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一款可实现超低压差CMOS线性稳压器的设计方案-【低压差线性稳压器】
发布时间: 2022-04-14 18:44:11 来源:雷火电竞 作者:雷火平台

  随着笔记本电脑、手机、PDA等移动设备的普及,对应各种电池电源使用的集成电路的开发越来越活跃,高性能、低成本、超小型封装产品正在加速形成商品化。LDO(低压差)型由于具有结构简单、成本低廉、低噪声、小尺寸等特点,在便携式电子产品中获得了广泛应用。

  在便携式电子产品中,电源效率越高意味着电池使用时间越长,而线性稳压器效率=输出电压×输出电流/输入电压×输入电流×100%,因此,输入与输出电压差越低、静态电流(输入电流与输出电流之差)就越低,线性稳压器的工作效率就越高。

  本文设计的低压差线V或输出可调,满足当负载为1mA时,最小输入输出压差为0.4mV,当负载为300mA时,压差为120mV,电源电压工作范围为2.5~6V。

  低压差线性稳压器的电路结构如图1所示,电路由调整管,带隙基准电压、误差放大器、快速启动、过流限制、过热保护、故障检测、及取样电阻网络等模块组成,并具有使能、输出可调等功能。调整管作为压差的负载器件,要满足本设计的要求,对于它的选择需重点考虑:首先比较三极管和MOS管,由于三极管是流控器件,而MOS管是压控器件,比较而言MOS管结构的静态电流更低。其次,NMOS管工作时需一比输出电压高的驱动信号,而PMOS管则无此需求,特别在低输入电压时要产生一高的驱动电压变得较困难。因此,本文采用PMOS管作为调整管。

  电路的工作原理是:在电路上电过程中,快速启动电路内有一个500μA的电流源的对CC端的旁路电容C充电,使电路尽快上电启动,误差运放的同相端经由取样电阻R1、R2对输出电压V0采样,再与Vref比较后输出放大信号,控制调整PMOS管的栅极电压,使输出电压V0保持稳定,即:

  电路在工作过程中出现过流、过热情况时,过流限制与过热保护电路会快速响应,调整管的导通状态会被减弱、关断,保护电路不致损坏,同时故障检测电路会产生一个低电平信号。使能端接高电平时电路正常工作;当使能端为低电平时,基准电路及调整PMOS管关断,电路处于等待状态。

  漏失电压定义为维持稳压器正常工作的最小输入输出电压差,它是反映调整管调整能力的一个重要因素。对采用PMOS管作调整管的电路,漏失电压由导通电阻(Ron)和负载电流(Io)确定,即: VDO = Io×Ron.低压差线性稳压器的静态电流为输入电流与输出电流之差,即: Iq = Ii -Io.静态电流由偏置电流和调整管的栅极驱动电流组成。对PMOS调整管而言,栅极由电压驱动,几乎不产生功耗。在稳压器承载小负载或空载时,漏失电压极低,静态电流等于稳压器工作时的总偏置电流。设计时注意使PMOS调整管的导通电阻和漏电流尽可能做小,各模块电路在小电流状态下能正常工作。

  上式中,前一项是调整管产生的功耗,后一项是静态电流功耗。稳压器效率如前所述可表示为:

  功耗与效率的表达式充分说明对于低压差线性稳压器,低漏失电压、低静态电流意味着低功耗、高效率。

  负载调整能力指当输出电流变化时,输出电压维持一定值的能力,定义为:ΔVO /ΔIO,它表征了负载变化而稳压器维持输出在标称值上的能力,该值越小越好。电压调整能力指当输入电压变化时,输出电压维持一定值的能力,定义为:ΔVO /ΔVI,它表征了输入电压变化而稳压器维持输出在标称值上的能力,该值也是越小越好。对图1的电路结构其负载调整能力和电压调整能力分别为:

  其中gm为调整管的跨导;Aod为误差放大器的开环差模增益;Rds为调整管源漏间的等效电阻;RL为负载电阻;R1、R2为取样电阻。由上式可见,减小ΔVO÷ΔIO和ΔVO÷ΔVI的关键是尽可能增大gm和Aod.

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