一种具有过温和短路保护的低压LDO设计

1．3 过温保护电路和短路保护电路
1．3．1 过温保护电路
过温保护电路如图5所示。VP信号的电压值是二极管的导通电压，具有1．8 mV／℃左右的负温度系数，因此，随着温度上升它会不断降低。而VN信号几乎不随温度变化。

比较器的作用是比较两个模拟输入信号而产生一个二进制的输出。当正负输入差值为正时，输出为高电平；当正负输入差值为负时，输出为低电平。比较器的两个重要参数是精度和速度。精度决定了实现输出状态改变所需要的最小输入变化量，它主要由比较器的开环增益决定；速度反应的是输入激励到输出响应之间的时延。比较器的具体电路如图6所示。

1．3．2 LDO的稳定性和补偿
LDO是一个负反馈的系统，往往存在稳定性的问题。在LDO应用过程中，为了得到稳定可靠的输出，LDO的环路必须要被仔细的设计，避免输出产生振荡。在环路中加入几个被精心设计的极点以及零点，使LDO在环路在不同的使用条件下都能满足足够的相位裕度。
图7(a)中节点1，2，3处都存在一个极点。如果误差放大器由多极构成，其内部也存在极点，但一般可以通过放大器内部的miller补偿解决。为了提供足够的电流，导通部件的面积一般较大，相应地，节点1处的寄生电容也较大，所以节点1处的极点wp1在低频。节点3处的寄生电容较小，节点3处的极点wp3在高频，可以不考虑。

本文采用的是ESR补偿，通过外接的电容Cout和电容上等效串联电阻RESR产生的零点进行补偿，如图7(b)所示。
只要将零点放置在合适的位置，系统即可稳定，如图8所示。

1．3．3 短路保护电路
短路保护电路的作用是当LDO发生意外短路时，能够及时提高导通管的栅压，限制输出电流急剧变化，防止造成器件过热而损坏，使LDO能够在各种环境下都能安全可靠地工作。也正因为如此，本文设计了短路保护电路，如图9所示。
M2，M4的栅压由误差放大器的偏置电压提高。所有管子都工作在饱和区。当LDO正常工作时，输出电压Vout的采样信号VN的电压值大于VP信号的电压值，比较器输出低电平信号控制M8管关断，此时，电阻R上有较大的压降，VSP信号的电压比较低，约为0．2V，当电路出现输出端短路或过度超载情况时，输出电压会突然降低导致VN小于VP，此时，比较器输出由低电平转向高电平，M8导通。由于电阻被大管子M8短路，VSP将升高至1．4 V左右。

2 LDO的整体设计与仿真
2．1 LDO整体架构的电路设计
该电路从总体上可划分为电压基准源(BANDGAP)，误差放大器(ERR-AMP)，过温保护电路(OTP)，短路保护电路(SHD)，使能控制和驱动模块(调整管、反馈网络，补偿元件)等几个模块组成，其中输出电容是外置元件，用于频率补偿及改善瞬态特性。其整体框图如图10所示。其中使能信号EN通过反相器得到两个反相的信号以控制不同的电路。

2．2 LDO整体架构的版图设计
本文所设计的LDO电路基于UMC MIXED MODE CMOS 0．18μm工艺，所用到的器件主要有：
NMOS，PMOS，P+POLY电阻，Metal1-Metal2电容以及PNP管。其中PNP管是CMOS工艺中寄生的纵向PNP，LDO整体电路的版图可分为带隙基准、运放、比较器等几个主要模块，其中大电阻位于两侧，MOS电容位于右下方。整体版图如图11所示。

2．3 LDO整体架构的仿真
根据各个模块的设计指标和整体的功能要求，利用HSPICE CMOS 0．18μm工艺库对整体电路的各种主要性能进行了详细的仿真，为了获得较好的整体性能，各个设计指标之间进行了优化和折中，下面依次给出各种性能相关的仿真结果。
(1)LDO频率响应仿真。本文采用的补偿方法是通过输出电容产生的ESR电阻产生的零点来实现频率补偿的。从图12的仿真结果中可以看出，电路的低频增益为88 dB，电路相位裕度为65°，具有良好的稳定性。

(2)负载瞬态响应仿真。图13所示仿真结果表明，负载电流在0～300 mA变化时，其输出电压的变化范围小于20 mV，具有良好的负载瞬态特性，完全符合设计指标的要求。

(3)线性瞬态响应仿真。线性瞬态响应描述的是当输入电压变化时，输出电压保持恒定的能力。它是一个在大信号范围内定义的参数。如图14所示。

3 结语
本文采用的补偿方法是通过输出电容产生的ESR电阻产生的零点来实现频率补偿的。从上面的仿真结果中可以看出，电路的低频增益为88 dB，电路相位裕度为65°，具有良好的稳定性；负载电流在0～300 mA变化时，其输出电压的变化范围小于20 mV，具有良好的负载瞬态特性；Vin在1．2～2．0 V之间变化时，其输出电压的变化为150 mV，线性瞬态特性满足了设计指标的要求。