淺談低電壓低靜態電流LDO的電路設計 - 全文

　　摘要：設計一種低電壓低靜態電流的線性差穩壓器。傳統結構的LDO具有獨立的帶隙基準電壓源和誤差放大器，在提出一種創新結構的LDO，把帶隙基準電壓源和誤差放大器合二為一，因而實現了低靜態電流消耗的目的。設計采用CSMC0.5 μm 雙阱CMOS工藝進行仿真模擬，這種結構LDO在輕負載情況下靜態電流僅為1.7 μA，輸出暫態電壓最大變化為9 mV.

　　隨著過去幾十年里掌上智能終端快速發展，低壓差的線性穩壓器（Low Drop-out Regulator，LDO）因其具有低功耗、高的電源抑制比、體積小、電路設計簡單等優點得到大量應用。LDO大部分時間工作在低負載應用，因此，其在低負載情況下的靜態電流消耗決定著電池的壽命。當今的LDO發展趨勢是低電壓、低靜態電流來延長電池使用壽命。然而，低靜態電流會導致不穩定性，帶來大的輸出電壓暫態變化，必須在靜態電流和輸出暫態特性進行合理的折中。相比于傳統LDO采用分立結構的帶隙基準電壓源和誤差放大器，本文給出一種創新結構的LDO，將帶隙基準電壓源和誤差放大器兩個模塊合二為一，因此更容易實現低靜態電流消耗，低暫態電壓變化。

　　1 LDO電路分析

　　圖1給出精簡結構的LDO，僅僅包括4條主要的電流支路，分別是：增益級、緩沖級和2個PTAT電流源。

　　相比傳統結構LDO，精簡結構將帶隙基準電壓源和誤差放大器合二為一，因此在其他性能不變情況下，可將電路靜態電流消耗減小到原來1 2 左右。

　　這個電路存在兩個缺點：輸出電壓為帶隙基準電壓不可調；需要使用NPN晶體管，而標準CMOS工藝中并不存在NPN晶體管。由于如今的SoC趨向工作在低電壓環境，因此這種結構能夠有充足的應用場合。第二個問題在單片設計時候，采用雙阱CMOS工藝，只需增加一道掩膜工藝，費用增加不多，因此兩個問題實際應用并不明顯。

　　1.1 帶隙基準電壓分析

　　三極管基射級電壓和熱力學電壓分別具有負、正溫度系數，因此帶隙基準電壓的原理是疊加三極管基射級電壓和熱力學溫度電壓，達到在室溫下的零溫度系數。

　　在精簡LDO結構中，晶體管Q3和電阻R2定義帶隙基準電壓，流過R2為PTAT電流。通過鏡像流過晶體管Q1電流。晶體管Q3偏置到集電極電流。因此，在環路中，晶體管Q1和Q3將調整到相同的基射級電壓值。尤其環路比較高的情況下，這種調整是相當精確的。因此，通過合理設計電阻R2和R3，晶體管Q1，Q2和Q3有相同的集電極電流。因此：

　　式中：IS 是三極管飽和電流；β2 是晶體管Q2的電流增益；n 是晶體管Q2和Q1射級面積比。通過式（1）可以得到PTAT電流：

　　因此通過晶體管Q3的基射級電壓和R2電壓疊加即可得到輸出電壓值：

　　調整電阻比值，使VT 系數值為17.2，即可得到溫度系數為零的帶隙基準電壓。

　　1.2 LDO頻率分析

　　精簡結構LDO中包含三個低頻極點，分別處在增益級的輸出，緩沖級的輸出和LDO的輸出節點，分別如下：

　　式中：ro1 和C1 分別是增益級輸出電阻和負載電容；ro2是緩沖級輸出電阻；Cpar 是功率管寄身電容；rop 是LDO輸出級的等效電阻；CL 為輸出負載補償電容。為了保證LDO有個良好的輸出暫態特性，CL 取值一般很大，因此極點p3 為LDO環路的主極點。晶體管Q3集電極電流偏置為PTAT電流，因此增益級的輸出阻抗隨輸出負載電流和輸入電壓變化不大，同時增益級的負載電容主要由緩沖級輸入電容決定，所以極點p1 位置相對穩定，故可以采用一個左半平面的零點補償。類似如傳統LDO，本文采用一個電阻resr 與輸出補償電容串聯方式，獲得一個左半平面零點：

　　基于上述分析，精簡結構LDO的開環傳輸函數為：

　　式中.其中：gmQ2 ，gmQ3 和gmp 分別代表晶體管Q2，Q3和功率管的跨導；Rπ 3 是晶體管Q3的輸入電阻。當p1 和z1 匹配比較精確，LDO環路只有兩個低頻極點p2 和p3 。因此，為了獲得60°的相位裕度，必須：

　　2 電路設計與實現

　　本文所提的低電壓、低靜態電流的精簡結構的LDO如圖2所示。LDO的輸出級是一個A類共源級電路，包括PMOS功率管M1，三極管Q1、Q2，電阻R1，R2，R3，Resr和輸出負載補償電容C1.功率管M1有非常大的寬長比來驅動比較大的負載電流。因此M1的溝長選取最小的值，達到盡可能小的寄身電容和尺寸面積。為了獲取好的暫態輸出特性以及環路穩定，輸出補償電容取5 μF.帶隙基準電路包括三極管Q1，Q2，Q3和電阻R1，R2，R3.選取Q2的射級面積為Q1和Q3的射級面積8倍，這是Q2面積和R2阻值折中結果。三極管Q3和晶體管M6構成一個共集電極的電路，為環路提供高增益。緩沖級包括晶體管M2，M3和M4.因為NMOS源跟隨器，在低負載情況下并不能完全關斷功率管，PMOS源跟隨器并不適合本電路的1.35低電壓環境，所以選用了二極管連結的PMOS負載共源級電路作為緩沖級。這種結構不僅獲得低的輸出阻抗，同時達到180°的相位偏移，使整個閉環環路構成一個負反饋。M3作用是在低負載電流的情況是為M4提供一些偏置電流，否則可能出現M4的柵源電壓過低，導致三極管Q3進入飽和狀態，降低Q3的電流增益，影響帶隙基準電壓的精確度。通過Q4和M7構成的偏置電路，使得三極管Q1，Q3有相等的集電極電流。晶體管M5，M8和M9構成LDO的啟動電路。在剛有電壓輸入情況下，M8和M9構成一個反相器輸出一個低電壓信號，使M5導通來啟動整個電路。

　　3 電路仿真結果

　　基于CSMC 0.5 μm 雙阱CMOS 工藝仿真模型，采用Cadence仿真軟件對精簡結構LDO進行了三個工藝角（tt，ff，ss）下仿真驗證。這個系統設計指標的是讓LDO驅動最大30 mA的負載電流，同時保持輸出電壓穩定在1.14 V，輸入電壓最小為1.35 V.LDO 的溫漂曲線如圖3所示。