极点跟随的LDO稳压器频率补偿方法
片上频率补偿电容的新型频率补偿方法。
3 极点跟随频率补偿
LDO稳压器空载时,由式(3),P2为0 Hz(实际上,此时,λ和IDMpass为Mpass的沟道调制系数和漏极电流),P1只需大于0 Hz,P1与P2的间距(P1/P2)就足以保证频率稳定性。随着输出电流的增大,P2向高频移动,如果P1能够跟随P2的变化,则P1与P2的间距得到维持。极点跟随的频率补偿,即是当输出电流变化时,通过使P1跟随P2的变化,获得频率稳定性的方法。
一种使P1跟随P2变化的电路实现,可利用共集电极和共漏极电压缓冲器的输出电阻,分别与偏置电流和偏置电流的开方成反比的规律,根据输出电流来动态地调整电压缓冲器的偏置电流,使P1也受输出电流控制。
一个采用了极点跟随频率补偿的LDO稳压器,如图2所示。其中,完成频率补偿的动态偏置电压缓冲器,包括了由MOS晶体管MP3,MN4和运算放大器OPA组成的输出电流监测电路,由MN1~MN3和MP1~MP2组成的电流镜电路,以及由电流源IB2,IB3和双极晶体管Q3~Q6组成的电压缓冲器。
输出电流监测电路中的MP3与LDO稳压器的电压调整管Mpass的源、栅极驱动电压相等,且由于运放OPA输入端"虚短"特性,MP3的漏极(OPA正向输入端)电压等于Mpass的漏极(OPA负向输入端)电压,故有:
对照式(3)与式(13),可以看到,P1/P2独立于Io,故图2中的LDO稳压器获得了在整个负载变化范围内的频率稳定性。
4 仿真结果与讨论
采用TSMC 0.18 μm混合信号Spice模型,和高精度仿真工具HSpice,对图2中的LDO稳压器进行了设计与仿真验证。在Co=1 μF,Io=100 mA的条件下,环路增益T的幅频与相频响应的仿真结果如图3所示,在单位环增益频率内,幅频特性与单极点系统相同,以-20 dB/dec的速度衰减,相位裕度大于80°。
图4为输出电流Io在20 ns内由0跳变为100 mA时,LDO稳压器输出电压Vo的瞬态响应。由图4可以看到,Vo从空载到满载的转换时间约为0.5μs。如此良好的瞬态响应是由于极点跟随频率补偿具有以下优点:极点P1对P2的跟随,减小了P1的附加相移,增加了相位裕度,则由式(1),有利于减小过冲导致的输出电压振铃现象;无需引入零点,因而避免了零、极点对造成的输出电压稳定时间的增加;对带宽没有限制,且无需米勒频率补偿电容,则由式(7),有利于减小环路延时。此外,电压缓冲器中的甲乙类推拉结构和动态电流,对提高响应速度也有很大帮助。
最后需要说明的是,对输出电压Vo进行的直流扫描结果表明,Vo在整个输出电流范围内的变化较大,约为4 %。经分析,主要由以下因素造成:图2中的宽带压差放大器的非对称结构引入了较大的输入失调电压;双极器件的基极电流,以及NPN型器件与PNP型器件参数(放大倍数等)的差异引入的误差。通过改用对称结构的低失调压差放大器,并将双极器件替换为MOS器件,可提高LDO稳压器的精度。但是由于低失调压差放大器引入的低频极点,以及MOS器件的低跨导造成的P1的频率降低,会减小相位裕度,所以应避免在压差放大器中采用电流镜(引入镜极点)或共源共栅(增加节点电阻)等结构,并适当提高电压缓冲器中器件的尺寸和偏置电流。
5 结语
本文提出的极点跟随的频率补偿方法,提供了LDO稳压器良好的频率稳定性和瞬态响应,且无需芯片上频率补偿电路,因而不仅适用于高负载变化响应速度的单芯片LDO稳压器,在集成电源管理和片上系统(SOC)方面,也有较好的应用前景。
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