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应用于OLED驱动芯片的LDO设计

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电源管理系统中最基本的功能是供电和电源调整。任何外接负载的系统,提供的电压和电流不能够在不同的工作环境中保持稳定状态,工作状态往往会受到影响。LDO作为电源管理系统中的核心模块,其输出电压的精度直接关系着电路系统的各项性能。本文针对OLED驱动芯片设计一款具有较高精度的低压差线性稳压器,同时还能在整个负载范围内具有较高的稳定性、温度特性以及电源抑制比。

传统低压差线性稳压器除了具有较小压差的特点外,通常还具有体积较小、成本较低、功耗较低等特点,被广泛使用在电源管理芯片中,满足大部分供电需求。随着硅基OLED微显示芯片在更大的阵列规模,更小的像元尺寸与更快的帧频率的技术路线上发展,对CMOS驱动芯片的设计提出了更高要求。本论文的LDO作为OLED驱动芯片的电源供电模块,除以上的特点外,还有很高的精度特性。

1 LDO结构

如图1所示的是LDO的模块构成,右边为电流保护模块。其中,电阻R1R2构成反馈网络βFB,将取样值通过误差放大器(AMP)与带隙基准电压源比较,产生误差校正信号,驱使功率调整管SO的栅压变化,以提供负载所要求的电流,使输出稳定。从根本上讲,AMP、SOβFB三者构成的环路的增益大小决定了取样电压和基准电压的接近程度,所以要使LDO具有更高的输出精度,带隙基准电压和反馈网络的精度也要求较高。

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图1 LDO结构

2 电路设计

前面说到要使LDO具有更高的输出精度,必须提高带隙基准电压的精度和误差放大器的增益。如图2所示,电路左半部分为启动电路,由控制信号PD_N使能;中间部分为带隙结构,用来参数基准电压;右边部分为复制电路,将电压1:1复制后,在经电流镜产生基准电流,用来外部测试。

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图2 带隙基准电路设计

如图3所示,左边部分为偏置电压电路,右边为误差放大器和反馈网络。PD_N信号用来控制电路工作开关,IR为电流偏置的输出电流,Vref为输入的基准参考电压,FB接LDO输出的反馈取样电压,电阻R和电容CC对电路进行密勒补偿。

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图3 LDO主体结构

电路正常工作时,尽可能使差分对管M15和M16工作在亚阈值区,保证在相同电流的情况下得到更大的跨导gm,实现低功耗和高精度的要求。电路虽在内部进行了补偿,但在负载突变时的瞬态响应不好,可以改为外部大电容补偿,同时还能改善系统的电源抑制比,但会占用更大的芯片面积,要进行合理考虑。

3 电路仿真

为了确保电路在负载范围内,整个LDO系统都能稳定工作,必须验证电路的稳定性。对电路进行稳定性仿真,必须将Iprobe元件放置在反馈环路上,在频率范围为1Hz到1GHz的区间内,进行stb仿真,其结果如图4所示。从结果能看出在负载范围内,环路的低频增益均能保持在60dB左右,在仿真过程中相位裕度也都大于60°,GBW在100K到100M之间,电路具有很好的稳定性。

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图4 负载范围内增益仿真曲线

如图5所示,在轻负载情况下,低压差线性稳压器的电源抑制比在低频处约为93dB;在重负载的情况下,低频处的电源抑制比也能处在60dB以上,满足设计的应用要求,符合预期。

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图5 轻负载时PSRR仿真曲线

瞬态响应如图6所示,短时间负载从轻载转变成重载时,引起输出向下突变,变化的幅值大小约为39mV,并且在2μs的时间内达到稳定状态,负载电流从180mA向10μA跳变时,产生一个向上的跳变,电压变化大小约为34mV;并且,在2μs内达到稳定,由此可见电路具有较快的瞬态响应时间,用来应对负载电流的突变,因此电路具有较高的交流特性,符合设计指标要求。

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图6 LDO负载瞬态变化的输出响应曲线

4 结语

经过电路设计、仿真测试,使整个LDO系统能够提供1.8V输出电压,且精度在1%左右的;工作环境也在目标的基础上有很大的改进。输入电源电压范围从2.5~5V调整为1.9~5.8V,线性调整率为0.604%。工作温度范围从-40℃~85℃调整为-40℃~125℃,温漂系数在9.74ppm/℃。电路中的静态电流为47μA,最大负载电流为179mA,负载调整率为0.59%。电源抑制比在重载情况下也能达到60dB,其他负载条件下,均能达到70dB以上。可测的数据结果都在可接受的范围内,满足设计目标,已经完成流片,待后续板级测试。

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