一款可实现超低压差CMOS线性稳压器的设计方案

随着笔记本电脑、手机、PDA等移动设备的普及，对应各种电池电源使用的集成电路的开发越来越活跃，高性能、低成本、超小型封装产品正在加速形成商品化。LDO(低压差)型线性稳压器由于具有结构简单、成本低廉、低噪声、小尺寸等特点，在便携式电子产品中获得了广泛应用。

在便携式电子产品中，电源效率越高意味着电池使用时间越长，而线性稳压器效率=输出电压×输出电流/输入电压×输入电流×100%，因此，输入与输出电压差越低、静态电流(输入电流与输出电流之差)就越低，线性稳压器的工作效率就越高。

本文设计的低压差线性稳压器其输出电压为2.5V或输出可调，满足当负载为1mA时，最小输入输出压差为0.4mV，当负载为300mA时，压差为120mV，电源电压工作范围为2.5～6V。

电路结构与工作原理

低压差线性稳压器的电路结构如图1所示，电路由调整管，带隙基准电压、误差放大器、快速启动、过流限制、过热保护、故障检测、及取样电阻网络等模块组成，并具有使能、输出可调等功能。调整管作为压差的负载器件，要满足本设计的要求，对于它的选择需重点考虑：首先比较三极管和MOS管，由于三极管是流控器件，而MOS管是压控器件，比较而言MOS管结构的静态电流更低。其次，NMOS管工作时需一比输出电压高的驱动信号，而PMOS管则无此需求，特别在低输入电压时要产生一高的驱动电压变得较困难。因此，本文采用PMOS管作为调整管。

图1低压差线性稳压器电路结构

电路的工作原理是：在电路上电过程中，快速启动电路内有一个500μA的电流源的对CC端的旁路电容C充电，使电路尽快上电启动，误差运放的同相端经由取样电阻R1、R2对输出电压V0采样，再与Vref比较后输出放大信号，控制调整PMOS管的栅极电压，使输出电压V0保持稳定，即：

电路在工作过程中出现过流、过热情况时，过流限制与过热保护电路会快速响应，调整管的导通状态会被减弱、关断，保护电路不致损坏，同时故障检测电路会产生一个低电平信号。使能端接高电平时电路正常工作;当使能端为低电平时，基准电路及调整PMOS管关断，电路处于等待状态。

关键特性分析及设计考虑

1、漏失电压(VDO)和静态电流(Iq)

漏失电压定义为维持稳压器正常工作的最小输入输出电压差，它是反映调整管调整能力的一个重要因素。对采用PMOS管作调整管的电路，漏失电压由导通电阻(Ron)和负载电流(Io)确定，即： VDO = Io×Ron.低压差线性稳压器的静态电流为输入电流与输出电流之差，即： Iq = Ii -Io.静态电流由偏置电流和调整管的栅极驱动电流组成。对PMOS调整管而言，栅极由电压驱动，几乎不产生功耗。在稳压器承载小负载或空载时，漏失电压极低，静态电流等于稳压器工作时的总偏置电流。设计时注意使PMOS调整管的导通电阻和漏电流尽可能做小，各模块电路在小电流状态下能正常工作。

2、功耗( Pw)和效率(η)

低压差线性稳压器的功耗为输入能量与输出能量之差，即：

PW = VI II - VO IO = ( VI - VO) IO + VI Iq

上式中，前一项是调整管产生的功耗，后一项是静态电流功耗。稳压器效率如前所述可表示为：

η= IO VO / ( IO + Iq ) VI×100 %

功耗与效率的表达式充分说明对于低压差线性稳压器，低漏失电压、低静态电流意味着低功耗、高效率。

3、负载调整能力和电压调整能力

负载调整能力指当输出电流变化时，输出电压维持一定值的能力，定义为：ΔVO /ΔIO，它表征了负载变化而稳压器维持输出在标称值上的能力，该值越小越好。电压调整能力指当输入电压变化时，输出电压维持一定值的能力，定义为：ΔVO /ΔVI，它表征了输入电压变化而稳压器维持输出在标称值上的能力，该值也是越小越好。对图1的电路结构其负载调整能力和电压调整能力分别为：

其中gm为调整管的跨导;Aod为误差放大器的开环差模增益;Rds为调整管源漏间的等效电阻;RL为负载电阻;R1、R2为取样电阻。由上式可见，减小ΔVO÷ΔIO和ΔVO÷ΔVI的关键是尽可能增大gm和Aod.