應用于OLED驅動芯片的LDO設計

西安電子科技大學 李 晴 王文強 翟世奇 高 鵬

電源管理系統中最基本的功能是供電和電源調整。任何外接負載的系統，提供的電壓和電流不能夠在不同的工作環境中保持穩定狀態，工作狀態往往會受到影響。LDO作為電源管理系統中的核心模塊，其輸出電壓的精度直接關系著電路系統的各項性能。本文針對OLED驅動芯片設計一款具有較高精度的低壓差線性穩壓器，同時還能在整個負載范圍內具有較高的穩定性、溫度特性以及電源抑制比。

傳統低壓差線性穩壓器除了具有較小壓差的特點外，通常還具有體積較小、成本較低、功耗較低等特點，被廣泛使用在電源管理芯片中，滿足大部分供電需求。隨著硅基OLED微顯示芯片在更大的陣列規模，更小的像元尺寸與更快的幀頻率的技術路線上發展，對CMOS驅動芯片的設計提出了更高要求。本論文的LDO作為OLED驅動芯片的電源供電模塊，除以上的特點外，還有很高的精度特性。

1 LDO結構

如圖1所示的是LDO的模塊構成，右邊為電流保護模塊。其中，電阻R1和R2構成反饋網絡βFB，將取樣值通過誤差放大器（AMP）與帶隙基準電壓源比較，產生誤差校正信號，驅使功率調整管SO的柵壓變化，以提供負載所要求的電流，使輸出穩定。從根本上講，AMP、SO、βFB三者構成的環路的增益大小決定了取樣電壓和基準電壓的接近程度，所以要使LDO具有更高的輸出精度，帶隙基準電壓和反饋網絡的精度也要求較高。

圖1 LDO結構

2 電路設計

前面說到要使LDO具有更高的輸出精度，必須提高帶隙基準電壓的精度和誤差放大器的增益。如圖2所示，電路左半部分為啟動電路，由控制信號PD_N使能；中間部分為帶隙結構，用來參數基準電壓；右邊部分為復制電路，將電壓1:1復制后，在經電流鏡產生基準電流，用來外部測試。

圖2 帶隙基準電路設計

如圖3所示，左邊部分為偏置電壓電路，右邊為誤差放大器和反饋網絡。PD_N信號用來控制電路工作開關，IR為電流偏置的輸出電流，Vref為輸入的基準參考電壓，FB接LDO輸出的反饋取樣電壓，電阻R和電容CC對電路進行密勒補償。

圖3 LDO主體結構

電路正常工作時，盡可能使差分對管M15和M16工作在亞閾值區，保證在相同電流的情況下得到更大的跨導gm，實現低功耗和高精度的要求。電路雖在內部進行了補償，但在負載突變時的瞬態響應不好，可以改為外部大電容補償，同時還能改善系統的電源抑制比，但會占用更大的芯片面積，要進行合理考慮。

3 電路仿真

為了確保電路在負載范圍內，整個LDO系統都能穩定工作，必須驗證電路的穩定性。對電路進行穩定性仿真，必須將Iprobe元件放置在反饋環路上，在頻率范圍為1Hz到1GHz的區間內，進行stb仿真，其結果如圖4所示。

圖4 負載范圍內增益仿真曲線

從結果能看出在負載范圍內，環路的低頻增益均能保持在60dB左右，在仿真過程中相位裕度也都大于60°，GBW在100K到100M之間，電路具有很好的穩定性。

如圖5所示，在輕負載情況下，低壓差線性穩壓器的電源抑制比在低頻處約為93dB；在重負載的情況下，低頻處的電源抑制比也能處在60dB以上，滿足設計的應用要求，符合預期。

圖5 輕負載時PSRR仿真曲線

瞬態響應如圖6所示，短時間負載從輕載轉變成重載時，引起輸出向下突變，變化的幅值大小約為39 mV，并且在2μs的時間內達到穩定狀態，負載電流從180 mA向10μA跳變時，產生一個向上的跳變，電壓變化大小約為34 mV；并且，在2μs內達到穩定，由此可見電路具有較快的瞬態響應時間，用來應對負載電流的突變，因此電路具有較高的交流特性，符合設計指標要求。

圖6 LDO負載瞬態變化的輸出響應曲線

結語：經過電路設計、仿真測試，使整個LDO系統能夠提供1.8V輸出電壓,且精度在1%左右的；工作環境也在目標的基礎上有很大的改進。輸入電源電壓范圍從2.5～5 V調整為1.9～5.8 V，線性調整率為0.604%。工作溫度范圍從-40℃～85 ℃調整為-40℃～125℃，溫漂系數在9.74 ppm/℃。電路中的靜態電流為47μA，最大負載電流為179 mA，負載調整率為0.59%。電源抑制比在重載情況下也能達到60dB，其他負載條件下，均能達到70dB以上。可測的數據結果都在可接受的范圍內，滿足設計目標，已經完成流片，待后續板級測試。