（微电子学与固体电子学专业论文）高性能cmos低压差线性稳压器的设计.pdf

高性能c m o s 低压差线性稳压器的设计 摘要 从便携式产品电源管理的发展趋势看，追求更高性能更低成本的稳压电源 仍然是一个很活跃的领域，因此低压差线性稳压器的研究具有非常重要的现实 意义。 本文采用t s m c0 6 “mc m o s 工艺制程，设计了一种为单手机芯片中的数 字i o 模块提供稳定电源电压的l d o 线性电压调整器，该芯片配以必要的简单外 部设备即可构成完整的直流稳压电源解决方案。实现了2 8 v 5 5 v 输入电压下 2 8 v 的稳定输出电压，最大负载电流10 0 m a ，在最坏的环境下，静态电流2 5 9 a ， 线性调整率o 0 3 2 v ，负载调整率1 1 ，压降低于1 0 0 m v ，电源抑制比大于 7 0 d b ，保证了低压差低功耗的要求，同时该线性稳压器具有限流和过温保护功 能。 本文根据设计要求，详细设计了线性稳压器的内部电路模块，包括：基准 源、误差放大器、调整管、反馈电阻、过温保护、限流保护等，并对基准源的 电源抑制比特性和线性稳压器的稳定性进行了重点分析。借助设计软件 c a d e n c es p e c t r e 完成了整体电路的设计和电路仿真，利用v ir t u o s o 完成版图 的设计，应用m e n t o r 公司的c a l i b r e 工具进行了版图的验证和参数提取，并 进行了后仿真。仿真结果表明该低压差线性稳压器均达到了指标要求，并具有 良好的性能。 关键词：线性稳压器电源管理电源抑制比低压降功耗 d e s i g no fc m o s l o wd r o p o u tv o l t a g el i n e a rr e g u l a t o r w i t hh i g hp e r f o r m a n c e a b s t r a c t w i t ht h ef a s tg r o w i n gd e m a n do fp o r t a b l ee l e c t r o n i c p r o d u c t s ，p u r s u i n gh i g h p e r f o r m a n c ea n dl o wc o s tp o w e rm a n a g e m e n ti n t e g r a t e dc i r c u i ti s s t i l lah o tf i e l d ， s oi ti so fg r e a ti m p o r t a n c ea n dh a sr e a l i t yc o n t r i b u t i o nt or e s e a r c ht h el d ol i n e a r r e g u l a t o rc i r c u i t 。 t h eo b je c to ft h i sp a p e ri st od e s i g nl o wd r o p o u tv o l t a g er e g u l a t o r ( l d o ) w i t h t s m s0 6 “mc m o st e c h n o l o g y t h el d oi su s e df o rd i g i t a li op o w e rs u p p l y i t h a sa c h i e v e daw i d ei n p u tv o l t a g ew h i c ht h er a n g ei sf r o m3 vt o5 5 va n das t a b l e o u t p u tw h i c h i s2 8 v ，t h el a r g e s tl o a dc u r r e n ti s10 0 m a ，t h ed r o p o u tv o l t a g ei sl e s s t h e n10 0 m v ，t h eq u i e s c e n tc u r r e n ti s2 5 1 x a ，t h el i n er e g u l a t i o ni s0 3 6 ，t h el o a d r e g u l a t i o ni s1 1 ，t h ep s r ri sl a r g e rt h e n7 0 d b t h el o wp o w e rd i s s i p a t i o ni s r e a l i z e d a d d i t i o n a l l y t h i sl d oh a st h eo v e r c u r r e n ta n do v e r t e m p e r a t u r e p r o t e c t i o nc i r c u i t s i nt h i sp a p e r ，a c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o nd e s i g ns p e c i f i c a t i o n ，t h es p e c i f i c c i r c u i ti m p l i c a t i o n sa n dd e s i g n so ft h em a j o rb l o c k so ft h el d oa r ed i s c u s s e di e ， t h er e f e r e n c ec i r c u i t ，t h ee r r o ra m p l i f i e r ，t h ep a s sd e v i c e ，t h ef e e d b a c kr e s i s t o r ，t h e p r o t e c t i o nc i r c u i t s ，e t c t h ep a p e ri sf o c u s e dt h ea n a l y s i so nt h ef r e q u e n c ys t a b i l i t y i s s u eo ft h el d oa n dt h ep o w e rs u p p l yr e je c t i o nr a t i oc h a r a c t e r i s t i c so ft h e b a n d a g er e f e r e n c e s t h ee n t i r ec i r c u i ts i m u l a t i o nb yt h ec a d e n c es p e c t r et o o l ，t h e l a y o u td e s i g na n dl a y o u tv e r i f i c a t i o n ，b a c k e n ds i m u l a t i o n h a v e b e e nd o n eb y v i r t u o s o ，c a l i b r ea n ds p e c t r et o o l s t h er e s u l t so fs i m u l a t i o nm e e tt h ef u n c t i o n r e q u i r e m e n t k e yw o r d s ：l d o ；p o w e rs u p p l ym a n a g e m e n t ；p s r r ；l o wd r o p o u tv o l t a g e ；p o w e r d i s s i p a t i o n 插图清单 图1 1 线性稳压器的工作原理4 图2 一l 基准电流产生电路9 图2 2 基准电流源的电路结构一1 0 图2 3 偏置电流随电源电压的变化图1 1 图2 4 基准电流源的温度特性1 1 图2 5 带隙基准的基本原理1 2 图2 6 典型的带隙基准电路1 3 图2 7 基准电压源的设计原理1 4 图2 8 基准电压源电路1 4 图2 9 基准电压源的温度特性曲线一16 图2 10 改进的基准源核心电路17 图2 1 1 电源抑制比特性曲线18 图3 1 完整的线性稳压器结构图1 9 图3 2 调整管的类型2 0 图3 3 误差放大器的结构2 2 图3 4 传统过流保护电路2 4 图3 。5 过流保护的电路一2 5 图3 - 6 过流保护仿真图2 5 图3 7 过温保护电路2 6 图3 8 过温保护仿真结果2 7 图3 - 9l d o 的典型分析结构2 8 图3 1 0l d o 的频率响应2 8 图3 11 增加e s r 补偿的电路2 9 图3 。1 2e s r 补偿的频率响应一3 0 图3 1 3 三极嵌套米勒补偿结构3 0 图3 1 4 改进后的嵌套式米勒补偿3 2 图3 15 添加反馈电容的补偿电路3 3 图3 1 6 改进后的v c c s 频率补偿电路3 3 图3 1 7l d o 的稳定性补偿电路3 4 图3 1 8 稳定性仿真平台3 5 图3 19 幅频相频特性曲线3 5 图4 1 线性稳压器的整体电路3 6 图4 2 使能信号逻辑组合电路3 7 图4 3 线性瞬态响应曲线3 9 图4 4 负载瞬态响应曲线3 9 图4 5l d o 的静态电流4 0 图4 6l d o 静态电流曲线一4 0 图4 7 负载瞬态响应曲线4 1 图4 。8 待机电流仿真图4 1 图4 9 典型l d o 简化电路4 2 图4 1 0l d o 的输入输出特性曲线一4 2 图4 1 ll d o 的负载调整率4 3 图4 12l d o 的负载调整率曲线一4 3 图4 13l d o 的线性调整率4 4 图4 1 4l d o 的线性调整率曲线4 4 图4 15l d o 的电源抑制比4 5 图4 1 6l d o 的电源抑制比曲线4 5 图4 1 7l d o 的输出噪声4 6 图4 1 8l d o 的输出噪声曲线4 6 图5 1 功率管版图4 8 图5 2 误差放大器版图4 9 图5 3 过温保护版图4 9 图5 4 基准电压源版图5 0 图5 5p t a t 电流源版图5 0 图5 6 过流保护版图5 0 图5 7 静态电流、启动过程后仿曲线5 2 图5 8 负载调瞬态响应后仿曲线5 2 图5 - 9 线性瞬态响应后仿曲线5 3 图5 1o 输入输出特性后仿曲线5 3 图5 1 1 线性调整率后仿曲线5 4 图5 1 2 负载调整率后仿曲线5 4 图5 13 电源抑制比后仿图5 5 图5 1 4 噪声后仿图5 5 表格清单 表4 1 电路设计指标表3 7 表4 2 电路级性能仿真3 8 表5 1t s m c0 6c m o s 工艺掩膜板层次4 7 表5 2l d o 参数提取后性能仿真5 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金g 墨王些盍堂或其他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作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：付季一兰签字日期：少厂年严月甲日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金月曼王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权盒旦垦王些盍堂可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：付需三 签字吼眇7 年甲月侈日 f 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话； 邮编： 絮* 铹时 致谢 感谢我的导师黄英教授在研究生期间对我的指导、关心和帮助。在黄老师 的悉心指导下，我顺利的完成了研究生的课题研究和论文撰写，同时黄老师在 生活上也给予了我极大的帮助和关心。黄老师严谨的治学态度、敏锐的洞察力、 以身作则的工作作风使我从中受益匪浅，是我终身学习的榜样，在此衷心地向 我尊敬的导师黄英教授致以最真挚的感谢和敬意，感谢黄老师对我的栽培以及 给予的帮助! 感谢我的师姐王敏，师兄王磊、黄攀峰，同学向蓓、明小慧、杜福慧、黄 峰、严春早等，感谢我的师弟董万城、赵兴等，他们在我的学习和生活中给予 了真诚的帮助和鼓励。 感谢我所工作的电源组所有成员的支持和帮助。他们是汤志强、陈昭祥、 陈勖、陈杰、刘武洲、马莉等，他们为整个电源芯片的工作付出了艰辛的劳动， 对我的工作给予了最直接的指导和建议。 最后，感谢百忙之中抽出宝贵时间参加论文评阅的各位专家学者，感谢他 们所付出的辛勤劳动。 第一章绪论 本章首先介绍了当前便携式产品中电源管理的现状与发展趋势，比较了目 前流行的三类直流电压变换器：分析了线性稳压器的研究意义，重点介绍了l d 0 线性变换器在便携式电子产品中的应用及其国内外的发展现状，l d 0 线性稳压器 的工作原理和应用；最后，简要概括了本文主要工作和结构安排。 1 1 研究背景及意义 随着便携式产品的发展，例如笔记本电脑、多媒体、3 g 手机对高画质视频、 多媒体数据流、音频播放、更清晰的显示及更多娱乐等需求不断提升，但这些 功能却会大量消耗电源，其中绝大多数的电源电压并不相同，随着电流需求不 断增加，使得它们需要更多电力【1 1 ，例如从2 g 语音电话升级到3 g 视频电话后， 对功率需求便增加一倍。在同一手机中融入更多元化的功能，其功率消耗也会 随之增加。因此，电池使用寿命和散热问题将是一个非常突出的问题，更高效 的电源管理技术已成为解决上述问题的关键。 1 1 1 本论文研究的目的 从便携式产品电源管理的发展趋势看，需要考虑这样几个问题：首先电源 设计必须要从成本、性能和产品上市时间等总体因素综合考虑；其次便携产品 曰趋小巧轻薄，必须考虑电源系统体积小，重量轻的问题；选用的电源管理芯 片应力求高集成度，高可靠性，低噪声，抗干扰，低功耗，突破散热瓶颈，延 长电池寿命；最后，电源芯片必须不断创新，将新的电源芯片应用于新的设计 方案，是保证新产品先进性的基本条件，也是便携产品电源管理的永恒追求。 电源管理解决方案将不断追求速度、精度、效率上升，而功耗、尺寸与外围元 件下降【2 1 。 在便携式电源管理中，为了提高电源转换效率，节省宝贵的能源，人们探 索出三条途径：一、采用低压差稳压器，二、采用开关式集成稳压器，三、采 用电荷泵电源。具体包括低压差线性变换器( l d o ) 、基于电感器储能的d c d c 转换器( 降压电路b u c k 、升压电路b o o s t 、降压一升压变换器b u c k b o o s t ) 、基于 电容器储能的电荷泵。它们都有各自的特点及适用范围1 3 - 5 j 。 开关稳压电源即d c d c 变换器。工作在开关状态的晶体管( 一般是 m o s f e t ) 完成负载功率调节，故称为开关电源。m o s 功率管具有快速开启、 关断的特点，满足高速开关动作的需求。开关变换器使用输出级，重复切换开 和关的状态，与能量存贮部件电容器和感应器一起调节输出电压。通过输出电 压的反馈与占空信号完成输出的调整与稳定。由于开关管工作于饱和导通及截 止两种状态，所以开关管管耗小并且与输入电压大小无关，效率较高，一般可 达8 0 - - 9 5 。 电荷泵变换器是通过电容对电荷的积累，产生高压驱动负载。目前电荷泵 变换器广泛应用于手机、个人数字助理( p d a ) 和数码相机等系统中的微型彩色 薄膜晶体管( t f t ) 液晶显示器( l c d ) 的背光驱动上。与采用电感的升压式转换等 解决方案相比较，电荷泵驱动电路具有成本低，体积小，噪声较低的特性。为 达到最大功率效率，电荷泵将根据电池的供电电压选择1 倍、1 5 倍和2 倍等 不同的工作模式。新推出的c p 电路已经大幅度改善电荷泵驱动电路的效率， 目前最高效率可超过9 3 ，平均效率为8 0 附近。 对于输出电压纹波、噪声要求特别小的场合，并且输入与输出电压差不大 时，低功耗、低压差( l d o ，l o wd r o p o u t ) 线性电压变换器是一种最合适的选择 【6 ，7 1 。例如，通讯电子设备、计算机接1 2 1 与外围设备( a d 与d a 转换器、取样- 保持电路) 以及一些精密的电子测量仪器等，都要求有较低的输出纹波和噪声的 高精度直流电源。这些要求是开关集成稳压电源难以胜任的，必须采用线性集 成稳压电源。 l d 0 线性变换器比传统的线性变换器有更高的最大电源转换效率，比开关 式变换器有更简单的结构，更低的成本，更低的噪声和更小的纹波特性。正是 由于l d 0 ( 低压差线性稳压器) 这些特点，使其在各种便携式电子产品和以电池 作为动力的电子系统中获得了广泛的应用。追求更高性能更低成本的线性稳压 电源仍然具有实际的需求，因此高性能线性稳压电源的研究具有重要的学术意 义和潜在的实用价值。 1 1 2 国内外研究现状 从市场的分布来看，目前中国电源管理芯片市场的品牌构成仍是国外厂商 处于领先地位【8 】，市场排名前十的企业无一例外全部为外资企业，其中一些欧 美国家厂商优势较为明显。 美国研诺逻辑科技有限公司( a a t i ) 利用c m o s 技术生产性能优秀的 l d o i 9 1 ，如适用于手机、手持通信产品的低噪音m i c r o p o w e r t ml d o a a t 3 2 15 15 0 m a 、a a t 3 2 3 6 3 0 0 m a ；具有高性能快速功率开关功能的 a a t 3 2 18 15 0 m a 、a a t 3 2 3 8 3 0 0 m a ：适用于p d a 、e b o o k 、d s c 、手持电子产 品的极低静态电流n a n o p o w e rt ml d oa a t 3 2 2 0 2 1 2 2 1 5 0 m a ：适用于a c d c 固定电源的o m n i p o w e r t ml d oa a t 3 2 1 9 3 2 0 0 3 2 0 1 15 0 m a 等。 德州仪器( t i ) 的t p s 7 4 系列l d o 都拥有非常稳定的性能，并能实现出色的 瞬态响应，还能提供范围介于o 8 v 至3 3 v 之间的可调电压输出。德州仪器( t i ) 公司最新推出的15 0 m a 低压降线性稳压器( l d o ) t p s 7 8 0 x x 集成了动态电压缩 放( d v s ) 功能，并实现了仅为5 0 0 纳安的业界最低静态电流【l 。 美国微芯科技( m i c r o c h i pt e c h n o l o g y ) 推出了输出电流最大为1 5 a 的 2 m c p l 7 2 7 l d o 变换器。输入电压为2 3 6 0 v ，输出电压范围为0 8 5 0 v 。主 要面向电压低于1 8 v 、需要大电流输出的应用。 在国内，线性稳压器的设计及产品应用方面距国际先进水平都存在较大的 差距，然而l d o 的研究在国内已经引起高度重视并具有良好的研究发展条件 【l i ，1 2 】 o 第一方面，中国半导体产业环境良好。近几年来，笔记本电脑、数码电子 产品和其它i t 产品的生产基地都大规模向中国大陆转移，中国现在已经成为世 界i t 产品的重要生产基地，这将为未来中国电源管理芯片提供更加广阔的市场 空间。 第二方面，各个应用领域的下游制造市场将拉动未来中国电源管理芯片市 场的快速发展，中国电源管理芯片市场将在下游整机市场需求的带动下保持平 稳快速的发展。 第三方面，未来电源管理芯片将会应用到多个新兴领域，这将为未来中国 电源管理芯片市场带来新的驱动力。未来几年，中国3 g 牌照的下发以及3 g 应 用的推广必将会为成为中国网络通信类电源管理芯片市场新的增长点，从而带 动中国电源管理芯片市场的发展。 从产品的发展来看，电源管理芯片产品的发展趋势表现为多样化，包括同 时提供多个不同的供电电压、数字电源管理、产品设计周期缩短、产品面积缩 小以及低成本等，然而最大的也是最值得关注的趋势是集成化。集成化最为明 显的例子就是电源管理芯片( p m u ) 产品，一个p m u 可能集成了多个l d o 和 d c d c 等产品，能够实现多种电源管理管理。还有很多芯片产品内部集成了电 源管理功能，这样系统厂商就可以不必在外围搭配相应的电源管理芯片。然而， 集成化并不能解决全部问题，一个p m u 往往只能针对某类应用，甚至某个产 品，从某个角度来说有些类似a s s p ( 专用标准产品) ，其扩展应用性不如分离 解决方案，而且分离解决方案可以根据需求选择最适合的电源管理芯片，可以 达到最高的能效，由于分离和集成各有优势，因此，集成化和分离的解决方案 将会一直长期存在。 目前，线性稳压器在对低压降、低噪音、低功耗、高纹波抑制等性能方面 要求越来越严格，这势必增加电路设计的难度和复杂度，对工艺的要求也更加 苛刻，因此在性能、成本等方面的综合考虑上还存在着一定的问题，发展潜力 依旧存在。 1 2 低压差线性稳压器的工作原理及应用 1 2 1l d 0 的工作原理和结构 l d o 线性稳压器的工作原理主要是通过取样电阻对输出电压进行取样反 馈，然后取样信号跟基准电压通过误差放大器进行误差放大输出，误差放大器 的输出调节m o s f e t ( 作为电流主通道具有极低在线导通电阻r d s ( o n ) ) 的栅极 电压，从而达到改变功率调整管的导通电阻来调节输出电压的目的，由于整个 系统环路为负反馈，所以输出电压最终保持稳定。 图1 - 1 线性稳压器的工作原理 如图1 1 所示，一个完整的l d o 系统主要由基准电压源、误差放大器、调 整管、以及输出采样反馈电路等功能模块组成【l 引。 误差放大器的主要功能是将输出的反馈电压与基准电压进行比较放大，输 出到调整管的栅极，控制调整管的工作状态，使输出电压保持稳定。 基准源的主要功能是提供参考电压。在电路中，此输出电压的采样值和参 考电压作比较，并将其差值误差放大，通过负反馈来调整输出电压。 反馈取样电阻的作用是对输出电压取样并反馈到误差放大器的输入端，对 输出电压进行调整而保持输出电压的稳定性。 调整管在线性稳压器中有时又称为功率管，设计时主要考虑导通损耗及面 积。从导通损耗方面考虑，导通电阻和器件的跨导和有效栅压成反比。理论上 可以通过增加功率晶体管的宽长比把导通电阻降导任意小的值，把导通损耗降 到很小。但在实际应用中，要考虑芯片大小、成本以及金属连线电阻焊接电阻 等。 1 2 2l d 0 的主要参数 1 ) 压降 压降又称输入输出电压差，是低压差线性稳压器重要的参数，被定义为输 入电压与输出电压之间的差，当输入电压下降到一定程度时输出电压将不再维 持在一个恒定的电压，该点发生在输入电压不断接近输出电压时，一般在输出 电压降低到9 8 时测量压降。 2 ) 静态电流 静态电流( i s s ) 通常也被叫做流向地的电流，指稳压器的输出电流为零时， 电源电压提供给稳压器的工作电流。通常理想的低压差稳压器的静态电流都很 小。 3 ) 待机电流 4 待机电流是指带有使能信号的l d o ，当该信号关闭的时候l d o 消耗的电 流。 4 ) 效率 l d o 的效率与输入输出电压，静态电流有关，计算公式如下 效轩素格圳 m d 为了尽可能提高电路的效率，必须使静态电流i s s 尽可能小。另外输入和 输出电压之间的压差也应该尽可能小，因为l d o 的消耗= ( v i - v o ) 宰i o + v i 母i s s 。 一般情况下，静态电流i s s 要远远小于输出电流i o ，因此输入输出的电压差是 决定效率的一个至关重要的参数。 5 ) 线性调整率 线性调整率l i n er e g u l a t i o n 是一个反映输入电压变化的时候对输出电压的 影响的一个量。 6 ) 负载调整率 负载调整率是衡量l d o 在负载电流变动的情况下，输出电压保持恒定的 种能力。 7 ) 纹波抑制比p s r r 电源抑制比也被叫做纹波抑制比。是衡量l d o 对输入电压电源变动抑制 的一种能力，与线性调整率不同的一点是，纹波抑制比需要考虑很宽的频率范 围。 8 ) 输出噪音电压 输出噪音电压是指在一定的频率范围( 通常是1 0 h z 到1 0 0 k h z ) 内噪声电 压r m s 值。 9 ) 精度 考虑到l d o 线性调整率，负载调整率，参考电压漂移，误差放大器电压 漂移，外部取样电阻的精度，温度系数等综合参数的总体影响，产生了精度这 个概念，表达式如下： a c c u r a c y 型：! 全型巫互巫玉翌o ( 1 - 2 ) 对l d o 输出电压变化影响最大的是温度。因为参考电压和误差放大器对 温度的变化比较敏感。其次是电阻的精度。线性调整率，负载调整率，增益误 差对精度的影响只有1 - 3 。 以上参数是在比较l d o 的性能和选择l d o 时的主要标准1 4 ，1 5 1 。 1 2 3l d o 的分类及应用 l d 0 按其静态耗流来分，分为o m n i p o w e r t m 、m i c r o p o w e r t m 、 n a n o p o w e r t m 三种产品【1 6 】。o m n i p o w e r t ml d o 的静态电流在1 0 0 p , a 1 m a ， m i c r o p o w e r t ml d o 的静态电流在1 0 i t a 1 0 0 1 t a ，n a n o p o w e r t ml d o 的静态电 流小于1 0 i x a ，通常只有1 “a 。 o m n i p o w e r t ml d o 是一种静态电流稍大但性能优于三端稳压器的新型 线性稳压器，适用于使用a c d c 固定电源的所有电子、电器产品。因其需求量 大，生产量大，而生产成本极低，价格十分便宜。m i c r o p o w e r t ml d o 是一种 微功耗的低压差线性稳压器，它具有极低的自有噪音和较高的电源纹波抑制 ( p s r r ) ，具有快捷的使能控制功能，给它一个高或低的电平可使它进入工作状 态或睡眠状态，具有最好的性能功率比，适用于在需要低噪音的手机电源中使 用。n a n o p o w e r t ml d o 是一种毫微功耗的低压差线性稳压器，具有极低的静 态电流，稳压十分精确，最适用于需要节电的手提电子、电器产品。 1 3 课题来源 本课题来自香港创辉电脑有限公司的g s m 手机芯片开发项目，该手机要 求基本的支持语音功能外，还要长时间用手机获得互联网服务，以及如m p 3 或p d a 等娱乐和商务功能，还包括视频功能。 本公司的电源管理项目组负责电源管理芯片( p m u ) 的研发，主要为本公司 的手机芯片各个模块提供高效稳定的电源。电源管理芯片的输入电压范围是 3 v 5 v ，工作的温度范围是2 5o c 8 5 0 c ，有八个l d o 供电通道和四个开关电源 d c d c 供电通道，预计整个芯片加上冗余和测试电路不超过5 5 。 1 - 4 本论文研究的主要内容 由于整个芯片的要求，线性稳压器的设计要求电源抑制比高，功耗低， 面积小。本次电路的分析设计以八个低压差线性稳压器的其中之一，用作 数字i 0 的电源电压的l d 0 一v i o 为例说明。主要在分析l d o 线性稳压器稳 定性的基础上，利用t s m c0 6 u m 工艺库和c a d e n c e 的e d a 工具来完成低压差、 低功耗线性变换器l d o 的研究与设计，使系统性能指标满足实际应用的需要， 主要内容以下包括： 第一章：简要介绍便携式电源电源管理的研究背景、意义和国内外研究现 状，在此基础上分析了l d o 线性稳压器的工作原理、基本结构、主要参数和应 用。 第二章：详细的分析基准电路，并对本次设计的基准源进行了分析和仿真， 同时分析了高电源抑制比这一重要特性。 第三章：分析设计了l d o 系统的主控模块和辅助模块，并重点对l d o 系 6 统的稳定性进行了详细的分析，解决了系统的稳定性。 第四、五章：对l d o 系统的整体电路的各项特性进行仿真验证、版图设 计验证。 第六章：总结与展望。 7 第二章基准源的设计及仿真 基准源的功能是提供一个输出不受温度、电源电压变化及工艺变化影响的 基准电流和基准电压【1 7 _ 19 1 ，因此，基准源在l d o 线性稳压器设计中占有极其 重要的地位，它会直接影响l d o 线性稳压器的性能。设计中对基准源的总要求 是：对基准源的总要求是：一，基准电压基本不随电源电压的变化而变化，即 要求高的电源电压抑制比。二，由于电路对温度的要求很高，基准源的温度特 性在设计中是一个很重要的指标。 在集成电路中，基准源根据其内部工作原理的不同大致可分为三种类型， 隐埋齐纳二极管式基准源、x f e t ( e x t r ai m p l a n a t i o nj u n c t i o nf i e l de f f e c tt r a n s i s t o r ) 式 基准源以及带隙式基准源 2 0 1 。三者相比，只有带隙式基准源能够与标准的 c m o s 工艺完全兼容，而且可以工作在低电源电压下，性能可以满足大部分电 路系统的要求。c o m s 带隙基准源在较低的频率时由于输出电压和输入电压无 关，所以输入电压的变化基本上不会对输出参考电压产生影响。但是随着工作 频率提高到一定范围，电容耦合导致输出电压在高频时会受到输入电压波动的 影响，从而影响输出电压的稳定性，因此，在具体的电路设计中，还需要考虑 电路的电源抑制特性，基准电压源的高电源抑制比( p s r r ) 的分析设计也十分 关键。 本文采用c m o s 带隙式基准源，设计了一种高电源抑制比的带隙基准电 路。 2 1 基准电流源 偏置电流源的设计是基于一个已经存在的标准电流参考源的镜像，然后输 出给系统的其他电路模块。一般情况下，把这个标准电流参考源称为基准电流 源。因此，基准电流源的精度以及稳定性直接影响到整个电路系统的精度和稳 定。 2 1 1 基准电流源的原理 传统的自偏置电流源产生电路如图2 1 所示【2 1 1 。为了简化分析，设n m o s 电流镜m 1 、m 2 和p m o s 电流镜m 3 、m 4 分别为宽长比相同的m o s 管所组成 的电流镜。 8 图2 - 1 基准电流产生电路 根据p m o s 电流镜定义得到支路电流1 1 = 1 2 的条件，则 ，z 尺= 一z = ( 等+ t ) 一( 鲁+ z ) ( 2 - 1 ) 鸹c 以孚 ( 2 - 2 ) 由于m 1 和m 2 的宽长比w l 相同则局= 反，忽略衬底偏置效应则 v t h l = v t h 2 ，根据图2 1 所示的结构可以得到的偏置电流i 为 ，：l ：厶塑垒二型垒：型 ( 2 3 ) 12 r ：2 展及 m 1 的栅极电压为 肾鬻等 协4 ) 因此可以看出，其栅电压信号不随电源电压变化，通过图2 1 所示的结构 可以获得一个基本不随电源电压变化的稳定偏置电流，其温度系数可以通过调 节m o s 管m 1 、m 2 的参数和电阻r 2 的值得到改善。 该结构电路所产生电流i 的温度系数与电阻r 2 的温度系数相关，因此该结 构不能作为基准电流源使用，必须通过改进结构或补偿才能得到基本不受温度 影响的基准电流源。 2 1 2 基准电流源的设计及仿真 本文设计的基准电流源电路如图2 - 2 所示，基准电流源电路模块由四部分 电路组成。左边为使能数字控制电路和电流源启动电路，右边为p t a t 电流源产 生电路和偏置电流接出电路。电路中没有使用运算放大器，从而避免了放大器 失调电压、电源电压抑制比、单电源电压等对电路精度的限制，大大提高了电 路的性能。 9 图2 2 基准电流源的电路结构 设m 1 m 2 和m 3 m 4 分别为宽长比相同的m o s 管，构成一个自偏置电流 源等效电路。p n p 管q 1 和p n p 管q 2 为n 阱c m o s 工艺中的衬底寄生三极管， 其中q 2 管的发射区面积为q 1 管的n 倍。 根据p m o s 电流镜定义支路电流i l = 1 2 的条件，m 1 、m 2 组成的电流镜与 m 3 、m 4 组成的电流镜叠加，使得i l 与1 2 相同，n m o s 电流镜限制其源端电压 v x 、v y 达到电位相等的状态，即v b e i = 1 2 r 2 + v b e 2 ，则1 2 偏置电流为： l ：一v b e l 一v b e 2 ：v r l n n ( 2 5 ) 如是 其中v t 为热电压，在不考虑限流电阻r 2 温度系数的前提下，偏置电流输 出是一个与绝对温度成正比的p t a t 电流。 电阻的温度系数以及v x 和v y 两点的电压失配都将影响输出电流的温度系 数，使输出电流偏离原有的p t a t 特性【2 2 1 。在保留v b e 对电流的正温度系数贡 献外，因此，同时还应利用电阻r 和三极管的发射极基极v g s 所产生的电流负 温度系数的作用对p t a t 电流进行温度补偿。坞上的压降为q 发射极一基极电压 v b e 3 ，其绝对值与温度成反比，即可以实现一个c t a t ( 与温度成反比) 电流， 通过与p t a t 的电流叠加，实现零温度系数偏置电流输出。 产生的偏置电流表达式为： 枷尸t a t + c t a 丁= 半+ 等 ( 2 - 6 ) 偏置电流为： 婶| l 1 9t 1 m 92 万丽。m s ( 2 - 7 小m s 器k ， ( 2 - 8 ) 。2 两瓦。m 5 u 嗡j 基于v b e 和r 控制的零温度偏置系数电流设计，具有十分简单的电路结构 1 0 及调节灵活性。其中，在电路结构基本保持不变的条件下，无论采用何种类型 的电阻，即无论电阻的温度系数如何，均可通过器件r o 、r 电阻调节的温度特 性，最终获得某一偏置水平下的零温度系数电流输出。考虑到c m o s 工艺中 p o l y 电阻具有工艺重复精度高以及较好的电压系数，因此电阻r 选用p o l y 1 k 的高阻。其一般设计过程是首先估算出需要的电流值所对应的n 值和电阻 值，然后在估算出的电阻和n 值的基础进行精确调节n 及r 和q 3 ，调节各参 数最终使满足最小温度系数。 在t s m c0 6 mc m o s 工艺下，利用s p e c t r a 仿真工具对图2 2 所示电路 的功能进行了仿真，t t 工艺角下的不同偏置电流的仿真结果如图2 3 和图2 4 所示： d c r q s o o n w o 1 1 6 0 u 1 ，1 5 0 u 一1 1 榭u ：，1 3 a u 1 1 2 0 u 1 1 1 a u 图2 。3 偏置电流随电源电压的变化图 图2 3 所示的是在工作温度为2 7 0 c 时的基准电流随电源电压变化的仿真 图。从图中可以看出在电源电压从2 5 v 变化到5 5 v 时，基准电流变化很小， 偏置电流为3 4 u a 时，变化系数大约为0 0 4 u v ，偏置电流为1 1 u a 时，变化系 数为0 0 1 u v 。 d cr e 6 0 0 n s e j 2 a u 1 车o u 1 1 1 a u 一 a 8 0 u t er n p ( c ) 图2 - 4 基准电流源的温度特性 图2 - 4 所示的在工作电压为3 5 v 时，温度从2 5 0 c 变化到8 5 0 c 时基准电 压的仿真情况。从图2 4 中可以了解到，在偏置电流为3 4 u a 时，温漂为1 8 0 p p m o c ，当偏置电流为l u a 时，温漂为6 0 p p m o c 。 2 2 基准电压源 因此，基准源的输出参考电压直接影响着l d 0 线性稳压器输出电压的精度 和大小，一个稳定的、与温度和电源电压无关的基准源是设计的关键。本文利 用c m o s 工艺，设计了一种高p s r r 、与温度和电源电压无关的带隙基准电压 源。 2 2 1 基准电压源的基本原理 电压基准源的基本原理是根据硅材料的带隙电压和温度无关的特性。1 9 7 1 年， r o b e r tw id l a r 最早提出了一种带隙参考电压源技术【2 3 1 ，利用a v 。的正 温度系数与双极型晶体管v 。的负温度系数相互抵消，实现低温漂、高精度的基 准电压。其原理如图2 - 5 所示： 图2 - 5 带隙基准的基本原理 v r e f = 仅v b e + pv r ( 2 9 ) 以：竺 ( 2 1 0 ) 1 g 其中，v b e 为衬底p n p 集电极与基极短接的等效二极管的电压降，v t 为热 电压，k 为波尔兹曼常数、q 为电子电量、t 为绝对温度，在室温下： a 巧蝤a z - 1 5 m v 。c ( 2 - 11 ) a z t o r + o 0 8 6 m v 口c ( 2 1 2 ) 由上式可以看出，双极型晶体管基极一反射极电压v 。的温度系数和热电压 v 的温度系数相反，利用这两个电压的线性叠加，可以使得输出电压v 唧的温 度系数达到理论值为0 。并且由于v 。受电源电压的影响很小，因此基准电压源 受电源电压的影响也很小。 1 2 2 2 2 基准电压源的设计及仿真 目前，为获得低温度系数的基准源，对传统带隙的基准电路进行很多的改 进，改进后典型的带隙基准电路如图2 - 6 所示，其输出电压为： p r t v o 叮= + 巩= + 詈= m ( 2 13 ) 图2 6 典型的带隙基准电路 此类带隙基准电路虽然可以在一定程度上降低温度系数。但是m p l 与m p 2 两管漏端电压的失配导致两支路电流与电源电压相关，即此类输出基准的线性 调节和p s r r 性能不高，如果电源电压有波动或者附带噪声，将对输出电压产 生很严重的影响，严重限制了此类基准在线性稳压器l d o 中的应用。即使是用 c a s c o d e 电流镜代替简单电流镜，这种失配仍然存在，因此虽然c a s c o d e 电流 偏置结构能提高电源偏置的输出电阻，减小输出基准随电源的变化，对p s r r 特性的改善也有一定的效果，但c a s c o d e 电流偏置对抑制电源噪声并不是十分 理想。 本次设计利用如图2 - 5 所示的带隙基准的基本原理，根据硅材料的带隙电 压与电压和温度无关的特性，利用p n 结二极管产生的电压v 。的负温度系数， 和不同电流密度偏置下两个双极型晶体管基级与发射级之间的电压差产生的正 温度系数项抵消，从而获得低温度系数的带隙基准电压源。本