一种瞬态增强的无外接电容LDO电路设计

李 旭，冯全源



一种瞬态增强的无外接电容LDO电路设计

李 旭，冯全源

（西南交通大学 微电子研究所，四川 成都 611756）

设计了以增强型AB跟随器作为缓冲级的带瞬态增强电路的线性稳压器（LDO）。在保证LDO环路稳定性的同时，将增强型AB跟随器的偏置电流改为动态偏置电流，同时加入瞬态增强电路来改善系统重载到轻载来回跳变时的瞬态性能。仿真结果表明，该稳压器输入电压2.7~5 V，输出电压2.5 V，压差200 mV，电路空载时静态电流18 μA，最大负载电流100 mA；在输出电容为100 pF时，负载电流以99×10–3A/μs跳变，输出电压下冲和过冲分别为89 mV和110 mV，均在1.5内恢复稳定。

低压差线性稳压器；快速瞬态响应；外接电容；动态电流；增强型AB跟随器；低静态电流

低压差线性稳压器（Low Dropout Regulator, LDO）作为电源管理系统的重要组成部分，以其低噪声、低成本、负载瞬态响应快等优点广泛应用于各类电子设备中[1-4]。无外接电容的LDO既可直接集成在片上系统内部，单独使用时又可节省PCB面积，因此成为目前研究的热点[5]。目前无外接电容LDO设计的主要难点是在不同负载条件下的稳定性和负载变化时输出电压波动太大问题。文献[6]采用一种AB类OTA误差放大器只能保证系统负载电流在0.5~200 mA范围内稳定，并且其过冲电压和静态功耗较大；文献[7]提出的LDO虽然静态功耗低，但是其过冲电压和恢复时间较大，并且系统只能在负载电流为100 μA~100 mA的范围内保证足够的相位裕度。

针对无外接电容LDO的稳定性问题和瞬态响应问题，本文提出的LDO电路采用文献[5]提出的增强型AB跟随器作为缓冲级，在保证LDO环路稳定性的同时，将增强型AB跟随器的偏置电流改进为动态偏置电流以提高轻载到重载的瞬态性能。另外针对从重载到轻载时，输出电压过冲，本文提出了一种新型的负载瞬态增强电路，有效减小了输出电压过冲。

1 无外接电容LDO性能分析

图1所示为一种典型的无外接电容LDO结构，缓冲级用于将误差放大器高输出阻抗和功率管MP的寄生电容CP隔离，避免形成低频极点。对图1所示LDO小信号分析可得环路增益为

式中：EA为误差放大器输出电阻；m为米勒补偿电容；ob为缓冲器输出电阻；P为功率管寄生电容；L为寄生的负载电容，电容值一般为10~100 pF[6-7]；L为负载电阻。由式（1）可知，环路中存在三个极点，包括米勒补偿的主极点、缓冲级和功率管寄生电容形成的次极点、输出级等效负载电容和负载电阻形成的极点，三个极点对LDO稳定性设计带来极大的挑战。

图2所示为电路负载电流瞬态变化时输出电压的变化曲线，输出电压变化量Dout和恢复时间D可表示为

式中：Dout为负载电流变化量；为环路带宽；SR为功率管栅极驱动电流。由式（2）和式（3）可知，要减小Dout可通过增大带宽BW和SR。本文采用瞬态增强电路来动态增加SR，在不改变环路稳定性的同时增加负载瞬态响应速度。

2 无外接电容LDO电路实现

无外接电容LDO电路如图3所示，主要由OTA型误差放大器、增强型AB跟随器、瞬态增强电路、功率级和反馈电阻组成。

2.1 增强型AB跟随器

增强型AB跟随器[5]如图4所示，电路由M10、M11、M12、M13组成。M11、M12为电流镜，流过M12的电流等于流过M11管与M13管之和。其中M12的电流为恒定电流，M11电流为M5的镜像电流，其电流大小在动态时可变，可以提高LDO瞬态响应性能。电路静态工作点可由M11、M12的电流值确定。

在静态时，对增强型AB跟随器进行小信号分析，其小信号模型如图5所示。

分析得增强型AB跟随器的电压增益为

式中：mi为对应MOS管的跨导；oi为输出电阻；P为LDO功率管寄生电容，大概几个pF。

由式（4）可知，增强型AB跟随器的直流电压增益为1，其输出阻抗为

跟随器电路存在一个极点P1：

由上面的分析可知，相对于传统的源极跟随器，增强型AB跟随器输出阻抗更低，可将LDO系统中跟随器与功率管寄生电容形成的极点推到单位增益带宽之外。

在动态时，当负载电流从轻载跳到重载时，输出电压降低，由于补偿电容Cm的存在，误差放大器M9对Cm放电，输出电压a缓慢降低，M10管电流缓慢增加，但是随着输出电压降低，误差放大器中M5管电流迅速减小，则M11管电流迅速减小，而此时M10管电流增大，所以M13管栅极电位迅速升高，M13电流增大，将功率管寄生电容CP上的电荷放掉，输出电压c降低，增大负载电流，稳定输出电压，所以将M11管固定偏置电流改为动态的偏置电流能提高轻载到重载的瞬态响应性能。

2.2 瞬态增强电路

增强型AB跟随器只能加快负载电流增大时的瞬态响应，因此需要增加额外的瞬态增强电路来改善负载减小时的瞬态响应性能。

瞬态增强电路由bias2、Ca、M13、M14、M15、R1组成。bias2和M13为直流偏置，M14、R1可看作共源级放大器，静态时流过R1电流形成的压差小于M15的开启电压，静态时不对系统产生影响。Ca用于检测输出电压的变化，在稳态时，LDO输出out没有变化，当负载增大时，输出电压out减小，经Ca耦合，M14栅极减小，M14电流减小，M15不能导通，不对功率管产生影响；当负载变小时，输出电压增大，M14栅极增大，电流增大，M15导通，电流对功率管寄生电容CP充电，c增大，输出电流减小，输出电压回到设定电压值。

由上面的分析可知，在静态时瞬态增强电路输出电流sr为0，瞬态响应电路在静态时不会对原本的LDO环路稳定性造成影响。

2.3 LDO环路稳定性分析

本文提出的LDO电路小信号模型见图6。

由于误差放大器输出端寄生电容1<

式中：mi为对应MOS管的跨导；oi为输出电阻；P为LDO功率管寄生电容；L为负载电容；L为负载电阻和功率管导通电阻并联值。

系统中主要包含两个极点

其主极点由误差放大器输出电阻和米勒等效电容形成，次极点由输出级等效负载电容CL与RL形成。由式（9）可知，系统的次极点随着负载变化而变化，负载电流越小，次极点越小，对环路稳定性影响越大，尤其在空载时，次极点最小，环路很难稳定。

3 仿真结果

本文的LDO基于0.18 μm BCD工艺进行设计，并用HSPICE软件对提出的LDO电路进行仿真验证。

图7为在25°时，负载电流在0，50 μA，1 mA，100 mA时的环路频率特性仿真结果。由图7可知，系统在负载电流为50 μA时，环路相位裕度为45°，在1 mA，100 mA时相位裕度都为87°左右，可见系统负载电流在50 μA~100 mA范围内具有良好的稳定性。

图8给出了负载瞬态响应仿真结果，当负载电流从1~100 mA以99×10–3A/μs跳变时，输出电压最大下冲89 mV，经过1.5 μs恢复稳定；当负载电流从100~1 mA以99×10–3A/μs跳变时，输出电压最大上冲110 mV，经过1.5 μs左右恢复稳定。

表1是本文的LDO性能仿真结果与其他参考文献对比情况。可见本文的LDO在功耗、负载瞬态响应速度和输出电压过冲等参数均有比较好的性能。

表1 与其他参考文献性能对比

Tab.1 performance comparison with references

文献[3][6][7]本文 工艺/μm0.350.110.350.18 VDrop/mV500200200200 CL/pF1040100100 Iload/mA0~2000.5~2000.1~1000.05~100 IQ/μA4641.51.2~1418 △Vout/mV140385230100 tset/μs161.152.71.5

4 结论

设计了一种带瞬态增强电路的无外接电容LDO电路。仿真结果表明，该电路综合性能优于一般的无外接电容LDO系统。该电路在全负载范围内保持稳定，负载电流在50 μA~100 mA范围内环路相位裕度大于45°。当负载电流以99×10–3A/μs跳变时，输出电压下冲89 mV，上冲110 mV，平均响应时间1.5 μs，响应速度极快。静态电流18 μA，本电路适合于快速瞬态响应的低功耗系统。

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[3] 胡佳俊, 陈后鹏. 一种瞬态响应增强的片上LDO系统设计 [J]. 微电子学, 2012, 42(3): 376-379.

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Design of a capacitor-less low-dropout regulator with transient response enhancement circuit

LI Xu, FENG Quanyuan

(Institute of Microelectronics, Southwest Jiaotong University, Chengdu 611756, China)

A low dropout regulator with transient response enhancement circuit was designed based on enhanced AB follower as buffer. Under the premise of ensuring the LDO loop stability, the bias current of enhanced AB follower was changed to dynamic bias current and a transient enhancement circuit was introduced. The load current’s transient performance was improved when the heavy load jumps into light load to and fro. Simulation results show that when the input voltage range is from 2.7 V to 5 V, the output voltage is 2.5 V, and the dropout voltage is 200 mV. The LDO can supply a load current in 0－100 mA and the quiescent current is 18 μA for empty load, and the output voltage gets stable in 1.5 μs at 100 pF of output capacitances, 99×10–3A/μs of load current step, 89 mV of undershoot voltage, and 110 mV of overshoot voltage.

LDO; fast-transient response; capacitor at the output node; dynamic current; enhanced AB follower; low quiescent current

10.14106/j.cnki.1001-2028.2016.09.011

TN624

A

1001-2028（2016）09-0049-04

2016-07-22 通讯作者：冯全源

国家自然科学基金重点项目资助（No. 61531016）；国家自然科学基金面上项目资助（No. 61271090）；四川省科技支撑计划项目资助（No.2016GZ0059；No.2015GZ0103）

冯全源（1963－），男，江西景德镇人，博士，教授，主要从事集成电路、RFID技术、功率半导体技术的研究，E-mail: fengquanyuan@163.com ；李旭（1991－），男，四川眉山人，研究生，主要从事模拟集成电路设计研究，E-mail: 1475447998@qq.com 。

网络出版时间：2016-09-02 11:11:57 网络出版地址： http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20160902.1111.012.html

（编辑：陈渝生）