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大摆 幅输入线性稳压源设计

大摆 幅输入线性稳压源设计. 天津大学 ASIC 设计中心 王君. 目录. 研究背景及国内外研究成果 项目 LDO 设计关键技术突破 LDO 设计 参考文献. 一、研究背景. 电源 管理的发展趋势 LDO 的优势 开关电源的优势. 典型 LDO 系统图. LDO 关键技术指标. 参考文献： A Capacitor-Free CMOS Low Dropout Regulator With Damping-Factor-Control Frequency Compensation

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大摆 幅输入线性稳压源设计

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Presentation Transcript

  1. 大摆幅输入线性稳压源设计 天津大学ASIC设计中心 王君

  2. 目录 • 研究背景及国内外研究成果 • 项目LDO设计关键技术突破 • LDO设计 • 参考文献

  3. 一、研究背景 • 电源管理的发展趋势 • LDO的优势 • 开关电源的优势

  4. 典型LDO系统图

  5. LDO关键技术指标 参考文献：A Capacitor-Free CMOS Low Dropout Regulator With Damping-Factor-Control Frequency Compensation Ka Nang Leung and Philip K. T. Mok,IEEE,JSSC,2003 • 静态参数：静态功耗、线性调整率、负载调整率（Line and load regulations）、温度系数、压差、输入电压、输出电压 • 动态参数：线性反应速度（line transient response）、负载反应速度（Load transient response） • 高频参数：PSR、噪声输出

  6. 国内外主要研究成果 • 林肯莫拉等补偿（动态、静态） • LDO软启动电路设计 • PSR • 噪声

  7. 二、大摆幅输入下关键性问题（10-40V） • 大摆幅输入下LDO的对线性调整率要求提高 Line Regulation=≈ • 在高压输入情况下，存在瞬态大电流，容易破坏电路(40V，125mA，功率为5W！)。P=V·I（V=40V，I小于等于20mA） • 电源抑制（PSR）

  8. 主要研究 • 解决LDO瞬态电流问题：软启动电路 • 解决LDO线性调整度问题：Loop Gain↑，gm↑（频率补偿）。 • 解决噪声问题：加入PSR改善结构

  9. 软启动电路 • 开关电源中应用较多 • LDO要看应用环境 • USB多路供电 • 高压输入LDO

  10. USB使用

  11. 高压输入

  12. Soft-Start电路设计（1） A Compact Ramp-Based Soft-Start Circuit for Voltage Regulators 2009，CIRCUITS AND SYSTEMS—II: EXPRESS BRIEFS（SCI Q2） • 改进思路：压控电流源（至少可以写一个专利）

  13. 实现电路

  14. Soft-Start电路设计（2） A Current-Limiter-Based Soft-Start Scheme for Linear and Low-Dropout Voltage Regulators(会议)

  15. Soft-Start电路设计（3） • A Compact Fully-Integrated Extremum-Selector-Based Soft-Start Circuit for Voltage Regulators in Bulk CMOS Technologies

  16. 补偿问题 • ESR电阻补偿（会带来过充问题） • DFC补偿 • VCCS补偿 • 米勒补偿（无电容比较好使） • AFCS补偿

  17. PSR提高 • 两级结构 • 电荷泵结构

  18. 通用的结构（buffer用来调整运放输出直流工作点，并担负将次主极点推向高频重任，选择NMOS是因为压差过高）通用的结构（buffer用来调整运放输出直流工作点，并担负将次主极点推向高频重任，选择NMOS是因为压差过高）

  19. 存在问题 • 瞬态电流 • 稳定性 • PSR

  20. 一、上电瞬态电流问题

  21. 分析瞬态电流原因

  22. 分析结果 • 红线为瞬态电流值 • 绿线为C点电压值 分析结果：主要是因为在上电瞬间，C点电压过高（6.5V左右）导致NMOS调整管上电时开启，出现瞬态充电电流导致，随着电容充电，旁路电容上的电压上升，而且环路逐渐形成，误差放大器的状态趋于稳定，瞬态电流准见下降

  23. 文献中解决方案 根据论文中的方案主要由三那种解决办法： • 文献1种Vref缓慢上升 • 文献2中使环路先断开（运放输出接地），给电容缓慢充电，充满后最后再闭合环路 • 文献3方法，是运放缓慢开启

  24. 解决方案选择 • LDO输入为高压时，上电buffer输出会有过充电压。即使Vref缓慢上升，这个问题依然存在 • 如果使运放缓慢开启， buffer输出过充电压问题依然存在 • 方案2中的方法牺牲较大

  25. 最终解决办法 • 开启时将buffer的输出接地（PMOS开关），由于上方存在电流源，这样做不会带来buffer电流过大的问题。 • 通过一个斜坡发生器缓慢上升电压，将buffer输出端与地之间的通路缓慢断开，完全断开时，LDO环路会完全建立起来，输出稳定电压

  26. 加入斜坡信号之后的仿真效果

  27. 斜坡发生器的设计

  28. Ramp电路仿真结果

  29. 仍然存在问题：ramp上电过充造成开启速度高于理想情况仍然存在问题：ramp上电过充造成开启速度高于理想情况

  30. 解决办法 • 两次斜坡发生电路：有牺牲 • 修改buffer输出处的PMOS开关：无牺牲。 选择方案2，将ap40g40d1改为sp40g40d1

  31. 修改后的仿真结果

  32. 二、稳定性问题 • 通过对各个补偿方案的分析及实验，暂时选择VCCS补偿的方案，下图为仿真结果

  33. Stb仿真方法（Middle brooke） • Measurement of loop gain in feedback systems

  34. Stb仿真结果（10mA and 5mA）

  35. 瞬态仿真

  36. 每段时间输入瞬态10mA电流

  37. 不同温度下的仿真结果

  38. 不同输入电压下的仿真结果

  39. 加入基准电路之后的整体电路

  40. 下一步工作 • 尝试其他补偿方案，找到更优的LDO频率补偿方法 • 上电斜坡电路在温度变化时充电电流的变化会影响充电时间，进而影响开启速度，瞬态电流的大小会有变化，尝试解决方案（127摄氏度时会有20mA瞬态电流） • 提供压控电流源，通过检测输入电压，控制充电电流，以使LDO开启速度更快。 • 研究PSR的提高方法 • 思考限流保护电路的加入

  41. 参考文献 • A Capacitor-Free CMOS Low Dropout Regulator With Damping-Factor-Control Frequency Compensation（SCI） • A Compact Ramp-Based Soft-Start Circuit for Voltage Regulators，2009，CIRCUITS AND SYSTEMS—II: EXPRESS BRIEFS（SCI Q2） • A Current-Limiter-Based Soft-Start Scheme for Linear and Low-Dropout Voltage Regulators(会议) • A Compact Fully-Integrated Extremum-Selector-Based Soft-Start Circuit for Voltage Regulators in Bulk CMOS Technologies（SCI Q2） • Measurement of loop gain in feedback systems， Middle brooke • A Frequency Compensation Scheme for LDO Voltage Regulators， IEEE TRANSACTIONS ON CIRCUITS AND SYSTEMS—I: REGULAR PAPERS, VOL. 51, NO. 6, JUNE 2004 1041（1区）

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