高性能片内集成CMOS线性稳压器设计

0 引言
电源管理技术近几年已大量应用于便携式和手提电源中。电源管理系统包括线性稳压器、开关稳压器和控制逻辑等子系统。本文主要针对低压差线性稳压器进行研究。低压差线性稳压器是电源管理系统中的一个基本部分，用以提供稳定的电压源。它们属于改进效率的线性稳压器。通过采用共漏功率管来替代常规线性稳压器的共源功率管，并以此来降低最小电压降，改善电源效率。由于功率管上的较小压降降低了功率消耗，从而使得低压降线性稳压器在低电压、片内集成的电源管理系统中广泛应用。
要满足常规线性稳压器的稳定性要求，通常需要一个微法量级的片外电容。而较大的微法级电容在现今设计工艺下还不能实现，因此，每个线性稳压源都需要一个板级片外电容。为了解决这个问题，本文提出了一种无片外电容的线性稳压源方案。该设计移除了大的片外电容，同时在各种工作条件下都能保证系统的稳定性。除去了大的片外电容不仅被降低板级封装成本，同时也可降低整个设计的成本，还有利于片内集成的设计。

1 电路原理
由于本电源转换器无片外电容，因此设计有两个主要难题：一是过冲电压的瞬态响应，二是转换器的稳定性问题。为了解决这些问题，本文采用伪密勒电容来提高多级运放的稳定性。
1．1 瞬态响应补偿
在无片外电容电压转换器里，小的片内输出负载电容Cout就不能作为主极点，因而必须外推到高频极点。因此，主极点必须在差分运放环路中，同时瞬态响应信号必须通过环路的主极点。图1所示是线性稳压器和电路结构。图中，主极点的等效输入电容为CG(≈CGS+ApassCGD+C1)，差分运放的输出阻抗R可使电流转化为电压。当输出电流产生阶跃时，只有在经过一定的延迟时间tp之后，栅电压Vg足够接近它的稳态电压时，功率管才能提供所需的电流。差分运放的寄生极点必须外推到高频(这样可以降低这些极点对于时延的影响)，线性稳压源的速度主要决定于gmerror/CG所影响的传播延迟时间tp，其中，gmerror是差分运放输人的小信号跨导。由于环路带宽的限制，由差分运放反馈的环路不能很快的驱动功率管的栅级，因此，设计时需要一个环路来加速功率管栅级电流的注入。

图1中的微分器是一个辅助的快通路，可以作为补偿电路而成为本线性稳压源的核心组成部分。微分器不仅可提供一个快速瞬态检测通路，而且还可作为交流稳定性补偿。实际上，可以简单地把耦合网络理解为一个单位增益电流缓冲器。Cf感应的输出电压变化可转化为电流信号if，然后通过耦合网络注入到功率管的栅电容。补偿电路分离极点，类似于常规的密勒补偿结构，也可以改善环路的速度。假设负载阶跃电流为△ILOAD，那么，它将产生一个输出电压纹波△VOUT，同时Cf流过的电流对Cg进行冲放电，从而改变MP管的漏电流来补偿△ILOAD，并最终使Vout回到其稳定点。减小输出纹波所需耦合电容的数值可以通过分析图1中的电路得到。假设流过Rf1和Rf2的电流忽略不计，那么功率管栅电压的变化所对应的补偿电流为：

对于一个电流幅度为0～50 mA，最大输出纹波电压为100 mV的线性稳压器来说，假设Gmp=50 mA／V，CG=5 pF，补偿电容Cf为10CG=50 pF；那么，耦合电容的取值就必须保证在无负载或者最小Gmp时都能保持最小的输出纹波。因此，负载瞬态工作电流从低到高变化时，需要更多的耦合电容。
很明显，所需的耦合电容太大不利于片内集成。所以，需要一种减小Cf大小并保持有效耦合电容的技术。为了分析电路，图2给出了一个简单的开环等效电路图。如果电阻的阻抗相比于电容要小的话，那么流过电容的电流通过电阻RZ将转化为电压，然后通过Gmf再转化为电流。由伪微分电路构成的辅助电路可通过以下方式来提高有效补偿电容：

在上述表达式中，假设寄生极点1／RzCf位于高频范围。Gmf的作用将体现在两个方面：第一是Cf可以通过GmfRz来减小其数量级，第二是可消除Cf容所引起的前馈通路的影响。