低压差线性稳压器技术综述

王佳玉

摘 要：文章简要介绍了低压差线性稳压器的技术起源及发展概况，针对国内外低压差线性稳压器技术的相关专利申请，从申请量年代分布、申请人类型、主要申请人等方面进行了分析，并结合具体专利申请对低压差线性稳压器的发展方向进行了详细地说明。

关键词：低压差线性稳壓器；发展概况；专利文献

1 低压差线性稳压器的发展概况及性能评价

1.1低压差线性稳压器发展概况

LDO是一个功耗很低的微型片上系统，通常由做电流主通道的MOSFET调整元件、误差放大器、采样电阻、带隙基准、过流保护等专用电路在一个芯片上集成而成。因为它在调整元件上的压降非常低，所以改善了传统的线性稳压器效率低的缺点。自从LDO出现以来，输入输出压差已经由最初的0.2V降低到目前的50mV左右，调整元件的损耗变小，电源的转换效率提高，由此延长了电池的使用时间。目前市场上主要有双极型和CMOS型两种LDO稳压器，两者具有不同的特点。

双极型器件开发早，工艺相对稳定成熟，其主要优点在于，对于给定的芯片尺寸，其具有相当高的电流能力，用双极工艺可以制造出速度高、模拟精度高、驱动能力强的器件，适用于高精度的模拟集成电路，但其功耗大、集成度低、无法满足集成规模越来越大的系统集成要求。

CMOS器件具有极低的静态功耗、高集成度、抗干扰能力强、宽的电源电压范围以及较宽的输出电压幅度，且CMOS型线性稳压器的调整组件是电压驱动的，大大降低了器件本身消耗的电流，输入输出间的压降特别低。与其它半导体工艺相比，CMOS工艺的发展已经十分成熟，占据了集成电路市场的绝大部分的份额，并且随着工艺不断向亚微米和深亚微米发展，其产品在速度上也已经赶上并超过了双极工艺。新一代的LDO都是用CMOS工艺生产的，和使用双极工艺生产的LDO相比，其静态电流、压降、噪音等内在性能都有很大的提高，且成本更低。

1.2 国内外研究现状

国内外技术人员都对LDO稳压器进行了相应的研究，并在提高性能方面作出了巨大的努力。国外的大公司在LDO稳压器方面投入很多精力开发系列产品，如Micrel公司的MIC52XX系列、TI公司的REGl04系列等。德州仪器公司推出的TPS74XXX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为1%。ADI公司的anyCAP系列低压差线性稳压器，属于体积小、智能化程度较高的一类功率管理芯片，且其具有良好的稳定性。中国集成电路产业经过40余年的发展，也已经形成了良好的产业基础，进入了一个加速发展的新阶段。圣邦微电子有限公司属于国内早期从事LDO设计公司，其生产的SG2001、SG2002及SG2003系列LDO可以满足市场上主流电压、电流的需要。该公司还生产有适合于大电流负载应用的SG2004、SG2011以及SG2012系列LDO以及适用于手机电源应用的SG2007/2006/2005系列LDO。这些国产芯片具有和国外同类产品同样优秀的性能，且价格更适合于当前国内市场。

1.3 低压差线性稳压器性能评价

低压差线性稳压器（LDO）的性能可以从三个方面来评价：静态指标、动态指标、频域指标。静态指标包括漏失电压、效率、静态电流、线性调整率、负载调整率；动态指标包括负载瞬态响应、线性瞬态响应；频域指标包括电源抑制比和频率响应。下面介绍低压差线性稳压器的几个重要参数。

线性瞬态响应：反映稳压器在输入电压、环境温度等条件不变的情况下，对输入电压发生阶跃变化而导致的输出电压变化的响应能力。输出电压变化恢复到稳定区域规定范围内所需的时间越短越好。电源抑制比：表示LDO对输入纹波抑制能力，通常考察在整个扩展频带上增益情况。静态电流：被定义为输入电流与输出电流之差，即当LDO空载时，其自身从输入电源抽取电流的总和，通常也用来评价系统的静态功耗，为了得到最大的电源使用效率，在保证电路正常工作的前提下，设计的静态电流值应越小越好。效率：低压差线性稳压器效率与输入输出电压和静态电流有关，为了提高效率，则静态电流与漏失电压必须尽可能小，输入与输出电压差值是决定 LDO线性稳压器效率的根本因素。

2 低压差线性稳压器专利文献分析

带隙基准源的国际分类号主要集中于G05F1，下面以分类号和关键词作为主要检索手段在VEN数据库、CNABS数据库中进行检索。

2.1 专利申请的年代分布

经过检索发现，2001年至2015年的专利申请件数分别为22、29、41、62、70、78、99、109、101、132、137、188、213、161、55。在21世纪有关低压差线性稳压器的世界范围内的专利申请量呈逐步增长趋势，专利申请量由2001年的22件快速增长到2013年的213件，说明国内外申请人都开始对低压差线性稳压器的相关技术进行深入研究。2014、2015年的专利申请数量有所下降，主要是由于发明专利申请一般需要18个月的公布期，这两年的相关专利申请数据并不完整。

2.2 国内外申请人分布

图1显示了低压差线性稳压器技术国内专利申请的申请人类型分布情况。国内有关低压差线性稳压器的专利申请中，申请人大部分为高校和企业。其中电子科技大学、鸿海精密工业股份有限公司和北京化工大学的相关申请量最多，企业申请的申请量紧随其后。这说明科研院校对该领域技术的研究在不断深入，而企业也开展相关研发并相应地运用到了实际生产中。

图2显示了低压差线性稳压器技术国外专利申请的申请人类型分布情况。国外主要申请人有：德克萨斯仪器公司、联发科技公司、美国半导体公司等。这几个公司在低压差线性稳压器领域一直处于领先地位。

2.3 低压差线性稳压器的发展趋势分析

随着技术的不断发展，国内外申请人致力于提高低压差线性稳压器各方面的性能，对低压差线性稳压器的发展和改进做出了贡献。下面结合专利文献对低压差线性稳压器性能的改进进行分析，文章引用的专利文献均为专利申请的公开号。

2.3.1 提高瞬态响应和增强摆率

晶豪科技股份有限公司在TW1468894B中提出了一种具有改善暂态响应之低压降稳压器，包括输入端、输出端、功率晶体管、反馈回路及误差放大器，误差放大器包括输入差动级、增益级、输出级以及一暂态加速电路，根据负载电流暂态增加状况，暂态加速电路产生具有高逻辑电压基准的输出电压以增加稳压器的暂态相应。INTERSIL公司在US2015/0220096A1中提出了一种低压差线性稳压器中增强瞬态响应的半导体结构，在线性稳压器结构中引入了第一电流镜和第二电流镜结构以增强瞬态响应，改善稳压器的性能。桂林电子科技大学在CN104679086A中提出了一种快速瞬态响应CMOS低压差线性稳压器，在误差放大电路和功率管之间加入了由两级反相器构成的转换速率增强电路，能够驱动大尺寸的功率管并对输出负载的变化做出快速响应，满足模式转换中负载响应速率的要求，使低压差线性稳压器具有更高的带宽和更快的瞬态响应速度，提高了转换速率和瞬态响应。成都锐成芯微科技有限责任公司在CN103592989A中提出了一种低静态功耗快速瞬态响应的无输出电容LDO电路，采用电流拉拽式结构实现了瞬态变换时为LDO输出级调整管提供大电流，进而显著提高无输出电容LDO的瞬态响应特性。电子科技大学在CN103399608A中提出了一种集成摆率增强电路的低压差线性稳压器，通过集成摆率增强电路使摆率增强，进一步提高了低压差线性稳压器的瞬态响应，同时摆率增强电路改变了系统的极点分布，保证了系统的稳定性。合肥工业大学在CN104063003A中提出了一种集成摆率增强电路的低功耗无片外电容LDO，采用了摆率增强技术，使得在输出电压出现过冲和下冲时能对功率管的栅极电容进行快速充放电，大大减小了输出电压的尖峰，提高了瞬态响应。

2.3.2 提高电源抑制比

圣邦微电子股份有限公司在CN104317349A中提出了一种提高低压差线性稳压器电源抑制比的方法和电路，利用基准电压源有限的电源抑制能力，使其经过误差放大器放大到输出端的传递函数与LDO的其他电源到输出通路的传递函数的幅值相同、相位相反来相互抵消，从而实现高的电源抑制比。电子科技大学在CN104181972A中提出了一种具有高电源抑制比特性的低压差线性稳压器，采用在功率管栅端加入电压跟随器的方案，将栅端的低频极点分离成两个高频极点，拓展了前馈和反馈带宽，提高了低压差线性稳压器对于高频电源噪声干扰的抑制性能。

2.3.3 减小功耗

武汉大学在CN101419479A中提出了一种新型结构的低压差线性稳压器，采用全反馈结构和驱动元件偏置电路取代电阻分压网络，节省了版图面积、减小了系统功耗、提高了输出电压的精度和稳定性、减少了系统非线性失真等，转换速率增强电路提高了系统的转换速率，源跟随电路器和补偿电路，改变了系统零极点位置分布，改善了相位裕度，提高了系统稳定性。复旦大学在CN101957625A中提出了一种驱动nF级负载的低压差线性稳压器，该线性稳压器包括误差放大器、补偿网络、带反馈的负载、输出采样网络和自适应极点调节电路，该电路只需要20pF的补偿电容就能在全负载电流范围内保持良好的相位裕度，而且通过自适应极点调节电路的引入能够大大减小静态功耗。

2.3.4 提高环路稳定性

中国兵器工业集团第二一四研究所苏州研发中心在CN202720534U中公开了一种增强环路稳定性的低压差线性稳压器电路，采用带隙基准源、误差放大器、功率驱动管、缓冲器、电阻反馈网络构成具体的电路，实现在牺牲很小的功耗电流下，把功率管栅极处的极点推到高频，从而增加系统的稳定性。周国文在CN104090617A中提出了一种改良型数模混合电路的低压差线性稳压源，拓增带宽电路的输出端连接功率级输出电路的输入端，用以作为第二级非反相放大器而增加整个负反馈环路的带宽，从而提高了低压差线性稳压源的工作稳定性。

3 结束语

低压差线性稳压器以其结构简单、低噪声、低功耗、小封装和较少的外围应用器件等优点，在便携式电子产中得到了广泛的应用。随着工业技术的发展，对低压差线性稳压器的研究将在提高瞬态响应和增强摆率、提高电源抑制比、减小功耗、提高环路稳定性等多个研究方向全面开展，低压差线性稳压器应用前景将日益广阔。

參考文献

[1]邢敏.CMOS低压差线性稳压器设计[D].哈尔滨工业大学，2008.

[2]陈东坡.一种低静态电流高稳定性的LDO线性稳压器[J].电子与信息学报，2006，28（8）：1526-1529.

[3]张献中.低压差线性稳压器的设计与实现[D].武汉科技大学，2015.

[4]何春华.一种CMOS低压差线性稳压器的研究与设计[D].复旦大学，2010.