（微电子学与固体电子学专业论文）便携式设备电源管理的ic设计与研究.pdf

中文摘要中又摘要 迅速发展的便携式设备以及由电池供电系统电子仪器，由此推动了便携式仪 器的电源管理系统的研究开发，使得电池能量能够提供给这些设备的多功能系统 工作需求，从而也推动了供给电源管理系统的芯片研究，使得电路可以得到高稳 定性的电源电压和足够高电源效率，同时加速了芯片电路和电源管理电路能够集 成在同一块集成电路芯片内。随着电子产品特别便携式电子设备功能多样化复杂 化，电源管理电路在便携式产品中的作用日益增加。在当今电子产品仪器中，有 很多不同电压和不同电流需求的电源供电系统，线性电压调整器是最普遍的一种， 其中包括便携式电子设备电源管理系统。电池供电产品以及手持式电子设备采用 多种不同电源电压调整器提供给不同功能子系统电路，以致到达不同子系统电路 之间供电的独立性，电压调整器作用是减少电池电压变化和提高电源利用效率， 以延长电池的寿命以及设备本身使用寿命。低压差( l d o ) 线性电压调整器是电 源管系统中一个成员，其通常用于提供给低电压，低噪声的模拟电路系统。低压 差l d o 调整器在使用时需要在芯片外接一个大电容器以达到输出电压稳定需求， 其外接电容值大概在几微法拉。由于外接电容器存在由焊接触点引起的寄生电感， 电感由于负载电流瞬态变化容易感生电压毛刺效应，同时增加了印刷电路板的空 间和集成电路的管脚数，以及外接大电容使电源管理系统与功能系统集成在单个 芯片内解决方案望而却步。 本文研究目的就是将工作时的外接电容移除而设计的一种低压差线性电压调 整器，在分析传统电压调整器的基础上，引入一个微分器的电路结构。同时用一 个合理内接电容值大小的电容器取代外接大电容使得输出电压有同样的稳定性， 本文采用1 0 0 p f 的内接电容。同时这样还有另外一个优点：可以将电源管理系统 芯片与功能系统模块集成在同一块芯片内，这样可以消除焊接点的感生的电压毛 刺现象，同时也可以节省由于单个电源管理芯片与功能芯片电路板级之间的距离。 该方案提出了一个新的补偿机制，即采用检测输出端电流的变化并反馈到传输管 控制端达到输出端电压的稳定，替代传统的零极点的消除法而得到的系统的稳定 性。本文用中芯国际o 3 5um 工艺设计一个最大负载电流为5 0 i i 认，输出稳定电压 稳定在2 8 v 输入输出电压降为2 0 0 m v 的片外无电容l d o 电压调整器电路。 s p e c 仃e 仿真结果表明，该片外无电容的l d 0 电压调整器的性能参数可以与传 统的电压调整器相比。因此，提出了电容器的l d o 电压调整器是适合便携式设备 的s o c 解决方案。 关键词：无电容l d o 电压调整器；微分器；电源管理 分类号：t n 4 0 2 a bs t r a c t t h ef 瓠tg r o w i l l gd e m a i l d i l l go fp o n a b l ea n db a 他d r o p e r a t e de l e c 仃o i l i c ss y s t e m s h a s 埘v e nn l ee 筋f t st 0r e d u c ec o m p l e x 时o fi c0 rt 0 妇p r o v e l ee 衢c i e n c yo ft h e s e e l e c 切o i l i c se q u i p m e n t s p o 、v e rm a n a g e m e n th a sh a da ne v e ri n c r e a s m gr o l ei nt l l e p r e s e n te l e c 仃o i l i ci n d u s t 呼r e g u l a t o r sa r ee s s e n t i a l f o rm o s te l e c t r i c a l l yp o w e r e d s y s t e m sw h j c hi n c l u d et l l ep r e v a j e n tp o r t a b l ee q u i p m e n t s r e 则a t o r sa r er e q u i r e dt 0 r e d u c em ev o l 仨猖ev 撕a t i o no ft 1 1 eb a t t e 够b a t t e d ，p o w e r e da n dh 锄d l l e l d 印p l i c a t i o i l s r e q l l i r ep o w e rm a l l a g e m e n t 眦l l l l i q u e st 0e x t e n dm el i f eo ft h eb a t t e 巧a n dc o n s e q u e m l y n l el i f e t i n l eo ft h ed e v i c e m o s ts y s t e m si 1 1 c o r p l o r a 把s e v e r mv o l t a g er e g u l a t o r sw m c h s u p p l yv 撕o u ss u b s y s t e m sa i l dp r o v i d ei s o l a t i o n 锄o n gs u c hs u b s y s t e m s l 0 wd r o p o u t ( l d o ) v 0 1 t a g er e g u l a 幻r sa r eg e n e r a l l yl l s e dt o 吼l p p l yl o wv o l t a g e ，1 0 wn o i s ea n a l o g c n u i 咄 e a c hl d or e g u l a t o rd e m a n d sal 鹕ee x t 锄a l c a p a c i t o r ，o faf e w 血c r o 陆a d s ，t 0o p e r a t e t h e s ee x t e 删c 印a c i t o r so c c u p yv a l 血b l eb o a r ds p a c e ， i i l c r e a s e 也en 哪b e ro f p i n so f 锄i c ，a i l dp r o l l i b i ts y s t e m o n - 出p ( s o c ) s 0 1 u t i o i l s t h ep f e s e n t e dr e s e a r c hp r 0 v i d e sas 0 1 u t i o nt 0t h ep r e s e n tb u l l ( ) re x t e m mc a p a c i t o r l d ov o l t a g er e g u la ：t o r s 晰t l lac a p a c i t o r - 1 e s sl d oa r c l l i t e c t u r e t h el 醒ee x t e m a l c a p a c i t o rw 弱c o m p l e t e l yr e m o v e da n dr 印l a c e dw 油a r e a s o n a b l e10 0 p fi n t e m a lo u 印u t c a p a c i t o r ，a l l o 、v i n gf o r 伊e a t e rp o w e rs y s t e mi n t e 笋a t i o nf o rs o ca p p l i c a t i o 脑i i l a d d i t i o l l ，s y s t e m - o n c h i pd e s i g 【l s 谢t 1 1o n - c l l i pa 1 1 dl o c a ll d o sc a i lr e d u c eb o 1b o a r d a n de x 删p i n ss i 鲥f i c a i l t l y an e wc o m p e n s a t i o ns c h e m ei sp r e s e n t e dm a tp m v i d e s b o 1af 瓠t 柏1 1 s i e n tr e s p o n s e 锄d 向l l 砌g ea cs t 百b i l i t ) ，矗o m0 m at 05 0 m al o a d i n g c u r i e n t a5 0 m 气2 8 vc 印a c i t o r - l e s sl d ov o l t a g er e 则a t o rw a ss i i l l u l a t e di i la s m i c0 35 啪c m o st e c l l i l o l o g y ，c o i l s u i 】= l i i 培o i l l y6 5 u ao fg r o u i l dc 岍e n t 诵t 1 1a d r o p o u tv o l t a g eo f2 0 0 m v t h es p e c t i - es i i i l u l a t o r s 锄u l a t i o nr e s u l t ss h o wt l l a tt l l ep r o p o s e dc 印a c i t o r 1 e s s l d o v o l t a g er e g u l a t o re x c e e d st l l ec u 仃i ：n tp u b l i s h e d 、v o f i 【si 1 1b o t l l 乜a i l s i e n tr e s p o n s e a n da cs t a b i l i 够t h ea r c l l i t e c t u r ei sa l s ol e s ss e n s i t i v et op r o c e s sv 撕a t i o na n dl o a d i n g c o n d i t i o i l s 1 1 1 u s ，舭p r e s e n t e dc 印a c i t o 卜l e s sl d ov o l t a g er e g u l a t o ri ss u i 切b l ef o r p o 砌b l ed e v i c e s s o cs o l u t i o n s k e y w o r d s ：c 印a c i t o r - l e s sl d or e g u la _ t o r ；d i 髓r e n t ia ：t o r ；p o w e rm a l l a g e m e n t c i 。a s s n o ：t n 4 0 2 致谢 本论文的工作是在我的导师郑陶雷副教授的悉心指导下完成的，郑陶雷副 教授严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢 三年来郑陶雷老师对我的关心和指导。 郑陶雷副教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都 给予了我很大的关心和帮助，在此向郑老师表示衷心的谢意。 郑陶雷副教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示 衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，刘彤、殷莉等同学对我论文中的相关研究工 作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 同时也感谢我的夫人李蜀文及家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心 完成我的学业。 1 序言 1 1知识背景 随着科技和社会飞速发展，环境与能源问题不断被曝露出来。所以保护环境 和节能科技为目前重要发展课题之一，也就是在能量限制下怎么解决社会和经济 可持续发展问题，而电源管理系统i c 在其中扮演着不可或缺的关键性角色。越来 越多的多功能系统的消费性电子产品在电池有限的能量状态下持续地被开发出来， 其电子产品消耗的能量和电池能够提供的能量之间的缺口越来越大，所以对电源 管理i c 电路设计也有很大的需求。2 0 0 7 年全球i c 约在2 2 0 0 亿美元，模拟i c 约 占4 0 0 亿美元，其中电源i c 占模拟i c 的1 9 。2 0 0 8 年全球i c 的增长率约为8 。 模拟i c 的增长率约为1 3 5 ，高于集成电路业的平均增长水平，而电源管理系统 芯片增长率达到2 0 ，又高于模拟集成电路的增长率，可见市场对电源管理系统 集成电路的需求【巧】【2 3 1 。 由于电路功能和结构不同，电源管理系统的种类有很多。根据输出特性可以 将电源分为稳压电源和恒流电源。稳压电源要求输出电压值固定，不随负载、输 入电压等外部工作条件而变化。此类电源的应用最广。恒流电源要求能够在一定 的负载变化范围内，提供稳定的电流输出。 调整器件是电源管理系统重要组成部件，根据其工作方式可以将电源系统分 为线性电源和开关电源。线性电源是通过改变调整器件的阻抗，限制电流大小， 从而达到调整目的，调整器件处于连续导电状态，工作于线性模式。开关电源则 是通过改变调整器件的导通时间，限制平均工作电流大小，从而达到调整目的， 调整器件处于高速通断的开关导电状态，工作于开关模式。线性电源系统的优点 是纹波小、噪音低，而开关电源系统最大的优点是效率高。 也可以根据调整器件的类型进行分类，将电源分为双极型半导体电源、m o s 管电源、功率晶体管电源和其他类型电源。 电源管理系统i c 的产品主要有【l5 j 团j ： ( 1 ) l d o 线性电压调整器，一般应用于降压、恒压、线性电源，。调整器件一 般为p m o s 。 ( 2 ) d c d c 电压调整器电源转换器，特性是恒压，开关电源，可以降压和升 压，包括降压( b u c k ) 转换器、升压( b o o s t ) 转换器、升压降压( b u c k b o o s t ) 转换器和电荷泵( c h 醒ep u i 】叩) 。 ( 3 ) 脉宽调制脉冲调制( p w m p f m ) 电压控制器：开关工作方式，主要通过 脉冲电压驱动外部开关( 即调整器件) 来实现电压转换的目的。 ( 4 ) 功率因数校正( p f c ) 预调器：开关工作方式，主要是提供具有功率因数 校正功能的电源输入电路。 ( 5 ) 整流与功率二极管、晶闸管和功率晶体管的调整管的电压调整器一般用于 高电压、大电流负载情况。 随着集成电路工艺特征尺寸沿摩尔定律按比例缩小，其晶体管的特征尺寸大 概每两年缩减7 0 ，集成度越来越高，工作频率越来越大，其功耗绝对值也越来 越大，其工作电压也相应地降低，而传统的p c 机的电源效率相对低，电源到系统 电路连接线比较长，存在寄生电容，对电源电压的稳定性及效率提出更高的要求； 其二随着社会经济的发展，人们对生活提出更高要求，所以更多功能的手持设备 逐渐被研发出来，譬如传统的手机已经从通话为主要功能发展到以信息、多媒体 和互联网为中心的第四代i p h o n e 之类的手持设备；集成电路的低功耗设计与稳定 性设计有力地推动了电源管理系统与s o c 系统设计集成在同一块芯片的发展【2 j 。 近些年随着高科技的发展，大量手持设备应运而生，譬如手机，i p h o n e ，m p 5 ，手 持电视等等，这些手持设备中的微处理器、数字信号处理、射频功率放大器、基 带和射频功率模拟以及显示设备和声音讯号的无线通讯模块都需要不同电流和电 压的电源系统，这些科技发展加速电源管理系统研究步伐。电源管理系统的主要 任务是通过改善电源效率和电源电压稳定性来延长手持设备的电池寿命和运行时 间。一个电源管理系统包含以下几个子系统：线性调整器、开关调整器和控制逻 辑。控制逻辑系统控制每个子系统的特性；控制输出系统的开关特性；以及输出 电压的电平来优化手持设备的功耗。电源转换器的技术与集成技术相比，漏电、 电源效率、静态和动态响应、噪声以及以及芯片面积有不同要求p j 。 本文主要讲述低压差线性调整器( l o wd r o p o u t ( l d o ) v o l t a g er e g u l a t o r s ) 。低 压差线性调整器是电源管理系统的一个重要组成部分，它可以提供一个稳定的电 压源。l d o 是高效率的线性电压调整器其中的一种。低压差线性调整器比传统的 线性电压调整器有几个内在的优点，使其更适合片上电源管理系统集成。 一个电源管理系统通常包含几个低压差线性电压调整器和开关调整器。传统 的l d o 电压调整器需要一个相当大的输出电容值，其值大概有几个毫法拉( m f ) 。 目前的集成电路制造的技术中，大电容器还不能实现，所以每个l d o 需要一个p i n 。 在线路板上安装一个外接输出电容。本文提供一个研究就是去除外接大电容和去 除一个外接p 烈。移除外接大电容的设计可以节省印刷电路板的价格同时可以降低 设计的价格使其适合s o c 的应用。 2 1 2电源管理系统介绍 传统的计算机电源管理系统如图1 1 所示，它是由2 2 0 v 的电源经过a c d c 装换成所需要的电源电压。它有以下三个不足：效率低，因为电源一直处于供电 状态、电源与功能电路之间需要电源连接线、存在寄生电感。 r 5 0 一6 0 h z 标准a c d c 转换器 图l - l 传统电源供电系统图 f i g 1 - lt 硼i t i o n a lp o w e rs y s t e md i a g r 棚n 一种新的电源供电系统是分布式电源供电系统，可以分别控制每个模块的供 电电源开关。其系统有以下优点：可以调整电源与电路之间供电电压、再分布总 线上有低的电流、有很大灵活性、有选择性的开关。图l 一2 是分布式电源供电系统。 中间电压比如5 v ， 1 1 0 v 一 5 0 一6 2 4 v 1 2 v 图1 - 2 分布式电源供电系统 f i g 1 2d i s t r i b u t i o np o w e rs y s t e m 手持式设备，譬如手机，功能越来越多，趋向于经凑型的低功耗，低成本， s o c 系统来提高供电效率；由于采用了先进的工艺，单电池供电，所以采用低电 源电压供电；用高效的d c d c 电源转换效率延长电池的寿命；或者手机大部时间 处于待机状态，减轻负载效率来提升电池寿命。其主要电源消耗是功放，基带数 字信号处理系统，模拟电路和l c d 显示。其基本电源管理系统通过适当的有效地 电压和电流水平分布控制电源的利用率，通过开关控制每个模块来达到高效率的 3 w 刷 哪孑制 电源利用率。图1 。3 显示了手机主要的功能模块电源分布系统。 霸口翟潞茬：腓苗s ：( 1 ) n o t g ，( 2 ) 啪，( 3 ) s w 眦旧，o r 图1 3 手机主要的功能模块电源分布系统 f i g 1 3m a i np o w e rd i s t r i b u t i o no f c e l lp h o n e 1 3l d o 调整器的应用 l d o 电压调整器包含一个提供电源的子电路。l d o 一般应用于模拟电路，其 要求低噪声、高精确度的电源，在任何负载条件下，调整器提供一个稳定的电源 电压。这些调剂包括在负载变化的情况下电流的快速响应和电压快速变化。大部 分手持、电子设备的电源功耗的功耗节省技术要求减少电源的功耗。当电路处于 不工作状态，电源供电应处于关断状态来降低整个电源的功耗。所以，l d o 电压 调整器必须能够检测到负载电流变化和能够快速地将负载变化反馈到调整器的输 入端。 图l - 4 手机电源管理系统的应用 f i g 1 4a p p l i c a t i o no fc e l lp h o n ep o w e rm a n a g e m e n t 4 1 3 1l d 0 在手机中应用 一个典型的手机电源管理系统集成电路如上图所示1 - 4 。本文提议的l d o 调 整器拓扑结构用于i 疆a n a l o g 的电源供电，其系统要求超低噪声和线性输出。低 压差线性调整器通常放在开关控制器的后面来改善电源的效率。i u 和模拟模块要 求低压差线性调整器的输出电流的最大值是5 0 毫安，输出端建立时间大概2 微妙 左右。大部分手机用一个锂电池供电。锂电池最大输出电压时4 2 伏特。在电池本 身压降的开始供电的时候，电池大概供电的电压大概2 9 2 伏特。所以电路可定工 作在3 v 以下。图1 5 显示了在电池完全放电情况下的典型电压特性。为了改善电 源效率，大部分系统模块最优设计的电源供电电压是2 8 伏特。 图l 一5 手机电池电源电压的特性 f i g 1 5p r o p e r 妙o fc e np h o n ep o w e r sv o l t a g e 本文提出的无电容型的l d o 的设计取代需要一个外接大电容的l d o 电压调 整应用于l 讧或模拟电路系统。这些模块工作在2 8 v 并且消耗大概3 2 毫安的电流： 电压降是l d o 所有定义的特性中的之一，电压降定义了在调整管的输入和输出端 电压差的最小值。电压调整器的电压降在完全放电的情况下不能超过2 0 0 m v 。典 型i 疆闲置状态的电流时5 0 微安、射频或模拟电路需要4 5 d b 的电源抑制比。 1 3 2 高效率的线性调整器 设计线性调整器的主要挑战是调整效率的高低，效率高低与控制元件电压降 成反比关系。一般高效率的电压调整器是开关调整器( 开关型) 与典型的线性调 整器结构级联连接关系。其中开关调整器能够百分百地将电池的输入电压提升或 降低到预期的电压值。然而，可以将电压调整器的调整元件的输入与输出电压降 降到最低值，以提升线性调整器的输出效率。图1 6 描述了线性调整器的级联结构。 如果没有降压型的开关调整器，线性调整器输入输出的电压降将会剧烈增加。开 关调整器的设计的目的是将线性调整器的电压降降到最低。其中开关调整器，可 以增加电荷泵的电路可以用来减少开关电路的尺寸和和电路的复杂度。 图1 _ 6 高效的线性调整拓扑结构 f i g 1 石t o p o l o 影o f h i 曲l i n e a r 哪l a 衄 1 4 论文的主要工作 本文主要工作是提出用于便携式电子设备电源管理系统中的一个无电容型的 l d o 电压调整器结构，基于传统结构l d o 电压调整器稳定性分析基础上引出本文 无电容型电压调整器结构并做相应的稳定性和瞬态分析。下面对本文主要工作内 容作一个简述： 第一章序言主要描述电源管系统的结构及l d o 电压调整器的应用。 第二章论述l d o 电压调整器拓扑结构以及其性能参数的定义，引入片外无 电容型的电压调整器的设计理念。 第三章基于传统电压调整器结构分析片外无电容型l d o 结构在未补偿状态 下电压调整器稳定性和瞬态分析和零极点分析，基于在未补偿状态下的l d o 电压 调整器分析结果引入本文无电容型l d o 的补偿电路结构的稳定性分析。 第四章l d o 电压调整器主要模块电路设计分析。 第五章l d o 电压调整器电路整体电路性能参数的仿真及其仿真结果分析。 第六章总结与展望。 6 2l d o 调整器拓扑结构及参数特性 2 1l d o 电压调整器模块结构描述 图2 1 描述了l d o 的块状结构图，电路图包括了传输模块，参考源、启动电 路、保护电路和相关的感应元件和余误差放大器、反馈网络参考源提供一个稳定 的有限电流驱动能力直流偏置。参考源一般是齐纳二极管或者是带宽参考源或是 基于阈值电压差的电压参考源。齐纳二极管应用在高压电路中，一般高于7 伏特 的电压，然而其温度系数变化比较大；而禁带宽度的基准源( 电压一般是1 2 伏左 右) 有相当高的精度和稳定性；基于阈值差的参考源一般应用于低于1 伏特的参 考源。保护电路确保l d o 工作在安全稳定的状态下，包括过流、过热以及其他相 似的功能。误差放大器、调整管和反馈网络构成了调整环。参考源的温度稳定性 和放大器的输入失调电压决定了整个调整器的温度系数，所以参考源要有低温漂 系数和放大器有低失调电压。 图2 1l d o 模块结构图 f i g 2 - ls t r u 曲鹏o fl d o m o d u l e 2 2低压差线性l d o 调整器分类 根据调整器调整管类型，l d o 可以分为四个主要类型：n p n ，p n p ，n m o s 和p m o s 。双极晶体管在相同的电压下比m o s 管可以传送更大的电流。然而，既 7 然它们是电流驱动器件，在大电流的负载情况下，它们要消耗大的对地电流。对 于m o s 器件来说，无论负载电流多大，它可以很小的栅电流和很低的静态电流特 性，另外一方面，m o s 宽长比和栅的驱动电压决定了输出电流和电压降特性。 图2 2 说明了这四个调整管元件和当用这些器件作为传输器件时主要考虑的 因素。对于n p n 输出元件来说，其基极对输出电流有贡献而不是对地电流有贡献， 所以对地电流不正比与负载电流，但是基极电压总是比输出电压大使得基射结正 偏。所以最低电压降为o 7 v 【4 j 。 + + n p np n p + 一匕 一1 匕+ | ) m o s 图2 2l d o 调整器的四种调整管兀件 f i g 2 - 2f o u rp 越s 们n s i s t o r so fl d or e g u l a t o r 对于p n p 调整管元件来说，基极电流从输入经过p n p 管然后流进驱动。所以 其基极电流贡献给对地电流并且正比于输入电流和输出电流。所以n 咿的地电流 比n p n 的地电流大，电压降来说，输入输出的电压差最小为集射极的饱和电压0 2 伏特。 当用p m o s 作为l d o 调整器的调整管时，器电压降取决于调整管的宽长比和 栅的驱动电压。可以通过大的宽长比减少输入输出的电压差。可以设计最大的栅 驱动电压来驱动栅。 然而n m o s 元件的调整管，要采用电荷泵的电路来提升栅的电压使其比输入 电压v i n 大，其电压输入输出的电压差将被限制为栅源电压。然而在相同的负载电 流情况下，n m o s 的面积比p m o s 的面积小，因为n m o s 得电导率比p m o s 高。 n m o s 和p m o s 的调整管的电压调整器的地电流不依赖于输出电流，因为 m o s 的栅电流很小。为了更好的理解上述各个调整管特性，表2 1 总结了这些调 整管的区别。如今手持设备更注重高效和低电压差的特性，p m o s 的l d o 电压调 整器比较能够满足其要求并被发展。 2 3l d o 电压调整器的性能 l d o 电压调整器总噪声取决于电路图布局和工艺技术。输出端的噪声主要有 8 三个来源：衬底和电源的噪声，参考电源电路的噪声和输出端的电阻和电感的噪 声。 表2 1 调整元件性能比较6 1 1 a b 2 1c o m p a r i s o no f f 0 u rp 丛s 仃a n s i s t o r s 淤 p n pn p np m o sn m o s 性能参数 电流驱动能力局商中等中等 静态电流大中等低低 电压差 v c e s a tv c e s 砸+ v b ev d s s 越v d s 咚捌【+ v g s 速度中等快中等中等 开关调整器可以常用来提供给l d o 的电源并且可以和l d o 的电路集成在同 一块芯片内，这样可以抑制衬底和电源输入噪声，比如手机等手持设备。在这些 情况下，物理布局的隔离技术和高的电源抑制比( p s r r ) 是电路内在的性能参数， 这样有助于改善噪声性能。由负载引起的瞬态负载电流的改变同样也影响着噪声 特性。这些影响来自于输出端负载寄生的电阻和电感。所以负载与乙d o 调整器的 物理的距离必须最小化以致减少由负载引起的噪声。 传统的l d o 调整器必须一个占据很大p c b 面积的外接电容，典型的l d o 调 整器外接这些电容有一个寄生串联电阻( e s r ) 。这样电容相当于l d o 的一个极点。 大功率的l d o 可能需要散热器，必然加重了成本问题。然而一个系统级别的设计 可以考虑用几个l d o 调整器分别共给不同的的功能模块来解决热效应问题。最后， 纳米技术的出现，使得低功耗和低电压的需求越来越多。 2 4传统的线性调整器和低压差( l d 0 ) 调整器的结构 线性电压调整器有两种不同的拓扑结构：传统的线性电压调整器和l d 0 线性 电压调整器【5 】。它们两的的唯一区别就是调整管。传统的线性电压调整器用了一个 射极跟随器的双极晶体管( b j t ) ，一般用单个晶体管或者达林顿双极晶体管；而 l d o 的调整管用了一个源极跟随器的场效应晶体管( m o s 管) ，并且m o s 管工作 在饱和状态。图2 3 描述这两种拓扑结构图。 两个结构都用了同样的反馈结构机制。输出电压通过反馈电阻电阻r 1 和r 2 检测并反馈到误差放大器的反向输入端。放大器将反馈的电压和参考电压进行比 较放大反馈到传输晶体管形成负反馈通路。 晶体管的定位方向在线性电压调整器的工作和稳定性起了一个重要的作用。 9 传统的线性调整器要求驱动栅的电压超过输入电压，这使得低压差应用电路更繁 琐。如果传统的线性电压调整器应用在低压系统中，必须电荷泵来驱动栅极。l d o 电压调整器克服了上述缺点，通过共源结构，栅上的电压不需大于输入电压。调 整管的漏源饱和电压限制了调整器的工作，调整管的漏源饱和电压或电压降是输 出电流和调整管尺寸的函数。 vi n v o u tv i nv o u t 传统的线性调整器 l d 0 电压调整器 图2 3 线性电压调整器 f i g 2 - 3l i n e 缸v o l t a g er e g u l a t o r 正如上所述，晶体管的方向影响调整器的稳定性。其两拓扑结构的典型交流 型号响应曲线如图2 4 所示。 g ( d b ) g ( d b ) 飞 l d 0 电压调整器 图2 - 4 a c 极点分布波特图( 没有补偿) f i g 2 4 a cp 0 1 ep o s i t i o nd i s t r i b u t i o nb o d ed i a 莎珈( n o n c o m p e n s a t i o n ) 传统的线性调整器的稳定性的原因是：源跟随器的输出电阻低。第一个极点， p 1 ，是主极点；是由误差放大器输出电阻产生的，极点2 ( p 2 ) 随着输出电阻的变 化而变化，但是仍然在很高的频率处。 虽然l d o 电压调整器不需要电荷泵的增强下可以工作在低电源电压，然而其 本身是不稳定的。大的输出电容和高的输出电阻产生主极点p l ，然而主极点的位置 和误差放大器的极点p 2 位置靠的很近。这样l d o 调整器稳定性得不到保证并且很 可能不稳定。所以l d o 调整器必须内部或外部增加额外的补偿电路使其工作在有 l o j 竖塞交垣太堂亟堂僮途塞k q q 调整墨拓盐结捡丞叁数挂性 足够的相位裕度的稳定的状态。经典的l d o 调整器用输出电容的e s r ( e l e c 仃。一贼i c r e s i g t a i l c e ) 来达到稳定性。e s r 同时会产生一个零点，其零点的位置靠近p 2 的位 置，可以增加相位裕度的稳定性。图2 5 分别描述了e s r 的电路拓扑图和波特图。 e s r 结构同样产生一个极点p 3 。调整器稳定性很强地依赖e s r 的值。当e s r 减少时，z l 的位置向右移动，所以对相位裕度没有影响。相反情况，当e s r 值增 加较大时，由其产生的极点p 3 将会移到低于单位增益以下，l d o 调整器变得不稳 定。一个给定的l d o 调整器必须定义一个稳定的e s r 电容值范围，否则l d o 将 会工作在不稳定的状态下。 v i n v o u l 广 l d o 外接补偿电路 。7 一 图2 5 a 传统l d o 补偿结构图 f i g 2 5 ac o m p e n s a t i o ns c h 锄a t i c0 f 仃a d i t i o n a ll d or e g u l a t o r g ( d b ) 图2 5 b 补偿l d o 结构图的波特图 f i g 2 5 bb o d ep l o to fc o m p e n s a t i o nl d or e g u l a t o r 目前，人们正在寻找不依赖于或减弱依赖于e s r 稳定性的补偿，他们研发了 一种内部补偿方法，或者产生一个内部零点来抵消主极点的影响。本文主要寻求 一步到底的方法来去除外接大电容补偿方法，本文从线性调整器的特性着手，形 成片外无电容l d o 调整器的基础和方向。 2 5l d o 调整器的性能 l d o 电压调整器与其它电压调整器一样，无论输入电压和负载电流怎么波动 都有一个稳定的输出电压。电压调整器参数性能通常分为三类：静态或稳态特性， 动态特性和高频特性5 1 。本文所有的方程式均是c m o s 的l d o 电压调整器，对于 其他的线性电压调整器有着与c m o sl d o 电压调整器相同的基本原理。 2 5 1 静态参数特性特性 l d o 静态参数包括线性调整，负载调整，温度系数效应。线性调整和负载调 整特性通常是为一个已知的l d 0 调整器所定义的参数，并以一个指定线性度和负 载稳定度为指标调整器测量其稳定性并调整其稳定的输出状态。温度相关系数定 义了误差放大器失调电压和电压参考源的温度稳定性组合一起特性。 线性调整度定义为输入电压的变化引起输出电压的比例。其比率反应了调整 器达到稳定状态下的输出相对于输入变化的稳定性。一般的线性调整率由下面一 个公式给出。线性调整依赖于调整管的跨导，l d o 的输出电阻，l d o 的环路增益 以及反馈增益。图2 5 说明了以上的一些参数。 塑! 鱼盘+ 上f 必q( 2 一1 ) 甜诹 a 99j 蚪脯j 一个好的电压调整器应该有一个更小的电压波动对于一定电压输入的波动。 为了提高线性调整率，l d o 调整器必须有足够大的环路增益。这些数值在l d o 调 整器设计讨论中变得清晰。 负载调整线性度是用来测量输出在没有负载和满负载电流情况下的电压波 动。负载调整率是和环路增益，调整管输出电阻相关。其关系式公式( 2 2 ) 所示。 三= 筹= 南 ( 2 - 2 ) v in v o u t 图2 - 6l d o 调整器的参数 f i g 2 6p a r a m e t e ro fl d oi i e g u l a t o r 1 2 由公式可知环路增益的增加和输出电阻的减少，负载调整率会得到改善。负 载调整率仅仅应用于l d o 调整器稳定状态条件下，不包括负载瞬态响应。 温度系数的定义是由于参考源的温度漂移和误差放大器输入失调电压引起的 输出电压的漂移。其温度系数因子由公式( 2 3 ) 给出。有公式可知误差放大器失调 电压的减少和参考电压源温度依赖性较弱，其输出电压的精度可以得到改善。 陀：上堕j 盟：! 兰二全! 竖( 2 - 3 ) 胁聊却砌矽 l d o 调整器的电压降取决于最大允许电流和最小的输入电压。这些参数，电 压降，最大负载电流和最小输入电压，所有都依赖于调整管的参数。一个典型的 l d o 设计规格：最大负载电流和最小的输入电压都要满足调整管的饱和工作状态。 公式( 2 - 4 ) 描述了l d o 电压降和器件能够承受最大负载电流的关系。 一，= j 删d = 7 。嬲 ( 2 - 4 ) 调整管的尺寸是依据最大负载电流所和要获得漏源饱和压降两参数来计算调 整管的尺寸。 2 5 2 动态参数特性 l d 0 的动态参数特性说明了l d o 调整器能够在负载和线性瞬态条件下调整 输出电压。l d o 调整器对瞬态响应必须快，只有这样能够减少输出电压的变化。 不像静态参数，动态参数由l d o 调整器的大信号特性决定。最重要的特性就是寄 生电容的充电和放电以及寄生电容的馈通特性。 l d o 瞬态特性定义了l d o 调整器能够在输出快速变化的情况下调整输出电 压。当负载电流从零跃变到最大规格的电流，输出电压有一个最大的变化。在大 电流的瞬变器件，l d o 调整输出的电压量依赖于闭环带宽，输出电容以及负载电 流。输出电压的变化量如公式( 2 5 ) 所示。 场以：玉竺 ( 2 5 ) c d 叮 其中i 。是l d o 规格中最大的输出电流，缸是l d o 的响应时间，c 哪是l d o 的输出电容。出大约等于l d o 的闭环带宽的倒数。大的输出电容和宽的闭环带宽 可以提高负载调整率。传统的l d o 调整器有一个大的输出电容，所以传统的调整 器比片外无电容型的l d o 会有一个好的负载调整率。 寄生电容同样引起转换效应，转换效应可以弱化l d o 调整器的负载瞬态反应。 调整管的栅电容有重要的影响并且给误差放大器添置约束作用调整管的栅的转换 速率比增益带宽积小很多，当有快速负载瞬态响应时，通常在输出节点电压有毛 刺效应。这种效应在片外无电容的l d o 调整器中变得更明显。 纹波抑制率参数定义了调整器的输出节点的电压对输入电压种抑制能力。 这种参数测量了输入到输出信号的小信号增益。纹波抑制比如公式( 2 6 ) 所示。 r i p p l er e j e c t i o n = 2 0 l o g - 。c 暑孽是芸兰苫苫( 2 6 ) 纹波抑制比是决定了在增益带宽积内的低频特性。大信号的输入电压瞬态毛 刺可以引起比纹波抑制比更大的输出电压比。这种偏差主要由于大信号特性，主 要是电容的转换问题的存在。 2 5 3 高频特性的参数 电源抑制比( p s r r ) 和调整器的输出噪声可以归类为高频特性参数。两个参 数都是小信号参数并且波形图都是以频率作为横坐标。大部分l d o 调整器都说明 在某个频率下的电源抑制比，对噪声参数同样如此，说明某个频率的噪声特性。 p s r r 参数说明了l d o 调整器抑制输入端高频噪声的能力。p s l 艰是传输晶 体管的寄生电容的函数，它与环路的增益成反比例的关系。误差放大器在改善 p s i 汛参数特性上起了主要作用。我们希望单个误差放大器的电源抑制比和调整管 的电源抑制比在输出节点上的和是零1 5 j 。 输出噪声主要通过输入级的跨导来定义的。后面的级联级不会增加很多的噪 声到输出端。我们可以最大化输入器件的尺寸来降低输出端得噪声。噪声系数的 优化依赖于特定的设计，所以简单的分析不能提供足够的噪声信息。 2 5 4l d o 调整器的效率 l d o 调整器的效率由三个参数决定：对地的电流、负载电流和调整管的电压 降。对地电流定义为l d o 在没有任何负载情况下的全部静态电流消耗。公式( 2 7 ) 叙述了l d o 调整器功率效率。 研：竖：k “圪+ ，伽) ( 2 7 ) 功率效率有两种情况：小负载电流和大负载电流。这样小负载电流的情况下 公式2 7 可以化简为公式( 2 8 ) 所示。 彰= = _ 二趔：l 一 ( 2 - 8 ) “( + j 删d ) 、。 这样，如果负载电流很小的情况下，地电流对l d o 调整器的效率影响很大。 1 4 对于小电流的设备，可以通过减少对地的电流增加电池的寿命时间。另一种情况， 即大电流负载的情况下，电源效率仅仅依赖于调整管的电压降，如公式( 2 9 ) 所示。 e 妇 v 伽小，i n( 2 9 ) 当输出电压接近输入电压时，线性调整器的效率接近1 0 0 。在这种情况下， 调整管的需要很大的尺寸，这样产生了很大的栅电容。这时我们不希望看到的结 果，所以我们要在电源的效率和速度之间进行折中的考虑。 由以上分析可知，l d o 调整器的参数之间是相互影响的，我们在设计的过程 中，要进行折中的考虑。所有参数规格都制约着效率、稳定性和瞬态响应的特性， 并且相互制约着。在苛刻的约束条件下，优化性能参数变得更加复杂化，这样在 设计l d o 调整器时，折种考虑不同的性能参数变成了必须考虑的因素。 2 6片外无电容的l d o 电压调整器 基本的线性电压调整器构造和它们的静态、动态和高频特性在上一节已经讨 论过了。本文继续研究传统的l d o 调整器，但最近研究主要研究片外无电容型的 l d o 调整器。如前文所述，如果将l d o 片外电容去掉，这样可以容许s o c 设计 和s o c 的众多的l d o 电压调整器的电源管理系统设计一同设计在同一个芯片上。 去除片外电容可以减少p c b 面积以及系统的成本。基本的片外无电容型的l d o 电压调整器拓扑图如图2 7 所示。 然而片外无电容型的l d o 电压调整器仍然设计一个内接电容，但是其电容值 远远小于传统l d o 的外接电容值。目前工业界的片外无电容型的l d o 调整器对 外接电容值降低1 0 倍的要求，但是仍然外接一个o 1 m f 电容值。本文主要研究用 一个很小电容值的内接电容置换外接电容器。 7 一r i o c i n t r e s r 内接1 0 0 p f 电容 7 _ 图2 7 片外无电容l d o 电压调整器电路图 f i g 2 7s c h e m a t i c0 fc a p a c i t o 卜舶el d or e g u l a 1 【0 r 2 6 1 片外无电容l d 0 调整器的极点位置 对于传统的l d o 来说，如果外接电容减少好几个数量级，其参数将会受到严 重的影响。最重要的影响是稳定性受到严重的威胁。没有补偿的l d 0 片外无电容 型有两个主极点，误差放大器输出极点p l 和依赖于输出端得极点p 2 。图2 8 显示 了两个极点的位置。 图2 - 8 无电容型的极点位置分布 f i g 2 - 8d i s 讲b u t i o no fp 0 1 eo fc a p a c i t o r - 丘优l d or e g u l a t o r 仅仅误差放大器本身有一个相对高的极点，然而调整管等效输入电容增大了 误差