低壓差線性穩(wěn)壓器技術(shù)綜述

王佳玉

摘 要：文章簡(jiǎn)要介紹了低壓差線性穩(wěn)壓器的技術(shù)起源及發(fā)展概況，針對(duì)國(guó)內(nèi)外低壓差線性穩(wěn)壓器技術(shù)的相關(guān)專(zhuān)利申請(qǐng)，從申請(qǐng)量年代分布、申請(qǐng)人類(lèi)型、主要申請(qǐng)人等方面進(jìn)行了分析，并結(jié)合具體專(zhuān)利申請(qǐng)對(duì)低壓差線性穩(wěn)壓器的發(fā)展方向進(jìn)行了詳細(xì)地說(shuō)明。

關(guān)鍵詞：低壓差線性穩(wěn)壓器；發(fā)展概況；專(zhuān)利文獻(xiàn)

1 低壓差線性穩(wěn)壓器的發(fā)展概況及性能評(píng)價(jià)

1.1低壓差線性穩(wěn)壓器發(fā)展概況

LDO是一個(gè)功耗很低的微型片上系統(tǒng)，通常由做電流主通道的MOSFET調(diào)整元件、誤差放大器、采樣電阻、帶隙基準(zhǔn)、過(guò)流保護(hù)等專(zhuān)用電路在一個(gè)芯片上集成而成。因?yàn)樗谡{(diào)整元件上的壓降非常低，所以改善了傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器效率低的缺點(diǎn)。自從LDO出現(xiàn)以來(lái)，輸入輸出壓差已經(jīng)由最初的0.2V降低到目前的50mV左右，調(diào)整元件的損耗變小，電源的轉(zhuǎn)換效率提高，由此延長(zhǎng)了電池的使用時(shí)間。目前市場(chǎng)上主要有雙極型和CMOS型兩種LDO穩(wěn)壓器，兩者具有不同的特點(diǎn)。

雙極型器件開(kāi)發(fā)早，工藝相對(duì)穩(wěn)定成熟，其主要優(yōu)點(diǎn)在于，對(duì)于給定的芯片尺寸，其具有相當(dāng)高的電流能力，用雙極工藝可以制造出速度高、模擬精度高、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)的器件，適用于高精度的模擬集成電路，但其功耗大、集成度低、無(wú)法滿(mǎn)足集成規(guī)模越來(lái)越大的系統(tǒng)集成要求。

CMOS器件具有極低的靜態(tài)功耗、高集成度、抗干擾能力強(qiáng)、寬的電源電壓范圍以及較寬的輸出電壓幅度，且CMOS型線性穩(wěn)壓器的調(diào)整組件是電壓驅(qū)動(dòng)的，大大降低了器件本身消耗的電流，輸入輸出間的壓降特別低。與其它半導(dǎo)體工藝相比，CMOS工藝的發(fā)展已經(jīng)十分成熟，占據(jù)了集成電路市場(chǎng)的絕大部分的份額，并且隨著工藝不斷向亞微米和深亞微米發(fā)展，其產(chǎn)品在速度上也已經(jīng)趕上并超過(guò)了雙極工藝。新一代的LDO都是用CMOS工藝生產(chǎn)的，和使用雙極工藝生產(chǎn)的LDO相比，其靜態(tài)電流、壓降、噪音等內(nèi)在性能都有很大的提高，且成本更低。

1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)外技術(shù)人員都對(duì)LDO穩(wěn)壓器進(jìn)行了相應(yīng)的研究，并在提高性能方面作出了巨大的努力。國(guó)外的大公司在LDO穩(wěn)壓器方面投入很多精力開(kāi)發(fā)系列產(chǎn)品，如Micrel公司的MIC52XX系列、TI公司的REGl04系列等。德州儀器公司推出的TPS74XXX系列LDO，有無(wú)電容都可以穩(wěn)定工作，且在線路、負(fù)載及溫度變化條件下的穩(wěn)壓誤差僅為1%。ADI公司的anyCAP系列低壓差線性穩(wěn)壓器，屬于體積小、智能化程度較高的一類(lèi)功率管理芯片，且其具有良好的穩(wěn)定性。中國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)經(jīng)過(guò)40余年的發(fā)展，也已經(jīng)形成了良好的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，進(jìn)入了一個(gè)加速發(fā)展的新階段。圣邦微電子有限公司屬于國(guó)內(nèi)早期從事LDO設(shè)計(jì)公司，其生產(chǎn)的SG2001、SG2002及SG2003系列LDO可以滿(mǎn)足市場(chǎng)上主流電壓、電流的需要。該公司還生產(chǎn)有適合于大電流負(fù)載應(yīng)用的SG2004、SG2011以及SG2012系列LDO以及適用于手機(jī)電源應(yīng)用的SG2007/2006/2005系列LDO。這些國(guó)產(chǎn)芯片具有和國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品同樣優(yōu)秀的性能，且價(jià)格更適合于當(dāng)前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)。

1.3 低壓差線性穩(wěn)壓器性能評(píng)價(jià)

低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO）的性能可以從三個(gè)方面來(lái)評(píng)價(jià)：靜態(tài)指標(biāo)、動(dòng)態(tài)指標(biāo)、頻域指標(biāo)。靜態(tài)指標(biāo)包括漏失電壓、效率、靜態(tài)電流、線性調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率；動(dòng)態(tài)指標(biāo)包括負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)、線性瞬態(tài)響應(yīng)；頻域指標(biāo)包括電源抑制比和頻率響應(yīng)。下面介紹低壓差線性穩(wěn)壓器的幾個(gè)重要參數(shù)。

線性瞬態(tài)響應(yīng)：反映穩(wěn)壓器在輸入電壓、環(huán)境溫度等條件不變的情況下，對(duì)輸入電壓發(fā)生階躍變化而導(dǎo)致的輸出電壓變化的響應(yīng)能力。輸出電壓變化恢復(fù)到穩(wěn)定區(qū)域規(guī)定范圍內(nèi)所需的時(shí)間越短越好。電源抑制比：表示LDO對(duì)輸入紋波抑制能力，通常考察在整個(gè)擴(kuò)展頻帶上增益情況。靜態(tài)電流：被定義為輸入電流與輸出電流之差，即當(dāng)LDO空載時(shí)，其自身從輸入電源抽取電流的總和，通常也用來(lái)評(píng)價(jià)系統(tǒng)的靜態(tài)功耗，為了得到最大的電源使用效率，在保證電路正常工作的前提下，設(shè)計(jì)的靜態(tài)電流值應(yīng)越小越好。效率：低壓差線性穩(wěn)壓器效率與輸入輸出電壓和靜態(tài)電流有關(guān)，為了提高效率，則靜態(tài)電流與漏失電壓必須盡可能小，輸入與輸出電壓差值是決定 LDO線性穩(wěn)壓器效率的根本因素。

2 低壓差線性穩(wěn)壓器專(zhuān)利文獻(xiàn)分析

帶隙基準(zhǔn)源的國(guó)際分類(lèi)號(hào)主要集中于G05F1，下面以分類(lèi)號(hào)和關(guān)鍵詞作為主要檢索手段在VEN數(shù)據(jù)庫(kù)、CNABS數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行檢索。

2.1 專(zhuān)利申請(qǐng)的年代分布

經(jīng)過(guò)檢索發(fā)現(xiàn)，2001年至2015年的專(zhuān)利申請(qǐng)件數(shù)分別為22、29、41、62、70、78、99、109、101、132、137、188、213、161、55。在21世紀(jì)有關(guān)低壓差線性穩(wěn)壓器的世界范圍內(nèi)的專(zhuān)利申請(qǐng)量呈逐步增長(zhǎng)趨勢(shì)，專(zhuān)利申請(qǐng)量由2001年的22件快速增長(zhǎng)到2013年的213件，說(shuō)明國(guó)內(nèi)外申請(qǐng)人都開(kāi)始對(duì)低壓差線性穩(wěn)壓器的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行深入研究。2014、2015年的專(zhuān)利申請(qǐng)數(shù)量有所下降，主要是由于發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng)一般需要18個(gè)月的公布期，這兩年的相關(guān)專(zhuān)利申請(qǐng)數(shù)據(jù)并不完整。

2.2 國(guó)內(nèi)外申請(qǐng)人分布

圖1顯示了低壓差線性穩(wěn)壓器技術(shù)國(guó)內(nèi)專(zhuān)利申請(qǐng)的申請(qǐng)人類(lèi)型分布情況。國(guó)內(nèi)有關(guān)低壓差線性穩(wěn)壓器的專(zhuān)利申請(qǐng)中，申請(qǐng)人大部分為高校和企業(yè)。其中電子科技大學(xué)、鴻海精密工業(yè)股份有限公司和北京化工大學(xué)的相關(guān)申請(qǐng)量最多，企業(yè)申請(qǐng)的申請(qǐng)量緊隨其后。這說(shuō)明科研院校對(duì)該領(lǐng)域技術(shù)的研究在不斷深入，而企業(yè)也開(kāi)展相關(guān)研發(fā)并相應(yīng)地運(yùn)用到了實(shí)際生產(chǎn)中。

圖2顯示了低壓差線性穩(wěn)壓器技術(shù)國(guó)外專(zhuān)利申請(qǐng)的申請(qǐng)人類(lèi)型分布情況。國(guó)外主要申請(qǐng)人有：德克薩斯儀器公司、聯(lián)發(fā)科技公司、美國(guó)半導(dǎo)體公司等。這幾個(gè)公司在低壓差線性穩(wěn)壓器領(lǐng)域一直處于領(lǐng)先地位。

2.3 低壓差線性穩(wěn)壓器的發(fā)展趨勢(shì)分析

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，國(guó)內(nèi)外申請(qǐng)人致力于提高低壓差線性穩(wěn)壓器各方面的性能，對(duì)低壓差線性穩(wěn)壓器的發(fā)展和改進(jìn)做出了貢獻(xiàn)。下面結(jié)合專(zhuān)利文獻(xiàn)對(duì)低壓差線性穩(wěn)壓器性能的改進(jìn)進(jìn)行分析，文章引用的專(zhuān)利文獻(xiàn)均為專(zhuān)利申請(qǐng)的公開(kāi)號(hào)。

2.3.1 提高瞬態(tài)響應(yīng)和增強(qiáng)擺率

晶豪科技股份有限公司在TW1468894B中提出了一種具有改善暫態(tài)響應(yīng)之低壓降穩(wěn)壓器，包括輸入端、輸出端、功率晶體管、反饋回路及誤差放大器，誤差放大器包括輸入差動(dòng)級(jí)、增益級(jí)、輸出級(jí)以及一暫態(tài)加速電路，根據(jù)負(fù)載電流暫態(tài)增加狀況，暫態(tài)加速電路產(chǎn)生具有高邏輯電壓基準(zhǔn)的輸出電壓以增加穩(wěn)壓器的暫態(tài)相應(yīng)。INTERSIL公司在US2015/0220096A1中提出了一種低壓差線性穩(wěn)壓器中增強(qiáng)瞬態(tài)響應(yīng)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，在線性穩(wěn)壓器結(jié)構(gòu)中引入了第一電流鏡和第二電流鏡結(jié)構(gòu)以增強(qiáng)瞬態(tài)響應(yīng)，改善穩(wěn)壓器的性能。桂林電子科技大學(xué)在CN104679086A中提出了一種快速瞬態(tài)響應(yīng)CMOS低壓差線性穩(wěn)壓器，在誤差放大電路和功率管之間加入了由兩級(jí)反相器構(gòu)成的轉(zhuǎn)換速率增強(qiáng)電路，能夠驅(qū)動(dòng)大尺寸的功率管并對(duì)輸出負(fù)載的變化做出快速響應(yīng)，滿(mǎn)足模式轉(zhuǎn)換中負(fù)載響應(yīng)速率的要求，使低壓差線性穩(wěn)壓器具有更高的帶寬和更快的瞬態(tài)響應(yīng)速度，提高了轉(zhuǎn)換速率和瞬態(tài)響應(yīng)。成都銳成芯微科技有限責(zé)任公司在CN103592989A中提出了一種低靜態(tài)功耗快速瞬態(tài)響應(yīng)的無(wú)輸出電容LDO電路，采用電流拉拽式結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了瞬態(tài)變換時(shí)為L(zhǎng)DO輸出級(jí)調(diào)整管提供大電流，進(jìn)而顯著提高無(wú)輸出電容LDO的瞬態(tài)響應(yīng)特性。電子科技大學(xué)在CN103399608A中提出了一種集成擺率增強(qiáng)電路的低壓差線性穩(wěn)壓器，通過(guò)集成擺率增強(qiáng)電路使擺率增強(qiáng)，進(jìn)一步提高了低壓差線性穩(wěn)壓器的瞬態(tài)響應(yīng)，同時(shí)擺率增強(qiáng)電路改變了系統(tǒng)的極點(diǎn)分布，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。合肥工業(yè)大學(xué)在CN104063003A中提出了一種集成擺率增強(qiáng)電路的低功耗無(wú)片外電容LDO，采用了擺率增強(qiáng)技術(shù)，使得在輸出電壓出現(xiàn)過(guò)沖和下沖時(shí)能對(duì)功率管的柵極電容進(jìn)行快速充放電，大大減小了輸出電壓的尖峰，提高了瞬態(tài)響應(yīng)。

2.3.2 提高電源抑制比

圣邦微電子股份有限公司在CN104317349A中提出了一種提高低壓差線性穩(wěn)壓器電源抑制比的方法和電路，利用基準(zhǔn)電壓源有限的電源抑制能力，使其經(jīng)過(guò)誤差放大器放大到輸出端的傳遞函數(shù)與LDO的其他電源到輸出通路的傳遞函數(shù)的幅值相同、相位相反來(lái)相互抵消，從而實(shí)現(xiàn)高的電源抑制比。電子科技大學(xué)在CN104181972A中提出了一種具有高電源抑制比特性的低壓差線性穩(wěn)壓器，采用在功率管柵端加入電壓跟隨器的方案，將柵端的低頻極點(diǎn)分離成兩個(gè)高頻極點(diǎn)，拓展了前饋和反饋帶寬，提高了低壓差線性穩(wěn)壓器對(duì)于高頻電源噪聲干擾的抑制性能。

2.3.3 減小功耗

武漢大學(xué)在CN101419479A中提出了一種新型結(jié)構(gòu)的低壓差線性穩(wěn)壓器，采用全反饋結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)元件偏置電路取代電阻分壓網(wǎng)絡(luò)，節(jié)省了版圖面積、減小了系統(tǒng)功耗、提高了輸出電壓的精度和穩(wěn)定性、減少了系統(tǒng)非線性失真等，轉(zhuǎn)換速率增強(qiáng)電路提高了系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換速率，源跟隨電路器和補(bǔ)償電路，改變了系統(tǒng)零極點(diǎn)位置分布，改善了相位裕度，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。復(fù)旦大學(xué)在CN101957625A中提出了一種驅(qū)動(dòng)nF級(jí)負(fù)載的低壓差線性穩(wěn)壓器，該線性穩(wěn)壓器包括誤差放大器、補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)、帶反饋的負(fù)載、輸出采樣網(wǎng)絡(luò)和自適應(yīng)極點(diǎn)調(diào)節(jié)電路，該電路只需要20pF的補(bǔ)償電容就能在全負(fù)載電流范圍內(nèi)保持良好的相位裕度，而且通過(guò)自適應(yīng)極點(diǎn)調(diào)節(jié)電路的引入能夠大大減小靜態(tài)功耗。

2.3.4 提高環(huán)路穩(wěn)定性

中國(guó)兵器工業(yè)集團(tuán)第二一四研究所蘇州研發(fā)中心在CN202720534U中公開(kāi)了一種增強(qiáng)環(huán)路穩(wěn)定性的低壓差線性穩(wěn)壓器電路，采用帶隙基準(zhǔn)源、誤差放大器、功率驅(qū)動(dòng)管、緩沖器、電阻反饋網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成具體的電路，實(shí)現(xiàn)在犧牲很小的功耗電流下，把功率管柵極處的極點(diǎn)推到高頻，從而增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。周?chē)?guó)文在CN104090617A中提出了一種改良型數(shù)模混合電路的低壓差線性穩(wěn)壓源，拓增帶寬電路的輸出端連接功率級(jí)輸出電路的輸入端，用以作為第二級(jí)非反相放大器而增加整個(gè)負(fù)反饋環(huán)路的帶寬，從而提高了低壓差線性穩(wěn)壓源的工作穩(wěn)定性。

3 結(jié)束語(yǔ)

低壓差線性穩(wěn)壓器以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、低噪聲、低功耗、小封裝和較少的外圍應(yīng)用器件等優(yōu)點(diǎn)，在便攜式電子產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)低壓差線性穩(wěn)壓器的研究將在提高瞬態(tài)響應(yīng)和增強(qiáng)擺率、提高電源抑制比、減小功耗、提高環(huán)路穩(wěn)定性等多個(gè)研究方向全面開(kāi)展，低壓差線性穩(wěn)壓器應(yīng)用前景將日益廣闊。

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