一种适用于移动芯片的低功耗低温漂LDO电路

陈迪平，应 韬，董 刚

(湖南大学 物理与微电子科学学院, 湖南 长沙 410082)

高效的电源管理在有限能耗的移动设备中越来越重要[1]．低压差线性稳压器(Low DropOut regulator， LDO)因响应速度快、噪声低、电路结构简单及外围器件少等特点，逐渐被集成于片上系统中[2-5]．针对不同电压需求的各噪声敏感模块，分别被优化设计提供纯净的电源，可改善系统的整体性能．为了降低移动设备在睡眠等工作模式下的功耗，延长待机时间，需降低空载时静态电流以改善其电流效率[6]．低压差线性稳压器输出电压的稳定度受多种因素叠加影响，其中工作温度的变化对误差放大器输出电压稳定度和基准电压的影响最大[7-8]．

图1 传统低压差线性稳压器电路结构

基于传统低压差线性稳压器电路，笔者提出了一种适用于移动设备芯片的新型低压差线性稳压器电路．将传统低压差线性稳压器反馈网络中的一个反馈电阻替换成经过一阶温度补偿的恒流源，同时将其作为基准电压源电路和误差放大器的偏置参考电流，从而减少了额外的电流支路，降低了该低压差线性稳压器电路的静态功耗．该低压差线性稳压器电路输出电压采用一阶温度补偿措施，降低了其输出电压对温度的敏感性，实现了低温漂系数设计．

1 传统低压差线性稳压器电路分析

传统低压差线性稳压器的电路结构如图1所示，主要包括误差放大器、调整管、反馈电阻网络和基准电压源4个部分[9]．低压差线性稳压器是一个闭环电压负反馈系统，通过反馈作用将输出电压稳定．正常工作时输出电压为

Vout=Vref(1+R1/R2) ．

(1)

Vout=(Vref+Vos) (1+R1/R2) ．

(2)

若R1、R2使用相同类型的电阻，则它们的温度特性相同，比值为与温度无关的常数．据式(2)可得输出电压温度系数TC为

(3)

根据式(3)，Vref和Vos的温度特性直接被放大为Vout的温度特性．此外，传统低压差线性稳压器结构输出电压Vout受多种因素影响，包括输入电源电压对其影响(ΔVLR)，负载对其影响(ΔVLDR)，基准电压对其影响(ΔVo，ref)，误差放大器对其影响(ΔVo，a)，反馈电阻对其影响(ΔVo，r)和温度系数对其影响(ΔVTC)等．其中，ΔVo，ref和ΔVo，a对Vout的影响最大．低压差线性稳压器的输出精度为[7]

% ．

(4)

图2 新型低压差线性稳压器电路结构

2 新型低压差线性稳压器电路设计

2.1 低功耗优化设计

笔者设计的新型低压差线性稳压器的电路结构如图2所示．采用恒流源IL代替传统低压差线性稳压器电路中的反馈电阻R2，同时将该电流映射到误差放大器和基准电压源电路，作为其偏置参考电流，减少额外电流支路，以达到降低静态功耗、提高电流效率的目的．

图3 恒流源IL电路

基于上述结构设计，恒流源IL(图3所示)采用温度补偿结构予以实现: 由正温度系数电流(Proportional To Absolute Temperature， PTAT)和负温度系数电流(Negative To Absolute Temperature， NTAT)两部分构成．M1和M2管工作于弱反型区，弱反型区金属氧化物半导体(Metal Oxide Semiconductor，MOS)管电流为[11]

(5)

其中，参数n定义为(1+Cdep/Cox)，Cox为栅氧层单位电容，Cdep为沟道耗尽层单位电容，n值在1.2～1.5之间，取决于沟道耗尽层的厚度，且与偏置电压相关．M1和M2的宽长比为M，其余对管宽长比均相同，因此，流过电阻Rp的电流Ip为

据式(6)，电流Ip大小只与参数n、电阻Rp、温度电压VT以及两管比例M相关，而与电压无关．在正温度系数电流电路中引出电压端VBU和VBD，将电流Ip映射到误差放大器和基准电压源电路中分别作为其偏置参考电流．电流Ip为基准电压源电路所需的正温度系数电流，在电路实现中合理设计环路相位裕度和带宽等参数，并留有一定的设计裕度，则复用偏置电流不会对误差放大器偏置电路产生负面影响．

负温度系数电流基于二极管方式连接的PNP管Q1产生，如图3所示，流过电阻Rn的电流In约为

(7)

据式(7)，电流In的大小与电压无关，电阻Rn决定了电流In的大小．

根据式(6)和式(7)，将两部分电流相加可得到电流IL:

(8)

因此，该新型低压差线性稳压器的输出电压为

(9)

2.2 低温漂系数设计

考虑误差放大器失调电压Vos后的低压差线性稳压器输出电压为

(10)

由式(10)，可得低压差线性稳压器输出电压温度系数为

(11)

式(10)中第3项为正值，第4项为负值，可通过相关参数的合理设计使这两项互相抵消，则与式(3)相比，低压差线性稳压器输出电压的温度系数将有效减小．因此，令上式后两项之和为零，可得

(12)

(13)

图4 笔者设计的低压差线性稳压器整体电路图

通过仿真扫描可得到∂VBE1/∂T的值．根据式(13)设计电阻比值，可实现温度补偿．与传统低压差线性稳压器相比，笔者所设计的新型低压差线性稳压器电路在满足式(13)的条件下，可有效地降低输出电压的温度敏感性，提高输出的稳定度．

2.3 整体电路设计

笔者设计的新型低压差线性稳压器整体电路如图4所示，M3～M9、Rv和Q2构成带隙电压基准．在实现中，从正温度系数电流部分N倍比例映射正温度系数电流，与Q2产生的负温度系数电流进行温度补偿，温度补偿后的电流在电阻Rv上生成基准电压Vref[12]:

(14)

选择合适的N、n、M和电阻比值，可获得接近零温度系数的Vref．

针对不同的负载电容，低压差线性稳压器环路频率补偿方式是不尽相同的．对于笔者的设计，因无片外大电容负载，为避免环路主极点随负载电容的变化而变化，采用密勒补偿方式实现电路的稳定性设计．将低频主极点放在误差放大器输出端，使低压差线性稳压器输出节点产生的极点成为次极点，以降低负载变化对环路稳定性的影响．

在实现中，增加误差放大器增益可减小负载调整率，但此举会影响闭环稳定性，需折中考虑．传统结构中误差放大器和基准电压源电路有限的电源抑制比会限制低压差线性稳压器电路低频处的电源抑制比，调整管有限的阻抗也会限制低压差线性稳压器的电源抑制比，而提高误差放大器增益和环路带宽可以有效地改善电源的抑制比．

笔者的设计为移动设备芯片提供电源管理，输出精度及负载能力要求不高，故采用M10～M15构成的单级误差放大器，尾电流源为共源共栅结构，直接从正温度系数电流部分比例映射获取．此举可简化频率补偿方案，降低电路成本．仿真分析表明，此设计可满足实际应用场合的要求．

根据功耗和面积限定，由式(6)设定电流Ip为400 nA，n取1.45，M取8，则

Rp=n(kT/q) lnM/Ip≈196 kΩ ．

(15)

Q1和Q2采用不同尺寸的晶体管予以实现．对温度仿真扫描，可得 ∂VBE1/ ∂T约为 -2.8 mV/℃，∂VBE2/ ∂T约为 -1.6 mV/℃，由式(12)得Rn≈ 2.1 MΩ; 折中考虑功耗和电阻Rv的大小，式(14)中N取4，将其对温度求导并令其为0，可得Rv≈ 300 kΩ．再根据具体仿真情况适当调整电阻值．在实际电路实现时，电阻Rn、Rp、R1和Rv均加入可控电阻阵列以便于修调．

图5 笔者设计的低压差线性稳压器电路版图设计

3 电路版图设计及仿真结果分析

基于上海宏力半导体有限公司(Grace Semiconductor Manufacturing Corporation，GSMC) 0.18 μm 互补金属氧化物半导体(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，CMOS)工艺，并利用Cadence软件完成了电路和版图设计，利用Spectre、Virtuoso等工具进行了仿真分析．图5中的黑色虚线区域所示为该低压差线性稳压器的电路版图设计，其面积为 0.12 mm× 0.09 mm．

该电路用于芯片内部模块的供电，其输入电源电压为 3.3 V，输出电压为 1.8 V．因负载驱动要求不高，故P沟道金属氧化物半导体(P-channel Metal Oxide Semiconductor，PMOS)调整管尺寸较小，最大负载电流为 7 mA，满足负载要求．如图6所示，其负载调整率为 0.51 mV/ mA，满足应用要求；在 2.85 ～ 4.00 V 的输入电压范围内，其线性调整率约 1.437 mV/V; 输出电压精度约为0.25%．如图7所示，负载电流在 0～7 mA 的范围内，该低压差线性稳压器电路包括基准电压源在内的总静态电流基本保持不变，约 5.486 μA．

图8 Vout和Vref的温度敏感性曲线

如图8所示，在TT工艺角下，对该低压差线性稳压器输出电压Vout和基准电压Vref进行DC温度扫描，扫描范围为 -40～ 85℃，输出电压与基准电压随温度的变化趋势基本保持一致，其温漂系数仅为 9.772× 10-6/℃，满足设计要求．

在无片外电容的情况下，当负载电流为10 μA、100 μA和1 mA时，相裕度依次为66.0°、76.5°和87.5°; 在最大负载电流情况下，电源抑制比约为 -49.7 (100 kHz 条件下)．

此新型低压差线性稳压器电路在不同设计要求下可达到不同性能，取决于面积、功耗和负载驱动能力等指标的折中．如采用高阻值电阻，可降低功耗; 使用大尺寸调整管，可增强负载能力; 采用经更高阶温度补偿的恒流源，则温漂更小．所设计的低压差线性稳压器电路应用于一款移动设备芯片，其电源供电电压要求为 3.1～ 3.5 V，低压差线性稳压器工作电压范围将其完全覆盖．笔者设计的新型低压差线性稳压器电路的部分性能指标与已发表文献所提结构的对比分析如表1所示，据此可以看出，在相近工艺和面积条件约束下，笔者设计的新型低压差线性稳压器电路对于空载时静态电流这一指标具有较大改进，约为文献[1]中低压差线性稳压器静态电流的 1/10，较另外几篇文献也具备明显的优势．该新型低压差线性稳压器电路静态电流包括基准电压源电路电流在内，而其他几种设计并不包括．同时，文献[7]中低压差线性稳压器输出电压的温漂系数为 2.260× 10-5/℃，文献[9] 中低压差线性稳压器温漂系数低于 4.500× 10-5/℃，而笔者设计的低压差线性稳压器温漂系数为 9.772× 10-6/℃，相比之下具有较大优势．综合衡量，笔者设计的低压差线性稳压器电路在降低功耗的条件下仍具有良好的整体性能，满足设计要求．

表1 本设计与参考文献部分性能指标对比

4 总 结

基于传统低压差线性稳压器结构，笔者采取复用偏置电流、引入经温度补偿的恒流源等措施，设计了一种适用于片内集成的新型无片外电容低压差线性稳压器电路，有效地降低了电路功耗，减小了输出电压的温度系数，提高了输出电压的稳定度．仿真基于GSMC 0.18 μm CMOS工艺，验证了电路结构的正确性和有效性，结果表明该低压差线性稳压器电路在 2.85～ 4.00 V 工作电压范围内，空载时包括基准电压源电路在内的总静态电流仅为 5.486 μA，在 -40～ 85℃工作温度范围内，输出电压温漂仅为 9.772× 10-6/℃，达到了低功耗和低温漂的要求．