一种应用于MCU待机模式的超低功耗LDO设计

一种应用于MCU待机模式的超低功耗LDO设计
张超;张志鹏;刘铁锋
【摘要】An ultra low-power Low-Dropout (LDO) voltage regulator for MCU in standby mode is designed. The LDO generates the reference voltage using fewer transistors and simple structure with a 15nA current reference. The output stage is optimized for working in coordination with main LDO. The LDO provides the power supply for POR, wakeup circuit, low-power oscillator and data retention while MCU works in standby mode. The circuit is simulated in TSMC 0.18μm standard CMOS p rocess. By simu-lation with Hspice, the circuit achieves an output voltage of 1.78V with input voltage of 3.3V. The temper-ature coefficient is 30 ppm/℃ in temperature range from -25℃ to 125℃. It only consumes a quiescent current of 60nA. The layout of ultra low-power LDO circuit occupies
25μm×38μm.%设计了一种应用于MCU待机模式的超低功耗低压差线性稳压电路(LDO).采用较少的MOS管以及简单的结构,只需提供一个15nA的偏置电流,可自产生偏置电压,无需带隙基准(Bandgap reference)电路提供基准电压.针对与主LDO协同工作的情况设计了输出级,能有效避免LDO同时工作引起的电源电压波动.在MCU的待机模式下,可以给上电复位(POR)、唤醒电路(Wakeup)、低功耗振荡器(LPOSC)、数据保持(Data retention)电路提供电源电压.该电路采用TSMC 0.18μm标准CMOS工艺.经过Synopsys Hspice仿真验证,输入电压为3.3V,输出电压为1.78V,在-25～125℃温度范围内温漂系数为30ppm/℃.整个LDO电路的整体的静态电流只有60nA,版图尺寸为25μm×38μm.
【期刊名称】《微处理机》
【年(卷),期】2017(038)006
【总页数】4页(P33-36)
【关键词】微控制器;LDO电路;低功耗;待机模式;输出级;上电复位
【作者】张超;张志鹏;刘铁锋
【作者单位】中国科学院沈阳自动化研究所网络化控制系统重点实验室,沈阳110016;中国科学院沈阳自动化研究所网络化控制系统重点实验室,沈阳110016;中国科学院沈阳自动化研究所网络化控制系统重点实验室,沈阳110016
【正文语种】中文
【中图分类】TP319
作为电子设备控制核心的微控制器（Microcontroller Unit，MCU）产品，在物联网时代迎来了更广阔的商机。

与此同时，物联网应用的新特性也为MCU的发展带来了诸多挑战。

为了实现IoT成功，MCU必需具有尽可能高的能效，从而使这些IoT设备可以更长久地工作，具有更多的功能性，或者更小的外形尺寸。

无论智能功能是通过使用SoC器件或分立式MCU器件嵌入在设备中，低功耗都至关重要。

为了降低功耗，MCU一般采用多种运行模式，包括工作模式、待机模式等，其中待机模式的功耗直接影响了MCU的使用范围以及供电电源的使用寿命。

为此，设计一种给MCU待机模式下提供内部电源的低功耗LDO，采用较少的MOS管以及简单的结构来实现[1]。

传统的低功耗LDO电路[2-7]由带隙参考电路、差分放大器和电阻分压网络等部分
组成，其结构如图1所示。

LDO电路根据带隙基准产生的参考电压VREF产生输出电压VOUT，输出电压VOUT经过反馈电阻R11和R12分压之后为差分放大器A1的同向输入端提供反馈电压VFB，上述反馈电压VFB的表达式为：
差分放大器A1将参考电压VREF和反馈电压VFB进行比较得到差值ΔV并将差值ΔV放大后得到Vdrive，Vdrive用于驱动功率输出PMOS晶体管M1的栅极，从而改变通过功率输出PMOS晶体管M1的电流，使得反馈电压VFB与参考电压VREF近似相等，最终使得输出电压VOUT的电压值趋于恒定，如下式所示：
在传统LDO电路结构中，带隙参考电路和差分放大器均需要消耗功耗，因此在降低传统结构的LDO电路功耗时，存在着限制。

芯片工作在待机状态时所需要的电流会很小，通常不到1μA，如果在这种情况下采用传统LDO电路为其供电，可能会出现LDO电路本身消耗的静态电流大于芯片本身消耗电流的情况，即使采用文献[8]所设计的低功耗带隙基准电路，也不能很好满足需求。

另外对传统的LDO电路结构还需要进行补偿以保证环路的稳定性，这就使得电路的设计复杂度增加了。

为此设计一种低功耗LDO，不需要额外的带隙基准电路，只需一个15nA的偏置电流，便可在MCU的待机模式下，给上电复位（POR）、唤醒电路、低功耗振荡器等提供偏置电流。

LDO整体电路的静态电流只有60nA。

低功耗LDO原理图如图2所示。

LDO的基准电压由电流源IREF和两个二极管
D1、D2决定。

误差放大器A1将VREF与VOUT的误差放大，通过控制调整管PM1的电流使得VOUT等于VREF。

低功耗LDO实际电路图如图3所示，由基准电压源、误差放大器、输出级三部分组成。

基准电压源由PM1、NM3组成，整个电路只需要15nA的电流源IREF流过PM1和NM3，产生一个基准电压VREF和电流偏置电压VBIAS，其中PM1和NM3
由二极管连接。

产生的VREF电压可由下式表示：
NM1和NM2组成误差放大器的差分输入对管，输出差分放大信号到PM2和
PM3组成的电流镜，通过电流镜以及尾电流源NM5，输出误差放大信号给由
PM4、NM6和R1组成的输出级，其中PM4为LDO的调整管，NM6为尾电流源，R1为输出电阻。

最终输出LDO输出电压VOUT并反馈给误差放大级。

忽略误差放大级的输入失调电压，并假设误差放大级和输出级的增益足够大，可以得到：
VOUT=VREF （4）
低功耗LDO与主LDO的输出同时连接在一个输出电容CL上，如图4所示。

低功耗LDO在MCU芯片中属于常开电路（Alwayson block）。

如何避免低功耗LDO与主LDO切换时产生电压波动也是需要关注的问题。

为此，低功耗LDO的
输出电压VOUT设计应低于主LDO的输出电压，并在输出级设计了一个尾电流源，保证整个低功耗LDO在正常工作模式下也处于工作状态，避免切换LDO时产生
启动延时或启动过冲。

低功耗LDO的功耗较低，为了满足一定的速度响应要求，调整管PM9的尺寸设计也应较小，使输出电流较小。

输出电阻R2作为限流电阻，能有效避免LDO切换时PM9瞬时电流过大的发生。

采用台积电TSMC 0.18μm标准CMOS工艺，输出电压VOUT瞬态仿真结果如5图所示，可见启动时间约为700μs，启动时间较长是由较大的输出电容引起的。

实际芯片在工作中，电容的充电主要是由主LDO完成的，温度曲线如图6所示。

此处采用的电流源属于PTAT电流源，而产生基准电压的
采用TSMC 0.18μm CMOS工艺制作低功耗LDO版图如图7所示，整个低功耗LDO电路的版图尺寸为25μm×38μm，面积为950 μm2。

设计了一种应用于MCU待机模式下的低功耗LDO电路，无需带隙基准电路，只需提供一个15μA电流源，就可自产生偏置电压，提供电源电压为待机模式下的工作电路供电。

整个低功耗LDO的静态电流只有60nA。

针对与其它LDO协同工作的情况设计了输出级，能有效避免LDO同时工作引起的电源电压波动。

整个LDO所占版图面积为25μm×38μm。

在输入电压为3.3V时，可实现输出电压为1.75V，能应用在多工作模式的MCU芯片中。

【相关文献】
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