基于LDO的電源管理系統設計

　　為了解決電力載波通信系統中LDO供電模塊常用單芯片而導致板上成本及面積增加的問(wèn)題。文中將LDO集成進(jìn)系統芯片來(lái)為數字及模擬模塊分別供電，同時(shí)采用平滑極點(diǎn)跟隨技術(shù)來(lái)解決負載電流變化時(shí)芯片穩定問(wèn)題，該方法可使PSRR在低頻下達到63 dB，并能以IP方式在其他應用中使用。

　　0引言

　　電源管理系統己成為當前集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展中的一個(gè)熱點(diǎn)，也是一個(gè)必不可缺的技術(shù)。沒(méi)有電源管理，許多市場(chǎng)都將不存在。電源管理可使移動(dòng)電話(huà)、筆記本電腦、遙控電視、可靠的電話(huà)服務(wù)等許多市場(chǎng)成為現實(shí)?，F如今，電子產(chǎn)品己普及到工作與生活的各個(gè)方面，其性能價(jià)格比愈來(lái)愈高，功能愈來(lái)愈強，而供電的電源電路在整機電路中也是越來(lái)越重要。

　　電源系統設計不合理，就會(huì )影響到整個(gè)系統的架構、產(chǎn)品的特性組合、元件的選擇、軟件的設計和功率分配架構等。在不同的電流負載下，如何保證LDO的穩定性，對LDO的設計是一個(gè)挑戰。為此本文提出了一種LDO，并采用平滑極點(diǎn)跟隨技術(shù)來(lái)解決不同電流負載下的極點(diǎn)偏移所導致的穩定性問(wèn)題，從而提高了PSRR.同時(shí)，其過(guò)壓保護電路也較好的防止了LDO輸出供電電壓過(guò)大的問(wèn)題。

　　1 電路設計

　　圖1所示是本設計中LDO的電路結構。本LDO的基本結構由4級構成，主要利用誤差放大器A1、電壓放大器A2、電壓緩沖器A3、電壓調整管MPl和反饋網(wǎng)絡(luò )構成的負反饋環(huán)路來(lái)維持VOUT的穩定。米勒電容C1用來(lái)為電路進(jìn)行頻率補償，第二級與第三級的帶寬要大，以便保證LDO處在穩定狀態(tài)。同時(shí)也應保證在較寬的

　　對于一個(gè)內部米勒補償的高增益系統，米勒補償能夠更好地在較大的負載電容范圍內控制其穩定性，同時(shí)，它也會(huì )提供一個(gè)更好的瞬態(tài)響應。因為米勒電容形成的一個(gè)高頻負反饋能直接耦合到輸出，而高增益能夠得到較好的直流及負載調制。不過(guò)測試結果顯示，在負載電流大幅度變化時(shí)LDO會(huì )有50 mV左右的調整。這是因為直流負載調制的性能被bonding wire的寄生電容所限制，直流的IR壓降通過(guò)寄生電容會(huì )直接惡化直流負載調制。

　　LDO的輸出電流要求從0到全負載（本設計為100mA），因此gm4也會(huì )隨負載電流而變化，導致次級點(diǎn)P2也會(huì )隨著(zhù)負載電流的變化而變化。設計時(shí)可用平滑極點(diǎn)技術(shù)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，對于R和MP2串聯(lián)組成的電路，它能動(dòng)態(tài)的根據負載電流的變化來(lái)進(jìn)行偏置。在大負載電流狀況下，R和MP2能夠偏置更大的電流以展寬電路帶寬，同時(shí)降低輸出電阻以適應次級點(diǎn)P2被推到更高的頻率下。在小負載電流狀態(tài)下，P2在較低的頻率，并將R和MP2偏置在更窄的帶寬和更大的電阻以保證其穩定性。靜態(tài)偏置電流要盡量小，以保證電路的低功耗。

　　調整管的柵極可設計成對地電阻明顯大于對VDD的電阻，以使得調整管的柵極能夠跟隨電源的變化，從而得到更好的電源抑制性。為了產(chǎn)生一個(gè)較小的對VDD的電阻，可用R和M串聯(lián)接在柵極與VDD之間。如果LDO的負載電流很小，那么，調整管將工作在弱反或亞閾值區，因此，MP的Vcs小于Vth，由于MP和MP的Vcs是相等的，MP被關(guān)掉。在這種情況下，R由前級電路的N管偏置。當LDO的負載電流很大時(shí)，調整管的Vcs增加，MP打開(kāi)，并以一個(gè)很小的電阻開(kāi)啟與R串聯(lián)，此時(shí)MP表現為一個(gè)開(kāi)關(guān)。此時(shí)調整管柵極對VDD的電阻會(huì )極大地減小，同時(shí)前級偏置電流增加，帶寬也會(huì )增加。從環(huán)路穩定性來(lái)說(shuō)，它允許LDO通過(guò)動(dòng)態(tài)的改變調整管柵極處的帶寬和電阻來(lái)適應負載電流的改變，從而較好地提高電路的瞬態(tài)響應。

　　2 過(guò)壓保護

　　當LDO的輸出電源電壓高于一定數值時(shí)，過(guò)壓保護電路會(huì )自動(dòng)啟動(dòng)，并對電源電壓進(jìn)行調整；而當電源電壓恢復到正常范圍時(shí)，保護電路又會(huì )自動(dòng)關(guān)閉。圖2為過(guò)壓保護電路結構。需要注意的是，保護電路的調整管需要對大電流進(jìn)行泄放，因而需要在版圖上對其進(jìn)行特殊處理。

　　3 仿真結果

　　本芯片采用SMIC 0.18μm CMOS Logic工藝設計并流片。芯片面積為l70x280μm，靜態(tài)電流為200μA，電容采用MOM實(shí)現，其整體版圖如圖3所示。版圖內大部分為功率管及米勒電容。輸出電源線(xiàn)的走線(xiàn)應當盡量寬，同時(shí)可用多層金屬，以減小線(xiàn)上電阻。

　　4 結束語(yǔ)

　　當負載電流從O到100 mA時(shí)，本設計的LDO瞬態(tài)特性電壓紋波在50 mV以下，調整時(shí)間在20μs左右，同時(shí)，LDO的PSRR在低頻時(shí)可達到63d-B，100 kHz時(shí)有35 dB，完全可以滿(mǎn)足系統要求。