低压无片外电容的LDO稳压器设计.docx
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低压无片外电容的LDO稳压器设计
论文题目:
低压无片外电容的LDO稳压器设计
学科专业:
微电子学与固体电子学
研究生:
赵博
指导教师:
卢刚副教授
摘 要
近年来随着便携式电子产品普及,电源管理也逐渐走热。
低压差线性稳压器以其结构简单、占用芯片面积小和输出噪声低等优点被广泛应用于便携式电子产品中。
随着SOC的快速发展,无片外电容的LDO将会成为LDO设计的主要研究方向。
传统的LDO线性稳压器是借助于片外大电容补偿电路和改善瞬态响应性能,片外电容在微法数量级,此大电容不适合在芯片上集成。
如果输出端不接片外大电容,电路的补偿和瞬态性能提高成为无片外电容LDO设计的难点。
本文首先介绍了LDO稳压器的拓扑结构和工作原理,并且详细论述了目前两种典型的内补偿方法:
压控电流源补偿和零极点对补偿。
本文提出一种双电容补偿LDO稳压器的方法,补偿电容非常小,不到一个皮法。
并且采用一种高性能运放加快环路响应速度,从而提高瞬态响应性能降低输出波纹。
然后设计了偏置电路和保护电路,并且对整体性能进行了仿真。
芯片采用TSMC0.18μmMM/RF1P6M1.8V/3.3V工艺,仿真工具为Cadence的spreture,LDO的输出电压为1.2V,最大输出电流为100mA,输入电压1.4V~4V。
关键词:
无片外电容LDO;双电容补偿;瞬态响应;0.18μm
Title:
DESIGNOFLOWVOLTAGEOFF-CHIPLDOREGULATOR
Major:
MicroelectronicsandSolidElectronics
Name:
赵博 Signature:
Supervisor:
AssociateProf.LuGang Signature:
Abstract
Inrecentyears,withthepopularityofportableelectronicproducts,powermanagementisalsograduallybecominghot.Lowdropoutvoltagelinearregulatoriswidelyusedinportableapplicationsforitssimplestructure,smallchipareasandlowoutputnoise.WiththedevelopmentofSOC,withoutoff-chipcapacitorLDOwillbecomethemainresearchdirectionsofLDO.TraditionalLDOlinearregulatorusesoff-chipcapacitortocompensatecircuitsandimprovethetransientresponseperformance.Theoff-chipcapacitorisseveralμF,soitisnotsuitableforintegratingonchip.Sowithoutanyoff-chipcapacitors,compensatingtheLDOandimprovingtransientperformanceisdifficultiesindesign.
ThispaperintroducestopologyandbasicprinciplesoftheLDO,And twotypicalwaysofcompensationarediscussedindetail:
voltage-controlledcurrentsourceofcompensationandzero-polepairsofcompensation.ThispaperpresentsadualcapicitorscompensationmethordtocompensateLDOregulator,compensationcapacitorsareverysmall,lessthan1pF. Andahighperformanceamplifierisdesignedtoenhanceloopresponse.Inthisway,transientresponseperformancewillbeimprovedandoutputripplewillbereduced.Thenwedesignthebiascircuitsandprotectioncircuits,andsimulatetheoverallperformanceoftotalcircuits.
UsingTSMC0.18μmMM/RF1P6M1.8V/3.3Vprocess,simulationtoolsisSprectreofCadence.OutputvoltageandmaximumcurrentofLDOare1.4Vand100mA.Therangesofinputvoltageisbetween1.4Vto4V.
Keywords:
withoutoff-chipLDO,dualcapicitorscompensition,transientresponse,0.18μm
1引言
1.1电源管理简介
随着半导体设计和工艺的不断进步,便携式电子产品如手机、数码相机、笔记本电脑、MP3/4等的应用日益广泛,特别是在进入3G时代后,手机的功能不断增多,如浏览网页、拍摄数码相片,播放音视频、电子地图、卫星定位等各种新的功能。
随着电子产品功能的增多和性能的提高,对供电系统提供电压的大小、稳定性、效率和成本的要求越来越高。
电源管理中的直流变换器【1】【2】主要包括LDO线性稳压器、DC/DC变换器和电荷泵变换器。
(1)线性稳压器(LDO)
线性稳压器最大的损耗是压差,而新型线性稳压器一直在为减小压差而努力。
几年前,低压差的水平为几百毫安。
当输出电流为100mA时,压差可以做到100mV左右的水平(压差的大小与输出电流几乎成正比),1999年可做到60~80mV/100mA,但到2000年压差已能做到40~50mV/100mA(典型值)水平、例如,MAX1735负压LDO线性稳压器在200mA输出时,其典型值仅80mV。
在大电流输出的情况下,压差与输出电流的比值可做到更小,而且压差与输出电流关系不大。
例如,在1~7.5A输出电流时,典型的电压为200~700mV。
例如,德州仪器公司的TPS75133Q在1.5A输出时,典型压差为160mV;TPS75233Q在2A输出时,典型压差为210mV(2003年产品)
(2)DC/DC变换器
DC/DC变换器是直流变换器中效率较高的变换器,采用同步整流技术,效率可提高3%~5%,其效率可达88%~97%。
例如LTC402微功耗同步整流升压是变换器,其效率高达97%。
过去认为电感开关变换器的工作电流比线性稳压器大,但现在以做到同一水平了。
例如,MAX105升压翻转器,其工作电流仅18A。
(3)电荷泵电路
电荷泵电路主要用于电压反转器,即输入为正电压、输出为负电压,它可以简化电气电子产品的电源设计。
由于工作频率采用2~3MHz,因此电容容量较小,可采用多层陶瓷电容(损耗小、ESR低),不仅可提高效率及降低噪声,并且减小了电源空间。
无论线性稳压器还是开关稳压器、电荷泵电路,输出电压中都有一定的噪声(一种杂乱无章的高频成分),线性LDO的输出噪声最低,一般可以做到几十微伏,最好的可以做到20~30微伏。
电感式开关稳压器及电荷泵的输出噪声则较大,一般低噪声产品是几十毫伏,如60~30毫伏;而普通不是低噪声产品的则可达上百毫伏。
由于线性LDO的低噪声产品比开关式变换器的低噪声产品的噪声要小1000倍左右,所以在某些模拟电路中,虽然线性LDO的效率低,但仍然被广泛应用。
1.2研究背景及意义
便携电子设备不管是由交流市电经过整流(或交流适配器)后供电,还是由蓄电池组供电,工作过程中,电源电压都将在很大范围内变化。
比如单体锂离子电池充足电时的电压为4.2V,放完电后的电压为2.3V,变化范围很大。
各种整流器的输出电压不仅受市电电压变化的影响,还受负载变化的影响。
为了保证供电电压稳定不变,几乎所有的电子设备都采用稳压器供电。
小型精密电子设备还要求电源非常干净(无纹波、无噪声),以免影响电子设备正常工作。
为了满足精密电子设备的要求,应在电源的输入端加入线性稳压器,以保证电源电压恒定和实现有源噪声滤波。
LDO稳压器在各种便携式电子产品和以电池作为电源的系统中有着非常广泛的应用,故在近几年得到迅速发展并不断更新换代。
LDO稳压器的市场非常大,而且前景诱人,因而世界著名的半导体厂商无一不在研发和生产这类器件。
具体到某一个便携式电子设备,所需LDO稳压器并非是一个。
例如,在GSM电源管理系统中,就有6个LDO稳压器,其中包括模拟LDO、TCXOLDO、实时时钟(RTC)告警LDO和存储LDO稳压器等。
与其他IC比较,LDO稳压器IC的制造难度并不大。
我国IC制造厂商也正在把握LDO器件的巨大商机。
同时,国内业界对LDO稳压器IC的发展动态页给以了高度的重视。
为了满足市场对更高效率、更高电源密度、更小占位面积、更大可靠性和更低成本的需求,各大IC公司不断推出新的产品。
例如,德州仪器公司(TI)于2006年6月推出的开S74XXX系列LDO,有无电容都可以稳定工作,且在线路、负载及温度变化条件下的稳压误差仅1%。
凌特公司(LinearTeehnology)于2006年9月推出的LTC3446,集成了两个300mAVLDO(超低漏LDO)和一个同步降压型稳压器,可实现90%的高效率且最大限度地降低了噪声,并实现了快速瞬态响应。
新一代高性能LDO正朝着超低压差、高精度、小封装尺寸和无输出电容等方向快速发展。
麦克雷尔(Micrel)于2008年8月推出具有低输入电压性能的低压差线性稳压器(LDO)的系列产品MIC5313/4/5/6。
MIC5313/4/5/6系列产品整合了两个能够以低至1.7伏的输入电压运行且仅需消耗37微安总静态电流的LDO。
为了在低电压轨中稳压并提供尽可能最高的转换效率,MIC531x系列产品采用了非常低的压差设计方案。
当两个通道都起作用时,双稳压器中的任何一个都能够供应高达300mA的输出电流,而仅需消耗37微安的总静态电流。
低静态、低输入电压性能以及低静态电流的结合使MIC531x系列产品能够在需要连续供电的要求严格的应用中使用。
MIC5313/4/5/6产品系列还支持使用非常小的陶瓷输出电容器,从而降低所需的电路板空间和组件成本。
该产品系列以固定的输出电压推出。
此外,这一系列产品还提供高电源抑制比(PSRR)、POR、电压调度、快速的开启时间、电流限制和过热关闭保护功能,并可在零下40度到125度的温度范围内运行,MIC5313/4/5/6系列产品目前均已批量销售,每1000件的起定价为每件1.29美元。
1.3低压差线性稳压器(LDO)概述
1.3.1LDO简介
线性稳压器即线性电压调节器,其输入与输出之间的电压差是一个非常重要的技术指标,为减小稳压器的自身损耗,提高系统效率,人们总是希望稳压器本身的电压降尽可能小一些。
输入电压与输出电压之间差值比较小的稳压器,被称作低压差线性稳压器(LowDropoutLinearRegulator)。
突出的优点有以下几个方面:
1、内部结构简单,成本只有开关电源的几分之一;2、线性稳压器的封装非常适合应用在便携电子设备中,如移动电话、无线调制解调器和掌上电脑等;外围电路简单,对于固定电压输出的使用场合,外围电路只需要两个小电容即可构成整个电源设计方案;3、输出电压噪声较其他电源芯片低,非常适合构成对噪声敏感的音频电路的供电电路。
近一两年中,很多新型LDO稳压器相继投入市场,总的发展趋势如下【5】:
1、超低压差。
目前,150mA的LDO稳定器(如SA57000)在50mA输出电流下的压差仅约55mV,300mA的LDO稳压器(如MAX8860)在200mA输出电流下的压差仅约100mV。
传统1A的LDO稳压器的压差不低于0.3V(如AN80PXXRSP系列),而新型1A的LDO稳压器的差压降至0.2V(如MAX8869和REG104)。
2、超低功率。
像MAX1725/MAX1726这类LDO稳压器IC,在2μA的超低电源电流下保证正常工作,在以电池作为电源的系统中应用能够延长电池的使用寿命。
3、超低噪声。
目前,新一代LDO稳压器的噪声电压一般控制在30μV左右。
4、小输入电容和无输出电容器。
50mA~1ALDO稳压器,大多可使用1μF小容量的输出电容器,同时可采用小型陶瓷电容器或微型多层陶瓷电容器。
有些LDO稳压器,甚至不需要输出电容器。
因此,PCB尺寸大大缩小,同时节约了空间。
5、多功能化。
新一代LDO稳压器IC,大多带有热关断和输出电流限制等保护功能。
有些LDO器件还带有输出开/关控制、输出电压可调和反向电压保护等功能。
6、采用小型封装和超小型封装。
如5脚SOT23、5脚SC70、3脚SOT223和8脚SO封装。
DFN和SOT-23封装的微功率LDO稳压器可承受高达100V的输入电压。
1.3.2LDO分类
1、按静态消耗电流大小分为
(1)全向功耗LDO(OmniPowerLDO)是一种静态电流稍大但性能优于三端稳压器的新型线性稳压器,其静态电流在100~1mA。
其产品有AAT3219/3200/3201/150mA,适用于使用AC/DC固定电源的所有电子、电器产品。
(2)微功耗LDO(MicroPower)是一种微安功耗的低压差线性稳压器,具有极低的自由噪声和较高的电源纹波抑制能力(PSRR),具有快捷的使能控制功能,其静态电流在10~100。
其产品有AAT3236/150mA、AAT3236/300mA,使用与在需要低噪声的手机电源中。
(3)毫微功耗LDO(NanoPower)是一种毫微功耗的低压差线性稳压器,具有极低的静态电流,稳压十分精确,其静态电流小于10,其产品有TMLDOAAT3220/21/22/150mA,适用于PDA、eBOOK、DSC、手持需要节电电子产品。
2、按导通元件的不同可分为【3】:
(1)标准的(NPN达林顿)线性稳压器
(2)低压差(LDO)线性稳压器
(3)超低压差线性稳压
1.3.3LDO的应用
(1)交流供电的低压差线性稳压器【4】【10】
图1-1交流供电的应用
Fig1-1LDOusedinAC-power.
图1-1所示为一种最常见的交直流转换电路,交流电源电压经变压器后,变换成所需要的电压,该电压经整流后变为直流电压。
在该电路中,LDO线性稳压的作用是:
在交流电源电压或负载变化时稳定输出电压,抑制纹波电压,消除电源产生的交流噪声。
(2)采用电池供电的低压差线性稳压器
图1-2电池供电中的应用
Fig.1-2LDOusedinbattery
各种蓄电池组的工作电压都在一定范围内变化,为了保证蓄电池组输出恒定电压,通常在电池组输出端接入LDO线性稳压器,如图1-2所示。
LDO线性稳压器的功耗较低,因此可以延长蓄电池的使用寿命。
同时,由于LDO线性稳压器的输出电压与输入电压接近,因此在蓄电池接近放电完毕时,仍可保证输出电压稳定。
(3)开关电源的后置线性稳压器
图1-3开关电源的的应用
Fig.1-3LDOusedinswitchingpower
开关电源的后置线性稳压器电路如图1-3所示。
开关电源以电源效率高而著称,但其输出噪声和纹波较大。
将线性稳压器接在开关稳压器后面构成的复合式稳压电源,兼有开关电源和线性稳压电源的优点,不仅电源效率很高,而且稳压性能好,输出噪声极低,可获得纯净的直流输出电压。
(4)多路输出式低压差线性稳压器
无线电通信设备通常只用一块电池供电,但各部分电路常常采用互相隔的不同电压,因此必须由多只稳压器供电。
为了节省共电池的电量,通常设备不工作时,都希望LDO线性稳压器工作于睡眠状态。
为此,要求LDO线性稳压器具有使能控制端。
单块蓄电池供电的多路输出且具有通断控制功能的供电系统如图1-4所示:
图1-4多路控制器中的应用
Fig.1-4LDOusedinmulti-channelcontroller
1.4本文的主要工作
本文的主要工作是设计一种低电压无片外电容的低压差线性稳压器,工作电压范围是1.4V~4V,输出为稳定的1.2V直流电压,压差小于200mV。
系统采用0.18µmCMOS工艺实现,进行了关键电路模块的设计并结合Cadence软件进行电路模块及系统的仿真结果验证。
本文各章节内容安排如下:
(1)第一章介绍了电源管理分类、研究背景和意义;并简单介绍了LDO的分类、特点和应用。
(2)第二章简单介绍了LDO稳压器的基本拓扑结构及其工作原理,着重分析了
几个性能参数,从而为设计提供了理论依据;
(3)第三章是分析系统的稳定性,首先介绍了基本的稳定性理论,并分析了两种典型的补偿方法:
压控电流源补偿和零极点对补偿。
在此基础上,提出了本文的补偿方案:
上电容补偿方法,并对提出的补偿方法做了详细的论述,推导出系统的零极点,根据零极点的分布情况,手工绘制了系统的波特图。
(4)第四章详细论述了各模块的基本原理,根据原理设计了各个模块的电路,并使用Candence仿真了各模块的不同性能。
(5)第五章将所设计的各模块搭建成系统,通过仿真系统各性能参数,验证了所设计LDO系统的可行性。
(6)第六章总结了本文所做工作。
2LDO的基本原理及性能参数
LDO线性稳压器是一个恒压电源,它能根据负载和输入电压的变化调节自身的输出电阻和电流,从而稳定输出电压。
2.1LDO的核心电路构成
图2-1LDO电路原理图
Fig.2-1LDOschematic
图2-1所示为LDO工作原理图,主要由误差放大器、调整管(Mp)、基准电压源(Vref)和反馈网络(R1和R2)组成【6】。
(1)调整管(Mp)
调整管时宽长比很大的PMOS管,其栅极接误差放大器的输出,通过误差放大器的输出电流驱动PMOS的栅极电压为负载提供所需的输出电流,并且稳定输出电压。
其结构有NPN达林顿管、PNP和NPN结构、功率MOSFET。
(2)误差放大器
其同相输入端和反相输入端分别接反馈电压Vfb和基准电压Vref,输出端接调整管(Mp)的栅极,当反馈电压与基准电压不相等时,误差放大器将这两个电压的差值放大后来驱动调整管(Mp)的栅压,从而使反馈电压等于基准电压,即Vfb=Vref。
所以,设计高增益和大驱动能力的误差放大器是非常必要的。
(3)基准电压源
基准电压为LDO提供参考电压,其电压的精度和稳定性直接影响LDO输出的精度和稳定性。
本文采用低压基准电压电路结构,不仅可以产生所需的基准电压,而且精度也比较高。
(4)反馈网络
反馈网络是采用电阻分压的方式将输出电压按比例反馈到误差放大器的输入端,并与参考电压Vref进行比较。
反馈电压与输出电压的关系为:
,所以,可以通过调节来改变这两个电压的比例关系,即反馈系数。
2.2工作原理
电源上电时,启动电路使基准电压源工作在正常状态,在误差放大器的反相输入端提供一个精确的参考电压Vref。
反馈网络通过电阻将输出电压分压,把得到的反馈电压Vfb接到误差放大器的同相端。
误差放大器比较器输入端的基准电压和反馈电压,将其输入的误差放大后驱动调整管的栅极,通过改变调整管的输出电流,从而使输出电压稳定在一个固定的电压值,最终使反馈电压近似等于基准电压【7】。
由基准电压源、误差放大器、功率调整管和反馈网络组成的系统是一个负反馈系统,闭环系统的各电压关系满足下式:
(2-1)
(2-2)
A是误差放大器和调整管组成的运放增益,是反馈系数,,假设βA>>1,则输出电压为:
(2-3)
2.3设计参数
设计参数是LDO整体性能的衡量标准【8】【9】,通过对设计参数的推导,可以了解个参数的决定因素以及参数之间的关系。
从而在设计电路时能更好的均衡考虑参数的设计,最终能设计出一个高性能的线性稳压器。
下面对LDO设计过程中所需要考虑的各种要素进行详细的说明与分析。
2.3.1最小压降(DropoutVoltage)
图2-2压差原理图
Fig2-2Dropoutschematic
LDO的最小压降定义为:
在一定负载情况下,LDO能够保证输出稳定电压所需的最小输入电压与输出电压的差值。
早期采用NPN达林顿管作为调整管,其压差在2.5V~3V之间;改用PNP和NPN结构后,其压差降为1.2V~1.5V之间;在现代低压线性变换器中多采用功率MOSFET,其压差可降至零点几伏。
负载一定时,压降越低,LDO自身的功耗越小,稳压器的效率越高。
2.3.2静态电流
静态电流定义为输入电流与输出电流之差,它的大小决定了LDO自身的功耗,影响LDO的转换效率,此电流为出调整管之外其他模块所消耗的电流。
其计算入下:
(2-4)
在满足设计的主要性能不受影响的情况下,要想提高电流的使用效率,应尽可能减小LDO内部各模块的偏置电流。
2.3.3效率
效率为输出功率与输入总功率之比,反映了LDO对电源能量的有效利用率,表达式入下:
(2-5)
其中Vout是输出电压,Iout是输出电流,Iq为静态电流,Vin为输入电压。
从效率的表达式可看出,降低芯片自身的功耗和减小输入与输出的压差可以提高效率。
2.3.4线性调整率
线性调整率定义为:
输入电压变化时,输出电压相对于输入电压变化的比率,它是衡量输出电压对输入电压的稳定性能,该值越小,说明输入电压的变化对输出电压的影响越小,LDO的性能越好。
假设输入电压变化为,引起输出电压的变化为,线性调整率的计算公式为:
(2-6)
当LDO的负载为RL,反馈电阻为R1和R2,则输出端的等效电阻为:
(2-8)
设误差放大器的曾以为A,调整管的跨导为gm,调整管的源
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