王 君，李斌橋，高 靜

(天津大學(xué)信息工程學(xué)院，天津300072)

一種高擺幅軟啟動線性穩(wěn)壓源設(shè)計

王 君，李斌橋，高 靜

(天津大學(xué)信息工程學(xué)院，天津300072)

基于0.5 μm工藝設(shè)計一種帶軟啟動電路大擺幅輸入電壓的線性穩(wěn)壓源(LDO)，為解決高電壓輸入時LDO輸出節(jié)點的瞬態(tài)過沖電流問題，設(shè)計一種在緩沖器的輸出端加入MOS開關(guān)的軟啟動方案，提高電路的安全可靠性。通過仿真分析，結(jié)果表明該電路在輸入電壓10～40 V變化，其線性調(diào)整度為7.5 mV@30 V，輸出5 V穩(wěn)定電壓，負載電流范圍0～10 mA，輸出電流1～10 mA，瞬態(tài)變化時負載調(diào)整度為12 mV@9 mA。電源電壓上電時間為1 ms時，LDO的輸出過充電流不超過6 mA。

大擺幅輸入；線性穩(wěn)壓源；軟啟動電路

在電池電源管理領(lǐng)域，需要片上電壓轉(zhuǎn)換器來應(yīng)對不同的系統(tǒng)驅(qū)動需求，低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)具備噪聲小、線性調(diào)整度好等優(yōu)勢，在各類電源轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用中，占據(jù)著不可替代的位置[1-2]。然而，在許多應(yīng)用領(lǐng)域系統(tǒng)中，電源輸入擺幅非常大，電源電壓變動范圍可能達到幾十伏[3]，在這些高電壓應(yīng)用中，LDO會產(chǎn)生較高的瞬態(tài)電流(可能上百mA)，如此大的電流與高輸入電壓相乘會得到很大的功率，過高的功率會對芯片造成破壞性影響甚至直接將芯片燒毀[4]。

圖1 典型LDO結(jié)構(gòu)瞬態(tài)電流

圖1所示的是典型LDO結(jié)構(gòu)[5]，在LDO上電啟動時，達到恒定電壓值，而此時誤差放大區(qū)的負輸入端還處于0 V。較大的電壓差會造成誤差放大器的輸出電壓在上電過程中處于較高電平，高電壓通過中間緩沖級[6]，最終輸入調(diào)整管的柵極，其源極電壓近似為0 V，較高的柵源電壓會造成LDO輸入到輸出的低阻通路，從而導(dǎo)致LDO輸入到輸出產(chǎn)生較大的瞬態(tài)電流[7]。

為了保護電路，使電路不會產(chǎn)生過大的瞬態(tài)電流，需要通過軟啟動電路實現(xiàn)LDO調(diào)整管的緩慢開啟。軟啟動方案可以通過片外的器件或者通過片上雙電容循環(huán)耦合[8]實現(xiàn)，后者不但需要兩個電容消耗較大面積還需要一個額外的控制時鐘。然而，在線性穩(wěn)壓電源還是開關(guān)電源設(shè)計中，主流設(shè)計趨勢是將上電保護電路設(shè)計在片內(nèi)并盡量減小軟啟動電路所消耗的面積[7]，所以上述兩種方法并不能稱為最佳方案。如今，在設(shè)計LDO的軟啟動電路時，在片內(nèi)設(shè)計一種能夠緩慢開啟調(diào)整管且消耗面積相對較小的軟啟動電路逐漸成為主流趨勢。所以近些年很多研究開始關(guān)注LDO軟啟動電路在集成電路中的實現(xiàn)[7]。文獻[7]中所設(shè)計的軟啟動電路是通過LDO正向輸入端基準電壓的緩慢上升來實現(xiàn)放大器的輸出電壓緩慢上升，從而實現(xiàn)電路的軟啟動功能。文獻[9]中通過設(shè)計一種最小值選擇模式軟啟動電路，在無線性電容的CMOS工藝中實現(xiàn)軟啟動電路，這種電路通過緩慢地將電壓輸入到誤差放大器的輸入端來實現(xiàn)。文獻[10]中采用一種基于限流的閉合環(huán)路控制方法，通過控制所設(shè)計的閉合環(huán)路對電路進行預(yù)充電，并限制充電電流。待輸出端達到一定電壓時通過比較器的判斷斷開預(yù)充電的閉合環(huán)路，同時開啟LDO環(huán)路，最終實現(xiàn)LDO的軟啟動功能。在本設(shè)計中輸入電壓為高壓，緩沖器以及調(diào)整管采用高壓工藝設(shè)計，誤差放大器采用CMOS低壓工藝進行設(shè)計，為了能使低壓放大器能夠驅(qū)動調(diào)整管，需要在緩沖器中加入移位晶體管平移誤差放大器的輸出直流工作點，該晶體管在上電開始階段具有一定初值。

本文中設(shè)計一種帶軟啟動電路的大輸入擺幅LDO，該電路的軟啟動電路針對緩沖器輸出(A點)實現(xiàn)軟啟動，解決高壓輸入電壓LDO軟啟動電路設(shè)計問題。本文首先介紹了研究背景，然后對軟啟動電路的基本原理進行介紹，詳細介紹了電路設(shè)計并給出了電路仿真結(jié)果，最后對本文設(shè)計電路進行了總結(jié)。

1 電路分析

如圖2所示，本設(shè)計將在緩沖器輸出端(A點)引入一個開關(guān)S1，開關(guān)一端接入A點，另一端接地。通過斜坡信號逐漸斷開S1，A點電壓逐漸升高，使LDO調(diào)整管M1的柵源電壓實現(xiàn)電壓軟啟動。

圖2 提出的軟啟動電路結(jié)構(gòu)

圖3 LDO啟動過程

如圖3(a)所示，上電之后，A點電壓將會上升，而此時PMOS的柵極電壓為零。A點電壓上升至后PMOS管導(dǎo)通，隨著PMOS開關(guān)S1的柵極電壓上升，PMOS開關(guān)S1會逐漸關(guān)閉，最后斷開。如圖3(b)所示，完成啟動后電流源的電流將會完全流經(jīng)源跟隨器所組成的緩沖器最終完成LDO電路的軟啟動。

2 LDO電路設(shè)計

LDO設(shè)計電路分為5部分：誤差放大器、軟啟動電路、頻率補償補償、緩沖器以及電阻反饋網(wǎng)絡(luò)。本文將具體給出各個模塊的設(shè)計圖以及整體電路的設(shè)計框圖。以下是電路具體設(shè)計：

(1)誤差放大器設(shè)計

如圖4所示，誤差放大器采用差分輸入共源極放大器，電路加入M5與M7共源共柵管增大放大器的增益(Ao)，改善線性調(diào)整度和負載調(diào)整度，這樣做只采用單級結(jié)構(gòu)就可以獲得比較高的增益。

圖4 誤差放大器

(2)斜坡信號發(fā)生電路設(shè)計

圖5為斜坡信號發(fā)生電路，當使能信號en為高電平時，電路開啟，Mr3斷開，電流源開始對充電。其中為恒流源，電流值為250 nA，電容=1.34 pF，Mr1為Mr2的5倍，通過Mr1和Mr2管的鏡像，上電后電容的充電電流為50 nA，上電后緩慢升高到電壓值，并且可以通過控制電流鏡的鏡像電流值控制充電的速度。

圖5 斜坡信號發(fā)生電路

(3)頻率補償電路設(shè)計

LDO電路采用壓控電流源(VCCS)引入左半平面零點的方法[11]進行頻率補償。

圖6中給出LDO的頻率補償壓控電流源VCCS的設(shè)計電路。其中，M19和M20的比例為1∶5，則壓控電流源的輸入電壓與輸出的小信號電流值之間的關(guān)系以及壓控電流源引入的零點位置分別為：

(4)整體LDO設(shè)計

本文提出的帶軟啟動電路的大擺幅輸入電壓LDO基于0.5 μm BCD工藝設(shè)計，并進行相關(guān)驗證以證明LDO軟啟動電路的可行性。的輸入電壓為10～40 V，≈5 V，基準電壓=1.5 V，輸出電壓為5 V，LDO在40 V輸入時的最大負載電流為10 mA(圖7)。

圖6 壓控電流源

圖7 帶軟啟動電路的大擺幅輸入線性穩(wěn)壓源結(jié)構(gòu)

3 LDO性能仿真結(jié)果及分析

本文基于0.5 μm BCD工藝設(shè)計一款輸入電壓10～40 V帶軟啟動電路的LDO，采用軟啟動能夠抑制瞬態(tài)大電流的產(chǎn)生，采用VCCS補償方法使電路在0～10 mA負載電流下得到較好的相位裕度(PM)，增加電路穩(wěn)定性。下面分別對LDO的軟啟動功能以及10～40 V電路線性調(diào)整度進行仿真驗證。

3.1 LDO軟啟動功能的驗證

圖8所示分別為LDO不加入軟啟動電路時，40 V電壓1 ms時間上電的瞬態(tài)電流與電壓變化情況。在圖8(a)中，在200 μs時，輸入電壓達到8 V，LDO輸出端瞬態(tài)電流上升至118 mA，且在40 μs內(nèi)電流都會持續(xù)高于80 mA，這對電路會產(chǎn)生破壞性影響。輸出電壓的瞬態(tài)變化較快，在沒有軟啟動電路的情況下，上升較快，300 μs左右時就能夠達到穩(wěn)定值(5 V)。

圖8(b)對應(yīng)的是LDO加入軟啟動電路后的上電瞬態(tài)仿真結(jié)果。從圖8(b)中看到，同樣的上電時間為1 ms，最終電壓為40 V，LDO輸出點電流平緩地對輸出旁路電容充電，上電的瞬態(tài)響應(yīng)較慢，上升時間為1 ms，最終達到5 V。在此期間，LDO輸出電流不超過5.32 mA，可以實現(xiàn)軟啟動功能。

圖8 LDO加入軟啟動電路前與加入軟啟動電路后的輸出電流仿真結(jié)果(上電時間為1 ms)

3.2 LDO穩(wěn)定性仿真

LDO的穩(wěn)定性仿真首先對其負載為0 mA以及10 mA兩種情況的幅頻響應(yīng)以及相頻特性進行仿真，之后在電路輸出處給予10 mA瞬態(tài)變化電流，仿真的負載變化。

仿真結(jié)果表明，LDO在負載為0 mA時的幅頻特性以及相頻特性曲線。在3.845 kHz頻率下，LDO環(huán)路增益降低為0 dB，此時LDO的相位裕度為91°左右。209.7 kHz時，LDO環(huán)路增益降低為0 dB，此時LDO的相位裕度為71°左右。

3.3 線性調(diào)整度仿真

LDO在輸入電壓10～40 V變化過程中具有較好的線性調(diào)整度(變化值為4.993 16～5.000 55 V)，其線性調(diào)整度約為7.5 mV@30 V(變化為10～40 V)。圖9是輸出電壓隨輸入電壓變化圖。

圖9 輸出電壓隨輸入電壓變化

4 結(jié)論

本文基于0.5 μm高壓BCD工藝設(shè)計一種帶軟啟動功能LDO，提出一種在高壓輸入LDO中解決軟啟動問題的方案，該方法解決LDO上電瞬態(tài)大電流問題，降低使用風(fēng)險。該LDO輸出電壓為5 V，最大負載電流為10 mA。文中對LDO不加入軟啟動功能以及加入軟啟動功能進行對比仿真，結(jié)果表明：輸入電壓在1 ms時間內(nèi)達到40 V的過程中，無軟啟動電路的LDO在上電過程中會產(chǎn)生118 mA瞬態(tài)電流，帶軟啟動電路的LDO在上電過程中會產(chǎn)生5 mA充電電流，軟啟動電路能成功降低LDO輸出瞬態(tài)大電流。另外，對電路的穩(wěn)定性、線性調(diào)整率以及負載調(diào)整率進行仿真，結(jié)果表明LDO的負載調(diào)整度為12 mV@9 mA，10～40 V輸入電壓變化負載調(diào)整度為7.5 mV@30 V。

[1]BAKKALOGLU W O B,WANG C,HOON S K.A CMOS low noise, chopper stabilized low-dropout regulator with current-mode feedback error amplifier[J].IEEE Trans Circuits Syst I:Reglaur Papers, 2008,55(10):3006-3015.

[2]AL-SHYOUKH M,LEE H,PEREZ R.A transient-enhanced lowquiescentcurrent low-dropout regulator withbuffer impedance attenuation[J].IEEE,2007,42(8):1732-1742.

[3]CAI W Y,ZHANG M Y.Automatic monitoring system of battery stack for electric vehicles[C]//Electronics,Communications and Control(ICECC),2011 International Conference on Electronics, Communications&Control.Ningbo:IEEE,2011:1732-1742.

[4]SOLVESON M G,MIRAFZAL B,DEMERDAS N A O.Soft-started induction motor modeling and heating issues for different starting profiles using a flux linkage ABC frame of reference[J].Industry Applications,IEEE Transactions on,2006,42(4):973-982.

[5]RINCON-MORA G,ALLEN P E.A low-voltage,low quiescent current,low drop-out regulator[J].Solid-State Circuits,IEEE,1998,33 (1):36-44.

[6]RINCON-MORA G,ALLEN P E.A low-voltage,low quiescent current,low drop-out regulator[J].Industry Applications,IEEE Transactions on,1998,45(6):703-708.

[7]AL-SHYOUKH M,LEE H.A compact ramp-based soft-start circuit for voltage regulators[J].IEEE Trans Circuits Syst.II,Exp.Briefs, 2009,56(7):535-539.

[8]MARTINS M M.Soft-start system for voltage regulator and method of implementing soft-start:USA,7 400 121[P].2008-07-15.

[9]AL-SHYOUKH M,LEE H.A compact fully-integrated extremumselector-based soft-start circuit for voltage regulators in bulk CMOS technologies[J].IEEE Trans Circuits Syst II,Exp.Briefs,2010,57 (10):818-822.

[10]AL-SHYOUKH M,LEE H.A current-limiter-based soft-start scheme for linear and low-dropout voltage regulators[C]//Proceedings of IEEE Int.Symp.Circuits Syst.US:IEEE,2010:2738-2741.

[11]CHAVA C K,SILVA-MARTINEZ J.A frequency compensation cheme or LDO voltage regulators[J].IEEE,2004,51(6):1041-1050.

Design of high-swing input LDO with soft-start circuit

A high-swing input LDO with soft-start circuit in 0.5 μm process was presented.For reducing the rush-in current at output of LDO to increase reliability about LDO,a method of soft-start which added a CMOS switch at output of buffer was proposed.The line regulation of LDO was 7.5 mV@30 V(input voltage was 10～40 V),and output voltage was 5 V.The output range of current was 0～10 mA,load regulation was 12 mV when output current change from 1～10 mA in 10 ns.When supply voltage start rised to 40 V in 1 ms,the output current of LDO was under 6 mA.

high-swing input;LDO;soft-start circuit

TM 714

A

1002-087 X(2016)03-0662-04

2015-08-06

天津市濱海新區(qū)科技計劃項目(2011-BK120033)

王君(1988—)，男，天津市人，碩士，主要研究方向為模擬集成電路設(shè)計。