高性能片內集成CMOS線(xiàn)性穩壓器設計

0 引言
電源管理技術(shù)近幾年已大量應用于便攜式和手提電源中。電源管理系統包括線(xiàn)性穩壓器、開(kāi)關(guān)穩壓器和控制邏輯等子系統。本文主要針對低壓差線(xiàn)性穩壓器進(jìn)行研究。低壓差線(xiàn)性穩壓器是電源管理系統中的一個(gè)基本部分，用以提供穩定的電壓源。它們屬于改進(jìn)效率的線(xiàn)性穩壓器。通過(guò)采用共漏功率管來(lái)替代常規線(xiàn)性穩壓器的共源功率管，并以此來(lái)降低最小電壓降，改善電源效率。由于功率管上的較小壓降降低了功率消耗，從而使得低壓降線(xiàn)性穩壓器在低電壓、片內集成的電源管理系統中廣泛應用。
要滿(mǎn)足常規線(xiàn)性穩壓器的穩定性要求，通常需要一個(gè)微法量級的片外電容。而較大的微法級電容在現今設計工藝下還不能實(shí)現，因此，每個(gè)線(xiàn)性穩壓源都需要一個(gè)板級片外電容。為了解決這個(gè)問(wèn)題，本文提出了一種無(wú)片外電容的線(xiàn)性穩壓源方案。該設計移除了大的片外電容，同時(shí)在各種工作條件下都能保證系統的穩定性。除去了大的片外電容不僅被降低板級封裝成本，同時(shí)也可降低整個(gè)設計的成本，還有利于片內集成的設計。

1 電路原理
由于本電源轉換器無(wú)片外電容，因此設計有兩個(gè)主要難題：一是過(guò)沖電壓的瞬態(tài)響應，二是轉換器的穩定性問(wèn)題。為了解決這些問(wèn)題，本文采用偽密勒電容來(lái)提高多級運放的穩定性。
1．1 瞬態(tài)響應補償
在無(wú)片外電容電壓轉換器里，小的片內輸出負載電容Cout就不能作為主極點(diǎn)，因而必須外推到高頻極點(diǎn)。因此，主極點(diǎn)必須在差分運放環(huán)路中，同時(shí)瞬態(tài)響應信號必須通過(guò)環(huán)路的主極點(diǎn)。圖1所示是線(xiàn)性穩壓器和電路結構。圖中，主極點(diǎn)的等效輸入電容為CG(≈CGS+ApassCGD+C1)，差分運放的輸出阻抗R可使電流轉化為電壓。當輸出電流產(chǎn)生階躍時(shí)，只有在經(jīng)過(guò)一定的延遲時(shí)間tp之后，柵電壓Vg足夠接近它的穩態(tài)電壓時(shí)，功率管才能提供所需的電流。差分運放的寄生極點(diǎn)必須外推到高頻(這樣可以降低這些極點(diǎn)對于時(shí)延的影響)，線(xiàn)性穩壓源的速度主要決定于gmerror/CG所影響的傳播延遲時(shí)間tp，其中，gmerror是差分運放輸人的小信號跨導。由于環(huán)路帶寬的限制，由差分運放反饋的環(huán)路不能很快的驅動(dòng)功率管的柵級，因此，設計時(shí)需要一個(gè)環(huán)路來(lái)加速功率管柵級電流的注入。

圖1中的微分器是一個(gè)輔助的快通路，可以作為補償電路而成為本線(xiàn)性穩壓源的核心組成部分。微分器不僅可提供一個(gè)快速瞬態(tài)檢測通路，而且還可作為交流穩定性補償。實(shí)際上，可以簡(jiǎn)單地把耦合網(wǎng)絡(luò )理解為一個(gè)單位增益電流緩沖器。Cf感應的輸出電壓變化可轉化為電流信號if，然后通過(guò)耦合網(wǎng)絡(luò )注入到功率管的柵電容。補償電路分離極點(diǎn)，類(lèi)似于常規的密勒補償結構，也可以改善環(huán)路的速度。假設負載階躍電流為△ILOAD，那么，它將產(chǎn)生一個(gè)輸出電壓紋波△VOUT，同時(shí)Cf流過(guò)的電流對Cg進(jìn)行沖放電，從而改變MP管的漏電流來(lái)補償△ILOAD，并最終使Vout回到其穩定點(diǎn)。減小輸出紋波所需耦合電容的數值可以通過(guò)分析圖1中的電路得到。假設流過(guò)Rf1和Rf2的電流忽略不計，那么功率管柵電壓的變化所對應的補償電流為：

對于一個(gè)電流幅度為0～50 mA，最大輸出紋波電壓為100 mV的線(xiàn)性穩壓器來(lái)說(shuō)，假設Gmp=50 mA／V，CG=5 pF，補償電容Cf為10CG=50 pF；那么，耦合電容的取值就必須保證在無(wú)負載或者最小Gmp時(shí)都能保持最小的輸出紋波。因此，負載瞬態(tài)工作電流從低到高變化時(shí)，需要更多的耦合電容。
很明顯，所需的耦合電容太大不利于片內集成。所以，需要一種減小Cf大小并保持有效耦合電容的技術(shù)。為了分析電路，圖2給出了一個(gè)簡(jiǎn)單的開(kāi)環(huán)等效電路圖。如果電阻的阻抗相比于電容要小的話(huà)，那么流過(guò)電容的電流通過(guò)電阻RZ將轉化為電壓，然后通過(guò)Gmf再轉化為電流。由偽微分電路構成的輔助電路可通過(guò)以下方式來(lái)提高有效補償電容：

在上述表達式中，假設寄生極點(diǎn)1／RzCf位于高頻范圍。Gmf的作用將體現在兩個(gè)方面：第一是Cf可以通過(guò)GmfRz來(lái)減小其數量級，第二是可消除Cf容所引起的前饋通路的影響。