一種新型雙極型LDO線性穩(wěn)壓器的設(shè)計

　　關(guān)鍵詞：LDO線性穩(wěn)壓器；低漏失電壓；低靜態(tài)電流；自由集電縱向PNP管

　　隨著電子產(chǎn)品的不斷發(fā)展，電源管理解決方案不斷追求高效率、小占位面積、低成本，這使得低壓降（LDO，LowDropout）線性穩(wěn)壓器越來越受歡迎。應(yīng)用于電池供電的產(chǎn)品中，低漏失電壓特性保證了電池使用效率高，而且效率將隨著電池電壓的下降而上升；低靜態(tài)電流特性保證了電池使用時間長。本文中設(shè)計的LDO線性穩(wěn)壓器，典型情況下100 mA負載時漏失電壓為180 mV，靜態(tài)電流為800μA，空載時漏失電壓僅為5 mV，靜態(tài)電流為35μA；而且設(shè)置了使能開關(guān)引腳，在使能開關(guān)引腳被拉低時，穩(wěn)壓器處于休眠模式，此時靜態(tài)電流＜1μA；另外，該穩(wěn)壓器還具有過溫、過流保護功能。

　　1　電路拓撲結(jié)構(gòu)

　　該穩(wěn)壓器包括啟動電路、恒流源偏置單元、使能電路、調(diào)整元件、基準源、誤差放大器、反饋電阻網(wǎng)絡(luò)，保護電路等。為了實現(xiàn)LDO特性穩(wěn)壓器調(diào)整元件采用一種自由集電極的縱向PNP管，過溫過流保護電路也采用了特殊的結(jié)構(gòu)。電路拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　基本工作原理是這樣的：系統(tǒng)加電，如果使能腳處于高電平時，電路開始啟動，恒流源電路給整個電路提供偏置，基準源電壓快速建立，輸出隨著輸入不斷上升，當輸出即將達到規(guī)定值時，由反饋網(wǎng)絡(luò)得到的輸出反饋電壓也接近于基準電壓值，此時誤差放大器將輸出反饋電壓和基準電壓之間的誤差小信號進行放大，再經(jīng)調(diào)整管放大到輸出，從而形成負反饋，保證了輸出電壓穩(wěn)定在規(guī)定值上；同理如果輸入電壓變化或輸出電流變化，這個閉環(huán)回路將使輸出電壓保持不變，即：

    如果使能腳處于低電平，電路將處于休眠狀態(tài)。

　　2　啟動電路、恒流源偏置電路和使能開關(guān)電路

    啟動電路是為了使恒流源偏置電路開始工作，從而給整個電路建立正常的工作點。使能高電位臨界值設(shè)為1．4 V，使能低電位臨界值設(shè)為0．5 V。當使能電壓VEN＞1．4 V時，電流源給基準源和誤差放大器提供偏置，電路處于穩(wěn)壓工作狀態(tài)；當使能電壓VEN＜0．5 V時，啟動電路將使電流源關(guān)閉，基準源和誤差放大器的偏置電流為零，導(dǎo)致整個電路處于截至狀態(tài)，此時電路的靜態(tài)電流將會很?。ǎ?μA），這種狀態(tài)就稱為穩(wěn)壓器休眠模式。根據(jù)上述原理，這部分的電路設(shè)計如圖2所示。

　Q14，Q15，R9，R8構(gòu)成的微電流源作為啟動電路，大電阻R9確保很小的引腳電流（一般為幾μA），Q14使電流源啟動，Q5使誤差放大器、調(diào)整管等電路啟動。橫向PNP晶體管Q7，Q8組成的電流鏡給基準源提供偏置，而與調(diào)整管同類型的Q2則是給誤差放大器提供電流偏置。使能開關(guān)電路由橫向PNP晶體管Q9A和Q9B組成，Q6使Q9B的發(fā)射極電位為VREF＋0．7 V＝1．93 V；而Q9A的發(fā)射極電位為VFB＋0．7 V＝1．93V。這樣當VEN＞1．4 V時，Q9A和Q9B完全截至，使能電路失去作用，電路正常穩(wěn)壓工作；同理由Q15可決定穩(wěn)壓器休眠模式時，VEN＜0．5 V。

　　3　調(diào)整管

　　如圖3所示LDO線性穩(wěn)壓器簡化的結(jié)構(gòu)圖，穩(wěn)壓器的靜態(tài)工作電流（Iq）主要由調(diào)整管的基極驅(qū)動電流決定，該值越小，則穩(wěn)壓器自身消耗的電流越小，電源電流轉(zhuǎn)換的效率就越高；漏失電壓（VDROP）指輸出電壓在容差范圍內(nèi)的最小輸入輸出壓差，該值越小，則電源電壓轉(zhuǎn)換效率越高。對于采用PNP調(diào)整管的LDO線性穩(wěn)壓器，Iq≈IDRV＝IO／β（β為PNP的電流放大倍數(shù)），VDROP＝VSAT（VSAT為PNP的飽和壓降）［1］。由于在現(xiàn)有工藝下，一般橫向PNP的電流放大倍數(shù)為50左右，參數(shù)漂移較大；VSAT的性能也不好。此設(shè)計采用了某工藝下一種自由集電極的縱向PNP，標準單管在集電極電流為－100μA、集電極與發(fā)射極壓差為－5 V時，β為160，上下漂移50；在集電極電流為－100μA、集電極與基極電流比為10時，VSAT為30 mV左右。因此這種自由集電極的縱向PNP非常適合作調(diào)整管。單管的版圖剖面結(jié)構(gòu)如圖4所示。漏失電壓和靜態(tài)電流電流特性如圖5、圖6所示。

　　4　基準電路

　　由式（1）可知，基準電壓對于LDO線性穩(wěn)壓器來說是至關(guān)重要的。本設(shè)計采用了輸出為1．23 V高精度、低溫度系數(shù)的帶隙基準源結(jié)構(gòu)，這也表征了穩(wěn)壓器輸出也會有高精度、低溫度系數(shù)特性。根據(jù)雙極型帶隙基準電路的基本原理［2，4］，設(shè)計的帶隙基準源結(jié)構(gòu)如圖7所示。

　Q15，Q18，R13構(gòu)成VT（VT＝KT／q，稱為熱電壓）發(fā)生器，Q19，Q16和Q17構(gòu)成的電流源精確地保證Q15和Q18的集電極電流相等。Q15，Q18的發(fā)射區(qū)面積比為1／10，則他們的結(jié)飽和電流IS之比為1／10，因此Q15，Q18的BE結(jié)壓差ΔVBE為：

　　其中：VBE為負溫度系數(shù)，VT為正溫度系數(shù)。

　　5　誤差放大器

　　電壓調(diào)整率和負載調(diào)整率是穩(wěn)壓器重要的質(zhì)量參數(shù)，他們分別表示了輸入電壓變化、輸出負載變化穩(wěn)壓器維持輸出在規(guī)定值上的能力。根據(jù)LDO線性穩(wěn)壓器的基本原理［1，3］，他們與誤差放大器的直流開環(huán)增益成反比。因此誤差放大器的跨導(dǎo)越大，穩(wěn)壓器的電壓調(diào)整率和負載調(diào)整率性能越好。另外從圖1中可知誤差放大器的輸出電流直接驅(qū)動PNP管，所以誤差放大器必須能夠提供足夠大的輸出驅(qū)動電流，并且輸出驅(qū)動電流必須能跟隨負載的變化，該誤差放大器的偏置電流源也必須能隨著負載的變化，而誤差放大器本身必須在負載變化時，仍處于放大狀態(tài)，保持強烈的負反饋從而實現(xiàn)穩(wěn)定的輸出。

　　根據(jù)以上所述，本文給出如圖10所示的設(shè)計電路，誤差放大器輸出電流在小電阻R6上的壓降控制Q4的動態(tài)負載，當穩(wěn)壓器輸出負載電流增大，則誤差放大器輸出電流增大，R18上的壓降升高，而使動態(tài)負載增大，這樣才能給調(diào)整管提供更大的驅(qū)動電流。此設(shè)計的誤差放大器的差分輸入對管與調(diào)整管同為自由集電極的縱向PNP，這使誤差放大器具有高傳輸跨導(dǎo)，低輸入失調(diào)［5］。

　　6　過溫過流保護電路

　　過溫過流保護電路對于LDO線性穩(wěn)壓器來說是必要的。當穩(wěn)壓器工作溫度超過允許的最高結(jié)溫時，過溫保護電路使穩(wěn)壓器停止工作，從而不產(chǎn)生功耗，實現(xiàn)了降溫，防止了穩(wěn)壓器燒壞；當穩(wěn)壓器因短路或其他原因使輸出電流過大時，過流保護電路使穩(wěn)壓器迅速減流，以防因電流過大而使穩(wěn)壓器損壞。本設(shè)計中穩(wěn)壓器最高工作溫度為125℃，輸出限制電流為200 mA，電路形式如圖11所示。常溫下，Q12的BE結(jié)電壓被設(shè)為低于他的導(dǎo)通壓降，當溫度升高時，NPN管的導(dǎo)通壓降以約2 mV／℃下降，因此A點電位隨著溫度的升高而不斷升高，直到Q12管導(dǎo)通，此時誤差放大器的偏置電流，全被拉向Q12，這樣誤差放大器將停止工作而使調(diào)整管無驅(qū)動，輸出為零。

　過流保護電路與過溫保護電路有點類似，在穩(wěn)壓器的工作電流范圍內(nèi)，Q11截至，當穩(wěn)壓器輸出電流增大到200 mA時，此時調(diào)整管的基極電流將達到2 mA，電流檢測電阻R7上的壓降將使Q11導(dǎo)通，形成負反饋，把輸出電流限制在這個值上。

　　7　結(jié) 語

　　LDO線性穩(wěn)壓器主要應(yīng)用于便攜式的電子產(chǎn)品中，而且日益廣泛。CMOS型的LDO線性穩(wěn)壓器也正在發(fā)展中，但是他存在著CMOS工藝本身帶來的弱點，而且由于PMOS調(diào)整管有較大的柵極寄生電容，使得穩(wěn)定性補償不易控制。本文從穩(wěn)壓器的拓撲結(jié)構(gòu)入手，對每個模塊都進行了詳細的分析和設(shè)計，采用某雙極工藝，實現(xiàn)的LDO線性穩(wěn)壓器具有低漏失電壓、低靜態(tài)電流特性，將具有很好的應(yīng)用前景。