第34卷第4期2004年8月
文章编号:1004-3365(2004) 04-0411-07
微电子学M icroelectronics
V ol. 34, №4A ug . 2004
低压差电压调节器技术发展动态
赖 凡
(模拟集成电路国家重点实验室; 中国电子科技集团公司 第二十四研究所, 重庆 400060)
摘 要: 介绍了电源和功率管理集成电路市场, 描述了低压差(LDO) 电压调节器技术的发展进程和未来趋势; 对国内外LDO 产品和技术现状进行了比较, 提出了发展LDO 的建议。关键词: LDO ; 电压调节器; CMOS ; PM OS ; DM OS ; BCDM OS ; BiCM OS ; 双极中图分类号: T N 432
文献标识码: A
An Overview of the Development of LDO Voltage Regulators
LAI Fan
(N ational L abor atory of A nalog I nteg rated Circ uits ; S ichuan Institute of Solid -S tate Circuits , CET C , C hong qing 400060, P . R . China )
Abstract : A br ief descr iption is made o n t he mar ket o f po wer I C and pow er manag ement I C ’s . T he evo lution of
the low dr op -o ut (L DO ) v oltag e r eg ulato r technolog y is rev iew ed , a nd its dev elo pm ent tr end is dealt w ith . T he L DO pr oduct a nd techno lo gy abro ad and in the co untr y ar e discussed and co mpa red. F inally , sug g est ions are made on the development of L DO vo ltage r eg ulato rs.
Key words : L DO ; V oltag e reg ulat or ; CM O S; P M O S; DM O S; BCDM O S; BiCM O S; Bipolar EEACC : 2570
平均增长率。
1 引 言
在经历了十余年迅猛发展以后, 各种便携式电子产品, 特别是手持式计算机、移动通讯装置、视频或音频产品、照像机、医疗仪器及测试仪器等, 依然保持着强劲的增长势头, 拉动各种适合便携式电子产品的新型电源和功率管理集成电路源源不断地涌现。其中, LDO(Low Drop Out) 电压调节器依靠其不断降低的压差、不断减小的芯片面积、不断提高的效率和稳定性而越来越引人注目, 成为电子调压器产品最重要的发展领域之一。
2002年, 半导体工业在经历了两年多的不景气后开始了持续的复苏, 存货逐渐减少, 供给和需求趋于平衡。现在, 对该产业从2003年到2006年的增长率重新有了良好的预期。
然而, 半导体工业正面临着一种明显的迁移, 因此其恢复方式不会与以往相同。这种迁移反映出向外转包生产的加速, 向亚洲转包的加速。亚洲已经成为全球增长最快的芯片市场。据统计, 电源和功率管理IC 全球销售额在2003年已突破50亿美元, 并仍将以8. 8%的年增长率增长, 预计在2006年将达到70亿美元。
预计到2005年, 北美将占有全球电源和功率管理IC 市场的29. 4%, 亚洲会略微领先于北美, 占31. 1%, 日本和欧洲市场各占19. 2%和18. 9%, 其余地区占1. 4%。这些IC 主要用于通信电子, 计算机及其外围设备。长期的优势将继续支持亚洲占有最大的份额, 尤其是中国异军突起, 成为有吸引力的电子产品生产地区。
预计电源和功率管理IC 的平均售价(ASP) 将
2 全球电源和功率管理IC 市场
2. 1 市场
电源和功率管理IC 产品包括AC/DC 调节器、PFC 预调节、PW M/PFM 控制器、线性调节器和电池充电和管理。LDO IC 是其中新兴的一部分, 其增长趋势与整体是正相关关系, 增长率超过了整体的
收稿日期:2004-05-10; 定稿日期:2004-06-30
412赖 凡:低压差电压调节器技术发展动态2004年
以每年2. 5%～4%的速率下降。对于不同范畴的产品, 其下降速度会有所不同。价格下降的原因主要是厂商之间激烈的竞争、技术进步导致成本下降、临时的过量生产能力等因素。
电源和功率管理IC 的应用市场在2004～2005年度里, 预计将以16%～19%的增长率增长。计算机和通讯产品是高增长的应用领域, 技术进步的推动力将主要来自这些领域。尽管计算机、相关外设和数据通讯产品是高增长率的领域, 但这些产品市场价格的降低将在某种程度上抵消收入的增长。定制IC 是那些不在标准产品目录里的产品。尽管一些使用者的要求变得更标准化, 但对定制IC 的需求不构成很大的冲击。目前, 这一市场占全部市场的10%左右。在大型应用中, 减小体积和降低成本的需要促使制造者不断地与主要客户合作, 以提供合适的客户解决方案。
2. 2 主要供应商
尽管目前市场上有超过60家以上的大厂商, 但是排位靠前的7家公司占据了50%以上的市场份额。实际上, 可以将“80/20原则”应用于这个市场, 2000年, 大约80%的市场收入由排在前面的20%的IC 制造商获得。
参与市场的公司可按其竞争关联性进行分组:・具有广泛业务覆盖范围, 在电源和功率管理IC 上大量投入的大公司, 如Linear Technolog y, M ax im;
・有良好基础的线性半导体产品公司, 如Ana-log Dev ices, Fair child, Infineon, National, ON Sem i-conducto r, Philips, ST M icro electro nics, T exas In-struments ;
・远东的一些公司, 很多集中在客户应用电子领域, 如Fujitsu, M itsubishi, NJR, Richo, Rohm, Sanken , Seiko , Shar p , T oko , T orex ;
・非常专业化的某一特定应用领域和产品范围, 或垂直市场的中等规模供应商, 如Dallas , Inter -sil , Microsem i , M icrel , Pow er Integrations , Sem tech, Sipex , Supertex , T elcom , Vishay /Sili-conix 。
・规模小、刚刚启动的公司, 市场的新进入者, 如Alpha, Elantec, IM P, Impala, O2Micro, Pow er -sm art , Unisem 。
全球电源和功率管理IC 市场全面的领先者是Tex as Instruments, National Semiconductor, On Sem iconductor , Linear T echnolog y , Fair child 和M ax im 等公司。
3 L DO 技术的发展
目前, 采用PNP 管作为通路元件的LDO 调节器几乎终结了早期的NPN 线性调节器。CM OS 技术通过PM OS 给LDO 调节器带来进一步的发展。到现在为止, 采用BCDM OS 技术的N 沟LDO 器件, 已克服了早期器件的主要缺点。
LDO 调节器最重要的性能指标之一是实现较低的压差电压。在市场要求调节器消耗更低能量的情况下, 很多系统已经从纯线性调节走到了两级调节。两级调节采取在LDO 调节器的后面加一个高效率开关模式的转换器的结构, 将高效率与低噪声和快速瞬态响应结合在一起。效率最大化要求线性调节器两端的压差尽可能小, 这样就对进一步降低压差电压产生了更大的压力。早期电压调节器的压差电压一般都大于1V , 而目前LDO 调节器的压差电压通常都要求低于500mV 。
高效率要求调节器具有低静态电流, 即地脚电流。地脚电流是无用的电流, LDO 调节器不会把这个电流提供给负载。尽管许多LDO 的生产商宣称他们的产品有小于1m A 的地脚电流, 但是在满额定负载或在压差电压的条件下, 大多数还远远达不到这个数值。在这种条件下, 新制定的性能目标已经将小功率LDO 调节器的地脚电流降到了大约1m A 。
标准的LDO 调节器一般需要2～10 F 的输出电容。尽管输出电容不能够通过提供瞬态峰值电流来提高瞬态响应能力, 但为了保持调节器的稳定, 这个电容一直是必要的。该电容器的要求十分苛刻, 为了达到稳定的目的, 需要规定电容量和ESR 的最大最小值。因此, LDO 调节器的研究者为开发“无电容”的LDO 调节器作了大量的工作。
工艺的进步可以提高LDO 的性能。例如, REG101/REG102/103系列LDO 调节器采用Bipo-lar -CM OS-DM OS (BCDM OS) 工艺和在射极跟随结构里采用n 沟道双注入M OS(DM OS) 工艺, 达到了很低的压差电压和低地脚电流, 并保持低噪声和良好的瞬态性能。这类调节器取消了通常为保持稳定性而采用的输出电容器。3. 1 npn 通路元件
1970年初, 最早的整套装在一起的线性调节器采用npn 通路元件。通路元件是调节器用来“通过”从输入端流向输出端的电流的功率器件。这种类型的调节器统治了市场将近15年。
npn 通路元件的一个最主要的优点就是:对于
给定的芯片尺寸而言, 具有的电流能力相对很高, 或者说, 对于给定的电流要求, 有一个相对非常小的芯片尺寸。由于在单位面积上有较高的硅使用效率, npn 元件的性/价比很高, 对于功率方面的应用尤其如此。这一优点主要是因为电子载流子的迁移率比空穴高出两倍多。同pnp 管相比, npn 器件通常具有较高的电流增益( ) 、较高的电压增益(V A ) 、较高的单位增益带宽(f T ) 和较高的击穿电压(BV CEO ) 。这些优点可以推广到M OS 拓扑, 即N 沟M OS (NM OS) 的性能优于P 沟M OS(PM OS) 。
与pnp 调节器比较, 对于面积相同的硅材料(成本相同) , 较高的 使npn 调节器具有较小的地脚电流。然而, 更重要的优点是通路元件在调节器里的布置:npn 调节器将通路元件作为高边器件, 其射极连接到负载。这种结构提供驱动电流(即通路元件的基极电流) 给负载, 电流不会涌向地脚, 这一点与pnp 通路元件相同。3. 2 npn 调节器
早期npn 管一个最明显的优点就是使用方便。它们容易补偿, 也就是说, 负载极不是调节器环路的一部分, 并且输出电容器的大小和ESR 都不重要。因此, 设计者可以使用任何类型和尺寸的输出电容器, 甚至不用电容器。在使用npn 调节器的初期, 要求小尺寸的输出电容器不是主要问题, 因为电池式便携系统几乎还没有出现, 安装板位置空间问题并不突出, 小尺寸的输出电容器是一种额外的要求, 因此低压差成为关注的首要问题。
如果不存在高的压差电压这一主要问题, npn 调节器可能还要继续统治市场。大多数早期的npn 调节器采用通用的达林顿管作为通路元件。但是, 这种结构在输入与输出电压之间要求2V BE 的压降。当输入电压低于2V BE 压降时, 达林顿管进入饱和, 调节器迅速失去调节能力, 换句话说, 它“漏失了”。即使采用所谓的组合式的npn 调节器, 用pnp 管驱动npn 管的基极, 压差电压也接近1V 。在1980年代中期, 这一问题最终导致了低压差电压调节器的出现。
3. 3 低压差调节器
市场对低功耗要求的不断提高和开关调节器的出现, 使对低压差调节器的需求变得十分紧迫, 因此促成了最初的LDO 调节器的产生。早期的线性调节器一般都在后面的调节结构上采用一个相同的元件, 这样可以减小开关噪声和ESR 瞬态响应, 这就是pnp 通路元件。
早期的侧向pnp 调节器比同类型的纵向npn 调节器的性能要差很多。但是, 它们却有一个很大的
优点, 就是可以用共射极电路的形式来连接。这样,
当输入电压下降时, 就可以驱动通路元件进入很深的饱和状态。因此, 与npn 调节器不同, 其压差电压不是V BE 的函数, 而是pnp 管V CE (S AT ) 的函数, 这个电压值要低得多。对于早期的pnp 调节器, 压差电压一般是500～800mV 。随着线性工艺的成熟, 纵向pnp 逐渐占据了小于500mV 的设计领域。尽管pnp 通路元件有很多缺点, 但是由于这一重要的优点, pnp LDO 调节器的市场份额仍得以保持。
但是, LDO 调节器采用pnp 通路元件的缺点是明显的。采用CE 形式耦合的pnp 管频率响应特性差, 这样就使得pnp 调节器给调节器控制回路造成一个低频极, 对其进行补偿需要一个有特定ESR 值的大输出电容器。对于早期的侧向pnp 调节器, 一般要求最小的C OUT 为10 F 。随着工艺的不断进步以及纵向功率pnp 结构的发展, C OUT 的数值降到了1～2 F 。
3. 4 输出电容ESR
为了补偿来自pnp 管的附加极, 需要一个零传递函数, 这个函数由输出电容器的ESR 来提供。但是, ESR 的数值必须降到一个严格限制的区间以内, 否则LDO 调节器会发生震荡。此外, 在整个工作过程和温度变化范围内, ESR 必需驻留在一个临界的区域内。LDO 调节器对ESR 的敏感性, 以及ESR 对温度和频率的高可变性比任何其它原因都更容易引起调节器的震荡。一种解决办法是使用更大体积的、更昂贵的钽电容器, 以获得在一定范围内的容差及ESR 稳定性。对ESR 最小值的要求限制了LDO 调节器的瞬态性能。
对于pnp 通路元件, 控制电流流出该晶体管的基极并通过控制电路流向地, 成为地脚电流I Q 的一部分。这一部分是无用电流, 是LDO 调压器附加的损耗, 其结果造成不小的效率损失。对于大功率器件, 标准双极工艺的电流增益 通常是20～50。当集电极电流增加到某一数值之上时(pnp 管的这一数值很小) , 值会下降, 使本来就较小的pnp 管 值变得更小, 这样, 就会产生较大的地脚电流。通过纵向pnp 结构(互补双极工艺) 和超 晶体管技术等工艺改进, 可以提高电流增益。但是, 工作(基极) 电流仍然是输出电流的函数。
当接近压差电压时, 情况会更糟糕一些。当双极晶体管进入饱和时, 其所有的性能参数, 包括 , 迅速地退化。当调压器接近它的压差电压, 即 V (V I N -V OUT ) 低于大约500mV 时, pnp 进入饱和区。地电流从几 A 增大到几百 A 或LDO 调节器额定输出电流的几个百分点。
3. 5 PMOS 在pnp 基础上的改进
PM OS LDO 器件解决了pnp 调节器静态电流问题, 即高I Q 值问题, pnp 管的静态电流随着输出电流的增加而增加, 随着输入电压的减少而增加。因为M OS 器件是电压控制器件, 驱动通路元件不需要耗费电流, 唯一的地脚电流只是控制电路工作所必需的。
大产能的CM OS Foundry 可以使制造商以比纵向pnp 更具竞争力的价格提供PM OS LDO 器件。但是, PM OS 并不是没有缺点。PMOS 设计需要一个较大的输出电容, 并且输出电容的ESR 在一个临界范围内一定会下降。
同pnp 器件一样, PM OS 器件也对输出电容敏感。此外, PM OS 还带来了一系列的新缺点, 如当V I N 处于低位时, 驱动电压不够大, 输入电压范围受到严格限制, 精度较低。
PM OS LDO 调节器通过把栅电位拉到低于源电位来控制输出电流。当LDO 调节器处于“低差”范围内时, 通路元件进入线性区而成为“三极管”, 不再夹断。在这一区间内, 该器件提供的电流正比于驱动电压(V GS -V T ) , 对于LDO 调节器来说, 为V I N -V T , 其中, V T 是M OS 管的阈值(开启电压) 。当V D S 降低时, 必须增加驱动电压, 以保持输出电流不变。随着输入电压的降低, 控制电路迫使栅电位接近地, 当最终等于地时, 通路元件就失去了动力。器件完全没有力量去推动通路元件, 调压器随之失去调节作用。
尽管亚微米CMOS 工艺能够提供低的导通电阻, M OS 管的V DS 和V GS 还是被限制在几V 以内。因此, CM OS 调节器通常被限制在低于7V 的应用。
基于CM OS 工艺的调节器的另一个缺点是, 与双极工艺相比, 其精度较差。这主要是M OS 器件较低的g m 所致。大多数对性能的制约因素起源于控制回路中的误差放大器。M OS 放大器的V OS 较高, 难以获得高输出精度, 同时, 增益低, 由线性误差和负载变化带来的环路误差难以减小。
3. 6 DMOS 调压器
分立器件DM OS 工艺已经有大约15年的历史, 用于批量化生产的时间也超过了10年。DM OS 晶体管有很多优点, 已成为1～10A 范围内功率器件的选择, 如果采用新的DM OS 设计技术, 还可用于小于1A 的领域。
DM OS 的主要优点是R DS (ON ) 值低, 因而压差电压很低。目前, 大多数DM OS 都是定位于功率应用
的低R DS (ON ) NMOS 器件。DM OS 结构采用扩散结而不是光刻工艺形成M OS 沟道。这种结构效率高, R DS (ON ) 非常低, 现代的分立DM OS 工艺能够达到的R DS (ON ) 水平已经接近硅的理论极限。当然, LDO 调节器最重要的要求之一就是低的压差电压, 对于采用M OS 管作为通路元件的情形, 对产品的这一要求已经转化为对低R DS (ON ) 的要求。只要当输入电压接近输出电压时, 驱动和控制电路能够维持控制功能, R DS (ON ) 基本上就会成为LDO 器件的VDO 。
因此, DM OS 工艺给LDO 设计带来了光明, 因为它改变了单位面积上的最低压差性能和调节器设计者所采用的任一晶体管的驱动电压。这一特征允许DM OS LDO 调节器在压差性能方面可能会超过最好的pnp 设计。DMOS 还具有高效率和低静态电流的优点。
DMOS 的另一个优点是其输出电容不受限制, 甚至可以完全不用输出电容器。在跟随器结构中采用N 型通路元件, 可以大大地减少补偿的需要, 这样, 调节器就不会依赖输出电容来起稳定作用。3. 7 DMOS LDO 调节器存在的问题
两个较大的问题阻碍了设计者在高集成度IC 中使用DM OS :1) DMOS 是一种大间距、分立型的工艺; 2) 栅极驱动需要高系统电压。
大多数DM OS 工艺可制作超低R D S (ON ) 纵向DMOS 管。尽管这些工艺能够使分离的DM OS 功率管的R D S (ON ) 接近理论最小值, 但是这些工艺却不适合大规模集成。原因之一是对于纵向M OS 管, 电流从其顶部流向底部, 使硅片的背面成为专用的DMOS 终端。此外, 对于大多数的这些工艺, 层的数量不够多, 不利于产生其它有用的模拟元件, 并且间距太大, 无法产生有用的逻辑密度。
最近几年, 制造商使用不具备亚微米能力的旧M OS 线, 用大于1 m 的CMOS 工艺集成侧向的DMOS 管生产IC, 这对那些无法与大型亚微米CM OS 生产线竞争的厂商是很好的策略。它提供了DMOS 功率器件与足够数量的控制电路相结合的成本不高的好方法。这种方法适用于低集成度。LDO 调节器采用n 沟道DM OS 的另一障碍是要求栅电压为1V 或高于源电压(LDO 的输出) 。要满足这一要求, 就需要n 沟道的DM OS 调节器外加电源的电压高于被调节的电压, 或在芯片上加一电荷泵。尽管在许多应用中, 外加的系统电压高于所需要的调节电压, 但是, 需要这种外加电压的调节器的使用和应用范围会受到很大的限制。
从理论上讲, 制造商可以在LDO 调节器上加
一个电荷泵给DMOS 门提供驱动电压, 但是实际上, 要实现这一目的还有相当难度。带来的问题是, 尺寸、芯片复杂度和噪声都要增加。另外, 许多IC 采用在板上安装电荷泵的办法, 将DMOS 器件按高端驱动器的形式, 即n 型M OS 通路元件接成正输出LDO 调节器的形式——电荷泵直接驱动栅极。但是, 这种结构在输出端造成非常大的开关噪声。
电荷泵直接驱动栅极产生了另一个严重的性能限制:电荷泵改变栅电压的能力限制了调节器对负载电流增加的瞬态响应能力。功率通路元件是有大量栅电容的较大的器件, 因此这一方案严重地限制了它的瞬态响应能力。3. 8 BC DMOS 工艺
现代BCDM OS 工艺能够解决上述这些问题。BCDMOS 工艺采用精细光刻工艺, 集成了双极、CMOS 和DM OS 器件。BCDM OS 工艺目前包括高精度的功率双极晶体管、模拟CMOS 、逻辑CM OS 和一定数量的为特定电压精制的DM OS 功率器件。成熟的1 m BCDM OS 工艺已用于批量生产, 亚微米BCDM OS 工艺的产量正在上升。将功率器件推进到亚微米领域对功率和模拟元件的好处似乎很少, 但是更精细的光刻可以改进CMOS 的集成度和R D S (ON ) 。
采用这一工艺, 设计者可以将所有的逻辑、开关和电容器与一个低电流的电荷泵一起做进1～2个焊接区大小的区域里去。这样, 空间占用量减小, 解决了DM OS LDO 调节器主要的障碍。
BCDMOS 工艺制作的DMOS 器件的R DS (ON ) 仍然不能够与分立器件竞争。但是, 现在BCDM OS 工艺已经开使提供集成的DMOS , 其R DS (ON ) 的数值低到60M /mm 2。这一数值不仅超过了PM OS , 而且可以实现电压的配搭, 使低压差电压和高输出电压同时并存。
LDO 调节器精度的两个主要因素是内部能带隙基准精度和调节器误差放大器失调电压。误差放大器将采样到的输出电压与基准电压进行比较。高精度的能带隙基准和制作高精度的双极器件有着直接的关联。使用双极器件作为输入级改进了误差放大器的V OS , 因为双极较好的输入失调电压和较高的回路增益能够减小误差。双极的高精度给BCD-MOS 以很大的优势。3. 9 电荷泵问题
采用现代集成DMOS 亚微米工艺, 即使在设计中加入了电荷泵, 也不能解决所有的设计问题。芯片
能够储存的电荷是有限的, 但是在负载不稳定时, 驱
动一个大DMOS 器件的栅极电容需要大电流。因此, 必须要有一个大电荷泵。
电荷泵自然会产生噪声。尽管较好的设计技术可以减少电荷泵所产生的噪声, 大多数高端驱动DMOS 还是采用大DM OS 栅电容作为部分或全部的电荷泵输出存储电容。但是在市场上, 采用这种用电荷泵直接对栅电容充电的DMOS 调节器很少。这种方案的问题在于, DMOS 接成源跟随器的形式, 如果直接对栅极进行电荷抽放, 会将电荷泵的噪声以1倍的增益传递给调节器的输出。此外, 为了在响应负载变化时能够推动栅极, 在每一循环里都需要大量的电荷, 因此需要一个大电荷泵, 这使情况变得更加糟糕。
栅电容C G 确定了栅电流的量值I G , 必然会在一定时间内产生一个栅电压的变化(d V G /d t ) , 即I G =C G ・d V G /d t 。这里, C G 是总的栅电容, 主要由C GS 和C GD 组成。
在输出电流从零输出到满幅度输出变化的典型情形下, 用100pF 的栅极电容移动DM OS 的栅极需要5V 电压、1m A 的电流和0. 5 s 的时间。这个数值对于芯片上的电荷泵是非常大的。一个电荷泵如果能够提供1mA 的电流, 那么它产生的噪声将会很大。如果减小电荷泵, 例如, 让它只能提供10 A 的电流, 则在一次负载满幅度变化情况下, 调节性能就会严重不足。
3. 10 减小栅极驱动的困难
美国TI 公司的REG101/102/103系列采用正在研制的专有未定型结构, 使用误差放大器, 通过一个作为dc 模块或起补偿功能的电容器驱动栅极。一个独立的伺服放大器为补偿电容器的两端提供一个合适的dc 电压。
在这种拓扑中, 误差放大器通过补偿电容器
可以把误差放大器C OS 来提供移动门所必须的电流。
看作是电压控制放大器, C OS 看作是电荷储存/释放
器件。C OS 的引入允许放大器使用与电荷泵不同的电压源进行工作。这样进一步降低了对电荷泵输出电流的要求。新的电压源通常是V I N 或者次级调节电压。现在电荷泵仅仅为伺服放大器服务。
伺服放大器的作用是使控制放大器回路正常工作。就是说, 当大的负载变化发生后, 控制放大器将栅极电压移动到一个新的数值, 但是同时也将它的输出电压移到了某一电源轨上。伺服放大器通过增加或减少栅极电荷, 使控制放大器缓慢地恢复到它的工作区的中点。伺服放大器通过在C OS 与DMOS
栅极之间的节点注入或者去掉一小部分电流来改变栅极电荷。伺服放大器使回路电压改变的速度要比主回路慢几个数量级, 所以不会破坏回路的稳定性。
伺服放大器是电荷泵的唯一负载, 电荷泵可以做得很小, 这样造成的噪声就很小。采用这种拓扑, 在每一个循环内传送的电荷的数量比传统结构少近两个数量级。此外, 伺服放大器的电源抑制比抑制了所有电荷泵产生的剩余噪声。较小的电荷泵电流以及伺服放大器电源抑制比将噪音降低了近两个数量级。使用良好的制版技术, 可以把调节器输出的电荷泵噪音降低到一个好的低噪声带隙基准发生器的水平上。
先进的生产技术赋予产品优良的性能, 而优良的性能又使国外生产的LDO 产品应用范围和适用范围十分广泛。例如, 在便携式的电子产品领域, 手持式计算机、移动通讯装置、视频或音频产品、照像机、医疗仪器及测试仪器等都越来越多地使用LDO 。前面提到的ADP3338和ADP3339, 不仅可用于电缆盒、音频/娱乐系统, 还可用于嵌入式DSP 和带微控制器系统的电源、无线基站、U SB(通用串行总线) 、集线器、外部DSL/线缆调制解调器、路由器等领域。
国外LDO 产品种类繁多, 各种产品适用不同的对象, 可谓琳琅满目。仅TI 公司一家, 目前LDO 电压调节器的产品种类就超过了289种。
双极或BiCMOS 工艺技术依然具有不可替代的作用。在军事和一些特殊应用领域, 在范围广大的定制电子产品领域, 在有较高功率要求, 但对压差电压要求不高的领域, 在汽车电子等一些大规模生产的领域; 在一些对性/价比要求较高的领域, 双极或BiCMOS 工艺仍然独占鳌头, 保持着自己的生存和发展空间。4. 2 国内现状
国内LDO 电压调节器的开发尚处于刚刚起步阶段。目前国内仅有为数不多的几个单位在进行开发工作, 产品品种少, 产量不大, 且大多数水平较低。中电科技集团公司第二十四研究所依靠雄厚的科研实力和坚实的技术基础, 以及对技术发展趋势和市场的把握能力, 在国内该领域的开发中处于领先地位。
近年来, 二十四所的集成电路设计和研制能力已经得到很大的提高。在工艺上, 拥有100mm /2
并正建 m , 月产2000片的双极和BiCM OS 工艺线。立一条150mm /0. 8 m 的模拟集成电路研制线。
设计方面, 已熟练掌握基于自有的双极、BiCM OS 、CM OS 、CBiCM OS 工艺的设计技术, 应用0. 35 m
高SiGe BiCM OS 和0. 8 m BiCMOS 开发了高速、性能的模拟IC 。
二十四所长期从事电源控制器、电压调节器的研究。近年来, 其LDO 调节器的研制水平获得了很大的提高, 主要性能指标已经达到:固定输出LDO , 输出电压5V, 输出电流100mA, 压差电压0. 3V; 固定输出LDO, 输出电压3. 3V, 输出电流1A, 压差电压0. 7V ; 正可调三端可调输出LDO , 输出电流1. 5A , 压差电压1. 5V ; 负可调三端可调输出LDO, 输出电流5A, 压差电压1. 5V 。静态电流:10 A(CM OS) 。
4 国内外产品和技术的现状
目前, 国内LDO 调节器与国外比较存在较大
的差距, 主要表现在设计和制造水平, 产品性能以及产品的应用水平等几个方面。4. 1 国外现状
npn 技术呈衰退趋势; pnp 保持一定的市场份额; PMOS 主要在7V 以内应用, 其产品开发长期最受重视; DM OS 在对压差电压要求很高的应用中占有一定(不大) 的份额, BCDMOS 已有批量生产。
国外LDO 标准产品设计大都采用先进CM OS 等技术。为解决npn 和pnp 双极工艺压差和功耗大的问题, 对PM OS 、NMOS 和CM OS 技术进行了大量的研究, 在保持比双极和BiCMOS 工艺更低功耗的前提下, 大幅度地降低了压差电压; 压差电压在降至500mV 以下时, 仍可达到几安培的输出电压电流, 使LDO 产品真正进入低压差时代。
国外先进的LDO 产品具有优异的性能。在超小功率范围, 例如TI 公司的T PS77001等产品, 采用PMOS 工艺制作, 具有1. 2～3. 3V 多个固定和可调输出, 压差电压仅为35mV/50mA, 而静态电流在50mA 输出时只有17 A; 在中小功率范围, 压差电压在500mV 以下, 输出电流从mA 级到6、7A 的产品已经很普遍。
国外产品很多都具有优良的综合性能。例如, ADI 的ADP3338和A DP3339两种anyCAP 系列低压差电压调节器, 其压差电压为190m V/1A 。该产品可能是体积最小、精度、智能化程度、效率、性/价比最高的一类功率管理芯片, 无论采用何种类型的输出电容, 都能表现出良好的稳定性。该产品保证了大负载电流时的对压差电压的要求。ADP3338和ADP3339还在不同的输出电压、噪声抑制、电流限制和过热保护等方面进行了改进。
5 发展建议
要在相对较短的时间内, 以较少投入取得开发新产品的成功, 其关键在于企业是否具备产品开发的各项基础条件, 对该产品的投资是否到位、投向是否合理, 对产品开发过程是否具有较强的管理能力。
在确定是否开发LDO 产品时, 还应该研究以下几个方面的问题:
・必须能够利用开发单位的优势, 包括利用设计、测试和开发较复杂模拟IC 的能力;
・在现有基础上经过一段时间的发展, 能够具备生产该产品所需的较高产能和降低成本的能力;
・产品能否在确定的时期内获取收益;
・产品必须具有不同市场和应用领域的较广泛的客户基础, 以求获得长期的发展。
中电科技集团公司二十四所是一个具有丰富的模拟集成电路开发经验并取得丰硕成果的优秀团队, 完全满足以上要求。在二十四所进行LDO 电压调节器的开发是适宜的、适时的。为此, 本文提出以下建议:
・发挥设计和工艺的优势, 集中力量攻克双极和BiCM OS 等工艺的LDO 产品;
・在资金条件具备的条件下, 有针对性地优化和提升CMOS 工艺技术;
・关注通用和专用两个方面, 侧重定制产品的(上接第410页)
国外从事模拟乘法器开发的公司主要有摩托罗那、AD 公司。AD 公司的前期产品主要以AD 530、AD532、AD534等为代表; 1990年代后, 逐渐更新到以AD831、AD834、AD835、AD8343、AD8346为代表的产品系列; 现已拓展到RF 领域, 如AD 8343混频器, 其工作频带为DC ～2. 5GHz , 输入IP 3达到20dBm 。
5. 2 模拟乘法器的发展趋势
随着半导体工艺的发展, 为了面对通讯市场, 国外公司都纷纷开发RF 接收/发射处理芯片, 其内部一般都包含了信号的放大、I/Q 调制与解调、频率源的产生等单元模块。在这些单元模块之中, 信号的调制与解调就是模拟乘法器。与单独的放大器、乘法器设计相比, RF 系统级芯片的开发技术含量更高、难度更大。
目前, 国内从事RF 系统级芯片开发的单位主要以中电科技集团公司第二十四研究所为主, 其所
研制, 满足顾客的差异化需求。
・不仅仅局限于LDO IC 的开发, 与开关电源结合, 以含LDO IC 的模块、部件, 甚至小系统的定制, 为顾客提供系统的低功耗电源解决方案。
・开发LDO 新工艺, 推动LDO 产品上台阶。各级政府的有关部门, 应对优势企业提供政策和资金支持, 为这些企业的发展提供良好的软、硬件环境, 符合国家发展高新技术的产业政策, 也是发展LDO 的良策。
6 结束语
综上所述, 低压差电压调节器, 无论是技术或者市场, 都处在一个蓬勃发展的时期。随着便携式电子产品的普及, LDO 调节器的市场应有增长空间, 市场LDO 调节器的低压差性能和综合性能的要求将不断提高, 不断有新的技术开发和应用。我们应把握机会, 认真对待, 积极行动, 从专用产品的研制开发进行突破, 形成较为稳定的顾客群体, 并逐步向商用领域扩展, 以获得进一步发展的机会。
作者简介:赖 凡(1963-) , 1993年于电子科技大学获机电一体化专业工学硕士学位, 长期从事传感器、汽车电子产品和半导体专用设备的开发设计, 并获得多项科研成果, 已发表论文多篇。
属的西南集成电路设计公司已成功地实现了GSM 手机RF 芯片的国产化, 并在高速锁相环方面取得了重大进展, 实现了频率合成器的国产化和批量生产。
6 结束语
随着半导体工艺的不断发展, 模拟IC 的产品水平已大幅提高, 其发展产生了很多新的变化。
为了尽快提高产品水平和缩小与国外的差距, 以中电科技集团公司24所为代表的国内模拟IC 开发单位正积极地付出不懈的努力。可以预见, 在不久的将来, 我国的模拟IC 产业必将会取得长足的进步和迅猛的发展。
作者简介:刘伦才(1974-) , 男, 1994年毕业于电子科技大学, 长期从事模拟集成电路研究和开发工作, 主要研究方向为高速/宽带/高精度模拟放大器。
第34卷第4期2004年8月
文章编号:1004-3365(2004) 04-0411-07
微电子学M icroelectronics
V ol. 34, №4A ug . 2004
低压差电压调节器技术发展动态
赖 凡
(模拟集成电路国家重点实验室; 中国电子科技集团公司 第二十四研究所, 重庆 400060)
摘 要: 介绍了电源和功率管理集成电路市场, 描述了低压差(LDO) 电压调节器技术的发展进程和未来趋势; 对国内外LDO 产品和技术现状进行了比较, 提出了发展LDO 的建议。关键词: LDO ; 电压调节器; CMOS ; PM OS ; DM OS ; BCDM OS ; BiCM OS ; 双极中图分类号: T N 432
文献标识码: A
An Overview of the Development of LDO Voltage Regulators
LAI Fan
(N ational L abor atory of A nalog I nteg rated Circ uits ; S ichuan Institute of Solid -S tate Circuits , CET C , C hong qing 400060, P . R . China )
Abstract : A br ief descr iption is made o n t he mar ket o f po wer I C and pow er manag ement I C ’s . T he evo lution of
the low dr op -o ut (L DO ) v oltag e r eg ulato r technolog y is rev iew ed , a nd its dev elo pm ent tr end is dealt w ith . T he L DO pr oduct a nd techno lo gy abro ad and in the co untr y ar e discussed and co mpa red. F inally , sug g est ions are made on the development of L DO vo ltage r eg ulato rs.
Key words : L DO ; V oltag e reg ulat or ; CM O S; P M O S; DM O S; BCDM O S; BiCM O S; Bipolar EEACC : 2570
平均增长率。
1 引 言
在经历了十余年迅猛发展以后, 各种便携式电子产品, 特别是手持式计算机、移动通讯装置、视频或音频产品、照像机、医疗仪器及测试仪器等, 依然保持着强劲的增长势头, 拉动各种适合便携式电子产品的新型电源和功率管理集成电路源源不断地涌现。其中, LDO(Low Drop Out) 电压调节器依靠其不断降低的压差、不断减小的芯片面积、不断提高的效率和稳定性而越来越引人注目, 成为电子调压器产品最重要的发展领域之一。
2002年, 半导体工业在经历了两年多的不景气后开始了持续的复苏, 存货逐渐减少, 供给和需求趋于平衡。现在, 对该产业从2003年到2006年的增长率重新有了良好的预期。
然而, 半导体工业正面临着一种明显的迁移, 因此其恢复方式不会与以往相同。这种迁移反映出向外转包生产的加速, 向亚洲转包的加速。亚洲已经成为全球增长最快的芯片市场。据统计, 电源和功率管理IC 全球销售额在2003年已突破50亿美元, 并仍将以8. 8%的年增长率增长, 预计在2006年将达到70亿美元。
预计到2005年, 北美将占有全球电源和功率管理IC 市场的29. 4%, 亚洲会略微领先于北美, 占31. 1%, 日本和欧洲市场各占19. 2%和18. 9%, 其余地区占1. 4%。这些IC 主要用于通信电子, 计算机及其外围设备。长期的优势将继续支持亚洲占有最大的份额, 尤其是中国异军突起, 成为有吸引力的电子产品生产地区。
预计电源和功率管理IC 的平均售价(ASP) 将
2 全球电源和功率管理IC 市场
2. 1 市场
电源和功率管理IC 产品包括AC/DC 调节器、PFC 预调节、PW M/PFM 控制器、线性调节器和电池充电和管理。LDO IC 是其中新兴的一部分, 其增长趋势与整体是正相关关系, 增长率超过了整体的
收稿日期:2004-05-10; 定稿日期:2004-06-30
412赖 凡:低压差电压调节器技术发展动态2004年
以每年2. 5%～4%的速率下降。对于不同范畴的产品, 其下降速度会有所不同。价格下降的原因主要是厂商之间激烈的竞争、技术进步导致成本下降、临时的过量生产能力等因素。
电源和功率管理IC 的应用市场在2004～2005年度里, 预计将以16%～19%的增长率增长。计算机和通讯产品是高增长的应用领域, 技术进步的推动力将主要来自这些领域。尽管计算机、相关外设和数据通讯产品是高增长率的领域, 但这些产品市场价格的降低将在某种程度上抵消收入的增长。定制IC 是那些不在标准产品目录里的产品。尽管一些使用者的要求变得更标准化, 但对定制IC 的需求不构成很大的冲击。目前, 这一市场占全部市场的10%左右。在大型应用中, 减小体积和降低成本的需要促使制造者不断地与主要客户合作, 以提供合适的客户解决方案。
2. 2 主要供应商
尽管目前市场上有超过60家以上的大厂商, 但是排位靠前的7家公司占据了50%以上的市场份额。实际上, 可以将“80/20原则”应用于这个市场, 2000年, 大约80%的市场收入由排在前面的20%的IC 制造商获得。
参与市场的公司可按其竞争关联性进行分组:・具有广泛业务覆盖范围, 在电源和功率管理IC 上大量投入的大公司, 如Linear Technolog y, M ax im;
・有良好基础的线性半导体产品公司, 如Ana-log Dev ices, Fair child, Infineon, National, ON Sem i-conducto r, Philips, ST M icro electro nics, T exas In-struments ;
・远东的一些公司, 很多集中在客户应用电子领域, 如Fujitsu, M itsubishi, NJR, Richo, Rohm, Sanken , Seiko , Shar p , T oko , T orex ;
・非常专业化的某一特定应用领域和产品范围, 或垂直市场的中等规模供应商, 如Dallas , Inter -sil , Microsem i , M icrel , Pow er Integrations , Sem tech, Sipex , Supertex , T elcom , Vishay /Sili-conix 。
・规模小、刚刚启动的公司, 市场的新进入者, 如Alpha, Elantec, IM P, Impala, O2Micro, Pow er -sm art , Unisem 。
全球电源和功率管理IC 市场全面的领先者是Tex as Instruments, National Semiconductor, On Sem iconductor , Linear T echnolog y , Fair child 和M ax im 等公司。
3 L DO 技术的发展
目前, 采用PNP 管作为通路元件的LDO 调节器几乎终结了早期的NPN 线性调节器。CM OS 技术通过PM OS 给LDO 调节器带来进一步的发展。到现在为止, 采用BCDM OS 技术的N 沟LDO 器件, 已克服了早期器件的主要缺点。
LDO 调节器最重要的性能指标之一是实现较低的压差电压。在市场要求调节器消耗更低能量的情况下, 很多系统已经从纯线性调节走到了两级调节。两级调节采取在LDO 调节器的后面加一个高效率开关模式的转换器的结构, 将高效率与低噪声和快速瞬态响应结合在一起。效率最大化要求线性调节器两端的压差尽可能小, 这样就对进一步降低压差电压产生了更大的压力。早期电压调节器的压差电压一般都大于1V , 而目前LDO 调节器的压差电压通常都要求低于500mV 。
高效率要求调节器具有低静态电流, 即地脚电流。地脚电流是无用的电流, LDO 调节器不会把这个电流提供给负载。尽管许多LDO 的生产商宣称他们的产品有小于1m A 的地脚电流, 但是在满额定负载或在压差电压的条件下, 大多数还远远达不到这个数值。在这种条件下, 新制定的性能目标已经将小功率LDO 调节器的地脚电流降到了大约1m A 。
标准的LDO 调节器一般需要2～10 F 的输出电容。尽管输出电容不能够通过提供瞬态峰值电流来提高瞬态响应能力, 但为了保持调节器的稳定, 这个电容一直是必要的。该电容器的要求十分苛刻, 为了达到稳定的目的, 需要规定电容量和ESR 的最大最小值。因此, LDO 调节器的研究者为开发“无电容”的LDO 调节器作了大量的工作。
工艺的进步可以提高LDO 的性能。例如, REG101/REG102/103系列LDO 调节器采用Bipo-lar -CM OS-DM OS (BCDM OS) 工艺和在射极跟随结构里采用n 沟道双注入M OS(DM OS) 工艺, 达到了很低的压差电压和低地脚电流, 并保持低噪声和良好的瞬态性能。这类调节器取消了通常为保持稳定性而采用的输出电容器。3. 1 npn 通路元件
1970年初, 最早的整套装在一起的线性调节器采用npn 通路元件。通路元件是调节器用来“通过”从输入端流向输出端的电流的功率器件。这种类型的调节器统治了市场将近15年。
npn 通路元件的一个最主要的优点就是:对于
给定的芯片尺寸而言, 具有的电流能力相对很高, 或者说, 对于给定的电流要求, 有一个相对非常小的芯片尺寸。由于在单位面积上有较高的硅使用效率, npn 元件的性/价比很高, 对于功率方面的应用尤其如此。这一优点主要是因为电子载流子的迁移率比空穴高出两倍多。同pnp 管相比, npn 器件通常具有较高的电流增益( ) 、较高的电压增益(V A ) 、较高的单位增益带宽(f T ) 和较高的击穿电压(BV CEO ) 。这些优点可以推广到M OS 拓扑, 即N 沟M OS (NM OS) 的性能优于P 沟M OS(PM OS) 。
与pnp 调节器比较, 对于面积相同的硅材料(成本相同) , 较高的 使npn 调节器具有较小的地脚电流。然而, 更重要的优点是通路元件在调节器里的布置:npn 调节器将通路元件作为高边器件, 其射极连接到负载。这种结构提供驱动电流(即通路元件的基极电流) 给负载, 电流不会涌向地脚, 这一点与pnp 通路元件相同。3. 2 npn 调节器
早期npn 管一个最明显的优点就是使用方便。它们容易补偿, 也就是说, 负载极不是调节器环路的一部分, 并且输出电容器的大小和ESR 都不重要。因此, 设计者可以使用任何类型和尺寸的输出电容器, 甚至不用电容器。在使用npn 调节器的初期, 要求小尺寸的输出电容器不是主要问题, 因为电池式便携系统几乎还没有出现, 安装板位置空间问题并不突出, 小尺寸的输出电容器是一种额外的要求, 因此低压差成为关注的首要问题。
如果不存在高的压差电压这一主要问题, npn 调节器可能还要继续统治市场。大多数早期的npn 调节器采用通用的达林顿管作为通路元件。但是, 这种结构在输入与输出电压之间要求2V BE 的压降。当输入电压低于2V BE 压降时, 达林顿管进入饱和, 调节器迅速失去调节能力, 换句话说, 它“漏失了”。即使采用所谓的组合式的npn 调节器, 用pnp 管驱动npn 管的基极, 压差电压也接近1V 。在1980年代中期, 这一问题最终导致了低压差电压调节器的出现。
3. 3 低压差调节器
市场对低功耗要求的不断提高和开关调节器的出现, 使对低压差调节器的需求变得十分紧迫, 因此促成了最初的LDO 调节器的产生。早期的线性调节器一般都在后面的调节结构上采用一个相同的元件, 这样可以减小开关噪声和ESR 瞬态响应, 这就是pnp 通路元件。
早期的侧向pnp 调节器比同类型的纵向npn 调节器的性能要差很多。但是, 它们却有一个很大的
优点, 就是可以用共射极电路的形式来连接。这样,
当输入电压下降时, 就可以驱动通路元件进入很深的饱和状态。因此, 与npn 调节器不同, 其压差电压不是V BE 的函数, 而是pnp 管V CE (S AT ) 的函数, 这个电压值要低得多。对于早期的pnp 调节器, 压差电压一般是500～800mV 。随着线性工艺的成熟, 纵向pnp 逐渐占据了小于500mV 的设计领域。尽管pnp 通路元件有很多缺点, 但是由于这一重要的优点, pnp LDO 调节器的市场份额仍得以保持。
但是, LDO 调节器采用pnp 通路元件的缺点是明显的。采用CE 形式耦合的pnp 管频率响应特性差, 这样就使得pnp 调节器给调节器控制回路造成一个低频极, 对其进行补偿需要一个有特定ESR 值的大输出电容器。对于早期的侧向pnp 调节器, 一般要求最小的C OUT 为10 F 。随着工艺的不断进步以及纵向功率pnp 结构的发展, C OUT 的数值降到了1～2 F 。
3. 4 输出电容ESR
为了补偿来自pnp 管的附加极, 需要一个零传递函数, 这个函数由输出电容器的ESR 来提供。但是, ESR 的数值必须降到一个严格限制的区间以内, 否则LDO 调节器会发生震荡。此外, 在整个工作过程和温度变化范围内, ESR 必需驻留在一个临界的区域内。LDO 调节器对ESR 的敏感性, 以及ESR 对温度和频率的高可变性比任何其它原因都更容易引起调节器的震荡。一种解决办法是使用更大体积的、更昂贵的钽电容器, 以获得在一定范围内的容差及ESR 稳定性。对ESR 最小值的要求限制了LDO 调节器的瞬态性能。
对于pnp 通路元件, 控制电流流出该晶体管的基极并通过控制电路流向地, 成为地脚电流I Q 的一部分。这一部分是无用电流, 是LDO 调压器附加的损耗, 其结果造成不小的效率损失。对于大功率器件, 标准双极工艺的电流增益 通常是20～50。当集电极电流增加到某一数值之上时(pnp 管的这一数值很小) , 值会下降, 使本来就较小的pnp 管 值变得更小, 这样, 就会产生较大的地脚电流。通过纵向pnp 结构(互补双极工艺) 和超 晶体管技术等工艺改进, 可以提高电流增益。但是, 工作(基极) 电流仍然是输出电流的函数。
当接近压差电压时, 情况会更糟糕一些。当双极晶体管进入饱和时, 其所有的性能参数, 包括 , 迅速地退化。当调压器接近它的压差电压, 即 V (V I N -V OUT ) 低于大约500mV 时, pnp 进入饱和区。地电流从几 A 增大到几百 A 或LDO 调节器额定输出电流的几个百分点。
3. 5 PMOS 在pnp 基础上的改进
PM OS LDO 器件解决了pnp 调节器静态电流问题, 即高I Q 值问题, pnp 管的静态电流随着输出电流的增加而增加, 随着输入电压的减少而增加。因为M OS 器件是电压控制器件, 驱动通路元件不需要耗费电流, 唯一的地脚电流只是控制电路工作所必需的。
大产能的CM OS Foundry 可以使制造商以比纵向pnp 更具竞争力的价格提供PM OS LDO 器件。但是, PM OS 并不是没有缺点。PMOS 设计需要一个较大的输出电容, 并且输出电容的ESR 在一个临界范围内一定会下降。
同pnp 器件一样, PM OS 器件也对输出电容敏感。此外, PM OS 还带来了一系列的新缺点, 如当V I N 处于低位时, 驱动电压不够大, 输入电压范围受到严格限制, 精度较低。
PM OS LDO 调节器通过把栅电位拉到低于源电位来控制输出电流。当LDO 调节器处于“低差”范围内时, 通路元件进入线性区而成为“三极管”, 不再夹断。在这一区间内, 该器件提供的电流正比于驱动电压(V GS -V T ) , 对于LDO 调节器来说, 为V I N -V T , 其中, V T 是M OS 管的阈值(开启电压) 。当V D S 降低时, 必须增加驱动电压, 以保持输出电流不变。随着输入电压的降低, 控制电路迫使栅电位接近地, 当最终等于地时, 通路元件就失去了动力。器件完全没有力量去推动通路元件, 调压器随之失去调节作用。
尽管亚微米CMOS 工艺能够提供低的导通电阻, M OS 管的V DS 和V GS 还是被限制在几V 以内。因此, CM OS 调节器通常被限制在低于7V 的应用。
基于CM OS 工艺的调节器的另一个缺点是, 与双极工艺相比, 其精度较差。这主要是M OS 器件较低的g m 所致。大多数对性能的制约因素起源于控制回路中的误差放大器。M OS 放大器的V OS 较高, 难以获得高输出精度, 同时, 增益低, 由线性误差和负载变化带来的环路误差难以减小。
3. 6 DMOS 调压器
分立器件DM OS 工艺已经有大约15年的历史, 用于批量化生产的时间也超过了10年。DM OS 晶体管有很多优点, 已成为1～10A 范围内功率器件的选择, 如果采用新的DM OS 设计技术, 还可用于小于1A 的领域。
DM OS 的主要优点是R DS (ON ) 值低, 因而压差电压很低。目前, 大多数DM OS 都是定位于功率应用
的低R DS (ON ) NMOS 器件。DM OS 结构采用扩散结而不是光刻工艺形成M OS 沟道。这种结构效率高, R DS (ON ) 非常低, 现代的分立DM OS 工艺能够达到的R DS (ON ) 水平已经接近硅的理论极限。当然, LDO 调节器最重要的要求之一就是低的压差电压, 对于采用M OS 管作为通路元件的情形, 对产品的这一要求已经转化为对低R DS (ON ) 的要求。只要当输入电压接近输出电压时, 驱动和控制电路能够维持控制功能, R DS (ON ) 基本上就会成为LDO 器件的VDO 。
因此, DM OS 工艺给LDO 设计带来了光明, 因为它改变了单位面积上的最低压差性能和调节器设计者所采用的任一晶体管的驱动电压。这一特征允许DM OS LDO 调节器在压差性能方面可能会超过最好的pnp 设计。DMOS 还具有高效率和低静态电流的优点。
DMOS 的另一个优点是其输出电容不受限制, 甚至可以完全不用输出电容器。在跟随器结构中采用N 型通路元件, 可以大大地减少补偿的需要, 这样, 调节器就不会依赖输出电容来起稳定作用。3. 7 DMOS LDO 调节器存在的问题
两个较大的问题阻碍了设计者在高集成度IC 中使用DM OS :1) DMOS 是一种大间距、分立型的工艺; 2) 栅极驱动需要高系统电压。
大多数DM OS 工艺可制作超低R D S (ON ) 纵向DMOS 管。尽管这些工艺能够使分离的DM OS 功率管的R D S (ON ) 接近理论最小值, 但是这些工艺却不适合大规模集成。原因之一是对于纵向M OS 管, 电流从其顶部流向底部, 使硅片的背面成为专用的DMOS 终端。此外, 对于大多数的这些工艺, 层的数量不够多, 不利于产生其它有用的模拟元件, 并且间距太大, 无法产生有用的逻辑密度。
最近几年, 制造商使用不具备亚微米能力的旧M OS 线, 用大于1 m 的CMOS 工艺集成侧向的DMOS 管生产IC, 这对那些无法与大型亚微米CM OS 生产线竞争的厂商是很好的策略。它提供了DMOS 功率器件与足够数量的控制电路相结合的成本不高的好方法。这种方法适用于低集成度。LDO 调节器采用n 沟道DM OS 的另一障碍是要求栅电压为1V 或高于源电压(LDO 的输出) 。要满足这一要求, 就需要n 沟道的DM OS 调节器外加电源的电压高于被调节的电压, 或在芯片上加一电荷泵。尽管在许多应用中, 外加的系统电压高于所需要的调节电压, 但是, 需要这种外加电压的调节器的使用和应用范围会受到很大的限制。
从理论上讲, 制造商可以在LDO 调节器上加
一个电荷泵给DMOS 门提供驱动电压, 但是实际上, 要实现这一目的还有相当难度。带来的问题是, 尺寸、芯片复杂度和噪声都要增加。另外, 许多IC 采用在板上安装电荷泵的办法, 将DMOS 器件按高端驱动器的形式, 即n 型M OS 通路元件接成正输出LDO 调节器的形式——电荷泵直接驱动栅极。但是, 这种结构在输出端造成非常大的开关噪声。
电荷泵直接驱动栅极产生了另一个严重的性能限制:电荷泵改变栅电压的能力限制了调节器对负载电流增加的瞬态响应能力。功率通路元件是有大量栅电容的较大的器件, 因此这一方案严重地限制了它的瞬态响应能力。3. 8 BC DMOS 工艺
现代BCDM OS 工艺能够解决上述这些问题。BCDMOS 工艺采用精细光刻工艺, 集成了双极、CMOS 和DM OS 器件。BCDM OS 工艺目前包括高精度的功率双极晶体管、模拟CMOS 、逻辑CM OS 和一定数量的为特定电压精制的DM OS 功率器件。成熟的1 m BCDM OS 工艺已用于批量生产, 亚微米BCDM OS 工艺的产量正在上升。将功率器件推进到亚微米领域对功率和模拟元件的好处似乎很少, 但是更精细的光刻可以改进CMOS 的集成度和R D S (ON ) 。
采用这一工艺, 设计者可以将所有的逻辑、开关和电容器与一个低电流的电荷泵一起做进1～2个焊接区大小的区域里去。这样, 空间占用量减小, 解决了DM OS LDO 调节器主要的障碍。
BCDMOS 工艺制作的DMOS 器件的R DS (ON ) 仍然不能够与分立器件竞争。但是, 现在BCDM OS 工艺已经开使提供集成的DMOS , 其R DS (ON ) 的数值低到60M /mm 2。这一数值不仅超过了PM OS , 而且可以实现电压的配搭, 使低压差电压和高输出电压同时并存。
LDO 调节器精度的两个主要因素是内部能带隙基准精度和调节器误差放大器失调电压。误差放大器将采样到的输出电压与基准电压进行比较。高精度的能带隙基准和制作高精度的双极器件有着直接的关联。使用双极器件作为输入级改进了误差放大器的V OS , 因为双极较好的输入失调电压和较高的回路增益能够减小误差。双极的高精度给BCD-MOS 以很大的优势。3. 9 电荷泵问题
采用现代集成DMOS 亚微米工艺, 即使在设计中加入了电荷泵, 也不能解决所有的设计问题。芯片
能够储存的电荷是有限的, 但是在负载不稳定时, 驱
动一个大DMOS 器件的栅极电容需要大电流。因此, 必须要有一个大电荷泵。
电荷泵自然会产生噪声。尽管较好的设计技术可以减少电荷泵所产生的噪声, 大多数高端驱动DMOS 还是采用大DM OS 栅电容作为部分或全部的电荷泵输出存储电容。但是在市场上, 采用这种用电荷泵直接对栅电容充电的DMOS 调节器很少。这种方案的问题在于, DMOS 接成源跟随器的形式, 如果直接对栅极进行电荷抽放, 会将电荷泵的噪声以1倍的增益传递给调节器的输出。此外, 为了在响应负载变化时能够推动栅极, 在每一循环里都需要大量的电荷, 因此需要一个大电荷泵, 这使情况变得更加糟糕。
栅电容C G 确定了栅电流的量值I G , 必然会在一定时间内产生一个栅电压的变化(d V G /d t ) , 即I G =C G ・d V G /d t 。这里, C G 是总的栅电容, 主要由C GS 和C GD 组成。
在输出电流从零输出到满幅度输出变化的典型情形下, 用100pF 的栅极电容移动DM OS 的栅极需要5V 电压、1m A 的电流和0. 5 s 的时间。这个数值对于芯片上的电荷泵是非常大的。一个电荷泵如果能够提供1mA 的电流, 那么它产生的噪声将会很大。如果减小电荷泵, 例如, 让它只能提供10 A 的电流, 则在一次负载满幅度变化情况下, 调节性能就会严重不足。
3. 10 减小栅极驱动的困难
美国TI 公司的REG101/102/103系列采用正在研制的专有未定型结构, 使用误差放大器, 通过一个作为dc 模块或起补偿功能的电容器驱动栅极。一个独立的伺服放大器为补偿电容器的两端提供一个合适的dc 电压。
在这种拓扑中, 误差放大器通过补偿电容器
可以把误差放大器C OS 来提供移动门所必须的电流。
看作是电压控制放大器, C OS 看作是电荷储存/释放
器件。C OS 的引入允许放大器使用与电荷泵不同的电压源进行工作。这样进一步降低了对电荷泵输出电流的要求。新的电压源通常是V I N 或者次级调节电压。现在电荷泵仅仅为伺服放大器服务。
伺服放大器的作用是使控制放大器回路正常工作。就是说, 当大的负载变化发生后, 控制放大器将栅极电压移动到一个新的数值, 但是同时也将它的输出电压移到了某一电源轨上。伺服放大器通过增加或减少栅极电荷, 使控制放大器缓慢地恢复到它的工作区的中点。伺服放大器通过在C OS 与DMOS
栅极之间的节点注入或者去掉一小部分电流来改变栅极电荷。伺服放大器使回路电压改变的速度要比主回路慢几个数量级, 所以不会破坏回路的稳定性。
伺服放大器是电荷泵的唯一负载, 电荷泵可以做得很小, 这样造成的噪声就很小。采用这种拓扑, 在每一个循环内传送的电荷的数量比传统结构少近两个数量级。此外, 伺服放大器的电源抑制比抑制了所有电荷泵产生的剩余噪声。较小的电荷泵电流以及伺服放大器电源抑制比将噪音降低了近两个数量级。使用良好的制版技术, 可以把调节器输出的电荷泵噪音降低到一个好的低噪声带隙基准发生器的水平上。
先进的生产技术赋予产品优良的性能, 而优良的性能又使国外生产的LDO 产品应用范围和适用范围十分广泛。例如, 在便携式的电子产品领域, 手持式计算机、移动通讯装置、视频或音频产品、照像机、医疗仪器及测试仪器等都越来越多地使用LDO 。前面提到的ADP3338和ADP3339, 不仅可用于电缆盒、音频/娱乐系统, 还可用于嵌入式DSP 和带微控制器系统的电源、无线基站、U SB(通用串行总线) 、集线器、外部DSL/线缆调制解调器、路由器等领域。
国外LDO 产品种类繁多, 各种产品适用不同的对象, 可谓琳琅满目。仅TI 公司一家, 目前LDO 电压调节器的产品种类就超过了289种。
双极或BiCMOS 工艺技术依然具有不可替代的作用。在军事和一些特殊应用领域, 在范围广大的定制电子产品领域, 在有较高功率要求, 但对压差电压要求不高的领域, 在汽车电子等一些大规模生产的领域; 在一些对性/价比要求较高的领域, 双极或BiCMOS 工艺仍然独占鳌头, 保持着自己的生存和发展空间。4. 2 国内现状
国内LDO 电压调节器的开发尚处于刚刚起步阶段。目前国内仅有为数不多的几个单位在进行开发工作, 产品品种少, 产量不大, 且大多数水平较低。中电科技集团公司第二十四研究所依靠雄厚的科研实力和坚实的技术基础, 以及对技术发展趋势和市场的把握能力, 在国内该领域的开发中处于领先地位。
近年来, 二十四所的集成电路设计和研制能力已经得到很大的提高。在工艺上, 拥有100mm /2
并正建 m , 月产2000片的双极和BiCM OS 工艺线。立一条150mm /0. 8 m 的模拟集成电路研制线。
设计方面, 已熟练掌握基于自有的双极、BiCM OS 、CM OS 、CBiCM OS 工艺的设计技术, 应用0. 35 m
高SiGe BiCM OS 和0. 8 m BiCMOS 开发了高速、性能的模拟IC 。
二十四所长期从事电源控制器、电压调节器的研究。近年来, 其LDO 调节器的研制水平获得了很大的提高, 主要性能指标已经达到:固定输出LDO , 输出电压5V, 输出电流100mA, 压差电压0. 3V; 固定输出LDO, 输出电压3. 3V, 输出电流1A, 压差电压0. 7V ; 正可调三端可调输出LDO , 输出电流1. 5A , 压差电压1. 5V ; 负可调三端可调输出LDO, 输出电流5A, 压差电压1. 5V 。静态电流:10 A(CM OS) 。
4 国内外产品和技术的现状
目前, 国内LDO 调节器与国外比较存在较大
的差距, 主要表现在设计和制造水平, 产品性能以及产品的应用水平等几个方面。4. 1 国外现状
npn 技术呈衰退趋势; pnp 保持一定的市场份额; PMOS 主要在7V 以内应用, 其产品开发长期最受重视; DM OS 在对压差电压要求很高的应用中占有一定(不大) 的份额, BCDMOS 已有批量生产。
国外LDO 标准产品设计大都采用先进CM OS 等技术。为解决npn 和pnp 双极工艺压差和功耗大的问题, 对PM OS 、NMOS 和CM OS 技术进行了大量的研究, 在保持比双极和BiCMOS 工艺更低功耗的前提下, 大幅度地降低了压差电压; 压差电压在降至500mV 以下时, 仍可达到几安培的输出电压电流, 使LDO 产品真正进入低压差时代。
国外先进的LDO 产品具有优异的性能。在超小功率范围, 例如TI 公司的T PS77001等产品, 采用PMOS 工艺制作, 具有1. 2～3. 3V 多个固定和可调输出, 压差电压仅为35mV/50mA, 而静态电流在50mA 输出时只有17 A; 在中小功率范围, 压差电压在500mV 以下, 输出电流从mA 级到6、7A 的产品已经很普遍。
国外产品很多都具有优良的综合性能。例如, ADI 的ADP3338和A DP3339两种anyCAP 系列低压差电压调节器, 其压差电压为190m V/1A 。该产品可能是体积最小、精度、智能化程度、效率、性/价比最高的一类功率管理芯片, 无论采用何种类型的输出电容, 都能表现出良好的稳定性。该产品保证了大负载电流时的对压差电压的要求。ADP3338和ADP3339还在不同的输出电压、噪声抑制、电流限制和过热保护等方面进行了改进。
5 发展建议
要在相对较短的时间内, 以较少投入取得开发新产品的成功, 其关键在于企业是否具备产品开发的各项基础条件, 对该产品的投资是否到位、投向是否合理, 对产品开发过程是否具有较强的管理能力。
在确定是否开发LDO 产品时, 还应该研究以下几个方面的问题:
・必须能够利用开发单位的优势, 包括利用设计、测试和开发较复杂模拟IC 的能力;
・在现有基础上经过一段时间的发展, 能够具备生产该产品所需的较高产能和降低成本的能力;
・产品能否在确定的时期内获取收益;
・产品必须具有不同市场和应用领域的较广泛的客户基础, 以求获得长期的发展。
中电科技集团公司二十四所是一个具有丰富的模拟集成电路开发经验并取得丰硕成果的优秀团队, 完全满足以上要求。在二十四所进行LDO 电压调节器的开发是适宜的、适时的。为此, 本文提出以下建议:
・发挥设计和工艺的优势, 集中力量攻克双极和BiCM OS 等工艺的LDO 产品;
・在资金条件具备的条件下, 有针对性地优化和提升CMOS 工艺技术;
・关注通用和专用两个方面, 侧重定制产品的(上接第410页)
国外从事模拟乘法器开发的公司主要有摩托罗那、AD 公司。AD 公司的前期产品主要以AD 530、AD532、AD534等为代表; 1990年代后, 逐渐更新到以AD831、AD834、AD835、AD8343、AD8346为代表的产品系列; 现已拓展到RF 领域, 如AD 8343混频器, 其工作频带为DC ～2. 5GHz , 输入IP 3达到20dBm 。
5. 2 模拟乘法器的发展趋势
随着半导体工艺的发展, 为了面对通讯市场, 国外公司都纷纷开发RF 接收/发射处理芯片, 其内部一般都包含了信号的放大、I/Q 调制与解调、频率源的产生等单元模块。在这些单元模块之中, 信号的调制与解调就是模拟乘法器。与单独的放大器、乘法器设计相比, RF 系统级芯片的开发技术含量更高、难度更大。
目前, 国内从事RF 系统级芯片开发的单位主要以中电科技集团公司第二十四研究所为主, 其所
研制, 满足顾客的差异化需求。
・不仅仅局限于LDO IC 的开发, 与开关电源结合, 以含LDO IC 的模块、部件, 甚至小系统的定制, 为顾客提供系统的低功耗电源解决方案。
・开发LDO 新工艺, 推动LDO 产品上台阶。各级政府的有关部门, 应对优势企业提供政策和资金支持, 为这些企业的发展提供良好的软、硬件环境, 符合国家发展高新技术的产业政策, 也是发展LDO 的良策。
6 结束语
综上所述, 低压差电压调节器, 无论是技术或者市场, 都处在一个蓬勃发展的时期。随着便携式电子产品的普及, LDO 调节器的市场应有增长空间, 市场LDO 调节器的低压差性能和综合性能的要求将不断提高, 不断有新的技术开发和应用。我们应把握机会, 认真对待, 积极行动, 从专用产品的研制开发进行突破, 形成较为稳定的顾客群体, 并逐步向商用领域扩展, 以获得进一步发展的机会。
作者简介:赖 凡(1963-) , 1993年于电子科技大学获机电一体化专业工学硕士学位, 长期从事传感器、汽车电子产品和半导体专用设备的开发设计, 并获得多项科研成果, 已发表论文多篇。
属的西南集成电路设计公司已成功地实现了GSM 手机RF 芯片的国产化, 并在高速锁相环方面取得了重大进展, 实现了频率合成器的国产化和批量生产。
6 结束语
随着半导体工艺的不断发展, 模拟IC 的产品水平已大幅提高, 其发展产生了很多新的变化。
为了尽快提高产品水平和缩小与国外的差距, 以中电科技集团公司24所为代表的国内模拟IC 开发单位正积极地付出不懈的努力。可以预见, 在不久的将来, 我国的模拟IC 产业必将会取得长足的进步和迅猛的发展。
作者简介:刘伦才(1974-) , 男, 1994年毕业于电子科技大学, 长期从事模拟集成电路研究和开发工作, 主要研究方向为高速/宽带/高精度模拟放大器。