（微电子学与固体电子学专业论文）低压差（ldo）cmos线性电压变换器的研究.pdf

摘要 摘要 随着便携电子产品的迅猛发展，适合各类电子产品的新型电源和功率管理集 成电路源源不断地涌现。作为分布式电源主流结构的各种功率的开关电源，虽然 其效率很高、允许较大的输入输出电压差，但是，其电源的质量( 纹波、噪声等) 仍不能满足所有的应用，需要进行二次稳定。在这方面，低压降( l d o ：l o w d r o p o u t ) 线性调节器不失为一个很好的补充。l d o 线性电压变换器具有高质量的输 出电压，良好的瞬态特性，外围电路简单以及低成本等主要特点在电源管理领 域具有广泛的应用。其发展方向是更低的输入输出压差和地脚电流，以实现便携 式电子产品的电源效率，延长电池续航时间，这一点对便携式产品具有十分重要 的意义。 本文基于0 6pm 的c m o s 工艺，设计了一种l d o 线性电压变换器。其输入 电压范围为4 v 7 v ，输出电压为3 3 v ，可以作为对纹波或噪声敏感的后级电路( 如 c p u 、d s p 等) 的供电电源。在典型负载电流下( 6 0 0 m a ) 下，输入输出压差为 6 5 0 m v ，静态电流只有o 9 m a 。此电路还具有良好的线性调整率、负载调整率和 电源抑制比( p s r r ) ，能够在各种工作环境下正常工作。此外，本文还设计了过 热和过流保护电路，避免电路工作异常时芯片的永久性损坏。基于以上技术优势， 使得该电源管理i c 具有高效率、低功耗、高精度、低噪声的特点。本文提出的电 路基于0 6 i l m 的c m o s 工艺，经过优化设计，所有仿真结果都在c a d e n c e 和h s p i c e 环境下得出，各项参数均达到制定的要求。 在本论文中，作者首介绍了电源管理的市场状况，比较了l d o 线性压降变 换器和开关变换器的特点，然后阐述了l d o 线性压降变换器的工作原理，为整 个电路的设计和参数的调整给出合理的理论依据。接着根据功能的需要设计了全 部的子电路模块，包括斩波调制基准电压源、误差放大器和保护电路等，并借助 设计软件c a d e n c e 和h s p i c e 对所有的子电路模块进行了完整的设计和仿真，各项 参数均达到或超过先前制定的指标。最后对整体电路进行了仿真，并给出了详细 的数据，结果表明其功能和各项参数都满足应用的需要。 关键词：电源管理l d o基准电压源保护电路 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to fp o w e rm a n a g e m e n ti c ( i n t e g r a t e dc i r c u i t ) i sd r i v e nb yt h e i n c r e a s i n gd e m a n df o rb a r e r yp r o d u c t s s w i t c h i n gr e g u l a t o r sh a v et h ei n h e r e n th i g h e f f i c i e n ta n dw i d er a n g eo fi n p u tv o l t a g e b u tt h e ya r en o ts u i tf o rt h ep o w e rs u p p l yo f a l lp r o d u c t sl i k ec p ua n dd s pb e c a u s eo ft h e i rh i 曲t i p p l ea n dn o i s e s o ，l d o ( 1 0 w d r o po u or e g u l a t o ri sag o o ds u p p l e m e n tt os w i s h i n gr e g f i l a t o r t h el d or e g u l a t o r s s u p p l yc l e a n e ro u t p u tv o l t a g e a n db o r e rt r a n s i e n tp e r f o r m a n c et h a ns w i t c h i n g r e g u l a t o r s t h es i m p l ep e t i p h e r yc i r c u i tc o n t r i b u t e st h e i rl o w c o s ta n dw i d ea p p l i c a t i o n t oe x p a n d st h eb a a e r y sl i f e ，t h ed r o po u tv o l t a g ea n dt h es t a t i cc u r r e n tm u s tb el o w e r , s oa st oi m p r o v et h ep o w e re f f i c i e n t i ti sa l s ot h ed i r e c to fl d or e g u l a t o r se v o l v i n g b a s e do nt h e0 6i smc m o sp r o c e s s ，t h i sp a p e rp r e s e n t sal d or e g u l a t o r t h e i n p u tv o l m g er a n g ei sf r o m4 v 二7 va n d t h eo u t p u tv o l t a g ei s3 3 v , i tc o u l db eu s e da s p o w e rs u p p l yf o rc p u o rd s pw h i c ha r es e n s i t i v et ot i p p l ea n dn o i s eo ft h ep o w e r s u p p l y u n d e rt h et y p i c a ll o a dc u r r e n tc o n d i t i o n ( 6 0 0 m a ) ，t h ed r o po u tv o l t a g ei s 6 5 0 m va n dt h es t a t i cc u r r e n ti s0 9 m a t h el i n er e g u l a t i o n 1 0 a dr e g u l a t i o na n dp o w e r s u p p l yt i p p l er a d i o 口s r r ) a r eg o o de n o u g hf o ra p p l i c a t i o n m o r e o v e r ，t h eo v e r t e m p e r a t ea n do v e rc u r r e n tp r o t e c t i o nc i r c u i ta r ed e s i g n e dr e s p e c t i v e l y t h ed e s i g n e d l d oi so fh i g he f f i c i e n ta n da c c u r a c l o wp o w e rd i s s i p a t i o na n dn o i s e a l lt h e p a r a m e t e r so f t h ep r e s e n t e dl d or e g u l a t o r a r ea c c o r dw i t ho re x c e e dt h et a r g e t s i nt h i sp a p e r , t h em a r k e to fp o w e rm a n a g e m e n ti sa n a l y z e d ，t h ed i f f e r e n c e s b e t w e e nl d or e g u l a t o r sa n ds w i t c h i n gr e g u l a t o r sa r ec o m p a r e d t h e nt h ea u t h o r i l l u s t r a t e st h eb a s i ct h e o r ya n dm a j o rp a r a m e t e r so ft h el d or e g u l a t o r s t h e s u b c i r c u i t si n c l u d i n gc h o p p e rm o d u l a t i o nv o l t a g er e f e r e n c e e 1 t o fa m p l i f i e r , o v e r t e m p e r a t ea n do v e r c u r r e n tp r o t e c t i o nc i r c u i t sa r ed e s i g n e da n ds i m u l a t e dw i t h c a d e n c ea n dh s p i c er e s p e c t i v e l y t h er e s u l t si n d i c a t et h a ta 1 1s u b c i r c u i t sa r ed e s i g n e d t i g h ta n dr e a s o n a b l e f i n a l l y t h ew h o l el d or e g u l a t o ri ss i m u l a t e d ，t h ef u n c t i o na n d p e r f o r m a n c ea r eb o t hs a t i s f i e dw i t ht h ed e m a n d k e y w o r d s ：p o w e rm a n a g e m e n t l d o v o l t a g er e g u l a t o r p r o t e c t i o nc i r c u i t 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：茎：盏亟13 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕业 离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。学 校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文在 解密后遵守此规定) 本学位论文属于，在年解密后适用本授权书。 本人签名：望邕型 翩躲塑竖 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 作为电子产品中必不可少的器件之一，电源管理器件与整个电子工业的发展 休戚相关。通信与网络、计算机与消费电子、工业与汽车电子等诸多产品领域的 需求增长带动了电源管理市场的强劲增长。尤其是随着手机、p d a 、数码相机和 m p 3 等以电池供电的便携式设备中彩屏、j a v a 游戏、内置c m o s 镜头、g p s 等 功能的日益多样化，使得电源管理在电子行业中的地位越来越重要【l 】。多家调研 公司的数据都认为，电源管理类i c 市场一直保持了稳定增长的势头，即使在不景 气的年代也是如此。由于看好电源管理i c 的利润前景，越来越多的i c 设计公司 相继进入电源管理市场。 其中，l d o ( l o wd r o po u t ) 线性电压变化器依靠其不断降低的压差，不断 减小的芯片面积，不断提高的效率和稳定性而越来越引人注目，成为电压变换器 领域最重要的发展领域之一。 1 2 全球电源管理i c 市场分析 2 0 0 2 年，半导体工业在经历了两年多的不景气后开始了持续的复苏，存货逐 渐减少，供给和需求趋于平衡。然而，半导体工业正面临着一种明显的迁移，因 此其恢复方式不会与以往相同。这种迁移反映出向外转包生产的加速，向亚洲转 包的加速，亚洲已经成为全球增长最快的芯片市场。i d c 的研究数据指出，全球 模拟i c 市场于2 0 0 4 年达到近3 0 0 亿美元的水平，其中电源管理芯片占了近6 0 亿美元，预计在2 0 0 6 年将达到7 0 亿美元【2 j 。 预计到2 0 0 5 年，北美将占有全球电源管理i c 市场的2 9 4 ，亚洲会略微领 先于北美，占3 1 1 ，日本和欧洲市场各占1 9 2 和1 8 9 ，其余地区占1 4 。 这些i c 主要用于通信电子，计算机及其外围设备。长期的优势将继续支持亚洲占 有最大的份额，尤其是中国异军突起，成为有吸引力的电子产品生产地斟引。 预计电源管理i c 的平均售价( a s p ) 将以每年2 5 4 的速率下降。对于不 同范畴的产品，其下降速度会有所不同。价格下降的原因主要是厂商之间激烈的 竞争、技术进步导致成本下降、临时的过量生产能力等因素。 电源管理i c 的应用市场在2 0 0 4 2 0 0 5 年度里，预计将以1 6 1 9 的增长 低压差( l d o ) c m o s 线性电压变换器的研究 率增长。计算机和通讯产品是高增长的应用领域，技术进步的推动力将主要来自 这些领域。尽管计算机、相关外设和数据通讯产品是高增长率的领域，但这些产 品市场价格的降低将在某种程度上抵消收入的增长。 定制i c 是那些不在标准产品目录里的产品。尽管一些使用者的要求变得更标 准化，但对定制i c 的需求不构成很大的冲击。目前，这一市场占全部市场的1 0 左右。在大型应用中，减小体积和降低成本的需要促使制造者不断地与主要客户 合作，以提供合适的客户解决方案。 1 3 国内外电源管理i c 供应产商 尽管目前市场上有超过6 0 家以上的大厂商，但是排位靠前的7 家公司占据了 5 0 以上的市场份额。实际上，可以将“8 0 2 0 原则”应用于这个市场，2 0 0 0 年， 大约8 0 的市场收入由排在前面的2 0 的i c 制造商获得。 参与市场的公司可按其竞争关联性进行分组： 具有广泛业务覆盖范围，在电源和功率管理i c 上大量投入的大公司，如l i n e a r t e c h n o l o g y ，m a x i m ； 有良好基础的线性半导体产品公司，如a n a l o gd e v i c e ，f a i r c h i l d ，i n f i n e o n ， n a t i o n a l ，o ns e m i c o n d u c t o r ，p h i l i p s ，s tm i c r o e l e c t r o n i c s ，t e x a si n s t r u m e n t s 远东的一些公司，很多集中在客户应用电子领域，如f u j i t s u ，m i t s u b i s h i ， n j r ，r i c h o ，r o h m ，s a n k e n ，s e i k o ，s h a r p ，t o k o ，t o r e x 非常专业化的某一特定应用领域和产品范围，或垂直市场的中等规模供应商 d a l l a s ，i n t e r s i l ，m i c r o s e m i ，m i c r e l ，p o w e ri n t e g r a t i o n s ，s e m t e c h ，s i p e x ，s u p e r t e x ， t e l c o m ，v i s h a y s i l i c o n i x ； 规模小、刚刚启动的公司，市场的新进入者，如a l p h a ，e l a n t e c ，i m p ，i m p a l a ， 0 2 m i c r o ，p o w e r s m a l t ，u n i s e m 。 全球电源管理i c 市场全面的领先者是t e x a sh l s 仰m e m s ，n a t i o n a l s e m i c o n d u c t o r ，o ns e m i c o n d u c t o r ，l i n e a rt e c h n o l o g y ，f a i r c h i l d 和m a x i m 等公司。 我国台湾地区的电源管理i c 供应商已超过2 0 余家。由于进入市场相对较晚， 且缺乏模拟芯片的设计经验，他们最初所供应的产品只是低端但量大的线性稳压 器件。随着技术的积累，他们己能提供技术难度相对较高的p w m 控制i c 和 m o s f e t ，应用领域也从p c 扩大到了消费电子，并正在进入通信设备市场。从 目前来看，台湾地区前7 家电源i c 供应商包括立镝、富鼎先进、茂达、安茂微电 子、致新、沛亨与崇贸等，这7 家公司在2 0 0 4 年的营收之和约为3 0 6 亿美元， 占全球电源管理市场的5 5 。与他们在2 0 0 3 年2 4 6 亿美元的营收之和相比，成 第一章绪论 长了2 4 4 ，可见这些公司正在高速成长当中。其中，前三大厂商分别为立镝科 技、富鼎先进和茂达，他们在2 0 0 4 年的营收都超过了5 ，8 0 0 万美元【。 而国内，对电源管理芯片的开发尚处于刚刚起步阶段。目前国内仅有为数不 多的几个单位在进行开发工作，产品品种少，产量不大，且大多数水平较低。电 源管理芯片市场大部分被国外产品占据，研究开发国内的电源管理电路产品，能 夺回巨大的市场。因此，开展本项目的研究具有特别重要的意义。 1 4 线性电压变换器的特点和分类 电源管理i c 产品包括a c i ) c 调节器、p f c 预调器、p w m p f m 控制器、线 性调节器、d c d c 变换器和电池充电和管理【5 】。线性变换器出现已经有几十年了， 它给电压敏感的电路或元件提供干净、高精度的电压，这种简单易用的电路几乎 出现在任何电子设备中。 针对功能相似的开关变换器( s w i t c h i n gr e g u l a t o r s ) 来说，线性电压变换器 的主要特点有： 低纹波电压和低输出噪声，这对射频和其他通信设备十分重要 快速的瞬态响应 小尺寸、低成本、易用性 低电磁干扰( e m d 线性电压变换器根据其通路调整管的不同可以分为以下五类【6 】： 驾毒。篱之叫壶点圣蚕 图卜1 五类主要的线性电压变换器 图1 1 中的五类线性电压变换器的主要差别是电压降( d r o p o u tv o l t a g e ) 的不 同。线性电压变换器设计的关键是要减小电压差和静态( 地脚) 电流，使消耗在 电路内部的功耗尽可能小，由此提高效率。图中各通路调整管实现的l d o 线性 电压变换器的性能比较如表1 - 1 所示。 m o s 管由于是电压驱动元件，其静态电流很小，但是每单位面积的输出电流 能力依赖于宽长比和栅驱动电压，导致了芯片面积的增加。双极晶体管是电流驱 h理 教 4 低压差( l d o ) c m o s 线性电压变换器的研究 动器件，n p n 的基极电流流至输出，而p n p 的基极电流流至地。因此，n p n 结 构较p n p 而言更适合于实现低静态电流l d o ，同时也能获得快速的瞬态负载响 应。由于p n p 晶体管通常使用横向结构，因此响应较慢。而纵向p n p 结构可以 得到快速响应时间，但是标准工艺一般不支持这种结构。m o s 晶体管的响应时间 介于纵向双极管和横向p n p 之间。 表卜1 五类通路元件的l d 0 的性能比较 d a r l i n g t o n n p np n pn m o s p m o s i ，。h i g l l h i g l l h i g h m e d i u mm e d i u m i 。 m e d i u mm e d i u m l a r g e l o wl o w 。+ 2 屹+ 吃吃一。+ y d t s p e e d f a s t f a s ts l o w m e d i u m m e d i u m n p n 达林顿，n p n 和n m o s 结构的压差电压至少为一个吃和一个吃一。相 加，一般介于0 8 到1 2 之间。然而，这些通路元件的大压差电压可以利用电荷泵 来改进，但这种方法的代价为静态电流、噪声注入、电路复杂性和成本的增加。 另一方面，p m o s 和p n p 晶体管可以获得最低压差电压，分别为。，和吃。， 一般在o i v 到0 4 v 之间。p m o s 晶体管由于他们的可变电阻特性，即随栅驱 动和宽长比变化，表现出最低的压差电压 7 1 ；而p n p 器件具有恒定的饱和电压， 约为2 0 0 m v 。总之，p m o s 器件在压差电压，静态电流，输出电流，速度，成本 之间是最好的选择。本文的通路调整管就是采用p m o s 管来实现的。 1 5 本文的工作 本文基于0 6 i tr n 的c m o s 工艺，设计了一种l d o 线性电压变换器。其输入 电压范围为：4 v - 7 v ；输出电压为恒定的3 ，3 v ；最大输出电流为9 0 0 m a ；在典型 负载时( 负载电流为6 0 0 m a ) ，输入输出最小压差为0 6 5 v ，静态电流为o 9 m a 。 并且具有良好的线性调整、负载调整、线性瞬态响应和负载瞬态响应特性。此外， 本文还设计了过热过流保护电路，避免芯片在异常环境工作时永久性损坏。此芯 片十分适用于u s b 接口的芯片的供电电源。 第一章分析了近几年电源管理的发展，指出l d o 的发展方向，并且概述了 本文的具体工作。 第二章阐述了l d o 线性电压变换器的工作原理、模块结构和工作原理。 第三章对本文的l d o 作了总体设计考虑，概述了各参数的物理意义以及优 化措施，并且对l d o 的稳定性、噪声和电源抑制比特性进行了分析、优化。 第一章绪论 第四章设计了各l d o 的子电路模块，包括斩波调制基准电压源、误差放大 器、反馈网络、过热过流保护电路等，并在0 6 i l m 的c m o s 工艺上对各模块的 功能和参数进行了优化和验证，给出详细的数据。 第五章利用c a d e n c e 和h s p i e e 对整体l d o 电路的各项指标进行了详细的仿 真分析，并根据指标进行优化和调整，给出了详细的仿真结果。 第六章总结了本文的所有工作。 第二章l d o 线性电压变换器概述 第二章l d o 线性电压变换器概述 在经历了十余年迅猛发展以后，各种便携式电子产品，特别是便携式计算机、 移动通讯装置、视频或音频产品、照相机、医疗仪器及测试仪器等，依然保持着 强劲的增长势头，拉动各种适合便携式电子产品的新型电源和功率管理集成电路 源源不断地涌现。其中，l d o ( l o wd r o po u t ) 线性电压调节器依靠其不断降低的 压差、不断减小的芯片面积、不断提高的效率和稳定性而越来越引人注目，成为 电子调压器产品最重要的发展领域之一。 在国外文献中，经常把l d o 线性降压变换器简称l d o ，把l d o 产品称为 l d o s 。本章论述了l d o 的基本原理和相关重要参数，深刻理解这些原理和参数 对后面的设计有很大的指导意义。 2 1 工作原理 电压变换器是一个恒压源，它能够随着负载电阻的改变而改变自身内阻，从 而输出一个恒定的电压值。 r i n v i n r l o a d 图2 l 恒压源 恒压源( 图2 - 1 ) 的内阻必须远小于外电路负载( r 。) ，这样才能保证负 载电阻在一定范围内变化时，输出电压是一个恒定的值。 电压源的输出电压如下： 1 = x 专一 ( 2 - 1 ) l + 二：生 r 当电压源空载( r 。= 一) 时，最大输出电压等于输入电压( 。一。= ) 。 随着负载降低( 初始值为无穷大) ，输出电压也随之降低。为方便描述，此处引入 一个参数：输出电压误差率e 。e 。被定义为：电压源空载( r 。= 一) 时的输 出电压( 。一) 与其有负载时的输出电压( 。一。) 的差值的百分掣引。 低压差( l d o ) c m o s 线性电压变换器的研究 e 。：监警血。1 0 0 ( 2 - 2 ) o u t m i x 用代替v o u r 一。，式( 2 1 ) 替换。一。，则电压误差率可用电阻r 、 月的比值来表示： 高。 = 瓦r i n l 。 ( 2 - 3 ) 从图2 - 2 可以看出：输出电压误差率e v o ，随着负载电阻( r 。) 的降低而升 芝 善 ! e 血 譬 量 宝 皇 导 5 f i 、 、 。 、- 1 1 u q r l o a d i r i n r - q o 图2 2 e m 与r l 的关系 为使电压误差率最小化，需要一个能够感应负载变化的电路，并通过反馈调 整可变内阻，使其与负载的比值为一常量：r 胄。= 席。 则r 与只m 成一线性关系：r j = 船脚电路图如下： r i n = k r l o a d v i n r l o a d 图2 3 与尺的线性关系 能够完成这样一个功能的电路基本上是一个线性电压变换器，具体电路如下： 第二章l d o 线性电压变换器概述 r l o a d 图2 - 4 简单的线性电压变换器 图2 - - 4 所示线性电压交换器，可分为以下四个基本的电路模块【9 】： ( 1 ) 基准电压源( t h ev o l t a g er e f e r e n c e ) 是所有变换器的工作起点。基准源经常采用带隙结构，因为这种基准源能够 工作在低的电源电压下，并且有较高的精确度和热稳定性。典型的带隙基准源电 源灵敏度为o 5 1 0 ，温度系数为2 5 5 0 p p m c 。 ( 2 ) 误差放大器( t h ee r r o ra m p l i f i e r ) 其功能主要是用来控制输出电压。其中咋= z o o r r 他+ r ) ，让砟与基准 电压p 玉进行比较，然后控制p m o s 功率管( t h ep a s se l 锄e n t ) 栅电压，从而可 以控制输出电压。，到需要的值。由于此电路存在负反馈，因此误差放大器的输 入差分信号( = 乃一) 几乎为零。设k = 哆则有： d w = ( 1 + 詈) ( 2 4 ) n 1 只有在矿_ 足够高，可咀维持误差放大器和p m o s 功率管( t h e p a s se l e m e n t ) t 作在饱和区时，2 4 式才成立。 ( 3 ) 反馈网络( t h e f e e d b a c k n e t w o r k ) 它的作用是可以设定一个稳定的输出。，并通过电阻分压后与，进行比 较。因为，为定值，所以改变。的值只能通过调节旯：，墨来实现。 ( 4 ) 调整管( t h es e r i e s p a s se l e m e n t ) 它的主要作用是为输入( y 。) 向负载输出大电流提供通道。由于其容抗很大， 所以要求误差放大器要有很强的驱动能力。比较理想的功率管是增强型 p m o s f e t ，p m o s f e t 是在n 型衬底上制作两个p 阱( 分别是源端和漏端1 而形成 的，如图2 5 a 所示。其中，衬底和源端相接于高电位，漏端接低电位。p m o s 管 是通过p 沟道进行导电的，因此，其栅压相对于源端为负，只有栅压足够低，p 沟道才能形成，p m o s 管才能导通，也才会有漏电流，。，饱和区简化公式如下： l 一a o c o ，i w ( 、v 。一i i ) 2 ( 1 + ：- v s o ) ( 2 5 ) 1 0 低压差( l d o ) c m o s 线性电压变换器的研究 由于这种f e t 导电性能随着l i 的增大而提高，因而也被叫做常关型器件 ( 见图2 5 b ) 。 螬 a 】t 奉蛄柠 - i d n g q v g s i v )一v d $ m m t 出特性 图2 - - 5 增强型p l i o s f e t l d o 线性电压变换器除上述几个基本的电路模块外，在实际的设计中还应考 虑输出电流过大和芯片过温等问题，所以l d o 线性电压变化器通常还包括过流 保护模块和过热保护模块。本文所设计的l d o 线性电压变换器包含了过流保护 和过热保护电路模块，避免p m o s 调整管因环境温度过大或输出短路时电流过大 而损坏。 2 2 电路的工作过程 由上述线性电压变换器的工作原理可以知道。线性电压变换器是通过工作在 线性状态的调整元件调整其电流或电压，从而使负载上直流电压保持基本不变， 这种调整是靠负反馈来实现的。调整元件与负载串联，则为串联型线性电压变换 器，若是并联，则为并联型线性电压变换器。本设计采用串联式线性电压变换器。 除了调整元件外的控制电路主要是控制调整元件的电流大小及两端电压大小以实 现其稳压的目的【“1 。 下面主要分析负载电阻r 。降低时，变换器的工作过程： 负载电阻只。降低，输出电压从。降到。：，功率管的源漏电压从一 升高到一，：。咋( 。经过电阻分压而得) 显著低于，则功率管栅源电压从 一跳到一：。由此，通过功率管的电流从j 。，增加到i o 。：，输出电压开 始恢复原值，、差分电压( = 咋一) 也开始恢复。栅电压逐渐增加到 一圪。，导致输出电流增加到。，也即产生一个输出电压汀。经过电阻 r 、r ：分压得，其结果使差分电压为零( p k = 巧一= o ) 。至此，电路恢复 第二章l d o 线性电压变换器概述 了平衡工作过程如下图所示。 卅o t w 6 s 3 一 i g | 2 v 0 t 蛳i 黧i o l c r i z 仁。 图2 6p a 委换器的上作过程。 图z 一7 变换器框图 一v b 0 2 图2 - 8p m o s 输入输出特性曲线 图2 - 8 中的输出特性曲线进一步说明了电路的工作过程：当尺。降低时， p m o s f e t 的工作点从p i 跳到p 2 ，然后被调节到只。 对给定的静态工作点p ，输出电压稳定( 即：，和是常数) ，此时，可 以用如下的公式定义p m o s 的内阻以及负载电阻： r m ：粤，r ：_ v o o t n ( 2 6 ) j o u r a j o u l t v _ 账 i o u m = 杀= 石y o u r ， 僻， r 1 u u = 屯x ( 2 8 令七= v o 。，贝j j ( 2 - 8 ) 式描述了线性电压变换器的线性关系。 下面几章将着重阐述本文设计的l d o 电路。 帅般6 莘茗。 第三章低压差线性降压变换器的总体设计 第三章低压差线性降压变换器的总体设计 3 1 概述 本文根据总体设计指标的要求，对电路进行了完整的设计，并用s p e c t r e 和 h s p i c e 进行仿真。设计的典型指标如下： 输入电压：4 v 一7 v 输出电压：3 3 v 最大输出电流：9 0 0 m a 压差电压：o 6 5 v 6 0 0 m a 静态电流：输出电流为6 0 0 m a 时为0 9 m a ，输出电流为1 0 0 m a 时为0 5 m a 。 线性调整率：0 。0 6 7 负载调整率：0 4 2 温度系数： ，。时， 圪。，o v e f l 为电源电 压v d d ，开关管m 3 9 截止，不影响栅控制电压a 3 ，芯片正常工作。 由以上分析可以刊出，通过调整感应电阻r 4 的阻值就可以得到不同的最大输 出电流。 4 4 2 3 实际电路分析 限流模块的实际电路如图4 1 8 所示 第四章子电路模块设计 4 4 2 3 实际电路分析 限流模块的实际电路如图4 1 8 所示 图4 1 8 限流电路的实现 限流电路的仿真分析请参见5 1 3 节。 为确保功率管安全工作，需感应电压信号对功率管的过流很敏感，在感应电 路将电流信号转变为电压信号送回去进行比较时，就必然要求精确的电阻，使通 过功率管的电流刚超过9 0 0 m a 时，圪。就大于，从而通过比较器的输出信号o v e r i 控制输出电流。 。仨 。 k 吨 耻虑 ( 4 - 2 1 ) 第五章整体电路仿真结果 第五章整体电路仿真结果 利用0 6um c m o s 2 2模型，整体l d o 路在c a d e i l c e 的s p e c 订e 和h s p i c e 环境 下进行了详细的模拟和优化【3 3 】【3 4 】。本章主要给出具体的电路仿真结果。 5 1 1 电源d c 分析 5 1 一i ) c 分析 在典型情况下( 结温2 7 0 ，= 5 v ，c o = 1 0 p f ) ，对电源做d c 分析。 部分模拟结果如下图表所示： 表5 - 1 电源d c 分析的部分结果 p a r a m e t e t c o n d i f i o n s r e s u l t i = 6 0 0 m a 0 6 5 v i l ，d = 1 0 0 m a o 1 3 v 屯d = 6 0 0 m a 0 9 m a j _ i = 1 0 0 m a 0 5 m a a 吒， o 0 8 a 图5 - 1 负载电流为6 0 0 m a 和1 0 0 m a 时，随的变化 ；- 1 一 口 r r a，；荭。，。