一种快速瞬态响应片上LDO电路_徐晴昊.pdf

电子技术应用 2023年 第49卷 第3期Microelectronic Technology微电子技术一种快速瞬态响应片上 LDO 电路徐晴昊（中国电子科技集团公司第五十八研究所，江苏 无锡 214035）摘 要：基于双有源反馈米勒补偿结构设计了一种单极点系统的无电容片上低压差线性稳压器，该线性稳压器中误差放大器采用全差分结构，两个并联的前馈通路可在提升电路瞬态响应性能的同时额外在功率管栅端构成推挽驱动级，最终电路在轻重载时具有对称的瞬态响应特性。基于 TSMC 0.18m BCD 工艺仿真结果表明，在 2 V4 V 电源电压下，输入输出最小压差为 200 mV，最大负载电流为 120 mA，瞬态响应恢复时间0.7 s，相位裕度60。关键词：低压差线性稳压器；无片外电容；快速瞬态响应；频率补偿中图分类号：TN433 文献标志码：A DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.222997中文引用格式：徐晴昊.一种快速瞬态响应片上 LDO 电路J.电子技术应用，2023，49(3)：67-71.英文引用格式：Xu Qinghao.A fast transient response on-chip low-dropout regulatorJ.Application of Electronic Technique，2023，49(3)：67-71.A fast transient response on-chip low-dropout regulatorXu Qinghao(No.58 Institute of China Electronic Technology Group Corporation，Wuxi 214035，China)Abstract：Based on dual active feedback with miller capacitor compensation(DAFMCC),a novel single pole system of capacitor-less on-chip low-dropout(LDO)voltage regulator circuit is presented.The LDO adopts a fully differential amplifier as the first gain stage,two parallel feedforward pathways can improve the transient response performance of the circuit meanwhile insert a push-pull stage at the gate of the power MOSFET which results in a symmetrical slewing behavior.The proposed LDO regulator is verified by TSMC 0.18 m BCD process.The simulation results show that when supply voltage changes from 2 V to 4 V,the minimum dropout voltage is 200 mV,the maximum load current is 120 mA.The transient response recovery time is smaller than 0.7 s,the phase margin is larger than 60.Key words：LDO；capacitor-less；fast transient response；frequency compensation0 引言一个典型的片上电源管理系统可能存在多个无片外电容型的 LDO，对手持设备而言其所用片上 LDO 的功耗将决定其待机时间和最终寿命，因此如何设计低功耗和低压差的 LDO 为现代电子产品设计时的热点研究方向13。传统 LDO 通过在其输出端口增加一个大片外电容的方式来提升环路稳定性并减少瞬态时输出电压的过冲及瞬态响应恢复时间。但受封装尺寸限制，大的片外补偿电容无法进行单片集成，因此传统方案不适用于对片上 LDO 进行补偿，需探索新的频率补偿和瞬态响应提升方案46。由 LDO 供电负载的性能受其瞬态性能影响，LDO瞬态性能主要由其环路稳定性、单位增益带宽和输出功率管栅端电压充放电摆率决定7。LDO 中输出功率管具有较大面积，其将在环路中引入不可忽视的寄生电容，因此输出功率管栅端电压充放电摆率对 LDO 瞬态性能起主要作用89。已有多种电路结构被提出用于片上 LDO 的频率补偿和其瞬态响应性能的优化，在大部分补偿方案中设计者将 LDO 等效为三级运放后采取基于极点分离的嵌套米勒补偿方式来保证环路的稳定性10。不同的摆率增强技术也被提出用于提升电路瞬态性能，但存在因轻重载摆率增强不对称导致电路在轻重载时瞬态响应特性不对称的缺陷11。针对上述问题，本文基于双有源反馈米勒补偿结构(DAFMCC)提出了一种新型快速瞬态响应片上 LDO 电路，其环路具有更大的单位增益带宽、良好的环路稳定性，且位于输出功率管栅端的推挽驱动级可确保电路在67Microelectronic Technology微电子技术www.ChinaAET.com轻 重 载 时 具 有 对 称 的 瞬 态 响 应 特 性12。最 终 所 设 计LDO在2 V4 V电源电压下输入输出最小压差为200 mV，最大负载电流为 120 mA，瞬态响应恢复时间0.7 s，最小相位裕度60。1 传统 LDO 摆率不对称分析图 1 所示为传统三级片上 LDO 架构图，其由两级误差放大器和一个输出功率级组成，且输出功率管栅端在轻重载时具有不同的摆率特性。具体特性分析如下，M1M4 构成误差放大器的第二级，MP 为输出功率级，RF1和 RF2为采样反馈电阻，VREF由带隙基准电路产生，Iload为负载电流，为简化分析图 1 中未包含频率补偿环路。当短时间内负载电流发生降低(升高)时，输出电压 VOUT和采样电压 VFB将立刻上升(下降)，此时误差放大器第一级将进入非线性区且 V1为 VDD(GND)。第一种情况代表电路从重载跳变至轻载，此时V1=VDD，M1 被完全开启，大电流经 M1M3 镜像后对 MP栅端寄生电容快速充电，此时功率管栅端具有较大的摆率且电路瞬态恢复时间较小。第二种情况代表电路从轻载跳变至重载，此时 V1=GND，M1 被完全关闭，M4 中固定偏置电流对 MP 栅端寄生电容缓慢放电，此时功率管栅端具有较小的摆率且电路瞬态恢复时间较大。因此电路存在因轻重载摆率增强不对称所导致的在轻重载时瞬态响应特性不对称的缺陷。2 具体电路实现本文所提出一种快速瞬态响应片上 LDO 电路的具体实现如图 2 所示。下面将对其频率响应特性、瞬态增强特性及内部器件连接和模块对应方式进行分析。2.1 频率响应特性分析图 3 为 本 文 基 于 双 有 源 反 馈 米 勒 补 偿 结 构(DAFMCC)提出的一种新型快速瞬态响应片上 LDO 电路的小信号模型，此技术为三级运放频率补偿的衍生且将在本文中被证明可适用于三级 LDO 的频率补偿。需注意的是由于 LDO 中功率管栅端具有较大的寄生电容且其在整个工作范围内负载电流变化较大，因此部分在三级运放中的补偿电路将不再适用，为证明 DAFMCC频率补偿策略对三级 LDO 的实用性，首先基于图 3 分析其开环传输函数。图 3 中 gm3和 R3分别为输出功率管跨导和输出阻抗。CL代表片上电容。gm1、gm2，R1、R2和 C1、C2分别为第一、第二增益级的跨导、输出电阻和输出寄生电容。两条反馈通路具有对称结构，gma、gmb和 Ra、Rb分别为电流源缓冲器反馈结构的跨导和输入电阻，Ca、Cb为米勒补偿电容。Ca=CbRa=Rb=1gma=1gmb(1)图 2快速瞬态响应片上 LDO 电路实现图 1传统三级片上 LDO 架构图图 3快速瞬态响应片上 LDO 电路小信号模型68Microelectronic Technology微电子技术电子技术应用 2023年 第49卷 第3期忽略高频处的零极点，开环传输函数 Av(s)为：Av(s)=Adc(1+sz)2(1+sp,dom)(1+2ns+12ns2)(1+sp,nd)(2)LDO 开环直流增益为 gm1gm2gm3R1R2R3，为确保在全工作条件下环路可保持稳定，需在轻重载条件下对式(2)分别进行讨论。大面积功率管的栅漏寄生电容不可忽略，主极点(p,dom)和单位增益带宽(GBW)在任何负载条件下可认为保持固定。p,dom=12gm2gm3R1R2R3CaGBW=gm12Ca(3)在 分 析 轻 载 情 况 下 电 路 中 零 极 点 分 布 时 有 如 下假设：CL C2Ca,Cgd C1(4)gmfgm2，gm1R1，gm2R2，gm3R3，1(5)轻载时电路的零点、次极点、自然频率和阻尼系数分别为：z=1CaRap,nd=1CaR3n=gmfgmaC1CL(6)=C1CL+2C2agmfRa4CagmfgmfgmaC1CL(7)在分析重载情况下电路中零极点分布时增加如下两个额外假设：gm3 gm1，gm2，gma，gmf(8)R3 R1，R2，Ra(9)基于式(4)、式(5)、式(8)、式(9)的假设，重载时电路的零点、次极点、自然频率和阻尼系数分别为：z=1CaRap,nd=2(C2+Cgd)+gm3R3CgdCaRa(gm3R3Cgd+C2)(10)n=gm2gmaC1Cgd(11)=C1gm3R3Cgd+2C2agm2gm3R3Ra4gm2gm3R3Cagm2gmaC1Cgd(12)理想情况下，经频率补偿后整个系统在式(3)所示单位增益带宽内为单极点系统，为实现这一目标需确保补偿后零点和次极点位于单位增益带宽以外，同时考虑式(7)和式(12)，则要求电路参数满足式(13)要求。gm1g2m1C1CLC2agma(14)gmag2m1C1CgdC2agm2(15)阻尼系数()需设置为12，以确保幅频曲线中尖峰远离GBW，瞬态响应时无过冲和振荡。分别设置式(7)和式(12)等于12，则可知轻载时米勒补偿电容条件如式(16)所示，重载时米勒补偿电容条件如式(17)所示。Ca=122gmaC1CLgmf(16)Ca=122gmaC1Cgdg2(17)式(14)和式(15)取值需尽可能大，以确保最恶劣工作条件下电路稳定性。2.2 瞬态增强特性分析LDO 中功率管栅端电压充放电摆率对其瞬态性能起决定性作用。图 1 所示电路中功率管栅端充放电摆率不对称，栅端电压的放电速率受固定偏置电流限制，面对负载跳变时输出电压将发生更大的下冲和瞬态恢复时间。本文所设计 LDO 通过对其误差放大器结构进行调整，在功率管栅端插入一个推挽输出结构，最终实现功率管栅端在充放电时具有相同摆率。图 4 为其具体架构实现，全差分运放为第一增益级，将第二增益级拆中分出两个相同的并联前馈通路，Av1、Av2和 Av3为第一、第二和第三级增益。补偿环路包含两个并联的电流源缓冲结构，在最终电路实现上将其拆分为四个反馈支路，且分别连接至第一增益级的正负输出端。前馈通路(gmf)也被拆分为两条并联支路，且分别连接至第一增益级的正负输出端。上述设计不但易于电路实现且可在功率管栅端插入一个推挽驱动级。2.3 内部器件连接和模块对应方式本文所设计 LDO 整体电路实现如图 2 所示，其采用三级放大结构来提高整体环路增益，以提升电路负载调整率和线性调整率。第一增益级为由 M1M11 组成的折叠全差分运放，跨导由 M2 和 M3 决定，图 5 为全差分输入级用于稳定输出直流电平的共模反馈电路。第二增益级由 M12M15 组成，跨导由 M12 和 M15 决定，且M12M14 和 M15 分别为图 3 所示第二