大摆 幅输入线性稳压源设计
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大摆 幅输入线性稳压源设计. 天津大学 ASIC 设计中心 王君. 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. 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. 典型 LDO 系统图. LDO 关键技术指标. 参考文献: A Capacitor-Free CMOS Low Dropout Regulator With Damping-Factor-Control Frequency Compensation - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
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大摆幅输入线性稳压源设计天津大学 ASIC 设计中心王君
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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
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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
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典型 LDO 系统图
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LDO 关键技术指标参考文献: A Capacitor-Free CMOS Low Dropout Regulator With Damping-Factor-Control Frequency CompensationKa 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
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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
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二、大摆幅输入下关键性问题( 10-40V )
I. 大摆幅输入下 LDO 的对线性调整率要求提高Line Regulation=≈II. 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 )III. 电源抑制( PSR )
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主要研究I. 解决 LDO 瞬态电流问题:软启动电路II. 解决 LDO 线性调整度问题: Loop
Gain↑ , gm↑ (频率补偿)。III. 解决噪声问题:加入 PSR 改善结构
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I. 软启动电路开关电源中应用较多LDO 要看应用环境
1. USB 多路供电2. 高压输入 LDO
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USB 使用
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高压输入
基准模块
运放
输入电压
第一级输出
NMOS功率器件
(uF)
缓冲器
CL
A
BR1
R2
C基准电压
电流灌入
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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)
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实现电路
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Soft-Start 电路设计( 2 )A Current-Limiter-Based Soft-Start Scheme for Linear and Low-Dropout Voltage Regulators( 会议 )
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Soft-Start 电路设计( 3 )A Compact Fully-Integrated Extremum-Selector-Based Soft-Start Circuit for Voltage Regulators in Bulk CMOS Technologies
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II. 补偿问题I. ESR 电阻补偿(会带来过充问题)II. DFC 补偿III.VCCS 补偿IV. 米勒补偿(无电容比较好使)V. AFCS 补偿
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III. PSR 提高两级结构电荷泵结构
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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)
基准模块
运放
输入电压
第一级输出
NMOS功率器件
(uF)
缓冲器
CL
A
BR1
R2
C基准电压
电流灌入
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存在问题1. 瞬态电流2. 稳定性3. PSR
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一、上电瞬态电流问题
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分析瞬态电流原因
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分析结果1. 红线为瞬态电流值2. 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
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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:1. 文献 1 种 Vref 缓慢上升2. 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3. 文献 3 方法,是运放缓慢开启
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解决方案选择1. 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2. 如果使运放缓慢开启, buffer 输出过充电压问题依然存在3. 方案 2 中的方法牺牲较大
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最终解决办法1. 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。2. 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
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加入斜坡信号之后的仿真效果
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斜坡发生器的设计
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Ramp 电路仿真结果
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仍然存在问题: ramp 上电过充造成开启速度高于理想情况
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解决办法1. 两次斜坡发生电路:有牺牲2. 修改 buffer 输出处的 PMOS 开关:无牺牲。选择方案 2 ,将 ap40g40d1 改为sp40g40d1
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修改后的仿真结果
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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
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Stb仿真方法( Middle brooke )
Measurement of loop gain in feedback systems
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Stb仿真结果( 10mA and 5mA )
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瞬态仿真
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每段时间输入瞬态 10mA 电流
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不同温度下的仿真结果
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不同输入电压下的仿真结果
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加入基准电路之后的整体电路
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下一步工作1. 尝试其他补偿方案,找到更优的 LDO 频率补偿方法2. 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)3. 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。4. 研究 PSR 的提高方法5. 思考限流保护电路的加入
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参考文献1. A Capacitor-Free CMOS Low Dropout Regulator With
Damping-Factor-Control Frequency Compensation ( SCI )
2. A Compact Ramp-Based Soft-Start Circuit for Voltage Regulators , 2009 , CIRCUITS AND SYSTEMS—II: EXPRESS BRIEFS ( SCI Q2 )
3. A Current-Limiter-Based Soft-Start Scheme for Linear and Low-Dropout Voltage Regulators( 会议 )
4. A Compact Fully-Integrated Extremum-Selector-Based Soft-Start Circuit for Voltage Regulators in Bulk CMOS Technologies ( SCI Q2 )
5. Measurement of loop gain in feedback systems , Middle brooke
6. 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)