LDO稳压器高精度电压基准源的分析与设计

    随着集成电路规模的发展，电子设备的体积、重量和功耗越来越小，这对电源电路的集成化、小型化及电源管理性能提出了越来越高的要求。电源IC产品主要包括线性稳压器、开关式稳压器(DC/DC)、电池充电/管理IC、PWM/PFM控制器、AC/DC稳压器及功率因数校正(PFC)预稳压器等。而目前在所有这些电源IC中，线性稳压器IC的销售额最大，LDO线性稳压器又是增长最多和最快的产品，它的快速崛起源自于便携式产品的不断涌现，如便携式电话、 PDA(个人数字助理)、掌上型/膝上型电脑、数码相机等。

LDO线性稳压器综述

    LDO(LowDropout)线性稳压器，也称低压差线性稳压器或低漏失线性稳压器。

LDO线性稳压器与开关式稳压器的比较

    LDO线性稳压器，比传统的线性稳压器有更高的电源转换效率，而比开关式稳压器有更简单的结构、更低的成本和更低的噪声特性，因此它在便携式电子产品中越来越受欢迎。LDO线性稳压器和开关式稳压器作为当今便携式电子产品中最常用的两类电源管理电路，它们的特点比较如表1所示。

    从表中可看出，LDO线性稳压器和开关式稳压器各有优缺点，在应用时需权衡考虑各种特点。

LDO线性稳压器应用效率

    在便携式电子设备中，电源效率越高意味着电池使用时间越长，这是用户渴望的事情。





    因此，输入输出压差越低、静态电流(输入电流和输出电流之差)越低线性稳压器的工作效率就越高。在实际应用中，我们分析效率时还必须清楚:电池不是理想电源，它具有输出电阻，供电时，它的电压是逐渐下降的。电池的这种特性是非常有利于LDO线性稳压器工作效率的。LDO线性稳压器工作效率随着电池电压的下降而逐渐升高。另外，在小负载电流时，稳压器的效率将受静态电流的限制，比如输出电流等于输入电流的一半，则稳压器的效率将减少一半，因此当设备处于“待机”状态时，静态电流决定了电池的使用寿命。因此设计低压差、低静态电流的线性稳压器已成为便携式设备电源管理课题的一大技术解决方案。

双极型超LDO线性稳压器的设计要求

    本设计完成的是一款小功率超LDO(超低漏失电压)线性稳压器，最大工作电流能达到100mA，输出电压3.3V。

引脚设计要求

    为了满足便携式设备小体积的要求，芯片可采用SOT-23封装，电路中需设置5个引出脚，管脚功能如表2。

SOT-23封装外形示意如图1，这种封装的面积小于3×3mm2。



图1SOT-23封装外形

应用要求

    本设计的应用要求是要占尽量小的PCB板空间，可外接元件很少，只有输入输出电容，当使能功能闲置时，将该引脚接到输入端。

极限参数设计要求

    极限参数反应了稳压器所能承受的最大的安全工作条件，该芯片的极限参数如表3所示。

注1:最大允许功耗是最大结温TJ(max)，结与外界热敏电阻θJA，以及外界温度TA的函数，在任何外界温度下的最大允许功耗用下式计算:

    对于SOT-23封装θJA的值为220℃/W，则这个芯片在常温下的PM(忽略了器件正常工作下的静态功耗)为

    如果超出最大允许功耗将导致死温，稳压器进入热关断。

模块电路设计和性能实现

     实现超低漏失电压和低静态电流是本设计的关键技术，同时为了兼顾其它主要电特性，对每个模块的设计都提出了很高的要求。本文着重介绍其中基准源模块的设计。

系统框图和工作原理

    作为双极型LDO线性稳压器，必须包含PNP调整管、电压基准、误差放大器、反馈采样电阻以及启动和偏置电路。为了实现使能控制和过温过流保护功能，还增加了使能电路和过温过流保护电路，如图2的系统框图所示。

图2XD4821的系统框图

    基本工作原理是：系统加电，如果使能脚处于高电平时，电路开始启动，电流源电路给整个电路提供偏置，基准源电压快速建立，输出随着输入不断上升。当输出即将达到规定值时，由采样电阻得到的反馈电压也接近于基准电压值，此时误差放大器将输出反馈电压和基准电压之间的误差小信号进行放大，再经调整管放大到输出，从而形成负反馈，保证了输出电压稳定在规定值上;同理如果输入电压变化或输出电流变化，这个闭环回路将使输出电压保持不变。如果使能脚处于低电平，启动电路不工作，电流源偏置无法建立，电路处于关闭状态。

高精度电压基准模块设计

    基准模块是线性稳压器的一个核心部分，基准的大小直接决定了稳压器输出的大小，它是影响稳压器精度的最主要因素。LDO线性稳压器为了实现高精度和低压输出，所以采用高精度低温度系数的带隙(Bandgap)基准电压源结构，这种结构已经广泛地应用于各种模拟或数模混合集成电路中，如稳压器、充电保护器、 ADC、DAC、RF(射频)电路等，工艺已很成熟。

实用的带隙基准电压电路

    图3 是一种实用的带隙基准电压电路。Ql和Q2的发射区面积比为1:N，Q3和Q4完全对称，构成镜像电流源给Ql和Q2提供工作电流，因而IC3=IC4，ICl=IC2，IEl=IE2。则Rl上的压降为





式中，VT=KT/q为热电压，J1、J2分别是Q1、Q2管的发射极电流密度，它们之间的比值为





    由IE1=IE2得R2上的压降为

基准电压为





    从上式中可得到基准电压只与PN结的正向压降、电阻的比值以及Ql和Q2的发射区面积比有关，因此在实际的工艺制作中将会有很高的精度。当基准建立之后，基准电压与输入电压无关;而且VBE具有负温度系数，VT为正温度系数，理论上，只要选取合适的R2/R1和R1(决定Q1发射极电流，从而影响 VBE1)的值就可以得到零温度系数基准电压。

完整电路的设计

    完整的带隙基准电路需要启动电路、偏置电路以及反馈回路，如图4所示。Q6、R3作为基准的启动和偏置电路，并且和Q5构成基准的反馈电路，保证了电路的稳定性。

图3实用的带隙基准电压电路





图4完整的带隙基准电压电路

    Q1、Q2、R1和R2组成的是一种带隙比较器，其门限电压为(式5)所求得的值，当输入电压较低时，基准电压小于门限电压，此时电流很小，两晶体管的 VBE几乎相等，而Q2比Q1面积大，故IC2大于IC1，带隙比较器输出(Q1集电极)为“高”，Q5截止;随着输入电压的增大，基准逐渐增大，IC1 电流呈指数规律上升，IC2受电阻R1限制线性上升，当这两者电流达到相等时，带隙比较器输出“低”使Q5导通，吸收部分Io电流，使基准输出稳定到门限值。因此Q5起反馈作用，而这整个电路就相当于电压跟随器。但是这种结构的特殊之处是通过改变偏置电流源而实现反馈功能的，反馈过程如下:





结束语

    基准模块是线性稳压器的一个核心部分，基准的大小直接决定了稳压器的输出的大小，它是影响稳压器精度的最主要因素。本文基于LDO线性稳压器在电源管理类 IC家族中的重要地位，给出了实现超低漏失、低静态电流的电压基准模块的设计，为便携式设备的电源管理提供了可行的解决方案。