一種新型雙極型LDO線性穩(wěn)壓器的設(shè)計(jì)

摘　要：LDO線性穩(wěn)壓器的低漏失電壓、低靜態(tài)電流特性使電池使用具有高效率和長(zhǎng)壽命。針對(duì)這2個(gè)主要特性和使能開(kāi)關(guān)、過(guò)溫過(guò)流保護(hù)等功能，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種新型的雙極型LDO線性穩(wěn)壓器，調(diào)整管采用自由集電極縱向PNP管。

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　　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(lái)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(shí)間長(zhǎng)。本文中設(shè)計(jì)的LDO線性穩(wěn)壓器，典型情況下100 mA負(fù)載時(shí)漏失電壓為180 mV，靜態(tài)電流為800μA，空載時(shí)漏失電壓僅為5 mV，靜態(tài)電流為35μA；而且設(shè)置了使能開(kāi)關(guān)引腳，在使能開(kāi)關(guān)引腳被拉低時(shí)，穩(wěn)壓器處于休眠模式，此時(shí)靜態(tài)電流＜1μA；另外，該穩(wěn)壓器還具有過(guò)溫、過(guò)流保護(hù)功能。

　　1　電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　該穩(wěn)壓器包括啟動(dòng)電路、恒流源偏置單元、使能電路、調(diào)整元件、基準(zhǔn)源、誤差放大器、反饋電阻網(wǎng)絡(luò)，保護(hù)電路等。為了實(shí)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(guò)溫過(guò)流保護(hù)電路也采用了特殊的結(jié)構(gòu)。電路拓?fù)浣Y(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(shí)，電路開(kāi)始啟動(dòng)，恒流源電路給整個(gè)電路提供偏置，基準(zhǔn)源電壓快速建立，輸出隨著輸入不斷上升，當(dāng)輸出即將達(dá)到規(guī)定值時(shí)，由反饋網(wǎng)絡(luò)得到的輸出反饋電壓也接近于基準(zhǔn)電壓值，此時(shí)誤差放大器將輸出反饋電壓和基準(zhǔn)電壓之間的誤差小信號(hào)進(jìn)行放大，再經(jīng)調(diào)整管放大到輸出，從而形成負(fù)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(gè)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(dòng)電路、恒流源偏置電路和使能開(kāi)關(guān)電路

??? 啟動(dòng)電路是為了使恒流源偏置電路開(kāi)始工作，從而給整個(gè)電路建立正常的工作點(diǎn)。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(dāng)使能電壓VEN＞1．4 V時(shí)，電流源給基準(zhǔn)源和誤差放大器提供偏置，電路處于穩(wěn)壓工作狀態(tài)；當(dāng)使能電壓VEN＜0．5 V時(shí)，啟動(dòng)電路將使電流源關(guān)閉，基準(zhǔn)源和誤差放大器的偏置電流為零，導(dǎo)致整個(gè)電路處于截至狀態(tài)，此時(shí)電路的靜態(tài)電流將會(huì)很小（＜1μA），這種狀態(tài)就稱(chēng)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(jì)如圖2所示。

　Q14，Q15，R9，R8構(gòu)成的微電流源作為啟動(dòng)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(dòng)，Q5使誤差放大器、調(diào)整管等電路啟動(dòng)。橫向PNP晶體管Q7，Q8組成的電流鏡給基準(zhǔn)源提供偏置，而與調(diào)整管同類(lèi)型的Q2則是給誤差放大器提供電流偏置。使能開(kāi)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(dāng)VEN＞1．4 V時(shí)，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(shí)，VEN＜0．5 V。

　　3　調(diào)整管

　　如圖3所示LDO線性穩(wěn)壓器簡(jiǎn)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(dòng)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(duì)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(jì)采用了某工藝下一種自由集電極的縱向PNP，標(biāo)準(zhǔn)單管在集電極電流為－100μA、集電極與發(fā)射極壓差為－5 V時(shí)，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(shí)，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(zhǔn)電路

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

　Q15，Q18，R13構(gòu)成VT（VT＝KT／q，稱(chēng)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(fù)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(fù)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(fù)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(kāi)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(fù)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(dòng)PNP管，所以誤差放大器必須能夠提供足夠大的輸出驅(qū)動(dòng)電流，并且輸出驅(qū)動(dòng)電流必須能跟隨負(fù)載的變化，該誤差放大器的偏置電流源也必須能隨著負(fù)載的變化，而誤差放大器本身必須在負(fù)載變化時(shí)，仍處于放大狀態(tài)，保持強(qiáng)烈的負(fù)反饋從而實(shí)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(jì)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(dòng)態(tài)負(fù)載，當(dāng)穩(wěn)壓器輸出負(fù)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(dòng)態(tài)負(fù)載增大，這樣才能給調(diào)整管提供更大的驅(qū)動(dòng)電流。此設(shè)計(jì)的誤差放大器的差分輸入對(duì)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(guò)溫過(guò)流保護(hù)電路

　　過(guò)溫過(guò)流保護(hù)電路對(duì)于LDO線性穩(wěn)壓器來(lái)說(shuō)是必要的。當(dāng)穩(wěn)壓器工作溫度超過(guò)允許的最高結(jié)溫時(shí)，過(guò)溫保護(hù)電路使穩(wěn)壓器停止工作，從而不產(chǎn)生功耗，實(shí)現(xiàn)了降溫，防止了穩(wěn)壓器燒壞；當(dāng)穩(wěn)壓器因短路或其他原因使輸出電流過(guò)大時(shí)，過(guò)流保護(hù)電路使穩(wěn)壓器迅速減流，以防因電流過(guò)大而使穩(wěn)壓器損壞。本設(shè)計(jì)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(dāng)溫度升高時(shí)，NPN管的導(dǎo)通壓降以約2 mV／℃下降，因此A點(diǎn)電位隨著溫度的升高而不斷升高，直到Q12管導(dǎo)通，此時(shí)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(wú)驅(qū)動(dòng)，輸出為零。

　過(guò)流保護(hù)電路與過(guò)溫保護(hù)電路有點(diǎn)類(lèi)似，在穩(wěn)壓器的工作電流范圍內(nèi)，Q11截至，當(dāng)穩(wěn)壓器輸出電流增大到200 mA時(shí)，此時(shí)調(diào)整管的基極電流將達(dá)到2 mA，電流檢測(cè)電阻R7上的壓降將使Q11導(dǎo)通，形成負(fù)反饋，把輸出電流限制在這個(gè)值上。

　　7　結(jié) 語(yǔ)

　　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(lái)的弱點(diǎn)，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(bǔ)償不易控制。本文從穩(wěn)壓器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)入手，對(duì)每個(gè)模塊都進(jìn)行了詳細(xì)的分析和設(shè)計(jì)，采用某雙極工藝，實(shí)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。