极点跟随的LDO稳压器频率补偿方法

1 引 言

便携电子设备无论是由蓄电池组，还是交流市电经过整流后(或交流适配器)供电，工作过程中，电源电压都存在变化。例如单体锂离子电池充足电时的电压为4.2 V，放电后的电压为2.3 V，变化范围很大。而各种整流器的输出电压不仅受市电电压变化的影响，还受负载变化的影响。因而近年来，低压差线性稳压器(LowDropout Linear Regulator)以其低成本，高电池利用率，洁净的输出电压等特点，被广泛应用于移动电话、掌上电脑等消费类电子产品，以及便携式医疗设备和测试仪器中。

LDO稳压器的频率补偿设计，不仅直接决定了频率稳定性，而且对LD0稳压器的性能参数，尤其是瞬态响应速度，有很大的影响。此外，随着当前半导体集成电路工艺的发展，越来越多的功能电路能够被集成于单一芯片中，而现有的LDO稳压器频率补偿技术，对芯片上频率补偿电容的需要，大大阻碍了LDO稳压器芯片集成度的提高和与其他功能电路的系统集成。

本文对LDO稳压器的频率稳定问题，和现有的频率补偿设计技术进行了理论分析。在此基础上，提出了一种新型的频率补偿方法，并给出了电路实现途径。通过一个采用TSMC0.18 μm混合信号半导体工艺，最大输出电流为100 mA的LDO稳压器设计，对该方法做出了进一步的说明。最后，结合LDO稳压器的HSpice仿真结果，对本文提出的频率补偿方法的效果进行了讨论。

2 LDO稳压器频率补偿

LDO稳压器的典型结构，如图1所示。图1中，Vref为具有良好温度特性的电压参考信号，Vin为不稳定的输入电压信号，Vo为输出电压信号。LDO稳压器利用由压差放大器、电压缓冲器、电压调整管Mpass和反馈网络构成的负反馈环路，维持Vo稳定。

当环路对一定频率的信号的相移达到-180°时，负反馈成为了正反馈，如果环路增益T仍大于单位增益，环路将产生自激振荡，失去稳定Vo的作用，故需要频率补偿设计，来保证在相移达到-180°之前，T已衰减到单位增益以下。在单位环路增益频率fu处，环路相移与180°的和，被称为相位裕度θ。在θ与闭环增益Ac1间存在以下关系：

由式(1)可以看到，若相位裕度小于60°，则∣Ad∣大于1/β，即发生过冲。过冲会导致LDO稳压器的阶跃响应呈现欠阻尼振荡(振铃)。因而相位裕度不仅是考察频率稳定性的重要参数，而且对瞬态响应也有很大影响。

图1中存在两个低频极点，分别为位于电压缓冲器输出端的极点P1，和LDO稳压器输出端的极点P2。P1与P2的值由电压缓冲器的输出等效电阻Ro1，Mpass的栅、源极电容Cgs，LDO稳压器输出端的等效电阻Ro2和外接电容Co决定：

为保证LDO稳压器的频率稳定性和足够的相位裕度，P1与P2的间距(P1／P2)应足够大。但由式(3)，P2随着LDO稳压器的输出电流的增大，逐渐向高频移动，使P1和P2的间距缩小，造成频率稳定性变差。

传统LDO稳压器的频率补偿方法，如图1所示，利用了输出端电容Co及其等效串联电阻Resr，产生一个左半平面(LHP)零点Z1：

若Resr的取值使Z1与P1足够接近，并相互抵消，则在LDO稳压器的通带内只有一个极点P2，环路相移不会超过-180°。但是，Resr会增加Vo在瞬态过程中的变化幅度，降低对Vin中噪声的抑制，且对Resr取值的要求，限制了Co可选择的类型，增大了使用难度和系统成本。此外，Resr的值还受到环境温度、电压和频率的影响，所以频率稳定性不能得到可靠的保障。

由于以上原因，当前的LDO稳压器，多采用内部频率补偿。一类内部频率补偿技术借鉴了传统LDO稳压器的零、极点抵消方法，并利用前馈技术，或芯片内部的RC网络和电压控制电流源，产生所需的零点。但是，要做到芯片内产生的零点与相应极点的完全匹配，是非常困难的。而未能相互抵消的零点和极点，会成为LDO稳压器通带内的零、极点对(doublet)，造成Vo建立时间的增加。另一类广泛使用的内部频率补偿为米勒频率补偿。米勒补偿具有极点分离的特性，即通过跨接在Mpass栅极和漏极的米勒电容Cm，将P1推向低频，P2推向高频。米勒补偿后，P1与P2由式(2)、式(3)变为：

其中，gm为Mpass的跨导。

由式(5)，欲使P1远小于P2，则Cm会很大，电路内部对其充放电的过程造成Vo的压摆时间tsr变长。因Co很大，由式(6)，P2处于低频，限制了增益带宽GBW。米勒补偿对tsr和GBW的影响，直接增大了LDO稳压器的环路延时td(参看式(7))。虽然通过嵌套的米勒频率补偿方法或电容倍增电路，能够减小Cm，但未能根除Cm对LDO稳压器芯片的集成度的影响。

针对以上问题，下节将给出一种能够保证LDO稳压器的高速，且无需芯片上频率补偿电容的新型频率补偿方法。

3 极点跟随频率补偿

LDO稳压器空载时，由式(3)，P2为0 Hz(实际上，此时，λ和IDMpass为Mpass的沟道调制系数和漏极电流)，P1只需大于0 Hz，P1与P2的间距(P1／P2)就足以保证频率稳定性。随着输出电流的增大，P2向高频移动，如果P1能够跟随P2的变化，则P1与P2的间距得到维持。极点跟随的频率补偿，即是当输出电流变化时，通过使P1跟随P2的变化，获得频率稳定性的方法。

来源：《现代电子技术》