一種用于高壓集成電路的基準電壓源設計

作者 / 劉振國 電子科技大學(四川 成都 610054)

　　劉振國：1992年出生，男，碩士，主要從事功率半導體方面的學習與研究。

摘要：本文基于LDO的設計思想，設計了一款用于高壓集成電路的LDO架構式的基準電路，使其具有寬輸入范圍的特性。同時，對于該基準電路，文中提出了兩種補償方式，通過增加前饋通路的補償方式可以使得系統(tǒng)的帶寬大大地拓展，從而減小基準電路的啟動時間(小于5μs)。另外，在該基準電路的基礎上增加了上電復位電路，從而提高系統(tǒng)可靠性。最后基于CSMC 0.5μm 600V BCD工藝對設計進行仿真驗證。

0 引言

　　在模擬集成電路中，基準作為一個最基本的單元，它的性能在很大的程度上影響著整個系統(tǒng)的性能^[1]。在各種不同的系統(tǒng)中，對基準單元也有著不一樣的要求。比如，在一些低功耗的系統(tǒng)中，功耗是基準的關鍵指標。在一些敏感性的系統(tǒng)中，電源抑制比(PSRR)以及抗噪性能則至關重要。而隨著集成電路產業(yè)的不斷發(fā)展，各種電子產品也不斷朝著小型化、智能化的方向發(fā)展。由此，又對基準單元提出了新的要求。在一些高壓集成電路(HVIC)中，如智能功率模塊(IPM)、LED驅動、同步整流等，由于對整個系統(tǒng)的功能提出了更多的要求，故基準單元在HVIC中也逐步變成了必不可少的一部分。而在HVIC中，則要求基準電路需要有較寬的供電范圍以及可靠性。本文正是基于目前在HVIC中對基準電路提出越來越高的要求的前提下，設計了一款用于HVIC的基準電路。

1 電路原理及構架

　　1.1 傳統(tǒng)帶隙基準電路架構及原理

　　傳統(tǒng)的帶隙基準電路結構如圖1所示^[2]。其中，Q1、Q2以及R3構成與絕對溫度成正比(PTAT)電流，該電流流經R1時產生PTAT電壓，輸出電壓為Vbe1與該電壓之和，而Vbe1又與絕對溫度成反比，故輸出電壓近似為與溫度無關。該電路存在以下幾個缺點。首先，該電路的輸出電壓為固定值，其值取決于所用工藝中的三極管BE結的本征電壓，一般約為1.25 V^[3]。其次，該電路的供電范圍不能在較大的范圍內變化，因為VCC的變化容易導致Q1、Q2的集電極電壓變化，從而導致電路無法正常工作。因此，該電路結構在高壓集成電路中并不適用。

　　1.2 本文提出的基準電路架構及工作原理

　　為了適應可變的輸出電壓以及較寬的供電范圍的需求，本文基于低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)的設計思想，提出了一種“LDO”架構式的基準電路，如圖2所示。其中，MN1為該LDO的調整管，電阻分壓網絡則對應于LDO的分壓采樣電阻，基準產生電路則對應于LDO的比較器。在該LDO架構中，基準產生電路采樣輸出點電壓，通過與自身產生的基準電壓進行比較，從而獲得較為精確的輸出電壓。由于該電路采用的是“LDO”架構，故而其自身也具有LDO的一些優(yōu)點，如供電范圍可以在較寬的范圍內變化。另一方面，由于電阻分壓網絡的存在，使得該基準電路的輸出電壓值并不再局限于傳統(tǒng)帶隙基準電路。

　　在圖2的電路架構中，基準產生電路的性能直接影響著最終輸出基準電壓的性能，如溫度系數等。因此基準產生電路的架構選擇也是一個需要慎重考慮的因素。在本設計中，采用了Brokaw架構^[4]，如圖3所示。其輸出V_out1為：

　　上式中，第一項為與絕對溫度成正比的電壓，而第二項為與絕對溫度成反比的電壓，通過設置合適的比例系數，即可得到幾乎與溫度無關的基準電壓。另一方面，通過合適設計R4與R5的比例，即可得到非固定值的基準電壓V_out1。

　　圖4為本文提出的“LDO”架構的基準電路的具體電路結構。其中，MP1、MP2、R1、N1、N2以及R2為該電路的啟動電路部分，目的是保證該系統(tǒng)可以在上電的過程中擺脫簡并狀態(tài)點。另一方面，為了增大該基準結構的電源抑制比，故而電流鏡結構均采用了cascode結構。如圖中的MP3、MP4、MP5以及MP6構成的cascode電流鏡結構。而在基準產生電路中，MN2、MN3與N4、N5也構成了類似于cascode結構，從而提高了電路的PSRR。

　　1.3 系統(tǒng)的可靠性分析

　　在高壓集成電路中，可靠性是一個重要的指標。因此，用于高壓集成電路中的各個系統(tǒng)模塊，所有的性能都必須建立在高可靠性的基礎之上?？煽啃灾饕瑑蓚€方面，一方面是要保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性;另一方面，則是需要保證系統(tǒng)在上電、電源波動等情況下仍可以可靠地工作。

　　在圖4中的電路中，存在著兩個以上的極點。第一個極點位于輸出REF_1的位置，由于該位置電流鏡結構的緣故，故而在cascode電流鏡的另一端存在著一個“鏡像”極點。第二個極點則位于“LDO”調整管MN4的輸入端。由于該系統(tǒng)存在著兩個以上的極點，故系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。該系統(tǒng)有兩種補償方式可以選擇。第一種補償方式的原理是將第二個極點設置為系統(tǒng)的主極點，第一個極點設置在較高頻率位置處。其具體實現方式則可以通過在MN4的柵極增加一個接地的較大電容。這種頻率補償方式優(yōu)點是較為簡單，但同樣存在著明顯的缺點，即這種補償方式會使得系統(tǒng)的帶寬大大的減小到幾百千赫茲。另一種補償原理則是通過前饋通路引入額外的零點，使得該零點去補償第二個極點，這種方式雖然較為復雜，但卻保證了系統(tǒng)的帶寬可以增大到幾兆赫茲。而系統(tǒng)的帶寬則直接關系到系統(tǒng)的響應速度，因此，對于一些電源電壓會波動的應用中，有著明顯的優(yōu)勢。故本文采用的是第二種補償方式。

　　系統(tǒng)的可靠性不僅要保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時還有保證系統(tǒng)在上電的過程中，各個模塊都可以進入正確的工作邏輯狀態(tài)。啟動電路僅僅能保證基準模塊在系統(tǒng)上電的過程中進入到正確的工作邏輯，而上電復位電路，則可以保證系統(tǒng)中其它模塊在系統(tǒng)上電的過程中可以進入正確的工作狀態(tài)中^[5]。因此，上電復位電路是必要的。在本文提出的基準電路的前提下，為了增加上電復位電路以保證系統(tǒng)可靠性的同時不增加電路設計的復雜性，故本文提出了一種基于電流比較的上電復位電路，其具體實現電路如圖5所示。其中，R3、MP7、MN1以及N3構成上電復位電路。在系統(tǒng)啟動的過程中，通過將由N1、N2以及N3構成的電流鏡與由MP7、MP8以及MP9構成的電流鏡的電流進行比較，從而為高壓集成電路整個系統(tǒng)中的其他模塊提供上電復位信號。

2 仿真結果及分析

　　本文提出的高壓基準電路的仿真結果是基于華潤上華(CSMC)0.5μm 600 V BCD工藝。且電路指標設計為VCC正常工作于15 V，基準輸出電壓REF_1為5 V，基準輸出電壓REF_BG為帶隙基準電壓，在該工藝下約為1.19 V。

　　2.1 上電啟動過程仿真

　　上電啟動過程仿真結果如圖6所示。在15μs時，VCC經1ns上電。圖中分別給出了在上電過程中，兩種補償方式的上電復位信號(POR)以及5 V基準輸出信號REF_1。從圖中，我們可以發(fā)現，第二種補償方式的啟動時間相對于第一種補償方式明顯減小。第二種補償方式5 V輸出信號大約在20μs的時候即保持穩(wěn)定，而第二種補償方式5 V輸出信號大約在30μs時保持穩(wěn)定。且從POR信號的有效脈寬持續(xù)時間也可以明顯發(fā)現第二種補償方式啟動速度遠遠大于第一種補償方式。同時，POR信號波形也反映了本文所設計的上電復位電路可以在系統(tǒng)上電的過程中，較為準確地為系統(tǒng)的其他部分提供上電復位信號。另一方面，從圖6中我們可以看到，第二種補償方式上電速度雖然更快，但由于系統(tǒng)的阻尼系數較小，故而在上電的過程中，5 V輸出信號會有一個“尖峰”，在一些應用場合中，該尖峰可能會對系統(tǒng)造成一定的損害。在這種應用場合下，則可以選擇第一種補償方式。從圖6中可以明顯看到，第一種補償方式下系統(tǒng)的上電響應更為平滑。

　　2.2 系統(tǒng)帶寬仿真

　　為了更好的理解兩種補償方式差異的原因，圖7分別給出了該系統(tǒng)本身以及兩種補償方式下系統(tǒng)的波特圖。

　　從圖7中，我們可以看到，系統(tǒng)在無任何頻率補償方式的情況下，其單位增益帶寬(GBW)大約位于2 MHz的位置，在該位置處其相位裕度為負值，故而系統(tǒng)是不穩(wěn)定的，這與我們前面的可靠性分析是相符合的。圖7是系統(tǒng)采用第一種補償方式的波特圖，從和的對比中，我們可以看到在中，兩個極點明顯分離，其GBW大約位于30 kHz的位置，對應的相位裕度約為56度。圖7是系統(tǒng)采用第二種補償方式的波特圖。由和的對比中，我們可以看到在第一個極點之后系統(tǒng)引入了一個零點，該零點的引入導致系統(tǒng)的GBW后移至將近20 MHz的位置，對應的相位裕度約為50度。這里需要另行說明的是兩種補償方式的補償電容值并不相等，其中第二種補償方式的補償電容值相對要小一些。從圖7的分析進一步可以得到，第二種補償方式確實可以很大程度上地提高系統(tǒng)的帶寬，從而使系統(tǒng)獲得相對較快的響應速度。

　　2.3 輸入電源電壓范圍仿真

　　圖8給出了系統(tǒng)輸入電源電壓范圍仿真曲線。從圖中我們可以得到：VCC輸入電壓約為8 V時，系統(tǒng)即可正常工作。且在VCC輸入電壓高達40 V時，該基準電路仍可正常工作。甚至可以做出預測，在工藝條件允許的條件下，該電路可以工作于更大的電源電壓范圍中。

　　2.4 溫度特性仿真

　　基準電路最為基本的一個性能即為溫度特性。本文的基準電路的溫度特性主要取決于基準產生電路。因此圖9給出了本文帶隙輸出電壓的溫度特性曲線?？梢缘玫?，在-55 ℃-125 ℃的范圍內，輸出電壓變化范圍約為2.5mV。

3 結論

　　文中所提出的“LDO”架構式的基準電路可以工作于較寬的工作范圍內，同時，本文提出了兩種不同的頻率補償方式，根據補償方式的選擇可以達到快啟動的目的。另一方面，為了適應高壓集成電路中對高可靠性的要求，本文在所設計的基準電路的基礎上增加了上電復位功能，從而可以進一步保證系統(tǒng)中各個功能模塊能夠進入正確的工作邏輯。最后，文中基于CSMC 0.5μm 600 V BCD工藝對所提出的電路結構進行仿真驗證，結果表明本文提出的基準電路適用于高壓集成電路。

　　參考文獻：

　　[1] 曹培棟.微電子技術基礎-雙極、場效應晶體管原理[M] .電子工業(yè)出版社, 2001 .

　　[2] R.J.Widlar,“New developments in IC voltage regulators,”IEEE J.Solid-State Circuits,vol.SC-6,pp.2-7,Feb.1971.

　　[3] B.Razavi.Design of Analog CMOS Integrated Circuits.McCraw-Hill Companies Inc.Boston,MA,2001.

　　[4] A.Paul Brokaw,“A Simple Three-Terminal IC Bandgap Reference，”IEEE Journal of Solid-State Circuits,VOL.SC-9,NO.6,December.1974.

　　[5] Takeo Yasuda,Masaaki Yamamoto,and Takafumi Nishi,A Power-On Reset Pulse Generator For Low Voltage Applications", Circuits and Systems, 2001,ISCAS 2001,vol.41 May 2001.

　　本文來源于《電子產品世界》2018年第10期第39頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。