你的位置:首頁 > 電源管理 > 正文

提高LDO線性穩(wěn)壓器工作效率的設(shè)計方案

發(fā)布時間:2014-09-16 責(zé)任編輯:mikeliu

【導(dǎo)讀】在便攜式電子產(chǎn)品中,電源效率越高意味著電池使用時間越長,而線性穩(wěn)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(tài)電流(輸入電流與輸出電流之差)就越低,線性穩(wěn)壓器的工作效率就越高。

本文設(shè)計的低壓差線性穩(wěn)壓器其輸出電壓為2.5V或輸出可調(diào),滿足當(dāng)負(fù)載為1mA時,最小輸入輸出壓差為0.4mV,當(dāng)負(fù)載為300mA時,壓差為120mV,電源電壓工作范圍為2.5~6V.

電路結(jié)構(gòu)與工作原理

低壓差線性穩(wěn)壓器的電路結(jié)構(gòu)如圖1所示,電路由調(diào)整管,帶隙基準(zhǔn)電壓、誤差放大器、快速啟動、過流限制、過熱保護(hù)、故障檢測、及取樣電阻網(wǎng)絡(luò)等模塊 組成,并具有使能、輸出可調(diào)等功能。調(diào)整管作為壓差的負(fù)載器件,要滿足本設(shè)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(jié)構(gòu)的靜態(tài)電流更低。其次,NMOS管工作時需一比輸出電壓高的驅(qū)動信號,而PMOS管則無此需求,特別 在低輸入電壓時要產(chǎn)生一高的驅(qū)動電壓變得較困難。因此,本文采用PMOS管作為調(diào)整管。

提高LDO線性穩(wěn)壓器工作效率的設(shè)計方案
圖1低壓差線性穩(wěn)壓器電路結(jié)構(gòu)

電路的工作原理是:在電路上電過程中,快速啟動電路內(nèi)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(jīng)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(diào)整PMOS管的柵極電壓,使輸出電壓V0保持穩(wěn)定,即:

提高LDO線性穩(wěn)壓器工作效率的設(shè)計方案
電路在工作過程中出現(xiàn)過流、過熱情況時,過流限制與過熱保護(hù)電路會快速響應(yīng),調(diào)整管的導(dǎo)通狀態(tài)會被減弱、關(guān)斷,保護(hù)電路不致?lián)p壞,同時故障檢測電路 會產(chǎn)生一個低電平信號。使能端接高電平時電路正常工作;當(dāng)使能端為低電平時,基準(zhǔn)電路及調(diào)整PMOS管關(guān)斷,電路處于等待狀態(tài)。

關(guān)鍵特性分析及設(shè)計考慮

1、漏失電壓(VDO)和靜態(tài)電流(Iq)

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

2、功耗( Pw)和效率(η)


低壓差線性穩(wěn)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(diào)整管產(chǎn)生的功耗,后一項是靜態(tài)電流功耗。穩(wěn)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(dá)式充分說明對于低壓差線性穩(wěn)壓器,低漏失電壓、低靜態(tài)電流意味著低功耗、高效率。

3、負(fù)載調(diào)整能力和電壓調(diào)整能力

負(fù)載調(diào)整能力指當(dāng)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(fù)載變化而穩(wěn)壓器維持輸出在標(biāo)稱值上的能力,該值越小越好。電壓調(diào)整能力指當(dāng)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(wěn)壓器維持輸出在標(biāo)稱值上的能力,該值也是越小越好。對圖1的電路結(jié)構(gòu)其負(fù)載調(diào)整能力和電壓調(diào)整能力分別為:

提高LDO線性穩(wěn)壓器工作效率的設(shè)計方案
 
其中g(shù)m為調(diào)整管的跨導(dǎo);Aod為誤差放大器的開環(huán)差模增益;Rds為調(diào)整管源漏間的等效電阻;RL為負(fù)載電阻;R1、R2為取樣電阻。由上式可見,減小ΔVO÷ΔIO和ΔVO÷ΔVI的關(guān)鍵是盡可能增大gm和Aod.

4、瞬態(tài)響應(yīng)

瞬態(tài)響應(yīng)是穩(wěn)壓器的動態(tài)特性,指負(fù)載電流階躍變化引起輸出電壓的瞬態(tài)脈沖現(xiàn)象和輸出電壓恢復(fù)穩(wěn)定的時間,與輸出電容COUT和輸出電容的等效串聯(lián)電阻RESR,以及旁路電容Cb有關(guān),最大瞬態(tài)電壓脈沖值ΔVTR(MAX)為:

提高LDO線性穩(wěn)壓器工作效率的設(shè)計方案
 
其中: IO(MAX)是指發(fā)生階躍變化的最大負(fù)載電流;Δt1是穩(wěn)壓器閉環(huán)的響應(yīng)時間,與穩(wěn)壓器閉環(huán)帶寬(0dB頻率點)有關(guān)。設(shè)計應(yīng)用時需考慮降低穩(wěn)壓器的瞬態(tài)電壓脈沖,即提高穩(wěn)壓器的帶寬,增大輸出和旁路電容,降低其等效電阻。

5、輸出精度

穩(wěn)壓器的輸出精度是由多種因素的變化在輸出端共同作用的體現(xiàn),主要有輸入電壓變化引起的輸出變化ΔVLR、負(fù)載變化引起的輸出變化ΔVLDR、基準(zhǔn) 漂移引起的輸出變化ΔVref、誤差放大器失調(diào)引起的輸出變化ΔVamp、采樣電阻阻值漂移引起的輸出變化ΔVres、以及工作溫度變化引起的輸出變化 ΔVTC,輸出精度ACC由下式給出:

提高LDO線性穩(wěn)壓器工作效率的設(shè)計方案
 
其中ΔVref、ΔVamp及ΔVres對ACC影響較大,故基準(zhǔn)電壓源、誤差放大器及采樣電阻網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在設(shè)計時需重點考慮。

電路設(shè)計及模擬結(jié)果


1、帶隙基準(zhǔn)電壓源的設(shè)計

基準(zhǔn)電壓源是線性穩(wěn)壓器的核心模塊,是影響穩(wěn)壓器精度的最主要因素。帶隙基準(zhǔn)電壓源的工作原理是利用晶體管的VBE所具有的負(fù)溫度系數(shù)與不同電流密度下兩晶體管之間的ΔVBE所具有正溫度系數(shù)的特性,乘以合適的系數(shù)使二者相互補(bǔ)償,從而得到低溫漂的輸出電壓。

電路實現(xiàn)如圖2所示,有:

提高LDO線性穩(wěn)壓器工作效率的設(shè)計方案
 
其中n為Q1、Q2的發(fā)射區(qū)面積比。HspICe模擬結(jié)果表明,當(dāng)電源電壓變化范圍在2.5~6V之間時,常溫下VREF = 1.254V,溫度變化范圍在-30~120℃之間時,溫漂系數(shù)小于10×10-6/℃。

提高LDO線性穩(wěn)壓器工作效率的設(shè)計方案
 

[page]
2、誤差放大器的設(shè)計

誤差放大器將輸出反饋采樣電壓與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行差值信號比較放大,輸出后控制調(diào)整管的導(dǎo)通狀態(tài),保持Vout穩(wěn)定,其增益、帶寬及輸入失調(diào)電壓等指標(biāo) 對穩(wěn)壓器的輸出精度、負(fù)載和電壓調(diào)整能力、瞬態(tài)響應(yīng)等特性有較大影響,電路實現(xiàn)如圖3所示。通過HspICe模擬得到該誤差放大器在VCC1為4.2V 時,其輸入失調(diào)電壓為0.05μV,直流增益為110dB,帶寬達(dá)到10MHz.

提高LDO線性穩(wěn)壓器工作效率的設(shè)計方案

 
圖3誤差放大器電路

3、過流限制模塊的設(shè)計

過流限制電路的設(shè)計思路是通過對調(diào)整管柵源電壓進(jìn)行采樣,實現(xiàn)控制調(diào)整管的柵極電壓,從而達(dá)到限制輸出電流的目的,電路實現(xiàn)如圖4所示。

提高LDO線性穩(wěn)壓器工作效率的設(shè)計方案
 
圖4過流限制電路

當(dāng)負(fù)載電流由小增大時,VDrv隨之降低,調(diào)整管MTG的ID隨之增大,通過M20對調(diào)整管MTG的柵源電壓進(jìn)行采樣,使得M31的柵極電壓增大, 這樣M21的柵極電壓隨之降低,從而實現(xiàn)對VDrv的調(diào)整。通過Hspice模擬得到,當(dāng)負(fù)載電流超過330mA時,M21將開始導(dǎo)通,從而使VDrv隨 之提高,使調(diào)整管MTG導(dǎo)通程度減弱,起到限流保護(hù)作用。

3.1過熱保護(hù)模塊的設(shè)計

過熱保護(hù)電路的設(shè)計思路是利用對溫度敏感的元件來檢測的片內(nèi)溫度的變化,當(dāng)溫度超過設(shè)定值時,保護(hù)電路動作,調(diào)整管被關(guān)斷,以防其損壞,電路實現(xiàn)如圖5所示。

提高LDO線性穩(wěn)壓器工作效率的設(shè)計方案
 
圖5過熱保護(hù)電路

利用晶體管的VBE具有負(fù)溫度系數(shù)的特性,將Q0作為測溫元件,由M12、M13、M10、M5、和M4形成一比較器,M11、R1和R2組成分壓 電路。在低于溫度設(shè)定值時設(shè)計VGM12 VGM13,比較器反轉(zhuǎn),VGM3變?yōu)楦唠娖剑琓OUT的輸出為低電平,從而實現(xiàn)關(guān)斷調(diào)整管。本電路的溫度保護(hù)設(shè)定值為160℃,Hspice的模擬結(jié)果 如圖6所示,圖中×代表輸出電壓VOUT,⊙代表VGM12,Δ代表VGM13,負(fù)載電流為300mA.

提高LDO線性穩(wěn)壓器工作效率的設(shè)計方案
 
圖6輸出電壓隨溫度的變化( I0=300mA)

3.2總體電路模擬結(jié)果


本電路采用韓國現(xiàn)代公司0.6μm工藝模型,通過Hspice對整體電路及各關(guān)鍵模塊進(jìn)行了模擬優(yōu)化,典型工作條件下模擬結(jié)果如表1,輸出電壓隨輸入電壓及溫度的變化如圖6、圖7所示,模擬結(jié)果充分驗證了設(shè)計的正確性。

提高LDO線性穩(wěn)壓器工作效率的設(shè)計方案
圖7輸出電壓隨輸入電壓的變化( IO = 300mA)

4總結(jié)

本方案分析討論了低壓差線性穩(wěn)壓器的設(shè)計方案及工作特性,并給出了關(guān)鍵模塊的電路設(shè)計圖,HSPICE的模擬結(jié)果驗證了電路具有良好特性,該電路采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝實現(xiàn),具有較高的實用價值。
要采購線性穩(wěn)壓器么,點這里了解一下價格!

上一篇:可借鑒的鋰電池的電流檢測電路設(shè)計

下一篇:技巧分享:電流反饋放大器如何為我所用?

特別推薦
技術(shù)文章更多>>
技術(shù)白皮書下載更多>>
熱門搜索
單向可控硅 刀開關(guān) 等離子顯示屏 低頻電感 低通濾波器 低音炮電路 滌綸電容 點膠設(shè)備 電池 電池管理系統(tǒng) 電磁蜂鳴器 電磁兼容 電磁爐危害 電動車 電動工具 電動汽車 電感 電工電路 電機(jī)控制 電解電容 電纜連接器 電力電子 電力繼電器 電力線通信 電流保險絲 電流表 電流傳感器 電流互感器 電路保護(hù) 電路圖
?

關(guān)閉

?

關(guān)閉