一種應(yīng)用于MCU 的寬電流范圍全集成LDO 設(shè)計(jì)

諸葛堅(jiān)

(金華職業(yè)技術(shù)學(xué)院,浙江 金華321017)

微控制器芯片(MCU)在工業(yè)控制、智能設(shè)備、家用電器、醫(yī)療儀器、汽車電子、軍事設(shè)備等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。特別是隨著產(chǎn)業(yè)升級(jí)、數(shù)字賦能等政策的提出和落實(shí),MCU 的市場需求也出現(xiàn)了井噴式的增長。

為了適應(yīng)不同的工作環(huán)境,MCU 一般都有多種工作模式,主要包括正常工作模式、待機(jī)模式、掉電模式等等。在正常工作模式下,MCU的工作電流很大且負(fù)載電流跳變得厲害,這就需要給MCU 供電的線性穩(wěn)壓電源(LDO)具有很好的瞬態(tài)響應(yīng)特性；在待機(jī)模式和掉電模式下,MCU 都是低功耗運(yùn)行,這也要求給MCU供電的LDO 也是超低功耗的。而低功耗和高瞬態(tài)響應(yīng)是兩個(gè)相互矛盾的指標(biāo)。為此,本文設(shè)計(jì)了一款給MCU 供電的LDO,可以滿足MCU 在不同工作模式下對電源的需求。

1 LDO 的結(jié)構(gòu)

為了適應(yīng)MCU 不同的工作模式,本文設(shè)計(jì)的LDO 結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示,主要包括一個(gè)低功耗LDO、一個(gè)主LDO,且兩個(gè)LDO 的輸出并聯(lián),共用輸出電容C0。當(dāng)MCU 工作于低功耗模式時(shí),EN=0,主LDO 完全關(guān)斷,只有低功耗LDO 給單片機(jī)供電；當(dāng)MCU 工作在正常模式時(shí),EN=1,主LDO 開啟,以滿足MCU 大負(fù)載電流和快速瞬態(tài)響應(yīng)的供電要求。

圖1 本文設(shè)計(jì)的LDO 結(jié)構(gòu)框圖

2 低功耗LDO 設(shè)計(jì)

低功耗LDO 由主要由啟動(dòng)電路、零溫漂的參考電壓產(chǎn)生電路、誤差放大器、功率輸出級(jí)這四部分構(gòu)成,電路如圖2 所示。低功耗參考電壓產(chǎn)生電路的核心主要由PMOS 管PM2～PM7、NMOS管NM1～NM5、電阻R1～R2組成。其中NM1、NM2、NM5工作于亞閾值區(qū),其他管子工作于飽和區(qū)。該參考電壓產(chǎn)生器主要利用MOS 管工作于亞閾值區(qū)和飽和區(qū)不同的溫度特性,來產(chǎn)生具有零溫度系數(shù)的參考電壓。經(jīng)過計(jì)算得到參考電壓:VREF=I2×R2+VGS5。其中第一項(xiàng)I2×R2有正溫度系數(shù),處于亞閾值區(qū)NM5的柵源電壓VGS5具有負(fù)溫度系數(shù)。通過合理設(shè)置器件尺寸、電阻R2和R1的值就可以得到0 溫度系數(shù)的電壓VREF1。根據(jù)處于亞閾值區(qū)和飽和區(qū)MOS 管的電壓電流特性,忽略MOS 管的體效應(yīng),可以計(jì)算得到參考電壓的詳細(xì)值為:

圖2 低功耗LDO 電路圖

在T=T0附近對公式1 進(jìn)行一階泰勒展開,可以得到:VREF≈A+B(T-T0)。想要同時(shí)實(shí)現(xiàn)一階溫度補(bǔ)償,只要使一階泰勒展開式的系數(shù)B 等于0 即可。PM0、PM1、NM0構(gòu)成零損耗的啟動(dòng)電路。當(dāng)電源啟動(dòng)的時(shí)候,電壓脈沖通過PM1的源極、柵極到NM0,NM0構(gòu)成的電容讓脈沖電壓到地,PM1將導(dǎo)通,使參考電壓產(chǎn)生電路脫離簡并狀態(tài)而正常工作。當(dāng)參考電壓產(chǎn)生電路正常工作以后,電流鏡PM0會(huì)一直給電容NM0充電,直至PM1的柵極電壓等于電源電壓VCC,此時(shí)啟動(dòng)電路不工作,也不產(chǎn)生任何功耗。誤差放大器由PM8～PM13、NM7～NM10構(gòu)成。功率輸出級(jí)由NM11以及電阻R3、R4組成,采用源極跟隨器的結(jié)構(gòu),讓低功耗LDO 的主極點(diǎn)位于誤差放大器的輸出級(jí),以確保系統(tǒng)穩(wěn)定。

3 主LDO 設(shè)計(jì)

主LDO 主要由帶隙基準(zhǔn)和穩(wěn)壓核心電路組成,電路如圖3所示。帶隙基準(zhǔn)電路的主要工作原理是通過運(yùn)放OP、雙極型三極管Q0和Q1,MOS 管PM21和PM22以及電阻R21產(chǎn)生的電流I1=(VBE1-VBE2)/R21=UT×lnN/R21,該電流具有正溫度系數(shù)。帶隙基準(zhǔn)的輸出電壓VREF2=UT×lnN×R22/R21+VBE1。三極管的基極-發(fā)射極電壓VBE具有負(fù)溫度系數(shù),因此可以通過調(diào)節(jié)電阻R22和R21的比值,就可以使帶隙基準(zhǔn)的輸出電壓達(dá)到零溫度系數(shù)。為了減少片外元器件,主LDO 沒有使用片外電容,是全集成LDO。而當(dāng)MCU正常工作時(shí),電源電流跳變得非常厲害,因此主LDO 的設(shè)計(jì)關(guān)鍵是必須具備快速的瞬態(tài)響應(yīng)。

圖3 主LDO 電路圖

4 兩個(gè)LDO 的切換

如何避免主LDO 和低功耗LDO 在切換的時(shí)候引起LDO 輸出電壓波動(dòng),這個(gè)也是需要關(guān)注的問題。如圖1所示,主LDO 和低功耗LDO 的輸出是并聯(lián)以后同時(shí)連接在輸出電容C0上。在設(shè)計(jì)上,低功耗LDO 一直開啟,且輸出電壓需略低于主LDO。當(dāng)EN=1 時(shí),主LDO 開啟,圖2 中LDO1_OUT的輸出電壓也會(huì)略高于正 常 情 況,R3、R4電 阻分壓以后的電壓值也會(huì)略高于VREF1,誤差放大器輸出低電平,功率管NM11關(guān)斷。由于低功耗LDO 的整體功耗低,每條支路的電流都非常小,為了保證兩個(gè)LDO 在切換過程中的響應(yīng)速度,功率管NM11的尺寸也較小。

5 版圖與仿真分析

本文設(shè)計(jì)的寬電流范圍全集成LDO 采用UMC 公司的0.11μm CMOS 工藝模型。版圖面積是0.102mm2(340um-300um),如圖4 所示。圖5 是EN 變化引起LDO 靜態(tài)功耗和輸出電壓變化的仿真結(jié)果。當(dāng)EN=0 時(shí),只有低功耗LDO 工作,靜態(tài)功耗只有0.505μA,靜態(tài)功耗非常低,低功耗LDO 的輸出電壓為1.457V；當(dāng)EN=1 時(shí),主LDO 工作,此時(shí)LDO 的靜態(tài)功耗為66.86μA,輸出電壓為1.498V。主LDO 和低功耗LDO 在切換的瞬間,輸出電壓最高會(huì)上沖到1.917V,最低會(huì)跌落到1.147V,在這個(gè)電壓范圍不會(huì)影響MCU 的正常工作。圖6 是LDO 輸出電壓隨溫度變化的仿真結(jié)果。當(dāng)溫度從-25℃到125℃變化時(shí),低功耗LDO 的輸出電壓變化了9.5mV；主LDO 的輸出電壓變化了4mV。當(dāng)負(fù)載電流在1μS 的時(shí)間從10mA 到100mA 階躍變化時(shí),LDO 輸出電壓的跌落峰值為107mV,上沖峰值為157mV,具有快速瞬態(tài)響應(yīng)的特性；同時(shí),從圖7 可以測得負(fù)載調(diào)整率(ΔVOUT/ΔIO)為5.56μV/mA。當(dāng)輸入電源電壓在1μS 的時(shí)間從4V到6V 階躍變化時(shí),輸出電壓的跌落峰值為74mV,上沖峰值為111mV；同時(shí),從圖8 可以測到電源調(diào)整率(ΔVOUT/ΔVIN)為7.5mV/V。

圖4 LDO 版圖

圖5 EN 變化引起LDO 靜態(tài)功耗和輸出電壓的變化仿真結(jié)果

圖6 LDO 輸出電壓隨溫度變化仿真結(jié)果

圖7 負(fù)載變化仿真結(jié)果

圖8 電源變化仿真結(jié)果

6 結(jié)論

本文針對MCU 應(yīng)用場景而設(shè)計(jì)的寬電流范圍全集成LDO,根據(jù)MCU 不同的工作模式要求,可以控制選擇低功耗LDO 還是主LDO 工作。當(dāng)MCU 工作于低功耗模式時(shí),此時(shí)的LDO 靜態(tài)功耗只有0.505μA；當(dāng)MCU 工作于正常工作模式時(shí),LDO 具有快速的瞬態(tài)響應(yīng),這很好地解決了MCU 在不同工作模式下對電源的需求。