LDO漏压状态监测电路的设计

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摘 要:针对ldo稳压器某些情况下输出电压不正常的特点,提出一种除了可监测LDO稳压器的过温过流保护状态以外,还可监测稳压器工作在漏压区状态的故障监测电路,使LDO稳压器的功能更加完善;最后给出了仿真验证结果。

关键词:LDO稳压器;故障监测;漏压区;阈值跟踪

中图分类号:TN710文献标识码:B

文章编号:1004-373X(2010)02-004-03

Design of LDO Dropout Monitoring Circuit

WANG Junqin

(Xi′an University of Arts and Science,Xi′an,710065,China)

Abstract:On some conditions,the output of LDO regulator is not normal.An improved monitoring circuit is put forward,which can monitor not only over thermal and over current protection conditions but also the condition that the regulator works in the dropout region.The new circuit makes the function of LDO regulator more perfect.The simulation results of the improved monitoring circuit is represented.

Keywords:LDO regulator;error monitoring;dropout region;threshold tracking

近年来,便携式电子产品的不断发展对电源管理方案提出了越来越高的要求。由于LDO(Low Drop Out)线性稳压器具有低静态电流,低漏失电压,高效率等特点[1],因而得到广泛的应用。在此介绍一种用于LDO稳压器的误差监测电路,并且给出电路的仿真结果。此电路能够LDO稳压器的过温、过流和漏压状态有效地监测,以便于外部电路采取相应的应对措施[2]。

1 一般的故障监测方法

具有故障监测功能的LDO稳压器[3]系统框图如图1所示,其中比较器用于监测稳压输出是否正常[4]。当稳压器处于限流、过温的状态时,稳压器输出电压变低,比较器输出端FAULT输出低电平,正常时输出高电平。然而,LDO稳压器除了在过温保护和过流保护的状态下输出不正常以外,在输入电压尚未达到稳压器的正常工作电压,稳压器工作在漏压区时,输出电压也不正常。为了监测这种不正常输出的情况,在此提出了一种改进的故障监测电路。

该电路在工作时,除了在稳压器处于过温过流保护的状态的情况下FAULT端输出低电平外,当输入/输出压差低于FAULT阈值时也输出低电平。该FAULT阈值跟踪漏失电压,随着负载电流的变化而变化。

图1 普通LDO稳压器的系统框图

2 改进的故障监测电路

2.1 稳压器的工作状态

如图2所示,当输入电压低于某一电压值时,稳压器停止稳压,这一点的输入/输出电压差就是漏失电压(Dropout Voltage)。

图2 LDO稳压器的工作状态

在漏压区,PMOS调整管可简化为一个电阻,漏失电压可以用它的导通电阻(RON)的形式来表示[5]:

Vdropout=IORON(1)

在漏压区,输出电压随着输入电压的减小而减小,因此输入/输出压差比较小;在稳压区,输出电压稳定在某一固定值附近,此时输入/输出压差比漏压区内要大[6]。因此,通过监测输入/输出压差的大小,可以判断稳压器工作的区域。

2.2 故障监测电路的实现

图3是采用改进后的故障监测电路的LDO稳压器框图。FAULT_COMP除了稳压器处于过温保护和过流保护状态时FAULT端输出低电平外,当输入/输出压差低于某一FAULT阈值时也输出低电平。该FAULT阈值跟踪漏失电压,随着负载电流的变化而变化[7]。图4为改进后的故障监测电路,其中,VIN为芯片输入电压;VOUT为稳压器输出电压;IBIAS1为偏置电流信号;IS为负载电流采样信号,其电流值为负载电流的几千分之一;ADJ为输出电压的反馈采样电压;VREF为基准源电路产生的基准电压;FAULT为故障监测输出信号,低电平有效。

图3 改进的LDO稳压器框图

如图4所示,MN1,MN2,R0,R1组成输入电压的采样电路。COMP_IN_OUT[8]和COMP_ADJ_REF[9]是两个迟滞比较器,反相器I1和MP3,R0构成COMP_IN_OUT的外部正反馈回路,反相器I4和MN34(在COMP_ADJ_REF内)构成COMP_ADJ_REF的正反馈回路。或非门I2,反相器I3,MN4,R2组成故障监测的输出电路,R2为ESD保护电阻。

COMP_IN_OUT比较器用于监测输入/输出压差,即稳压器是否处于漏压区。INP端接VIN经过电阻R0和R1降压后的电压,INN端接稳压器输出VOUT,因此一旦FAULT电平由低向高翻转,则此时输入/输出压差(VIN-VOUT)基本上就等于R0和R1上的压降,这个值就是FAULT阈值电压VH,比漏失电压(Dropout Voltage)要稍大;而当FAULT电平由高向低翻转时,此时输入/输出压差(VIN-VOUT)就等于R1上的压降,这个值就是FAULT阈值电压VL。由于MN2和MN1形成一组电流镜,所以IDMN2也与负载电流呈比例关系。MP3和R0构成的正反馈电路形成迟滞。

图4 改进后的故障监测电路共模输入范围

COMP_IN_OUT比较器外部采用动态迟滞,内部为正反馈的高增益比较器。如果MP7和MP9的宽长比的系数Е痢1时,比较器内部无迟滞,α>1时比较器内部有迟滞;在此电路中α=1,未形成迟滞。R0,R1ЪMP3构成外部正反馈,从而形成迟滞。其各个性能指标分析如下:

共模输入范围 如图5所示,此比较器的输入级结构是共源差分输入。

VIC(max)=VIN(2)

VIC(min)=2VTHN+VMN18(sat)(3)

由式(3)可知:最小共模输入电压与VTHN有关,大约在1.8 V以上。故此比较器不适合于输出电压小于1.8 V的LDO稳压器。

输出范围 比较器的最大输出范围约为VDD,最小输出范围约为0。

迟滞 当VIN接近VOUT时,反相器I1输出为高,MP3关断。在INP稍大于VOUT时,比较器翻转,反相器I1输出为低,MP3导通。故:

V+trig=IDMN2(R0+R1)(4)

当VIN大于VOUT一定值时,反向器I1输出为低,MP3导通。在INP稍小于VOUT时,比较器翻转,反向器I1输出为高,MP3关断。故:

V-trigIDMN2R1(5)

该比较器的迟滞VH约等于:

VH=V+trig-V-trig=IDMN2R0(6)

又因为IDMN2与负载电流成比例,所以比较器翻转时VIN与VOUT的压差也与负载电流成正比,即:

VIN-VOUT=K×IO(7)

比较式(1)可知,通过选择R0和R1的阻值,设定合理的K值,就可令此比较器翻转时的(VIN-VOUT)

跟随漏失电压,从而比较准确地监测稳压器的工作区域。

COMP_ADJ_REF比较器用于监测限流、过温保护的状态。当电路处于其中的任何一种状态时,FAULT端输出为低电平。比较器的INP端接输出采样电压ADJ,INN端接稳压器的基准电压REF,在限流、过温保护状态时,输出电压VOUT会减小,而基准电压不变,使COMP_OUT端输出为低,同时拉低FAULT电平。这个比较器的阈值电压,即比较器的输入失调电压也存在迟滞,迟滞电路在比较器内部。

图5 COMP_IN_OUT比较器内部电路

3 仿真验证

该电路采用0.5 μm标准CMOS工艺实现,采用HSpice仿真[10]。当负载电流为200 mA时,VIN由低到高以及由高到低变化时,比较器的正负端压差分别为0.129 9 V和0.120 0 V,迟滞为0.009 9 V。仿真曲线如图6所示。

图6 反馈电压变化时故障监测电路的仿真曲线

4 结 语

改进后的故障监测电路除了可监测稳压器的过温过流保护状态以外,还可有效地监测稳压器的漏压状态。当负载电流为200 mA时,如果稳压器的输入/输出压差小于0.12 V,故障监测电路输出低电平;如果输入/输出压差大于0.13 V,故障监测电路输出高电平,迟滞为0.01 V。仿真结果表明,此故障监测电路使稳压器的各种非正常工作状态均得到有效的监测,保证了芯片外部电路工作的安全性。

参考文献

[1]解建章,来新泉.利用动态米勒补偿电路解决LDO的稳定性问题[J].固体电子学研究与进展,2005(3):385_390.

[2]Falin J.ESR,Stability,and the LDO Regulator,Texas Instruments,Dallas,TX,Texas Instruments Data Sheet [EB/OL]./lit/an/slva115/slva115.pdf,2002.

[3]Leebangs.Understanding the Terms and Definitions of LDO Voltage Regulators\.Texas Instrument Application Report,1999:10_13.

[4]Leung K N,Mok P K T.A Capacitor_Free CMOS Low_Dropout Regulator with Dampling_Factor_Control Frequency Compensation\.Solid_State,2003,38(10):1 691_1 702.

[5]Lee B S.Technical Review of Low Dropout Voltage Regulator Operation and Performance,Application Report Slva072,Texas Instruments[EB/OL]./lit/an/slva072/slva072.pdf,1999_10_05.

[6]Chava C K,Silva_Martinez J.A Frequency Compensation Scheme for LDO Voltage Regulators[J].IEEE Trans.on Circuits and Systems,2004,51(6):1 040_1 050.

[7]Alanhastings.The Art of Analog Layout\.Prentice Hall.2001.

[8]Mora G A Rincon,Allen P E.A Low_Voltage,Low Quie_scent Current,Low Dropout Regulator\.IEEE Solid_State Circuits,1998,33(1):36_44.

[9]Biagi H J.Low Dropout Regulator having Current Feedback Amplifier and Composite Feedback Loop.US Patent US 6.703.815 B2,2004.

[10]潘松.EDA技术实用教程[M].北京:科学出版社,2002.

作者简介 王军琴 女,1978年出生,陕西合阳人,硕士研究生,讲师。主要从事计算机以及智能控制方面的研究工作。