用于GaNHEMT柵驅(qū)動(dòng)芯片的快速響應(yīng)LDO電路*

陳恒江，周德金，何寧業(yè)，汪 禮，陳珍海3,

（1.無(wú)錫中微愛(ài)芯電子有限公司，江蘇無(wú)錫 214072；2.復(fù)旦大學(xué)微電子學(xué)院，上海 200443；3.清華大學(xué)無(wú)錫應(yīng)用技術(shù)研究院，江蘇無(wú)錫 214072；4.黃山學(xué)院智能微系統(tǒng)安徽省工程技術(shù)研究中心，安徽黃山 245041)

1 引言

以GaN和SiC為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料的物理特性相比于Si材料具有禁帶寬度寬、熔點(diǎn)高（耐高溫、抗輻射）、擊穿場(chǎng)強(qiáng)高（耐高壓）、電子飽和漂移速度快（高頻率工作）、熱導(dǎo)率高等優(yōu)點(diǎn)，使得該類(lèi)器件更適于工作在高溫、高壓和高頻的應(yīng)用場(chǎng)合[1-3]。GaN高電子遷移率晶體管（High-Electron-Mobility Transistor，HEMT）作為GaN功率器件的主流器件，其相比Si MOSFET器件具有顯著優(yōu)勢(shì)，因此其驅(qū)動(dòng)應(yīng)用技術(shù)成為了研究熱點(diǎn)[4-6]。

高壓柵驅(qū)動(dòng)芯片屬于典型的多電壓工作電路，包括單片集成和絕緣隔離兩種技術(shù)路線(xiàn)[5]。典型的絕緣隔離柵驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)部通常采用高頻的信號(hào)調(diào)制解調(diào)技術(shù)進(jìn)行隔離區(qū)之間信號(hào)的傳輸，為實(shí)現(xiàn)高速信號(hào)傳輸，該類(lèi)電路通常采用低壓器件實(shí)現(xiàn)。絕緣隔離柵驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)部通常需要3種以上的供電電壓，因此需要多個(gè)低壓差線(xiàn)性穩(wěn)壓器（Low Dropout Regulator，LDO）對(duì)不同功能電路模塊進(jìn)行供電。GaN HEMT器件的超高頻率特性要求其柵驅(qū)動(dòng)芯片的工作頻率達(dá)到兆赫茲以上，對(duì)其內(nèi)部給調(diào)制解調(diào)電路供電的LDO響應(yīng)速度提出極其嚴(yán)格的要求，要求LDO的瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間小于1μs，單通道峰值電流達(dá)5 mA（全橋驅(qū)動(dòng)芯片的峰值電流將達(dá)20 mA），輸入工作電壓覆蓋3～5 V，輸出電壓為1.8 V。除上述電特性之外，嵌入式應(yīng)用對(duì)于電路面積要求更為嚴(yán)格。

本文設(shè)計(jì)了一種用于絕緣隔離型GaN HEMT器件柵驅(qū)動(dòng)芯片中調(diào)制解調(diào)電路供電需求的快速響應(yīng)LDO電路。該LDO電路采用動(dòng)態(tài)偏置結(jié)構(gòu)[7]，通過(guò)在大負(fù)載發(fā)生時(shí)給誤差放大器增加一個(gè)額外的動(dòng)態(tài)偏置結(jié)構(gòu)來(lái)加快輸出端的瞬態(tài)響應(yīng)速度。仿真結(jié)果顯示該LDO的負(fù)載電流在輕載和重載之間瞬態(tài)變化時(shí)，系統(tǒng)的恢復(fù)時(shí)間分別為250 ns和460 ns，可滿(mǎn)足兆赫茲驅(qū)動(dòng)芯片應(yīng)用要求。

2 電路結(jié)構(gòu)及工作原理

本文設(shè)計(jì)的快速響應(yīng)LDO電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，其包括動(dòng)態(tài)偏置誤差放大器EA電路、動(dòng)態(tài)偏置產(chǎn)生電路、LDO輸出調(diào)整管MP、LDO負(fù)載檢測(cè)管MS和分壓電阻串。電阻串對(duì)LDO輸出電壓進(jìn)行檢測(cè)，反饋到放大器EA電路正輸入端，與輸入?yún)⒖茧妷篤REF進(jìn)行誤差比較，鎖定調(diào)整管MP的柵壓，形成LDO的穩(wěn)定輸出電壓Vout。與普通LDO電路不同的是，本文的誤差放大器采用動(dòng)態(tài)偏置結(jié)構(gòu)。誤差放大器除了一個(gè)固定偏置IB外，還有一個(gè)額外的動(dòng)態(tài)偏置IAB，與調(diào)整管并聯(lián)的電流檢測(cè)管MS檢測(cè)負(fù)載電流變化，并控制動(dòng)態(tài)偏置產(chǎn)生電路產(chǎn)生動(dòng)態(tài)偏置電流IAB用于改變誤差放大器的偏置電流，改變其瞬態(tài)響應(yīng)速度。

圖1 快速響應(yīng)LDO電路結(jié)構(gòu)

當(dāng)負(fù)載電流突然增大時(shí)，LDO的輸出電壓Vout會(huì)突然降低電壓，調(diào)整管MP的柵壓也會(huì)出現(xiàn)異常波動(dòng)，電流檢測(cè)管MS將會(huì)檢測(cè)到該異常波動(dòng)，并控制動(dòng)態(tài)偏置產(chǎn)生電路產(chǎn)生動(dòng)態(tài)偏置電流IAB，誤差放大器的總偏置電流增大，從而拓寬了帶寬，Vout的響應(yīng)時(shí)間減小，瞬態(tài)響應(yīng)得到增強(qiáng)。

本文設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)偏置產(chǎn)生電路的具體電路結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括由電流檢測(cè)管MS和電阻RS組成的負(fù)載檢測(cè)電路、快速響應(yīng)電壓比較器Comp和開(kāi)關(guān)控制的偏置電流源陣列。當(dāng)負(fù)載電流突然增大時(shí)，LDO的輸出電壓Vout會(huì)突然降低，電流檢測(cè)管MS和電阻RS構(gòu)成的共源單級(jí)放大電路將會(huì)檢測(cè)到該異常波動(dòng)，并控制開(kāi)關(guān)陣列的開(kāi)關(guān)信號(hào)S開(kāi)啟動(dòng)態(tài)偏置電流IAB，誤差放大器的總偏置電流增大，從而使帶寬得到拓寬，Vout的響應(yīng)時(shí)間減小，瞬態(tài)響應(yīng)得到增強(qiáng)。

3 電路實(shí)現(xiàn)及仿真

本文設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)偏置誤差放大器EA電路原理如圖3所示。M71、M72、M73、M76、M77、M74、M75、M78和M79構(gòu)成一個(gè)兩級(jí)推挽輸出結(jié)構(gòu)的運(yùn)算放大器，以最大程度提供寬擺幅輸出；M710和M711構(gòu)成一個(gè)寬擺幅的輸出級(jí)電路；輸出反饋信號(hào)VFB反饋連接到運(yùn)放輸入端形成負(fù)反饋，并鉗位到輸入?yún)⒖茧娖絍REF。圖2中動(dòng)態(tài)偏置產(chǎn)生電路產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)偏置電流IAB和基礎(chǔ)偏置電流IB均連接到M70的電流輸入端，控制偏置電壓Vb的大小。

圖2 動(dòng)態(tài)偏置產(chǎn)生電路原理

圖3 動(dòng)態(tài)偏置EA電路原理

快速比較器Comp電路的一種實(shí)現(xiàn)方式如圖4所示，該電路由帶復(fù)位功能的第一級(jí)比較器和第二級(jí)共源放大器組成。M26、M27、M28、M29、M210、M211、M212構(gòu)成帶復(fù)位功能的第一級(jí)比較器，M213和M214構(gòu)成第二級(jí)共源放大器。為提高比較器輸出信號(hào)Vo1的可靠性，輸出端連接了濾波電容C21和電阻R21。

圖4 比較器電路原理

當(dāng)VC1為高電平、VC2為低電平時(shí)，比較器電路正常工作。若輸入電壓Vin大于參考電壓VREF，則第一級(jí)比較器輸出為低電平，第二級(jí)輸出Vo1為高電平；若輸入電壓Vin小于參考電壓VREF，即欠壓狀態(tài)，則第一級(jí)比較器輸出為高電平，第二級(jí)輸出Vo1為低電平。當(dāng)VC1為低電平、VC2為高電平時(shí)，第一級(jí)比較器輸出信號(hào)被拉低為低電平，第二級(jí)放大器輸出Vo1被鎖定為高電平。

將設(shè)計(jì)的LDO電路應(yīng)用于一款驅(qū)動(dòng)電流達(dá)4 A的絕緣隔離型GaN HEMT柵驅(qū)動(dòng)電路中，提供4通道調(diào)制解調(diào)電路所需要的1.8 V數(shù)字供電電壓時(shí)，得到瞬態(tài)響應(yīng)速度仿真結(jié)果如圖5所示。1 MHz數(shù)字脈沖負(fù)載響應(yīng)情況下，仿真輸入電壓為5 V時(shí)，輸出電壓在重載和輕載狀態(tài)直接切換的電壓波動(dòng)為170 mV；負(fù)載電流在5 mA與20 mA之間跳變時(shí)，輸出電壓的最大下沖電壓值為74 mV，最大上沖電壓值為96 mV，并且響應(yīng)時(shí)間均小于0.4μs，滿(mǎn)足驅(qū)動(dòng)芯片對(duì)于1 MHz數(shù)字脈沖驅(qū)動(dòng)的速度要求。圖5中還對(duì)比仿真了普通偏置和本文動(dòng)態(tài)偏置結(jié)果，可以看出LDO在重載情況下，403.07μs動(dòng)態(tài)偏置開(kāi)啟后，電壓恢復(fù)速度較普通偏置電路有明顯提升。403.77μs動(dòng)態(tài)偏置關(guān)閉后，本設(shè)計(jì)的LDO恢復(fù)電壓為1.761V，而普通偏置條件下電壓為1.751 V，恢復(fù)電壓存在10 mV的改進(jìn)。本文提出的快速響應(yīng)LDO電路采用0.18μm BCD工藝設(shè)計(jì)，模塊整體版圖尺寸為150μm×300μm，最大面積開(kāi)銷(xiāo)為輸出調(diào)整管（尺寸50μm×200μm）和濾波補(bǔ)償電容（尺寸50μm×300μm）。本文中動(dòng)態(tài)偏置誤差放大器的電流未開(kāi)啟動(dòng)態(tài)偏置時(shí)，電流為350μA，動(dòng)態(tài)偏置時(shí)電流為600μA，平均電流偏置為400μA。

圖5 LDO電路瞬態(tài)響應(yīng)速度仿真結(jié)果

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種用于GaN HEMT器件柵驅(qū)動(dòng)芯片的快速響應(yīng)LDO電路，并給出了詳細(xì)的電路圖和仿真結(jié)果。該電路采用動(dòng)態(tài)偏置結(jié)構(gòu)，通過(guò)在大負(fù)載發(fā)生時(shí)給誤差放大器增加一個(gè)額外的動(dòng)態(tài)偏置結(jié)構(gòu)來(lái)加快輸出端的瞬態(tài)響應(yīng)速度。仿真結(jié)果顯示LDO瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間小于0.5μs，可滿(mǎn)足高頻GaN HEMT器件柵驅(qū)動(dòng)芯片的應(yīng)用要求。