功率集成电路基础 习题及答案 第5章习题答案

第五章习题参考答案1．PMOS作为功率管的线性稳压器相较NMOS作为功率管的线性稳压器的优点是什么？缺点是什么？优点：①PMOS作为功率管时，其源极接输入电压，栅极由误差放大器直接驱动，不需要额外的电荷泵或自举电路来产生高于输入电压的驱动电压，简化了电路设计，降低功耗与成本。②栅极电压低于源极电压即可导通，容易实现低压差（LowDropout）。缺点：①相同电流下PMOS比NMOS的跨导小（迁移率低），导通电阻更大，需要更大的尺寸才能达到同样压差，增加芯片面积与寄生电容。②频率响应可能较差（寄生电容大），补偿相对复杂。2．当输入电压为2.5V、输出电压为1.2V时，计算稳压电源在该工作条件下的效率。对线性稳压器：效率忽略静态电流，则

Iin≈即在忽略静态电流的情况下，效率为

48%。但实际电路中存在静态电流

Iqη=当

Iq

远小于

Iout

时可忽略，所以该稳压电源在该工作条件下的效率约48%，当

3．请在图5-7中标注PMOS作为功率管的LDO的主极点与次极点的位置，并列出其表达式。主极点：位于误差放大器输出端到地的极点（节点

VG），因为此处阻抗很高且负载电容较大（包括功率管的

Cgs、表达式，该节点对地总电容为

CA，总电阻为

RA次极点：位于LDO的输出节点

VOUT，因为输出电容

COUT

与负载电阻

RL表达式（忽略

RESR）：p4．在Buck-Boost变换器中，如果使用NMOS功率管作为主开关管会带来什么好处？又会带来什么问题？好处：①NMOS比PMOS迁移率高，相同面积下导通电阻小，效率更高。②开关速度快，适合高频工作，减小电感体积。③成本通常更低（工艺上NMOS比PMOS性能好）。问题：①当作为上管使用时，NMOS的栅极驱动电压需要高于输入电压，需要自举电路或隔离驱动，增加复杂性和成本。②在负输出或输入输出电压差大时，驱动电路设计更复杂，可能引起开关节点振铃与EMI问题。5．已知在Buck变换器中，输入电压为3.3V，输出电压为1.2V，最大的负载电流IO_max为3A，系统工作频率为2MHz，试用下面公式求出静态条件下电感峰值电流（IL_max）和电感电流纹波（∆IL）。IO_max为最大负载电流，D为占空比，fSW为开关频率。通常将∆IL取最大负载电流的30%。 已知：V占空比

D=由题意：Δ由纹波公式：Δ可得电感值：L=VOUT电感平均电流

IL峰值电流：I可得：Δ6．已知在Buck变换器中，主功率管的导通电阻为

120mΩ，续流功率管的导通电阻为220mΩ，电感寄生电阻为25mΩ。在输入电压为3.7V、输出电压为2.5V的工作条件下，当负载电流为1.5A时，系统的直流导通损耗是多少（忽略静态损耗及开关损耗）？已知：VIN=3.7V,VOUT=2.5V,ILOAD=1.5主开关管（高边MOS）导通时，电流流过

Ron_续流管（低边MOS）导通时，电流流过

Ron_占空比：D=平均电感电流

IL开关管导通损耗：高边管导通时间占比

D：PHS低边管导通时间占比

1−D：1−D≈0.3243PP电感DCR损耗：

电感电流在整个周期都流过

RL：总直流导通损耗：P≈0.1824+0.1605+0.05625≈0.399157．已知在Boost变换器中，输入电压为3.7V，输出电压为4.6V，电感为4.7μH，系统的工作频率为1.5MHz，当负载电流为多大时，系统处在BCM（临界导通模式）？已知：𝑉𝐼𝑁=3.7V，𝑉𝑂𝑈𝑇=4.6V，𝐿=4.7𝜇H，𝑓𝑆𝑊=1.5MHzBCM条件：在周期

TSWBoost的占空比：D=1−电感峰值电流：开关管导通时间

ton=D⋅TSW，电感电压

ITtIIpeak≈787234×1.3043×输出电流

IOUT

与输入电流关系：忽略损耗：V所以：I代入：I8．图5-75所示为四开关型电荷泵，φ1～φ4为开关信号，TON=1μs，T=1.5μs，VIN=3V，VCP为输出电压，CP为20pF，CF为20pF。图5-75四开关型电荷泵（1）请画出φ1～φ4开关信号与输入电压、输出电压的波形图并阐述该电荷泵的工作原理。φ1和φ3为相同的驱动信号，φ2和φ4为相同的驱动信号，当φ1和φ3导通时，φ2和φ4关断，输入电压VIN向电容CP充电，当φ2和φ4导通时，φ1和φ3关断，此时由于电容CP两端电压不能突变，所以当下极板由GND抬升至VIN时，上极板由VIN变为2VIN，且M2导通，电容CP向电容CF转移电荷。当下个周期来临时重复充电、抬升、电荷转移的过程，实现升压。（2）空载下，经过4个周期后的输出电压为多少？空载下，稳定后的输出电压为多少？从0V开始，每次阶段2提升电压为：Δ所以V设

CPV初始

V0VVVV4个周期后

VOUT稳态

VOUT（3）如果在输出端接入5μA的负载电流，则需要多少个周期输出电压才能达到稳定时的90%？负载电流5uA时一个周期内消耗的电荷为：ILILVn+1​=Vn​+0.5(6−Vn​)−0.375=3+0.5Vn​−0.375=2.625+0.5Vn​稳态

Vf

满足：可得稳态电压为：Vf​=5.25

VVVVV即需要4个周期输出电压才能达到稳定时的90%（5.25*0.9=4.725V）挑战性拓展9．在输入电压为2.5～5.5V、输出电压为1.8～2.5V、输出电流为1A的芯片中交替使用LDO与Buck变换器供电（主功率管的导通电阻为210mΩ，续流功率管的导通电阻为350mΩ，电感寄生电阻为25mΩ），试问：（1）LDO与Buck变换器的优缺点分别是什么？LDO（低压差线性稳压器）优点：①结构简单，外围元件少（通常只需输入、输出电容）。②噪声低、输出纹波小（无开关动作）。③瞬态响应快（带宽高时）。④没有电磁干扰（EMI）。缺点：①效率低（η≈V②只能降压，且

VIN

必须大于

V③功率管一般工作在饱和区或线性区，导通电阻或压降导致效率受限。Buck（开关降压变换器）优点：①效率高（理想可达90%以上），尤其当输入输出电压差大时。②可大电流输出，发热相对小。③输入电压范围大，

VIN

大于

V缺点：①需要电感、开关管、续流管，外围元件多、体积大。②开关噪声大、纹波较大，可能干扰敏感电路。③有EMI问题，需要滤波和布局设计。④控制环路设计较复杂，瞬态响应特性较差。（2）若仅考虑功率管带来的损耗，在保证系统高效率的条件下，上述两种电源电路分别工作在哪种输入电压和输出电压下？LDO高效率条件：效率

η=VOUT/VIN，高效率要求

VBuck高效率条件：Buck效率主要取决于开关损耗和导通损耗。导通损耗（忽略开关损耗）：高边管损耗：I低边管损耗：I电感DCR损耗：IOUT可见

D

越大（即

VIN

接近

VBuck还有开关损耗（与频率、输入电压、开关时间有关），输入电压越高，开关损耗越大；开关频率越高，开关损耗越大。综合来看，Buck在

中等占空比、输入电压较低

时效率较高。（3）如果忽略系统损耗，LDO和Buck变换器分别采用哪种类型的功率管，可以简单地实现输入电压为2.5V、输出电压也为2.5V？如果需要使用另一种类型的功率管，则需要做哪些处理？LDO：压差为0，此时需要功率管导通电阻极小，且能工作在极低压差。通常用

PMOS

作为功率管，因为栅极可低于源极导通，容易实现

VINBuck：D=1

理论上需开关一直导通，这其实是“直通”模式，不是正常开关调节。Buck无法在

VIN=