一种大输出电流无片外电容的线性稳压器

刘 畅，范 军，李 新

（1.沈阳工业大学信息科学与工程学院，沈阳 110870；2.中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳 110000）

1 引言

在集成电路设计和半导体制造技术快速发展的当下，电源管理芯片的设计与研究，因其与国家安全、军事、通讯等科技领域密不可分的关联，已越来越受到研究者们的重视。在众多此类芯片当中，线性稳压器作为一种输入电压大于输出电压的直流稳压器，以其输入输出响应快、噪声小、可靠性高、体积小、集成简便，价格低廉等优点获得广泛应用[1-2]，较具代表性的包括LDO（Low-dropout）线性稳压器，它能够与DC-DC开关式电源结合，充分发挥二者的优点，实现高效率、低噪声的供电系统[3]。随着便携式电子产品的快速发展，人们对于电源管理的迫切需求集中于降低待机功耗、延长续航时间等方面。在上述背景下，尝试采用0.25μm CMOS工艺，设计一款低功耗、大输出电流的线性稳压器。电路特别采用了电流自适应增强和零极点消除技术，以及无片外电容式设计。

2 电路结构与理论分析

2.1 LDO设计原理

LDO的作用是产生独立的、低温漂和可预测的输出电压并保持稳定。其输出必须是来自精准的直流参考电压。LDO线性稳压器的电路结构如图1所示。它是由带隙基准电压源、误差放大器、频率补偿网络、电阻反馈网络、调整管等组成。

图1 LDO电路结构图

线性稳压器工作时，输出电压经电阻分压后得反馈电压，参考电压与反馈电压通过误差放大器比较，产生一个输出控制信号驱动调整管的栅级。当负载发生变化时放大器的输出可以控制调整管提供的负载电流，使负载电流和电源电压的变化对输出电压几乎没有影响，实现输出稳定。实现的过程可由以下二式得出：

当放大器增益为无穷大时，输出电压取决于参考电压和电阻的比值。但在实际电路中，环路增益会受到限制，使输出电压存在一定的偏差。因此为了提高线性稳压器的精度，还需要增大环路增益。

在全部工作温度范围下，稳压器的精度是重要的性能指标。在此使用带隙基准电压源模块来产生系统基准，以此减小温度变化的影响。由温度引起的参考电压变化会直接导致输出电压变化，所以对于带隙基准电压源和稳压器的设计应当同等重视。

带隙基准电压源如图2所示，它在模拟电路中是不可替代的组成部分。产生基准的目的是建立一个与温度、工艺无关的基准电压。具体思路是两个具有相反温度系数的量以适当的权重相加，即可得到零温度系数。已知PN结二极管的正向导通压降具有负温度系数。两个双极晶体管工作在不同的电流密度下，它们的基极-发射极电压的差值就与绝对温度成正比[4]，可由下式来描述：

这样，VBE的差值就表现出正温度系数：

图2中放大器A增益足够大，使两个输入端稳定在近似相等的电压，基准在输出端得到。右边支路的电流为VTln m/R3，因此基准电压为：

图2 带隙基准电压源示意图

为了得到零温度系数的VREF，可以使上式VBE2温度系数的绝对值等于后一项的温度系数，可以通过设定m值和R2、R3的值来确定。此结果与电阻的温度系数无关。

2.2 LDO电路设计

如图3所示为线性稳压器电路原理图。图中BP1、BP2和BN2由偏置电路产生，为放大器电路提供电流源偏压；N3由电流自适应电路产生；R1、R2和功率管构成输出反馈级，由C1、C2、C3进行频率补偿。由于误差放大器要求高的增益和大的摆率，放大器须采用两级结构。功率管尺寸较大，有很大的寄生电容，会降低放大器输出摆率，影响负载响应速度。由此可知，增大放大器电流可增强驱动速度。在此利用电流自适应增强技术，动态偏置放大器的工作电流，可对上述问题有很好的解决。

图3 LDO电路原理图

电流自适应增强技术是通过电流线性增加的方法为误差放大器提供工作电流，随着功率管提供负载电流的增加，采样管电流按比例线性增加[5]，此处要用到瞬态增强电路，如图4所示。M2管按比例复制M1功率管的电流；M4和M5管组成电流镜；M3管流过的电流和M2管相等。当M1功率管提供负载电流增加时，通过镜像M3管流过的电流也按比例线性增加；M3管以二极管方式连接，电流增加，VP1点电压下降。VP1电压控制误差放大器的P型尾电流源，增加了误差放大器的工作电流，加快了响应速度，从而实现瞬态增强。

图4 瞬态增强电路

无片外电容线性稳压器的主极点通常位于误差放大器的输出端，而非主极点位于LDO的输出级。本设计为了将非主极点推到比较高的频率，采用引入一个零点的方法。这个零点可以抵消非主极点，从而使得LDO有比较好的稳定性。零点通常可使用电阻电容直接产生[6]。此处要用到相位补偿电路，如图5所示，在输出端反馈电阻R1上并联一个电容C3，构成补偿结构，增加一个零极点，对应的公式为：

图5 相位补偿电路

该零点引入相位超前，提高相位裕度。为了使新引入的极点远小于零点，需要满足R2

3 电路仿真与分析

理想情况下，线性稳压器输出温度系数和基准电压相当。当电源电压为5 V、负载电流为200 mA、温度变化范围为-40～125℃时，温度漂移特性仿真结果如图6所示。可知最大电压变化为14 mV。

图6 输出电压随温度变化仿真结果

线性/负载调整率是LDO稳压器的重要稳态性能指标，所反映的是输入电压和输出负载电流分别出现扰动的情况下，输出电压变化的百分率[7]。LDO输出电压随输入电压的变化（VDD=3.5～5.5 V）的仿真曲线如图7所示。根据计算得出LDO的线性调整率最大值为1.24 mV/V。

图7 输出电压随输入电压变化仿真结果

由于负载电流的稳态发生变化而导致的输出电压的变化被定义为负载调整率[8]。如图8所示为所设计器件的LDO输出电压随输出电流变化的仿真曲线。可以看到，当负载电流从100μA～200 mA变化时，LDO的负载调整率为8 mV/A；当电流从100μA变化到200 mA时，输出电压变化最大值为1.4 mV。

图8 输出电压随输出电流变化仿真结果

在电源电压为5 V、负载电流为200 mA条件下,线性稳压器的PSRR仿真曲线如图9所示。从图中可以得知，1 kHz情况下PSRR值为-53 dB。

图9 LDO的PSRR仿真结果

负载电流从1 mA上升到200 mA和从200 mA下降到1 mA的瞬态仿真结果如图10所示。从图中可以得知，电流变化时间为10μs；负载电流增加时，输出电压最大变化为107mV；负载电流降低时，输出电压最大变化为210 mV，不超过标准输出电压2.5V的±10%，符合设计预期。

图10 瞬态仿真结果

4 结束语

通过采用电流自适应增强和零极点消除技术，利用0.25μm CMOS工艺完成了线性稳压器的设计，仿真结果表明电路性能良好。LDO线性稳压器输出线性调整率为1.24 mV/V，最大输出电流为200 mA，静态电流不高于70μA，PSRR达到-57 dB，可为移动类电子产品进行有效供电。对于要求提供大输出电流的应用领域具有一定的推广价值。