(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uvton 0.35um bicmos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10 mA,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0.35um 40V Bicmos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uvton 0.35um bicmos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] MAN T Y,MOK P T K,CHAN M.A High Slew-Rate Push-Pull Output Amplifier for Low-Quiescent Current Low Dropout Regulators With Transient-Response Improvement[J],Circuits and Systems II:Express Briefs,IEEE Transactions on,2007,vol.54,pp.755-759.
[2] 陈舒裴.一种低功耗无片外电容快速瞬态低压差稳压器设计[D].合肥.合肥工业大学,2012.
论文作者:罗东旭
论文发表刊物:《电力设备》2017年第25期
论文发表时间:2017/12/25
标签:电压论文; 电路论文; 电荷论文; 芯片论文; 极板论文; 工作论文; 方案论文; 《电力设备》2017年第25期论文;