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LDO设计讨论邢向邢向邢向邢向龙龙上海复旦微电子股份有限公司2008年04月03日1LDOLDO与与DC-DCDC-DCLDODC-DCVin vs. VoutVoutVinVoutVin BoostResponse timeFastSlowEfficiencyLowHighNoiseLowHigh (Clock)CostLow (C)High (L+C)2022/6/262LDOLDO设计参数参数稳态稳态参数：静参数：静参数：静参数：静态态功耗，功耗，功耗，功耗，DropoutDropout电压电压，精度（，精度（，精度（，精度（负负载调载调整率，整率，整率，整率，线线性性性性调调整率），温度特性，效率整率），温度特性，效率整率），温度特性，效率整率），温度特性，效率动态动态参数：参数：参数：参数：线线性瞬性瞬性瞬性瞬态态响响响响应应，负载负载瞬瞬瞬瞬态态响响响响应应，启，启，启，启动动时间时间频频率参数：率参数：率参数：率参数：稳稳定性，定性，定性，定性，PSRRPSRR，噪声，噪声，噪声，噪声其他：面其他：面其他：面其他：面积积Trade-off!2022/6/263LDOLDO设计参数参数LDO ApplicationLDO Application CL: uF (external)CL: uF (external) Dropout:Dropout:Load regulation:Load regulation:Line regulation:Line regulation:Efficiency:Efficiency:低低低低dropoutdropout电压电压意味着更大的面意味着更大的面意味着更大的面意味着更大的面积积！2022/6/264LDOLDO架构架构由由由由调调整管，整管，整管，整管，电电阻反阻反阻反阻反馈馈网网网网络络和控制和控制和控制和控制电电路构成的路构成的路构成的路构成的负负反反反反馈环馈环路使得当路使得当路使得当路使得当ViVoViVo时时，根据根据根据根据负载电负载电流的大小改流的大小改流的大小改流的大小改变调变调整管的整管的整管的整管的导导通能力，使通能力，使通能力，使通能力，使VoVo在一定在一定在一定在一定负载负载范范范范围围内保持内保持内保持内保持稳稳定定定定输输出出出出可供可供可供可供选择选择的的的的调调整管器件包括整管器件包括整管器件包括整管器件包括PMOSPMOS，NMOSNMOS，NPNNPN，PNPPNP和和和和DarlingtonDarlington管管管管,PMOS,PMOS是各方面性能（静是各方面性能（静是各方面性能（静是各方面性能（静态态功耗，功耗，功耗，功耗，导电导电能力，速度，能力，速度，能力，速度，能力，速度，dropoutdropout电压电压和工和工和工和工艺艺等）等）等）等）折中考折中考折中考折中考虑虑后最好的后最好的后最好的后最好的选择选择，也是最常，也是最常，也是最常，也是最常见见的的的的调调整管器件整管器件整管器件整管器件2022/6/265LDOLDO架构架构Pass element: PMOS, gmpPass element: PMOS, gmpEA: Error amplifier with gain of A1EA: Error amplifier with gain of A1Buffer: optional, gainBuffer: optional, gain11Feedback loop: EA+buffer+PMOS+R1|R2Feedback loop: EA+buffer+PMOS+R1|R2Protection circuits: Thermal, Protection circuits: Thermal, Overcurrent, Reverse battery protection Overcurrent, Reverse battery protection CL: uF; Resr: 0several ohms CL: uF; Resr: 0several ohms 2022/6/266LDOLDO架构架构Loop gain:Loop gain:Load regulation:Load regulation:Line regulation:Line regulation:Frequency response:Frequency response:2022/6/267设计考考虑LDOLDO的的的的环环路路路路稳稳定性是关定性是关定性是关定性是关键键，负载电负载电流流流流变变化大（化大（化大（化大（00几十或者几百几十或者几百几十或者几百几十或者几百mA)mA)为频为频率率率率补偿带补偿带来来来来难难度（度（度（度（输输出端的极点位置出端的极点位置出端的极点位置出端的极点位置变变化很大，化很大，化很大，化很大，rdsrds与与与与输输出出出出电电流成反比）流成反比）流成反比）流成反比）低低低低dropoutdropout电压电压大大大大负载电负载电流要求芯片的面流要求芯片的面流要求芯片的面流要求芯片的面积积增大，使得寄生极点的增大，使得寄生极点的增大，使得寄生极点的增大，使得寄生极点的频频率率率率比比比比较较低，增加低，增加低，增加低，增加补偿难补偿难度度度度低功耗可以增加低功耗可以增加低功耗可以增加低功耗可以增加环环路增益，但同路增益，但同路增益，但同路增益，但同时时会使会使会使会使LDOLDO瞬瞬瞬瞬态态特性特性特性特性变变差差差差，在，在，在，在电电源源源源电压电压不不不不变变的情况下，低功耗同的情况下，低功耗同的情况下，低功耗同的情况下，低功耗同时时也意味着芯片面也意味着芯片面也意味着芯片面也意味着芯片面积积增大增大增大增大增加增加增加增加环环路增益和路增益和路增益和路增益和调调整管尺寸可改善整管尺寸可改善整管尺寸可改善整管尺寸可改善负载调负载调整率和整率和整率和整率和线线性性性性调调整率整率整率整率2022/6/268LDOLDO频率率补偿1. 1. 使用使用使用使用ESRESR补偿补偿原理：使用原理：使用原理：使用原理：使用ESRESR电电阻与阻与阻与阻与CoCo构成的零点抵消一个次极点影响构成的零点抵消一个次极点影响构成的零点抵消一个次极点影响构成的零点抵消一个次极点影响频频率响率响率响率响应应最差情况最差情况最差情况最差情况发发生在最大生在最大生在最大生在最大负载时负载时，此，此，此，此时时主极点主极点主极点主极点处处于于于于较较高高高高频频率，高率，高率，高率，高频频极点有可能落在极点有可能落在极点有可能落在极点有可能落在单单位增益位增益位增益位增益带宽带宽之内，使相位裕度之内，使相位裕度之内，使相位裕度之内，使相位裕度变变差差差差这这种方法的缺点在于种方法的缺点在于种方法的缺点在于种方法的缺点在于电电容的容的容的容的ESRESR受到温度，受到温度，受到温度，受到温度，电压电压，频频率和材料等因素影响，不率和材料等因素影响，不率和材料等因素影响，不率和材料等因素影响，不够稳够稳定，定，定，定，ESRESR的取的取的取的取值值范范范范围围根据不同的根据不同的根据不同的根据不同的应应用有一定限制，且用有一定限制，且用有一定限制，且用有一定限制，且ESRESR的引入会的引入会的引入会的引入会对对LDOLDO的瞬的瞬的瞬的瞬态态特性特性特性特性带带来不利来不利来不利来不利影响影响影响影响2022/6/269LDOLDO频率率补偿LDOLDO的的的的bufferbufferPxPx和和和和ZxZx产产生原理生原理生原理生原理增益提高的增益提高的增益提高的增益提高的频频率响率响率响率响应应加入加入加入加入bufferbuffer增加增加增加增加对调对调整管的整管的整管的整管的驱动驱动能力能力能力能力第一第一第一第一级级运放用运放用运放用运放用cascodecascode提高增益提高增益提高增益提高增益CffCff产产生一生一生一生一对对零极点，保零极点，保零极点，保零极点，保证证UGBUGB不不不不变变2022/6/2610LDOLDO频率率补偿2. 2. 密勒密勒密勒密勒电电容容容容补偿补偿原理：利用原理：利用原理：利用原理：利用MillerMiller电电容倍乘原容倍乘原容倍乘原容倍乘原理，将理，将理，将理，将误误差放大器的差放大器的差放大器的差放大器的输输出出出出补补偿为偿为主极点主极点主极点主极点电电流流流流镜镜比例因子比例因子比例因子比例因子第二第二第二第二级级跨跨跨跨导导第一第一第一第一级级跨跨跨跨导导第二第二第二第二级输级输出阻抗出阻抗出阻抗出阻抗CL:1.5nF20uF, ESR:03CL:1.5nF20uF, ESR:03Iout:0200mA, Iq:30uAIout:0200mA, Iq:30uADc gain:60dB, UGB: tens of khzDc gain:60dB, UGB: tens of khz2022/6/2611LDOLDO频率率补偿电电容倍乘原理容倍乘原理容倍乘原理容倍乘原理2022/6/2612LDOLDO频率率补偿3. 3. 零点零点零点零点- -极点跟踪极点跟踪极点跟踪极点跟踪补偿补偿原理：利用可原理：利用可原理：利用可原理：利用可变电变电阻阻阻阻ZcZc和和和和补偿补偿电电容容容容CcCc构成的零点抵消构成的零点抵消构成的零点抵消构成的零点抵消输输出端出端出端出端极点极点极点极点K K是常数。

是常数Dc gain:72dB, PM:86Dc gain:72dB, PM:86 UGB: around 1khzUGB: around 1khzIout:0100mAIout:0100mA2022/6/2613LDOLDO频率率补偿4. 4. 压压控控控控电电流源流源流源流源(VCCS)(VCCS)补偿补偿VCCSVCCS引入零点引入零点引入零点引入零点补偿补偿VCCSVCCS的的的的实现实现原理：通原理：通原理：通原理：通过过VCCSVCCS引入一个零点引入一个零点引入一个零点引入一个零点优优点：消除了点：消除了点：消除了点：消除了ESRESR要求要求要求要求CL:2.2uF, ESR:100mCL:2.2uF, ESR:60Dc gain:40-70dB, PM:60 UGB: 250khz650khzUGB: 250khz650khz2022/6/2614LDOLDO频率率补偿5. Adaptive miller compensation (AMC) + phase_lead compensation5. Adaptive miller compensation (AMC) + phase_lead compensationAMCAMCPhase lead compensationPhase lead compensation2022/6/2615LDOLDO频率率补偿电电路路路路实现实现RmRm为为一随着一随着一随着一随着负载电负载电流流流流变变化而化而化而化而变变化的化的化的化的电电阻，所以阻，所以阻，所以阻，所以ZmZm是一个可是一个可是一个可是一个可变变零点，超前相位零点，超前相位零点，超前相位零点，超前相位补偿补偿在大在大在大在大负载电负载电流流流流时时用用用用ZfZf来增加来增加来增加来增加环环路的相位裕度路的相位裕度路的相位裕度路的相位裕度CL:2.2uFCL:2.2uFIout:03AIout:03ADc gain:60dB, PM:60Dc gain:60dB, PM:60 PSRR: -30dB20khz10mAPSRR: -30dB20khz10mA2022/6/2616LDOLDO频率率补偿6. Damping factor control compensation6. Damping factor control compensationCout0, Iout=0Cout0, Iout=0Cout0, 。