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1、1,LDO设计讨论邢向龙,上海复旦微电子股份有限公司2008年04月03日,2023/1/16,2,LDO与DC-DC,2023/1/16,3,LDO设计参数,稳态参数：静态功耗，Dropout电压，精度（负载调整率，线性调整率），温度特性，效率动态参数：线性瞬态响应，负载瞬态响应，启动时间频率参数：稳定性，PSRR，噪声其他：面积,Trade-off!,2023/1/16,4,LDO设计参数,LDO Application CL:uF(external),Dropout:,Load regulation:,Line regulation:,Efficiency:,低dropout电压意味着更
2、大的面积！,2023/1/16,5,LDO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ViVo时，根据负载电流的大小改变调整管的导通能力，使Vo在一定负载范围内保持稳定输出可供选择的调整管器件包括PMOS，NMOS，NPN，PNP和Darlington管,PMOS是各方面性能（静态功耗，导电能力，速度，dropout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,2023/1/16,6,LDO架构,Pass element:PMOS,gmpEA:Error amplifier with gain of A1Buffer:optional,gain1Feedback
3、loop:EA+buffer+PMOS+R1|R2,Protection circuits:Thermal,Overcurrent,Reverse battery protection CL:uF;Resr:0several ohms,2023/1/16,7,LDO架构,Loop gain:,Load regulation:,Line regulation:,Frequency response:,2023/1/16,8,设计考虑,LDO的环路稳定性是关键，负载电流变化大（0几十或者几百mA)为频率补偿带来难度（输出端的极点位置变化很大，rds与输出电流成反比）低dropout电压大负载电流要
4、求芯片的面积增大，使得寄生极点的频率比较低，增加补偿难度低功耗可以增加环路增益，但同时会使LDO瞬态特性变差，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,2023/1/16,9,LDO频率补偿,1.使用ESR补偿,原理：使用ESR电阻与Co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位增益带宽之内，使相位裕度变差这种方法的缺点在于电容的ESR受到温度，电压，频率和材料等因素影响，不够稳定，ESR的取值范围根据不同的应用有一定限制，且ESR的引入会对LDO的瞬态特性带来
5、不利影响,2023/1/16,10,LDO频率补偿,LDO的buffer,Px和Zx产生原理,增益提高的频率响应,加入buffer增加对调整管的驱动能力第一级运放用cascode提高增益Cff产生一对零极点，保证UGB不变,2023/1/16,11,LDO频率补偿,2.密勒电容补偿,原理：利用Miller电容倍乘原理，将误差放大器的输出补偿为主极点,CL:1.5nF20uF,ESR:03Iout:0200mA,Iq:30uADc gain:60dB,UGB:tens of khz,2023/1/16,12,LDO频率补偿,电容倍乘原理,2023/1/16,13,LDO频率补偿,3.零点-极点跟
6、踪补偿,原理：利用可变电阻Zc和补偿电容Cc构成的零点抵消输出端极点,K是常数。,Dc gain:72dB,PM:86 UGB:around 1khzIout:0100mA,2023/1/16,14,LDO频率补偿,4.压控电流源(VCCS)补偿,VCCS引入零点补偿,VCCS的实现,原理：通过VCCS引入一个零点优点：消除了ESR要求,CL:2.2uF,ESR:60UGB:250khz650khz,2023/1/16,15,LDO频率补偿,5.Adaptive miller compensation(AMC)+phase_lead compensation,AMC,Phase lead co
7、mpensation,2023/1/16,16,LDO频率补偿,电路实现,Rm为一随着负载电流变化而变化的电阻，所以Zm是一个可变零点，超前相位补偿在大负载电流时用Zf来增加环路的相位裕度,CL:2.2uFIout:03ADc gain:60dB,PM:60PSRR:-30dB20khz10mA,2023/1/16,17,LDO频率补偿,6.Damping factor control compensation,Cout0,Iout=0,Cout0,Iout0,Cout=0,Iout0,2023/1/16,18,LDO频率补偿,电路实现,CL:Free(0,10uF in paper,Cm1+
8、Cm2+CF190dB,PSRR:-30dB1MhzVref:302.24mV,TC(LDO):38ppm/,2023/1/16,19,LDO频率补偿,7.Pole-zero pairs cancellation scheme,原理：产生一系列成对零极点，Zi=10*Pi，其对相位的作用互相抵消Case 1:CL=0,输出极点频率很高，PM=135Case 2:CL0，ESR=0,PM45Case 3:CL0，ESR 0,PMPM_case2,CL:047uFIout:0150mA,Iq:90uADc gain:40dBVout=2.5VESR:0RL_min,2023/1/16,20,LDO
9、频率补偿,8.Internal miller compensation(acts only at heavy load),Error Amplifier,原理：通过该结构将两个次极点（P2和P3）推向高频，P1为主极点，miller补偿和零点在大电流负载时起作用,CL:2.2uF,vref=0.6vIout:0100mA,Iq=47uALoad_reg:0.1mV/mA,2023/1/16,21,设计实例,设计指标：最大电流负载300mACL=2.2uF静态电流50uADropout电压120mV输入电压3.34.2V输出电压3.3VPSRR:50dB,2023/1/16,22,设计实例,误差
10、放大器,补偿网络,PMOS PASS,电阻反馈,PMOS Buffer,瞬态性能增强电路,2023/1/16,23,设计实例,误差放大器采用单极对称结构的运放，buffer用PMOS源极跟随器实现，增加对PMOS调整管的驱动能力，频率补偿采用miller电容和动态零点（可变MOS电阻+固定电容）相结合的方法，为提高LDO在负载突变时的瞬态响应，增加了瞬态性能增强电路。,Equations:,(k=4),(A=1/1000,B=1/4),(C=1/1000),2023/1/16,24,设计实例,设计步骤：根据输入电压、最大负载电流以及dropout指标计算调整管尺寸根据静态功耗指标为各模块分配功
11、耗设计基准电压设计误差放大器和反馈网络设计频率补偿设计其他辅助电路整体协调仿真,2023/1/16,25,设计实例,误差放大器：单极结构，有利于频率补偿直流增益55dB左右，LDO环路增益主要由该极增益贡献功耗10uA，考虑瞬态性能(slew rate)，功耗不能太小对称结构，可利用miller电容倍乘效应,也可采用cascode结构获得更高的直流增益，代价是增加功耗,2023/1/16,26,设计实例,Steady-state characteristics,静态电流,输出电压,负载电流,Dropout电压,静态电流,由于在瞬态性能增强电路以及过流保护电路中对负载电流按一定比例采样，因此静态
12、电流随着负载电流增大而增大,I_load:0300mAI_q:45uA890uA,2023/1/16,27,设计实例,Steady-state characteristics,2023/1/16,28,设计实例,LDO环路增益随着负载电流增大略有下降，增益的减小主要来源于输出级，PMOS的跨导与负载电流平方根成正比，而其输出阻抗与输出电流成反比,环路的零极点分布与负载电流相关，大负载电流时，主极点等效在误差放大器的输出，而小电流时主极点位于LDO输出端,Frequency responseBode Diagram,2023/1/16,29,设计实例,Frequency responsepole
13、-zero tracking,(a),(b),(c),2023/1/16,30,设计实例,Frequency responsepower supply rejection,电源抑制比的低频值与线性调整率相同，随着频率升高，电源抑制比迅速下降，这是因为在高频情况下，从电源到LDO输出路径上的电容耦合效应迅速增强,当Vin=4.2V,Iout=10mA时，频率为100Hz时的PSRR为54dB，随着电源电压减小，PSRR减小，这是由于环路增益也随电源电压下降,2023/1/16,31,设计实例,Transient response,典型的LDO负载瞬态响应,与环路的相位裕度有关,与闭环带宽及调整管
14、栅极slew_rate有关,2023/1/16,32,设计实例,Transient responseESR effect,对于负载电流突变的情况，ESR电阻会对输出电压的瞬态变化产生一定影响，在同样的负载电流变化条件下，ESR电阻越大，输出电压的尖峰越大，本例中电压尖峰持续时间200ns,2023/1/16,33,设计实例,Transient response,Load Transient,Line Transient,undershoot:132mv;overshoot:82mv,overshoot:130mv;undershoot:38mv,2023/1/16,34,设计实例,Transi
15、ent response,瞬态性能增强电路（C_par100pF）,作用：增强瞬态响应性能（w:ov=79mv,wo:ov=893mv）改善频率响应特性（w:PM(300mA)=76,wo:PM(300mA)=30.5）,2023/1/16,35,设计实例,温度特性(TT:20ppm),功率效率,LDO温度特性与基准电压温度特性和反馈网络温度特性密切相关,LDO功率效率与输入电压和负载电流相关，输入电压越低，负载电流越大，效率越高,Other characteristics,2023/1/16,36,参考文献,Ricon-mora,current efficient low voltage l
16、ow dropout regulator.Ka Chun Kwok,Pole-zero tracking frequency compensation for low dropout regulator,2002 IEEE.Ricon-mora,active capacitor multiplier in miller-compensated circuits,IEEE transactions on solid state circuits,Vol.35,No.1,January 2000.Wei Chen,et al,Dual-loop feedback for fast low drop
17、out regulators,2001 IEEE.Texas Instruments,Technical review of low dropout voltage regulator operation and performance,August 1999.Chaitanya K.Chava,A frequency compensation scheme for LDO voltage regulators,IEEE Trans.On circuits and systems-1:regular papers,VOL.51,No.6,June,2004.,2023/1/16,37,参考文献
18、,Thanks,Lai Xin Quan,et al,A 3-A CMOS low-dropout regulator with adaptive miller compensation,Analog Integr.Circ.Sig.Process,2006,49:5-10.Hsuan-I Pan,et al,A CMOS low dropout regulator stable with any load capacitor,2004 IEEE.Akira Yamazaki,et al,A frequency compensation technique for variable output low dropout regulators,2006 IEEE.Ka Nang Leung,et al,A capacitor free CMOS low-dropout regulator with damping-factor-control frequency compensation,IEEE JSSC,Vol.38,No.10,October 2003.,
