LDO穩(wěn)壓器高精度電壓基準源的分析與設計
隨著集成電路規(guī)模的發(fā)展，電子設備的體積、重量和功耗越來越小，這對電源電路的集成化、小型化及電源管理性能提出了越來越高的要求。電源IC產(chǎn)品主要包括線性穩(wěn)壓器、開關式穩(wěn)壓器(DC/DC)、電池充電/管理IC、PWM/PFM控制器、AC/DC穩(wěn)壓器及功率因數(shù)校正(PFC)預穩(wěn)壓器等。而目前在所有這些電源IC中，線性穩(wěn)壓器IC的銷售額最大，LDO線性穩(wěn)壓器又是增長最多和最快的產(chǎn)品，它的快速崛起源自于便攜式產(chǎn)品的不斷涌現(xiàn)，如便攜式電話、PDA(個人數(shù)字助理)、掌上型/膝上型電腦、數(shù)碼相機等。
LDO線性穩(wěn)壓器綜述
LDO(LowDropout)線性穩(wěn)壓器，也稱低壓差線性穩(wěn)壓器或低漏失線性穩(wěn)壓器。
LDO線性穩(wěn)壓器與開關式穩(wěn)壓器的比較
LDO線性穩(wěn)壓器，比傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器有更高的電源轉(zhuǎn)換效率，而比開關式穩(wěn)壓器有更簡單的結(jié)構(gòu)、更低的成本和更低的噪聲特性，因此它在便攜式電子產(chǎn)品中越來越受歡迎。LDO線性穩(wěn)壓器和開關式穩(wěn)壓器作為當今便攜式電子產(chǎn)品中最常用的兩類電源管理電路，它們的特點比較如表1所示。
LDO線性穩(wěn)壓器應用效率
在便攜式電子設備中，電源效率越高意味著電池使用時間越長，這是用戶渴望的事情。
因此，輸入輸出壓差越低、靜態(tài)電流(輸入電流和輸出電流之差)越低線性穩(wěn)壓器的工作效率就越高。在實際應用中，我們分析效率時還必須清楚:電池不是理想電源，它具有輸出電阻，供電時，它的電壓是逐漸下降的。電池的這種特性是非常有利于LDO線性穩(wěn)壓器工作效率的。LDO線性穩(wěn)壓器工作效率隨著電池電壓的下降而逐漸升高。另外，在小負載電流時，穩(wěn)壓器的效率將受靜態(tài)電流的限制，比如輸出電流等于輸入電流的一半，則穩(wěn)壓器的效率將減少一半，因此當設備處于“待機”狀態(tài)時，靜態(tài)電流決定了電池的使用壽命。因此設計低壓差、低靜態(tài)電流的線性穩(wěn)壓器已成為便攜式設備電源管理課題的一大技術(shù)解決方案。
雙極型超LDO線性穩(wěn)壓器的設計要求
本設計完成的是一款小功率超LDO(超低漏失電壓)線性穩(wěn)壓器，最大工作電流能達到100mA，輸出電壓3.3V。
引腳設計要求
為了滿足便攜式設備小體積的要求，芯片可采用SOT-23封裝，電路中需設置5個引出腳，管腳功能如表2。
SOT-23封裝外形示意如圖1，這種封裝的面積小于3×3mm2。
圖1 SOT-23封裝外形
應用要求
本設計的應用要求是要占盡量小的PCB板空間，可外接元件很少，只有輸入輸出電容，當使能功能閑置時，將該引腳接到輸入端。
極限參數(shù)設計要求
極限參數(shù)反應了穩(wěn)壓器所能承受的最大的安全工作條件，該芯片的極限參數(shù)如表3所示。
注1:最大允許功耗是最大結(jié)溫TJ(max)，結(jié)與外界熱敏電阻θJA，以及外界溫度TA的函數(shù)，在任何外界溫度下的最大允許功耗用下式計算: 對于SOT-23封裝θJA的值為220℃/W，則這個芯片在常溫下的PM(忽略了器件正常工作下的靜態(tài)功耗)為如果超出最大允許功耗將導致死溫，穩(wěn)壓器進入熱關斷。
模塊電路設計和性能實現(xiàn)
實現(xiàn)超低漏失電壓和低靜態(tài)電流是本設計的關鍵技術(shù)，同時為了兼顧其它主要電特性，對每個模塊的設計都提出了很高的要求。本文著重介紹其中基準源模塊的設計。
系統(tǒng)框圖和工作原理
作為雙極型LDO線性穩(wěn)壓器，必須包含PNP調(diào)整管、電壓基準、誤差放大器、反饋采樣電阻以及啟動和偏置電路。為了實現(xiàn)使能控制和過溫過流保護功能，還增加了使能電路和過溫過流保護電路，如圖2的系統(tǒng)框圖所示。
圖2 XD4821的系統(tǒng)框圖
基本工作原理是：系統(tǒng)加電，如果使能腳處于高電平時，電路開始啟動，電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，由采樣電阻得到的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。如果使能腳處于低電平，啟動電路不工作，電流源偏置無法建立，電路處于關閉狀態(tài)。
高精度電壓基準模塊設計
基準模塊是線性穩(wěn)壓器的一個核心部分，基準的大小直接決定了穩(wěn)壓器輸出的大小，它是影響穩(wěn)壓器精度的最主要因素。LDO線性穩(wěn)壓器為了實現(xiàn)高精度和低壓輸出，所以采用高精度低溫度系數(shù)的帶隙(Bandgap)基準電壓源結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)已經(jīng)廣泛地應用于各種模擬或數(shù)模混合集成電路中，如穩(wěn)壓器、充電保護器、ADC、DAC、RF(射頻)電路等，工藝已很成熟。
圖3 是一種實用的帶隙基準電壓電路。Ql和Q2的發(fā)射區(qū)面積比為1:N，Q3和Q4完全對稱，構(gòu)成鏡像電流源給Ql和Q2提供工作電流，因而IC3=IC4，ICl=IC2，IEl=IE2。則Rl上的壓降為
式中，VT=KT/q為熱電壓，J1、J2分別是Q1、Q2管的發(fā)射極電流密度，它們之間的比值為
由IE1=IE2得R2上的壓降為
從上式中可得到基準電壓只與PN結(jié)的正向壓降、電阻的比值以及Ql和Q2的發(fā)射區(qū)面積比有關，因此在實際的工藝制作中將會有很高的精度。當基準建立之后，基準電壓與輸入電壓無關;而且VBE具有負溫度系數(shù)，VT為正溫度系數(shù)，理論上，只要選取合適的R2/R1和R1(決定Q1發(fā)射極電流，從而影響VBE1)的值就可以得到零溫度系數(shù)基準電壓。
圖3 實用的帶隙基準電壓電路
完整電路的設計
完整的帶隙基準電路需要啟動電路、偏置電路以及反饋回路，如圖4所示。Q6、R3作為基準的啟動和偏置電路，并且和Q5構(gòu)成基準的反饋電路，保證了電路的穩(wěn)定性。
圖4 完整的帶隙基準電壓電路
Q1、Q2、R1和R2組成的是一種帶隙比較器，其門限電壓為(式5)所求得的值，當輸入電壓較低時，基準電壓小于門限電壓，此時電流很小，兩晶體管的VBE幾乎相等，而Q2比Q1面積大，故IC2大于IC1，帶隙比較器輸出(Q1集電極)為“高”，Q5截止;隨著輸入電壓的增大，基準逐漸增大，IC1電流呈指數(shù)規(guī)律上升，IC2受電阻R1限制線性上升，當這兩者電流達到相等時，帶隙比較器輸出“低”使Q5導通，吸收部分Io電流，使基準輸出穩(wěn)定到門限值。因此Q5起反饋作用，而這整個電路就相當于電壓跟隨器。但是這種結(jié)構(gòu)的特殊之處是通過改變偏置電流源而實現(xiàn)反饋功能的，反饋過程如下:
結(jié)束語
基準模塊是線性穩(wěn)壓器的一個核心部分，基準的大小直接決定了穩(wěn)壓器的輸出的大小，它是影響穩(wěn)壓器精度的最主要因素。本文基于LDO線性穩(wěn)壓器在電源管理類IC家族中的重要地位，給出了實現(xiàn)超低漏失、低靜態(tài)電流的電壓基準模塊的設計，為便攜式設備的電源管理提供了可行的解決方案。
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