应用于OLED驱动芯片的LDO设计

西安电子科技大学 李 晴 王文强 翟世奇 高 鹏

电源管理系统中最基本的功能是供电和电源调整。任何外接负载的系统，提供的电压和电流不能够在不同的工作环境中保持稳定状态，工作状态往往会受到影响。LDO作为电源管理系统中的核心模块，其输出电压的精度直接关系着电路系统的各项性能。本文针对OLED驱动芯片设计一款具有较高精度的低压差线性稳压器，同时还能在整个负载范围内具有较高的稳定性、温度特性以及电源抑制比。

传统低压差线性稳压器除了具有较小压差的特点外，通常还具有体积较小、成本较低、功耗较低等特点，被广泛使用在电源管理芯片中，满足大部分供电需求。随着硅基OLED微显示芯片在更大的阵列规模，更小的像元尺寸与更快的帧频率的技术路线上发展，对CMOS驱动芯片的设计提出了更高要求。本论文的LDO作为OLED驱动芯片的电源供电模块，除以上的特点外，还有很高的精度特性。

1 LDO结构

如图1所示的是LDO的模块构成，右边为电流保护模块。其中，电阻R1和R2构成反馈网络βFB，将取样值通过误差放大器（AMP）与带隙基准电压源比较，产生误差校正信号，驱使功率调整管SO的栅压变化，以提供负载所要求的电流，使输出稳定。从根本上讲，AMP、SO、βFB三者构成的环路的增益大小决定了取样电压和基准电压的接近程度，所以要使LDO具有更高的输出精度，带隙基准电压和反馈网络的精度也要求较高。

图1 LDO结构

2 电路设计

前面说到要使LDO具有更高的输出精度，必须提高带隙基准电压的精度和误差放大器的增益。如图2所示，电路左半部分为启动电路，由控制信号PD_N使能；中间部分为带隙结构，用来参数基准电压；右边部分为复制电路，将电压1:1复制后，在经电流镜产生基准电流，用来外部测试。

图2 带隙基准电路设计

如图3所示，左边部分为偏置电压电路，右边为误差放大器和反馈网络。PD_N信号用来控制电路工作开关，IR为电流偏置的输出电流，Vref为输入的基准参考电压，FB接LDO输出的反馈取样电压，电阻R和电容CC对电路进行密勒补偿。

图3 LDO主体结构

电路正常工作时，尽可能使差分对管M15和M16工作在亚阈值区，保证在相同电流的情况下得到更大的跨导gm，实现低功耗和高精度的要求。电路虽在内部进行了补偿，但在负载突变时的瞬态响应不好，可以改为外部大电容补偿，同时还能改善系统的电源抑制比，但会占用更大的芯片面积，要进行合理考虑。

3 电路仿真

为了确保电路在负载范围内，整个LDO系统都能稳定工作，必须验证电路的稳定性。对电路进行稳定性仿真，必须将Iprobe元件放置在反馈环路上，在频率范围为1Hz到1GHz的区间内，进行stb仿真，其结果如图4所示。

图4 负载范围内增益仿真曲线

从结果能看出在负载范围内，环路的低频增益均能保持在60dB左右，在仿真过程中相位裕度也都大于60°，GBW在100K到100M之间，电路具有很好的稳定性。

如图5所示，在轻负载情况下，低压差线性稳压器的电源抑制比在低频处约为93dB；在重负载的情况下，低频处的电源抑制比也能处在60dB以上，满足设计的应用要求，符合预期。

图5 轻负载时PSRR仿真曲线

瞬态响应如图6所示，短时间负载从轻载转变成重载时，引起输出向下突变，变化的幅值大小约为39 mV，并且在2μs的时间内达到稳定状态，负载电流从180 mA向10μA跳变时，产生一个向上的跳变，电压变化大小约为34 mV；并且，在2μs内达到稳定，由此可见电路具有较快的瞬态响应时间，用来应对负载电流的突变，因此电路具有较高的交流特性，符合设计指标要求。

图6 LDO负载瞬态变化的输出响应曲线

结语：经过电路设计、仿真测试，使整个LDO系统能够提供1.8V输出电压,且精度在1%左右的；工作环境也在目标的基础上有很大的改进。输入电源电压范围从2.5～5 V调整为1.9～5.8 V，线性调整率为0.604%。工作温度范围从-40℃～85 ℃调整为-40℃～125℃，温漂系数在9.74 ppm/℃。电路中的静态电流为47μA，最大负载电流为179 mA，负载调整率为0.59%。电源抑制比在重载情况下也能达到60dB，其他负载条件下，均能达到70dB以上。可测的数据结果都在可接受的范围内，满足设计目标，已经完成流片，待后续板级测试。