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大摆 幅输入线性稳压源设计

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courtney
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大摆 幅输入线性稳压源设计

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  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)