本文設計的低壓差線性穩(wěn)壓器其輸出電壓為2.5V或輸出可調，滿足當負載為1mA時，最小輸入輸出壓差為0.4mV,當負載為300mA時，壓差為120mV,電源電壓工作范圍為2.5~6V.

電路結構與工作原理

低壓差線性穩(wěn)壓器的電路結構如圖1所示，電路由調整管，帶隙基準電壓、誤差放大器、快速啟動、過流限制、過熱保護、故障檢測、及取樣電阻網(wǎng)絡等模塊 組成，并具有使能、輸出可調等功能。調整管作為壓差的負載器件，要滿足本設計的要求，對于它的選擇需重點考慮：首先比較三極管和MOS管，由于三極管是流 控器件，而MOS管是壓控器件，比較而言MOS管結構的靜態(tài)電流更低。其次，NMOS管工作時需一比輸出電壓高的驅動信號，而PMOS管則無此需求，特別 在低輸入電壓時要產(chǎn)生一高的驅動電壓變得較困難。因此，本文采用PMOS管作為調整管。


電路的工作原理是：在電路上電過程中，快速啟動電路內(nèi)有一個500μA的電流源的對CC端的旁路電容C充電，使電路盡快上電啟動，誤差運放的同相端 經(jīng)由取樣電阻R1、R2對輸出電壓V0采樣，再與Vref比較后輸出放大信號，控制調整PMOS管的柵極電壓，使輸出電壓V0保持穩(wěn)定，即：

電路在工作過程中出現(xiàn)過流、過熱情況時，過流限制與過熱保護電路會快速響應，調整管的導通狀態(tài)會被減弱、關斷，保護電路不致?lián)p壞，同時故障檢測電路 會產(chǎn)生一個低電平信號。使能端接高電平時電路正常工作;當使能端為低電平時，基準電路及調整PMOS管關斷，電路處于等待狀態(tài)。

關鍵特性分析及設計考慮

1、漏失電壓(VDO)和靜態(tài)電流(Iq)

漏失電壓定義為維持穩(wěn)壓器正常工作的最小輸入輸出電壓差，它是反映調整管調整能力的一個重要因素。對采用PMOS管作調整管的電路，漏失電壓由導通 電阻(Ron)和負載電流(Io)確定，即： VDO = Io×Ron.低壓差線性穩(wěn)壓器的靜態(tài)電流為輸入電流與輸出電流之差，即： Iq = Ii -Io.靜態(tài)電流由偏置電流和調整管的柵極驅動電流組成。對PMOS調整管而言，柵極由電壓驅動，幾乎不產(chǎn)生功耗。在穩(wěn)壓器承載小負載或空載時，漏失電壓 極低，靜態(tài)電流等于穩(wěn)壓器工作時的總偏置電流。設計時注意使PMOS調整管的導通電阻和漏電流盡可能做小，各模塊電路在小電流狀態(tài)下能正常工作。

2、功耗( Pw)和效率(η)

低壓差線性穩(wěn)壓器的功耗為輸入能量與輸出能量之差，即：

PW = VI II - VO IO = ( VI - VO) IO + VI Iq

上式中，前一項是調整管產(chǎn)生的功耗，后一項是靜態(tài)電流功耗。穩(wěn)壓器效率如前所述可表示為：

η= IO VO / ( IO + Iq ) VI×100 %

功耗與效率的表達式充分說明對于低壓差線性穩(wěn)壓器，低漏失電壓、低靜態(tài)電流意味著低功耗、高效率。

3、負載調整能力和電壓調整能力

負載調整能力指當輸出電流變化時，輸出電壓維持一定值的能力，定義為：ΔVO /ΔIO,它表征了負載變化而穩(wěn)壓器維持輸出在標稱值上的能力，該值越小越好。電壓調整能力指當輸入電壓變化時，輸出電壓維持一定值的能力，定義 為：ΔVO /ΔVI,它表征了輸入電壓變化而穩(wěn)壓器維持輸出在標稱值上的能力，該值也是越小越好。對圖1的電路結構其負載調整能力和電壓調整能力分別為：

其中gm為調整管的跨導;Aod為誤差放大器的開環(huán)差模增益;Rds為調整管源漏間的等效電阻;RL為負載電阻;R1、R2為取樣電阻。由上式可見，減小ΔVO÷ΔIO和ΔVO÷ΔVI的關鍵是盡可能增大gm和Aod.

4、瞬態(tài)響應

瞬態(tài)響應是穩(wěn)壓器的動態(tài)特性，指負載電流階躍變化引起輸出電壓的瞬態(tài)脈沖現(xiàn)象和輸出電壓恢復穩(wěn)定的時間，與輸出電容COUT和輸出電容的等效串聯(lián)電阻RESR,以及旁路電容Cb有關，最大瞬態(tài)電壓脈沖值ΔVTR(MAX)為：

其中： IO(MAX)是指發(fā)生階躍變化的最大負載電流;Δt1是穩(wěn)壓器閉環(huán)的響應時間，與穩(wěn)壓器閉環(huán)帶寬(0dB頻率點)有關。設計應用時需考慮降低穩(wěn)壓器的瞬態(tài)電壓脈沖，即提高穩(wěn)壓器的帶寬，增大輸出和旁路電容，降低其等效電阻。

5、輸出精度

穩(wěn)壓器的輸出精度是由多種因素的變化在輸出端共同作用的體現(xiàn)，主要有輸入電壓變化引起的輸出變化ΔVLR、負載變化引起的輸出變化ΔVLDR、基準 漂移引起的輸出變化ΔVref、誤差放大器失調引起的輸出變化ΔVamp、采樣電阻阻值漂移引起的輸出變化ΔVres、以及工作溫度變化引起的輸出變化 ΔVTC,輸出精度ACC由下式給出：

其中ΔVref、ΔVamp及ΔVres對ACC影響較大，故基準電壓源、誤差放大器及采樣電阻網(wǎng)絡的拓撲結構在設計時需重點考慮。

電路設計及模擬結果

1、帶隙基準電壓源的設計

基準電壓源是線性穩(wěn)壓器的核心模塊，是影響穩(wěn)壓器精度的最主要因素。帶隙基準電壓源的工作原理是利用晶體管的VBE所具有的負溫度系數(shù)與不同電流密度下兩晶體管之間的ΔVBE所具有正溫度系數(shù)的特性，乘以合適的系數(shù)使二者相互補償，從而得到低溫漂的輸出電壓。

電路實現(xiàn)如圖2所示，有：

其中n為Q1、Q2的發(fā)射區(qū)面積比。HspICe模擬結果表明，當電源電壓變化范圍在2.5~6V之間時，常溫下VREF = 1.254V,溫度變化范圍在-30~120℃之間時，溫漂系數(shù)小于10×10-6/℃。


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