当前位置:首页>行业资讯>技术应用>资讯内容

一种高效稳定的LDO线性稳压器设计

发布日期:2017-10-18 来源: 本网 查看次数: 749 作者:admin

核心提示:  近年来,随着各种尖端技术的不断融合以及人们对于技术物质需求的日益提高,便携式电子产品得到了飞速发展和广泛普及,已经成为人们日常生活中不可缺少的一部分。因此,高性能、高效率、低成本的电源管理解决方案已经成为一项备受关注的技术关键和技术挑战。而低压差(LDO)线性稳压器以其低噪声、高PSRR、微功耗和极低的成本,已经成为极具竞争力的电源方案之一。  传统的LDO线性稳压器在负载电流增大或输出电容的

  近年来,随着各种尖端技术的不断融合以及人们对于技术物质需求的日益提高,便携式电子产品得到了飞速发展和广泛普及,已经成为人们日常生活中不可缺少的一部分。因此,高性能、高效率、低成本的电源管理解决方案已经成为一项备受关注的技术关键和技术挑战。而低压差(LDO)线性稳压器以其低噪声、高PSRR、微功耗和极低的成本,已经成为极具竞争力的电源方案之一。

  传统的LDO线性稳压器在负载电流增大或输出电容的等效串联电阻发生变化时经常会遇到稳定性变差的问题。针对这个问题,本文阐述了一种准确且稳定的4.2V转为2.5V输出的LDO线性稳压器的设计,该设计能够有效解决LDO线形稳压器环路系统的稳定问题以及其他一些诸如失调和噪声的问题。

  2系统框架显示了本设计的整体系统框图,采用PMOS型功率传输管架构。

  流置路电fe电这是因为PMOS线性稳压器具有比开关稳压器更小的输出噪声和输出纹波,比NMOS稳压器更低的差电压。整个系统包括误差放大器,高电流效率缓冲电路(可以改善电流效率和环路稳定性),带隙基准源以及其修正电阻网络(用于修正由于内部电阻失调而造成的基准电压偏差),热关断保护电路,限流保护电路和偏置电流电路。根据运放闭环系统,可得到输出为2.1频率补偿改进传统LDO线性稳压器的主要问题就是当负载电流增加时输出端极点的位置会被推向更高的频率,而其他极点基本保持不变,造成系统稳定性变差,并且也会限制在控制环路稳定情况下的最大负载电流。为了解决这个问题,在设计中应用了一种改进型密勒补偿和高电流效率的缓冲电路。

  如所示误差放大器由NMOS晶体管Mn1 -Mp5组成,采用了共源共栅结构以获得更高的环路增益,从而得到良好的负载调整率、线性调整率和高电源抑制比。

  本设计环路系统的具体电路实现图而晶体管Mn6 -Mp11组成高电流效率的缓冲电路。它能够检测到流经PMOS功率传输管的输出电流并按照一定的比率将电流反馈到稳压器的转换速率限制端。在高负载电流的情况下,输出负载电流信号会被电路检测而使反馈电流Ib增大。从而流过源跟随器的电流也会被增大,这样所增加的电流能使源跟随器的输出阻抗大大减小,从而使其输出端的寄生极点推向更高的频率。

  另外,将补偿电容的B端接在输出级的输出端,另一端A接在第一级中共栅放大器Mn4中的源端。从第一级放大的输出端D往A点看就像是加入了一个源跟随器,从而阻止了B点到第一级输出端D点的前馈电流,消除了右半平面零点的影响并有效改善了稳定性。

  2.2带隙基准源传统带隙基准源有关输出噪声的主要问题就是两个PN结之间的电压差AVEB必须要乘以一个倍乘系数M,从而实现温度系数的一阶补偿。但是两个PN结之间的电压差AVEB的噪声也会被乘以一个同样的倍乘系数M,这势必会导致带隙基准的输出噪声存在一个所不期望出现的增加值。在本设计中,运用一种随机噪声的基本概念来实现比传统带隙基准更低的输出噪声。这个概念的原理就是用几个AVEB电压的求和来替代将AVEB电压乘以一个倍乘系数0.利用这种方法,输出噪声的结果可以表示为发射极-基极电压的内部噪声;Vn――AVEB电压的内部噪声;M补偿温度系数所需要的增益因数。

  显示了本设计中低噪声拓扑结构的带隙基准源的具体电路。它包括了启动电路、偏置电流电路、AVEB电压产生电路以及一个低通滤波器。为了改进电路中CMOS放大器的性能,我们利用斩波稳定放大器63来减小放大器的1/f噪声和失调电压,最终可得到的基准电压为1.2V. 2.3热关断保护电路如所示,双极型晶体管的发射极基极电压与VT产生器的输出电压分别具有负和正的温度系数。由于两个比较器的输入电压Vd,Vd都与温度成正比,两个比较器的输出电压则允许通过适当地设置温度T=T.时的电压值Vd(T)和匕⑴以及Mi与化的值,分别从温度到  因此,Pd作为开/关LDO线性稳压器的控制信号,可防止LDO稳压器长时间工作在极高温度的状态下。

  热关断保护电路的功能框。4限流保护电路如所示,电流检测电路可以瞬时地检测流经功率传输管的输出电流并且以一定的比率系数1/K将输出电流信号反馈回来。随着输出电流的增大,反馈电流Ifb也会随之增大。一旦输出电流接近最大负载电流时,比较器正端的电压便会大于Vrf而使比较器输出为高,从而使NMOS管Mn1导通。接着PMOS管Mn2也会因为偏置的导通而开启,于是功率传输管的栅端电压被Mn2管拉到高,继而被关断。

  3版图与后仿结果平台下米用TSMC-0.35m-2P3M的CMOS混合信号工艺进行版图设计和后仿真。版图如所示,版图在通过DRC和LVS验证后在芯片输入电源电压为4. 2V,外接的输出电容为2.2F,其等效串联电阻ESR值为0.0m的条件下对系统进行后仿真。仿真波形如。

  系统版图可见,整个电压稳压器可以驱动的输出负载电流大于300mA,且当负载电流由0突变到300mA时,稳压器输出电压的最大变化小于60mV.电源电压抑制比在10kHz时仍能达到60dB以上。

  4结束语通过后仿真结果可看出整个系统的稳定性几乎不随着负载电流的增加而减少,对于低ESR的输出电容也能保持稳定,在负载与输入电压突然变化时依然能够保持稳定输出而不会发生振荡,达到了本设计目的。但仍然有许多不足之处有待完善,例如:如何使稳压器在更小的输出电容下保持稳定输出;如何在保持大功率的输出能力的时又能有效缩减芯片尺寸大小等问题。

网友评论

共有0条评论
马上注册

热门资讯