一种高摆幅软启动线性稳压源设计

王 君，李斌桥，高 静

(天津大学信息工程学院，天津300072)

一种高摆幅软启动线性稳压源设计

王 君，李斌桥，高 静

(天津大学信息工程学院，天津300072)

基于0.5 μm工艺设计一种带软启动电路大摆幅输入电压的线性稳压源(LDO)，为解决高电压输入时LDO输出节点的瞬态过冲电流问题，设计一种在缓冲器的输出端加入MOS开关的软启动方案，提高电路的安全可靠性。通过仿真分析，结果表明该电路在输入电压10～40 V变化，其线性调整度为7.5 mV@30 V，输出5 V稳定电压，负载电流范围0～10 mA，输出电流1～10 mA，瞬态变化时负载调整度为12 mV@9 mA。电源电压上电时间为1 ms时，LDO的输出过充电流不超过6 mA。

大摆幅输入；线性稳压源；软启动电路

在电池电源管理领域，需要片上电压转换器来应对不同的系统驱动需求，低压差线性稳压器(LDO)具备噪声小、线性调整度好等优势，在各类电源转换器的应用中，占据着不可替代的位置[1-2]。然而，在许多应用领域系统中，电源输入摆幅非常大，电源电压变动范围可能达到几十伏[3]，在这些高电压应用中，LDO会产生较高的瞬态电流(可能上百mA)，如此大的电流与高输入电压相乘会得到很大的功率，过高的功率会对芯片造成破坏性影响甚至直接将芯片烧毁[4]。

图1 典型LDO结构瞬态电流

图1所示的是典型LDO结构[5]，在LDO上电启动时，达到恒定电压值，而此时误差放大区的负输入端还处于0 V。较大的电压差会造成误差放大器的输出电压在上电过程中处于较高电平，高电压通过中间缓冲级[6]，最终输入调整管的栅极，其源极电压近似为0 V，较高的栅源电压会造成LDO输入到输出的低阻通路，从而导致LDO输入到输出产生较大的瞬态电流[7]。

为了保护电路，使电路不会产生过大的瞬态电流，需要通过软启动电路实现LDO调整管的缓慢开启。软启动方案可以通过片外的器件或者通过片上双电容循环耦合[8]实现，后者不但需要两个电容消耗较大面积还需要一个额外的控制时钟。然而，在线性稳压电源还是开关电源设计中，主流设计趋势是将上电保护电路设计在片内并尽量减小软启动电路所消耗的面积[7]，所以上述两种方法并不能称为最佳方案。如今，在设计LDO的软启动电路时，在片内设计一种能够缓慢开启调整管且消耗面积相对较小的软启动电路逐渐成为主流趋势。所以近些年很多研究开始关注LDO软启动电路在集成电路中的实现[7]。文献[7]中所设计的软启动电路是通过LDO正向输入端基准电压的缓慢上升来实现放大器的输出电压缓慢上升，从而实现电路的软启动功能。文献[9]中通过设计一种最小值选择模式软启动电路，在无线性电容的CMOS工艺中实现软启动电路，这种电路通过缓慢地将电压输入到误差放大器的输入端来实现。文献[10]中采用一种基于限流的闭合环路控制方法，通过控制所设计的闭合环路对电路进行预充电，并限制充电电流。待输出端达到一定电压时通过比较器的判断断开预充电的闭合环路，同时开启LDO环路，最终实现LDO的软启动功能。在本设计中输入电压为高压，缓冲器以及调整管采用高压工艺设计，误差放大器采用CMOS低压工艺进行设计，为了能使低压放大器能够驱动调整管，需要在缓冲器中加入移位晶体管平移误差放大器的输出直流工作点，该晶体管在上电开始阶段具有一定初值。

本文中设计一种带软启动电路的大输入摆幅LDO，该电路的软启动电路针对缓冲器输出(A点)实现软启动，解决高压输入电压LDO软启动电路设计问题。本文首先介绍了研究背景，然后对软启动电路的基本原理进行介绍，详细介绍了电路设计并给出了电路仿真结果，最后对本文设计电路进行了总结。

1 电路分析

如图2所示，本设计将在缓冲器输出端(A点)引入一个开关S1，开关一端接入A点，另一端接地。通过斜坡信号逐渐断开S1，A点电压逐渐升高，使LDO调整管M1的栅源电压实现电压软启动。

图2 提出的软启动电路结构

图3 LDO启动过程

如图3(a)所示，上电之后，A点电压将会上升，而此时PMOS的栅极电压为零。A点电压上升至后PMOS管导通，随着PMOS开关S1的栅极电压上升，PMOS开关S1会逐渐关闭，最后断开。如图3(b)所示，完成启动后电流源的电流将会完全流经源跟随器所组成的缓冲器最终完成LDO电路的软启动。

2 LDO电路设计

LDO设计电路分为5部分：误差放大器、软启动电路、频率补偿补偿、缓冲器以及电阻反馈网络。本文将具体给出各个模块的设计图以及整体电路的设计框图。以下是电路具体设计：

(1)误差放大器设计

如图4所示，误差放大器采用差分输入共源极放大器，电路加入M5与M7共源共栅管增大放大器的增益(Ao)，改善线性调整度和负载调整度，这样做只采用单级结构就可以获得比较高的增益。

图4 误差放大器

(2)斜坡信号发生电路设计

图5为斜坡信号发生电路，当使能信号en为高电平时，电路开启，Mr3断开，电流源开始对充电。其中为恒流源，电流值为250 nA，电容=1.34 pF，Mr1为Mr2的5倍，通过Mr1和Mr2管的镜像，上电后电容的充电电流为50 nA，上电后缓慢升高到电压值，并且可以通过控制电流镜的镜像电流值控制充电的速度。

图5 斜坡信号发生电路

(3)频率补偿电路设计

LDO电路采用压控电流源(VCCS)引入左半平面零点的方法[11]进行频率补偿。

图6中给出LDO的频率补偿压控电流源VCCS的设计电路。其中，M19和M20的比例为1∶5，则压控电流源的输入电压与输出的小信号电流值之间的关系以及压控电流源引入的零点位置分别为：

(4)整体LDO设计

本文提出的带软启动电路的大摆幅输入电压LDO基于0.5 μm BCD工艺设计，并进行相关验证以证明LDO软启动电路的可行性。的输入电压为10～40 V，≈5 V，基准电压=1.5 V，输出电压为5 V，LDO在40 V输入时的最大负载电流为10 mA(图7)。

图6 压控电流源

图7 带软启动电路的大摆幅输入线性稳压源结构

3 LDO性能仿真结果及分析

本文基于0.5 μm BCD工艺设计一款输入电压10～40 V带软启动电路的LDO，采用软启动能够抑制瞬态大电流的产生，采用VCCS补偿方法使电路在0～10 mA负载电流下得到较好的相位裕度(PM)，增加电路稳定性。下面分别对LDO的软启动功能以及10～40 V电路线性调整度进行仿真验证。

3.1 LDO软启动功能的验证

图8所示分别为LDO不加入软启动电路时，40 V电压1 ms时间上电的瞬态电流与电压变化情况。在图8(a)中，在200 μs时，输入电压达到8 V，LDO输出端瞬态电流上升至118 mA，且在40 μs内电流都会持续高于80 mA，这对电路会产生破坏性影响。输出电压的瞬态变化较快，在没有软启动电路的情况下，上升较快，300 μs左右时就能够达到稳定值(5 V)。

图8(b)对应的是LDO加入软启动电路后的上电瞬态仿真结果。从图8(b)中看到，同样的上电时间为1 ms，最终电压为40 V，LDO输出点电流平缓地对输出旁路电容充电，上电的瞬态响应较慢，上升时间为1 ms，最终达到5 V。在此期间，LDO输出电流不超过5.32 mA，可以实现软启动功能。

图8 LDO加入软启动电路前与加入软启动电路后的输出电流仿真结果(上电时间为1 ms)

3.2 LDO稳定性仿真

LDO的稳定性仿真首先对其负载为0 mA以及10 mA两种情况的幅频响应以及相频特性进行仿真，之后在电路输出处给予10 mA瞬态变化电流，仿真的负载变化。

仿真结果表明，LDO在负载为0 mA时的幅频特性以及相频特性曲线。在3.845 kHz频率下，LDO环路增益降低为0 dB，此时LDO的相位裕度为91°左右。209.7 kHz时，LDO环路增益降低为0 dB，此时LDO的相位裕度为71°左右。

3.3 线性调整度仿真

LDO在输入电压10～40 V变化过程中具有较好的线性调整度(变化值为4.993 16～5.000 55 V)，其线性调整度约为7.5 mV@30 V(变化为10～40 V)。图9是输出电压随输入电压变化图。

图9 输出电压随输入电压变化

4 结论

本文基于0.5 μm高压BCD工艺设计一种带软启动功能LDO，提出一种在高压输入LDO中解决软启动问题的方案，该方法解决LDO上电瞬态大电流问题，降低使用风险。该LDO输出电压为5 V，最大负载电流为10 mA。文中对LDO不加入软启动功能以及加入软启动功能进行对比仿真，结果表明：输入电压在1 ms时间内达到40 V的过程中，无软启动电路的LDO在上电过程中会产生118 mA瞬态电流，带软启动电路的LDO在上电过程中会产生5 mA充电电流，软启动电路能成功降低LDO输出瞬态大电流。另外，对电路的稳定性、线性调整率以及负载调整率进行仿真，结果表明LDO的负载调整度为12 mV@9 mA，10～40 V输入电压变化负载调整度为7.5 mV@30 V。

[1]BAKKALOGLU W O B,WANG C,HOON S K.A CMOS low noise, chopper stabilized low-dropout regulator with current-mode feedback error amplifier[J].IEEE Trans Circuits Syst I:Reglaur Papers, 2008,55(10):3006-3015.

[2]AL-SHYOUKH M,LEE H,PEREZ R.A transient-enhanced lowquiescentcurrent low-dropout regulator withbuffer impedance attenuation[J].IEEE,2007,42(8):1732-1742.

[3]CAI W Y,ZHANG M Y.Automatic monitoring system of battery stack for electric vehicles[C]//Electronics,Communications and Control(ICECC),2011 International Conference on Electronics, Communications&Control.Ningbo:IEEE,2011:1732-1742.

[4]SOLVESON M G,MIRAFZAL B,DEMERDAS N A O.Soft-started induction motor modeling and heating issues for different starting profiles using a flux linkage ABC frame of reference[J].Industry Applications,IEEE Transactions on,2006,42(4):973-982.

[5]RINCON-MORA G,ALLEN P E.A low-voltage,low quiescent current,low drop-out regulator[J].Solid-State Circuits,IEEE,1998,33 (1):36-44.

[6]RINCON-MORA G,ALLEN P E.A low-voltage,low quiescent current,low drop-out regulator[J].Industry Applications,IEEE Transactions on,1998,45(6):703-708.

[7]AL-SHYOUKH M,LEE H.A compact ramp-based soft-start circuit for voltage regulators[J].IEEE Trans Circuits Syst.II,Exp.Briefs, 2009,56(7):535-539.

[8]MARTINS M M.Soft-start system for voltage regulator and method of implementing soft-start:USA,7 400 121[P].2008-07-15.

[9]AL-SHYOUKH M,LEE H.A compact fully-integrated extremumselector-based soft-start circuit for voltage regulators in bulk CMOS technologies[J].IEEE Trans Circuits Syst II,Exp.Briefs,2010,57 (10):818-822.

[10]AL-SHYOUKH M,LEE H.A current-limiter-based soft-start scheme for linear and low-dropout voltage regulators[C]//Proceedings of IEEE Int.Symp.Circuits Syst.US:IEEE,2010:2738-2741.

[11]CHAVA C K,SILVA-MARTINEZ J.A frequency compensation cheme or LDO voltage regulators[J].IEEE,2004,51(6):1041-1050.

Design of high-swing input LDO with soft-start circuit

A high-swing input LDO with soft-start circuit in 0.5 μm process was presented.For reducing the rush-in current at output of LDO to increase reliability about LDO,a method of soft-start which added a CMOS switch at output of buffer was proposed.The line regulation of LDO was 7.5 mV@30 V(input voltage was 10～40 V),and output voltage was 5 V.The output range of current was 0～10 mA,load regulation was 12 mV when output current change from 1～10 mA in 10 ns.When supply voltage start rised to 40 V in 1 ms,the output current of LDO was under 6 mA.

high-swing input;LDO;soft-start circuit

TM 714

A

1002-087 X(2016)03-0662-04

2015-08-06

天津市滨海新区科技计划项目(2011-BK120033)

王君(1988—)，男，天津市人，硕士，主要研究方向为模拟集成电路设计。