高性能低壓差線性穩(wěn)壓器研究與設(shè)計.pdf

1、在2007～2009年中國電源管理芯片市場產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)查中，低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)的市場占有率一直排名第一．之所以廣大消費類電子產(chǎn)品對LDO芯片擁有大量并持久的需求，是由于LDO芯片可以為后續(xù)電路提供穩(wěn)定低噪的電壓，并且只占據(jù)少量的PCB板面積和消耗極低的功耗。此外LDO的電路架構(gòu)還十分適合作為IP集成到片上系統(tǒng)中(SoC)。隨著市場的變化和技術(shù)的進(jìn)步，對LDO芯片的性能要求也在不斷地提高。更高的轉(zhuǎn)換效率、更低的功耗、更少的外圍器件以

2、及更高的電源噪聲抑制逐漸成為LDO芯片的研究熱點和發(fā)展趨勢。
　　 本文首先對實現(xiàn)高性能LDO的關(guān)鍵問題通過系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行了分析研究，具體主要在納安級基準(zhǔn)電流源、LDO頻率補償方案、LDO大信號響應(yīng)，以及閉環(huán)系統(tǒng)電源噪聲傳遞函數(shù)四個方面進(jìn)行了深入的理論研究和探討，提出了具有創(chuàng)新意義的電路結(jié)構(gòu)：1）30nA基準(zhǔn)電流源；2)基于新型有源受控電阻的3種零點追蹤頻率補償方案；3）4種擺率增強電路；4）基于電源噪聲抵消抵消技術(shù)的4種高PSR

3、RLDO實現(xiàn)方案。
　　 本文基于上述電路模塊結(jié)構(gòu)，采用CMOS混合信號工藝，設(shè)計并實現(xiàn)了三款高性能LDO芯片：1）3μA超低靜態(tài)電流的低功耗LDO芯片；2）無片外電容的LDO芯片；3）高電源噪聲抑制的LDO芯片（PSRR=-70dB@1kHz）。測試結(jié)果驗證了設(shè)計思想。
　　 在納安級基準(zhǔn)電流源的研究中，要分析了電源電壓變化對基準(zhǔn)電流的影響機(jī)制，提出一款三支路結(jié)構(gòu)，有效地降低了電源噪聲對基準(zhǔn)電流的影響。并利用CSMC0

4、.6μm混合信號工藝中，不同電阻間溫度系數(shù)的差別以及二極管反向電流的溫度特性，在-40度到130度的溫度范圍內(nèi)，將基準(zhǔn)電流的精度控制在30±0.6nA。
　　 由于LDO芯片的輸出極點具有106數(shù)量級的變化，有效的頻率補償方案就是產(chǎn)生一個隨之變化的動態(tài)零點，從而實時的抵消掉輸出極點對環(huán)路穩(wěn)定性的不良影響。在本文中，提出了一種新型的有源受控電路生成電路，能有效地抑制傳統(tǒng)有源受控電阻中低精度、受工藝漲落以及MOS管體效應(yīng)影響較大等缺

5、點；進(jìn)而可以產(chǎn)生精確地受控零點。在該有源受控電阻基礎(chǔ)上，分別實現(xiàn)了三種零點追蹤頻率補償方案：1）基于帶去零電阻的米勒電容；2）基于單位增益補償模塊；3）基于包含偽ESR電阻的功率級。
　　 由于LDO輸出端電容對輸出電壓有濾波和穩(wěn)壓的作用，為了實現(xiàn)無片外電容LDO芯片的設(shè)計，對LDO大信號響應(yīng)進(jìn)行了系統(tǒng)的分析。在推導(dǎo)出LDO輸出過沖電壓和LDO輸出端電容之間關(guān)系式的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步明確了誤差放大器擺率是抑制無片外電容LDO輸出過沖

6、電壓的關(guān)鍵指標(biāo)。為了繼續(xù)保持LDO芯片低功耗的特性，決定采用擺率增強電路來提供動態(tài)電流，為功率管的柵電容進(jìn)行充放電，進(jìn)而優(yōu)化LDO大信號響應(yīng)過程，并相應(yīng)的提出了4種電路實現(xiàn)方案。本文中的無片外電容LDO芯片設(shè)計中，采用了其中一款首創(chuàng)的“基于微分器結(jié)構(gòu)的擺率增強電路”。該擺率增強電路的采用，使LDO輸出過沖電壓的峰值從VDD下降到VOUT+0.55V。
　　 閉環(huán)系統(tǒng)的電源噪聲的系統(tǒng)研究是一個難點，至今尚未見詳細(xì)報道。為了彌補這一