陳 昶,劉 斌,張志浩,章國豪

(1.廣東工業(yè)大學 信息工程學院,廣東 廣州 510006;2.廣州穗源微電子科技有限公司,廣東 廣州 510006)

低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)是電源管理芯片的重要模塊,許多微處理器和便攜設備的電源管理系統(tǒng)會使用多個LDO 來提供不同的電壓,LDO 的電壓波動會很大程度上影響系統(tǒng)的性能。傳統(tǒng)LDO 在輸出端會外接濾波電容,通常為微法(μF)級別,以實現(xiàn)良好的穩(wěn)定性和瞬態(tài)響應[1]。然而,片外大電容既增加了成本也不適用于片上系統(tǒng)(SoC)的方案。因此,基于無片外電容LDO(CL-LDO)的方案被人們廣泛研究并應用于全集成片上系統(tǒng)。

LDO 可以看作是兩級或三級放大器,但與正常放大器的區(qū)別是其增益會隨著負載大小改變,同時功率管級有大的寄生電容,這給頻率補償帶來了挑戰(zhàn)。通常使用的片內補償方法有降低Q值補償[2]、嵌套密勒補償或阻尼因子控制補償[3]等。然而,這些方法為了維持寬負載范圍穩(wěn)定性所需的補償電容通常較大。王超等[4]和茅欣彧等[5]均通過在誤差放大器輸出端加入阻抗衰減器來減小輸出阻抗,增大非主極點頻率來提高相位裕度,但電路功耗會隨之增大。Bu 等[6]提出的基于微分器的動態(tài)零點補償技術可以實現(xiàn)低功耗、較高帶寬的LDO 設計,但電路存在多個極點和零點,設計難度較大。Kim 等[7]采用主動前饋和反向嵌套密勒補償相結合的方法,把位于右半平面的零點移到左半平面,從而提高穩(wěn)定性,具有低功耗、高效率的優(yōu)點,但電路的瞬態(tài)響應表現(xiàn)較差。

CL-LDO 由于沒有片外大電容,負載快速切換時輸出會出現(xiàn)大的過沖(Overshoot,Vos) 和下沖(Undershoot,Vus),對后續(xù)敏感電路產生較大影響。因此,通常需要增加瞬態(tài)增強電路(Transient Enhancement Circuit,TEC)來改善其瞬態(tài)響應表現(xiàn)。Liu 等[8]提出基于超級源極跟隨器結構設計雙環(huán)路來提高瞬態(tài)性能?？焖倬植凯h(huán)路具有高帶寬、低增益的特點,保證對負載變化的快速反應,高增益的主環(huán)路則保證了良好的調整率,但電路的最大帶載能力較差且功耗較大。

針對以上設計難點,本文設計的CL-LDO 采用有源反饋補償,將補償電容通過一個電流緩沖器(Current Buffer)來保證全負載范圍穩(wěn)定性的同時有效減小了補償電容。在不犧牲功耗和效率的前提下,采用自適應偏置電路和電容耦合方式的瞬態(tài)增強電路來提高LDO 的瞬態(tài)響應性能,同時大幅減小了輕載到重載切換時產生的下沖電壓值。

1 有源反饋補償LDO 架構及穩(wěn)定性分析

1.1 有源反饋補償LDO 架構

區(qū)別于外接片外大電容的傳統(tǒng)LDO 架構,本文提出的有源反饋補償CL-LDO 架構如圖1 所示,輸出端只有幾到幾十皮法(pF)范圍內的輸出電容CL。除負載外,整體電路架構還包括帶隙基準(BGR)、誤差放大器(EA)、功率管、電阻反饋網絡、頻率補償網絡、瞬態(tài)增強和自適應偏置電路。

圖1 有源反饋補償CL-LDO 架構Fig.1 Architecture of active feedback compensation capacitor-less LDO

BGR 提供所需的參考電壓Vref,Vout和Vref為一定的比例關系。電阻反饋網絡、EA 及功率管是LDO 的核心電路,共同構成負反饋回路來穩(wěn)定輸出電壓。自適應偏置電路通過Msense來檢測負載變化,并產生感應電流Isense給EA,從而提高整體電路的響應速度。TEC 則是通過感應Vout的變化給功率管柵極提供快速放電通路。為了驅動大電流,相較于電路的其他晶體管,功率管的寬長比會被設計得比較大。因此,LDO 的瞬態(tài)響應表現(xiàn)通常會被功率管的柵極的寄生大電容所限制。

1.2 LDO 環(huán)路穩(wěn)定性分析

本文LDO 架構中包括兩個環(huán)路,分別是由誤差放大器和反饋網絡組成的主環(huán)路以及由自適應偏置電路組成的次環(huán)路。由于瞬態(tài)增強電路在電路處于靜態(tài)工作狀態(tài)時沒有被激活,對系統(tǒng)沒有施加影響。設計中只要保證次環(huán)路的環(huán)路增益始終小于0 dB,此時整體電路的穩(wěn)定性就只取決于主環(huán)路的相位裕度(Phase Margin,PM)和增益裕度(Gain Margin,GM)。

LDO 的主體電路如圖2 所示,沒有包含偏置電路和基于電容耦合方式的瞬態(tài)增強電路。誤差放大器采用兩級放大結構,提高環(huán)路增益保證良好的線性和負載調整率。自適應偏置電路[9-10]則由一對電流-電壓鏡(CVM)和感應晶體管Msense組成,CVM 通過內部環(huán)路反饋[11]將Msense的漏端與輸出電壓Vout保持大致相等,所以Msense和Mpower有著相同的偏置狀態(tài),感應電流將是負載電流的精確復制。

圖2 有源反饋補償CL-LDO 主體電路結構Fig.2 Main circuit structure of active feedback compensation CL-LDO

有源反饋頻率補償網絡由Cm、Ca和電流緩沖器組成。由式(1)表示的等效小信號傳輸函數(shù)知,在高頻時,Vout的信號會通過Ca不衰減地耦合到電流緩沖器的輸入端Va,其中ra為M17 跨導的倒數(shù)1/gm17。隨后信號將被M17 和MFF 放大送回到Vout,形成快速的反饋回路。因此,補償電容Ca可以變得更小,有利于提高單位增益帶寬(Unit Gain Frequency,UGF),從而提升瞬態(tài)響應性能。由于MFF 漏端連接Vout,柵端連接第一級輸出,從而形成一個弱推挽(Weak Push-Pull)輸出結構。在重載到輕載切換時,MFF 打開,把多余電流直接流到地,而不對CL充電以減小Vos。

系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為:

式中:Adc=βgm1gm7gmpro1ro2rL,為環(huán)路的直流增益;β=,為反饋系數(shù);gm1、gm7分別為EA 第一級和第二級的等效跨導;gm17、gmf、gmp分別為M17、MFF、Mpower的等效跨導;C1、CL分別為第一級輸出節(jié)點寄生電容和LDO 輸出端電容;ro1、ro2、rL分別為第一級、第二級和輸出級等效阻抗。經補償后系統(tǒng)含有一個主極點pdom,一對復極點p2,3和一個左半平面零點z。將復極點頻率推至UGF 外且抑制Q值來保證系統(tǒng)穩(wěn)定性,左半平面零點可以設置在4 倍UGF 處以提高相位裕度。系統(tǒng)UGF、主極點pdom和左半平面零點z表達式分別為:

由于復極點的頻率和品質因子Q值會隨著負載變化而變化,因此需要分情況分析。

(1)重載時,gmp很大,但gmprL很小,對傳輸函數(shù)分母的二次項化簡后解得:

(2)輕載時,Mpower工作在亞閾值區(qū),gmp很小,但gmprL很大,同樣簡化后得:

重載時,可以通過增加gm17和減小Ca實現(xiàn)高UGF和高穩(wěn)定性;但輕載時,復極點頻率接近UGF,大大降低相位裕度,影響穩(wěn)定性,且只能增加gmf來抑制Q值,但會相應增加功耗。因此,低功耗、高UGF 和高穩(wěn)定性之間存在折中,需要通過選擇合適的Ca、gm17和gmf來保證輕載時的穩(wěn)定性。

2 關鍵電路設計與實現(xiàn)

2.1 電容耦合方式的瞬態(tài)增強電路

基于電容耦合方式的瞬態(tài)增強電路如圖3 所示,旨在提高電路輕載到重載切換時的瞬態(tài)響應表現(xiàn)。該電路運行原理為: 由于MC4 和MC6 存在電流失配,故電路靜態(tài)時K 點為低電平,MC8 沒有被導通,對整體電路穩(wěn)定性沒有影響。當負載從輕載到重載切換時,Vout的快速下降被Cf和R2組成的高頻檢測網絡檢測到,導致MC4 源端電壓迅速降低,使得K 點電位抬高,從而讓MC8 導通,提供給功率管柵極寄生大電容一條快速的泄放通道,加快瞬態(tài)響應,減小Vus。

圖3 瞬態(tài)增強電路Fig.3 Transient enhancement circuit

基于比較器[12]結構的瞬態(tài)增強電路通常需要提供額外的參考電壓,而基于反相器[13]結構的瞬態(tài)增強電路則需要設計合適的翻轉電壓來觸發(fā)后續(xù)進行充放電的晶體管。相比于以上兩種電路,本文的電路結構比較簡單且魯棒性較強,檢測用的Cf容值僅為450 fF,消耗的電流為2.2 μA,因此該模塊沒有增加太多的版圖面積和電流消耗,實用性強。

2.2 偏置電路

由圖2 和圖3 知,LDO 總共有三處偏置需要進行設計,分別為誤差放大器、瞬態(tài)增強電路和頻率補償網絡的偏置。圖4 所示為本文的偏置電路,其中PMOS 偏置均采用低電壓共源共柵(Cascode)結構,減少電壓消耗以適應低壓工作。瞬態(tài)增強電路的偏置由M5～M8 提供;由于LDO 主體電路采用了自適應偏置技術,內部每個晶體管的靜態(tài)工作點會隨著負載的改變而改變,電路的穩(wěn)定性會降低,因此頻率補償網絡的偏置也需要自適應負載的變化以實現(xiàn)動態(tài)補償。

圖4 偏置電路Fig.4 Bias circuit

當無負載電流時,感應電流Isense基本為0;當負載加重時,Isense變大,此時流過MB9 和MB10 的電流為Ifix加上Isense,Vbp2會自適應電流的變化,從而達到自適應偏置的目的。

3 電路仿真結果

本文LDO 采用SMIC 180 nm BCD 工藝進行設計,使用Cadence Virtuoso 的Spectre 仿真器進行仿真。該電路的輸入電壓范圍為1.4～2 V,輸出電壓典型值為1.2 V,負載電流的變化范圍為0～100 mA。

當負載電容CL為100 pF 時,不同負載條件下的環(huán)路頻率響應曲線仿真結果如圖5 所示。當無負載電流時,LDO 的相位裕度最小,為66.5°;負載電流達到最大的100 mA 時,相位裕度為70.3°?？梢钥闯?無論輕載還是重載,低頻環(huán)路增益均保持在80 dB 左右,相位裕度均大于60°,滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性要求。

圖5 不同負載下(a)環(huán)路增益和(b)相位裕度的頻率響應曲線仿真結果Fig.5 Simulation results of frequency response curves of(a) loop gain and (b) phase margin under different loads

圖6 所示為相位裕度和UGF 隨負載電流變化的曲線關系圖。仿真結果表明,全負載范圍內的相位裕度均大于60°;且隨著負載電流的增大,UGF 從無負載時的342.1 kHz 增大到最大負載時的2.06 MHz。自適應偏置電路感應的Isense增加了EA 的偏置電流Ibias,導致EA 第一級等效跨導gm1=增大,其中μp為載流子遷移率,Cox為柵氧化層電容,(W/L)1為M1 的寬長比,結合式(3)可知,UGF 隨之增大。重載時大的UGF 保證了良好的響應速度并擴寬了PSR 的頻帶范圍。

圖6 相位裕度和UGF 與負載電流的關系Fig.6 Phase margin and UGF versus load current

圖7 所示為線性/負載調整率(Line/Load Regulation)仿真曲線。經計算,線性和負載調整率分別為0.17 mV/V 和6.95 μV/mA,說明具有較高環(huán)路增益的三級放大結構保證了電路良好的線性和負載調整率。

圖7 (a)線性調整率和(b)負載調整率仿真結果Fig.7 Simulation results of (a) line regulation and(b) load regulation

圖8(a)所示為加入TEC 前后的負載瞬態(tài)響應仿真結果?？梢钥闯?在0.5 μs 時間內,當負載電流在0～100 mA 之間跳變,不含TEC 的Vus為864.3 mV,恢復時間為1.7 μs;而含有TEC 的Vus僅為160.5 mV,恢復時間為1 μs,Vos為102.5 mV,恢復時間為1.6 μs,證明TEC 有效增強了輕載到重載切換的瞬態(tài)調節(jié)能力。圖8(b)說明在不同工藝角下,LDO 均有良好的負載瞬態(tài)特性。

圖8 (a)加入TEC 前后和(b)不同工藝角下的負載瞬態(tài)響應曲線Fig.8 Load transient response curves (a)with or without TEC and (b) under different process corners

表1 為本文設計的LDO 與其他相關文獻中LDO的性能參數(shù)對比。從對比結果中可以看出,本文設計的LDO 使用的補償電容較小,在靜態(tài)功耗、瞬態(tài)響應特性、恢復時間等方面也具有優(yōu)勢。

表1 本文與其他文獻的LDO 性能參數(shù)對比Tab.1 Comparison of LDO performance parameters in this paper with other literatures

4 結論

本文基于有源反饋補償設計了一款高瞬態(tài)響應、高效率的無片外電容LDO。采用的有源反饋頻率補償有效緩解了傳統(tǒng)頻率補償方案中片上電容較大的問題,且改善了零負載時的穩(wěn)定性,減小了面積和功耗。通過采用自適應偏置和電容耦合方式的瞬態(tài)增強電路,增強了瞬態(tài)響應性能的同時保證電路運行時的高效率。仿真結果表明,使用以上技術,無負載時靜態(tài)電流為16.5 μA,重載時上升到189.7 μA,此時效率為99.8%,片上集成總電容僅為2.05 pF,0～100 mA 負載電流切換時過沖和下沖分別為102.5 mV 和160.5 mV,恢復時間均小于2 μs,特別是瞬態(tài)增強電路大大優(yōu)化了下沖幅度,改善了負載瞬態(tài)響應的表現(xiàn),且負載和線性調整率性能較好,能夠滿足如振蕩器、MCU 等應用對電源高效率、高穩(wěn)定性、快速瞬態(tài)響應的需求。