一種高性能低壓差線性穩(wěn)壓器

一種高性能低壓差線性穩(wěn)壓器

1基于雙極型電路設(shè)計(jì)的ldo傳統(tǒng)的線性電阻壓縮器的輸出電壓通常比輸入電壓低2.5.3伏。這一壓差除導(dǎo)致芯片承受的功耗增大外,亦使其難以適應(yīng)低電源電壓工作條件下的應(yīng)用。低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)可以做到輸出電壓僅稍低于輸入電壓。由于在上述兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題上的優(yōu)勢(shì),LDO作為新一代集成電路穩(wěn)壓器,在各種便攜式電子產(chǎn)品和以電池為動(dòng)力的系統(tǒng),包括微處理器電源、電池充電電路、手機(jī)與各種PDA產(chǎn)品,以及數(shù)碼相機(jī)等場(chǎng)合,獲得了廣泛的應(yīng)用。為此,世界許多著名半導(dǎo)體廠商均投入巨資對(duì)其進(jìn)行研發(fā)和改進(jìn)。CMOS型的LDO線性穩(wěn)壓器也正在發(fā)展中。但是,由于受CMOS工藝本身的限制,尤其在此類電路中,PMOS調(diào)整管較大的柵極寄生電容導(dǎo)致電路的穩(wěn)定性補(bǔ)償控制上的困難,因此,在世界LDO頂級(jí)產(chǎn)品中,雙極型電路仍占主導(dǎo)地位。本文提出一種高性能雙極型LDO的設(shè)計(jì),在輸出電流為3.0A時(shí),仍能保證其低壓差特性,并且能提供較好的線性特性、負(fù)載特性和溫度特性。其主要特點(diǎn)有:低壓差、快速瞬態(tài)響應(yīng)、內(nèi)置的過流保護(hù)、過壓保護(hù)和熱保護(hù),有固定和可調(diào)輸出兩種模式。2設(shè)計(jì)依據(jù)及保護(hù)電路圖1為所設(shè)計(jì)LDO的電路框圖。它由調(diào)整管(PassElement)、電壓基準(zhǔn)源(Vref)、恒流源偏置單元(CurrentSource)、誤差放大器(包括跨導(dǎo)型運(yùn)放(GM)和電流型運(yùn)放(CurrentAmp)、電阻反饋網(wǎng)絡(luò)R1和R2、熱保護(hù)電路(ThermalLimit)、過壓及過流保護(hù)電路(OVP&OCP)等組成。其中,調(diào)整管是PNP管T2和NPN管T1組成的達(dá)林頓管。電路的工作原理簡(jiǎn)述如下:系統(tǒng)上電后,恒流源給整個(gè)電路提供偏置,1.25V電壓基準(zhǔn)快速建立,輸出Vo隨著輸入Vi不斷上升。當(dāng)Vo即將達(dá)到預(yù)定值時(shí),由R1和R2組成的反饋網(wǎng)絡(luò)得到的輸出反饋電壓也接近于基準(zhǔn)電壓值。此時(shí),誤差放大器將反饋電壓和基準(zhǔn)電壓之間的誤差信號(hào)進(jìn)行放大,再經(jīng)調(diào)整管T1和T2反饋到Vo,整個(gè)形成負(fù)反饋回路,保證Vo穩(wěn)定在預(yù)定值上;同理,如輸入電壓變化,或者輸出電流變化,此閉環(huán)回路的負(fù)反饋將使輸出電壓Vo保持不變。對(duì)于固定模式的LDO來說,有Vo=Vref×(R1+R2R1)Vo=Vref×(R1+R2R1)圖2為所設(shè)計(jì)LDO的內(nèi)部線路圖,基準(zhǔn)電壓源決定了LDO電壓變換器的輸出精度。其中的基準(zhǔn)電壓源采用帶隙結(jié)構(gòu),如圖2所示,主要由Q16、Q17、Q28、Q29、R10、R12、R18、R19、C1組成,產(chǎn)生1.25V的帶隙基準(zhǔn),按照低溫度系數(shù)和低電壓系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)構(gòu)成。其基本思想是利用熱電壓VT的正溫度系數(shù)與雙極型晶體管VBE的負(fù)溫度系數(shù)相互補(bǔ)償,以減小基準(zhǔn)電壓的溫漂,相應(yīng)的表達(dá)式為:Vref=VBE+KVT由上式知,通過適當(dāng)選取放大倍數(shù)K,可以使Vref在一定溫度范圍內(nèi)獲得近似為零的溫度系數(shù)。偏置電路主要由Q4、Q5、Q6、Q7、Q8、Q9、R2、R5、R15組成。其中,R5是一個(gè)高值電阻,用作電路的啟動(dòng);另有兩個(gè)恒流源單元:R13、Q25、Q26和R14、Q22、Q23。當(dāng)Vo與Adj之間的電壓偏離Vref時(shí),誤差信號(hào)經(jīng)過Q15、Q21、Q12、Q11各個(gè)單管放大后作用于調(diào)整管,調(diào)整管將調(diào)整其導(dǎo)通壓降,迫使Vo與Adj之間的電壓穩(wěn)定在Vref;同理,當(dāng)輸出電流發(fā)生變化時(shí),這個(gè)閉環(huán)回路仍將維持Vo與Adj之間的電壓在Vref。除良好的溫度漂移特性外,設(shè)計(jì)的LDO的重要特點(diǎn)是具有較為完備和可靠的保護(hù)功能,包括熱保護(hù)、過流保護(hù)和過壓保護(hù)。由于設(shè)計(jì)的LDO最大工作電流可達(dá)3A,產(chǎn)生的功耗將引起管芯的明顯溫升,有可能使器件不能正常工作,甚至損壞,所以,電路設(shè)計(jì)中對(duì)熱保護(hù)電路給予了特別的關(guān)注:當(dāng)工作溫度超過允許的最高結(jié)溫時(shí),熱保護(hù)可控制LDO停止工作,以防止燒壞管芯。設(shè)計(jì)中設(shè)定的最高工作溫度為150℃,熱保護(hù)電路主要由Q24、Q25、Q26、R1、R13組成。在正常情況下,因?yàn)镽1上的壓降遠(yuǎn)小于Q24的BE結(jié)導(dǎo)通閾值,Q24不工作。溫度升高,pn結(jié)正向壓降的負(fù)溫度系數(shù)使其導(dǎo)通閾值降低,在溫度保護(hù)點(diǎn)150℃處,R1上的壓降使Q24的BE結(jié)導(dǎo)通。此時(shí),Q24開始導(dǎo)通工作,其管壓降迅速下降到0.2～0.3V,致使帶隙基準(zhǔn)源電路關(guān)斷,使LDO停止工作,從而實(shí)現(xiàn)了熱保護(hù)。過流保護(hù)則能防止因輸出電流超過額定值導(dǎo)致的芯片損壞,當(dāng)LDO因短路或其他原因使輸出電流過大時(shí),過流保護(hù)電路使穩(wěn)壓器迅速減流。本設(shè)計(jì)中電流限制的起始值取為3.0A,整個(gè)過流保護(hù)電路主要由Q14、Q18、R7、R8、R17、C3、Q19組成。當(dāng)輸出電流增大時(shí),流過R17的電流也增大,導(dǎo)致Q18的集電極電流隨之增大,Q20的發(fā)射極電流減小,Q20的集電極電流隨之減小,集電極電位降低,發(fā)射極電位也隨之降低,這導(dǎo)致Q19開始工作,其管壓降迅速下降到0.2～0.3V,關(guān)斷帶隙基準(zhǔn),使LDO停止工作,從而實(shí)現(xiàn)了過流保護(hù)。內(nèi)置的過壓保護(hù)是所設(shè)計(jì)LDO芯片的又一個(gè)特點(diǎn),尤其因?yàn)槟壳笆袌?chǎng)上常見的LDO芯片一般都缺少此項(xiàng)功能。它主要由Q13、R16組成。當(dāng)輸入電壓超過限定值時(shí),Q13反向擊穿導(dǎo)通,導(dǎo)致流過R17的電流升高,后面的工作機(jī)制與過流保護(hù)相同,這里不再詳述。3nn毛細(xì)管截止頻率整個(gè)LDO的設(shè)計(jì)采用4μm700MHz雙極型IC工藝實(shí)現(xiàn)。主要工藝參數(shù)如下:外延層厚度8μm,基區(qū)結(jié)深1.6μm,發(fā)射區(qū)結(jié)深1.4μm,NPN晶體管截止頻率fT=700MHz,BVcbo=57V,BVceo=36V,BVebo=6.2V,隔離電壓BVcs=80V。3.1調(diào)整管的n+磷擴(kuò)散在設(shè)計(jì)LDO的版圖時(shí),功率管的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。為了獲得盡可能低的輸入輸出壓降,并保證功率管有足夠的輸出電流,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采取有效措施,降低集電極串聯(lián)電阻,這亦有助于減少管耗;同時(shí),設(shè)計(jì)還應(yīng)考慮如何防止或減少二次擊穿的發(fā)生。由于功率管占整個(gè)芯片面積的比例甚大,在許多情況下成為決定芯片大小的關(guān)鍵因素。因此,如何有效地控制功率管版圖面積,也是設(shè)計(jì)的一個(gè)重點(diǎn)。為了減小調(diào)整管的集電極串聯(lián)電阻,降低其飽和壓降,設(shè)計(jì)中專門增加了一道深磷擴(kuò)散的工序(見圖3),即把調(diào)整管集電極的n+磷擴(kuò)散做得特別深;另外,還應(yīng)盡量縮短基區(qū)引線孔與發(fā)射區(qū)之間的距離。圖3為所設(shè)計(jì)的調(diào)整管版圖(局部圖)。發(fā)射區(qū)的最窄條寬根據(jù)發(fā)射區(qū)的電流集邊效應(yīng)確定,本設(shè)計(jì)取26μm。發(fā)射區(qū)容許最大電流由所對(duì)應(yīng)的基區(qū)引線孔一側(cè)的發(fā)射區(qū)周長(zhǎng)決定。假定發(fā)射極最大工作電流為ICM,發(fā)射極條長(zhǎng)為L(zhǎng),有L=ICM/IEo式中,IEo為發(fā)射區(qū)單位周長(zhǎng)最大電流,通常取0.04～0.16mA/μm。把發(fā)射區(qū)分成n條,則n=L/Ie(Ie為每個(gè)發(fā)射極條的有效條長(zhǎng))。本設(shè)計(jì)中,L取12812μm,n取28。通常認(rèn)為,產(chǎn)生二次擊穿的一個(gè)重要原因,是晶體管在大電流高功耗條件下工作時(shí)發(fā)射結(jié)中電流分布不均勻?qū)е碌木植繀^(qū)域過熱。在該LDO的版圖設(shè)計(jì)中,為了防止晶體管發(fā)生二次擊穿,在多射極調(diào)整管的每個(gè)發(fā)射極條上串聯(lián)一個(gè)低值鎮(zhèn)流電阻(見圖3)。利用鎮(zhèn)流電阻的電流負(fù)反饋?zhàn)饔?可以降低局部電流的集中程度,從而改善各發(fā)射極梳條電流的均勻性,避免某些發(fā)射極條因電流的異常集中而誘發(fā)二次擊穿,提高晶體管的二次擊穿耐壓值。3.2ldo輸出電壓的修正雖然現(xiàn)代集成電路工藝發(fā)展迅速,工藝質(zhì)量及可控性與前期相比已有很大提高,但工藝離散性依然是設(shè)計(jì)中必須高度關(guān)注的問題,尤其是有關(guān)工藝參數(shù)的絕對(duì)值控制。其中一種方法,就是對(duì)需要加控制的絕對(duì)參數(shù)進(jìn)行修正(trimming)。為了提高LDO產(chǎn)品輸出電壓的一致性,設(shè)計(jì)中通過相關(guān)電阻的修調(diào)來修正電壓?？偣苍O(shè)置了兩個(gè)修調(diào)點(diǎn)。一是對(duì)電壓基準(zhǔn)的修正。由于電壓基準(zhǔn)是LDO中非常重要的部分,而其又不可避免地受到工藝容差的影響,因此,流片后必須對(duì)基準(zhǔn)值進(jìn)行修正,如圖4所示。二是固定模式的LDO由于要求輸出標(biāo)稱值的Vo,需對(duì)輸出電壓進(jìn)行修正,以完成LDO輸出電壓的系列化,如圖5所示。工藝中,進(jìn)行修正的具體方法是將電路其他管腳與測(cè)試系統(tǒng)斷開(包括電源和接地),根據(jù)片上測(cè)試所確定的應(yīng)采用的電阻值,在限定電壓和電流下,對(duì)對(duì)應(yīng)的短路線施以瞬間電流沖擊。由于短路線接通的瞬間電流可達(dá)數(shù)百mA,使短路線熔斷,然后斷開回路,修正完成。本芯片的短路線采用鋁條。3.3最終方案的實(shí)施LDO整個(gè)版圖如圖6所示,版圖面積為1450μm×1500μm,已順利通過DRC和LVS驗(yàn)證。4模擬結(jié)果與討論利用4μm700MHz雙極工藝模型和Spectre仿真器,對(duì)設(shè)計(jì)的LDO進(jìn)行了仿真和優(yōu)化。以下為仿真得到的主要結(jié)果。4.1輸出電壓隨時(shí)間的變化由圖7可見,輸入電壓Vi由零增大至2.55V時(shí),輸出電壓已達(dá)到穩(wěn)定值1.25V。而Vi自2.55V變化到10.8V區(qū)間,輸出電壓的變化僅為1mV,相應(yīng)的電壓調(diào)整率小于0.015%/V。當(dāng)Vi超過10.8V時(shí),輸出電壓迅速走低,從而實(shí)現(xiàn)了過壓保護(hù)。4.2輸出電壓隨輸出電流的變化圖8中,輸出電流在小于3A時(shí),輸出電壓都能穩(wěn)定在1.25V,當(dāng)輸出電流超過3A,輸出電壓迅速走低,從而實(shí)現(xiàn)了過流保護(hù)。4.3典型工作條件下的仿真結(jié)果圖9是輸出電壓隨溫度的變化。當(dāng)溫度在0～125℃之間變化時(shí),其溫漂僅為50ppm/℃,反映了電路具有良好的溫度特性;當(dāng)溫度超過約150℃時(shí),輸出電壓迅速走低,從而實(shí)現(xiàn)了熱保護(hù)。典型工作條件下的主要仿真結(jié)果如表1所列。對(duì)應(yīng)的典型工作條件為:Vi=5V,Io=10mA,Io=3.0A。從以上結(jié)果可知,設(shè)計(jì)的LDO主要性能良好。同時(shí),電路仿真特性曲線亦反映出電路的過壓、過流和過熱保護(hù)功能均已實(shí)現(xiàn)。其主要功能與性能參數(shù)均已達(dá)到設(shè)計(jì)要求。5生產(chǎn)及測(cè)試結(jié)果本文提出了一種高性能LDO的設(shè)計(jì),在電路工作原理分析的基礎(chǔ)上,介紹了其過壓、過流和過熱保護(hù)電路的設(shè)計(jì),并就版圖設(shè)計(jì)展開