一种应用于MCU 的宽电流范围全集成LDO 设计

诸葛坚

(金华职业技术学院,浙江 金华321017)

微控制器芯片(MCU)在工业控制、智能设备、家用电器、医疗仪器、汽车电子、军事设备等领域都有广泛的应用。特别是随着产业升级、数字赋能等政策的提出和落实,MCU 的市场需求也出现了井喷式的增长。

为了适应不同的工作环境,MCU 一般都有多种工作模式,主要包括正常工作模式、待机模式、掉电模式等等。在正常工作模式下,MCU的工作电流很大且负载电流跳变得厉害,这就需要给MCU 供电的线性稳压电源(LDO)具有很好的瞬态响应特性；在待机模式和掉电模式下,MCU 都是低功耗运行,这也要求给MCU供电的LDO 也是超低功耗的。而低功耗和高瞬态响应是两个相互矛盾的指标。为此,本文设计了一款给MCU 供电的LDO,可以满足MCU 在不同工作模式下对电源的需求。

1 LDO 的结构

为了适应MCU 不同的工作模式,本文设计的LDO 结构框图如图1 所示,主要包括一个低功耗LDO、一个主LDO,且两个LDO 的输出并联,共用输出电容C0。当MCU 工作于低功耗模式时,EN=0,主LDO 完全关断,只有低功耗LDO 给单片机供电；当MCU 工作在正常模式时,EN=1,主LDO 开启,以满足MCU 大负载电流和快速瞬态响应的供电要求。

图1 本文设计的LDO 结构框图

2 低功耗LDO 设计

低功耗LDO 由主要由启动电路、零温漂的参考电压产生电路、误差放大器、功率输出级这四部分构成,电路如图2 所示。低功耗参考电压产生电路的核心主要由PMOS 管PM2～PM7、NMOS管NM1～NM5、电阻R1～R2组成。其中NM1、NM2、NM5工作于亚阈值区,其他管子工作于饱和区。该参考电压产生器主要利用MOS 管工作于亚阈值区和饱和区不同的温度特性,来产生具有零温度系数的参考电压。经过计算得到参考电压:VREF=I2×R2+VGS5。其中第一项I2×R2有正温度系数,处于亚阈值区NM5的栅源电压VGS5具有负温度系数。通过合理设置器件尺寸、电阻R2和R1的值就可以得到0 温度系数的电压VREF1。根据处于亚阈值区和饱和区MOS 管的电压电流特性,忽略MOS 管的体效应,可以计算得到参考电压的详细值为:

图2 低功耗LDO 电路图

在T=T0附近对公式1 进行一阶泰勒展开,可以得到:VREF≈A+B(T-T0)。想要同时实现一阶温度补偿,只要使一阶泰勒展开式的系数B 等于0 即可。PM0、PM1、NM0构成零损耗的启动电路。当电源启动的时候,电压脉冲通过PM1的源极、栅极到NM0,NM0构成的电容让脉冲电压到地,PM1将导通,使参考电压产生电路脱离简并状态而正常工作。当参考电压产生电路正常工作以后,电流镜PM0会一直给电容NM0充电,直至PM1的栅极电压等于电源电压VCC,此时启动电路不工作,也不产生任何功耗。误差放大器由PM8～PM13、NM7～NM10构成。功率输出级由NM11以及电阻R3、R4组成,采用源极跟随器的结构,让低功耗LDO 的主极点位于误差放大器的输出级,以确保系统稳定。

3 主LDO 设计

主LDO 主要由带隙基准和稳压核心电路组成,电路如图3所示。带隙基准电路的主要工作原理是通过运放OP、双极型三极管Q0和Q1,MOS 管PM21和PM22以及电阻R21产生的电流I1=(VBE1-VBE2)/R21=UT×lnN/R21,该电流具有正温度系数。带隙基准的输出电压VREF2=UT×lnN×R22/R21+VBE1。三极管的基极-发射极电压VBE具有负温度系数,因此可以通过调节电阻R22和R21的比值,就可以使带隙基准的输出电压达到零温度系数。为了减少片外元器件,主LDO 没有使用片外电容,是全集成LDO。而当MCU正常工作时,电源电流跳变得非常厉害,因此主LDO 的设计关键是必须具备快速的瞬态响应。

图3 主LDO 电路图

4 两个LDO 的切换

如何避免主LDO 和低功耗LDO 在切换的时候引起LDO 输出电压波动,这个也是需要关注的问题。如图1所示,主LDO 和低功耗LDO 的输出是并联以后同时连接在输出电容C0上。在设计上,低功耗LDO 一直开启,且输出电压需略低于主LDO。当EN=1 时,主LDO 开启,图2 中LDO1_OUT的输出电压也会略高于正 常 情 况,R3、R4电 阻分压以后的电压值也会略高于VREF1,误差放大器输出低电平,功率管NM11关断。由于低功耗LDO 的整体功耗低,每条支路的电流都非常小,为了保证两个LDO 在切换过程中的响应速度,功率管NM11的尺寸也较小。

5 版图与仿真分析

本文设计的宽电流范围全集成LDO 采用UMC 公司的0.11μm CMOS 工艺模型。版图面积是0.102mm2(340um-300um),如图4 所示。图5 是EN 变化引起LDO 静态功耗和输出电压变化的仿真结果。当EN=0 时,只有低功耗LDO 工作,静态功耗只有0.505μA,静态功耗非常低,低功耗LDO 的输出电压为1.457V；当EN=1 时,主LDO 工作,此时LDO 的静态功耗为66.86μA,输出电压为1.498V。主LDO 和低功耗LDO 在切换的瞬间,输出电压最高会上冲到1.917V,最低会跌落到1.147V,在这个电压范围不会影响MCU 的正常工作。图6 是LDO 输出电压随温度变化的仿真结果。当温度从-25℃到125℃变化时,低功耗LDO 的输出电压变化了9.5mV；主LDO 的输出电压变化了4mV。当负载电流在1μS 的时间从10mA 到100mA 阶跃变化时,LDO 输出电压的跌落峰值为107mV,上冲峰值为157mV,具有快速瞬态响应的特性；同时,从图7 可以测得负载调整率(ΔVOUT/ΔIO)为5.56μV/mA。当输入电源电压在1μS 的时间从4V到6V 阶跃变化时,输出电压的跌落峰值为74mV,上冲峰值为111mV；同时,从图8 可以测到电源调整率(ΔVOUT/ΔVIN)为7.5mV/V。

图4 LDO 版图

图5 EN 变化引起LDO 静态功耗和输出电压的变化仿真结果

图6 LDO 输出电压随温度变化仿真结果

图7 负载变化仿真结果

图8 电源变化仿真结果

6 结论

本文针对MCU 应用场景而设计的宽电流范围全集成LDO,根据MCU 不同的工作模式要求,可以控制选择低功耗LDO 还是主LDO 工作。当MCU 工作于低功耗模式时,此时的LDO 静态功耗只有0.505μA；当MCU 工作于正常工作模式时,LDO 具有快速的瞬态响应,这很好地解决了MCU 在不同工作模式下对电源的需求。