一种基于负载供电的浮动输出LDO电路*

侯森林，周云，吕坚，阙隆成,袁凯

（电子科技大学光电信息学院，成都610054）

·大规模集成电路设计、制造与应用·

一种基于负载供电的浮动输出LDO电路*

侯森林，周云，吕坚，阙隆成,袁凯

（电子科技大学光电信息学院，成都610054）

线性低压差稳压电路（Low Dropout Regulator,LDO）是一种低功耗、低噪声且高电源抑制比的新一代集成电路稳压器，实现降压功能，得到输出电压VDD给芯片各个模块供电。一般的线性低压差稳压电路是由输入产生一个稳定的电压给系统其它模块供电，满足用户的要求。但是随着集成电路的发展，以及应用的不同，降低功耗和提高转换效率已经成了一个备受关切的问题。因而存在对负载供电方式的线性低压差稳压电路的需求。电源芯片工作中也会遇到很多情况，比如欠压、过压、过温等恶劣情况。这种情况下如果让芯片继续工作会损坏芯片内部结构，降低芯片工作效率。传统LDO电路会停止工作，等到恶劣情况解除重新上电工作。提出的浮动输出LDO电路能够得到浮动的输出电压，既保护了芯片正常工作，也提高了效率。所以基于负载供电的浮动输出LDO电路不仅能够提高电源转换效率，而且在不同模式下都可以让芯片工作得更高效、节能。

负载供电；浮动输出；线性稳压器；高效率；低功耗；多模式

1 引言

如今，可移动电子设备已广泛应用到生活领域和工业领域之中，电源集成电路作为电子设备技术发展的前提已成为整个集成电路研究的热点。大多数可移动电子设备采用电池对设备进行供电，由于某些可移动电子设备所需要的充电电压远高于电池的供电电压，这为集成升压转换电路提供了广阔的市场需求[1,2]。

移动设备从便携性角度考虑，需要电源的体积和质量相对较小。但移动设备又需要较好的续航性，这需要电源能量大，能长时间给设备供电。这两点要求电源同时具有小体积和高能量的特点，即电源要有很高的转换效率[3]。并且，不同设备所需的供电电压也各不相同，部分设备需要较高的输入电压（10V以上）。仅用锂电池供电显然无法满足有高输入电压需求的设备供电要求，这些设备需要专用的电源。因此提出一种基于负载供电的浮动输出LDO电路，主要应用于升压型BOOST开关电源中[4,5]。设计方案如图1所示，LDO电路包括供电模块和功能输出模块，BOOST输出电压OUT正常工作的电位高于输入电压IN。LDO功能模块可以实现浮动输出，保证芯片高效工作[6,7]。

图1 基于负载供电的浮动输出LDO电路拓扑图

2 电路结构及工作原理

LDO电路基本原理是利用误差放大器将输出反馈电压与基准电压之间的误差小信号进行放大，再经过调整管放大到输出，从而形成负反馈，保证输出电压的稳定[8]。但是传统的LDO电路都是由系统输入进行供电，以及只产生一个输出电压VDD。这样对于电路的电源转换效率较低，而且LDO电路的输出电压不能改变[9,10]。因此提出如图2所示的基于负载供电的浮动输出LDO电路。

图2 基于负载供电的浮动输出LDO电路结构图

图2中的LDO电路结构包括自启动部分、零温漂电压产生部分以及负载供电反馈环路。自启动电路为图中的PM1和C1，电路刚上电时，由于C1两端的电压不能突变，A点的电位被拉低，一段时间后，A点电位上升,电位值由右边的支路确定，自启动完成。

零温漂电压产生电路为图中启动电路与运算放大器之间的电路，其主要目的就是产生一个零温漂电压VY。X点的电压为

由式（1）可知，当晶体管的发射极面积不同时，R2两端的电压为正温系数电压，即流过电阻R2的电流为正温系数电流，通过电流镜PM4、PM5可将正温系数电流复制，使得流过电阻R3的电流也为正温系数电流，将正温系数电压VR3与负温系数电压Vbe5相加，就可得到零温漂电压VY。

供电反馈环路为图2中的右半部分，运算放大器将输出采样电压VZ与参考电压VY或inn2进行比较并误差放大，产生输出用于控制调整管PM6的导通状态，从而实现输出稳定电压的目的。假设R5的阻值与R6的阻值之比为3:1，由于运放的虚短虚断条件成立，使得VZ的电压与参考电压VY或inn2相等。若VZ=inn2=1.25V，则VDD=VZ/R6×(R5+R6)=4×1.25V=5V；若 VZ=VY=0.75V，则 VDD=3V。LDO电路是输出5V电压还是输出3V电压，这取决于Vin与OUT的大小，若Vin或OUT的电压值大于5.2V，则LDO电路可输出一个5V的电压给BOOST内部模块供电；若Vin和OUT的电压值较小，则Z点电压由VY决定，此时LDO只能输出一个3V电压。当BOOST电路完成正常工作以后，输出电压OUT就会比输入电压Vin高，此时供电电路就会完成供电切换，主要由图2右上方的两个肖特基二极管来实现。其原理主要利用二极管的单向导通性，如果OUT比Vin大，就会让二极管D1反向截止，进而由OUT电压给芯片供电。

当芯片正常工作时，LDO电路输出5V电压，给芯片模块供电；当芯片突然发生一些非正常情况时，LDO电路切换到输出3V，维持芯片一些模块工作，但又不完全关闭整个芯片；等到非正常情况解除之后，芯片可以在VDD为3V的条件下快速启动，LDO电路切换到输出5V。这样浮动输出的LDO电路可以使得芯片工作的更加高效、节能，既不影响芯片正常工作，又可以让芯片排除非正常情况后快速启动。

可见浮动输出VDD对于芯片的工作方式进行了一个很好的优化，既保证了正常的稳压输出，又实现了快速启动的功能，因而具有很大的实际应用价值。

3 仿真结果与分析

为了验证设计的电路的功能正确性，使用cadence集成电路设计软件对电路进行了仿真验证。器件模型采用的是某公司0.35μm的BCD工艺。

图3 LDO电路瞬态仿真结果

由图3看出当输入电压Vin为3.3V，OUT为0时，由于输入电压和输出电压都比较小，LDO电路的Z点电位等于参考点VY，在电路稳定工作后输出3V的VDD1电压；在2ms时，OUT电压变为6V，此时Z点电位将等于inn2，则电路稳定后输出的VDD2为5V。因此设计的LDO电路可以实现负载供电，而且如果改变采样电阻比例或者固定电压值就可以得到所想要的LDO输出电压。

4 结束语

综上所述，提出的基于负载供电的浮动输出LDO电路可以很好的应用在BOOST等开关电源芯片设计中，不仅可以提高电源转换效率，还可以让芯片工作更加高效节能。既保证了正常的稳压输出，还实现了浮动输出。这种结构可以让其他模块快速启动，而且具有低功耗的功能，因而具有很大的实际应用价值。

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A Floating Output LDO Circuit Based on Load Power Supply

Hou Senlin，Zhou Yun，Lv Jian，Que Longcheng，Yuan Kai
(College of Optical And Electronical Information,University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu 610054,China)

The linear Low Dropout Regulator(LDO)is a new generation of integrated circuit voltage regulators with low power,low noise and high power supply rejection ratio,enabling buck output to get the output voltage VDD to power each module.The general linear low dropout voltage regulator circuit is generated by the input to supply a stable voltage to the other modules of the system to meet the user's requirements.However,with the development of integrated circuits,and according to different applications,reducing power consumption and increasing conversion efficiency has become a concern.And thus there is a need for a linear low dropout voltage regulator circuitfor to a load power supply line.Power chip at work will encounter a lot of situations,such as under-voltage,overvoltage,over temperature and other harsh conditions.In this case,if the chip continues to work will damage the internal structure of the chip,reducing chip efficiency.Traditional LDO circuits will stop working and wait until bad conditions are relieved.This paper presents a floating output LDO circuit that can get a floating output voltage that protects the chip from normal operation and improves efficiency.So the load-based floating output LDO circuit can not only improve the power conversion efficiency,but also can make the chip work more efficient and energy-saving in different modes.

Load power supply；Floating output；Linear regulator；High efficiency；Low power consumption；Multi-mode

10.3969/j.issn.1002-2279.2017.04.001

TN 4

A

1002-2279-（2017）04-0001-03

*专利项目：一种基于负载供电的升压电源LDO供电系统(专利号：201610794766.0)；一种浮动输出的LDO电路(专利号：201610795570.3)

侯森林（1991—），男，河南省信阳市人，硕士研究生，主研方向：数模混合集成电路设计。

2017-03-28