一種集成于BUCK芯片的5 V低壓差線性穩(wěn)壓器

屈柯柯，祝乃儒，張海波

(中科芯集成電路有限公司，江蘇無錫 214072)

1 引言

隨著信息科學(xué)的飛速發(fā)展，電源集成電路技術(shù)已經(jīng)變得越來越重要。在眾多的電源技術(shù)中，直流-直流（DC-DC）轉(zhuǎn)換在生活中的方方面面都得到了應(yīng)用，其中BUCK控制芯片在計(jì)算機(jī)、通訊設(shè)備、影音播放器等產(chǎn)品中應(yīng)用非常廣泛[1]。BUCK通過將高電壓轉(zhuǎn)換成低電壓供給系統(tǒng)中其他芯片使用。在部分應(yīng)用中，產(chǎn)品的印制電路板（PCB）上僅提供一個(gè)較高的電壓，如12 V電源等。而對(duì)于BUCK芯片內(nèi)部的低壓電路而言是無法直接使用的，因此BUCK芯片中需要一個(gè)5 V的穩(wěn)定電源來為低壓電路供電。

低壓差線性穩(wěn)壓器（Low Dropout Regulator，LDO）電路主要由電壓基準(zhǔn)、運(yùn)放和輸出管構(gòu)成[2-4]。在常規(guī)電路結(jié)構(gòu)中，基準(zhǔn)電路通常由雙極型晶體管器件（BJT）的負(fù)溫度特性電壓基極-發(fā)射極電壓（VBE）和正溫度特性極-發(fā)射極電壓差（ΔVBE）通過合適的比例相加實(shí)現(xiàn)[5-7]，這種基準(zhǔn)電路結(jié)合運(yùn)放電路和輸出管，在整顆芯片上占據(jù)的面積較大，電路也較為復(fù)雜。本文基于耗盡型NMOS閾值電壓的溫度特性，提出了一種集成于BUCK芯片中外接電容式的5 V LDO電路，其電路結(jié)構(gòu)簡單，并通過調(diào)整耗盡型器件的尺寸得到合適的溫度特性。

2 電路結(jié)構(gòu)及工作原理分析

本文所提出的5 V LDO電路如圖1所示。高電壓源電源電壓VCC是12～24 V，由于DEPMOS和MN1是5 V低壓器件，使用MNHV1和MNHV2來做擋壓器件。VCC電源通過齊納二極管D1在N1節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生5.8 V左右的電壓，此電壓經(jīng)過MNHV1和MNHV2的柵源電壓（VGS）降壓，在N3和N4節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生5 V左右的電壓，使得低壓器件DEPMOS和MN1能夠工作在安全的電壓下。DEPMOS是耗盡管，其閾值為負(fù)電壓，當(dāng)其柵源電壓為0 V時(shí)，會(huì)產(chǎn)生固定電流，該電流通過鏡像流過MN1器件。由于負(fù)反饋的存在，MN1管的柵極電壓即反饋點(diǎn)（FB）電壓VFB是確定的，通過合適的反饋電阻比例，在VOUT端輸出穩(wěn)定的5 V電壓，LDO的輸出電壓為：

圖1 5 V LDO電路

此外通過反饋電阻RFB2進(jìn)行微調(diào)（Trim），提高實(shí)際輸出電壓的精度。MNOUT是輸出NMOS器件，為負(fù)載提供大電流。

2.1 耗盡型NMOS溫度系數(shù)及基準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)

耗盡型MOS與增強(qiáng)型器件不同，當(dāng)其柵極電壓為零時(shí)，漏源之間即存在導(dǎo)電溝道[8]，其閾值電壓為負(fù)值。增強(qiáng)型MOS要形成導(dǎo)電溝道，其柵極電壓需要一個(gè)大于零的閾值電壓。這兩種類型NMOS的閾值電壓與溫度的關(guān)系如圖2所示，其中耗盡型器件的閾值電壓是其實(shí)際閾值的絕對(duì)值。

圖2 耗盡型NMOS與增強(qiáng)型NMOS閾值電壓與溫度的關(guān)系

從圖2可以看出，增強(qiáng)型器件的閾值電壓具有負(fù)溫度系數(shù)，耗盡型器件閾值電壓的絕對(duì)值是正溫度系數(shù)，所以將兩個(gè)閾值按合適的比例相加就能得到一個(gè)零溫系數(shù)的電壓。其在本文中的具體實(shí)現(xiàn)如圖3所示。

圖3 基準(zhǔn)核心

圖3中耗盡型器件DEPNMOS的電流通過PMOS電流鏡流過增強(qiáng)型器件MN1，根據(jù)MOS器件的電流與電壓的關(guān)系式可以得到MN1管的柵極電壓，電路圖中耗盡管DEPMOS和常規(guī)器件MN1的電流可根據(jù)平方律公式由式（2）（3）表示：

其中耗盡型器件的柵源電壓VGS0為0 V。由于PMOS電流鏡的存在，MN1和DEPNOS的電流相等：

將式（2）（3）代入式（4）中得到FB的電壓表達(dá)式：

從式（5）可以看出，VFB電壓是一個(gè)耗盡型器件的閾值電壓與增強(qiáng)型器件的閾值電壓的組合，根據(jù)圖2中耗盡型器件與增強(qiáng)型器件的溫度系數(shù)關(guān)系，通過調(diào)整兩個(gè)器件的寬長比，即可實(shí)現(xiàn)一階溫度補(bǔ)償，從而得到一個(gè)溫度系數(shù)相對(duì)穩(wěn)定的輸出電壓。

2.2 LDO的補(bǔ)償

電路中由于高阻和寄生電容的存在，會(huì)產(chǎn)生各種極點(diǎn)與零點(diǎn)，這些極點(diǎn)與零點(diǎn)會(huì)使環(huán)路的相位裕度降低，節(jié)點(diǎn)導(dǎo)致整體環(huán)路的不穩(wěn)定，如在瞬態(tài)拉載的過程中，輸出端發(fā)生振蕩，無法輸出正確的工作電壓。在LDO電路中由于輸出器件有PMOS與NMOS之分，其在輸出端的輸出電阻也會(huì)不同，那么不同電路的主極點(diǎn)的設(shè)置位置也會(huì)有所不同。

本文提出的LDO 5 V電路在N2和FB節(jié)點(diǎn)處存在低頻極點(diǎn)。而由于輸出管是NMOS，在重載條件下輸出端的極點(diǎn)頻率會(huì)較高。所以借助MN1和MNHV2進(jìn)行密勒補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)極點(diǎn)分離。主極點(diǎn)設(shè)置在FB處，電阻RZ使密勒補(bǔ)償產(chǎn)生的右半平面零點(diǎn)被推到高頻處，而如果選擇合適的阻值，可以將該零點(diǎn)推到左半平面，抵消次極點(diǎn)[9]，提高相位裕度。此外在輸出反饋電阻RFB2的兩端并聯(lián)一個(gè)補(bǔ)償電容，該電容和反饋電阻RFB1和RFB2形成一零極點(diǎn)對(duì)（零點(diǎn)頻率比極點(diǎn)頻率略低），該零點(diǎn)在重載條件下可以在一定程度上緩解輸出端的極點(diǎn)作用，進(jìn)一步提高環(huán)路的相位裕度。零極點(diǎn)在電路中的位置如圖4所示。通過零極點(diǎn)快速計(jì)算法，上述的零極點(diǎn)可表示為：

圖4 補(bǔ)償后的零極點(diǎn)分布

其中g(shù)m_mn1和gm_mnhv2表示MN1和MNHV2器件的跨導(dǎo)，gmout是輸出管MNOUT的跨導(dǎo)，gm1表示MN1器件的跨導(dǎo)，rds_mn1和rds_mnhv2表示MN1和MNHV2器件的漏源電阻，Cpar_n2是結(jié)點(diǎn)N2的寄生電容。

3 仿真結(jié)果及分析

本文使用BCD工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)，并通過仿真軟件進(jìn)行仿真驗(yàn)證，仿真過程中VCC電壓為12 V，輸出端電容為1μF，負(fù)載電流變化范圍為1～100 mA。

本文提出LDO電路輸出電壓VOUT的溫度特性仿真曲線如圖5所示，仿真中溫度變化范圍設(shè)置為-40～125℃，從圖中可以看出，在整個(gè)溫度變化范圍內(nèi)，輸出端電壓僅變化了1.65 mV，其溫度系數(shù)為2×10-6/℃。雖然仿真結(jié)果顯示該溫度系數(shù)較好，但是實(shí)際制作過程中由于器件制程的偏差變化會(huì)在一定程度上導(dǎo)致該溫度系數(shù)變差。

圖5 輸出電壓隨溫度的變化

5 V LDO電路的幅頻特性仿真結(jié)果如圖6所示，仿真中VCC設(shè)置為12 V，負(fù)載電流為100 mA，環(huán)路增益為70 dB，電路經(jīng)過補(bǔ)償后相位裕度為87°，該相位裕度可以確保重載條件下環(huán)路的穩(wěn)定性，可以通過進(jìn)一步的瞬態(tài)拉載來驗(yàn)證環(huán)路的穩(wěn)定性。

圖6 幅頻特性曲線

圖7是在電路輸出端VOUT拉載時(shí)，輸出電壓的瞬態(tài)響應(yīng)曲線。從圖中可以看出，在2 ms時(shí)，當(dāng)負(fù)載以0.1 A/μs的速度從1 mA上升到100 mA時(shí)，輸出端VOUT沒有出現(xiàn)明顯振蕩，說明該電路的環(huán)路相位裕度是足夠的。

圖7 負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種集成于BUCK芯片中、外接電容式的5 V LDO電路，該5 V LDO可以為Buck芯片內(nèi)部的低壓電路及低壓驅(qū)動(dòng)供電。此電路具有2×10-6/℃的溫度系數(shù)，重載下70 dB的環(huán)路增益，87°的相位裕度。在BCD工藝下進(jìn)行仿真驗(yàn)證，仿真結(jié)果顯示其在1～100 mA負(fù)載變化的情況下具有較好的穩(wěn)定性，有一定的技術(shù)參考價(jià)值。