本文設(shè)計(jì)的低壓差線性穩(wěn)壓器其輸出電壓為2.5V或輸出可調(diào)，滿足當(dāng)負(fù)載為1mA時(shí)，最小輸入輸出壓差為0.4mV,當(dāng)負(fù)載為300mA時(shí)，壓差為120mV,電源電壓工作范圍為2.5~6V.

電路結(jié)構(gòu)與工作原理

低壓差線性穩(wěn)壓器的電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，電路由調(diào)整管，帶隙基準(zhǔn)電壓、誤差放大器、快速啟動(dòng)、過流限制、過熱保護(hù)、故障檢測、及取樣電阻網(wǎng)絡(luò)等模塊 組成，并具有使能、輸出可調(diào)等功能。調(diào)整管作為壓差的負(fù)載器件，要滿足本設(shè)計(jì)的要求，對于它的選擇需重點(diǎn)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(jié)構(gòu)的靜態(tài)電流更低。其次，NMOS管工作時(shí)需一比輸出電壓高的驅(qū)動(dòng)信號，而PMOS管則無此需求，特別 在低輸入電壓時(shí)要產(chǎn)生一高的驅(qū)動(dòng)電壓變得較困難。因此，本文采用PMOS管作為調(diào)整管。


電路的工作原理是：在電路上電過程中，快速啟動(dòng)電路內(nèi)有一個(gè)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(dòng)，誤差運(yùn)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(diào)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(shí)，過流限制與過熱保護(hù)電路會(huì)快速響應(yīng)，調(diào)整管的導(dǎo)通狀態(tài)會(huì)被減弱、關(guān)斷，保護(hù)電路不致?lián)p壞，同時(shí)故障檢測電路 會(huì)產(chǎn)生一個(gè)低電平信號。使能端接高電平時(shí)電路正常工作;當(dāng)使能端為低電平時(shí)，基準(zhǔn)電路及調(diào)整PMOS管關(guān)斷，電路處于等待狀態(tài)。

關(guān)鍵特性分析及設(shè)計(jì)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(diào)整管調(diào)整能力的一個(gè)重要因素。對采用PMOS管作調(diào)整管的電路，漏失電壓由導(dǎo)通 電阻(Ron)和負(fù)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(diào)整管的柵極驅(qū)動(dòng)電流組成。對PMOS調(diào)整管而言，柵極由電壓驅(qū)動(dòng)，幾乎不產(chǎn)生功耗。在穩(wěn)壓器承載小負(fù)載或空載時(shí)，漏失電壓 極低，靜態(tài)電流等于穩(wěn)壓器工作時(shí)的總偏置電流。設(shè)計(jì)時(shí)注意使PMOS調(diào)整管的導(dǎo)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(xiàng)是調(diào)整管產(chǎn)生的功耗，后一項(xiàng)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(dá)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(fù)載調(diào)整能力和電壓調(diào)整能力

負(fù)載調(diào)整能力指當(dāng)輸出電流變化時(shí)，輸出電壓維持一定值的能力，定義為：ΔVO /ΔIO,它表征了負(fù)載變化而穩(wěn)壓器維持輸出在標(biāo)稱值上的能力，該值越小越好。電壓調(diào)整能力指當(dāng)輸入電壓變化時(shí)，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(biāo)稱值上的能力，該值也是越小越好。對圖1的電路結(jié)構(gòu)其負(fù)載調(diào)整能力和電壓調(diào)整能力分別為：

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

4、瞬態(tài)響應(yīng)

瞬態(tài)響應(yīng)是穩(wěn)壓器的動(dòng)態(tài)特性，指負(fù)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(fù)穩(wěn)定的時(shí)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(guān)，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(fù)載電流;Δt1是穩(wěn)壓器閉環(huán)的響應(yīng)時(shí)間，與穩(wěn)壓器閉環(huán)帶寬(0dB頻率點(diǎn))有關(guān)。設(shè)計(jì)應(yīng)用時(shí)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(fù)載變化引起的輸出變化ΔVLDR、基準(zhǔn) 漂移引起的輸出變化ΔVref、誤差放大器失調(diào)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(zhǔn)電壓源、誤差放大器及采樣電阻網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)需重點(diǎn)考慮。

電路設(shè)計(jì)及模擬結(jié)果

1、帶隙基準(zhǔn)電壓源的設(shè)計(jì)

基準(zhǔn)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(zhǔn)電壓源的工作原理是利用晶體管的VBE所具有的負(fù)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(bǔ)償，從而得到低溫漂的輸出電壓。

電路實(shí)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(jié)果表明，當(dāng)電源電壓變化范圍在2.5~6V之間時(shí)，常溫下VREF = 1.254V,溫度變化范圍在-30~120℃之間時(shí)，溫漂系數(shù)小于10×10-6/℃。


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