|
隨著電子產品的不斷發展，電源管理解決方案不斷追求高效率、小占位面積、低成本，這使得低壓降（LDO，LowDropout）線性穩壓器越來越受歡迎。應用于電池供電的產品中，低漏失電壓特性保證了電池使用效率高，而且效率將隨著電池電壓的下降而上升；低靜態電流特性保證了電池使用時間長。本文中設計的LDO線性穩壓器，典型情況下100 mA負載時漏失電壓為180 mV，靜態電流為800μA，空載時漏失電壓僅為5 mV，靜態電流為35μA；而且設置了使能開關引腳，在使能開關引腳被拉低時，穩壓器處于休眠模式，此時靜態電流＜1μA；另外，該穩壓器還具有過溫、過流保護功能。 1 電路拓撲結構 該穩壓器包括啟動電路、恒流源偏置單元、使能電路、調整元件、基準源、誤差放大器、反饋電阻網絡，保護電路等。為了實現LDO特性穩壓器調整元件采用一種自由集電極的縱向PNP管，過溫過流保護電路也采用了特殊的結構。電路拓撲結構如圖1所示。 基本工作原理是這樣的：系統加電，如果使能腳處于高電平時，電路開始啟動，恒流源電路給整個電路提供偏置，基準源電壓快速建立，輸出隨著輸入不斷上升，當輸出即將達到規定值時，由反饋網絡得到的輸出反饋電壓也接近于基準電壓值，此時誤差放大器將輸出反饋電壓和基準電壓之間的誤差小信號進行放大，再經調整管放大到輸出，從而形成負反饋，保證了輸出電壓穩定在規定值上；同理如果輸入電壓變化或輸出電流變化，這個閉環回路將使輸出電壓保持不變，即： 如果使能腳處于低電平，電路將處于休眠狀態。 2 啟動電路、恒流源偏置電路和使能開關電路 啟動電路是為了使恒流源偏置電路開始工作，從而給整個電路建立正常的工作點。使能高電位臨界值設為1．4 V，使能低電位臨界值設為0．5 V。當使能電壓VEN＞1．4 V時，電流源給基準源和誤差放大器提供偏置，電路處于穩壓工作狀態；當使能電壓VEN＜0．5 V時，啟動電路將使電流源關閉，基準源和誤差放大器的偏置電流為零，導致整個電路處于截至狀態，此時電路的靜態電流將會很小（＜1μA），這種狀態就稱為穩壓器休眠模式。根據上述原理，這部分的電路設計如圖2所示。 Q14，Q15，R9，R8構成的微電流源作為啟動電路，大電阻R9確保很小的引腳電流（一般為幾μA），Q14使電流源啟動，Q5使誤差放大器、調整管等電路啟動。橫向PNP晶體管Q7，Q8組成的電流鏡給基準源提供偏置，而與調整管同類型的Q2則是給誤差放大器提供電流偏置。使能開關電路由橫向PNP晶體管Q9A和Q9B組成，Q6使Q9B的發射極電位為VREF＋0．7 V＝1．93 V；而Q9A的發射極電位為VFB＋0．7 V＝1．93V。這樣當VEN＞1．4 V時，Q9A和Q9B完全截至，使能電路失去作用，電路正常穩壓工作；同理由Q15可決定穩壓器休眠模式時，VEN＜0．5 V。 3 調整管 如圖3所示LDO線性穩壓器簡化的結構圖，穩壓器的靜態工作電流（Iq）主要由調整管的基極驅動電流決定，該值越小，則穩壓器自身消耗的電流越小，電源電流轉換的效率就越高；漏失電壓（VDROP）指輸出電壓在容差范圍內的最小輸入輸出壓差，該值越小，則電源電壓轉換效率越高。對于采用PNP調整管的LDO線性穩壓器，Iq≈IDRV＝IO／β（β為PNP的電流放大倍數），VDROP＝VSAT（VSAT為PNP的飽和壓降）［1］。由于在現有工藝下，一般橫向PNP的電流放大倍數為50左右，參數漂移較大；VSAT的性能也不好。此設計采用了某工藝下一種自由集電極的縱向PNP，標準單管在集電極電流為－100μA、集電極與發射極壓差為－5 V時，β為160，上下漂移50；在集電極電流為－100μA、集電極與基極電流比為10時，VSAT為30 mV左右。因此這種自由集電極的縱向PNP非常適合作調整管。單管的版圖剖面結構如圖4所示。漏失電壓和靜態電流電流特性如圖5、圖6所示。 4 基準電路 由式（1）可知，基準電壓對于LDO線性穩壓器來說是至關重要的。本設計采用了輸出為1．23 V高精度、低溫度系數的帶隙基準源結構，這也表征了穩壓器輸出也會有高精度、低溫度系數特性。根據雙極型帶隙基準電路的基本原理［2，4］，設計的帶隙基準源結構如圖7所示。 Q15，Q18，R13構成VT（VT＝KT／q，稱為熱電壓）發生器，Q19，Q16和Q17構成的電流源精確地保證Q15和Q18的集電極電流相等。Q15，Q18的發射區面積比為1／10，則他們的結飽和電流IS之比為1／10，因此Q15，Q18的BE結壓差ΔVBE為： 其中：VBE為負溫度系數，VT為正溫度系數。 5 誤差放大器 電壓調整率和負載調整率是穩壓器重要的質量參數，他們分別表示了輸入電壓變化、輸出負載變化穩壓器維持輸出在規定值上的能力。根據LDO線性穩壓器的基本原理［1，3］，他們與誤差放大器的直流開環增益成反比。因此誤差放大器的跨導越大，穩壓器的電壓調整率和負載調整率性能越好。另外從圖1中可知誤差放大器的輸出電流直接驅動PNP管，所以誤差放大器必須能夠提供足夠大的輸出驅動電流，并且輸出驅動電流必須能跟隨負載的變化，該誤差放大器的偏置電流源也必須能隨著負載的變化，而誤差放大器本身必須在負載變化時，仍處于放大狀態，保持強烈的負反饋從而實現穩定的輸出。 根據以上所述，本文給出如圖10所示的設計電路，誤差放大器輸出電流在小電阻R6上的壓降控制Q4的動態負載，當穩壓器輸出負載電流增大，則誤差放大器輸出電流增大，R18上的壓降升高，而使動態負載增大，這樣才能給調整管提供更大的驅動電流。此設計的誤差放大器的差分輸入對管與調整管同為自由集電極的縱向PNP，這使誤差放大器具有高傳輸跨導，低輸入失調［5］。 6 過溫過流保護電路 過溫過流保護電路對于LDO線性穩壓器來說是必要的。當穩壓器工作溫度超過允許的最高結溫時，過溫保護電路使穩壓器停止工作，從而不產生功耗，實現了降溫，防止了穩壓器燒壞；當穩壓器因短路或其他原因使輸出電流過大時，過流保護電路使穩壓器迅速減流，以防因電流過大而使穩壓器損壞。本設計中穩壓器最高工作溫度為125℃，輸出限制電流為200 mA，電路形式如圖11所示。常溫下，Q12的BE結電壓被設為低于他的導通壓降，當溫度升高時，NPN管的導通壓降以約2 mV／℃下降，因此A點電位隨著溫度的升高而不斷升高，直到Q12管導通，此時誤差放大器的偏置電流，全被拉向Q12，這樣誤差放大器將停止工作而使調整管無驅動，輸出為零。 過流保護電路與過溫保護電路有點類似，在穩壓器的工作電流范圍內，Q11截至，當穩壓器輸出電流增大到200 mA時，此時調整管的基極電流將達到2 mA，電流檢測電阻R7上的壓降將使Q11導通，形成負反饋，把輸出電流限制在這個值上。 7 結語 LDO線性穩壓器主要應用于便攜式的電子產品中，而且日益廣泛。CMOS型的LDO線性穩壓器也正在發展中，但是他存在著CMOS工藝本身帶來的弱點，而且由于PMOS調整管有較大的柵極寄生電容，使得穩定性補償不易控制。本文從穩壓器的拓撲結構入手，對每個模塊都進行了詳細的分析和設計，采用某雙極工藝，實現的LDO線性穩壓器具有低漏失電壓、低靜態電流特性，將具有很好的應用前景。 參考文獻 1）Bang Lee S．Technicalreview of low dropoutvoltage regulator operation and performance［M］．Application Report SLVA072，2000． 2）PaulGray R，PaulHurstJ，Stephen Lewis H，et al．Analysis and design of analogintegrated circuits［J］．Fourth Edition．JohnWiley＆Sons．Inc．，2001：317～327． 3）李玉山，來新泉．電子系統集成設計技術［M］．北京：電子工業出版社，2002． 4）復旦大學微電子教研組，集成電路設計原理—模擬集成電路設計［M］．北京：高等教育出版社，1983． 5）李清泉，黃昌寧．集成運算放大器原理與應用［M］．北京：科學出版社，1984． |
