《Electronic Materials》：A Fast-Response LDO Based on High-Temperature 0.18 μm SOI Technology
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为满足汽车、航空航天及工业应用领域中电源管理集成电路（电源管理IC）对宽温可靠性与快速瞬态响应的需求，研究人员提出了一款基于0.18 μm高温绝缘体上硅（Silicon-On-Insulator, SOI）工艺的快速响应低压差线性稳压器（Low-Dropout
为满足汽车、航空航天及工业应用领域中电源管理集成电路（电源管理IC）对宽温可靠性与快速瞬态响应的需求，研究人员提出了一款基于0.18 μm高温绝缘体上硅（Silicon-On-Insulator, SOI）工艺的快速响应低压差线性稳压器（Low-Dropout Regulator, LDO）。得益于SOI技术埋氧（Buried Oxide, BOX）隔离结构，高温条件下的漏电流与寄生效应被有效抑制。所提出的LDO采用N型金属氧化物半导体（NMOS）功率晶体管， roles an on-chip charge pump to enhance gate drivingcapability. 此外，研究人员采用了一种由主负反馈环路、辅助正反馈环路和电流模式反馈环路构成的三重环路调节方案，以改善瞬态性能并增强环路稳定性。 fabricated chip occupies an area of 2840 μm × 1490 μm and supports an input voltage range of 3–5.5 V and an output voltage range of 1.2–3.3 V. 在?55 °C至175 °C的温度范围内，该LDO可提供最大400 mA的负载电流。在175 °C时，测得的过冲电压和欠冲电压分别为64 mV和94 mV，最大恢复时间为336 μs。此外，电源抑制比（Power Supply Rejection Ratio, PSRR）在100 Hz时达到56.8 dB。实验结果表明，所提出的LDO具有优异的高温适应性、强负载驱动能力和优越的瞬态响应性能。
随着电子系统朝着高可靠性、高功率密度及极端环境运行的方向不断发展，电源管理电路在高温条件下保持稳定性能的能力日益关键。低压差线性稳压器（LDO）作为电源管理集成电路中的关键模块，因其低输出噪声、结构简单以及良好的瞬态性能，被广泛应用于汽车电子、航空航天系统、工业控制和地热勘探等领域。在这些应用场景中，电子系统常被要求在高温甚至超高温环境中持续工作，这对LDO的高温可靠性与动态调节性能提出了更为严苛的要求。
常规LDO通常采用体硅互补金属氧化物半导体（bulk CMOS）工艺实现。然而，体硅器件在高温条件下易出现漏电流增大、阈值电压漂移、寄生效应增强以及闩锁效应风险上升等问题，这些问题会导致输出精度下降、瞬态响应变慢、功耗增加甚至电路失效。相比之下，绝缘体上硅（SOI）技术通过埋氧层实现器件与衬底之间的电学隔离，能够有效降低寄生漏电流、抑制闩锁效应，并改善高温条件下器件参数的稳定性。因此，SOI技术已成为高温集成电路及高温LDO设计的重要基础。已有研究验证了SOI技术的高温适用性：Petrosyants等人评估了小规模SOI MOSFET在高达300 °C下的电学特性，证明其仍能保持良好的电流驱动能力与阈值电压稳定性；Grella等人进一步表明1 μm SOI CMOS器件可在高达450 °C下正常工作；Kappert等人也证实了0.35 μm SOI CMOS技术在0 °C至450 °C宽温范围内的可靠运行。这些研究表明，SOI器件在降低漏电流、抑制寄生效应和提升高温稳定性方面具有显著优势，从而为高温模拟电路和电源管理电路提供了坚实的器件基础。
目前已有若干面向高温环境设计的LDO被报道。Texas Instruments的TPS76901采用体CMOS工艺和PMOS功率晶体管，工作温度范围为?55 °C至210 °C，但其在210 °C下的估计寿命约为六个月，表明体CMOS技术虽能满足一定的高温需求，长期可靠性仍然受限。相比之下，CISSOID的CHT-VEGA、Honeywell的HTPLREG和X-REL的XTR70010均采用SOI技术实现，这些产品支持225 °C至230 °C的最高工作温度，并能在高温条件下实现约五年的工作寿命，展示了SOI技术在高温电源管理应用中的优越可靠性。
在快速响应LDO研究方面，现有工作主要集中于增强功率晶体管栅极驱动能力、抑制寄生电容效应、实现动态偏置技术以及优化反馈/前馈架构。Ho等人提出了有源反馈和压摆率增强结构，通过提高功率晶体管栅极的充放电速度来改善瞬态响应；Nasrollahpour等人引入了过电流上拉技术以降低输出节点极点处的等效时间常数；Ahmadi等人采用双运算跨导放大器（OTA）互补结构，通过动态偏置电流调制来增强开关速度；Baik等人利用局部正反馈环路和前馈路径来加强瞬态事件期间的环路调节；Li等人则引入了数字辅助控制方案，根据负载电流变化动态使能功率晶体管，从而改善负载调整性能。这些研究表明，快速响应LDO在电路拓扑和瞬态增强技术方面已取得显著进展，但在大负载电流瞬态下的输出过冲、欠冲和恢复时间方面仍有待进一步改善。
当前研究仍难以同时实现高温可靠性、快速瞬态响应和环路稳定性。为解决这些挑战，研究人员提出了基于0.18 μm高温SOI工艺的快速响应LDO。该LDO采用NMOS功率晶体管、片上电荷泵和三重环路调节方案，以增强瞬态性能并在高温条件下保持稳定性。
该研究采用的关键技术方法包括：采用0.18 μm高温SOI工艺平台，利用其埋氧层隔离结构抑制高温漏电流与寄生效应；使用NMOS功率晶体管配合片上电荷泵提升栅极驱动能力；设计三重环路调节架构，包括主负反馈环路、辅助正反馈环路和电流模式负反馈环路；采用带有补偿网络和单位增益缓冲器的环路稳定性设计；通过电流检测电路与可变参考电路实现自适应参考电压调节；利用偏移电容（offset capacitor）的储能效应实现快速栅极电压转移。
研究结果部分，研究人员首先介绍了SOI工艺特性。与体硅CMOS器件相比，SOI器件的关态漏电流可降低约2至3个数量级，这有助于改善高温环境下的静态功耗特性、稳定性和可靠性，使SOI CMOS技术特别适用于225 °C及以上的高温集成电路设计。
在电路设计方面，所提出的LDO基本拓扑包含NMOS功率晶体管、片上集成电荷泵、三个反馈环路、三个内部LDO稳压器和两个保护模块。主负反馈环路包括误差放大器、缓冲器和偏移电容；辅助正反馈环路由伺服运算放大器、可变参考电路和电流检测电路组成；电流反馈网络通过外部反馈电阻形成电流模式负反馈环路。芯片还实现了过温保护（Over-Temperature Protection, OTP）和过流保护（Over-Current Protection, OCP）电路。
电荷泵模块主要由振荡器、二级电荷泵、栅极驱动电路和主电荷泵组成。振荡器产生多相非重叠时钟信号，为各级开关晶体管的周期性导通与关断提供时序控制。二级电荷泵采用一级Dickson开关电容结构，以内部电源VINT1为输入，通过泵电容的周期性充放电和电荷转移机制产生升压节点电压VS1，为栅极驱动电路提供高于VINT1的驱动电平。栅极驱动电路基于VS1和主电荷泵输出电压VS_OUT产生栅极控制电压VG1和VG2，实现对主电荷泵中PMOS开关工作状态的控制。主电荷泵采用三级Dickson结构，通过级联PMOS开关器件和泵电容，在非重叠时钟操作下实现电荷的逐级转移和节点电压的逐步抬升，最终产生约为3VINT1的升压输出。
偏移电容采用CMOS电容实现。当负载发生阶跃变化时，由于偏移电容的储能效应，传递到功率晶体管栅极的电压变化满足特定关系式。为实现芯片的快速瞬态响应，偏移电容的电容值应远大于功率晶体管的寄生栅极电容，以确保主负反馈环路的变化能够准确快速地转移。
伺服运算放大器采用差分放大输入级和推挽输出级结构。当误差放大器输出电压等于可变参考电压时，差分输入对处于平衡状态，偏置电流近似均分，偏移电容两端电压保持稳定；当误差放大器输出电压大于可变参考电压时，电荷泵向偏移电容提供充电电流；反之则形成放电路径。伺服运算放大器主要作用于调节偏移电容的极板电压，并隔离电荷泵引入的高频噪声。偏移电容可等效视为浮动电压源，为功率晶体管提供足够的栅极驱动电压，确保NMOS功率晶体管在稳态条件下工作于饱和区。
电流检测安全座椅
电流检测电路通过检测晶体管以预设比例对功率晶体管电流进行检测，钳位运算放大器确保输出电压与复制电压相等。检测电流最终馈入可变参考电路。可变参考电路能够根据负载电流变化自适应调节输出电压，呈现参考电压随负载电流增加而升高的正相关特性。当检测电流等于偏置电流时，输出电压被钳位至特定值；当检测电流大于或小于偏置电流时，输出电压分别由相应公式给出。
电流反馈电路主要由运算放大器构成，与电阻反馈网络形成另一条负反馈路径。当负载电流从重载切换至轻载时，电流反馈环路从R2支路抽取电流，降低反馈电压，加速反馈节点恢复，缩短输出电压建立时间；当负载电流从轻载切换至重载时，电流反馈电路向R2支路注入小信号电流，驱动反馈电压升高，使主反馈环路更快地增强功率晶体管驱动能力。引入电流型负反馈环路后，系统可在负载瞬态期间对反馈节点进行快速辅助调节，从而减小输出过冲和欠冲，改善LDO的负载瞬态响应性能。
在环路稳定性分析方面，为提高系统相位裕度，环路中引入了补偿网络和单位增益缓冲器。单位增益缓冲器具有高输入阻抗和低输出阻抗特性，将误差放大器输出极点移至更高频率，避免与伺服运算放大器极点重叠。补偿网络由串联电阻和电容组成，用于引入补偿零点，缓解大负载电容条件下输出极点与误差放大器极点接近导致的相位裕度下降。LDO输出极点由功率晶体管跨导和输出电容决定，由于设计采用无片外电容方案且输出节点寄生电容很小，输出极点为高频极点。误差放大器及其补偿网络产生特定极点和零点，通过合理设计补偿电阻值，可使高频极点置于单位增益带宽之外。伺服运算放大器由于静态电流较小，其跨导小、输出电阻大，因此其极点和零点位于比误差放大器更低的频率，成为低频区域的主导极点。
在版图与测试结果方面，该LDO芯片采用0.18 μm高温SOI工艺实现，整体芯片面积为2840 μm × 1490 μm。LDO工作输入电压范围为3–5.5 V，可调输出电压范围为1.2–3.3 V，可提供最大400 mA负载电流，负载电容为0.1 μF，工作温度范围为?55 °C至175 °C。芯片采用五层金属布线：Metal 1和Metal 2用于信号走线，Metal 3用于大电流路径，Metal 4用于电源分配，顶层金属作为地平面提供低阻抗回流路径并提高静电放电（ESD）鲁棒性。NMOS功率晶体管采用多指结构，通过宽金属布线、并行过孔阵列和对称均流布局来降低寄生电阻、改善电流分布并增强大电流工作下的电迁移可靠性。
测试方面，芯片采用SOT223-DCQ陶瓷封装，使用STS8205PLUS混合信号测试系统进行电学表征，温度特性测量采用温箱提供可控高低温环境，瞬态测试平台由信号发生器、可编程直流电源、精密测量仪器和示波器组成。所有测量均在0.1 μF输出电容条件下进行，温度表征范围为?55 °C至175 °C。
压差电压测试结果显示，在输入电压3.8oya V、使能电压1.7 V、输出电压3.3 V、负载电流400 mA条件下，?55 °C、25 °C和175 °C时的压差电压分别为105.75 mV、146.56 mV和255.27 mV。线性调整率测试结果表明，在输入电压3.8–5.5 V范围内，?55 °C、25 °C和175 °C时的线性调整率分别为0.0768%/V、0.0346%/V和0.0862%/V，表明所提出LDO在宽温范围内具有良好的输入电压抑制能力。负载调整率测试结果显示，在负载电流1–400 mA范围内，?55 °C、25 °C和175 °C时的负载调整率分别为0.0957 mV/mA、0.1155 mV/mA和0.1287 mV/mA，表明负载调整率在宽温范围内保持较低水平。
负载瞬态响应测试采用电子负载单转换模式，压摆率为390 mA/μs。结果显示，在?55 °C、25 °C和175 °C时，输出过冲电压分别为24 mV、30 mV和64 mV，输出欠冲电压分别为70 mV、82 mV和94 mV，对应最大恢复时间分别为208 μs、284 μs和336 μs。电源抑制比测试表明，在100 Hz频率下，?55 °C、25 °C和175 °C时的PSRR分别为58.45 dB、58.23 dB和56.81 dB，说明所提出LDO在整个工作温度范围内保持良好的电源噪声抑制能力。
与现有文献的对比表明，与Reference [11]相比，虽然该工作的瞬态恢复时间略长，但在抑制过冲和欠冲方面具有显著优势，过冲和欠冲电压分别降低至64 mV和94 mV；与References [16]和[17]相比，该LDO在最大负载电流和瞬态恢复能力方面表现出更优的整体性能，最大负载电流达到400 mA，显著高于200 mA和50 mA，且175 °C时恢复时间缩短至336 μs；与References [18]和[19]相比，该LDO在更高负载电流能力的同时保持了相对较低的瞬态变化，且验证温度范围?55 °C至175 °C远宽于大多数现有设计。
结论部分，研究人员指出该工作呈现了一款基于0.18 μm SOI工艺的快速响应LDO线性稳压器，面向汽车电子、航空航天系统和工业控制等高温应用。测试结果表明，LDO芯片面积为2840 μm × 1490 μm，输入电压范围3–5.5 V，输出电压范围1.2–3.3 V，可提供最大400 mA负载电流，工作温度范围?55 °C至175 °C。在175 °C时，压差电压为255.27 mV，线性调整率为0.0862%/V，负载调整率为0.1287 mV/mA，过冲电压和欠冲电压分别为64 mV和94 mV，最大恢复时间为336 μs，PSRR在100 Hz时保持56.8 dB。这些结果表明，所提出的LDO在高温适应性、负载驱动能力和瞬态电压抑制方面取得了良好的整体性能，适用于恶劣环境中要求高稳定性和快速响应的电源管理应用。
