高性能片內集成CMOS線性穩壓器設計

0 引言
電源管理技術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性穩壓器、開關穩壓器和控制邏輯等子系統。本文主要針對低壓差線性穩壓器進行研究。低壓差線性穩壓器是電源管理系統中的一個基本部分，用以提供穩定的電壓源。它們屬于改進效率的線性穩壓器。通過采用共漏功率管來替代常規線性穩壓器的共源功率管，并以此來降低最小電壓降，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。
要滿足常規線性穩壓器的穩定性要求，通常需要一個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現，因此，每個線性穩壓源都需要一個板級片外電容。為了解決這個問題，本文提出了一種無片外電容的線性穩壓源方案。該設計移除了大的片外電容，同時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，同時也可降低整個設計的成本，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片外電容，因此設計有兩個主要難題：一是過沖電壓的瞬態響應，二是轉換器的穩定性問題。為了解決這些問題，本文采用偽密勒電容來提高多級運放的穩定性。
1．1 瞬態響應補償
在無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，因而必須外推到高頻極點。因此，主極點必須在差分運放環路中，同時瞬態響應信號必須通過環路的主極點。圖1所示是線性穩壓器和電路結構。圖中，主極點的等效輸入電容為CG(≈CGS+ApassCGD+C1)，差分運放的輸出阻抗R可使電流轉化為電壓。當輸出電流產生階躍時，只有在經過一定的延遲時間tp之后，柵電壓Vg足夠接近它的穩態電壓時，功率管才能提供所需的電流。差分運放的寄生極點必須外推到高頻(這樣可以降低這些極點對于時延的影響)，線性穩壓源的速度主要決定于gmerror/CG所影響的傳播延遲時間tp，其中，gmerror是差分運放輸人的小信號跨導。由于環路帶寬的限制，由差分運放反饋的環路不能很快的驅動功率管的柵級，因此，設計時需要一個環路來加速功率管柵級電流的注入。

圖1中的微分器是一個輔助的快通路，可以作為補償電路而成為本線性穩壓源的核心組成部分。微分器不僅可提供一個快速瞬態檢測通路，而且還可作為交流穩定性補償。實際上，可以簡單地把耦合網絡理解為一個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，然后通過耦合網絡注入到功率管的柵電容。補償電路分離極點，類似于常規的密勒補償結構，也可以改善環路的速度。假設負載階躍電流為△ILOAD，那么，它將產生一個輸出電壓紋波△VOUT，同時Cf流過的電流對Cg進行沖放電，從而改變MP管的漏電流來補償△ILOAD，并最終使Vout回到其穩定點。減小輸出紋波所需耦合電容的數值可以通過分析圖1中的電路得到。假設流過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：

對于一個電流幅度為0～50 mA，最大輸出紋波電壓為100 mV的線性穩壓器來說，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負載或者最小Gmp時都能保持最小的輸出紋波。因此，負載瞬態工作電流從低到高變化時，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。為了分析電路，圖2給出了一個簡單的開環等效電路圖。如果電阻的阻抗相比于電容要小的話，那么流過電容的電流通過電阻RZ將轉化為電壓，然后通過Gmf再轉化為電流。由偽微分電路構成的輔助電路可通過以下方式來提高有效補償電容：

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