论文部分内容阅读
摘要：该文提出了一种低电压、高稳定性低压差(LDO)线性稳压器，该LDO线性稳压器可输出6种可调电压（2.0V、1.8V、1.6V、1.4V、1.2V、1.0V）。LDO的基本功能是优化便携设备的电池使用寿命，并且为电路系统提供稳定的输出电压。芯片设计基于CSMC公司的0.18微米CMOS混合信号模型。仿真结果表明，该稳压器的线性调整和负载调整的典型值分别为0.7mV和5mV；输出的最大电流为90mA；其输出压差在90mA输出电流，1.8V输出电压下为170mV。
关键词：低压差线性稳压器；输出可调；静态电流；稳定性；线性和负载调整
中图分类号：TN401文献标识码：A文章编号：1009-3044(2007)12-21684-02
Design of an Adjustable,Low Voltage,High Stability Low Dropout Regulator
MIAO Ying,LIU Zhang-fa,JIANG Ming-fang
(School of Electronics and Information Engineering,Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China)
Abstract:This paper presents the design of a low voltage,high stability,low dropout (LDO) regulator with six different output voltages (1.0V, 1.2V, 1.4V, 1.6V, 1.8V or 2.0V). The basic function of an LDO is to optimize the battery life of portable devices and to provide a constant output voltage to drive small sub-circuits. The proposed LDO was designed using 0.35μm CMOS mixed-signal process of CSMC. The simulation result shows that the line and load regulation are only 0.7mV and 5mV, respectively. The dropout voltage is only 170mV at 90mA output current when output voltage is 1.8V.
Key words:low dropout voltage linear regulator; output adjustable; Quiescent current; line and load regulation.
1 引言
DC/DC变换器已广泛应用于各种移动电子系统中，如移动通信终端、便携式电脑、PDA等。低电压、低压差（Low Dropout, LDO) 线性稳压器具有结构简单、低噪声、低功耗以小封装和较少的外围应用器件等突出优点，在便携式電子产品中得到广泛的应用。在便携电子产品中，丰富的功能对功耗的要求与电池的使用时间之间的矛盾越来越突出，这就要求电源具有极高的转换效率。LDO的电源转换效率定义为
其中Iout是输出电流，Vout为输出电压，Iq为静态工作电流，Vin为输入电压。要使转换效率提高，必须降低输入输出压差Vdropout和静态电流Iq的值。
LDO在功能上属于DC/DC变换器中的降压变压器，在输入电压大于输出电压一定数值时，LDO电路系统具有保证输出电压稳定的特点，从而延长便携设备中电池的使用寿命。但是，如果在输入电压或者是负载电流发生变化时，输出电压值会产生一定的跳变。输出电压的跳变值将通过芯片内部的反馈网络送到误差运算放大器的输入端，放大器输出电压控制输出调整管以稳定输出电压。
LDO可根据其输出电流和电压的能力进行分类。大电流LDO具有输出1Amp或更大的电流的能力，同时高电压LDO的输入电压大于12V。一些LDO可提供可调的输出电压，因此也被称为“可编程LDO”。静态电流和输出压差是设计LDO的关键，因此，减小输出压差和输出电流是设计具有高稳定性能LDO电路的关键。本文提出了一种输出可调、低电压、高稳定性的LDO线性稳压器。
2 LDO线性稳压器的电路设计与性能分析
2.l LDO线性稳压器的系统结构
图l是LDO线性稳压器的结构框图， 由以下几个部分组成：电流偏置电路(Bias)、带隙基准电压源(Vref)、误差放大器(Error Amplifier)、电流限制与短路保护(Current limit)、调整管(Pass Element)、输出电压选择(V_sel)和反馈电阻(R1、R2)。
图1 LDO整体结构框图
其中电流偏置电路为LDO 提供低温漂、高精度的偏置电流。带隙基准源为误差放大器(Error Amplifier)提供参考电压Vref。电压基准源与稳压器不同，它的驱动能力很差，需要额外的电路器件来提供输出电流的能力。
误差放大器将输出反馈电压FB与参考电压Vref进行比较，并放大其差值用来控制调整管的导通状态，从而得到稳定的输出。
调整管(Pass Element)在误差放大器的控制下提供驱动负载的输出电流，广泛使用的结构包括：NPN达林顿管(Darlington)、NPN管、PNP管、NMOS功率管和PMOS功率管。表1比较了这几种结构的基本特性。NMOS功率管和PMOS功率管广泛应用于低电压LDO线性稳压器的结构中，而NPN达林顿管、NPN管和PNP管多用于高压LDO线性稳压器的结构中。
表1 调整管结构参数
由表1可看出，最低的输入输出压差Vdropout可由PMOS功率管(Vsd/sat)和PNP管(Vce/sat)得到，大约为0.1到0.4V。其中PMOS功率管栅极输入变化，其Vsd和内阻也随之改变，从而可得到最低的输入输出压差。折中考虑输入输出压差、静态工作电流、输出电流和速度，PMOS管是最好的选择。LDO的电路设计受调整管的大小影响很大，调整管必须足够大以便形成较大的输出电流和低的输入输出压差。本设计中，调整管提供负载的最大电流为90mA。
反馈电阻提供反馈输出电压，使之与基准电压进行比较。输出电压的值可由公式（2）得到，改变R1/R2的比值可以控制输出电压的值。
在IC设计中，这个比率比绝对的电阻值更容易控制，因此电路将不会受器件的容差影响。此设计中的输出可调性即通过改变这个比率来得到。
2.2可编程（可调）输出电压
此设计的一个主要特征是其输出电压可调，通过调节反馈网络中电阻的比值可使电路在3.3V输入下，输出电压从1V到2V可调输出6种电压（2.0V、1.8V、1.6V、1.4V、1.2V、1.0V）。 输出电压的选择通过使用PMOS管作为开关来实现。PMOS管的源极接反馈电阻的一端，漏端接地，栅极接逻辑控制电路（Logic control），如图2所示。PMOS管栅极电压的高低决定了晶体管是开路还是短路，从而改变了R1/R2的比值。
图2 可调反馈网络
2.3频率补偿分析
在LDO设计中，使用PMOS功率管作为调整管的最大问题是电路可能产生振荡。系统必须有足够的相位裕度（>60°），才能保证稳定。最普遍的方法是在系统中引入一个零点，抵消由极点引起的相移和增益下降。系统有两个极点，一个来自稳压器的控制环路，另一个来自调整管。然而，负载可引入另外一对零极点，其中极点依赖于系统的增益，在反馈路径上形成一个相位移动，从而引起使系统不稳定的振荡。
为了稳定系统，必须有输出电容Cb。利用输出电容的寄生等效电阻（ESR）和外接等效串联电阻（ESR）来产生零点，因而必须适当的选择等效串联电阻（ESR）的阻值，从而适当选择引入的零点来减少或消除相对应的极点。采用图3电路对误差放大器进行仿真。
图3 误差放大器特性仿真回路
(a)負载不同(b)Cb不同
图4 误差放大器相位裕度图
对大多数LDO稳压器来说，ESR存在最大值和最小值。超出一定范围的ESR阻值会引起环路的不稳定性。图4表示了ESR阻值和相位裕度的关系。
3 仿真结果
低电压LDO稳压器采用Cadence公司软件进行设计。它的最大输出电流为90mA，输入电压为1.4V到3.6V，输出电压从1V到2V可调（图5）。
(a)Vout=1.8V (b)Vout=1V
图5 LDO输出电压
三个特征值必须考虑：建立时间、负载调整率、线性调整率。图6显示了该LDO稳压器连接不同负载时的输出电压情况，Vin=3.3V，Iload从0变化到100mA, LDO输出电压变化典型值仅为5mV。当负载连接到稳压器上，系统为了保持输出电压不变，将试图稳定输出电压，这就需要一定的时间来达到这个稳定的状态，这个时间被称为系统的建立时间。负载调整率表示了当负载发生变化时，系统保持输出电压稳定的能力。
图6 LDO负载调整能力
另一种调整率是线性调整率，表示当输入电压发生变化时，系统保持输出电压稳定的能力，如图7所示，输入电压从2V到3V变化，该稳压器线性调整的典型值约为0.7mV。
图7 LDO线性调整能力
4 结论
本文设计了一种低电压、高稳定性的低压差（LDO）线性稳压器，可输出6种可调电压。它具有小的静态电流、良好的线性调整和负载调整能力。该稳压器的线性调整和负载调整的典型值分别为0.7mV和5mV；输出的最大电流为90mA；其输出压差在90mA输出电流，1.8V输出电压下为170mV。
本设计的一个缺点是在反馈网络中使用了电阻，在版图中所占面积较大，因而为了进一步减小版图的面积，可以采用晶体管代替反馈电阻。另一个需要考虑的改进是减小系统的建立时间，可以通过采用一种更好的补偿方法来实现。
参考文献：
[1]Ka Chun Kwok, Philip K. T. Mok. Pole-Zero Tracking Frequency Compensation For Low Dropout Regulator. IEEE J. International Symposium on Circuits and Systems, Scottsdale, Arizona, USA, 2002, 4:735.
[2]G. A. Rincon-Mora, P. A. Allen. A Low-Voltage, Low Quiescent Current, Low Drop-Out Regulator. IEEE J. Solid-State Circuits,1998,33 (1):36.
[3]C. T. Chuang. Analysis of the Settling Behavior of an Operational Amplifier. IEEE Journal of Solid-State Circuits. 1982, 17 (1):74.
[4]B. Y. Kamath, R. G. Meyer, P. R. Gray. Relationship between Frequency Response and Setting Time of Operational Amplifiers. IEEE J. of Solid-State Circuits, 1974, 9 (6): 347.
[5]Hoi Lee, Philip K. T. Mok. Design of Low-Power Analog Drivers Based on Slew-Rate Enhancement Circuits for CMOS Low-Dropout Regulators. IEEE Transactions On Circuits And Systems－II: Express Briefs.
[6]Phillip E. Allen, Douglas R. Holberg. CMOS Analog Circuit Design, Second Edition. Beijing. Publishing House of Electronics Industry, 2002.
[7]K. N. Leung, P. K. T. Mok. A Capacitor-Free CMOS Low-Dropout Regulator With Damping-Factor-Control Frequency Compensation. IEEE Journal of Solid-State Circuits, 2003, 38 (10): 1691.
[8]Lu Boying, et al. Linear Control System. Beijing. Beijing University of Aeronautics and Astronautics Press,1992;卢伯英.等.线性控制理论[M].北京:北京航空航天大学出版社,1992.
“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”
关键词：低压差线性稳压器；输出可调；静态电流；稳定性；线性和负载调整
中图分类号：TN401文献标识码：A文章编号：1009-3044(2007)12-21684-02
Design of an Adjustable,Low Voltage,High Stability Low Dropout Regulator
MIAO Ying,LIU Zhang-fa,JIANG Ming-fang
(School of Electronics and Information Engineering,Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China)
Abstract:This paper presents the design of a low voltage,high stability,low dropout (LDO) regulator with six different output voltages (1.0V, 1.2V, 1.4V, 1.6V, 1.8V or 2.0V). The basic function of an LDO is to optimize the battery life of portable devices and to provide a constant output voltage to drive small sub-circuits. The proposed LDO was designed using 0.35μm CMOS mixed-signal process of CSMC. The simulation result shows that the line and load regulation are only 0.7mV and 5mV, respectively. The dropout voltage is only 170mV at 90mA output current when output voltage is 1.8V.
Key words:low dropout voltage linear regulator; output adjustable; Quiescent current; line and load regulation.
1 引言
DC/DC变换器已广泛应用于各种移动电子系统中，如移动通信终端、便携式电脑、PDA等。低电压、低压差（Low Dropout, LDO) 线性稳压器具有结构简单、低噪声、低功耗以小封装和较少的外围应用器件等突出优点，在便携式電子产品中得到广泛的应用。在便携电子产品中，丰富的功能对功耗的要求与电池的使用时间之间的矛盾越来越突出，这就要求电源具有极高的转换效率。LDO的电源转换效率定义为
其中Iout是输出电流，Vout为输出电压，Iq为静态工作电流，Vin为输入电压。要使转换效率提高，必须降低输入输出压差Vdropout和静态电流Iq的值。
LDO在功能上属于DC/DC变换器中的降压变压器，在输入电压大于输出电压一定数值时，LDO电路系统具有保证输出电压稳定的特点，从而延长便携设备中电池的使用寿命。但是，如果在输入电压或者是负载电流发生变化时，输出电压值会产生一定的跳变。输出电压的跳变值将通过芯片内部的反馈网络送到误差运算放大器的输入端，放大器输出电压控制输出调整管以稳定输出电压。
LDO可根据其输出电流和电压的能力进行分类。大电流LDO具有输出1Amp或更大的电流的能力，同时高电压LDO的输入电压大于12V。一些LDO可提供可调的输出电压，因此也被称为“可编程LDO”。静态电流和输出压差是设计LDO的关键，因此，减小输出压差和输出电流是设计具有高稳定性能LDO电路的关键。本文提出了一种输出可调、低电压、高稳定性的LDO线性稳压器。
2 LDO线性稳压器的电路设计与性能分析
2.l LDO线性稳压器的系统结构
图l是LDO线性稳压器的结构框图， 由以下几个部分组成：电流偏置电路(Bias)、带隙基准电压源(Vref)、误差放大器(Error Amplifier)、电流限制与短路保护(Current limit)、调整管(Pass Element)、输出电压选择(V_sel)和反馈电阻(R1、R2)。
图1 LDO整体结构框图
其中电流偏置电路为LDO 提供低温漂、高精度的偏置电流。带隙基准源为误差放大器(Error Amplifier)提供参考电压Vref。电压基准源与稳压器不同，它的驱动能力很差，需要额外的电路器件来提供输出电流的能力。
误差放大器将输出反馈电压FB与参考电压Vref进行比较，并放大其差值用来控制调整管的导通状态，从而得到稳定的输出。
调整管(Pass Element)在误差放大器的控制下提供驱动负载的输出电流，广泛使用的结构包括：NPN达林顿管(Darlington)、NPN管、PNP管、NMOS功率管和PMOS功率管。表1比较了这几种结构的基本特性。NMOS功率管和PMOS功率管广泛应用于低电压LDO线性稳压器的结构中，而NPN达林顿管、NPN管和PNP管多用于高压LDO线性稳压器的结构中。
表1 调整管结构参数
由表1可看出，最低的输入输出压差Vdropout可由PMOS功率管(Vsd/sat)和PNP管(Vce/sat)得到，大约为0.1到0.4V。其中PMOS功率管栅极输入变化，其Vsd和内阻也随之改变，从而可得到最低的输入输出压差。折中考虑输入输出压差、静态工作电流、输出电流和速度，PMOS管是最好的选择。LDO的电路设计受调整管的大小影响很大，调整管必须足够大以便形成较大的输出电流和低的输入输出压差。本设计中，调整管提供负载的最大电流为90mA。
反馈电阻提供反馈输出电压，使之与基准电压进行比较。输出电压的值可由公式（2）得到，改变R1/R2的比值可以控制输出电压的值。
在IC设计中，这个比率比绝对的电阻值更容易控制，因此电路将不会受器件的容差影响。此设计中的输出可调性即通过改变这个比率来得到。
2.2可编程（可调）输出电压
此设计的一个主要特征是其输出电压可调，通过调节反馈网络中电阻的比值可使电路在3.3V输入下，输出电压从1V到2V可调输出6种电压（2.0V、1.8V、1.6V、1.4V、1.2V、1.0V）。 输出电压的选择通过使用PMOS管作为开关来实现。PMOS管的源极接反馈电阻的一端，漏端接地，栅极接逻辑控制电路（Logic control），如图2所示。PMOS管栅极电压的高低决定了晶体管是开路还是短路，从而改变了R1/R2的比值。
图2 可调反馈网络
2.3频率补偿分析
在LDO设计中，使用PMOS功率管作为调整管的最大问题是电路可能产生振荡。系统必须有足够的相位裕度（>60°），才能保证稳定。最普遍的方法是在系统中引入一个零点，抵消由极点引起的相移和增益下降。系统有两个极点，一个来自稳压器的控制环路，另一个来自调整管。然而，负载可引入另外一对零极点，其中极点依赖于系统的增益，在反馈路径上形成一个相位移动，从而引起使系统不稳定的振荡。
为了稳定系统，必须有输出电容Cb。利用输出电容的寄生等效电阻（ESR）和外接等效串联电阻（ESR）来产生零点，因而必须适当的选择等效串联电阻（ESR）的阻值，从而适当选择引入的零点来减少或消除相对应的极点。采用图3电路对误差放大器进行仿真。
图3 误差放大器特性仿真回路
(a)負载不同(b)Cb不同
图4 误差放大器相位裕度图
对大多数LDO稳压器来说，ESR存在最大值和最小值。超出一定范围的ESR阻值会引起环路的不稳定性。图4表示了ESR阻值和相位裕度的关系。
3 仿真结果
低电压LDO稳压器采用Cadence公司软件进行设计。它的最大输出电流为90mA，输入电压为1.4V到3.6V，输出电压从1V到2V可调（图5）。
(a)Vout=1.8V (b)Vout=1V
图5 LDO输出电压
三个特征值必须考虑：建立时间、负载调整率、线性调整率。图6显示了该LDO稳压器连接不同负载时的输出电压情况，Vin=3.3V，Iload从0变化到100mA, LDO输出电压变化典型值仅为5mV。当负载连接到稳压器上，系统为了保持输出电压不变，将试图稳定输出电压，这就需要一定的时间来达到这个稳定的状态，这个时间被称为系统的建立时间。负载调整率表示了当负载发生变化时，系统保持输出电压稳定的能力。
图6 LDO负载调整能力
另一种调整率是线性调整率，表示当输入电压发生变化时，系统保持输出电压稳定的能力，如图7所示，输入电压从2V到3V变化，该稳压器线性调整的典型值约为0.7mV。
图7 LDO线性调整能力
4 结论
本文设计了一种低电压、高稳定性的低压差（LDO）线性稳压器，可输出6种可调电压。它具有小的静态电流、良好的线性调整和负载调整能力。该稳压器的线性调整和负载调整的典型值分别为0.7mV和5mV；输出的最大电流为90mA；其输出压差在90mA输出电流，1.8V输出电压下为170mV。
本设计的一个缺点是在反馈网络中使用了电阻，在版图中所占面积较大，因而为了进一步减小版图的面积，可以采用晶体管代替反馈电阻。另一个需要考虑的改进是减小系统的建立时间，可以通过采用一种更好的补偿方法来实现。
参考文献：
[1]Ka Chun Kwok, Philip K. T. Mok. Pole-Zero Tracking Frequency Compensation For Low Dropout Regulator. IEEE J. International Symposium on Circuits and Systems, Scottsdale, Arizona, USA, 2002, 4:735.
[2]G. A. Rincon-Mora, P. A. Allen. A Low-Voltage, Low Quiescent Current, Low Drop-Out Regulator. IEEE J. Solid-State Circuits,1998,33 (1):36.
[3]C. T. Chuang. Analysis of the Settling Behavior of an Operational Amplifier. IEEE Journal of Solid-State Circuits. 1982, 17 (1):74.
[4]B. Y. Kamath, R. G. Meyer, P. R. Gray. Relationship between Frequency Response and Setting Time of Operational Amplifiers. IEEE J. of Solid-State Circuits, 1974, 9 (6): 347.
[5]Hoi Lee, Philip K. T. Mok. Design of Low-Power Analog Drivers Based on Slew-Rate Enhancement Circuits for CMOS Low-Dropout Regulators. IEEE Transactions On Circuits And Systems－II: Express Briefs.
[6]Phillip E. Allen, Douglas R. Holberg. CMOS Analog Circuit Design, Second Edition. Beijing. Publishing House of Electronics Industry, 2002.
[7]K. N. Leung, P. K. T. Mok. A Capacitor-Free CMOS Low-Dropout Regulator With Damping-Factor-Control Frequency Compensation. IEEE Journal of Solid-State Circuits, 2003, 38 (10): 1691.
[8]Lu Boying, et al. Linear Control System. Beijing. Beijing University of Aeronautics and Astronautics Press,1992;卢伯英.等.线性控制理论[M].北京:北京航空航天大学出版社,1992.
“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”