Browse Prior Art Database

Schneller Low Drop DMOS Spannungsregler mit kapazitivem HF-Verstaerker

IP.com Disclosure Number: IPCOM000010271D
Original Publication Date: 2002-Dec-25
Included in the Prior Art Database: 2002-Dec-25
Document File: 2 page(s) / 161K

Publishing Venue

Siemens

Related People

Juergen Carstens: CONTACT

Abstract

Als Spannungsregler werden bisher u.a. der NPN-Regler S978 sowie DMOS (Diffusion Metal Oxide Semiconductor) bzw. NMOS (Negative-Channel MOS) Regler eingesetzt. Aufgrund des geringen Ausgangsleitwertes sind die MOS Regler jedoch nicht in der Lage, so schnell wie ein bipolarer NPN Transistor auf eine Lastaenderung zu reagieren, wenn die Gate- bzw. Basisspannung konstant ist. Ein MOS Transistor benoetigt daher bei gleichen dynamischen Eigenschaften einen wesentlich schnelleren Regler als ein NPN Transistor. Da schnellere Regler aber i.A. mehr Strom benoetigen als langsame, wird der Vorteil des fehlenden Basisstroms zunichte gemacht. Es wird vorgeschlagen, ein aus der Video- bzw. HF-Technik bekanntes Prinzip auf den Spannungsregler anzuwenden, um einen DMOS Spannungsregler mit im Vergleich zum NPN-Regler S978 gleichen oder besseren statischen sowie dynamischen Eigenschaften und einer geringeren Stromaufnahme bei gleichzeitiger ESD (ElectroStatic Discharge) und EMV (ElektroMagnetische Vertraeglichkeit) Festigkeit zu ermoeglichen. Ein langsamer, genauer, integraler Regler sorgt fuer die statischen Eigenschaften. Ein schneller Regler mit niedriger Verstaerkung (unity gain) ist fuer die dynamischen Eigenschaften (Lastausregelung) zustaendig. Der langsame Regler ist als einfacher OTA (Operational Transconductance Amplifier) realisiert, der direkt das Gate des DMOS Transistors ansteuert. Wird der OTA als vollstaendiger OTA realisiert, erhaelt er als Vorspannung die Ladungspumpenspannung. Mit dieser Versorgungsspannung muss der OTA vollstaendig mit Hochvoltelementen aufgebaut werden. Diese Ausfuehrung hat den Vorteil, dass durch den direkten Eingriff auf das DMOS Gate keine groesseren Stabilitaetsprobleme zu erwarten sind. Eine weitere einfache Ausfuehrung ist ein OpAmp (Operational Amplifier) mit Miller kompensiertem NMOS Pulldown Ausgang. Der Pullup ist eine einfache Stromquelle aus der Ladungspumpe. Hierbei kann der OTA mit Niedervoltelementen aufgebaut werden. Nachteilig sind jedoch der zusaetzliche Pol und die schlechten Eigenschaften eines Miller OpAmp bezueglich der Powersupply rejection. Der schnelle Regler wird als All-NPN-Regler realisiert. Eine Ausfuehrung dieser Schaltung sind die NPN-LDO´s (Low DropOut) des S978. Fuer niedrige Frequenzen ist der schnelle Regler durch eine Kapazitaet vom DMOS Gate entkoppelt. Diese Kapazitaet mildert auch den schlechten Einfluss durch die Drain-Gate-Kapazitaet des DMOS Transistors (Spannungsteilereffekt). Die Arbeitspunkteinstellung erfolgt entweder ueber den PTAT (Proportional To Absolute Temperature) Strom einer Bandpap, der mit dem Widerstand RX wieder die Bandgapspannung abbildet, oder ueber einen langsamen Regler, der den Kollektor von Q1 in den gewuenschten Arbeitspunkt regelt. Die Schleifenverstaerkung wird so ausgelegt, dass sie etwa 1 ist, so dass dieser Regler die Stabilitaet des LDO´s nicht beeinflusst. Abbildung 1 zeigt den grundsaetzlichen Aufbau des Spannungsreglers. Damit die Koppelkapazitaet C0 das DMOS Gate entsprechend schnell umladen kann, muss sie um ein Vielfaches groesser sein als die Gate-Source-Kapazitaet des DMOS Transistors. Da sie nur schlecht integriert werden kann und eine externe Realisierung wegen parasitaerer Effekte die Eigenschaften des Hochfrequenzzweiges drastisch verschlechtern wuerden, wird diese Kapazitaet durch ein aktives Element gepuffert. Dazu wird in Abb. 2 ein NPN Transistor (Q3) verwendet. Da nun das Gate nur aufgeladen werden kann, bildet Q2 eine Entladestufe. Der Fehler, den Q3 durch seinen Basisstrom verursacht, kann durch eine zusaetzliche Stromquelle kompensiert werden. Im Vergleich zum NPN-Regler wird beim DMOS-Regler der Basisstrom eingespart, welcher bei 1A Laststrom mindestens 10mA betraegt und dramatisch ansteigen kann, wenn der NPN Transistor nahe der Saettigung arbeiten muss. Wenn der Basisstrom mit einer Ladungspumpe generiert wird, kann diese bei Verwendung des DMOS-Reglers erheblich kleiner dimensioniert werden.

This text was extracted from a PDF file.
At least one non-text object (such as an image or picture) has been suppressed.
This is the abbreviated version, containing approximately 50% of the total text.

Page 1 of 2

S

© SIEMENS AG 2002 file: IFX_2002J16005.doc page: 1

Schneller Low Drop DMOS Spannungsregler mit kapazitivem HF-Verstaerker

Idea: Ordwin Haase, DE-Muenchen

Als Spannungsregler werden bisher u.a. der NPN-Regler S978 sowie DMOS (Diffusion Metal Oxide Semiconductor) bzw. NMOS (Negative-Channel MOS) Regler eingesetzt. Aufgrund des geringen Ausgangsleitwertes sind die MOS Regler jedoch nicht in der Lage, so schnell wie ein bipolarer NPN Transistor auf eine Lastaenderung zu reagieren, wenn die Gate- bzw. Basisspannung konstant ist. Ein MOS Transistor benoetigt daher bei gleichen dynamischen Eigenschaften einen wesentlich schnelleren Regler als ein NPN Transistor. Da schnellere Regler aber i.A. mehr Strom benoetigen als langsame, wird der Vorteil des fehlenden Basisstroms zunichte gemacht.

Es wird vorgeschlagen, ein aus der Video- bzw. HF-Technik bekanntes Prinzip auf den Spannungsregler anzuwenden, um einen DMOS Spannungsregler mit im Vergleich zum NPN-Regler S978 gleichen oder besseren statischen sowie dynamischen Eigenschaften und einer geringeren Stromaufnahme bei gleichzeitiger ESD (ElectroStatic Discharge) und EMV (ElektroMagnetische Vertraeglichkeit) Festigkeit zu ermoeglichen. Ein langsamer, genauer, integraler Regler sorgt fuer die statischen Eigenschaften. Ein schneller Regler mit niedriger Verstaerkung (unity gain) ist fuer die dynamischen Eigenschaften (Lastausregelung) zustaendig.

Der langsame Regler ist als einfacher OTA (Operational Transconductance Amplifier) realisiert, der direkt das Gate des DMOS Transistors ansteuert. Wird der OTA als vollstaendiger OTA realisiert, erhaelt er als Vorspannung die Ladungspumpenspannung. Mit dieser Versorgungsspannung muss der OTA vollstaendig mit Hochvoltelementen aufgebaut werden. Diese Ausfuehrung hat den Vorteil, dass durch den direkten Eingriff auf das DMOS Gate keine groesseren Stabilitaetsprobleme zu erwarten sind.

Eine weitere einfache Ausfuehrung ist ein OpAmp (Operational Amplifier) mit Miller kompensiertem NMOS Pulldown Ausgang. Der Pullup ist eine einfache Stromquelle aus der Ladungspumpe. Hierbei kann der OTA mit Niedervoltelementen aufgebaut werden. Nachteilig sind jedoch der zusaetzliche Pol und d...