（微电子学与固体电子学专业论文）带有电荷泵的电源管理模块的设计.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 本论文设计的是 种电源管理模块 它主要应用于5 v 的低压供电电源 其 主体架构由2 倍的电荷泵 c h a r g ep u m p 电路与低压降线性稳压器l d o l o w d r o p o u tv o l t a g er e g u l a t o r 组成 当电池的供电能力不足的时候 即低于所需 的额定电压输出值时 电荷泵将电源的输入电压提升 其最大值为原电压的2 倍 这个输出电压经过分压电阻的分压后 反馈到误差放大器 a m p 的负极输 入端 将此电压与基准电压源 r e f 进行比较 得到了被放大的误差电压 这 个误差电压被用作是控制电荷泵导通电阻 进而得到了一个稳定的输出电压 此 设计的电路已功过了仿真分析 各项仿真结果均已达到了预期设计目标 这种设计有以下几个优点 电磁兼容性 e m c 好 纹波小 低压降稳压输出 低负载调整率 延长了电池使用寿命 电荷泵与l d o 综合的设计方案 可实现两种工作状态 当电池电压大于额定输出电压时 可使用l d o 单独的工作模式 这样做的 好处是利用l d o 的低压降特性大大加强了电源电压的转换效率 当电池电压小于额定输出电压时 通过电荷泵和l d o 的综合工作模式 达到电压的升压稳压输出 关键词 稳压器 电源管理 电荷泵 带有电荷泵的电源管理模块的设计 t h ed e s i g no fp o w e rm a n a g e m e n tm o d u l ew i t hc h a r g ep u m p a b s t r a c t al d n do fp o w e rm a n a g e m e n tm o d u l ei sd e s i g n e di nt h i sp a p e r w i t c hi sm a i n l y u s e di nl o w v o l t a g ep o w e rs u p p l yf o r5 v i t sm a i ns t r u c t u r ei st h ec h a r g ep u m pc i r c u i t a n dl d ov o l t a g er e g u l a t o rc i r c u i t w h e nt h eb a t t e r yc a p a c i t yi si n s u f f i c i e n ti n e l e c t r i c i t yw h i c hi sb e l o wt h er a t e dv o l t a g ea tt h eo u t p u t c h a r g ep u m pw i l lb e u p g r a d e d t h em a x i m u mo fw h i c hi s d o u b l et h eo d n a lv o l t a g e a f t e rp r e s s u r e r e s i s t a n c e t h eo u t p u tv o l t a g ei sf e e db a c kt ot h ee l l o ra m p l i f i e r a m p n e g a t i v ei n p u t a f t e rt h i sv o l t a g ew a sc o m p a r e dw i t hr e f w ec a ng e tt h em a g n i f i e de r r o rv o l t a g e t h ee r r o rw a su s e dt oc o n t r o lt h ec h a r g ep u m pv o l t a g ec o n d u c t i o nr e s i s t a n c e a l s o k n o w na sc o n t r o l l e dr i s t a n c c t h e nw eg e tas t a b l eo u t p u tv o l t a g e t h i sc i r c u i th a s b e e nd e s i g n e db yt h es i m u l a t i o na n a l y s i s d e s i g no fv a r i o u ss i m u l a t i o ni e s u l t sh a v e b e e na c h i e v e dt h ee x p e c t e dg o a l s t h i sd e s i g nh a ss e v e r a lm e r i t s e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y e m c i sg o o d 瞧 as m m lr i p p l e u ov o l t a g eo u t p u t l o wl o a dr e g u l a t i o n e x t e n d i n gb a t t e r yl i f e c h a r g ep u m pa n dl d oi n t e g r a t e dd e s i g nc a nb er e a l i z e di nt w ow o r k i n gc o n d i t i o n h v h e nt h eb a t t e r yv o r a g ei sg r e a t e rt h a nt h er a t e do u t p u tv o l t a g e l d oc a n u s ea s e p a r a t em o d e t h i s i s g o o du s eo fal o w v o l t a g eo fl d ov o l t a g ed i f f e r e n c e p r o p e r t i e sg r e a t l ye n h a n c et h ep o w e rc o n v e r s i o ne f f i c i e n c y 逼h h e nt h eb a r e r yv o l t a g ei sl e s st h a nt h er a t e do u t p u tv o l t a g e t h r o u g ht h ec h a r g e p u m pa n dl d oi n t e g r a t e dm o d e o u t p u tv o l t a g er e g u l a t o rr e a c h e d k e yw o r d s r e g u l a t o r p o w e rm a n a g e m e n t c h a r g ep u m p 独创性说明 作者郑重声明 本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果 尽我所知 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的研究成果 也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料 与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意 翻 z 迦 带有电荷泵的电源管理模块的设计 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解 大连理工大学硕士 博士 学位论文版权使用规定 同意大连理工大学保留并向国家有关部门 或机构送交学位论文的复印件和电子版 允许论文被查阅和借阅 本 人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索 也可采用影印 缩印或扫描等复制手段保存和汇编 学位论文 作者签名 堡越 导师签名 迅盈堡 丑年上月也日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 论文的研究意义 白色发光二极管 l e d 广泛用于需背光显示的电子产品中 如手机设备 彩色液晶显示器 l c d 或者照明按键等 l e d 的亮度至少需要3 v 的正向电压 并且l e d 的亮度一般与流经其的电流量成正比 现如今一般为l e d 供电的电池多 采用锂离子电池 这是因为它具有相当高的能量密度 但缺点是其输出电压可在 4 2 5 之闻变化 即电压不稳定 并且随着电池的使用时间增长 电池的能量 会慢慢耗尽 所以 需要某种形式的升压转换器和电压稳压器 当今 电荷泵和 开关电源是两种流行的d c d c 转换电路 主要应用于电源管理芯片中来获取一个 比供电电压高的或者与供电电压极性相反的直流电压 1 2 国内外研究现状 目前为止 已有多篇文献涉及到电荷泵电路和线性稳压电路的设计 按照 结构的不同 可以归纳为以下六种 见图1 1 文献 1 2 在电源输入和n m o s 调整管之间插入另外一个n m o s c a s c o d e 管 n m o s c a s c o d e 管的栅和误差放大器的电源分别使用一个电荷泵来提升电压 见图1 1 a 插入一个c a s c o d e 管可以更好地隔离电源波动 使输出电压不受 到电源变化的影响 c a s c o d e 管需要占据一定的电压 因此这种结构要求电源电 压比较高 由于n m o s 调整管起一个源跟随器作用 它具有很低的输出阻抗 因 此输出极点位于高频区域 不影响系统的稳定性 无需频率补偿 但是 也正是 由于采用n m o s 管作为调整管 n m o s 调整管的栅驱动电压必须比电路的输出电压 高一个n m o s 管的阈值电压 文献e 3 在电源输入和蹦o s 调整管之闻插入另外一个黼o s c a s c o d e 管 n m o s c a s c o d e 管的栅使用一个电荷泵来提升电压 见图1 1 b 由于插入 一个c a s c o d e 管 这个结构同样要求很高的电源电压 与文献 1 2 不同的是 调整管采用的是p m o s 管 由于p m o s 管是低压工作 不需要电荷泵提升电压来供 给误差放大器 其电路结构相对更简单一些 和文献 1 2 卜一样 提供给n m o s c a s c o d e 管的电压经过电荷泵之后均采用r c 滤波器进行滤波 然后才提供给 n m o s c a s c o d e 管 文献 4 7 的误差放大器电源使用一个电荷泵来提升电压 以提高n m o s 调 整管的过驱动 见图1 1 c 相对于p m o s 调整管 n m o s 调整管的压差更大 它不适合于低压降的应用 带有电荷泵的电源管理模块的设计 图1 1 电压调节器 f i g 1 1v o l t a g ea d j u s t m e n t 文献 8 的差动放大器作为振荡器 见图1 1 d 它首先对反馈电压和基 准电压进行比较 根据输出电压的大小决定是否产生时钟信号 当输出电压低于 预定值时 产生时钟信号 电荷泵开始工作 把输入电压提升到一定的值 以满 足n m o s 调整管栅驱动电压的要求 当输出电压高于预定值时 不产生时钟信号 电荷泵停止工作 n m o s 调整管关闭 由于存在着反馈 输出电压最终可以稳定 在某个范围 由于振荡器不断地起振和停止 输出电压纹波很大 2 大连理工大学硕士学位论文 文献 9 1 0 使用电荷泵把输入电压提升 然后为整个系统提供电源 见图 1 1 e 由于电荷泵要进行升压作用 它必须产生一个更高的电压来驱动电荷 泵开关 减小开关的导通电阻 在这个结构中 这个高电压可以采用电荷泵的输 出 文献 11 1 2 使用两个电荷泵来提升输入电压 主电荷泵直接供给p m o s 调 整管 辅助电荷泵供给系统的其它部分 见图1 1 f 辅助电荷泵是一个三倍 压电荷泵 它的时钟摆幅直接由电源提供 它的输出电压用来提升两倍压电荷泵 开关管的信号幅值 由于驱动电压至少比两倍压电荷泵的输出高一个电源电压 因此在相同尺寸条件下 电荷泵开关管的导通电阻显著降低 因此 两电荷泵结 构更适用于低输入电压的场合 而且 电荷泵的输出电压经过了线性稳压电路的 调整 输出电压纹波更小 1 3 仿真工具的介绍 模拟电路由于其在性能上的复杂性和电路结构上的多样性 对仿真工具的精 度 可靠性 收敛性以及速度等都有相当高的要求 国际上公认的模拟电路通用 仿真工具是美国加利福尼亚大学伯克利 b e r k e l e y 分校开发的通用电路模拟程 序s p i c e s i m u l a t i o np r o g r a mw i t hi n t e g r a t e dc i r c u i te m p h a s i s 目前享 有盛誉的e d a 公司的模拟电路仿真工具 都是以s p i c e 为基础实现的 其中以美国 原m e t as o f t w a r e 公司的h s p i c e 和m i c r os i m 公司的p s p i c e 最为流行 h s p i c e 是m e t a 软件公司推出的工业级电路分析产品 它能提供电路在稳态 瞬态及频域状态下所进行的模拟仿真 包括直流工作点和直流传输特性分析 交 流小信号分析 噪声分析 瞬态分析 傅立叶分析 灵敏度分析 温度分析 最 坏情况分析以及蒙特卡罗分析等等 采用h s p i c e 可从直流到大于i o o g h z 的微波 范围内对电路作精确的模拟 分析和优化 3 带有电荷泵的电源管理模块的设计 2 电路各模块的电路图与特性仿真 2 1 倍乘电荷泵电路的基本原理 本文所设计的电荷泵的主体架构中 电荷泵部分由图2 1 所示 它采用的是 p m o s m 1 与m 2 的栅极电压是周期为2 a t 的脉冲信号 用a 表示 m 3 与m 4 的栅 极电压是与a 信号非重叠的脉冲信号 用b 表示 这里假定施加在m 与m 2 m 3 与m 上的电压大小分别相同且忽略了衬底漏电流的影响 图2 1 倍乘电荷泵原理图 f i g 2 12 x c h a m ep u m pp r i n c i p i u mf i g u r e 时钟信号a 周期内 充电周期 m 1 1 0 2 导通 m 3 m 4 截至 g 被v 充电 m 1 与m 2 上的导通电阻使c f 上的被充电的平均电压小于v 即 一 一j r f 2 1 1 时钟信号b 周期内 放电周期 m 3 m 4 导通 m l m 2 截至 c 被v i h 和g 串接充电 所以 c 上的平均电压v 为 v o 叮皇y k 品一 矗 r i l f 3 r 村4 2 1 2 由于m o s 管的导通电阻的存在 它们与c 形成了r c 延迟网络 一般经验 上认为延迟网络的时间足够大的条件是 g 1 2 1 0 a t 2 1 3 c 3 1 0 a t 2 1 4 如果满足上诉条件 那么可以认为 4 掣卧 大连理工大学硕士学位论文 j i 小 l i a h l 口i 2 1 5 又由于时钟信号a 与时钟信号b 有着相同的占空比5 0 所以负载消耗的能 量与电荷泵平均传递的能量相等 即 i a q 口 e h a s e a 一 q c f p h a s e b 2 1 6 不难看出 此电荷泵的工作原理主要是在p h a s e b 内传递给c 能量 在 p h a s e a 内由c 向外传送电流 电荷泵在闭环系统下 v 是稳定的 电荷泵传 递的平均能量必须等于负载能量的损耗 所以 i p a t i q 哟 i p 2 i 2 一2 善 2 1 7 2 1 8 其中 为被控制量 可看作常量 p k 咖为变量 被认为是干扰项 为调整量 即调节v o 的量 由于岛 被周期性的充放电 输出端的电压必然要产生纹波 在时钟信号b 周期内的电流传递为 f 乞 a t j 厶 昔乇 i l o w 2 1 9 k 一 屯 2 1 1 0 联合2 1 9 与2 1 1 0 可得 输出电压的纹波v 可以用如下表达式表示 即 2 脚 与 2 1 1 1 o d 玎 其中e s r 为电容c 嘎j t 的等效串接电阻 e q u i v a l e n ts e r i e sr e s i s t a n c e 的 缩写 如果它的值远远小于善生 那么e s r 可以被忽略 如果采用陶瓷电容 v o 讲 则串接电阻在小于2 0 m q 的范围以内 那么输出可以写为 l g 生 2 1 1 2 0 0 0 2 静态消耗的总电流为电源v 提供的总电流 一般来说 由两部分组成 即 i q k k 2 1 1 3 是模块提供的电流 如带隙 放大器 k 是指供给电荷泵栅极的 带有电荷泵的电源管理模块的设计 电容的平均充电电流 此电容用 表示 则 小 氅 善4 2 2 低压降稳压 l d o 模块 2 1 1 4 2 2 1l d o 工作原理 l d o 简化模型如图2 2 1 所示 电压调整器件是一个p 0 s 管 相当于一个压 控电阻 e b c o n t r o l 端电压控制电阻r 大小 输出电压v 是由 与负载r 分压得 到的 若负载发生变化 控制端电压也随之变化控制 值 这样保证输出电压稳 定 电压调整器件必须工作在饱和区 因此电压调整管的尺寸通常将变得很大使 调整管处于饱和区以满足更小的输入输出压差 模型图中的r 实际是输出负载与 反馈电阻网络的并联r l r 一 r 一 r 2 e l e m e n t ut 图2 2 1l d o 简化模型 f i 9 2 2 il d op r e d i g e s t e dm o d e l l d o 低压降电源的工作原理如图2 2 2 输出电压经过采样反馈网络r 1 r 2 后和误差放大器的同向端连接 并与带隙基准电压源输出的参考电压比较 控制 电压调整管 保持输出电压稳定 假设输出电压变大 经反馈电阻r r z 分压后 误差放大器的同向端v 电压升高 使误差放大器的输出电压升高 功率通路器 件栅源电压 减小 导致r 变大 迫使输出电压降低 这样整个回路构成一个深 度负反馈的系统 认为误差放大器输入端电压相等的情况下 可以得到输出电压 6 大连理工大学硕士学位论文 为 0 争 2 2 1 图2 2 2l d 0 原理图 f i g 2 2 2 l d o p r i n c i p i u mf i g u r e 要得到上述结论 误差放大器的增益要达到6 0 d b 以上 这样才可以忽略放大 器输入端的差模电压 本设计的误差放大器增益达到t 8 0 d b 充分的保证了输出 电压的精度 2 2 2l d o 电路图和仿真结果 1 l d 0 线性调整率 l i n er e g u l a t i o n 反映的是输入电压变化时 l d 0 对输出电 压的稳定能力 定义为 线性调整率 a v o 彬 2 2 2 如图2 2 2 输出端负载r 与反馈网络r r 2 并联 用r 幻表示 吃l 置 疋 2 2 3 以 表示输入端v d d 到输出端v 删 的等效电阻 则在输入电压发生变化后 l d o 的输出可表示为 7 带有电荷泵的电源管理模块的设计 去 一去巧州以 乓 一g吖4叩 一一 rr d j e 口 u 朋 u 7 k 一矗 掣巧 墨 恐 缸如 圪 垒 生 墨 是 g 如蛾 2 2 4 2 2 5 2 2 6 图2 2 3l d o 仿真电路的设计 f i g 2 2 3 t h ed e s i g no fe m u l a f i o n a lc i r c u i tf o ri d o 通常我们认为r r 2 g r r 明 r r 2 因此忽略r r 项 v o 一 巧 警 对2 2 7 两边v 求偏导 一a v o 墨 垦 o v r r qg m m k s l 2 2 7 2 2 8 大连理工大学硕士学位论文 t i t t 3 7 卜 7 l j t f l 1 i 一 3 6 d o l 似 佩埘 图2 2 4l d 0 的线性调整率 f i g 2 2 4 t h el i n e a rm g i l i l a t c dr a t i oo fl d o 线性调整率 a v o 墨 垒 坼吃 rg 如墨 2 2 9 从图2 2 4 不难看出 当输入电压从3 5 v 变化到5 v 的时候 输出电压从 3 5 v 开始变化 当达到4 v 的时候基本保持不变 所以 可以达到稳压的要求且 负载调整率较高 负载调整率用来描述在负载发生变化时l d o 对输出电压稳定的保持能力 如 果误差放大器增益 功率调整管的跨导为g m 当误差放大器同向输入端变化 a v 越o a v 月 g h 岍彘a v o 负载调整率 a v o 三一f 墨二堡1 蜴如鼬i 蜀j 2 2 1 0 2 2 1 1 2 2 1 2 图2 2 5 显示了当输出负载电阻r l 从l k o h m 变化到5 k o h m 的输出电压变化曲 线 图中的5 条线 从下到上分别代表了l k o h m 到5 k o h m 的负载曲线 上面的代 表输出电流的变化 下面的代表输出电压变化 可以看出负载电压随负载电流的 变化非常小 即电流变化了4 0 m a 3 m h 3 7 m h 输出电压变化了 9 带有电荷泵的电源管理模块的设计 4 0 0 0 2 4 5 v 4 0 0 0 2 1 3 v 3 2 1 0 所以可得负载调整率为0 0 8 6 j e 乎 i 曲瑚m 蝌m 呐伽o 蛳 4 h 7 翟1 翟 l 吕盆 f l 科 1 却岫l ih 雌 q 帆 图2 2 5l d 0 负载调整率曲线图 f i g 2 2 5 t h el o a dr e g u l a t e dr a t i og r a p ho fl d o 2 3 带隙基准电压 r e f 模块设计与仿真 2 3 1 带隙基准电压源 基准电压源广泛应用于电源调节器 a d 和d a 转换器 数据采集系统 以 及各种测量设备 其精度和稳定性直接影响整个电路系统的精度和稳定性 基准 源有很多种 其中 带隙基准源凭借其低温度系数 高电源抑制比 低基准电压 以及长期稳定等优点 得至n 了广泛的应用 近年来 模拟集成电路设计技术随着工 艺技术一起得到了飞速的发展 电路系统结构进一步复杂化 片上系统集成 s y s t e mo nc h i p 技术已受到学术界及工业界的广泛关注 这对模拟电路基本模 块的电压 功耗 精度和速度等 提出了更高的要求 传统的带隙基准源电路结 构渐渐难以适应设计需求 当前 国内外一些学者相继着手对传统带隙基准源进 行改进 他们多数基于传统的带隙基准结构 重点改善运算放大器性能 或者对基 准绝对数值进行补偿 本文在分析传统带隙基准结构基础上 设计了 种结构比 较新颖的基准电压源电路 该电路工作在电流模式 带有启动电路和电流补偿电 路 直接对基准输出做温度补偿和电流漂移补偿 静态电流约为1 0pa 温度变化 不超过3 0p p m c 1 0 囊h准抽蛳抽h 雌蝌嗡 瞄噼 瞄 强江k 一一p舾k 一一 大连理工大学硕士学位论文 2 3 2 帝隙基准的原理 带隙基准的工作原理是根据硅材料的带隙电压与电源电压和温度无关的特 性 利用 p 矗的正温度系数与双极型晶体管 s 的负温度系数相互抵消 实现 低温漂 高精度的基准电压 双极型晶体管发射极偏压为p 矗 两个晶体管之间 的 差为k 通过电阻网络将 放大口倍 最后将两个电压相加 即 p r 肼 y 矗 口巧 适当选择放大倍数口 使两个电压的温度漂移相互抵消 从而 可以得到在某一温度下为零温度系数的电压基准 原理推导如下 二极管上的电流和电压的关系如下 2 e7 打一1 2 3 1 当 k t q 1 对 i i s e 9 归 碍呻 2 3 2 舷 k t 其中 目为热电压 七是b o l t z l a n n 常数 g 电荷量 b r o k a w 带隙结构的介绍 图2 3 1b r o k a w 带隙的基本结构 f i g 2 3 1 t h eb a s i cs t r u c t u r eo fb r o k a wr e f 1 1 带有电荷泵的电源管理模块的设计 图2 3 1 为b r o k a w 带隙的基本结构 r 3 与r 4 为两个等值电阻 又a m p 的 两个输入端电压被看作虚短 所以电压值相等 所以流过q 1 与q 2 的集电极电流 相等 可以得到以下推导 l 一 2 穹巧l n 每一巧l n 等 l 足 2 3 3 穹巧1 n 等一 c 如 2 3 4 其中 表示晶体管的反向饱和电流 具有正温度系数特性 即随着温度得升 高而增大 k 为热力学电压 一般取值为2 6 m y 具有正温度系数特性 室温下 巫 0 0 8 7 m v k 令0 2 管的面积是0 1 管的n 倍 则可得到誓一阼 所以可得到 v r i l n n 一 c 一 c c 又陈 一2 l 墨 可得到以下推导 卯一圪1 0 1 兮 一半 讪 弹 2 3 5 由于r 和 具有正温度系数特性 而p 阳 整体显示为负温度特性 在室温下 旦 釜 一2 o m v k 所以 适当调节阻值的大小以及三极管的射级面积 便可以 得到恒定的 2 3 3 电路图及工作原理 图2 3 3 和图2 3 2 分别为本设计中r e f 带隙基准电压源 部分的电路图 和其中运算放大器的电路图 其中r 2 q l q 2 构成了带隙电压产生电路 一般情 况下 c m o s 工艺的运放的输入失调要比双极工艺的输入失调大 运放输入对管 采用双极工艺 减小了运放输入失调电压 提升了运放的增益 放大器处于深度 负反馈 使两个输入端处于虚短状态 保证了两端电压相等 此电路可由始能端控制电路的工作状态 降低了电路的功耗 当芯片正常工 作时 由外端引入p t a t 的镜像电流 经过电流镜的复制提供给带隙基准的核心 大连理工大学硕士学位论文 结构 稳定的电流使r e f 模块给其他模块提供稳定 高精度的基准电压 图2 3 2 运算放大器电路图 f i g 2 3 2o p e r a t i o na m p l i f i e rc i r c u i td i a g r a m 图2 3 3r e f 电路图 f i g 2 3 3 r e fc i r c u i td i a g r a m 2 3 4 仿真结果 设定基准源的工作条件为 温度范围一4 0 c 一1 0 0 电压范围为1 2 3 7 0 v i 2 5 4 5 v h s p i c e 的仿真结果如图2 3 4 所示 从仿真结果可以看出温度从 一4 0 c 到1 0 04 c 变化时 基准电压源最大变化为3 6 m y 因此 珞 古 堕 熹 塑堡 20 6 10 6 c 20 6ppm 一c 2 3 63 dt 2 51 4 0 k 口 1 7 带有电荷泵的电源管理模块的设计 3 d 笔 童 i i 味 t a p m r a t u r e 毗幻彻峰 图2 3 4 带隙基准源的温度特性 f i g 2 3 4 t h et e m p e r a t u r ep e c u l i a r i t yo fr e f 又因工作电压要求在2 7 v 5 5 v 之间 其带隙基准电压最大变化为1 7 5 m v 即 当p 谢从2 7 v 增大到5 5 v 时 p e f 从1 2 3 7 v 增大到1 2 5 4 v 因此可近似得出 j d 已 二 童 1 2 5 4 1 2 5 2 1 2 5 1 2 鹌 1 2 4 6 1 2 4 4 1 2 4 2 1 2 4 1 2 图2 3 5p s r r 特性曲线 f i g 2 3 5 t h ep c c u l i a r i t tc u i v co fp s r r 1 4 船 巧 驼 培 忽 巧 力 为 愚 一 焰 大连理工大学硕士学位论文 a v d d v d d 垫 圣z 1 7 5 x 1 0 4 l 2 3 7 7 3 3 3 7 d b 2 3 7 本文根据当前集成电路设计中对基准电源的低压 低功耗 高电源抑制比的 要求 利用不同电流密度下两晶体管基极一发射极电压差的正温度特性 通过镜像 电流源方式产生p t a t 电流 结合基极一发射极电压本身的负温度特性 设计了一 个带隙基准电压源 该电路结构比较新颖 巧妙地减小了运算放大器输入失调对 基准电压的影响 经试验 该电路静态功耗小 电源输入带宽较大 温度系数较低 适应现代集成电路的发展趋势 2 4 与绝对温度成正比 p t a t 模块的设计和仿真 2 4 1p t a t 模块的电路设计 各部分模块都需要偏置电流 因此产生与绝对温度成正比 f r r a t p r o p o r ti o n a lt oa b s o l u t et e m p e r a t u r e 与温度无 t e m p e r a t u r e i n d e p e n d e n t c u r r e n t 的基准电流源显得十分重要 图z 4 2 表示一个与绝对温度成正比例的 电流与绝对温度成反比例的电流之和 得到与温度无关的电流源的原理 正常工作时 p t a t 为其他电路提供偏置电流 m m 2 m 3 m 4 产生与电源无关 的 自举 电流提供温度系数较小电流i m 2 产生 自举 电流 o u t m 1m 3m 4 由电流镜分别将电流i o u t i i o u t 2 输出 d o i ll 叶u l 1 i l l f 上i l l 带有电荷泵的电源管理模块的设计 图2 4 1p t a t 电路原理图及模块符号图 f i g 2 4 1 t h ec i r c u i tp r i n c i p i u r nf i g u r em a ds y m b o lo ff i a t 图2 4 2 与温度无关的电流源 f i g 2 4 2 t h et e m p e r a t u r e i n d e p e n d e n tc u r r e n t 图2 4 3 本设计的p t a t 等效电路 f i g 2 4 3 t h ee q u i v a l e n tc i r c u i to fp t a ti nt h i sd e s i g n 奎堡墨三盔堂堡主堂堡垒奎 2 4 2 实际仿真线路图和仿真结果 图2 4 4p t a t 仿真线路图 f 唔2 4 4 t h ee m u l a t e dc i r c u i to fm t t i li 卜 一 i v b s i ij iii 一i i i i tj f 一 一 兰 v b 2 i 卜 十 ii 1 嘲 i i i 二 j 一卜 v 矗 l二 一卜 v 直 l 矗 7 图2 4 5p t a t 瞬态仿真结果 f i g 2 4 5 t h ei n s t a n t a n e o u sr e s u l to fp a t a 1 7 d i 带有电荷泵的电源管理模块的设计 r j 图2 4 6v b l 温度特性仿真结果 f i g 2 4 6 t h et e m p e r a t u r ep e c u l i a r i t ye m u l a t e dr e s u l to fb v l l 尹 7 7 一 y 一矗 r 图2 4 7v b 2 温度特性仿真结果 f i g 2 4 7 t h et e m p e r a t u r ep e c u l i a r i t ye m u l a t e dr e s u l to fb v 2 十 k 1 图2 4 8v b 3 温度特性仿真结果 f i g 2 4 8 t h et e m p e r a t u r ep e c u l i a r i t ye m u l a t e dr e s u l to fb v 3 一 一一一一一一一一 一一 占 量 l 一 l l l l l l l l l l 罩i i j i 大连理工大学硕士学位论文 一 i 7 z z l l 7 l 图2 4 9v b 4 温度特性仿真结果 f i g 2 4 9 t h et e m p e r a t u r ep e c u l i a r i t ye m u l a t e dr e s u l to f b v 4 图2 4 5 表明电流源的恒流特性 图2 4 6 2 4 9 表明了各输出恒流源随 温度交亿的特性 2 5 过温保护 0 t p 模块的设计和仿真 2 5 10 t p 的电路设计 该模块具有过温保护功能 当电路工作温度超过1 6 0 c 过温保护电路 输出控制信号n m o s l 0 4 关断 从而关断部分电路工作 直到温度降至1 4 0 c 时 过温保护电路输出控制信号n m o s l 0 4 开启 芯片重新启动 进入s o f t s t a r t 状态 过温关断特性分析 当温度升高时 n p n l 0 6 发射结导通压降降低 1 6 0 c 时使 n m o s l 0 4 关断 i n v l 0 8 输入转为高电平 0 t p 输出为低电平 参考公式 v 矿v t l n i i s 2 5 1 迟滞特性分析 温度高于1 6 0 c 时 使n p n l 0 6 导通 使得n m o s l 0 4 栅极电 压为低电平 关断部分电路 由于导通前的i 是导通后的1 5 倍 所以当温度降 低到1 6 0 c 时 n p n l 0 6 仍然导通 只有当温度继续降低到1 4 0 c 时 n p n l 0 6 才 关断 1 9 带有电荷泵的电源管理模块的设计 图2 5 10 t p 模块原理图 f i g 2 5 1 t h ep r i n c i p i u mf i g u r eo fo t p o t p 图2 5 20 t p 模块符号图 f i g 2 5 2 t h es y m b o lo fo t p 图2 5 3 1 6 0 c 过温关断 迟滞特性仿真线路图 2 0 大连理工大学硕士学位论文 2 5 20 t p 电路仿真验证 t i j 一 i i l i 一l l f l i 一l 一il l l l 一ll 一 l 一l li l ilili l l l ii j l l 一一ill i lfj 图2 5 40 t p 的迟滞输出电压 f i g 2 5 4t h ed e l a y e dv o l t a g e o u to fo t p 从仿真的结果不难看出 滞回温度为1 6 0 一1 4 0 2 0 满足了上述的设 计要求 2 6 低压保护 u v l 0 模块的设计与仿真 2 6 1u v l o 模块的电路设计 由于以电池供电的便携式电子器件被广泛的应用 不可避免的需要电源管 理 然而 电源管理中比较关键的一项就是如何能最大化的提高电源的效率 保 证电源的安全可靠性 以延长电源的使用寿命 其中 u v l o u n d e rv o l t a g e l o c k o u t 低压锁定单元被用作重要的保护电路模块之一 当电源电压不足以达到正常的供电电匿范围时 为了保护电路 u v l o 单元 将输出锁定信号使其他模块停止工作 例如 当芯片的供电电压由于某种原因瞬 时或暂时急剧下降的时候 可能会使芯片产生错误的工作方式 从而导致了错误 的系统输出结果 u v l o 可以避免这样的错误 并且保证m o s f e t 都能工作在正确 的工作方式和最小的导通损失 正是由于开关m o s f e t 是整个芯片内主要的功率 损耗器件 所以 限制它的导通损失是非常重要的 但是 如果用逻辑门电路作为u v l o 的比较电路 会由于h o s 管的阈值电压 会随温度的变化而变化 导致u v l 0 的比较电路发生错误的判断 另外 由于供 电电源内部存在着压降 所以 供电电源可能会存在着一定的纹波 如果纹波电 岫抽i 带有电荷泵的电源管理模块的设计 压的大小恰好在比较电路的阈值电压附近时 比较器会产生不稳定的输出 所以 设计一个理想的u v l o 单元的关键就是设计一个阈值电压带有滞回功能且电压值 随温度的变化尽可能的小 本文所设计的u v l o 是基于ap a u lb r o k a w 提出的三极管带隙参考源 由于 前面所介绍得r e f 中已经作了详细地阐述 这里只做文字说明 不做公式的推导 如图2 3 1 所示 r 3 r 4 q 2 是由8 个与q l 相同的三极管并联而成 当q 1 与q 2 公共基极电压v 较小时 r 2 上的压降较小 所以会有较大的电流通过q 2 误差放大器的正极电压大于负极电压 由于误差放大器的输入端被看作虚短 所 以正负输入端被强制相等 这样就升高了v 相反 如果v 较大 会导致r 2 上的电流较大 误差放大器的正端电压低于负端电压 v 被强制降低 所以反 馈电压v 稳定在了参考电压值上 低电压保护电路利用比较器来比较输入电压与基准电压的比较 比较器输出 与施密特触发器相连来来完成输入电压的检测 通过电阻网络来实现滞回 图2 6 1u v l o 模块线路图 f i g 2 6 1 t h em o d u l ec i r c u i td i a g r a mo fl r v l o 大连理工大学硕士学位论文 图2 6 2u v l o 等效构架图 f i g 2 6 2t h ee q u i v a l e n tf i g u r eo fu v l o u v l o 输入电压低压保护模块 当输入电压低于一定值时 低电压保护电路 工作 使芯片的其他电路停止工作 保护电路 其开启电压为2 3 v 2 6 v 其滞 后电压为3 5 m v 2 6 2u v l o 各项性能的仿真验证 i 5 苦 3 拍 主 z is i il 1 i j lli l i i l ji 7 f lj i iif 7 7 j i 一 l i 一7 ili l i 一 图2 6 3v 叻的直流特性 f i g 2 6 3 t h ed cp e c u l i a r i t yo fv 肋 带有电荷泵的电源管理模块的设计 t 5 每 3 拈 i z l5 lji 7 j i i 一 一 l i 一一 i l 一一一 1 图2 6 4u v l o 的迟滞特性 f i g 2 6 4t h ed e l a y e dp e c u l i a r i t yo fu v l o 当v d d 由0 v 变化到5 v 时 随v d d 的变化 o u t 的输出起先无变化 当v d d 达到开启电压2 5 7 v 时 o u t 的输出随v d d 上升 h i l li l i i i 1 越t 细 气 t 图2 6 5 输出随v d d 上升的特性 f i g 2 6 5t h ep e c u l i a r i t yo fo u t p u tr i s i n gw i t hv d d 当v d d 由5 v 变化到o v 时 随v d d 的变化 o u t 的输出随v d d 的下降而下降 当v d d 达到截止电压2 5 3 v 时 o u t 输出截止 当输入电压v d d 低于一定值时 低电压保护电路工作 使芯片的其他电路停 止工作 保护电路 其开启电压为2 3 v 2 6 v 其迟滞为3 5 m v t t 0 hd 2 大连理工大学硕士学位论文 2 t 5 弓 3 i z i5 i irj t ii l j i i d l t 目 o 1 5 i 镐m 5 图2 6 6 输出随v d d 下降的特性 f i g 2 6 6 t h ep e c u l i a r i t yo fo u t p u td e s c e n d i n gw i t hv d d 2 7 振荡器 o s c 模块的设计和仿真 2 7 1 振荡器的原理 振荡器的支路电流是由p t a t 的i 呲提供的 u v l o 模块与o v p 模块的输出 为其提供是能控制信号 也就是说 只有当u v l o 与o v p 模块的输出端均为1 的 时候 振荡器模块才能正常的工作 否则不工作 当电路正常工作时 点的电 位为高电平 开启m n 7 开关管 i 一 通过m p 2 与m p 5 的镜像为电容c 1 充电 当 充电电压v 1 超过v 时 比较器的输出端翻转 由高电平变为低电平 与此同时 还会看到 同样是电流源的镜像作用 使得m p 4 被偏置为线性区 因为m p 3 是开 关管的作用 电容c 2 与m n 4 的栅极同时被充电 最后电压达到使m n 3 线性导通 点电压v 3 由高电平变为低电平 追使 点电压v 4 由高电平变为低电平 点 电压v 5 电位被反转为高电平 将 2 管开启 c 2 与m n 3 的栅极又被放电 直到 点电压v 2 变为低电平 删3 被截至掉 v 3 变为高电平 v 4 电位再次取决于比 较器c o m p i 的输出 由上述工作过程不难看出 点的电压v 1 是由 点的电压 v 6 控制m n 6 管的导通或截至决定的 所以 振荡器的主体部分工作原理主要是 由 点和 点提供的电压反馈环路控制电容上电流的充放电实现振荡的 最后 由两个d 锁存器构成一个d 触发器 实现稳定的脉冲输出波形 这里 电容c l 的大小决定了 点的充放电时间 决定了振荡器的输出波形的周期 带有电荷泵的电源管理模块的设计 图2 7 1 振荡器的电路图 f i g 2 7 1 t h ec i r c u i td i a g r a mo f o s c 图2 7 2o s c 模块等效构架图 f i g 2 7 2 t h ee q u i v a l e n tf i g u r eo fo s c 2 7 2 电路功能描述 0 s c 模块是芯片的时钟电路 工作时输出频率是i m h z 当使能有效镜像电流 给电容充电 当充满电后 充放电模块的受比较器反馈回来的一个信号控制对电 容进行放电 电容充满电和不充电时 比较器的i n v 的输入端电压不一样 和 i n p 接带隙电压 电压进行比较后 比较器的输出就是一个方波 方波的频率 受电容的充放电速度影响 调节电容的大小 或者更改电容的模拟库可以改变 0 s c 输出方波的频率 大连理工大学硕士学位论文 2 7 3o s c 模块仿真结果 本设计所需要的振荡频率为1 m h z 所以振荡周期为1 u s 脉冲宽度为5 0 0 n s 图2 7 3 为o s c 仿真结果 图2 7 3o s c 仿真结果 f i g 2 7 3 t h ee m u l a t e dr e s