作效率與電池工 作時間的關(guān)系如圖 23所示。另外，在小負(fù)載電流時，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 ，穩(wěn)壓器的效率將減 小 一半，因此當(dāng)設(shè)備處 10 于“待機”時靜態(tài)電流將決定 電池的使用壽命。 負(fù)載調(diào)整率與 線性調(diào)整率 負(fù)載調(diào)整率表征了穩(wěn)壓器輸出負(fù)載大小變化對輸出電壓的影響程度，表征了負(fù)載變化而穩(wěn)壓器維持輸出在標(biāo)稱值上的能力 ，它 定義為 ： ()outIout NO M outVS VI?? ?? (210) 其中， )(NOMoutV 是標(biāo)定的輸出電壓值 ， outI? 為負(fù)載電流的變化量， outV? 為負(fù)載電流變化引起的輸出電壓的變化量。 顯然， 負(fù)載調(diào)整率 越小越好。 線性調(diào)整率表征了穩(wěn)壓器輸入電壓大小變化對輸出電壓的影響程度，定義為負(fù)載一定時穩(wěn)壓電路輸出電壓相對變化量與其輸入電壓相對變化量之比，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。與負(fù)載調(diào)整率一樣，該指標(biāo)也是越小越好。 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。圖 24所示為LDO的四種 典型應(yīng)用。 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。 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)載變化時穩(wěn)定輸出 直流 電壓， 減小交流噪聲對輸出電壓的影響 。 由于 各種電池的 輸出 電壓 在工作一段時間后 都 會下降， 為了保證電池輸出電壓 的 恒定，通常都 會 在電池輸出端接入 LDO線性穩(wěn)壓器，如圖 24(b)所 示。這樣不僅給后續(xù)電路提供穩(wěn)定的電壓，而且隨著電池工作時間的推移，也提高了 LDO的工作效率。 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 對模擬電路供電時，將產(chǎn)生較大的影響。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。 在某些應(yīng)用中，比如無線電通信設(shè)備 中 通常只有一 組 電池供電，但 設(shè)備中的各部分電路常常采用互相隔離的不同電壓，因此必須由多只 LDO穩(wěn)壓器供電 ，如圖 24(d)所示。 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]。 12 本章小結(jié) 本章首先簡要介紹了 LDO線 性穩(wěn)壓器的基本結(jié)構(gòu)與工作原理。然后，重點說明了 LDO的幾組關(guān)鍵性能指標(biāo)， 為 后續(xù)章節(jié) 對 LDO進行瞬態(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 場合下的 應(yīng)用。 13 3 LDO 系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計考慮 本論文著眼于設(shè)計一款低功耗高穩(wěn)定性的 LDO線性穩(wěn)壓器，因而必須圍繞低功耗和高穩(wěn)定性兩方面對 LDO的各子模塊進行構(gòu)思設(shè)計。本章首先對系統(tǒng)電路進行瞬態(tài)、直流、交流分析，然后根據(jù)低功耗的設(shè)計需要確定各子模塊的基本結(jié)構(gòu)，進而確定 LDO的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。 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)定的時間。 LDO線性穩(wěn)壓器通常會給低壓數(shù)字電路供電，數(shù)字電路經(jīng)常存在各種工作模式之間的開關(guān)轉(zhuǎn)換， 這樣當(dāng)其發(fā)生階躍變化時， LDO的輸出電壓變化范圍一定要在 標(biāo)稱 范圍內(nèi)，才能保證電路 的 正常工作 。 同時 由于 LDO的響應(yīng)速度決定了負(fù)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。 輸出電壓（V）時 間 （ s ）1t?2t? 4t?2V? outVloadI3V? 4?trmaxV?? 3t? 圖 31 LDO 線性穩(wěn)壓器的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)圖 圖 31為典型的 LDO線性穩(wěn)壓器負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)曲線 [14]。當(dāng)輸出動態(tài)負(fù)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。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 trmaxV?? 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 trmaxV?? 是響應(yīng)時間 1t? 、輸出電容 outC 等的 函數(shù)。這里 esrV?是輸出電壓 的 變化在輸出電容的 ESR電阻上產(chǎn)生的壓降 并 正比于 esrR 。 閉環(huán) 響應(yīng)時間 1t? 在 典型情況下 是 由輸出電容 Cout、最大負(fù)載電流 Io(max)和 可允許的最大輸出變化量 GV? 確定 的 [15~16]。但是實際應(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)的時間，其近似表達式為 [17]： 1 11 GS R p a rc l c l srVt 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。 當(dāng) Isr足夠大時，響應(yīng)時間主要由系統(tǒng)閉環(huán)帶寬決定。因此 在高速 LDO電路的設(shè)計中 常 常 需要犧牲功耗，將 Isr設(shè) 置 得 較大，以加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度。 隨著 LDO響應(yīng)負(fù)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(biāo)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(ma x)是負(fù)載階躍變化量。 2V? 直觀地在負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)中反映 了 系統(tǒng)的負(fù)載調(diào)整能力。而調(diào)整時間 2t? 的確定主要依賴于調(diào)整管輸出電流驅(qū)動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)。相位裕度越大，意味著系統(tǒng)越穩(wěn)定，同時調(diào)整時間也將越長。 當(dāng)負(fù)載由最大值突然階躍到非常小時，系統(tǒng)同樣需要一個響應(yīng)時間 3t? ，產(chǎn)生 15 一個負(fù)向的過沖值 3V? ，它們的表 達式分別為 , m a x , m a x33 1LL e s r e s ro u t b o u t b c lIIV t V VC C C C B W??? ? ? ? ? ? ? ? ??? (34) 3 1clt BW?? (35) 比較 式 (32)和 (35)，上面兩式中 3t? 比 1t? 更小，這主要 是 因為當(dāng)負(fù)載階躍變小時，調(diào)整管柵極寄生電容對響應(yīng)時間的貢獻可以忽略不計， 使 3t? 只等于系統(tǒng)閉環(huán)帶寬的 倒數(shù) ，這樣也使過沖 值 3V? 比 trmaxV?? 更小一些。 LDO響應(yīng)時間結(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? 時間調(diào)整， LDO穩(wěn)定輸出。此時，輸出電壓的調(diào)整將主要取決于 LDO系統(tǒng)的輸出電容參數(shù)，即： 43 esrV V V? ? ? ?? (36) ? ? 14 4 4o u t b Fo u t bp u ll d o w n r e fC C RCCt V VIV???? ? ? ? ? (37) 其中 ， pull downI ? 為 LDO分壓網(wǎng)絡(luò)流過的小電流 ， 1FR 是 反饋比例電阻網(wǎng)絡(luò)的電阻 之一。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(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)的峰值，即 trmaxV?? 和 3V? 。這是因為負(fù)載階躍時，會 由 outC 首 先提供部分電流來滿足階躍輸出電壓的改變，此時 附加的 bC 同樣可以提供部分電流，這樣相當(dāng)于減緩了 outC提供電流變化而 造成 電壓下降的強度。 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(fù)載電流這幾個因素決定負(fù)載電流階躍引起輸出電壓變化的幅度和響應(yīng)時間。 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。因為帶寬的增加，需要寄生極點對應(yīng)頻 率也相應(yīng)增加， 16 這樣就需要增大靜態(tài)電流而減小寄生極點的阻抗。因此，就要犧牲功耗，增大誤差放大器的靜態(tài)電流，以獲得較快的響應(yīng)速度。另外，擺率的提高，也需要增大誤差放大器的輸出級電路的偏置電流，以提供更強的驅(qū)動電流，驅(qū)動 調(diào)整管柵極寄生 節(jié) 點的大電容。 所以系統(tǒng)的低功耗設(shè)計和負(fù)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。 LDO 系統(tǒng)電路的直流研究 在 LDO線性穩(wěn)壓器的直流研究中，應(yīng)該重點考慮系統(tǒng)電路的負(fù)載調(diào)整率和線性調(diào)整率 這 兩項指標(biāo)，它們都是靜態(tài)參數(shù)，在分析時可以不考慮電路中的儲能元件 [18]。 負(fù)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(fù)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