應(yīng)用于OLED驅(qū)動(dòng)芯片的LDO設(shè)計(jì)

西安電子科技大學(xué) 李 晴 王文強(qiáng) 翟世奇 高 鵬

電源管理系統(tǒng)中最基本的功能是供電和電源調(diào)整。任何外接負(fù)載的系統(tǒng)，提供的電壓和電流不能夠在不同的工作環(huán)境中保持穩(wěn)定狀態(tài)，工作狀態(tài)往往會(huì)受到影響。LDO作為電源管理系統(tǒng)中的核心模塊，其輸出電壓的精度直接關(guān)系著電路系統(tǒng)的各項(xiàng)性能。本文針對(duì)OLED驅(qū)動(dòng)芯片設(shè)計(jì)一款具有較高精度的低壓差線(xiàn)性穩(wěn)壓器，同時(shí)還能在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)具有較高的穩(wěn)定性、溫度特性以及電源抑制比。

傳統(tǒng)低壓差線(xiàn)性穩(wěn)壓器除了具有較小壓差的特點(diǎn)外，通常還具有體積較小、成本較低、功耗較低等特點(diǎn)，被廣泛使用在電源管理芯片中，滿(mǎn)足大部分供電需求。隨著硅基OLED微顯示芯片在更大的陣列規(guī)模，更小的像元尺寸與更快的幀頻率的技術(shù)路線(xiàn)上發(fā)展，對(duì)CMOS驅(qū)動(dòng)芯片的設(shè)計(jì)提出了更高要求。本論文的LDO作為OLED驅(qū)動(dòng)芯片的電源供電模塊，除以上的特點(diǎn)外，還有很高的精度特性。

1 LDO結(jié)構(gòu)

如圖1所示的是LDO的模塊構(gòu)成，右邊為電流保護(hù)模塊。其中，電阻R1和R2構(gòu)成反饋網(wǎng)絡(luò)βFB，將取樣值通過(guò)誤差放大器（AMP）與帶隙基準(zhǔn)電壓源比較，產(chǎn)生誤差校正信號(hào)，驅(qū)使功率調(diào)整管SO的柵壓變化，以提供負(fù)載所要求的電流，使輸出穩(wěn)定。從根本上講，AMP、SO、βFB三者構(gòu)成的環(huán)路的增益大小決定了取樣電壓和基準(zhǔn)電壓的接近程度，所以要使LDO具有更高的輸出精度，帶隙基準(zhǔn)電壓和反饋網(wǎng)絡(luò)的精度也要求較高。

圖1 LDO結(jié)構(gòu)

2 電路設(shè)計(jì)

前面說(shuō)到要使LDO具有更高的輸出精度，必須提高帶隙基準(zhǔn)電壓的精度和誤差放大器的增益。如圖2所示，電路左半部分為啟動(dòng)電路，由控制信號(hào)PD_N使能；中間部分為帶隙結(jié)構(gòu)，用來(lái)參數(shù)基準(zhǔn)電壓；右邊部分為復(fù)制電路，將電壓1:1復(fù)制后，在經(jīng)電流鏡產(chǎn)生基準(zhǔn)電流，用來(lái)外部測(cè)試。

圖2 帶隙基準(zhǔn)電路設(shè)計(jì)

如圖3所示，左邊部分為偏置電壓電路，右邊為誤差放大器和反饋網(wǎng)絡(luò)。PD_N信號(hào)用來(lái)控制電路工作開(kāi)關(guān)，IR為電流偏置的輸出電流，Vref為輸入的基準(zhǔn)參考電壓，F(xiàn)B接LDO輸出的反饋取樣電壓，電阻R和電容CC對(duì)電路進(jìn)行密勒補(bǔ)償。

圖3 LDO主體結(jié)構(gòu)

電路正常工作時(shí)，盡可能使差分對(duì)管M15和M16工作在亞閾值區(qū)，保證在相同電流的情況下得到更大的跨導(dǎo)gm，實(shí)現(xiàn)低功耗和高精度的要求。電路雖在內(nèi)部進(jìn)行了補(bǔ)償，但在負(fù)載突變時(shí)的瞬態(tài)響應(yīng)不好，可以改為外部大電容補(bǔ)償，同時(shí)還能改善系統(tǒng)的電源抑制比，但會(huì)占用更大的芯片面積，要進(jìn)行合理考慮。

3 電路仿真

為了確保電路在負(fù)載范圍內(nèi)，整個(gè)LDO系統(tǒng)都能穩(wěn)定工作，必須驗(yàn)證電路的穩(wěn)定性。對(duì)電路進(jìn)行穩(wěn)定性仿真，必須將Iprobe元件放置在反饋環(huán)路上，在頻率范圍為1Hz到1GHz的區(qū)間內(nèi)，進(jìn)行stb仿真，其結(jié)果如圖4所示。

圖4 負(fù)載范圍內(nèi)增益仿真曲線(xiàn)

從結(jié)果能看出在負(fù)載范圍內(nèi)，環(huán)路的低頻增益均能保持在60dB左右，在仿真過(guò)程中相位裕度也都大于60°，GBW在100K到100M之間，電路具有很好的穩(wěn)定性。

如圖5所示，在輕負(fù)載情況下，低壓差線(xiàn)性穩(wěn)壓器的電源抑制比在低頻處約為93dB；在重負(fù)載的情況下，低頻處的電源抑制比也能處在60dB以上，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的應(yīng)用要求，符合預(yù)期。

圖5 輕負(fù)載時(shí)PSRR仿真曲線(xiàn)

瞬態(tài)響應(yīng)如圖6所示，短時(shí)間負(fù)載從輕載轉(zhuǎn)變成重載時(shí)，引起輸出向下突變，變化的幅值大小約為39 mV，并且在2μs的時(shí)間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，負(fù)載電流從180 mA向10μA跳變時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)向上的跳變，電壓變化大小約為34 mV；并且，在2μs內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定，由此可見(jiàn)電路具有較快的瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間，用來(lái)應(yīng)對(duì)負(fù)載電流的突變，因此電路具有較高的交流特性，符合設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

圖6 LDO負(fù)載瞬態(tài)變化的輸出響應(yīng)曲線(xiàn)

結(jié)語(yǔ)：經(jīng)過(guò)電路設(shè)計(jì)、仿真測(cè)試，使整個(gè)LDO系統(tǒng)能夠提供1.8V輸出電壓,且精度在1%左右的；工作環(huán)境也在目標(biāo)的基礎(chǔ)上有很大的改進(jìn)。輸入電源電壓范圍從2.5～5 V調(diào)整為1.9～5.8 V，線(xiàn)性調(diào)整率為0.604%。工作溫度范圍從-40℃～85 ℃調(diào)整為-40℃～125℃，溫漂系數(shù)在9.74 ppm/℃。電路中的靜態(tài)電流為47μA，最大負(fù)載電流為179 mA，負(fù)載調(diào)整率為0.59%。電源抑制比在重載情況下也能達(dá)到60dB，其他負(fù)載條件下，均能達(dá)到70dB以上?？蓽y(cè)的數(shù)據(jù)結(jié)果都在可接受的范圍內(nèi)，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)目標(biāo)，已經(jīng)完成流片，待后續(xù)板級(jí)測(cè)試。