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便携式电子设备用高效率、多模式、多输出电源管理芯片的研究与设计

陈东坡  
【摘要】: 近年来,消费电子市场对手机、PDA等基于电池运行的各种便携式电子设备表现出强劲的需求。由于电池技术的缓慢发展,为了增加系统的工作时间、延长电池的使用寿命,在这些设备中必须使用高性能的电源管理芯片。而且为了减少这些设备的尺寸、重量和成本,需要使电源模块具有小型化、低成本、高集成度等特性。本文研究和设计了基于混合信号硅基互补金属氧化物(Complementary Metal-oxide Silicon,CMOS)工艺的,便携式电子设备用高效率、多模式、多输出电源管理芯片。主要完成了以下工作: 针对便携式电子设备对电源管理系统整合与集成的需求,提出了单芯片电源管理系统的新结构。该架构包含两个LDO线性稳压器,两个DC-DC降压转换器,电池充电保护器,数字控制逻辑模块,I~2C总线和存贮器模块。通过整合与集成,可以极大的降低便携式电子设备用电源管理系统的开发和应用成本。并运用智能化、可编程化的控制,达到了与整个设备协同工作、智能化控制的目标。 提出了一种低静态电流,高稳定性LDO。采用创新的CMOS亚阈值技术,设计了高精度的参考电流源,使得LDO达到了4μA的低静态电流。采用了新颖的零极点跟踪米勒频率补偿方法,使得LDO的稳定性与负载电流和片外滤波电容的等效串连电阻无关。芯片采用CSMC0.5gm CMOS混合信号工艺物理实现。测试表明该LDO在150mA输出电流下达到了3.9μA的低静态电流和-40~130℃宽温度工作范围。在150mA输出电流和3.3V输出电压下,输入输出压差最低为170mV,输出噪声在频率从22Hz到80kHz间为]50Ld/rm。。该LDO具有高稳定性、低静态电流和低输出噪声,适合便携式电子设备的应用。 在本文中,理论上详细分析了各种开关型DC-DC转换器的环路模型。在理论分析的基础上,提出一种高精确性用于DC-DC转换器环路建模的方法,在该模型的基础上,分别给出了电流型和电压型控制环路及其先进的频率补偿网路,并进行了系统仿真来验证该模型。 基于精确的环路模型,提出了脉宽调制(PWM)和变频调制(PFM)双模式控制的,高效率高稳定性降压DC-DC转换器。该转换器在负载电流较大时采用开关频率为1MHz的PWM工作模式;在负载电流较小时采用频率降低和静态电流减少的PFM工作模式,实现了在整个负载电流变化范围内转换器均保持高转换效率。并运用一种先进的快速响应的电压模式控制结构达到了优异的线性和负载调整特性。输出电流分别为300mA和750mA的两个转换器芯片已经采用CSMC0.5μm CMOS混合信号工艺物理实现。测试结果表明本文提出的双模式控制的转换器芯片可根据负载的变化在PWM和PFM模式下自动切换。最大转换效率达96.5%;当负载电流为0.02mA时,转换效率大于55%。所以本文所提出地芯片特别适合电池供电的移动系统使用。 基于前期LDO和DC-DC转换器的研究与设计,提出了一种多模式(PWM/PFM/LDO)、高效率DC-DC降压转换器。该芯片可根据输出电流的大小,通过智能控制方法,在80~750mA时采用PWM模式控制;在5~80mA时采用PFM模式控制;在0~5mA时采用LDO模式控制,以达到低噪声和低纹波的输出电压。该芯片同样采用CSMC0.5μm CMOS混合信号工艺设计。仿真结果表明该转换器可以在三种模式之间无缝切换,以达到最佳的转换效率。最高转换效率可达96%。 本文完成了便携式设备用单芯片电源管理系统中,包括LDO,多模式DC-DC转换器,线性充电器的设计和验证。这些设计和验证都基于CSMC公司的0.5μm 2P3M CMOS混和信号工艺。这些模块和电源管理系统的其他模块集成在一起,可以得到一个新颖的基于单片电源管理系统的便携式电子设备电源解决方案。这种方案由于具有小尺寸,可编程控制和低成本,可以取代传统的基于多个单独芯片的电源系统方案。


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