一款可實現(xiàn)超低壓差CMOS線性穩(wěn)壓器的設計方案

　　隨著筆記本電腦、手機、PDA等移動設備的普及，對應各種電池電源使用的集成電路的開發(fā)越來越活躍，高性能、低成本、超小型封裝產(chǎn)品正在加速形成商品化。LDO（低壓差）型線性穩(wěn)壓器由于具有結構簡單、成本低廉、低噪聲、小尺寸等特點，在便攜式電子產(chǎn)品中獲得了廣泛應用。

　　在便攜式電子產(chǎn)品中，電源效率越高意味著電池使用時間越長，而線性穩(wěn)壓器效率=輸出電壓×輸出電流/輸入電壓×輸入電流×100%，因此，輸入與輸出電壓差越低、靜態(tài)電流（輸入電流與輸出電流之差）就越低，線性穩(wěn)壓器的工作效率就越高。

　　本文設計的低壓差線性穩(wěn)壓器其輸出電壓為2.5V或輸出可調，滿足當負載為1mA時，最小輸入輸出壓差為0.4mV，當負載為300mA時，壓差為120mV，電源電壓工作范圍為2.5～6V。

　　電路結構與工作原理

　　低壓差線性穩(wěn)壓器的電路結構如圖1所示，電路由調整管，帶隙基準電壓、誤差放大器、快速啟動、過流限制、過熱保護、故障檢測、及取樣電阻網(wǎng)絡等模塊 組成，并具有使能、輸出可調等功能。調整管作為壓差的負載器件，要滿足本設計的要求，對于它的選擇需重點考慮：首先比較三極管和MOS管，由于三極管是流 控器件，而MOS管是壓控器件，比較而言MOS管結構的靜態(tài)電流更低。其次，NMOS管工作時需一比輸出電壓高的驅動信號，而PMOS管則無此需求，特別 在低輸入電壓時要產(chǎn)生一高的驅動電壓變得較困難。因此，本文采用PMOS管作為調整管。

　　圖1 低壓差線性穩(wěn)壓器電路結構

　　電路的工作原理是：在電路上電過程中，快速啟動電路內有一個500μA的電流源的對CC端的旁路電容C充電，使電路盡快上電啟動，誤差運放的同相端 經(jīng)由取樣電阻R1、R2對輸出電壓V0采樣，再與Vref比較后輸出放大信號，控制調整PMOS管的柵極電壓，使輸出電壓V0保持穩(wěn)定，即：

　　電路在工作過程中出現(xiàn)過流、過熱情況時，過流限制與過熱保護電路會快速響應，調整管的導通狀態(tài)會被減弱、關斷，保護電路不致?lián)p壞，同時故障檢測電路 會產(chǎn)生一個低電平信號。使能端接高電平時電路正常工作;當使能端為低電平時，基準電路及調整PMOS管關斷，電路處于等待狀態(tài)。

　　關鍵特性分析及設計考慮

　　1、漏失電壓（VDO）和靜態(tài)電流（Iq）

　　漏失電壓定義為維持穩(wěn)壓器正常工作的最小輸入輸出電壓差，它是反映調整管調整能力的一個重要因素。對采用PMOS管作調整管的電路，漏失電壓由導通 電阻（Ron）和負載電流（Io）確定，即： VDO = Io×Ron.低壓差線性穩(wěn)壓器的靜態(tài)電流為輸入電流與輸出電流之差，即： Iq = Ii - Io.靜態(tài)電流由偏置電流和調整管的柵極驅動電流組成。對PMOS調整管而言，柵極由電壓驅動，幾乎不產(chǎn)生功耗。在穩(wěn)壓器承載小負載或空載時，漏失電壓 極低，靜態(tài)電流等于穩(wěn)壓器工作時的總偏置電流。設計時注意使PMOS調整管的導通電阻和漏電流盡可能做小，各模塊電路在小電流狀態(tài)下能正常工作。

　　2、功耗（ Pw）和效率（η）

　　低壓差線性穩(wěn)壓器的功耗為輸入能量與輸出能量之差，即：

　　PW = VI II - VO IO = （ VI - VO） IO + VI Iq

　　上式中，前一項是調整管產(chǎn)生的功耗，后一項是靜態(tài)電流功耗。穩(wěn)壓器效率如前所述可表示為：

　　η= IO VO / （ IO + Iq ） VI×100 %

　　功耗與效率的表達式充分說明對于低壓差線性穩(wěn)壓器，低漏失電壓、低靜態(tài)電流意味著低功耗、高效率。

　　3、負載調整能力和電壓調整能力

　　負載調整能力指當輸出電流變化時，輸出電壓維持一定值的能力，定義為：ΔVO /ΔIO，它表征了負載變化而穩(wěn)壓器維持輸出在標稱值上的能力，該值越小越好。電壓調整能力指當輸入電壓變化時，輸出電壓維持一定值的能力，定義 為：ΔVO /ΔVI，它表征了輸入電壓變化而穩(wěn)壓器維持輸出在標稱值上的能力，該值也是越小越好。對圖1的電路結構其負載調整能力和電壓調整能力分別為：

　　其中gm為調整管的跨導;Aod為誤差放大器的開環(huán)差模增益;Rds為調整管源漏間的等效電阻;RL為負載電阻;R1、R2為取樣電阻。由上式可見，減小ΔVO÷ΔIO和ΔVO÷ΔVI的關鍵是盡可能增大gm和Aod.

　　4、瞬態(tài)響應

　　瞬態(tài)響應是穩(wěn)壓器的動態(tài)特性，指負載電流階躍變化引起輸出電壓的瞬態(tài)脈沖現(xiàn)象和輸出電壓恢復穩(wěn)定的時間，與輸出電容COUT和輸出電容的等效串聯(lián)電阻RESR，以及旁路電容Cb有關，最大瞬態(tài)電壓脈沖值ΔVTR（MAX）為：

　　其中： IO（MAX）是指發(fā)生階躍變化的最大負載電流;Δt1是穩(wěn)壓器閉環(huán)的響應時間，與穩(wěn)壓器閉環(huán)帶寬（0dB頻率點）有關。設計應用時需考慮降低穩(wěn)壓器的瞬態(tài)電壓脈沖，即提高穩(wěn)壓器的帶寬，增大輸出和旁路電容，降低其等效電阻。

　　5、輸出精度

　　穩(wěn)壓器的輸出精度是由多種因素的變化在輸出端共同作用的體現(xiàn)，主要有輸入電壓變化引起的輸出變化ΔVLR、負載變化引起的輸出變化ΔVLDR、基準 漂移引起的輸出變化ΔVref、誤差放大器失調引起的輸出變化ΔVamp、采樣電阻阻值漂移引起的輸出變化ΔVres、以及工作溫度變化引起的輸出變化 ΔVTC，輸出精度ACC由下式給出：

　　其中ΔVref、ΔVamp及ΔVres對ACC影響較大，故基準電壓源、誤差放大器及采樣電阻網(wǎng)絡的拓撲結構在設計時需重點考慮。