一種高擺幅軟啟動線性穩壓源設計

王 君，李斌橋，高 靜

(天津大學信息工程學院，天津300072)

一種高擺幅軟啟動線性穩壓源設計

王 君，李斌橋，高 靜

(天津大學信息工程學院，天津300072)

基于0.5 μm工藝設計一種帶軟啟動電路大擺幅輸入電壓的線性穩壓源(LDO)，為解決高電壓輸入時LDO輸出節點的瞬態過沖電流問題，設計一種在緩沖器的輸出端加入MOS開關的軟啟動方案，提高電路的安全可靠性。通過仿真分析，結果表明該電路在輸入電壓10～40 V變化，其線性調整度為7.5 mV@30 V，輸出5 V穩定電壓，負載電流范圍0～10 mA，輸出電流1～10 mA，瞬態變化時負載調整度為12 mV@9 mA。電源電壓上電時間為1 ms時，LDO的輸出過充電流不超過6 mA。

大擺幅輸入；線性穩壓源；軟啟動電路

在電池電源管理領域，需要片上電壓轉換器來應對不同的系統驅動需求，低壓差線性穩壓器(LDO)具備噪聲小、線性調整度好等優勢，在各類電源轉換器的應用中，占據著不可替代的位置[1-2]。然而，在許多應用領域系統中，電源輸入擺幅非常大，電源電壓變動范圍可能達到幾十伏[3]，在這些高電壓應用中，LDO會產生較高的瞬態電流(可能上百mA)，如此大的電流與高輸入電壓相乘會得到很大的功率，過高的功率會對芯片造成破壞性影響甚至直接將芯片燒毀[4]。

圖1 典型LDO結構瞬態電流

圖1所示的是典型LDO結構[5]，在LDO上電啟動時，達到恒定電壓值，而此時誤差放大區的負輸入端還處于0 V。較大的電壓差會造成誤差放大器的輸出電壓在上電過程中處于較高電平，高電壓通過中間緩沖級[6]，最終輸入調整管的柵極，其源極電壓近似為0 V，較高的柵源電壓會造成LDO輸入到輸出的低阻通路，從而導致LDO輸入到輸出產生較大的瞬態電流[7]。

為了保護電路，使電路不會產生過大的瞬態電流，需要通過軟啟動電路實現LDO調整管的緩慢開啟。軟啟動方案可以通過片外的器件或者通過片上雙電容循環耦合[8]實現，后者不但需要兩個電容消耗較大面積還需要一個額外的控制時鐘。然而，在線性穩壓電源還是開關電源設計中，主流設計趨勢是將上電保護電路設計在片內并盡量減小軟啟動電路所消耗的面積[7]，所以上述兩種方法并不能稱為最佳方案。如今，在設計LDO的軟啟動電路時，在片內設計一種能夠緩慢開啟調整管且消耗面積相對較小的軟啟動電路逐漸成為主流趨勢。所以近些年很多研究開始關注LDO軟啟動電路在集成電路中的實現[7]。文獻[7]中所設計的軟啟動電路是通過LDO正向輸入端基準電壓的緩慢上升來實現放大器的輸出電壓緩慢上升，從而實現電路的軟啟動功能。文獻[9]中通過設計一種最小值選擇模式軟啟動電路，在無線性電容的CMOS工藝中實現軟啟動電路，這種電路通過緩慢地將電壓輸入到誤差放大器的輸入端來實現。文獻[10]中采用一種基于限流的閉合環路控制方法，通過控制所設計的閉合環路對電路進行預充電，并限制充電電流。待輸出端達到一定電壓時通過比較器的判斷斷開預充電的閉合環路，同時開啟LDO環路，最終實現LDO的軟啟動功能。在本設計中輸入電壓為高壓，緩沖器以及調整管采用高壓工藝設計，誤差放大器采用CMOS低壓工藝進行設計，為了能使低壓放大器能夠驅動調整管，需要在緩沖器中加入移位晶體管平移誤差放大器的輸出直流工作點，該晶體管在上電開始階段具有一定初值。

本文中設計一種帶軟啟動電路的大輸入擺幅LDO，該電路的軟啟動電路針對緩沖器輸出(A點)實現軟啟動，解決高壓輸入電壓LDO軟啟動電路設計問題。本文首先介紹了研究背景，然后對軟啟動電路的基本原理進行介紹，詳細介紹了電路設計并給出了電路仿真結果，最后對本文設計電路進行了總結。

1 電路分析

如圖2所示，本設計將在緩沖器輸出端(A點)引入一個開關S1，開關一端接入A點，另一端接地。通過斜坡信號逐漸斷開S1，A點電壓逐漸升高，使LDO調整管M1的柵源電壓實現電壓軟啟動。

圖2 提出的軟啟動電路結構

圖3 LDO啟動過程

如圖3(a)所示，上電之后，A點電壓將會上升，而此時PMOS的柵極電壓為零。A點電壓上升至后PMOS管導通，隨著PMOS開關S1的柵極電壓上升，PMOS開關S1會逐漸關閉，最后斷開。如圖3(b)所示，完成啟動后電流源的電流將會完全流經源跟隨器所組成的緩沖器最終完成LDO電路的軟啟動。

2 LDO電路設計

LDO設計電路分為5部分：誤差放大器、軟啟動電路、頻率補償補償、緩沖器以及電阻反饋網絡。本文將具體給出各個模塊的設計圖以及整體電路的設計框圖。以下是電路具體設計：

(1)誤差放大器設計

如圖4所示，誤差放大器采用差分輸入共源極放大器，電路加入M5與M7共源共柵管增大放大器的增益(Ao)，改善線性調整度和負載調整度，這樣做只采用單級結構就可以獲得比較高的增益。

圖4 誤差放大器

(2)斜坡信號發生電路設計

圖5為斜坡信號發生電路，當使能信號en為高電平時，電路開啟，Mr3斷開，電流源開始對充電。其中為恒流源，電流值為250 nA，電容=1.34 pF，Mr1為Mr2的5倍，通過Mr1和Mr2管的鏡像，上電后電容的充電電流為50 nA，上電后緩慢升高到電壓值，并且可以通過控制電流鏡的鏡像電流值控制充電的速度。

圖5 斜坡信號發生電路

(3)頻率補償電路設計

LDO電路采用壓控電流源(VCCS)引入左半平面零點的方法[11]進行頻率補償。

圖6中給出LDO的頻率補償壓控電流源VCCS的設計電路。其中，M19和M20的比例為1∶5，則壓控電流源的輸入電壓與輸出的小信號電流值之間的關系以及壓控電流源引入的零點位置分別為：

(4)整體LDO設計

本文提出的帶軟啟動電路的大擺幅輸入電壓LDO基于0.5 μm BCD工藝設計，并進行相關驗證以證明LDO軟啟動電路的可行性。的輸入電壓為10～40 V，≈5 V，基準電壓=1.5 V，輸出電壓為5 V，LDO在40 V輸入時的最大負載電流為10 mA(圖7)。

圖6 壓控電流源

圖7 帶軟啟動電路的大擺幅輸入線性穩壓源結構

3 LDO性能仿真結果及分析

本文基于0.5 μm BCD工藝設計一款輸入電壓10～40 V帶軟啟動電路的LDO，采用軟啟動能夠抑制瞬態大電流的產生，采用VCCS補償方法使電路在0～10 mA負載電流下得到較好的相位裕度(PM)，增加電路穩定性。下面分別對LDO的軟啟動功能以及10～40 V電路線性調整度進行仿真驗證。

3.1 LDO軟啟動功能的驗證

圖8所示分別為LDO不加入軟啟動電路時，40 V電壓1 ms時間上電的瞬態電流與電壓變化情況。在圖8(a)中，在200 μs時，輸入電壓達到8 V，LDO輸出端瞬態電流上升至118 mA，且在40 μs內電流都會持續高于80 mA，這對電路會產生破壞性影響。輸出電壓的瞬態變化較快，在沒有軟啟動電路的情況下，上升較快，300 μs左右時就能夠達到穩定值(5 V)。

圖8(b)對應的是LDO加入軟啟動電路后的上電瞬態仿真結果。從圖8(b)中看到，同樣的上電時間為1 ms，最終電壓為40 V，LDO輸出點電流平緩地對輸出旁路電容充電，上電的瞬態響應較慢，上升時間為1 ms，最終達到5 V。在此期間，LDO輸出電流不超過5.32 mA，可以實現軟啟動功能。

圖8 LDO加入軟啟動電路前與加入軟啟動電路后的輸出電流仿真結果(上電時間為1 ms)

3.2 LDO穩定性仿真

LDO的穩定性仿真首先對其負載為0 mA以及10 mA兩種情況的幅頻響應以及相頻特性進行仿真，之后在電路輸出處給予10 mA瞬態變化電流，仿真的負載變化。

仿真結果表明，LDO在負載為0 mA時的幅頻特性以及相頻特性曲線。在3.845 kHz頻率下，LDO環路增益降低為0 dB，此時LDO的相位裕度為91°左右。209.7 kHz時，LDO環路增益降低為0 dB，此時LDO的相位裕度為71°左右。

3.3 線性調整度仿真

LDO在輸入電壓10～40 V變化過程中具有較好的線性調整度(變化值為4.993 16～5.000 55 V)，其線性調整度約為7.5 mV@30 V(變化為10～40 V)。圖9是輸出電壓隨輸入電壓變化圖。

圖9 輸出電壓隨輸入電壓變化

4 結論

本文基于0.5 μm高壓BCD工藝設計一種帶軟啟動功能LDO，提出一種在高壓輸入LDO中解決軟啟動問題的方案，該方法解決LDO上電瞬態大電流問題，降低使用風險。該LDO輸出電壓為5 V，最大負載電流為10 mA。文中對LDO不加入軟啟動功能以及加入軟啟動功能進行對比仿真，結果表明：輸入電壓在1 ms時間內達到40 V的過程中，無軟啟動電路的LDO在上電過程中會產生118 mA瞬態電流，帶軟啟動電路的LDO在上電過程中會產生5 mA充電電流，軟啟動電路能成功降低LDO輸出瞬態大電流。另外，對電路的穩定性、線性調整率以及負載調整率進行仿真，結果表明LDO的負載調整度為12 mV@9 mA，10～40 V輸入電壓變化負載調整度為7.5 mV@30 V。

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Design of high-swing input LDO with soft-start circuit

A high-swing input LDO with soft-start circuit in 0.5 μm process was presented.For reducing the rush-in current at output of LDO to increase reliability about LDO,a method of soft-start which added a CMOS switch at output of buffer was proposed.The line regulation of LDO was 7.5 mV@30 V(input voltage was 10～40 V),and output voltage was 5 V.The output range of current was 0～10 mA,load regulation was 12 mV when output current change from 1～10 mA in 10 ns.When supply voltage start rised to 40 V in 1 ms,the output current of LDO was under 6 mA.

high-swing input;LDO;soft-start circuit

TM 714

A

1002-087 X(2016)03-0662-04

2015-08-06

天津市濱海新區科技計劃項目(2011-BK120033)

王君(1988—)，男，天津市人，碩士，主要研究方向為模擬集成電路設計。