高性能低压差线性稳压器的研究与设计

收稿日期 :2005207225 ; 　定稿日期 :2005210217 基金项目 :国家自然科学基金资助项目 (50237030) ;浙江省自然科学基金资助项目 (Z104441) 高性能低压差线性稳压器的研究与 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 吴晓波 , 李 　凯 , 严晓浪 (浙江大学 超大规模集成电路设计研究所 , 浙江 杭州 　310027) 　 摘　要 : 　为适应低压低功耗应用的需要 ,提出了一种高性能低压差 (LDO) 线性稳压器。通过改 进稳压器的电路结构和版图设计 ,引入高精度电路微调技术和完善的过热、过流和过压保护功能 , 稳压器性能得到了明显的改善。Spect re 仿真结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明 ,设计构成的 LDO 输出电流典型值达到 3. 0 A ,最低压差可达 1. 3 V ,电压调整率为 0. 015 % ,负载调整率为 0. 05 %。电路的主要性能均已 达到设计目标 ,可在 4μm 700 M Hz 双极 工艺 钢结构制作工艺流程车尿素生产工艺流程自动玻璃钢生产工艺2工艺纪律检查制度q345焊接工艺规程 下实现。 关键词 : 　低压差 ; 线性稳压器 ; 过热保护 ; 过流保护 ; 过压保护 中图分类号 : 　TN431. 1 　　　　　　文献标识码 : 　A 　　　　　　文章编号 :100423365 (2006) 0320347205 　 Research on High2Performance Low Dropout Linear Regulator WU Xiao2bo , L I Kai , YAN Xiao2lang ( I nstit ute of V L S I Desi gn , Zhej iang Universi t y , Hangz hou , Zhej i ang 310027 , P. R. China) 　 Abstract : 　A high2performance low dropout (LDO) linear regulator is proposedto meet the demand for low2volt2 age/ low2power applications. By improving the circuit st ructure and layout design , and with high precision t rimming technology and perfect functions , such as thermal protection and over2current/ over2voltage protection , the perform2 ance of the LDO was significantly improved. Spect re simulation shows that a typical output current of 3. 0 A , a low dropout voltage of 1. 3 V , a line regulation of 0. 015 % , and a load regulation of 0. 05 % have been achieved for the regulator. Major parameters of the circuit satisfy the expected specifications. The device could be implemented in 4 μm 700 M Hz bipolar technology. Key words :　Low dropout ; Linear regulator ; Thermal protection ; Over2current protection ; Over2voltage protec2 tion EEACC : 　2570P 　 1 　引　言 传统线性稳压器的输出电压通常比输入电压至 少低 2. 5～3 V[1 ] 。这一压差除导致芯片承受的功耗 增大外 ,亦使其难以适应低电源电压工作条件下的应 用。低压差线性稳压器 (LDO) 可以做到输出电压仅 稍低于输入电压。由于在上述两个关键技术问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 上 的优势 ,LDO 作为新一代集成电路稳压器 ,在各种便 携式电子产品和以电池为动力的系统 ,包括微处理器 电源、电池充电电路、手机与各种 PDA 产品 ,以及数 码相机等场合 ,获得了广泛的应用。为此 ,世界许多 著名半导体厂商均投入巨资对其进行研发和改进。 CMOS型的 LDO 线性稳压器也正在发展中。但是 , 由于受 CMOS工艺本身的限制 ,尤其在此类电路中 , PMOS调整管较大的栅极寄生电容导致电路的稳定 性补偿控制上的困难[2 ,3 ] ,因此 ,在世界 LDO 顶级产 品中 ,双极型电路仍占主导地位。 本文提出一种高性能双极型 LDO 的设计 ,在 输出电流为 3. 0 A 时 ,仍能保证其低压差特性 ,并且 能提供较好的线性特性、负载特性和温度特性。其 主要特点有 :低压差、快速瞬态响应、内置的过流保 护、过压保护和热保护 ,有固定和可调输出两种模 式。 第 36 卷第 3 期 2006 年 6 月 微 电 子 学 Microelect ronics Vol136 , №3 J un12006 2 　电路原理 图 1 为所设计 LDO 的电路框图。它由调整管 ( Pass Element) 、电压基准源 ( V ref ) 、恒流源偏置单 元 (Current Source) 、误差放大器 (包括跨导型运放 ( GM)和电流型运放 (Current Amp) 、电阻反馈网络 R1 和 R2 、热保护电路 ( Thermal Limit) 、过压及过流 保护电路 (OV P & OCP) 等组成。其中 ,调整管是 PN P 管 T2 和 N PN 管 T1 组成的达林顿管。 图 1 　LDO 电路框图 电路的工作原理简述如下 :系统上电后 ,恒流源 给整个电路提供偏置 ,1. 25 V 电压基准快速建立 , 输出 V o 随着输入 V i 不断上升。当 V o 即将达到预 定值时 ,由 R1 和 R2 组成的反馈网络得到的输出反 馈电压也接近于基准电压值。此时 ,误差放大器将 反馈电压和基准电压之间的误差信号进行放大 ,再 经调整管 T1 和 T2 反馈到 V o ,整个形成负反馈回 路 ,保证 V o 稳定在预定值上 ;同理 ,如输入电压变 化 ,或者输出电流变化 ,此闭环回路的负反馈将使输 出电压 V o 保持不变。对于固定模式的 LDO 来说 , 有 　　V o = V ref × R1 + R2R1 图 2 为所设计 LDO 的内部线路图 ,基准电压源 决定了 LDO 电压变换器的输出精度[6 ] 。其中的基 准电压源采用带隙结构 ,如图 2 所示 ,主要由 Q16 、 Q17 、Q28 、Q29 、R10 、R12 、R18 、R19 、C1 组成 ,产生 1. 25 V 的带隙基准 ,按照低温度系数和低电压系数的标 准设计构成。其基本思想是利用热电压 V T 的正温 度系数与双极型晶体管 V B E 的负温度系数相互补 偿 ,以减小基准电压的温漂 ,相应的表达式为 : 　　V ref = V B E + KV T 由上式知 ,通过适当选取放大倍数 K ,可以使 V ref 在一定温度范围内获得近似为零的温度系 数[3 ] 。 图 2 　LDO 内部线路图 　　偏置电路主要由 Q4 、Q5 、Q6 、Q7 、Q8 、Q9 、R2 、R5 、 R15组成。其中 , R5 是一个高值电阻 ,用作电路的启 动 ;另有两个恒流源单元 : R13 、Q25 、Q26 和 R14 、Q22 、 Q23 。 当 V o 与 Adj 之间的电压偏离 V ref 时 ,误差信号 经过 Q15 、Q21 、Q12 、Q11 各个单管放大后作用于调整 管 ,调整管将调整其导通压降 ,迫使 V o 与 Adj 之间 的电压稳定在 V ref ;同理 ,当输出电流发生变化时 , 这个闭环回路仍将维持 V o 与 Adj 之间的电压在 V ref 。 除良好的温度漂移特性外 ,设计的 LDO 的重 要特点是具有较为完备和可靠的保护功能 ,包括热 保护、过流保护和过压保护。 由于设计的 LDO 最大工作电流可达 3 A ,产生 的功耗将引起管芯的明显温升 ,有可能使器件不能 正常工作 ,甚至损坏 ,所以 ,电路设计中对热保护电 路给予了特别的关注 :当工作温度超过允许的最高 结温时 ,热保护可控制 LDO 停止工作 ,以防止烧坏 管芯。设计中设定的最高工作温度为 150 ℃,热保 　348 吴晓波等 : 高性能低压差线性稳压器的研究与设计 2006 年 　 护电路主要由 Q24 、Q25 、Q26 、R1 、R13组成。在正常情 况下 ,因为 R1 上的压降远小于 Q24 的 B E 结导通阈 值 ,Q24不工作。温度升高 ,p n 结正向压降的负温度 系数使其导通阈值降低 ,在温度保护点 150 ℃处 , R1 上的压降使 Q24的 B E 结导通。此时 , Q24开始导 通工作 ,其管压降迅速下降到 0. 2～0. 3 V ,致使带 隙基准源电路关断 ,使 LDO 停止工作 ,从而实现了 热保护。 过流保护则能防止因输出电流超过额定值导致 的芯片损坏 ,当 LDO 因短路或其他原因使输出电 流过大时 ,过流保护电路使稳压器迅速减流。本设 计中电流限制的起始值取为 3. 0 A ,整个过流保护 电路主要由 Q14 、Q18 、R7 、R8 、R17 、C3 、Q19组成。当输 出电流增大时 ,流过 R17 的电流也增大 ,导致 Q18 的 集电极电流随之增大 , Q20的发射极电流减小 , Q20的 集电极电流随之减小 ,集电极电位降低 ,发射极电位 也随之降低 ,这导致 Q19开始工作 ,其管压降迅速下 降到 0. 2～0. 3 V ,关断带隙基准 ,使 LDO 停止工 作 ,从而实现了过流保护。 内置的过压保护是所设计 LDO 芯片的又一个 特点 ,尤其因为目前市场上常见的 LDO 芯片一般 都缺少此项功能。它主要由 Q13 、R16组成。当输入 电压超过限定值时 , Q13反向击穿导通 ,导致流过 R17 的电流升高 ,后面的工作机制与过流保护相同 ,这里 不再详述[5 ] 。 3 　工艺与版图设计 整个 LDO 的设计采用 4μm 700 M Hz 双极型 IC 工艺实现。主要工艺参数如下 :外延层厚度 8 μm ,基区结深 1. 6μm ,发射区结深 1. 4μm ,N PN 晶 体管截止频率 f T = 700 M Hz ,B V cbo = 57 V ,B V ceo = 36 V ,B V ebo = 6. 2 V ,隔离电压 B V cs = 80 V。 3 . 1 　调整管设计 在设计 LDO 的版图时 ,功率管的设计至关重 要。为了获得尽可能低的输入输出压降 ,并保证功 率管有足够的输出电流 ,设计时应采取有效措施 ,降 低集电极串联电阻 ,这亦有助于减少管耗 ;同时 ,设 计还应考虑如何防止或减少二次击穿的发生。由于 功率管占整个芯片面积的比例甚大 ,在许多情况下 成为决定芯片大小的关键因素。因此 ,如何有效地 控制功率管版图面积 ,也是设计的一个重点。 为了减小调整管的集电极串联电阻 ,降低其饱 和压降 ,设计中专门增加了一道深磷扩散的工序 (见 图 3) ,即把调整管集电极的 n + 磷扩散做得特别深 ; 另外 ,还应尽量缩短基区引线孔与发射区之间的距 离。图 3 为所设计的调整管版图 (局部图) 。 图 3 　调整管版图 发射区的最窄条宽根据发射区的电流集边效应 确定 ,本设计取 26μm 。发射区容许最大电流由所 对应的基区引线孔一侧的发射区周长决定。假定发 射极最大工作电流为 ICM ,发射极条长为 L ,有 　　L = ICM / I Eo 式中 , I Eo为发射区单位周长最大电流 ,通常取 0. 04～0. 16 mA/μm。 把发射区分成 n 条 ,则 n = L/ Ie ( Ie 为每个发 射极条的有效条长) 。本设计中 , L 取 12 812μm , n 取 28。 通常认为 ,产生二次击穿的一个重要原因 ,是晶 体管在大电流高功耗条件下工作时发射结中电流分 布不均匀导致的局部区域过热。在该 LDO 的版图 设计中 ,为了防止晶体管发生二次击穿 ,在多射极调 整管的每个发射极条上串联一个低值镇流电阻 (见 图 3) 。利用镇流电阻的电流负反馈作用 ,可以降低 局部电流的集中程度 ,从而改善各发射极梳条电流 的均匀性 ,避免某些发射极条因电流的异常集中而 诱发二次击穿 ,提高晶体管的二次击穿耐压值。 3 . 2 　修正设计 虽然现代集成电路工艺发展迅速 ,工艺质量及 可控性与前期相比已有很大提高 ,但工艺离散性依 然是设计中必须高度关注的问题 ,尤其是有关工艺 参数的绝对值控制。其中一种方法 ,就是对需要加 控制的绝对参数进行修正 (t rimming) 。 为了提高 LDO 产品输出电压的一致性 ,设计 中通过相关电阻的修调来修正电压。总共设置了两 个修调点。 一是对电压基准的修正。由于电压基准是 LDO 中非常重要的部分 ,而其又不可避免地受到工 艺容差的影响 ,因此 ,流片后必须对基准值进行修 正 ,如图 4 所示。 　第 3 期 吴晓波等 : 高性能低压差线性稳压器的研究与设计 349 　 图 4 　电压基准修正示意图 二是固定模式的 LDO 由于要求输出标称值的 V o ,需对输出电压进行修正 ,以完成 LDO 输出电压 的系列化 ,如图 5 所示。 图 5 　输出电压修正示意图 工艺中 ,进行修正的具体方法是将电路其他管 脚与测试系统断开 (包括电源和接地) ,根据片上测 试所确定的应采用的电阻值 ,在限定电压和电流下 , 对对应的短路线施以瞬间电流冲击。由于短路线接 通的瞬间电流可达数百 mA ,使短路线熔断 ,然后断 开回路 ,修正完成。 本芯片的短路线采用铝条。 3 . 3 　最终版图实现 LDO 整个版图如图 6 所示 ,版图面积为 1 450 μm ×1 500μm ,已顺利通过 DRC 和 LVS 验证。 图 6 　LDO 版图 4 　仿真结果与讨论 利用 4μm 700 M Hz 双极工艺模型和 Spect re 仿真器 ,对设计的 LDO 进行了仿真和优化。以下 为仿真得到的主要结果。 4 . 1 　输出电压随输入电压的变化关系 由图 7 可见 ,输入电压 V i 由零增大至 2. 55 V 时 ,输出电压已达到稳定值 1. 25 V。而 V i 自 2. 55 V 变化到 10. 8 V 区间 ,输出电压的变化仅为 1 mV ,相应的电压调整率小于 0. 015 %/ V。当 V i 超 过 10. 8 V 时 ,输出电压迅速走低 ,从而实现了过压 保护。 图 7 　输出电压随输入电压的变化 ( Io = 10 mA) 4 . 2 　输出电压随输出电流的变化 图 8 中 ,输出电流在小于 3 A 时 ,输出电压都能 稳定在 1. 25 V ,当输出电流超过 3 A ,输出电压迅速 走低 ,从而实现了过流保护。 图 8 　输出电压随输出电流的变化 4 . 3 　输出电压随温度的变化 图 9 是输出电压随温度的变化。当温度在 0～ 125 ℃之间变化时 ,其温漂仅为 50 pp m/ ℃,反映了 电路具有良好的温度特性 ;当温度超过约 150 ℃时 , 输出电压迅速走低 ,从而实现了热保护。 图 9 　输出电压随温度的变化 ( Io = 10 mA) 　350 吴晓波等 : 高性能低压差线性稳压器的研究与设计 2006 年 　 典型工作条件下的主要仿真结果如表 1 所列。 表 1 　仿真结果参数表 参数 符号 典型值 单位 线性调整率 REG(L INE) 0. 015 %/ V 负载调整率 REG(LOAD) 0. 05 % 压差电压 V D 1. 30 V 电流极限 ICL 3. 0 A 温度系数 TC 0. 005 %/ ℃ 纹波抑制 RA 72 dB 对应的典型工作条件为 :V i = 5 V , Io = 10 mA , Io = 3. 0 A。 从以上结果可知 ,设计的 LDO 主要性能良好。 同时 ,电路仿真特性曲线亦反映出电路的过压、过流 和过热保护功能均已实现。其主要功能与性能参数 均已达到设计要求。 5 　结　论 本文提出了一种高性能 LDO 的设计 ,在电路 工作原理分析的基础上 ,介绍了其过压、过流和过热 保护电路的设计 ,并就版图设计展开了讨论 ,着重分 析并介绍了大功率调整管的版图设计与实现。此 外 ,对芯片设计中采用的高精度电路修调技术进行 了介绍。Spect re 下的仿真结果表明 , 所设计的 LDO 具有低压差、良好的电压调整率、高温度稳定 性、快速瞬态响应等特点 ,并且具有十分完备的保护 功能 ,可在较为苛刻的工作条件下可靠工作。设计 提供了固定输出和可调输出两种模式 ,完成的设计 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 已可交付流片 ,具有很好的应用前景。3 3 3 3 3 3 在工作过程中 ,与庞鸿才先生进行了有益的讨 论。谨此致以诚挚的感谢。 参 考 文 献 : [1 ] 　Lee S B1 Techncal review of low dropout voltage regu2 lator operation and performance [ R ] . 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CMOS 单片 LDO 线性稳压器的设计 [J ] . 电路与系统学报 , 2002 , 7 (4) : 528. 作者简介 :吴晓波 (1947 - ) ,男 (汉族) ,浙 江奉化人 ,浙江大学超大规模集成电路设 计研究所副教授 ,理学硕士 ,主要研究方向 为模拟与数模混合集成电路设计。 (上接第 346 页) 5 　结束语 作为 RSA 和素数域 ECC 等密码系统的核心操 作的大数模乘幂运算 ,其高效的 VL SI 实现可以直 接提高整个密码系统的速度 ,因而具有非常重要的 现实意义。本设计中的模乘器基于改进的 Mont2 gomery 算法 ,采用多级流水线的乘法器结构 ,提高 了系统的时钟频率 ;并通过引入预计算单元 ,解决了 流水线停顿的问题 ,提高了系统的并行性。与现有 的其他设计相比 ,波特率提高了一倍以上。本设计 233 位的位长特别适用于 ECC 密码体制 ,具有广泛 的应用前景。 参 考 文 献 : [ 1 ] IEEE P1363 , Standard specifications for public key cryptography [ S] . 2000. [2 ] Montgomery P L . Modular multiplication without t rial division [J ] . Mathematics of Computation , 1985 , 44 (170) : 5192521. [3 ] 李树国 ,周润德 ,冯建华 ,等. RSA 密码协处理器的实 现 [J ] . 电子学报 ,2001 , 29 (11) : 144121444. [4 ] Wu C H , Hong J H , Wu C W. RSA crypto2system design based on the chinese remainder theorem [ A ] . Proc Asia South Pacific Design Automation Conf [ C] . New York : IEEE Press , 2001. 391 2 395. [5 ] McIvor C , McLoone M , McCanny J V. 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