一种集成于BUCK芯片的5 V低压差线性稳压器

屈柯柯，祝乃儒，张海波

(中科芯集成电路有限公司，江苏无锡 214072)

1 引言

随着信息科学的飞速发展，电源集成电路技术已经变得越来越重要。在众多的电源技术中，直流-直流（DC-DC）转换在生活中的方方面面都得到了应用，其中BUCK控制芯片在计算机、通讯设备、影音播放器等产品中应用非常广泛[1]。BUCK通过将高电压转换成低电压供给系统中其他芯片使用。在部分应用中，产品的印制电路板（PCB）上仅提供一个较高的电压，如12 V电源等。而对于BUCK芯片内部的低压电路而言是无法直接使用的，因此BUCK芯片中需要一个5 V的稳定电源来为低压电路供电。

低压差线性稳压器（Low Dropout Regulator，LDO）电路主要由电压基准、运放和输出管构成[2-4]。在常规电路结构中，基准电路通常由双极型晶体管器件（BJT）的负温度特性电压基极-发射极电压（VBE）和正温度特性极-发射极电压差（ΔVBE）通过合适的比例相加实现[5-7]，这种基准电路结合运放电路和输出管，在整颗芯片上占据的面积较大，电路也较为复杂。本文基于耗尽型NMOS阈值电压的温度特性，提出了一种集成于BUCK芯片中外接电容式的5 V LDO电路，其电路结构简单，并通过调整耗尽型器件的尺寸得到合适的温度特性。

2 电路结构及工作原理分析

本文所提出的5 V LDO电路如图1所示。高电压源电源电压VCC是12～24 V，由于DEPMOS和MN1是5 V低压器件，使用MNHV1和MNHV2来做挡压器件。VCC电源通过齐纳二极管D1在N1节点产生5.8 V左右的电压，此电压经过MNHV1和MNHV2的栅源电压（VGS）降压，在N3和N4节点产生5 V左右的电压，使得低压器件DEPMOS和MN1能够工作在安全的电压下。DEPMOS是耗尽管，其阈值为负电压，当其栅源电压为0 V时，会产生固定电流，该电流通过镜像流过MN1器件。由于负反馈的存在，MN1管的栅极电压即反馈点（FB）电压VFB是确定的，通过合适的反馈电阻比例，在VOUT端输出稳定的5 V电压，LDO的输出电压为：

图1 5 V LDO电路

此外通过反馈电阻RFB2进行微调（Trim），提高实际输出电压的精度。MNOUT是输出NMOS器件，为负载提供大电流。

2.1 耗尽型NMOS温度系数及基准实现

耗尽型MOS与增强型器件不同，当其栅极电压为零时，漏源之间即存在导电沟道[8]，其阈值电压为负值。增强型MOS要形成导电沟道，其栅极电压需要一个大于零的阈值电压。这两种类型NMOS的阈值电压与温度的关系如图2所示，其中耗尽型器件的阈值电压是其实际阈值的绝对值。

图2 耗尽型NMOS与增强型NMOS阈值电压与温度的关系

从图2可以看出，增强型器件的阈值电压具有负温度系数，耗尽型器件阈值电压的绝对值是正温度系数，所以将两个阈值按合适的比例相加就能得到一个零温系数的电压。其在本文中的具体实现如图3所示。

图3 基准核心

图3中耗尽型器件DEPNMOS的电流通过PMOS电流镜流过增强型器件MN1，根据MOS器件的电流与电压的关系式可以得到MN1管的栅极电压，电路图中耗尽管DEPMOS和常规器件MN1的电流可根据平方律公式由式（2）（3）表示：

其中耗尽型器件的栅源电压VGS0为0 V。由于PMOS电流镜的存在，MN1和DEPNOS的电流相等：

将式（2）（3）代入式（4）中得到FB的电压表达式：

从式（5）可以看出，VFB电压是一个耗尽型器件的阈值电压与增强型器件的阈值电压的组合，根据图2中耗尽型器件与增强型器件的温度系数关系，通过调整两个器件的宽长比，即可实现一阶温度补偿，从而得到一个温度系数相对稳定的输出电压。

2.2 LDO的补偿

电路中由于高阻和寄生电容的存在，会产生各种极点与零点，这些极点与零点会使环路的相位裕度降低，节点导致整体环路的不稳定，如在瞬态拉载的过程中，输出端发生振荡，无法输出正确的工作电压。在LDO电路中由于输出器件有PMOS与NMOS之分，其在输出端的输出电阻也会不同，那么不同电路的主极点的设置位置也会有所不同。

本文提出的LDO 5 V电路在N2和FB节点处存在低频极点。而由于输出管是NMOS，在重载条件下输出端的极点频率会较高。所以借助MN1和MNHV2进行密勒补偿，实现极点分离。主极点设置在FB处，电阻RZ使密勒补偿产生的右半平面零点被推到高频处，而如果选择合适的阻值，可以将该零点推到左半平面，抵消次极点[9]，提高相位裕度。此外在输出反馈电阻RFB2的两端并联一个补偿电容，该电容和反馈电阻RFB1和RFB2形成一零极点对（零点频率比极点频率略低），该零点在重载条件下可以在一定程度上缓解输出端的极点作用，进一步提高环路的相位裕度。零极点在电路中的位置如图4所示。通过零极点快速计算法，上述的零极点可表示为：

图4 补偿后的零极点分布

其中gm_mn1和gm_mnhv2表示MN1和MNHV2器件的跨导，gmout是输出管MNOUT的跨导，gm1表示MN1器件的跨导，rds_mn1和rds_mnhv2表示MN1和MNHV2器件的漏源电阻，Cpar_n2是结点N2的寄生电容。

3 仿真结果及分析

本文使用BCD工艺进行设计，并通过仿真软件进行仿真验证，仿真过程中VCC电压为12 V，输出端电容为1μF，负载电流变化范围为1～100 mA。

本文提出LDO电路输出电压VOUT的温度特性仿真曲线如图5所示，仿真中温度变化范围设置为-40～125℃，从图中可以看出，在整个温度变化范围内，输出端电压仅变化了1.65 mV，其温度系数为2×10-6/℃。虽然仿真结果显示该温度系数较好，但是实际制作过程中由于器件制程的偏差变化会在一定程度上导致该温度系数变差。

图5 输出电压随温度的变化

5 V LDO电路的幅频特性仿真结果如图6所示，仿真中VCC设置为12 V，负载电流为100 mA，环路增益为70 dB，电路经过补偿后相位裕度为87°，该相位裕度可以确保重载条件下环路的稳定性，可以通过进一步的瞬态拉载来验证环路的稳定性。

图6 幅频特性曲线

图7是在电路输出端VOUT拉载时，输出电压的瞬态响应曲线。从图中可以看出，在2 ms时，当负载以0.1 A/μs的速度从1 mA上升到100 mA时，输出端VOUT没有出现明显振荡，说明该电路的环路相位裕度是足够的。

图7 负载瞬态响应

4 结论

本文设计了一种集成于BUCK芯片中、外接电容式的5 V LDO电路，该5 V LDO可以为Buck芯片内部的低压电路及低压驱动供电。此电路具有2×10-6/℃的温度系数，重载下70 dB的环路增益，87°的相位裕度。在BCD工艺下进行仿真验证，仿真结果显示其在1～100 mA负载变化的情况下具有较好的稳定性，有一定的技术参考价值。