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1、LDOLDO设计讨论设计讨论邢向龙邢向龙上海复旦微电子股份有限公司2008年04月03日*2LDOLDO与与DC-DCDC-DCLDODC-DCVin vs. VoutVoutVin BoostResponse timeFastSlowEfficiencyLowHighNoiseLowHigh (Clock)CostLow (C)High (L+C)*3LDO设计参数 稳态参数：静态功耗，稳态参数：静态功耗，DropoutDropout电压，精度（负电压，精度（负 载调整率，线性调整率），温度特性，效率载调整率，线性调整率），温度特性，效率 动态参数：线性瞬态响应，动态参数：线性瞬态响应，负载
2、瞬态响应，启动负载瞬态响应，启动 时间时间 频率参数：稳定性，频率参数：稳定性，PSRRPSRR，噪声，噪声 其他：面积其他：面积Trade-off!Trade-off!*4LDO设计参数LDO ApplicationLDO Application CL: uF (external)CL: uF (external) Dropout:Dropout:Load regulation:Load regulation:Line regulation:Line regulation:Efficiency:Efficiency:低低dropoutdropout电压意味着更大的面积！电压意味着更大的面积！
3、*5LDO架构 由调整管，电阻反馈网络和控制电路构成的负反馈环路使得当由调整管，电阻反馈网络和控制电路构成的负反馈环路使得当ViVoViVo时，时， 根据负载电流的大小改变调整管的导通能力，使根据负载电流的大小改变调整管的导通能力，使VoVo在一定负载范围内保持在一定负载范围内保持 稳定输出稳定输出 可供选择的调整管器件包括可供选择的调整管器件包括PMOSPMOS，NMOSNMOS，NPNNPN，PNPPNP和和DarlingtonDarlington管管 ,PMOS,PMOS是各方面性能（静态功耗，导电能力，速度，是各方面性能（静态功耗，导电能力，速度，dropoutdropout电压和工艺
4、等电压和工艺等 ）折中考虑后最好的选择，也是最常见的调整管器件）折中考虑后最好的选择，也是最常见的调整管器件*6LDO架构 Pass element: PMOS, gmpPass element: PMOS, gmp EA: Error amplifier with gain of A1EA: Error amplifier with gain of A1 Buffer: optional, gainBuffer: optional, gain11 Feedback loop: EA+buffer+PMOS+R1|R2Feedback loop: EA+buffer+PMOS+R1|R2 Pr
5、otection circuits: Thermal, Protection circuits: Thermal, Overcurrent, Reverse battery protection Overcurrent, Reverse battery protection CL: uF; Resr: 0several ohms CL: uF; Resr: 0several ohms *7LDO架构Loop gain:Loop gain:Load regulation:Load regulation:Line regulation:Line regulation:Frequency respo
6、nse:Frequency response:*8设计考虑 LDOLDO的环路稳定性是关键，负载电流变化大（的环路稳定性是关键，负载电流变化大（00几十或者几百几十或者几百mA)mA)为频为频 率补偿带来难度（输出端的极点位置变化很大，率补偿带来难度（输出端的极点位置变化很大，rdsrds与输出电流成反比）与输出电流成反比） 低低dropoutdropout电压大负载电流要求芯片的面积增大，使得寄生极点的频率电压大负载电流要求芯片的面积增大，使得寄生极点的频率 比较低，增加补偿难度比较低，增加补偿难度 低功耗可以增加环路增益，但同时会使低功耗可以增加环路增益，但同时会使LDOLDO瞬态特性变差
7、瞬态特性变差，在电源电压，在电源电压 不变的情况下，低功耗同时也意味着芯片面积增大不变的情况下，低功耗同时也意味着芯片面积增大 增加环路增益和调整管尺寸可改善负载调整率和线性调整率增加环路增益和调整管尺寸可改善负载调整率和线性调整率*9LDO频率补偿1. 1. 使用使用ESRESR补偿补偿原理：使用原理：使用ESRESR电阻与电阻与CoCo构成的零点抵消一个次极点影响构成的零点抵消一个次极点影响 频率响应最差情况发生在最大负载时，此时主极点处于较高频率，高频极点有可能落在单频率响应最差情况发生在最大负载时，此时主极点处于较高频率，高频极点有可能落在单 位增益带宽之内，使相位裕度变差位增益带宽之
8、内，使相位裕度变差 这种方法的缺点在于电容的这种方法的缺点在于电容的ESRESR受到温度，电压，频率和材料等因素影响，不够稳定，受到温度，电压，频率和材料等因素影响，不够稳定， ESRESR的取值范围根据不同的应用有一定限制，且的取值范围根据不同的应用有一定限制，且ESRESR的引入会对的引入会对LDOLDO的瞬态特性带来不利的瞬态特性带来不利 影响影响*10LDO频率补偿LDOLDO的的bufferbufferPxPx和和ZxZx产生原理产生原理增益提高的频率响应增益提高的频率响应 加入加入bufferbuffer增加对调整管的驱动能力增加对调整管的驱动能力 第一级运放用第一级运放用casc
9、odecascode提高增益提高增益 CffCff产生一对零极点，保证产生一对零极点，保证UGBUGB不变不变*11LDO频率补偿2. 2. 密勒电容补偿密勒电容补偿原理：利用原理：利用MillerMiller电容倍乘原电容倍乘原 理，将误差放大器的输出补理，将误差放大器的输出补 偿为主极点偿为主极点电流镜比例因子电流镜比例因子第二级跨导第二级跨导第一级跨导第一级跨导第二级输出阻抗第二级输出阻抗 CL:1.5nF20uF, ESR:03CL:1.5nF20uF, ESR:03 Iout:0200mA, Iq:30uAIout:0200mA, Iq:30uA Dc gain:60dB, UGB:
10、 tens of khzDc gain:60dB, UGB: tens of khz*12LDO频率补偿电容倍乘原理电容倍乘原理*13LDO频率补偿3. 3. 零点零点- -极点跟踪补偿极点跟踪补偿原理：利用可变电阻原理：利用可变电阻ZcZc和补偿和补偿 电容电容CcCc构成的零点抵消输出端构成的零点抵消输出端 极点极点K K是常数。是常数。 Dc gain:72dB, PM:86Dc gain:72dB, PM:86 UGB: around 1khzUGB: around 1khz Iout:0100mAIout:0100mA*14LDO频率补偿 4. 4. 压控电流源压控电流源(VCCS)
11、(VCCS)补偿补偿VCCSVCCS引入零点补偿引入零点补偿VCCSVCCS的实现的实现原理：通过原理：通过VCCSVCCS引入一个零点引入一个零点优点：消除了优点：消除了ESRESR要求要求 CL:2.2uF, ESR:60Dc gain:40-70dB, PM:60 UGB: 250khz650khzUGB: 250khz650khz*15LDO频率补偿5. Adaptive miller compensation (AMC) + phase_lead compensation5. Adaptive miller compensation (AMC) + phase_lead compen
12、sationAMCAMCPhase lead compensationPhase lead compensation*16LDO频率补偿电路实现电路实现RmRm为一随着负载电流变化而变化的电阻，所以为一随着负载电流变化而变化的电阻，所以ZmZm 是一个可变零点，超前相位补偿在大负载电流时用是一个可变零点，超前相位补偿在大负载电流时用 ZfZf来增加环路的相位裕度来增加环路的相位裕度 CL:2.2uFCL:2.2uF Iout:03AIout:03A Dc gain:60dB, PM:60Dc gain:60dB, PM:60 PSRR: -30dB20khz10mAPSRR: -30dB20k
13、hz10mA*17LDO频率补偿6. Damping factor control compensation6. Damping factor control compensationCoutCout0, Iout=00, Iout=0CoutCout0, Iout00, Iout0CoutCout=0, Iout0=0, Iout0*18LDO频率补偿 电路实现电路实现 CL:Free (0, 10uF in paper, Cm1+Cm2+CF190dB, PSRR: -30dB1MhzDc gain:90dB, PSRR: -30dB1Mhz Vref: 302.24mV, TC(LDO)
14、:38ppm/Vref: 302.24mV, TC(LDO):38ppm/*19LDO频率补偿7. Pole-zero pairs cancellation scheme7. Pole-zero pairs cancellation scheme原理：产生一系列成对零极点，原理：产生一系列成对零极点，Zi=10*PiZi=10*Pi，其对相，其对相 位的作用互相抵消位的作用互相抵消 Case 1: CL=0, Case 1: CL=0, 输出极点频率很高，输出极点频率很高，PM=135PM=135 Case 2: CL0Case 2: CL0，ESR=0, PM45ESR=0, PM45 Ca
15、se 3: Case 3: CL0CL0，ESR 0, PMPM_case2ESR 0, PMPM_case2 CL:047uFCL:047uF Iout:0150mA, Iq:90uAIout:0150mA, Iq:90uA Dc gain:40dBDc gain:40dB Vout=2.5VVout=2.5V ESR: 0RL_minESR: 0RL_min*20LDO频率补偿8. Internal miller compensation (acts only at heavy load)8. Internal miller compensation (acts only at heavy
16、 load)Error AmplifierError AmplifierError AmplifierError Amplifier原理：通过该结构将两个次极点（原理：通过该结构将两个次极点（P2P2和和P3P3 ）推向高频，）推向高频，P1P1为主极点，为主极点，millermiller补偿和补偿和 零点在大电流负载时起作用零点在大电流负载时起作用 CL:2.2uF, vref=0.6vCL:2.2uF, vref=0.6v Iout:0100mA, Iq=47uAIout:0100mA, Iq=47uA Load_reg:0.1mV/mALoad_reg:0.1mV/mA*21设计实例设计
