低压差线性稳压器中电源控制电路的设计

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低压差线性稳压器中电源控制电路的设计

李书艳1 马建军2 王忠宝1 罗志勇2

１．辽宁工程技术大学电子与信息工程学院；２．辽宁锦州电力电子集团公司高可靠产品研究所

输出端VOUT和地VSS之间取样电阻的存在，VOUT端将输出VSS电平，稳压器处于待机节电状态。

引言

在线性稳压器中，电源控制端起开关作用。当电源控制端为高电平时，稳压器处于正常工作状态；为低电平时，稳压器处于待机节电状态。

1电路结构

低压差线性稳压器如图1所示。电路主要包括以下几部分：电源控制电路、电压基准电路、误差放大电路、取样电阻、输出调整管M0和短路保护电路。VIN是线性稳压器的输入端，也是整个电路的电源。电源控制端VON/OFF控制电路的开启和关闭。当VON/OFF端为高电平时，电路处于正常工作状态；当VON/OFF端为低电平时，整个内部电路停止工作，由于在

都处于导通状态，漏电流会比较大。而在本电路中，当M1、M50管同时导通时，M75管和电阻R2一起对M50管的漏端电位起下拉作用，使得M50管的漏端电位低于NMOS阈值电压，使M51管截止，然后经过下级反相器反相，M6漏端输出为高电平（VIN）。此时稳压器其他模块电路正常工作。

M75管是耗尽型的MOS管。它在这里起到两个作用。一个作用是和电阻R2

图1 低压差线性稳压器结构图一起下拉M50管的漏端电位，在M1、图2是电源控制电路内部电路图。它

M50管同时导通的情况下，使M50管的漏

由一组反相器组成，与普通反相器不同的

端电位为低。另一个作用是限制M1、

是，为了降低反相器中NMOS和PMOS同

M50同时导通时的电流。

时导通时电路的功耗，减小VON/OFF从

2.2 M3管的作用

高电平向低电平转换时输出的延迟时间，

当VON/OFF端从高电平向低电平转

加入了M3管、M5管、电阻R1和R2。

变过程中，电阻R1下拉M51管漏端电位，

另外，由于VON/OFF端没有内部上拉和

使M3管迅速导通，M50管的漏端由低电

内部下拉电路，因此VON/OFF端不能悬

平迅速变为高电平，内部电路停止工作。

空。不使用电源控制功能时，应当把

M3管的存在减小了VON/OFF从高电平

VON/OFF端连接到VIN端，以避免M6

向低电平转换时输出的延迟时间。

漏端的负逻辑。

2.3 反相器链的设计

图2中，M4～M6、M52～M54组成了三级反相器。用多个反相器级联是为了提高驱动容性负载的能力，同时又使延迟时间最小。M7～M10、M21、M22 、M35管是电压基准电路和误差放大电路中的MOS管，工作在线性区，它们相当于电源控制电路的电容负载。

设计M4～M6、M52～M54管的尺寸，使电路延迟最小。用单个反相器驱动负载电容，延迟时间为

tPHL+tPLH=（Rn+Rp） （Cout+Cload） （1）图2 电源控制电路

如果采用N级反相器来驱动，每一级2 电路工作原理

反相器的尺寸比前一级增大A倍（即每一

2.1 M75管的作用

个MOS管的宽度增大A倍），也就是每

对于一个普通反相器，当输入电平高

一级反相器的输入电容比前一级增大A

于NMOS阈值电压VTHN而又低于PMOS

倍。选择合适的A和N，就可以得到最小

阈值电压VTHP时，NMOS和PMOS管

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延迟。

假设负载电容Cload是最后一级反相器的输入电容的A倍，则

最后一级反相器的负载电容=Cin1 AN=Cload （2）

其中，Cin1是第一级反相器的输入电容。整理（2）式得到

管取W=17.5μm，L=2μm。得到M4～M52、M6～M54管的新尺寸为

常工作状态，当电源控制端电压小于1V时，稳压电路处于待机节电状态。电源控制电路静态功耗小于2μA，响应延迟小于10ns。

（3）

反相器链的总延迟为

3 仿真结果

对R2=90KΩ进行仿真，结果如图3所示。在图3中，曲线（1）表示VON/

电压从0～5V线性变化。曲线（2）表OFF

示流过M75管上的电流与电压VON/OFF的关系。可以看到，A段：M50管处于截止状态，流过M75管上的电流为零；B段：电源从关闭到开启的瞬间，存在一个瞬间充电电流，峰值约为33 uA；C段：M1、M50管都处于导通状态，电流被M75和R2限制在1.8μA；D段：M1处于截止状态，流过M75管上的电流为零。

（4）

把式（3）代入式（4）得到

（5）

将式（5）对N求导，可以得到最小延迟时的N值为

（6）

对于本电路，Cload为M7～M10、M21、M22 、M35管的等效输入电容：

Cload=C7+C8+C9+C10+C21+C22+C35=[(W×L)7+(W×L)8+(W×L)9+(W×L)10+(W×L)21+(W×L)22+(W×L)35] ×COX

=[6×1.5+5×2+5×2+6×1.5+6×1.5+6×1.5+7.5×1.2]×COX

=65COX

设第一级反相器中NMOS的宽长分别为W、L，PMOS的宽长分别为2.2W、L，则第一级输入电容为，Cin1=[(2.2W×L)P+(W×L)N] ×COX。如果设计成三级反相器，据式（6），得到

图3 电源控制电路的静态电流

根据上面的分析和计算结果，图4给出了电源控制端的仿真结果。在图4中，曲线（1）表示VON/OFF电压从0～5V线性变化。曲线（2）表示当VON/OFF=1V时，VOUT端电压迅速从低电平VSS翻转为高电平VIN。

(7)

图4 电源开启电压

4 结论

计算得W×L=1。第一级反相器的NMOS管取W=2μm，L=0.5μm，PMOS管取W=4.4μm L=0.5μm。把结果带入（3）式，得A＝2.7。所以第二级反相器的NMOS管取W=8μm，L=2μm，PMOS

根据计算得到的器件宽长比，采用0.5μm标准CMOS工艺，通过Hspice仿真，在典型工作条件下仿真结果：当电源控制端电压大于1V时，稳压电路处于正

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