超低压差CMOS线性稳压器设计研究

超低压差 CMOS线性稳压器设计研究

滕敏亮 滕军 雷建峰 林建豪 潜卫强

浙江腾腾电气有限公司 浙江温州 325000

摘要：本文简略阐述了本课题的研究背景，并从误差放大器模块、驱动及过流保护模块以及过热保护模块几方面内容着手，对超低压差CMOS线性稳压器关键单元电路模块设计进行了详细分析，旨在为相关工作人员提供参考。

关键词：超低压差；稳压器；过热保护

引言：低压差线性稳压器本身有着较多的应用优势，具体体现在芯片面积更小、成本更为低廉以及电压处理能力更高等方面，但结合实际情况，其在设计上仍面临一定的争议，基于此，有必要对其展开更加深入的探索。

1研究背景

近些年来，我国现代化和信息化水平正在逐渐提升的过程中，与此同时，物联网、大数据等技术则得到了极大程度的发展，各种便携式电子设备层出不穷，实现了日常工作和生活效率提升，而在电源管理芯片方面，也开始呈现出更高的要求，促使其整体朝着功耗更低以及面积更小等方向进行发展。从实际情况来看，这些电子设备以及芯片所消耗的功率通常情况下并非是由电池电源或者是电网直接进行提供的，这主要是因为，一般来说，没有经过稳压处理工作的电压本身，存在着较强的不稳定性，所以难以同下级电子设备以及芯片实际的性能要求相适应。而电源芯片则能够实现对于不稳定电压的妥善处理，进而充分满足下级电子设备以及芯片实际所需要的供电。但要注意的是这种处理能力的获得往往需要付出一定的代价，相关研究表明，能量的转换并不会达到100%的效果，若想得到高性能的电压源往往涉及到对于额外能量的大量消耗，由此可见，应当加强对于功耗和性能之间折中的重视^[1]。若想实现对于设备使用寿命以及待机时间的延长，相关工作人员应当强化对于电池的高效应用，同时，采取适当的措施，尽可能将能量的损失降低，其中较为有效的手段便是在原有的基础上，对芯片的供电电压进行降低。此外，在降低电源电压的过程中，将会在一定程度上缓解设备性能所受到的来自冷却技术以及电池技术等方面的限制。与此同时，不管是对于数字模块还是模拟模块来说，有效实现其供电电压的降低都可以达到改善其原有的功耗以及性能的效果。与此同时，当前，我国工艺水平得到了进一步发展，再加上其兼容性方面的要求，未来芯片工作电压的降低也是发展的必然要求，但从本质上来看这一趋势将会在极大程度上对电源管理芯片的优化设计造成一定程度的阻碍。

2超低压差CMOS线性稳压器关键单元电路模块设计

2.1误差放大器模块

在实际开展对于超低压差CMOS线性稳压器关键单元电路模块设计工作的过程中，应当合理进行误差放大器模块的设计工作，输出至调整管的栅极，强化进行调整管实际工作状态的有效控制，从根本上保障输出电压能够实现持续稳定的输出。本文所阐述的误差放大器的设计主要使用的是嵌套密勒补偿技术，若是其误差放大器本身有着较大的跨度，那么稳定器整体便会呈现出更加良好的负载调整率以及电压调整率性能，与此同时，本设计中采用动态零点频率补偿来达到提升稳压器工作稳定性的效果^[2]。

在实际开展误差放大器设计工作的过程中应当加强对于以下三方面内容的重视。

首先，放大器的差分输入级电源偏置接稳压器的输出，从实际情况着手进行分析能够发现，放大器的电源偏置整体呈现出较强的稳定性，与此同时还有着纹波和噪声低的特点，所以一般来说其稳压器所进行的纹波输出相对较小。然而稳压器的输出是2.5V，这便在原有的基础上对放大器的优化设计提出了更为严格的要求，结合LDO稳定器的实际特性来看，为了能够实现正常启动输入级为P管的放大器，要求其输入的直流偏置基准和反馈有着较低的特点，具体便是指其最大输入共模电压更小。其次，为了能够实现PSRR的有效提升，本设计中在误差放大器和调整管所形成的环路方面主要使用的是嵌套密勒补偿技术。最后，便在于稳压器动态频率补偿电路方面，一般情况下来说，稳压器主要是通过使用输出电容的等效串联阻抗来达到频率补偿的效果，但其本身在输出电容方面有着相对较高的要求，会在一定程度上实现对于电源管理方案成本的增加，所以本设计会在电路内部进行频率补偿电路设计。

2.2驱动及过流保护模块

对于驱动及过流保护模块来说，其具体的功能包括限流保护、驱动输出以及启动输出等，在系统处在刚加电的情况下，其输出OUT信号为零，因为误差放大器本身的电源偏置是OUT,误差放大器此时无法正常工作，而输出的AMPOUT难以达到启动调整管工作的效果，所以对相应的启动电路进行了增加。唯有在ENC1为低电平的情况下才能够启动电路工作，通过对调整管的栅极进行控制，进而促使调整管正常运行。制动输出值能够满足误差放大器正常工作的需求，输出反馈便要关闭启动电路。其负载电流采样电路主要是由M_105-107、M_112-113所构成的，其最关键的目的便是获得同负载电流I_L之间成一定比例关系的I_S。由于MOS管本身属于压控器件，所以可以基于对调整管的漏、栅、源三端电压进行采样进而获得相应的采样电流I

_S。

2.3过热保护模块

除了误差放大器模块和驱动及过流保护模块以外，设计人员还应当强化开展对于过热保护模块的设计工作，若是调整管本身的功耗过大或者是芯片实际工作的环境温度较高，进而使得管芯温度160℃以上，过热保护电路输出控制信号V_OTP是高电平，便会使得信号转变成为高电平，然后关断芯片工作^[3]。待到其温度下降到140℃的时候，过温保护电路输出控制信号V_OTP则会转变为低电平，并使得芯片恢复到正常的工作状态，在本设计中主要是在BE结正向到通电压拥有负温度系数特性的基础上，将Q₆的基极同集电极相连接起来，与此同时，在R40、R41的位置上电压本身有着一定的正温度系数的特性，对二者展开综合考虑进而达到相应的温度检测效果。结合具体情况进行分析能够知道，COMP本身其实属于一个较为典型的比较器，在迟滞特性方面主要是通过开关管M₈₄的导通以及截止状态进而实现比较电平移位，比较器INP端电压主要是受M₈₄的栅电压，具体指的是其会在一定程度上受到当前实际输出状态控制，进而形成相应的迟滞比较器，而其则是在输出信号OUT的基础上达到热保护的目的。

结论：综上所述，超低压差CMOS线性稳压器的优化设计能够有效解决传统所使用的电源管理方案中普遍面临的芯片时序混乱的现象。因此，设计人员应当综合考虑各方面影响因素，进而提升其设计和应用效果。

参考文献：

[1]刘佳宾,毛欣,黄亮,等.高电源抑制无输出电容NMOS低压差线性稳压器设计[J].电子器件,2019,42(2):350-356.

[2] 屈柯柯,祝乃儒,张海波.一种集成于BUCK芯片的5V低压差线性稳压器[J].电子与封装,2021,21(7):38-41.