一款可實現超低壓差CMOS線性穩壓器的設計方案

隨著筆記本電腦、手機、PDA等移動設備的普及，對應各種電池電源使用的集成電路的開發越來越活躍，高性能、低成本、超小型封裝產品正在加速形成商品化。LDO(低壓差)型線性穩壓器由于具有結構簡單、成本低廉、低噪聲、小尺寸等特點，在便攜式電子產品中獲得了廣泛應用。

在便攜式電子產品中，電源效率越高意味著電池使用時間越長，而線性穩壓器效率=輸出電壓×輸出電流/輸入電壓×輸入電流×100%，因此，輸入與輸出電壓差越低、靜態電流(輸入電流與輸出電流之差)就越低，線性穩壓器的工作效率就越高。

本文設計的低壓差線性穩壓器其輸出電壓為2.5V或輸出可調，滿足當負載為1mA時，最小輸入輸出壓差為0.4mV，當負載為300mA時，壓差為120mV，電源電壓工作范圍為2.5～6V。

電路結構與工作原理

低壓差線性穩壓器的電路結構如圖1所示，電路由調整管，帶隙基準電壓、誤差放大器、快速啟動、過流限制、過熱保護、故障檢測、及取樣電阻網絡等模塊組成，并具有使能、輸出可調等功能。調整管作為壓差的負載器件，要滿足本設計的要求，對于它的選擇需重點考慮：首先比較三極管和MOS管，由于三極管是流控器件，而MOS管是壓控器件，比較而言MOS管結構的靜態電流更低。其次，NMOS管工作時需一比輸出電壓高的驅動信號，而PMOS管則無此需求，特別在低輸入電壓時要產生一高的驅動電壓變得較困難。因此，本文采用PMOS管作為調整管。

圖1低壓差線性穩壓器電路結構

電路的工作原理是：在電路上電過程中，快速啟動電路內有一個500μA的電流源的對CC端的旁路電容C充電，使電路盡快上電啟動，誤差運放的同相端經由取樣電阻R1、R2對輸出電壓V0采樣，再與Vref比較后輸出放大信號，控制調整PMOS管的柵極電壓，使輸出電壓V0保持穩定，即：

電路在工作過程中出現過流、過熱情況時，過流限制與過熱保護電路會快速響應，調整管的導通狀態會被減弱、關斷，保護電路不致損壞，同時故障檢測電路會產生一個低電平信號。使能端接高電平時電路正常工作;當使能端為低電平時，基準電路及調整PMOS管關斷，電路處于等待狀態。

關鍵特性分析及設計考慮

1、漏失電壓(VDO)和靜態電流(Iq)

漏失電壓定義為維持穩壓器正常工作的最小輸入輸出電壓差，它是反映調整管調整能力的一個重要因素。對采用PMOS管作調整管的電路，漏失電壓由導通電阻(Ron)和負載電流(Io)確定，即： VDO = Io×Ron.低壓差線性穩壓器的靜態電流為輸入電流與輸出電流之差，即： Iq = Ii -Io.靜態電流由偏置電流和調整管的柵極驅動電流組成。對PMOS調整管而言，柵極由電壓驅動，幾乎不產生功耗。在穩壓器承載小負載或空載時，漏失電壓極低，靜態電流等于穩壓器工作時的總偏置電流。設計時注意使PMOS調整管的導通電阻和漏電流盡可能做小，各模塊電路在小電流狀態下能正常工作。

2、功耗( Pw)和效率(η)

低壓差線性穩壓器的功耗為輸入能量與輸出能量之差，即：

PW = VI II - VO IO = ( VI - VO) IO + VI Iq

上式中，前一項是調整管產生的功耗，后一項是靜態電流功耗。穩壓器效率如前所述可表示為：

η= IO VO / ( IO + Iq ) VI×100 %

功耗與效率的表達式充分說明對于低壓差線性穩壓器，低漏失電壓、低靜態電流意味著低功耗、高效率。

3、負載調整能力和電壓調整能力

負載調整能力指當輸出電流變化時，輸出電壓維持一定值的能力，定義為：ΔVO /ΔIO，它表征了負載變化而穩壓器維持輸出在標稱值上的能力，該值越小越好。電壓調整能力指當輸入電壓變化時，輸出電壓維持一定值的能力，定義為：ΔVO /ΔVI，它表征了輸入電壓變化而穩壓器維持輸出在標稱值上的能力，該值也是越小越好。對圖1的電路結構其負載調整能力和電壓調整能力分別為：

其中gm為調整管的跨導;Aod為誤差放大器的開環差模增益;Rds為調整管源漏間的等效電阻;RL為負載電阻;R1、R2為取樣電阻。由上式可見，減小ΔVO÷ΔIO和ΔVO÷ΔVI的關鍵是盡可能增大gm和Aod.