LDO线性稳压器中的折返式限流电路设计

，吕亚兰21西安电子科技大学通信工程学院，西安(710071)2西安电子科技大学电路CAD研究所，西安(710071)E-mail：[e-mail]摘要：本文提出了一种低功耗、高可靠性的限流电路。通过增加折返功能有效地降低了电路功耗，并且提高了系统的可靠性。对该结构原理进行了分析，并用2µm40VBJT工艺进行模拟验证。在该工艺下，Hspice仿真证明了该电路的可行性和可靠性。对于一款带载能力为1A的低功耗低压降（LDO）线性稳压器，与常规的恒定电流限制相比，该电路能使系统在限流状态下的功耗减小75％，并成功应用于一款输出为12V的LDO线性稳压器中。关键词：LDO，折返，低功耗中图分类号:TN4321.引言随着电子技术的不断发展，电源管理技术也得到了进一步的发展，它从过去功能结构较简单的电子电路发展成为今日功能强大，结构复杂的功能模块。作为电源管理产品的一种，低压降（LDO，LowDropout）线性稳压器的性能直接影响着整个电子产品的精度、稳定性和可靠性[1]。而减小静态电流（或称地电流）则是降低LDO线性稳压器功耗和优化LDO线性稳压器性能的关键指标[2]。采用合理有效的限流电路可以有效地减小静态电流，这对于充分发挥LDO线性稳压器中调整管的优点，避免其缺点起着至关重要的作用，同时也是有效利用调整管的前提和关键。在此基础上本文设计出了一种适用于双极工艺的折返式限流电路，通过增加折返功能有效地降低了芯片功耗，提高了系统的可靠性。2.传统的限流电路结构对于双极型器件，通常采用限制调整管基极电流的方法来限制驱动电流，从而达到限制输出电流的目的。因此双极型LDO线性稳压器的采样电阻可以直接接在调整管的基极通路上，从而不会对低漏失电压造成影响。传统的限流电路如图1所示，由电阻RS和三极管Q3组成，Q1为调整管，Q2是误差放大器的输出级。当稳压器的输出电流为IO时，Q3的基极和发射极之间的偏置电压为：11()OSQVIRβ=⋅（1）其中，βQ1是调整管Q1的直流电流放大倍数[3]。随着输出电流IO的上升，偏置电压V1也随之上升。当V1≥VBE3(ON)时（VBE3(ON)为Q3的导通压降），Q3导通，抑制Q2基极电流的上升，即限制了调整管基极电流的上升，从而达到了限制输出电流[4]的目的。3.折返式限流电路设计传统LDO线性稳压器中所采用的是恒定电流限制方法。在恒定限流电路中由于采样电阻RS上压降的损失从而降低了系统的转换效率，尤其是在大电流输出时，RS上的功率损耗图1传统的限流电路就会明显增加，因而限制了该限流电路的应用。在此基础上，采用双极工艺设计出一款低功耗高可靠性的折返式限流电路（见图2）。在折返式限流电路中，当负载电流IO升高至早已设置好的最大电流IMAX时，输出电压和调整管上的输出电流均开始逐渐减小。当调整管上的输出电流逐渐减小为另外一个设置好的电流阈值IFB时，输出电压则减小为IFB×RLOAD。由于该稳压器在过载或短路情况下调整管上的输出电流被钳制在一个较小值（小于芯片能够提供的最大输出电流），系统功耗得以减小，芯片温度也不会明显升高。如图2所示，Q7是误差放大器的输出级，Q8是调整管，R4和R5是采样电阻。在稳压器正常工作时，Q2、Q4、Q5和Q6均不导通。此时，反馈电压VFB为：545FBORVVRR=⋅+（2）其中，VO是稳压器的额定输出电压。误差放大器EA的输出电压Vc可表示为：()mCREFFBOVVVGR=−⋅⋅（3）其中，VREF是内部参考电压，Gm为误差放大器EA的等效输入跨导，RO是其等效输出阻抗。由式（2）、（3）知，当输出电压VO减小时，EA的输出电压VC将随着反馈电压VFB的减小而增加，此时节点B的电压VB减小，输出电压VO增加，从而形成负反馈环路将输出电压VO稳定在额定值上。由图2知节点A的电压VA为：()1ACBEONVVV=−（4）其中VBE1(ON)是晶体管Q1的导通电压。由式（3）、（4）可知随着反馈电压VFB的减小，VA随之增大。忽略晶体管Q2的基极电流，则流过R1和R2的电流I1为：3()112ABEONVVIRR−=+（5）现假设所有晶体管的导通电压均为VBE(ON)，则有：()()1123CBEONBEONVVVIRR−==（6）由式（6）可推出：12()(3)CBEONVRRV=+（7）电阻R2两端的电压VR2为：212RVIR=⋅（8）当VR2随着VFB减小而不断增加至电压VBE(ON)时，此时Q2导通。图2折返式限流电路继续增加时，输出电压VO会减小，节点A的电压VA将随着反馈电压VFB的减小而增加，Q2的基级电压也将增加，导致流过Q2的集电极电流随之增加，这将使得EA的输出电压VC减小，由式（4）可知，此时节点A的电压VA减小，从而形成负反馈环路将EA的输出电压VC箝位，A点电位随之也被箝位，将使得输出电流被限定为恒定值IMAX，有：OLOADMAXVRI=⋅（9）由式（2）、（3）、（7）和（9）可计算出：()BE(ON)1245REFO5V3VMAXmLOADRRRRIGRRR⋅+⎡⎤+=⋅⎢⎥⋅⋅⎣⎦－（10）折返式限流电路的核心电路由Q4、Q5、Q6和R3组成。当负载电流继续增加时，由于恒定限流电路的作用使得调整管上的输出电流恒定为IMAX，而输出电压继续下降，则反馈电压VFB也继续减小。当VFB减小至设定值VFB1时：1()2FBABEONVVV=−（11）Q5和Q6均导通，于是会有电流流过电阻R3，电阻R3两端的电压会升高。当电阻R3两端的电压升高至足以使Q4导通时，由于Q4的发射极直接与地相连，则Q1的发射极电流大多经由Q4到地，此时节点A的电压VA不再保持恒定而是被拉低，节点B的电压VB升高，这样就使得输出电压VO减小，输出电流也随之减小，完成折返功能，起到折返式限流作用。当节点A的电压VA低至2VBE(ON)时，即Q7的基级电压接近于2VBE(ON)，此时Q7处于微导通状态，Q7的集电极电流变化很小（几乎保持不变），这将使得调整管的基级电压变化很小，从而将调整管上的输出电流限制在较小的电流阈值IFB。在限流状态时，限流电路中实际上形成了输出电压反馈与输出电流反馈[5]两个回路，在大电流情况下可能会产生震荡，为此在Q7的基级与Q6的发射极之间接入了一个用作密勒补偿[6]的电容C1，用来消除可能引起的振荡。4.仿真结果分析本文设计的折返式限流电路已应用于一款低功耗高可靠性的LDO线性稳压器中，采用2µm40VBJT工艺，其输出标称电压为12V，带载能力为1A。仿真结果：图3为典型情况下的折返式电流特性仿真结果，可以看出最大输出电流IMAX约为2A,，折返电流阈值IFB可以达到50mA。能实现折返功能，降低系统功耗。图4为不同限流电路下调整管的功耗仿真结果，可看出在限流状态下，本文设计的折返式限流电路与常图4不同限流电路下调整管功耗仿真波形图图3折返式电流仿真波形图规的恒定限流电路相比，系统功耗能减少75％左右。特别是在负载电流很大的（其极限情况是输出短路，负载无穷大）情况下，折返式电流限制能使调整管的功耗明显减小[7]。因此，稳压器无需过温关断电路便可防止因调整管功耗过大、芯片温度过高而导致的芯片损坏。图5是LDO线性稳压器输出的负载瞬态响应，输出电压从轻载跳变为重载时能在很短时间（约5µs）内恢复到稳定状态，且输出电压的变化非常小，由于电容放电作用，输出电压从重载跳变为轻载时所需要的恢复时间需要10µs，输出电压变化也非常小，显示了稳压器输出稳定，系统可靠。如图6所示，显示了负载电流为0.1mA时输出电压随电源电压变化的特性，LDO线性稳压器输出电压变化约为0.065V，即典型情况下线性调整率约为0.042％，实现了低漏失。5.结论将本文设计的基于LDO线性稳压器的折返式限流电路应用到一款LDO线性稳压器中，不仅能有效地保护稳压器，降低系统损失的功耗，而且提高了系统的可靠性。由于该电路结构简单，功能可靠，限流精度高，故适用于对功耗和可靠性要求较高的电源管理芯片中，具有极其广泛的应用前景。图6线性稳压器漏失电压特性图5线性稳压器负载瞬态响应参考文献[1]1SKLau,KNLeung,PKMok．AnalysisofLowDropoutRegulatorTopologiesforLowVoltageRegulation.IEEEInternationalConferenceonElectronDevicesandSolid—StateCircuits,2003:379-382.[2]CSimpson.AUser’sGuidetoCompensatingLowdropoutRegulator.NationalSemiconductorPowerManagementApplications,1997:1-14.[3]孙肖子，张企民。模拟电子技术基础[M].西安：西安电子科技大学出版社.2001:26-29[4]程小洁，冯全源。一种低功耗高可靠性的CMOS过流保护电路[J].微电子学与计算机，2006年第23卷第1期.52-54[5]樊华，冯全源。一种新型的基于LDO的过流保护电路设计[J].微电子学与计算机，2006年第23卷第2期.6-7[6]XiaohuaFan,ChinmayaMishra.SingleMillerCapacitorFrequencyCompensationTechniqueforLowPowerMultistageAmplifiers[J].IEEEJournalofSolid-StateCircuits.2005.40(3):584-592[7]郭建平。一种用于LDO稳压器的折返式限流电路[J].电子设计应用，2006年第5期.20-21DesignofFold-backCurrentLimitcircuitinLDOLinearRegulatorZhangFan1,LvYalan21DepartmentofTelecommunicationEngineering,XidianUniversity,Xi’an,PRC（710071）2InstituteofElectronicCAD,XidianUniversity,Xi’an,PRC（710071）AbstractInthispaper,Alow-power,highreliabilitycurrentlimitcircuitisproposed,whichcaneffectivelylowerthecircuit'squiescentdissipation,andenhancethereliabilityofthesystemwiththeapplicationoffoldbackfunction.Thestructureandprincipleswereanalyzedandsimulatedwith2µm40VBJTprocess.Withthisprocess,thefeasibilityandreliabilityofthecircuitwasprovedbyHspice.Thecircuitcanreducethequiescentdissipation75％comparedwiththeconventionalconstantcurrentlimitunderthe1Aloadcurrentcondition.Ithasbeenusedinalowdropoutvoltage(LDO)linearbuckregulatorwith12Voutputvoltagesuccessfully.Keywords：LDO,Foldback,Lowquies