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适用于便携式电子产品的LDO稳压器芯片的研究与设计

于飞  
【摘要】:目前,在移动设备主要芯片中,电源管理芯片列于前三位。笔记本电脑、3G手机、MP3/MP4等便携式产品的发展和普及,已经成为电源管理芯片的重要推动力量,面向便携式应用的电源管理正成为半导体领域的亮点。随着电源管理IC技术的进步,“主芯片+电源管理IC”已成为电子产品芯片的主要构成模式。凭借低噪声、高稳定性、高电源抑制比等优点,LDO稳压器或者作为独立的电源管理IC、或者作为整体电源管理IC的组成模块,已广泛地应用于便携式电子产品。近年来,由于市场不断变化和技术不断进步,进一步提高LDO芯片的性能是市场和技术的必然要求。 本文旨在设计一款适用于便携式电子产品的LDO稳压器芯片,系统地给出了LDO稳压器芯片的设计过程。首先,简述了LDO稳压器以及电源管理芯片的发展情况,以及LDO稳压器芯片的基本工作原理和技术指标,并从实际应用出发,提出了设计的技术要求。然后,按照自底向上的原则,分层次介绍了模块电路的设计和系统设计,并详细讨论了各个模块设计中应注意的关键问题。其中,为了满足便携式电子设备的要求,采用在转换效率方面更有优势的P型MOS管作为功率管;加入了带有自适应频率补偿的缓冲器来驱动大尺寸的功率管,克服寄生电容的影响,改善瞬态响应;利用带N型有源负载的P型差分放大器,有效降低了输入电压,并通过在输出端引入输入电压纹波来提高电源抑制比PSRR;设计了新的芯片测试电路,用有源负载代替了传统的电阻负载,可以更大范围地调节测试电流。最后,利用Cadence公司的IC610和Synopsys公司的Hspice等软件对所设计的电路进行了仿真与验证。 基于CSMC0.5μm CMOS工艺,对本文设计的LDO稳压器芯片进行仿真验证,结果表明,输入电压范围为3.2~5.5V时,输出电压典型值为3V,最大输出电流可达300mA,最大负载调整率为6%,最大线性调整率为0.2%,电源抑制比为17dB@10kHZ。与传统的LDO芯片相比,所设计的LDO芯片优势如下:1、在误差放大器与功率管之间加入带有自适应频率补偿网络的缓冲器,既改善了芯片的瞬态响应速度,又可保证闭环回路的稳定;2、通过对误差放大电路的优化设计,减小输入电压和压降,提高了转换效率;3、将带隙基准模块从LDO稳压器芯片内部分离出来,以进一步节约芯片总面积;4、完善了测试电路,采用有源负载代替传统的电阻负载,更有利于对不同负载电流条件下的技术指标进行测试。


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