用于GaNHEMT栅驱动芯片的快速响应LDO电路*

陈恒江，周德金，何宁业，汪 礼，陈珍海3,

（1.无锡中微爱芯电子有限公司，江苏无锡 214072；2.复旦大学微电子学院，上海 200443；3.清华大学无锡应用技术研究院，江苏无锡 214072；4.黄山学院智能微系统安徽省工程技术研究中心，安徽黄山 245041)

1 引言

以GaN和SiC为代表的宽禁带半导体材料的物理特性相比于Si材料具有禁带宽度宽、熔点高（耐高温、抗辐射）、击穿场强高（耐高压）、电子饱和漂移速度快（高频率工作）、热导率高等优点，使得该类器件更适于工作在高温、高压和高频的应用场合[1-3]。GaN高电子迁移率晶体管（High-Electron-Mobility Transistor，HEMT）作为GaN功率器件的主流器件，其相比Si MOSFET器件具有显著优势，因此其驱动应用技术成为了研究热点[4-6]。

高压栅驱动芯片属于典型的多电压工作电路，包括单片集成和绝缘隔离两种技术路线[5]。典型的绝缘隔离栅驱动芯片内部通常采用高频的信号调制解调技术进行隔离区之间信号的传输，为实现高速信号传输，该类电路通常采用低压器件实现。绝缘隔离栅驱动芯片内部通常需要3种以上的供电电压，因此需要多个低压差线性稳压器（Low Dropout Regulator，LDO）对不同功能电路模块进行供电。GaN HEMT器件的超高频率特性要求其栅驱动芯片的工作频率达到兆赫兹以上，对其内部给调制解调电路供电的LDO响应速度提出极其严格的要求，要求LDO的瞬态响应时间小于1μs，单通道峰值电流达5 mA（全桥驱动芯片的峰值电流将达20 mA），输入工作电压覆盖3～5 V，输出电压为1.8 V。除上述电特性之外，嵌入式应用对于电路面积要求更为严格。

本文设计了一种用于绝缘隔离型GaN HEMT器件栅驱动芯片中调制解调电路供电需求的快速响应LDO电路。该LDO电路采用动态偏置结构[7]，通过在大负载发生时给误差放大器增加一个额外的动态偏置结构来加快输出端的瞬态响应速度。仿真结果显示该LDO的负载电流在轻载和重载之间瞬态变化时，系统的恢复时间分别为250 ns和460 ns，可满足兆赫兹驱动芯片应用要求。

2 电路结构及工作原理

本文设计的快速响应LDO电路结构如图1所示，其包括动态偏置误差放大器EA电路、动态偏置产生电路、LDO输出调整管MP、LDO负载检测管MS和分压电阻串。电阻串对LDO输出电压进行检测，反馈到放大器EA电路正输入端，与输入参考电压VREF进行误差比较，锁定调整管MP的栅压，形成LDO的稳定输出电压Vout。与普通LDO电路不同的是，本文的误差放大器采用动态偏置结构。误差放大器除了一个固定偏置IB外，还有一个额外的动态偏置IAB，与调整管并联的电流检测管MS检测负载电流变化，并控制动态偏置产生电路产生动态偏置电流IAB用于改变误差放大器的偏置电流，改变其瞬态响应速度。

图1 快速响应LDO电路结构

当负载电流突然增大时，LDO的输出电压Vout会突然降低电压，调整管MP的栅压也会出现异常波动，电流检测管MS将会检测到该异常波动，并控制动态偏置产生电路产生动态偏置电流IAB，误差放大器的总偏置电流增大，从而拓宽了带宽，Vout的响应时间减小，瞬态响应得到增强。

本文设计的动态偏置产生电路的具体电路结构如图2所示，包括由电流检测管MS和电阻RS组成的负载检测电路、快速响应电压比较器Comp和开关控制的偏置电流源阵列。当负载电流突然增大时，LDO的输出电压Vout会突然降低，电流检测管MS和电阻RS构成的共源单级放大电路将会检测到该异常波动，并控制开关阵列的开关信号S开启动态偏置电流IAB，误差放大器的总偏置电流增大，从而使带宽得到拓宽，Vout的响应时间减小，瞬态响应得到增强。

3 电路实现及仿真

本文设计的动态偏置误差放大器EA电路原理如图3所示。M71、M72、M73、M76、M77、M74、M75、M78和M79构成一个两级推挽输出结构的运算放大器，以最大程度提供宽摆幅输出；M710和M711构成一个宽摆幅的输出级电路；输出反馈信号VFB反馈连接到运放输入端形成负反馈，并钳位到输入参考电平VREF。图2中动态偏置产生电路产生的动态偏置电流IAB和基础偏置电流IB均连接到M70的电流输入端，控制偏置电压Vb的大小。

图2 动态偏置产生电路原理

图3 动态偏置EA电路原理

快速比较器Comp电路的一种实现方式如图4所示，该电路由带复位功能的第一级比较器和第二级共源放大器组成。M26、M27、M28、M29、M210、M211、M212构成带复位功能的第一级比较器，M213和M214构成第二级共源放大器。为提高比较器输出信号Vo1的可靠性，输出端连接了滤波电容C21和电阻R21。

图4 比较器电路原理

当VC1为高电平、VC2为低电平时，比较器电路正常工作。若输入电压Vin大于参考电压VREF，则第一级比较器输出为低电平，第二级输出Vo1为高电平；若输入电压Vin小于参考电压VREF，即欠压状态，则第一级比较器输出为高电平，第二级输出Vo1为低电平。当VC1为低电平、VC2为高电平时，第一级比较器输出信号被拉低为低电平，第二级放大器输出Vo1被锁定为高电平。

将设计的LDO电路应用于一款驱动电流达4 A的绝缘隔离型GaN HEMT栅驱动电路中，提供4通道调制解调电路所需要的1.8 V数字供电电压时，得到瞬态响应速度仿真结果如图5所示。1 MHz数字脉冲负载响应情况下，仿真输入电压为5 V时，输出电压在重载和轻载状态直接切换的电压波动为170 mV；负载电流在5 mA与20 mA之间跳变时，输出电压的最大下冲电压值为74 mV，最大上冲电压值为96 mV，并且响应时间均小于0.4μs，满足驱动芯片对于1 MHz数字脉冲驱动的速度要求。图5中还对比仿真了普通偏置和本文动态偏置结果，可以看出LDO在重载情况下，403.07μs动态偏置开启后，电压恢复速度较普通偏置电路有明显提升。403.77μs动态偏置关闭后，本设计的LDO恢复电压为1.761V，而普通偏置条件下电压为1.751 V，恢复电压存在10 mV的改进。本文提出的快速响应LDO电路采用0.18μm BCD工艺设计，模块整体版图尺寸为150μm×300μm，最大面积开销为输出调整管（尺寸50μm×200μm）和滤波补偿电容（尺寸50μm×300μm）。本文中动态偏置误差放大器的电流未开启动态偏置时，电流为350μA，动态偏置时电流为600μA，平均电流偏置为400μA。

图5 LDO电路瞬态响应速度仿真结果

4 结论

本文设计了一种用于GaN HEMT器件栅驱动芯片的快速响应LDO电路，并给出了详细的电路图和仿真结果。该电路采用动态偏置结构，通过在大负载发生时给误差放大器增加一个额外的动态偏置结构来加快输出端的瞬态响应速度。仿真结果显示LDO瞬态响应时间小于0.5μs，可满足高频GaN HEMT器件栅驱动芯片的应用要求。