快速瞬态低压差电源设计罗东旭

快速瞬态低压差电源设计罗东旭

罗东旭

（上海交通大学微电子学院上海200240）

摘要：本文在综合考虑稳定性及瞬态响应性能的基础上，采用电荷泵技术设计了一种芯片内部电源，使芯片能在3V~40V的输入电压下工作。电路采用源极跟随器产生芯片内部电源，具有很高的稳定性及很快的响应速度。电路基于uvton0.35umbicmos工艺设计，仿真结果显示，使用相同的版图面积，新方案的瞬态响应明显优于传统方案。

关键词：快速瞬态响应；宽输入电压范围；低压差

0.引言

随着同步整流技术和快速充电技术的发展，输出级芯片需要在3V~40V的电压范围内工作。通常在芯片内部有一个LDO产生一个内部低压电压源，基于该低压电压源设计芯片内部电路。

内部电路工作时的瞬态电流能达到10mA，持续时间约2ns~10ns。需要LDO具有很快的响应速度。通常的做法是在LDO的输出端放置一个1nF的电容以稳定LDO的输出电压，这需要一个输出引脚和一个外置电容。

本文采用源极跟随器产生内部电压源，电路具有很快的响应速度，且电路简单，不需要额外的Pin和外围元器件。表1是芯片内部电源的规格。

1.1电荷泵

虚线框中的电路为电荷泵电路。VCC上电过程可分为四个阶段：

第一阶段：当VCC小于M2的阈值电压时，VDD等于0V。当VCC超过M2的阈值电压时，VDD=VCC-VTHM2。当VDD≈1V（即VCC≈1V+VTHM2）时，振荡器开始工作，电荷泵电路进入第二阶段。

第二阶段：振荡器开始工作后，电荷泵进入工作状态。V0输出占空比50%的方波，方波的高电平为VDD，方波的低电平为0V。在方波的前1/2周期，V0=0V，V1=VCC-VTHM5≥1V，C1电容上下极板之间的压差Vc1=V1=VCC-VTHM5。在方波的后1/2周期，V0=VDD，V1=V0+Vc1=VDD+VCC-VTHM5，V2=V1-Vd=VDD+VCC-VTHM5。在VCC<VTHM5+VTHM4=2*VTH时，M4截止。此时VDD=VCC-VTHM2。当下一个周期到来时，V0=0V，V1=VCC-VTHM5，此时D1反向截止，C2电容上的电压维持为VDD+VCC-VTHM5。电路在此稳态下工作。当VCC增加到2*VTH+Vd时，M4将导通，电荷泵电路进入第三阶段。

第三阶段：在方波的前1/2周期，V0=0V，V1=VCC-VTHM5，C1电容上下极板之间的压差Vc1=V1=VCC-VTHM5。在方波的后1/2周期，V0=VDD，V1=V0+Vc1=VDD+VCC-VTHM5，此时VDD≈VCC。

第四阶段：反馈控制电路开始工作。当VDD>4V时，比较器输出高电平，M6导通，V2通过R3对地放电，使V2降低，以达到降低VDD的目的。

1.2反馈控制回路：

反馈控制回路由M3、M4、R1、R2、R3和比较器构成。VDD经R1、R2分压后与Vref做比较，当比较器正端电压V+高于Vref时，比较器输出高电平，M6导通，反馈回路通过R3给V2放电。

比较器的正端电压V+=R1/（R1+R2）*VDD=0.38*VDD，当VCC<3.3V时，V+<3.3V*0.38=0.125V，比较器的输出电压Vo=0V。此时R3不对V2放电。

当VCC>3.3V时，在V0由‘0’上升到‘1’的过程中，C1上极板的电荷通过D1转移到C2上极板。

1.3源极跟随器

图1所示的M4是一个源极跟随器，用于提供芯片工作电流。源极跟随器具有很快的响应速度。在图1的电路中，当VDD负载电流由IDD突变为Iload时，VDD的电压变化量

2.仿真结果

线路使用Cadence仿真，采用0.35um40VBicmos工艺，验证了设计方案。在采用和LDO方案相同的版图面积的情况下，新方案明显优于LDO方案。

对比传统方案，新方案在VCC>1.5V时即能使VDD跟随VCC线性变化，传统方案需要在VCC>2.5V后才能使VDD跟随VCC线性变化。传统LDO方案VDD的下跳变量位433mV，上跳变量为94.1mV。新方案的下跳变量为232mV，上跳变量为23.7mV。新方案明显优于LDO方案。仿真结果达到预期目标。

3.结论

本文给出了一种产生芯片内部电源的方法，通过源极跟随器产生芯片内部电源，在极宽的输入电压范围内能保持内部电源的稳定。采用电荷泵技术提升源极跟随器栅极的电压，减小了源极跟随器源极-漏极的电压差。电路基于uvton0.35umbicmos工艺设计和仿真，在输出负载由100uA跳变到4mA时，下冲电压仅255mV，响应世间仅60ns，远小于LDO方案。

参考文献：

[1]MANTY，MOKPTK，CHANM.AHighSlew-RatePush-PullOutputAmplifierforLow-QuiescentCurrentLowDropoutRegulatorsWithTransient-ResponseImprovement[J]，CircuitsandSystemsII：ExpressBriefs，IEEETransactionson，2007，vol.54，pp.755-759.

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