电源管理：基于超低压差CMOS线性稳压器的设计

随着笔记本电脑、手机、PDA 等移动设备的普及,对应各种电池电源使用的集成电路的开发越来越活跃,高性能、低成本、超小型封装产品正在加速形成商品化。LDO(低压差)型线性稳压器由于具有结构简单、成本低廉、低噪声、小尺寸等特点，在便携式电子产品中获得了广泛应用。

在便携式电子产品中,电源效率越高意味着电池使用时间越长, 而线性稳压器效率=输出电压×输出电流/输入电压×输入电流×100% ,因此,输入与输出电压差越低、静态电流(输入电流与输出电流之差) 就越低，线性稳压器的工作效率就越高。

本文设计的低压差线性稳压器其输出电压为2.5V 或输出可调,满足当负载为1mA 时,最小输入输出压差为0.4mV ,当负载为300mA 时,压差为120mV ,电源电压工作范围为2.5～6V。

1 电路结构与工作原理

低压差线性稳压器的电路结构如图1 所示,电路由调整管,带隙基准电压、误差放大器、快速启动、过流限制、过热保护、故障检测、及取样电阻网络等模块组成,并具有使能、输出可调等功能。调整管作为压差的负载器件,要满足本设计的要求,对于它的选择需重点考虑: 首先比较三极管和MOS管,由于三极管是流控器件,而MOS管是压控器件,比较而言MOS管结构的静态电流更低。其次,NMOS管工作时需一比输出电压高的驱动信号,而PMOS管则无此需求,特别在低输入电压时要产生一高的驱动电压变得较困难。因此,本文采用PMOS管作为调整管。

图1 低压差线性稳压器电路结构

电路的工作原理是: 在电路上电过程中,快速启动电路内有一个500μA 的电流源的对CC端的旁路电容C充电,使电路尽快上电启动,误差运放的同相端经由取样电阻R1 、R2对输出电压V0采样,再与Vref比较后输出放大信号,控制调整PMOS管的栅极电压,使输出电压V0 保持稳定,即:

电路在工作过程中出现过流、过热情况时,过流限制与过热保护电路会快速响应,调整管的导通状态会被减弱、关断,保护电路不致损坏,同时故障检测电路会产生一个低电平信号。使能端接高电平时电路正常工作;当使能端为低电平时,基准电路及调整PMOS管关断,电路处于等待状态。

2 　关键特性分析及设计考虑

2.1 漏失电压(VDO) 和静态电流(Iq)

漏失电压定义为维持稳压器正常工作的最小输入输出电压差,它是反映调整管调整能力的一个重要因素。对采用PMOS 管作调整管的电路,漏失电压由导通电阻(Ron) 和负载电流(Io) 确定,即: VDO = Io×Ron 。低压差线性稳压器的静态电流为输入电流与输出电流之差,即: Iq = Ii -Io。静态电流由偏置电流和调整管的栅极驱动电流组成。对PMOS 调整管而言,栅极由电压驱动,几乎不产生功耗。在稳压器承载小负载或空载时,漏失电压极低,静态电流等于稳压器工作时的总偏置电流。设计时注意使PMOS 调整管的导通电阻和漏电流尽可能做小,各模块电路在小电流状态下能正常工作。

2.2 功耗( Pw) 和效率(η)

低压差线性稳压器的功耗为输入能量与输出能量之差,即:

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

上式中,前一项是调整管产生的功耗,后一项是静态电流功耗。稳压器效率如前所述可表示为:

η= IO VO / ( IO + Iq ) VI ×100 % ,功耗与效率的表达式充分说明对于低压差线性稳压器,低漏失电压、低静态电流意味着低功耗、高效率。

2.3 负载调整能力和电压调整能力

负载调整能力指当输出电流变化时,输出电压维持一定值的能力,定义为: ΔVO / ΔIO ,它表征了负载变化而稳压器维持输出在标称值上的能力,该值越小越好。电压调整能力指当输入电压变化时,输出电压维持一定值的能力,定义为: ΔVO / ΔVI ,它表征了输入电压变化而稳压器维持输出在标称值上的能力,该值也是越小越好。对图1 的电路结构其负载调整能力和电压调整能力分别为:

其中gm 为调整管的跨导; Aod为误差放大器的开环差模增益; Rds 为调整管源漏间的等效电阻; RL 为负载电阻; R1 、R2 为取样电阻。由上式可见,减小ΔVO÷ΔIO 和 ΔVO÷ΔVI 的关键是尽可能增大gm 和Aod 。

2.4 瞬态响应

瞬态响应是稳压器的动态特性,指负载电流阶跃变化引起输出电压的瞬态脉冲现象和输出电压恢复稳定的时间,与输出电容COUT和输出电容的等效串联电阻RESR ,以及旁路电容Cb有关,最大瞬态电压脉冲值ΔVTR(MAX) 为:

其中: IO(MAX) 是指发生阶跃变化的最大负载电流;Δt1 是稳压器闭环的响应时间,与稳压器闭环带宽(0dB 频率点) 有关。设计应用时需考虑降低稳压器的瞬态电压脉冲,即提高稳压器的带宽,增大输出和旁路电容,降低其等效电阻。

2.5 输出精度

稳压器的输出精度是由多种因素的变化在输出端共同作用的体现,主要有输入电压变化引起的输出变化ΔV