一種具有過溫和短路保護(hù)的低壓LDO設(shè)計

O 引言
    隨著電子技術(shù)的發(fā)展，尤其是目前便攜式產(chǎn)品的迅速發(fā)展，電源IC發(fā)揮的作用越來越大，同時電子市場對電源管理IC的需求也越來越高。電源電路的性能良好與否直接影響著整個電子產(chǎn)品的精度、穩(wěn)定性和可靠性。低壓LDO需要有低壓誤差放大器和低壓帶隙，其中低壓帶隙同樣需要低壓運放。在本文中采用特殊結(jié)構(gòu)的低壓運放，以免在增加電荷泵的同時，也增加了功耗和電荷泵波動對輸出電壓的影響。但是采用低壓運放也有缺點，這種結(jié)構(gòu)的運放一般較為復(fù)雜，需要進(jìn)行多級級聯(lián)，并且需要增加復(fù)雜的補(bǔ)償電路來確保整個電路的穩(wěn)定性。本文所設(shè)計的電路從總體上可劃分為電壓基準(zhǔn)源(BANDGAP)，誤差放大器(ERR-AMP)，過溫保護(hù)電路(OTP)，短路保護(hù)電路(SHD)，使能控制和驅(qū)動模塊(調(diào)整管、反饋網(wǎng)絡(luò)、補(bǔ)償元件)等幾個模塊組成，其中輸出電容是外置元件，用于頻率補(bǔ)償及改善瞬態(tài)特性。

1 電路的設(shè)計與分析
1．1 帶隙基準(zhǔn)電路
    在數(shù)字和模擬電路中，對基準(zhǔn)電壓源的要求越來越嚴(yán)格，他們必須對溫度以及供電電壓是不靈敏的，例如鎖相環(huán)、存儲系統(tǒng)以及模／數(shù)轉(zhuǎn)換電路中的比較器等。目前，這些電路都是通過CMOS技術(shù)來實現(xiàn)；相應(yīng)的，帶隙基準(zhǔn)電路不僅要工作在低電壓下，同時也要通過典型的數(shù)字CMOS技術(shù)來實現(xiàn)。
    目前有兩個主要的因數(shù)限制了低壓基準(zhǔn)源的實現(xiàn)，第一個是傳統(tǒng)的帶隙基準(zhǔn)源的輸出電壓大約為1．25 V，因而其供給電壓不可能低于這個值；第二個是基準(zhǔn)電路中所使用的放大器的供給電壓的大小以及共模電壓輸入范圍都不能提低。文獻(xiàn)中的基準(zhǔn)源采用了電流模型的方式，然而這個電路雖然有可能解決供電電壓限制的難題卻需要額外增加一個啟動信號，并且它的器件必須是耗盡型的，這種工藝是無法用典型的BICMOS工藝來實現(xiàn)的；文獻(xiàn)中分別采用襯底驅(qū)動及調(diào)節(jié)閾值電壓的方法來降低供給電壓，以實現(xiàn)低壓基準(zhǔn)源，但這些電路很容易受到噪聲信號的影響，這些噪聲是由于反饋信號通過襯底來傳輸而產(chǎn)生的。所以，本文提出了一種低壓基準(zhǔn)電路來解決上述所提到的問題，此電路最低可工作于1 V。
1．1．1 低壓帶隙基準(zhǔn)電路
    如圖1所示，為了降低電源電壓，該電路對傳統(tǒng)帶隙進(jìn)行了VP和VN兩點到地的折疊。負(fù)反饋回路包括運放和一對匹配電流源，保證VP= VN。因此，電流I1A和I2A與Q1的基極-射極電壓(VBE1)成正比，通過R3的電流與電壓△VBE成正比。那么，電流IMp2是通過電阻R2和R3電流的總和，與VBE1+K△VBE成正比。通過設(shè)置電阻R1=R2，則I1A=I2A。Q2的發(fā)射極面積為Q1發(fā)射極面積的N倍假設(shè)所有的PMOS晶體管都工作在飽
和區(qū)，Mp1和Mp2兩個晶體管完全相同，相同的寬長比使得這兩路電流相等，Mp3晶體管的寬長比是Mp1和Mp2寬長比的m倍。所有PMOS晶體管的柵極連在同一個節(jié)點(VC)，那么PMOS晶體管的漏電流可以表示為：
   
    該電壓也是不隨溫度變化的。以上分析可知，上面電路得到的電壓和電流都是與溫度無關(guān)的。這有助于整體電路的穩(wěn)定。

1．1．2 帶隙結(jié)構(gòu)中的低壓運放
    圖2所示的是由NMOS差分對組成的一個二級運放，偏置電壓VB由VBE1提供。為了獲得足夠的相位裕度，NMOS陣列的運放增加了RC補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。在電路中，輸入晶體管的柵電壓被偏置在帶隙中雙極性晶體管的電壓差(0．65 V)。電路中M4和M5的偏置電流大于尾電流，以防止折疊電流鏡中的電流降至0。當(dāng)差分輸入一端為0時，另一端達(dá)到最大。差分級的電壓增益可以表示為：
   
    P型擴(kuò)散層用于所有的電阻，在帶隙結(jié)構(gòu)中，設(shè)置M=1，則晶體管Mp1，Mp21和Mp31中的電流相同，漏源電壓也相等，與電源電壓的大小無關(guān)。因此，需要一個溫度系數(shù)比較低的VBG可以由溫度系數(shù)較低的電阻R4上的壓降獲得。

1．1．3 啟動電路
    針對上述的低壓帶隙結(jié)構(gòu)提出了一種啟動電路，如圖3所示。低壓帶隙電路上電時，可能進(jìn)入兩個狀態(tài)，一是正常工作狀態(tài)，另一個狀態(tài)是VP和VN為低電平，誤差放大器的輸入管關(guān)斷，VC為高電平，Mp1，Mp2，Mp3關(guān)斷，整體電路停止工作。

    啟動電路的作用是要確保電路上電后正常工作，整個電路停止工作時，VP的電壓低于NMOS的閾值電壓，啟動電路開始工作，VP是低電平，這會使M23關(guān)斷，從而使M17～M22開啟，將VP電壓的拉升上去，使帶隙進(jìn)入工作狀態(tài)。此時VP為高電平，M23開啟，M17～M22關(guān)斷，此時，啟動電路對正常工作的帶隙基準(zhǔn)電路不產(chǎn)生影響。
1．2 誤差放大器的設(shè)計
    反饋電壓和帶隙的基準(zhǔn)電壓作為誤差放大器的輸入。誤差放大器第一級是折疊式共源共柵結(jié)構(gòu)，目的是獲得較高的增益，而且輸入共模電平可以設(shè)置的很低。第二級電路采用了源跟隨器，目的是調(diào)節(jié)輸出共模電平。I98和MC作為密勒補(bǔ)償，I119和I120用于消除共軛極點，用于保證良好的穩(wěn)定性。如圖4所示。

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1．3 過溫保護(hù)電路和短路保護(hù)電路
1．3．1 過溫保護(hù)電路
    過溫保護(hù)電路如圖5所示。VP信號的電壓值是二極管的導(dǎo)通電壓，具有1．8 mV／℃左右的負(fù)溫度系數(shù)，因此，隨著溫度上升它會不斷降低。而VN信號幾乎不隨溫度變化。

    比較器的作用是比較兩個模擬輸入信號而產(chǎn)生一個二進(jìn)制的輸出。當(dāng)正負(fù)輸入差值為正時，輸出為高電平；當(dāng)正負(fù)輸入差值為負(fù)時，輸出為低電平。比較器的兩個重要參數(shù)是精度和速度。精度決定了實現(xiàn)輸出狀態(tài)改變所需要的最小輸入變化量，它主要由比較器的開環(huán)增益決定；速度反應(yīng)的是輸入激勵到輸出響應(yīng)之間的時延。比較器的具體電路如圖6所示。

1．3．2 LDO的穩(wěn)定性和補(bǔ)償
    LDO是一個負(fù)反饋的系統(tǒng)，往往存在穩(wěn)定性的問題。在LDO應(yīng)用過程中，為了得到穩(wěn)定可靠的輸出，LDO的環(huán)路必須要被仔細(xì)的設(shè)計，避免輸出產(chǎn)生振蕩。在環(huán)路中加入幾個被精心設(shè)計的極點以及零點，使LDO在環(huán)路在不同的使用條件下都能滿足足夠的相位裕度。
    圖7(a)中節(jié)點1，2，3處都存在一個極點。如果誤差放大器由多極構(gòu)成，其內(nèi)部也存在極點，但一般可以通過放大器內(nèi)部的miller補(bǔ)償解決。為了提供足夠的電流，導(dǎo)通部件的面積一般較大，相應(yīng)地，節(jié)點1處的寄生電容也較大，所以節(jié)點1處的極點wp1在低頻。節(jié)點3處的寄生電容較小，節(jié)點3處的極點wp3在高頻，可以不考慮。

    本文采用的是ESR補(bǔ)償，通過外接的電容Cout和電容上等效串聯(lián)電阻RESR產(chǎn)生的零點進(jìn)行補(bǔ)償，如圖7(b)所示。
    只要將零點放置在合適的位置，系統(tǒng)即可穩(wěn)定，如圖8所示。

1．3．3 短路保護(hù)電路
    短路保護(hù)電路的作用是當(dāng)LDO發(fā)生意外短路時，能夠及時提高導(dǎo)通管的柵壓，限制輸出電流急劇變化，防止造成器件過熱而損壞，使LDO能夠在各種環(huán)境下都能安全可靠地工作。也正因為如此，本文設(shè)計了短路保護(hù)電路，如圖9所示。
    M2，M4的柵壓由誤差放大器的偏置電壓提高。所有管子都工作在飽和區(qū)。當(dāng)LDO正常工作時，輸出電壓Vout的采樣信號VN的電壓值大于VP信號的電壓值，比較器輸出低電平信號控制M8管關(guān)斷，此時，電阻R上有較大的壓降，VSP信號的電壓比較低，約為0．2V，當(dāng)電路出現(xiàn)輸出端短路或過度超載情況時，輸出電壓會突然降低導(dǎo)致VN小于VP，此時，比較器輸出由低電平轉(zhuǎn)向高電平，M8導(dǎo)通。由于電阻被大管子M8短路，VSP將升高至1．4 V左右。[!--empirenews.page--]

2 LDO的整體設(shè)計與仿真
2．1 LDO整體架構(gòu)的電路設(shè)計
    該電路從總體上可劃分為電壓基準(zhǔn)源(BANDGAP)，誤差放大器(ERR-AMP)，過溫保護(hù)電路(OTP)，短路保護(hù)電路(SHD)，使能控制和驅(qū)動模塊(調(diào)整管、反饋網(wǎng)絡(luò)，補(bǔ)償元件)等幾個模塊組成，其中輸出電容是外置元件，用于頻率補(bǔ)償及改善瞬態(tài)特性。其整體框圖如圖10所示。其中使能信號EN通過反相器得到兩個反相的信號以控制不同的電路。

2．2 LDO整體架構(gòu)的版圖設(shè)計
    本文所設(shè)計的LDO電路基于UMC MIXED MODE CMOS 0．18μm工藝，所用到的器件主要有：
    NMOS，PMOS，P+POLY電阻，Metal1-Metal2電容以及PNP管。其中PNP管是CMOS工藝中寄生的縱向PNP，LDO整體電路的版圖可分為帶隙基準(zhǔn)、運放、比較器等幾個主要模塊，其中大電阻位于兩側(cè)，MOS電容位于右下方。整體版圖如圖11所示。

2．3 LDO整體架構(gòu)的仿真
    根據(jù)各個模塊的設(shè)計指標(biāo)和整體的功能要求，利用HSPICE CMOS 0．18μm工藝庫對整體電路的各種主要性能進(jìn)行了詳細(xì)的仿真，為了獲得較好的整體性能，各個設(shè)計指標(biāo)之間進(jìn)行了優(yōu)化和折中，下面依次給出各種性能相關(guān)的仿真結(jié)果。
    (1)LDO頻率響應(yīng)仿真。本文采用的補(bǔ)償方法是通過輸出電容產(chǎn)生的ESR電阻產(chǎn)生的零點來實現(xiàn)頻率補(bǔ)償?shù)摹膱D12的仿真結(jié)果中可以看出，電路的低頻增益為88 dB，電路相位裕度為65°，具有良好的穩(wěn)定性。

    (2)負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)仿真。圖13所示仿真結(jié)果表明，負(fù)載電流在0～300 mA變化時，其輸出電壓的變化范圍小于20 mV，具有良好的負(fù)載瞬態(tài)特性，完全符合設(shè)計指標(biāo)的要求。

    (3)線性瞬態(tài)響應(yīng)仿真。線性瞬態(tài)響應(yīng)描述的是當(dāng)輸入電壓變化時，輸出電壓保持恒定的能力。它是一個在大信號范圍內(nèi)定義的參數(shù)。如圖14所示。

3 結(jié)語
    本文采用的補(bǔ)償方法是通過輸出電容產(chǎn)生的ESR電阻產(chǎn)生的零點來實現(xiàn)頻率補(bǔ)償?shù)?。從上面的仿真結(jié)果中可以看出，電路的低頻增益為88 dB，電路相位裕度為65°，具有良好的穩(wěn)定性；負(fù)載電流在0～300 mA變化時，其輸出電壓的變化范圍小于20 mV，具有良好的負(fù)載瞬態(tài)特性；Vin在1．2～2．0 V之間變化時，其輸出電壓的變化為150 mV，線性瞬態(tài)特性滿足了設(shè)計指標(biāo)的要求。