一種應用于SoC的小面積LDO設計

摘 要:通過對LDO 降壓轉換器的原理分析，對其穩定性和頻率響應進行深入的研究，通過電路的小信號模型分析，抽取傳輸函數，并運用極坐標法對運放的零極點進行了分析，利用調整運放內部器件參數的方法使零點與極點發生變化，從而在不采用電容進行外部補償的前提下，減小了芯片面積，提高了系統穩定性，設計的相位裕度大于60°，單位增益頻率為322 kHz，直流增益為60 dB左右，靜態電流在50 μA左右的LDO降壓轉換器。這里針對特定SoC的低電壓供電要求，從應用出發設計了不需要電容補償的小面積LDO降壓轉換器。

關鍵詞:LDO降壓轉換器;穩定性;傳輸函數;極點

中圖分類號:TN432文獻標識碼:B

文章編號:1004-373X(2010)02-022-03

Design of LDO in SoC

CHEN Weiquan，LI Hui

(Dongguan Institute of Metrology and Quality Supervision Testing，Dongguan，523120，China)

Abstract:Accroding to analyze the operation rule of LDO regulator，a deep research for the stability and frequency response is made，through analying the micro_signal model of the circuit，abstracting the transmission function，using the polar_coordinates to analyse the pole and the zero of the operational amplifier，adjusting the paremeter of circuit devices to change the detail frequency of the pole and the zero，and a compensation method without capacitance to improve the stability of the system is obtained，a low dropout regulator is designed which has a phase margin more than 60°，the unity_gain frequency is 322 kHz，the DC gain is about 60 dB，the static current is about 50 μA.The low dropout regulator without capacitance compensation aimming at the low voltage requirement of SoC is designed.

Keywords:low dropout regulator;stability;transmission function;pole

0 引 言

隨著集成電路規模的發展，電子設備的體積、重量和功耗越來越小，這對電源電路的集成化、小型化及電源管理性能提出了越來越高的要求。在降壓變換器的設計中，穩定性是一個關鍵性指標[1_3]。在特定的SoC中為了降低芯片面積，一般局部電路用小尺寸工藝，因為應用于低電壓數字電源系統，LDO需要驅動很大電流。在這種情況下只要設計恰當可以不使用電容補償[4]達到好的穩定性，從而減小芯片面積。

1 LDO降壓轉換器原理分析和穩定性分析

LDO 降壓轉換器的電路框圖如圖1所示[5，6]。該電路內部主要包含4個模塊:PMOS調整管Vpg (Pass Element)、電壓基準源(Vref)、誤差放大器(Error Amplifier，EA)、電阻反饋網絡RF(Feedback Network)。LDO降壓轉換器中，PMOS 調整管Vpg作為電壓控制電流源(Voltage Control Current Source，VCCS)，提供穩定輸出電壓Vo所需的負載電流Io。輸出電壓Vo的反饋信號作為誤差放大器(EA)的輸入，與基準源Vref 進行比較，EA的輸出驅動PMOS調整管。由此可見，LDO的穩定性即輸出電壓的穩定性，它是由負反饋網絡決定的。

圖1 LDO降壓轉換器電路框圖

如圖2所示為有負載時的系統模型，A為反饋點，從此處斷開可以得到系統的開環增益為[7]:

VFBVref=AV=gMaRoagMpZ[1+sRoaCpar]R1[R1+R2](1)

式中:gMa和gMp分別是運放與電壓調整管的跨導;Roa為運放的輸出電阻;Cpar是由電壓調整管引入的寄生電容;Z是從Vout方向往地看過去的阻抗，Z可由下式表示:

Z=Rx#8226;1+sResrCosCo#8226;1sCb

=Rx[1+sResrCo]s2RxResrCoCb+s[Rx+Resr]Co+sRxCb+1(2)

圖2 有負載時的系統模型

式(2)中:Co和Resr是輸出電容的容量和等效阻值;Cb是旁路電容;Rx是從輸出電壓Vout往調整器看過去的電阻值，定義為:

Rx=Ro_pass∥(R1+R2)(3)

這里Ro_pass是調整管的輸出電阻。負載RL的阻值一般遠大于Rx，通常情況下RL的阻值可以忽略。假定在典型的情況下，Co大于Cb，則從式(2)得到Z為:

ZRx[1+sResrCo][1+s(Rx+Resr)Co][1+s(Rx∥Resr)Cb](4)

從式(1)~式(4)可以看到系統的開環傳輸函數包含有三個極點和一個零點，由此可見，這是一個不穩定的系統。同時，在大多數的電流范圍內，當R1+R2的數量級非常大的情況下(特別是在高電流的情況下)，從式(3)可以得到，Rx可以歸一化為Ro_pass。那么，傳輸函數的零點與極點就可以得到，如下式所示:

P11/(2πRo_passCo)(5)

P21/(2πResrCb)(6)

P31/(2πRoaCpar)(7)

Z11/(2πResrCo)(8)

2 設計方法

通過以上的穩定性分析得到典型的有負載的頻率增益曲線如圖3所示[8]。輸出作電源時Cb小于Cpar，在Resr很小的情況下，極點P1，P2位置發生變化:

P2=1/(2πRoaCpar)

P3=1/(2πResrCb)(9)

通常要用電容進行頻率補償[9]，使LDO穩定工作，這個電容又會占用較大的面積。而在特定的SoC中為了降低芯片面積，局部電路都用小尺寸工藝，同時因為應用于低電壓供電的數字電源系統，因此需要驅動很大電流。這時只要設計恰當，電路就可以不使用電容補償達到好的穩定性，從而減小芯片面積。從頻率增益曲線可以看出，為使Z1移到P2以前，需要增加Resr來減小Z1，另一種方法是用電容進行頻率補償，那就要犧牲面積。用適當犧牲功耗的方法來進行頻率補償，就向右移動P2，這樣做的同時可以提高LDO的速度。

圖3 帶載條件下的LDO頻率變化

為了向右移動P2，就是要減小Roa，即運放的輸出電阻，因為OTA(運算跨導放大器)具有輸出電阻小的特點[10]，所以采用OTA結構做運放，這樣可以通過增加輸出電流來減小運放的輸出電阻。所用的OTA及系統結構如圖4，圖5所示。其驅動能力在3 mA左右，Co為1 μF，Resr小于5 mΩ。

圖4 OTA系統結構及電路(一)

采用HSpice仿真得到相應的頻率增益曲線和頻率相位曲線如圖6所示。在圖6中可以看到相位裕度大于60°，單位增益頻率為322 kHz，直流增益為60 dB左右，靜態電流在50 A左右。

圖5 OTA系統結構及電路(二)

圖6 仿真曲線

3 結 語

穩定性是LDO設計的關鍵，針對不同的應用環境和要求可以采用不同的穩定性方案。這里對應用于驅動電流較大的低壓數字電源系統的LDO電路，提出不使用電容補償，只進行內部調整就可以達到好的穩定性的結構與設計方法。簡化設計過程，減小了芯片面積。

參考文獻

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