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 CompensationKa 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

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

二、大摆幅输入下关键性问题（ 10-40V ）

I. 大摆幅输入下 LDO 的对线性调整率要求提高Line Regulation=≈II. 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 ）III. 电源抑制（ PSR ）

主要研究I. 解决 LDO 瞬态电流问题：软启动电路II. 解决 LDO 线性调整度问题： Loop

Gain↑ ， gm↑ （频率补偿）。III. 解决噪声问题：加入 PSR 改善结构

I. 软启动电路开关电源中应用较多LDO 要看应用环境

1. USB 多路供电2. 高压输入 LDO

USB 使用

高压输入

基准模块

运放

输入电压

第一级输出

NMOS功率器件

(uF)

缓冲器

CL

A

BR1

R2

C基准电压

电流灌入

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）

实现电路

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

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

II. 补偿问题I. ESR 电阻补偿（会带来过充问题）II. DFC 补偿III.VCCS 补偿IV. 米勒补偿（无电容比较好使）V. AFCS 补偿

III. PSR 提高两级结构电荷泵结构

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）

基准模块

运放

输入电压

第一级输出

NMOS功率器件

(uF)

缓冲器

CL

A

BR1

R2

C基准电压

电流灌入

存在问题1. 瞬态电流2. 稳定性3. PSR

一、上电瞬态电流问题

分析瞬态电流原因

分析结果1. 红线为瞬态电流值2. 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

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：1. 文献 1 种 Vref 缓慢上升2. 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3. 文献 3 方法，是运放缓慢开启

解决方案选择1. 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2. 如果使运放缓慢开启， buffer 输出过充电压问题依然存在3. 方案 2 中的方法牺牲较大

最终解决办法1. 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。2. 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

加入斜坡信号之后的仿真效果

斜坡发生器的设计

Ramp 电路仿真结果

仍然存在问题： ramp 上电过充造成开启速度高于理想情况

解决办法1. 两次斜坡发生电路：有牺牲2. 修改 buffer 输出处的 PMOS 开关：无牺牲。选择方案 2 ，将 ap40g40d1 改为sp40g40d1

修改后的仿真结果

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

Stb仿真方法（ Middle brooke ）

Measurement of loop gain in feedback systems

Stb仿真结果（ 10mA and 5mA ）

瞬态仿真

每段时间输入瞬态 10mA 电流

不同温度下的仿真结果

不同输入电压下的仿真结果

加入基准电路之后的整体电路

下一步工作1. 尝试其他补偿方案，找到更优的 LDO 频率补偿方法2. 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）3. 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。4. 研究 PSR 的提高方法5. 思考限流保护电路的加入

参考文献1. A Capacitor-Free CMOS Low Dropout Regulator With

Damping-Factor-Control Frequency Compensation （ SCI ）

2. A Compact Ramp-Based Soft-Start Circuit for Voltage Regulators ， 2009 ， CIRCUITS AND SYSTEMS—II: EXPRESS BRIEFS （ SCI Q2 ）

3. A Current-Limiter-Based Soft-Start Scheme for Linear and Low-Dropout Voltage Regulators( 会议 )

4. A Compact Fully-Integrated Extremum-Selector-Based Soft-Start Circuit for Voltage Regulators in Bulk CMOS Technologies （ SCI Q2 ）

5. Measurement of loop gain in feedback systems ， Middle brooke

6. 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）