（计算机应用技术专业论文）低功耗低漏失cmos线性稳压ic设计与实现.pdf

西北工业大学硕士学位论文 摘要 摘要 本论文的设计工作是开发一种功能齐全、性能优异的 c m o s线性稳压器 n p u 3 9 6 5 ，该芯片具有低漏失电压、低功耗、低噪声，且实现芯片快速启动及关 断快速放电等特点。 论文详细论述了低功耗低漏失c m o s 线性稳压器芯片n p u 3 9 6 5 的设计过程， 包括芯片性能指标的确定、关键特性的分析计算、电路系统功能的设计、各功能 模块的分析设计及仿真验证、整体电路的仿真验证，以及芯片的版图设计及后仿 真验证。该芯片采用了低压差设计方案，提高了芯片的整体效率:并通过合理设 计电路结构，降低了系统的静态电流和功耗，从而延长电池的使用寿命。此外， 通过设计旁路滤噪电路和快速关断电路，缩短了芯片上电过程中的启动时间以及 芯片关断后的放电时间，同时利用外接 b y p a s s电容滤除芯片内部的噪声电压， 实现芯片的低噪声要求。该芯片采用新型的稳定性补偿方法，不需要借助输出电 容的等效串联电阻来保持系统稳定，并采用动态的频率补偿，使芯片在所有负载 电流范围内均能稳定工作。 n p u 3 9 6 5 的 芯片设 计 采用h y n i x 0 .5 u m c m o s t - 艺， 利用c a d e n c e . h s p i c e 等e d a软件，对芯片电路在不同模型、电压、温度等条件下进行了前仿真和后仿 真验证，增强了设计可靠性和投片成功率。仿真数据表明设计的芯片性能良 好， 能实现预定各种功能，满足预设的指标要求。目前芯片的电路设计和版图设计都 己完成，正在等待投片结果。 关键词: 线性稳压器低漏失低功耗快速启动 西北工业大学 硕士学位论文 ab s t r a c t ab s t r a c t t h e p u r p o s e o f t h i s p a p e r i s t o d e v e l o p a n e w k i n d o f l i n e a r r e g u l a t o r n p u 3 9 6 5 w i t h f u l l f u n c t i o n s a n d e x c e l l e n t p e r f o r m a n c e . i t s m a i n c h a r a c t e r i s t i c s a r e v e ry l o w d r o p o u t v o l t a g e , l o w p o w e r d i s s i p a t i o n , l o w n o i s e , f a s t t u r n - o n a n d f a s t t u r n - o f f . t h e d e s i g n o f n p u 3 9 6 5 i s d e s c r i b e d i n d e t a i l , i n c l u d i n g d e f i n e o f t h e s p e c i fi c a t i o n s , f u r th e r a n a l y s i s o f t h e c r i t i c a l e l e c t r i c a l c h a r a c t e r i s t i c s , s y s t e m d e s i g n o f t h e c h i p , c i r c u i t d e s i g n a n d s i m u l a t i o n o f m o d u le c i r c u it s , s i m u la t i o n o f t h e w h o le c h ip , l a y o u t d e s i g n a n d p o s t - s i m u l a t i o n . i n o r d e r t o i m p r o v e t h e e ff i c i e n c y , t h e u l t r a l o w d r o p o u t p as s e l e m e n t i s i n t ro d u c e d . t h e q u ie s c e n t c u r r e n t a n d p o w e r d i s s i p a t i o n a r e r e d u c e d b y p r o p e r d e s i g n o f t h e c i r c u it , w h ic h p r o l o n g s t h e l i f e o f t h e b a t t e ry . i n a d d i t i o n , t h e b y p a s s c i r c u i t a n d f as t t u m - o f f c i r c u i t a r e d e s i g n e d t o r e a l i z e t h e f a s t t u r n - o n a n d f a s t t u r n - o f f o f t h e c h i p , a n d a t t h e s a m e t i m e t h e n o i s e i s r e d u c e d g r e a t l y t h r o u g h t h e e x t e r n a l b y p a s s c a p a c i t a n c e . t h i s c h i p u s e s a n o v e l c o m p e n s a t i o n m e t h o d t o m a i n t a i n t h e s t a b i l i t y o f t h e s y s t e m w i t h o u t u s i n g t h e e s r o f t h e o u t p u t c a p a c i t a n c e , a n d a d o p t s a c t i v e c o m p e n s a t i o n n e t w o r k t o m a i n t a i n t h e s t a b i l i t y o f t h e s y s t e m a t a l l l o a d s . n p u 3 9 6 5 i s d e s i g n e d b y u s i n g h y n i x 0 .5 u m c m o s p r o c e s s a n d i s s i m u l a t e d u s i n g t h e e d a s o ft w a r e s , s u c h as c a d e n c e a n d h s p i c e . t h e s i m u l a t i o n r e s u l t s i n d ic a t e t h a t t h e p e r f o r m a n c e a n d c h a r a c t e r i s t ic s o f c h i p a r e e x c e l l e n t . k e y w o r d : l i n e a r r e g u l a t o r , l o w d r o p o u t , l o w p o w e r d i s s i p a t i o n , f a s t t u r n - o n 西北工业大学硕士学位论文 第一章 绪论 第一章 绪论 本章首先简要地介绍了电源管理 i c( 集成电路)的现状和发展趋势，比较了 目 前流行的几种集成稳压器， 重点分析和说明了l d o线性稳压器在便携式电子产 品中的特点和国内外现状，最后对本论文的主要工作和章节安排作了简要概括。 1 引言 近年来，各种便携式电子产品发展迅猛，特别是手持式计算机、移动通信装 、视频或音频产品、d c 、医疗仪器及测试仪器等发展更为神速，产品的功能也 l置 在日益丰富，因此在可靠性和高效率及长时间运行能力方面对电源管理提出了更 高的要求。当前电源管理技术主要呈现以下三大发展趋势: 第一，尽可能提高电池功率转换效率。电源管理i c供应商目 前主要利用先进 的半导体工艺。如美国国家半导体 ( n s ) 采用其 “ 低电压低功耗c m o s工艺” ， 来减小静态电流，提高转换效率。 第二，最大限度地提高负载器件的功率利用效率。传统上，电源管理i c供应 商一直将关注重点放在管理功率的传递上，即如何为不同的负载器件分配不同的 功率。但现在发现负载器件的功率消耗也是一个充满潜力的研究课题，如负载器 件在不同工作负荷下不必一律让其处于全速运行状态，或负载器件在待机和工作 状态下不必供应同样的功率，只要管理得好，这也可成为延长电池工作寿命的一 大重要因素。美国国家半导体公司的自 适应电压调整 ( a v s )技术和t i 的动态电 压与频率调整 ( d v f s )技术就是为了满足这一功率管理挑战而提出的解决办法。 第二， 减小器件的体积，进一步提高集成度，并采用更先进的封装技术，如 c s p , l l p 和m i c r o s m d等等。 如今封装技术的发展重点有三方面:封装越来越 小，现在的封装芯片几乎可以接近裸片的大小;封装的厚度不断减小;u o密度小 断提高。 电源管理的一个重要方面是对电压进行调节和稳定，低压差、低静态电流的 线性稳压器设计已成为便携式设备电源管理的发展方向。 1 . 2 集成稳压器概述 集成稳压器 ( 电压稳压器)是最常用的电源管理芯片。由于它使用方便、体 积小、性能良好、1 1 靠性高，到日前为 己发展到! 日 曰、 . 11 种州 首光、 如w劝 上出现的几种常用稳压器进行分析比较，然后着重分析l d o线性稳压器。 根据工作原理的不同可将电源管理 i c分成三类:线性稳压电源、开关稳压电 源及电荷泵电源。在过去的几年里，电源管理市场_ l 高效率的稳压器倍受欢迎， 西北工业大学硕士学位论文 第一章 绪论 第一章 绪论 本章首先简要地介绍了电源管理 i c( 集成电路)的现状和发展趋势，比较了 目 前流行的几种集成稳压器， 重点分析和说明了l d o线性稳压器在便携式电子产 品中的特点和国内外现状，最后对本论文的主要工作和章节安排作了简要概括。 1 引言 近年来，各种便携式电子产品发展迅猛，特别是手持式计算机、移动通信装 、视频或音频产品、d c 、医疗仪器及测试仪器等发展更为神速，产品的功能也 l置 在日益丰富，因此在可靠性和高效率及长时间运行能力方面对电源管理提出了更 高的要求。当前电源管理技术主要呈现以下三大发展趋势: 第一，尽可能提高电池功率转换效率。电源管理i c供应商目 前主要利用先进 的半导体工艺。如美国国家半导体 ( n s ) 采用其 “ 低电压低功耗c m o s工艺” ， 来减小静态电流，提高转换效率。 第二，最大限度地提高负载器件的功率利用效率。传统上，电源管理i c供应 商一直将关注重点放在管理功率的传递上，即如何为不同的负载器件分配不同的 功率。但现在发现负载器件的功率消耗也是一个充满潜力的研究课题，如负载器 件在不同工作负荷下不必一律让其处于全速运行状态，或负载器件在待机和工作 状态下不必供应同样的功率，只要管理得好，这也可成为延长电池工作寿命的一 大重要因素。美国国家半导体公司的自 适应电压调整 ( a v s )技术和t i 的动态电 压与频率调整 ( d v f s )技术就是为了满足这一功率管理挑战而提出的解决办法。 第二， 减小器件的体积，进一步提高集成度，并采用更先进的封装技术，如 c s p , l l p 和m i c r o s m d等等。 如今封装技术的发展重点有三方面:封装越来越 小，现在的封装芯片几乎可以接近裸片的大小;封装的厚度不断减小;u o密度小 断提高。 电源管理的一个重要方面是对电压进行调节和稳定，低压差、低静态电流的 线性稳压器设计已成为便携式设备电源管理的发展方向。 1 . 2 集成稳压器概述 集成稳压器 ( 电压稳压器)是最常用的电源管理芯片。由于它使用方便、体 积小、性能良好、1 1 靠性高，到日前为 己发展到! 日 曰、 . 11 种州 首光、 如w劝 上出现的几种常用稳压器进行分析比较，然后着重分析l d o线性稳压器。 根据工作原理的不同可将电源管理 i c分成三类:线性稳压电源、开关稳压电 源及电荷泵电源。在过去的几年里，电源管理市场_ l 高效率的稳压器倍受欢迎， 西北工业大学硕士学位论丈低功耗低漏失c m o s 线性德压 i c 设计与实现 尽管 开关 稳压器效 率 较高， 但是其系统复杂， 成本高， 而且输出电 压开关噪 声 大， 由 此带来了许多问 题，正因为如此，许多的电子系统的电源供电仍选择由 线性稳 压器来提供. 线性稳压器以其低噪声、 低成本等优势， 始终在电 源管理市场上占 有重 要的 一 席。 为了 改替线性稳压器效率的不 足， 新型 超低漏失 稳压器 ( l d o -) 减小了输入输出压降，提高了工作效率，是目前线性稳压器中的最好选择。 1 . 2 . 1 l d o线性稳压器与开关式稳压器比较 低压降 ( l d o )线性稳压器的主要特点是:成本低，噪声低，静态电流小， 这些是它的突出优点。它需要的外接元件也很少，通常只需要一两个旁路电容。 如果输入电压和输出电压很接近，最好是选用l d o稳压器，可达到很高的效率。 所以， 在把锉离子电 池电 压转换为3 v输出电 压的应用中大多 选用l d o稳压器。 虽说电池的能量最后有百分之十没有使用，l d o稳压器仍然能够保证电池的工作 时间较长，同时噪声较低。 对于d c - d c降压转换器， 几乎所有的降压型d c - d c转换器的效率都高于l d o 稳压器，当输入电压高出输出电压很多时更是如此，这种电路的占空比能够达到 百分之百，可是电压差很高。通常， 使用p f m的d c - d c降压转换器输出脉动和 噪声较大，而静态工作电流较小;用p wm的d c - d c降压转换器的输出脉动和噪 声都较小，但静态工作电流较大。在输入电压远远高于输出电压的应用中，为达 到高效率、 低噪声的指标要求， 有些降压型d c - d c控制器里面还有l d o稳压器。 l d o线性稳压器，比传统的线性稳压器有更高的电源转换效率，而比开关式 稳压器有更简单的结构、更低的成本和更低的噪声特性，因此它在便携式电子产 品中越来越受欢迎。l d o线性稳压器和开关式稳压器作为当今便携式电子产品中 最常用的两类电源管理电路，它们的特点比较如表 1 . 1 所示。 表 1 . 1 l d o线性稳压器和开关式稳压器特点比较 特点l d o线性稳压器开关式稳压器 功能降压 降压、升压、负压 效率中等至高 ( 输入输出 压差较小时)高 除了1 作在低负载电流时) 功耗高 ( 当平均负载电流或输入输出压差较大时) 低 结构复杂度 低 ( 通常只需外接输入输出电容， 或增加旁 路电容) 中等至高( 通常需要外接电 感、 二极管和滤波电容) 尺寸 较小较人 总成本 低中等至高( 外部元件价格较高、 纹波/ 噪声低 无纹波，低噪声) 中等至高 ( 存在开关纹波) 西业工业大学硕士学位论文 第一章 绪论 从表中可看出， l d o线性稳压器和开关式稳压器各有优缺点， 在应用时需权 衡考虑各种特点。如果所设计的电 路对电 源有以 下要求: 1 )低噪声和高纹波抑制比 ( p s r r ) ; 2 ) 要求稳压器压降特别低，自 身功耗极低; 3 )系统中不允许使用电感，外部元件很简单，如手机; 4 )电 源需要具有瞬时校准和输出状态自 检功能; 5 )占用p c b板的面积小，成本低和方案简单等; l d o线性稳压器应该是最恰当的选择，能同时满足产品设计的各种要求。 1 . 2 . 2 l d o线性稳压器简介 l d o ( l o w d r o p o u t ) 线性稳压器， 也称低压差线性稳压器或低漏失线性稳压 器， 是一个自 功耗很低的 微型片 上系统 ( s o c ) ， 它由 具有极 低导 通电 阻 r d s (o n ) 的 mo s f e t调整元件 ( 作为电流主通道) 、反馈电阻、过流保护、过热保护、精 密基准源、差分放大器等电路在一个芯片上集成而成。在所有电源i c中，用在蜂 窝电话和其他便携设备中的线性稳压器 i c的销售额最大，而l d o i c又是线性稳 压器中增长最多和最快的产品。 l d o 线性稳压器之所以这么受欢迎，主要是它在调整元件上的压降非常低， 比 传统的线性稳压器有更高的电 源转换效率，自 从9 0 年代出 现l d o 线 性稳压器以 来，已从最初的输入输出压差0 .2 v 降至目前的5 0 m v 左右，某些小电流的低压差线 性稳压器其压差仅几十毫伏， 这样调整管的损耗小，提高了输入电源的转换效率， 延长了电池的寿命。而且，线性稳压器相比开关型稳压器而言 外围元件最少、输 出噪声最小、静态电流最小、价格也便宜。 在便携式电子设备中，电源效率越高意味着电池使用时间越长。线性稳压器 的工作效率是: 线性稳压器效率二 输出电压x 输出电流 输入电 压x ( 输出电流+ 静态电 流) x1 0 0 % 因此，输入输出压差越低、静态电流 ( 输入电流和输出电流之差) 越低，线 性稳压器的工作效率就越高。在实际应用中，分析效率时还必须清楚:电 池不是 理想电 源，它具有输出电阻， 供电时，它的电 压是逐渐下降的。电 池的这种特性 是非常有利于l d o线性稳压器工作效率的。 l d o线性稳压器工作效率是随着电池 电压的下降而逐渐升高的。另外，在小负载电流时，稳压器的效率将受静态电流 的限制，比如输出电流等于输入电流的一半，则稳压器的效率将减少 半，因此 设备处于 “ 待机”时静态电流将决定电池的应用周期。 目 前市场上主要有双极型和c mo s型两种l d o线性型稳压器。 双极器件开发 西北工业大学 硕士学位论文低功耗低漏失c m o s 线性稳压 i c 设计与实现 早、 工艺相对成熟、稳定，用双极工艺可以 制造出 速度高、驱动能力强、模拟精 度高的器件， 适用于高精度的模拟集成电路， 但其功耗大，集成度低， 无法满足 集成规模越来越大的系统集成的要求，而且为了防止它的调整管进入饱和状态而 降低输出能力，输入输出之间必须维持一定的压降，无法提高转换效率:c m o s 器件有极低的静态功耗，高集成度，抗干扰能力强，宽的电源电压范围以及较宽 的输出电压幅度( 无闭值损失) ， 而且c mo s 型线性稳压器调整元件是电压驱动的， 不需要电流，大大降低了器件本身消耗的电流，输入输出间的压降特别低。与其 它半导体工艺相比， c mo s工艺的发展已经十分成熟，占据了集成电路市场的绝 大部分的份额，并且随着其工艺不断向亚微米和深亚微米发展，其产品在速度上 也已经赶上并超过了双极工艺。 新一代的l d o都是用c mo s 工艺生产的， 它和使 用b i p o l a r 工艺生产的l d o功能上没有多大的区别，而静态电 流、压降、噪声等 内在性能却有很大的提高，成本更低。 现在国外的许多大公司都在l d o 线性稳压器方面投入很多精力开发系列产 品，如n s 公司的l p 3 9 8 x 系列、ma x i m 公司的m a x 8 8 8 2 / 8 8 8 3 系列、t o r e x 公司的 x c 6 2 f p 系列、 t i 公司的t p s 7 6 x x 系列等等。而我国在该领域的发展相当落后， 还 主要处在w7 8 x x / w7 9 x x 系列的生产和应用上。 主要原因是同数字集成电路相比， 模拟集成电路的研制要困难得多，不但对设计者要求很高，还需要有先进的模拟 软件和非常可靠的工艺模型做支持， 特别是后者，目 前我国大部分的i c生产线都 不能提供准确详尽的模型m o d e l 参数，对设计者的前期设计和仿真验证带来很多 困难。 1 . 3 论文的主要工作和章节安排 本论文主要研究 mo s型 l d o线性稳压器芯片的设计与实现，论文结合作者 主持的科研项目“ 低漏失/ 低功耗 c m o s型线性稳压器 ( l d o ) 研究与设计” ， 基 于韩国h y n i x公司的0 .5 u m c m o s 工艺， 利用c a d e n c e 和h s p i c e 等e d a软件， 设计了一 款高精度的低功耗c m o s 型l d o线性稳压器芯片 一 一 一 n p u 3 9 6 5 ， 该芯片 功能比较齐全，最大限度地提高了负载器件的功率利用效率。 本论文所设计的m o s 型l d o稳压器n p u 3 9 6 5 虽然原理简单， 但要在最小的 面积上设计出满足高性能技术指标的稳压器、达到工程实现并不容易，尤其对整 个稳压器进行低漏失、低静态电流、稳定性分析及全模型 ( 包括典型模型、快模 型及慢模型的各种组合)f 仿真验证较难实现。 本文详细地研究了l d o 、 低噪声、 低静态电流等性能的实现原理，在这些理论的基础上设计出了性能优良的集成稳 压器，此稳压器芯片可兼容、取代国际上己有的一些同类芯片。文中所设计的集 成稳压器具有高精度、超低漏失、低功耗、稳定性好、温度系数小、输出电压可 西北工业大学 硕士学位论文低功耗低漏失c m o s 线性稳压 i c 设计与实现 早、 工艺相对成熟、稳定，用双极工艺可以 制造出 速度高、驱动能力强、模拟精 度高的器件， 适用于高精度的模拟集成电路， 但其功耗大，集成度低， 无法满足 集成规模越来越大的系统集成的要求，而且为了防止它的调整管进入饱和状态而 降低输出能力，输入输出之间必须维持一定的压降，无法提高转换效率:c m o s 器件有极低的静态功耗，高集成度，抗干扰能力强，宽的电源电压范围以及较宽 的输出电压幅度( 无闭值损失) ， 而且c mo s 型线性稳压器调整元件是电压驱动的， 不需要电流，大大降低了器件本身消耗的电流，输入输出间的压降特别低。与其 它半导体工艺相比， c mo s工艺的发展已经十分成熟，占据了集成电路市场的绝 大部分的份额，并且随着其工艺不断向亚微米和深亚微米发展，其产品在速度上 也已经赶上并超过了双极工艺。 新一代的l d o都是用c mo s 工艺生产的， 它和使 用b i p o l a r 工艺生产的l d o功能上没有多大的区别，而静态电 流、压降、噪声等 内在性能却有很大的提高，成本更低。 现在国外的许多大公司都在l d o 线性稳压器方面投入很多精力开发系列产 品，如n s 公司的l p 3 9 8 x 系列、ma x i m 公司的m a x 8 8 8 2 / 8 8 8 3 系列、t o r e x 公司的 x c 6 2 f p 系列、 t i 公司的t p s 7 6 x x 系列等等。而我国在该领域的发展相当落后， 还 主要处在w7 8 x x / w7 9 x x 系列的生产和应用上。 主要原因是同数字集成电路相比， 模拟集成电路的研制要困难得多，不但对设计者要求很高，还需要有先进的模拟 软件和非常可靠的工艺模型做支持， 特别是后者，目 前我国大部分的i c生产线都 不能提供准确详尽的模型m o d e l 参数，对设计者的前期设计和仿真验证带来很多 困难。 1 . 3 论文的主要工作和章节安排 本论文主要研究 mo s型 l d o线性稳压器芯片的设计与实现，论文结合作者 主持的科研项目“ 低漏失/ 低功耗 c m o s型线性稳压器 ( l d o ) 研究与设计” ， 基 于韩国h y n i x公司的0 .5 u m c m o s 工艺， 利用c a d e n c e 和h s p i c e 等e d a软件， 设计了一 款高精度的低功耗c m o s 型l d o线性稳压器芯片 一 一 一 n p u 3 9 6 5 ， 该芯片 功能比较齐全，最大限度地提高了负载器件的功率利用效率。 本论文所设计的m o s 型l d o稳压器n p u 3 9 6 5 虽然原理简单， 但要在最小的 面积上设计出满足高性能技术指标的稳压器、达到工程实现并不容易，尤其对整 个稳压器进行低漏失、低静态电流、稳定性分析及全模型 ( 包括典型模型、快模 型及慢模型的各种组合)f 仿真验证较难实现。 本文详细地研究了l d o 、 低噪声、 低静态电流等性能的实现原理，在这些理论的基础上设计出了性能优良的集成稳 压器，此稳压器芯片可兼容、取代国际上己有的一些同类芯片。文中所设计的集 成稳压器具有高精度、超低漏失、低功耗、稳定性好、温度系数小、输出电压可 西北工业大学 硕士学 位论文第一章 绪论 选等特点， 且输出 精度、 静态电 流、 温度系数等技术指标比 某些d c - d c( 开关稳 压器) 的性能还要好，更适合为某些便携式设计提供电 源。 现在， 低漏失电压技 术、多路输出技术、片上系统 ( s o c ) 集成技术已 成为集成电路的发展趋势。 目 前， 所设计的稳压器n p u 3 9 6 5 的电路设计、 前仿真验证、版图设计及后仿 真验证都己经完成，正在投片，等待投片结果。 论文的章节安排如下，全文共分为五章: 第一章是绪论， 简要地介绍了电 源管理类集成电 路的发展及l d o稳压器的 研 究现状及发展趋势; 第二章系统概述了l d o线性稳压器n p u 3 9 6 5 的功能特点， 提出了低功耗l d o 线性稳压器n p u 3 9 6 5 的具体设计要求，并对n p u 3 9 6 5 进行系统级设计; 第三章全面而系统地分析了 l d o技术，详尽地分析、研究和计算了 c m o s 型l d o线性稳压器的各个关键电特性; 第四章以第三章的理论为指导，根据第二章的设计要求， 对n p u 3 9 6 5 各个模 块的电路进行了详细的分析、设计和计算; 第五章对设计的低功耗l d o稳压器的整体电路的各项特性进行了仿真验证， 并完成了集成稳压器的版图设计及后仿真验证。 西北工业大学 硕士学位论文低功耗低漏失c m o s 线性稳压 i c 设计与实现 第二章 l d o线性稳压器n p u 3 9 6 5 系统设计 本 章 根据应 用需求和效率 优先原 则 对线性稳 压器进行定 位， 提出了 设计 指 标 要求，同时 还对芯片n p u 3 9 6 5 的体系结构、功能、 应用环境、电 特性等参数进行 了 阐述， 然后对常用l d o 线性稳压器的工作原理及结构进行简单概述， 最后给出 了对n p u 3 9 6 5 芯片结构的总体设计，以及芯片的基本工作流程。 2 . 1 l d o线性稳压器n p u 3 9 6 5 芯片的 设计要求 为了 降 低 耗电， 目 前 市 场上 的 大多 数l d o 都 具 有片 选功 能( c h ip e n a b le ) ， 当 用户在不需要l d o工作时可以关闭选通端， 以起到省电的效果。 n p u 3 9 6 5 就是基 于此设计的一款新型的功耗很低的超l d o线性稳压器。 n p u 3 9 6 5 专为满足低功耗设备电 池供电要求而设计的， 最大工作电 流能达到 1 5 0 m a ，输出电压可以设置在l 5 v -5 .5 v( 预留反馈电阻，通过修改顶层金属线 实现不同 输出电压)之间。鉴于c m o s 型l d o 线性稳压器的技术优点， n p u 3 9 6 5 采用了h y n i x 0 .5 u m 2 p 3 m c mo s 工艺来实现。 此电路有如下几个特点 ( 这也是我们的设计目 标) : i ， 具有低漏失电压:1 5 0 m a 时，最大漏失电压为6 0 m v 左右; 2 . 正常工作模式下低静态电流: 8 5 u a ; 3 ， 使能关断模式下低静态电流: l v a ; 5 . 输出具有2 %的高精度; 6 ， 具有过温和限流保护功能。 应用环境: 可应用在便携式信息设备， c d m a手机， 宽带c d m a手机， g s m 手机， d s p 电源， 数码相机，s r a m b a c k u p 等设备中。 根据电 路特点和应用环境，对设计指标提出了 如下要求: i .引脚说明如表2 . 1 所示 表2 . 1 n p u 3 9 6 5 管脚功能 管脚名称符号功能 输入引脚v i n稳压器电源输入端 输出引脚 v o u t稳压器电 源输出端 使能引 脚 en ! 使 能 端 i v e n 稳压器电 路止常i 作。 地引脚 gnd接地端 旁路电容引脚 byp as s 旁路 输出 端: 外 接 o a i p f 的电存以降 低噪声 西北工业大学 硕士学位论文低功耗低漏失c m o s 线性稳压 i c 设计与实现 第二章 l d o线性稳压器n p u 3 9 6 5 系统设计 本 章 根据应 用需求和效率 优先原 则 对线性稳 压器进行定 位， 提出了 设计 指 标 要求，同时 还对芯片n p u 3 9 6 5 的体系结构、功能、 应用环境、电 特性等参数进行 了 阐述， 然后对常用l d o 线性稳压器的工作原理及结构进行简单概述， 最后给出 了对n p u 3 9 6 5 芯片结构的总体设计，以及芯片的基本工作流程。 2 . 1 l d o线性稳压器n p u 3 9 6 5 芯片的 设计要求 为了 降 低 耗电， 目 前 市 场上 的 大多 数l d o 都 具 有片 选功 能( c h ip e n a b le ) ， 当 用户在不需要l d o工作时可以关闭选通端， 以起到省电的效果。 n p u 3 9 6 5 就是基 于此设计的一款新型的功耗很低的超l d o线性稳压器。 n p u 3 9 6 5 专为满足低功耗设备电 池供电要求而设计的， 最大工作电 流能达到 1 5 0 m a ，输出电压可以设置在l 5 v -5 .5 v( 预留反馈电阻，通过修改顶层金属线 实现不同 输出电压)之间。鉴于c m o s 型l d o 线性稳压器的技术优点， n p u 3 9 6 5 采用了h y n i x 0 .5 u m 2 p 3 m c mo s 工艺来实现。 此电路有如下几个特点 ( 这也是我们的设计目 标) : i ， 具有低漏失电压:1 5 0 m a 时，最大漏失电压为6 0 m v 左右; 2 . 正常工作模式下低静态电流: 8 5 u a ; 3 ， 使能关断模式下低静态电流: l v a ; 5 . 输出具有2 %的高精度; 6 ， 具有过温和限流保护功能。 应用环境: 可应用在便携式信息设备， c d m a手机， 宽带c d m a手机， g s m 手机， d s p 电源， 数码相机，s r a m b a c k u p 等设备中。 根据电 路特点和应用环境，对设计指标提出了 如下要求: i .引脚说明如表2 . 1 所示 表2 . 1 n p u 3 9 6 5 管脚功能 管脚名称符号功能 输入引脚v i n稳压器电源输入端 输出引脚 v o u t稳压器电 源输出端 使能引 脚 en ! 使 能 端 i v e n 稳压器电 路止常i 作。 地引脚 gnd接地端 旁路电容引脚 byp as s 旁路 输出 端: 外 接 o a i p f 的电存以降 低噪声 西北工 业大 学 硕士学 位 论文第二幸 l d 。 线性稳压器n p u 3 9 6 5 系 统设计 2 ，极限参数设计要求 极限参数反应了 稳压器所能承受的最大的安全工作条件， n p u 3 9 6 5 的极限参 数如表2 . 2 所示。 表2 . 2 n p u 3 9 6 5 的极限参数 参 数 名 称符号规范值单 位 输入电压范围v in 2 . 5一6v 使能输入电压v e n 0-6 ov 输出电压范围v g u t 1 . 55 . 5v 贮存温度t s t g- 6 5一+1 5 0 为了满足便携式设备小体积的要求，n p u 3 9 6 5 可采用s o t - 2 3 - 5 封装 ( 这种 封装的面积小于3 x 3 m m z ) ，电 路中需设置5 个引出 脚。 3 . 电特性指标 根据对芯片性能的要求， n p u 3 9 6 5 的电特性指标制定如表2 .3 所示。 表2 n p u 3 9 6 5 电特性指标要求 参数名称符号条件最小典型最大单位 漏失电压v o o t o = i m a 0 . 42 mv 1 o = 1 5 0 ma 6 01 0 0 静态电流 ( 运行模式) i q i o u t = o m a, v in = 4 . 2 v 8 5言 z q u a i o u i=1 5 0 ma, v in = 4 . 2 v 1 6 02 0 0 静态电流 ( 关断模式) i q ( s h u t d o wn ) v e n = 0 v , v in = 4 . 2 v !3 输出精度a t (f l ,= l m a - 22 %v n o m 电压瞬态响应s l in e t r i l o n o = 1 o o m a , t r i s e = t f a l l = i o u s , 2 1 n i v p p 负载瞬态响应 s l . a d t r d o u r = 4 . 7 u f , t r is e = t f a l l = 1 0 0 n s 1 0 0 m v p k 电源电压抑制比 p srr v in = v o u t ( d o m ) i 城 f = i o k h z , l o gy i= i m a 5 0d b 短路电流i s cou t p u t g r o u n d e d 6 0 0ma 关断温度t s u 1 5 0 迟滞! gym 度t d d a y 1 0 西能工业大学硕士学位论文 i c 设计与实现 启动时间 芯片关断 低功耗低漏失c a b s 线性稳压 4 .7 u f 2 0 0 c o u j = 4 . 7 u f 竺torr 输出放电时间 4 、应用电路 n p u 3 9 6 5 稳压器典型应用电路如图2 . 1 所示，这种方式也是一般 l d o稳压 器的典型应用电路，输出电压固定。 v i b mws y o u t 图2 . 1 n p u 3 9 6 5 的典型应用电 路 n p u 3 9 6 5 需要的外部元件很少， 在使能端闲置时， 可将使能引脚接到输入引 脚上。在具体应用时，可以选用1 叮左右的输入电容和输出电容。 2 . 2 l d o的组成结构及工作原理概述 一般的线性稳压器主要由基准电压源、 误差放大器、调整管、输出采样反馈 电 路 等 组 成 (2 6 1 ， 其 框图 如图2 .2 所示。 从图 中 可 看出 调 整 管的 设 计是 一 个关 键 要求调整管的耐压高，能输出足够大的电流，功耗尽量小， 稳压器的调整元件可以 选用n p n达林顿管、 n p n , p n p , 电流增益大等。线性 p mo s和n mo s管， l d o性能的角度考虑 十 v 响 丽蔽 从c m o s 工艺兼容和 通常选用p mo s 管。 图1 2线性稳压器框图 对于任何一种集成稳压器，在它正常工 作的情况下， 调整元件必须承受一定的压降， 这就造成了输入与输出电压之间的差值，即 漏失电压( d r o p o u t v o l t a g e ) 。 而且l d o线性 稳) i ,: 器的功耗和效率与漏失电压的关系是很 密切的。 l d o线性稳压器的功耗 ( p 衬 即输入能 量与输出能量之差，由下式表示; 十先 l长李| 眨却转半 西北工业欠拳硕士学位论文低功耗低漏失伽o s 线性稳压i c 设计与实现 启动对问t 舔c o u t = 4 7 u f 1 3 02 u s j 芯片关断 t o r tc o u 产4 7 u p 1 7 0 输出放电时阔 4 、应用电路 n p u 3 9 6 5 稳压器典型应用电路如图2 1 所示，这种方式也是一般l d o 稳压 器的典型应用电路，输出电压固定。 强嘴v o t n t 一 c ：i 1 1 = 蜥辛 嘲0 舻。 ln 1 一w 1j 圈2 in p u 3 9 6 5 的典型应片j 电路 n p u 3 9 6 5 需要的外部元件很少，在使能端闲置时，可将使能引脚接到输入日 脚上。在具体应用时，可以选用l r t f 左右的输入电容和输出电容。 2 2l d o 的组成结构及工作原理概述 一般的线性稳压器主要由基准电压源、误差放大器、调整管、输出采样反馈 电路等组成【2 6 j ，其框图如图2 2 所示。从图中可看出调整管的设计是一个关键， 要求调整管的耐压高，能输出足够大的电流，功耗尽量小，电流增益大等。线性 稳压器的调整元件可以选用n p n 达林顿管、n p n 、p n p 、p m o s 和n m o s 管， 圈2 2 线性稳压器框幽 从c m o s 工艺兼容和l d o 性能的角度考虑， 通常选用p m o s 管。 对于任何种集成稳压器，在它正常工 + 作的情况下，调整元件必须承受一定的压降， 。，这就造成了输入与输出电压之问的差值，即 漏失电压( d r o p o u t v o l t a g e ) 。而且l d o 线性 一 稳爪器的功耗和效率与漏失r 【_ ! _ 压的火系是很 密切的。 l d o 线性稳压器的功耗( p ) 即输入能 量与输出能量之差，由下式表示； 西北工业大学硕士学位论文 g - - 章l d 0 线性稳压器n p u 3 9 6 5 系统设计 p w = n 昏v o l o = 似纠，o + = v d o 局+ ( 2 1 ) 上式中，前一项是调接管送出电流时必需的压降所引起的功耗v o o o ，后一 项是内部电路工作时产生的静态功耗p 钇。 l d o 线性稳压器的效率玎如下式： ，7 = _ 笔笔1 0 0 ( 2 - 2 ) 。 ( 如+ 幻) 式( 2 - 1 ) 和( 2 2 ) 充分说明了l d o 线性稳压器的功耗或效率与漏失电压和 静态电流是息息相关的。低漏失电压、低静态电流意味着低功耗、高效率。 为了实现低漏失特性，l d o 线性稳压器的调整元件通常选用p n p 管或p m o s 管。由于p m o s 管的漏失电压由其饱和压降来决定，所以p m o s 管有非常低的漏 失电压，而n m o s 管在有电荷泵的情况下其漏失电压也很小。m o s 管的漏失电 压与输出电流成正比，如下式所示： 屹劬= l o r o n ( 2 - 3 ) r o n 是m o s 调整管的导通电阻。在轻负载时，漏失电压只有几毫伏；满负载 时，用m o s 管做调整管的稳压器漏失电压一般在几十到几百m v 左右。 下面介绍l d o 工作原理。 线性稳压器输出可分为三个区：截止区、降压区、稳压区，如图2 | 3 所示。 在降压区和稳压区的交界处，若调整元件是n p n 管结构，则n p n 处于临界 饱和状态；若调整元件为l d o 结构，则p n p 管处于饱和区，p m o s 管处于线性 区。这一点非常重要，下面以p m o s 管为例进行说明，p m o s 管的i v 曲线如图 2 4 所示。 5 4 9 3 v 警z ， 2346 输，电压v i ( v ) 线性稳压器输出凹2 4p m o s 管i v 曲线 p m o s 调整管处于饱和状态( p i 点) 时，v o 满足预定的输出电压v o “。要 求，当负载变化明，稳压器内部环路控制调整管，使输出保持稳定。当输入r 毡压 望苎兰些垄至堕主兰壁垒查 堡垫堑堡塑叁! 塑! 垡些整璺! ! 堡苎量壅垫 v f 减小时。工作点从p l 移到p 2 点( 朝漏失区方向，亦即调整管线性区) 。当 逐渐接近v o ，负载电流不变的情况下，某一点时稳压器的环路将会失去控制，不 能够再维持稳定的输出，这时的输入输出压差就是所谓的漏失电压v o o 。此时调 整管处于线性区，在线性区，调整管像一个等效的串联电阻r o n ，等效电阻最大 r i f m 。) 、最小艮。i n ) 。因此漏失电压可用式( 2 - 3 ) 表示。 乏 峙 锄 输入鸯压v l ( v ) 图2 5p m o s 调整管工作状态与稳压器 输出区域的对应关系 很明显，这个值越小，调整管的 功耗就越低，因此这个值越小越好。 前面已经得出结论：在各种类型的调 整管中，p m o s 调整管的漏失电压最 小。在漏失区，调整管的v g s 不再是 控制环路的函数，而是输入电压的函 数，当v t 迸一步减小时，v g s 会随着 输入电压成比例地减小，工作点也从 p 2 移到p 3 ，最终调整管达到关断状 态p t o 。 p m o s 调整管三种状态对应于 稳压器输出的三个区可如图2 5 所示，漏失电压即为图中标出的v o o 。 显然虽然p m o s 调整管处于线性区，但是稳压器仍可稳压输出当v t o 9 v ，稳压器电路 j 下常工作。芯片处于i e 常工作状态：当v 。5 0 4 v 时，稳压器电路关断，芯片处 西业工业大学 硕士学位论丈低功耗低漏失c m o s 线性穗压 i c 设计与实现 v , 减小时， 工作点从p i 移到p 2 点 ( 朝漏失区方向，亦即调 整管线性区) 。当v , 逐 渐 接近v o ， 负 载电 流不 变的