電源管理系統(tǒng)中最基本的功能是供電和電源調(diào)整。任何外接負載的系統(tǒng)，提供的電壓和電流不能夠在不同的工作環(huán)境中保持穩(wěn)定狀態(tài)，工作狀態(tài)往往會受到影響。LDO作為電源管理系統(tǒng)中的核心模塊，其輸出電壓的精度直接關系著電路系統(tǒng)的各項性能。本文針對OLED驅(qū)動芯片設計一款具有較高精度的低壓差線性穩(wěn)壓器，同時還能在整個負載范圍內(nèi)具有較高的穩(wěn)定性、溫度特性以及電源抑制比。
傳統(tǒng)低壓差線性穩(wěn)壓器除了具有較小壓差的特點外，通常還具有體積較小、成本較低、功耗較低等特點，被廣泛使用在電源管理芯片中，滿足大部分供電需求。隨著硅基OLED微顯示芯片在更大的陣列規(guī)模，更小的像元尺寸與更快的幀頻率的技術(shù)路線上發(fā)展，對CMOS驅(qū)動芯片的設計提出了更高要求。本論文的LDO作為OLED驅(qū)動芯片的電源供電模塊，除以上的特點外，還有很高的精度特性。
1 LDO結(jié)構(gòu)
如圖1所示的是LDO的模塊構(gòu)成，右邊為電流保護模塊。其中，電阻R1和R2構(gòu)成反饋網(wǎng)絡βFB，將取樣值通過誤差放大器（AMP）與帶隙基準電壓源比較，產(chǎn)生誤差校正信號，驅(qū)使功率調(diào)整管SO的柵壓變化，以提供負載所要求的電流，使輸出穩(wěn)定。從根本上講，AMP、SO、βFB三者構(gòu)成的環(huán)路的增益大小決定了取樣電壓和基準電壓的接近程度，所以要使LDO具有更高的輸出精度，帶隙基準電壓和反饋網(wǎng)絡的精度也要求較高。
圖1 LDO結(jié)構(gòu)
2 電路設計
前面說到要使LDO具有更高的輸出精度，必須提高帶隙基準電壓的精度和誤差放大器的增益。如圖2所示，電路左半部分為啟動電路，由控制信號PD_N使能；中間部分為帶隙結(jié)構(gòu)，用來參數(shù)基準電壓；右邊部分為復制電路，將電壓1:1復制后，在經(jīng)電流鏡產(chǎn)生基準電流，用來外部測試。
圖2 帶隙基準電路設計
如圖3所示，左邊部分為偏置電壓電路，右邊為誤差放大器和反饋網(wǎng)絡。PD_N信號用來控制電路工作開關，IR為電流偏置的輸出電流，Vref為輸入的基準參考電壓，FB接LDO輸出的反饋取樣電壓，電阻R和電容CC對電路進行密勒補償。
圖3 LDO主體結(jié)構(gòu)
電路正常工作時，盡可能使差分對管M15和M16工作在亞閾值區(qū)，保證在相同電流的情況下得到更大的跨導gm，實現(xiàn)低功耗和高精度的要求。電路雖在內(nèi)部進行了補償，但在負載突變時的瞬態(tài)響應不好，可以改為外部大電容補償，同時還能改善系統(tǒng)的電源抑制比，但會占用更大的芯片面積，要進行合理考慮。
3 電路仿真
為了確保電路在負載范圍內(nèi)，整個LDO系統(tǒng)都能穩(wěn)定工作，必須驗證電路的穩(wěn)定性。對電路進行穩(wěn)定性仿真，必須將Iprobe元件放置在反饋環(huán)路上，在頻率范圍為1Hz到1GHz的區(qū)間內(nèi)，進行stb仿真，其結(jié)果如圖4所示。從結(jié)果能看出在負載范圍內(nèi)，環(huán)路的低頻增益均能保持在60dB左右，在仿真過程中相位裕度也都大于60°，GBW在100K到100M之間，電路具有很好的穩(wěn)定性。
圖4 負載范圍內(nèi)增益仿真曲線
如圖5所示，在輕負載情況下，低壓差線性穩(wěn)壓器的電源抑制比在低頻處約為93dB；在重負載的情況下，低頻處的電源抑制比也能處在60dB以上，滿足設計的應用要求，符合預期。
圖5 輕負載時PSRR仿真曲線
瞬態(tài)響應如圖6所示，短時間負載從輕載轉(zhuǎn)變成重載時，引起輸出向下突變，變化的幅值大小約為39mV，并且在2μs的時間內(nèi)達到穩(wěn)定狀態(tài)，負載電流從180mA向10μA跳變時，產(chǎn)生一個向上的跳變，電壓變化大小約為34mV；并且，在2μs內(nèi)達到穩(wěn)定，由此可見電路具有較快的瞬態(tài)響應時間，用來應對負載電流的突變，因此電路具有較高的交流特性，符合設計指標要求。
圖6 LDO負載瞬態(tài)變化的輸出響應曲線
4 結(jié)語
經(jīng)過電路設計、仿真測試，使整個LDO系統(tǒng)能夠提供1.8V輸出電壓,且精度在1%左右的；工作環(huán)境也在目標的基礎上有很大的改進。輸入電源電壓范圍從2.5～5V調(diào)整為1.9～5.8V，線性調(diào)整率為0.604%。工作溫度范圍從-40℃～85℃調(diào)整為-40℃～125℃，溫漂系數(shù)在9.74ppm/℃。電路中的靜態(tài)電流為47μA，最大負載電流為179mA，負載調(diào)整率為0.59%。電源抑制比在重載情況下也能達到60dB，其他負載條件下，均能達到70dB以上?？蓽y的數(shù)據(jù)結(jié)果都在可接受的范圍內(nèi)，滿足設計目標，已經(jīng)完成流片，待后續(xù)板級測試。
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