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新型电源管理电路与低功耗频率补偿

李强  
【摘要】:本课题源于国家863 项目“智能功率集成技术研究”(2002AA11Z1540)。该智能功率IC 在控制模式和工艺设计上均有独到之处,该芯片的研制成功将为PSoC( Power System on Chip)的研制奠定坚实的基础,具有重大的理论意义和应用价值。在进行新型电源管理IC 的设计中,本文首次提出了一种带增益级(gain-enhanced stage,GES)的双复数零极点相抵消(dual complex pole-zero cancellation,DCPC)的频率补偿模式放大器,即DCPC 补偿模式放大器;设计了一种采用跨周期调制与电流极限状态机相结合工作模式的新型电源管理IC;完成了IC 的版图、流片以及测试。 本文提出了一种应用于低压低功耗多级放大器的频率补偿模式,即一种带增益级的DCPC 频率补偿模式。该模式基于一对复数平面零点和一对复数平面极点相抵消的原理,获得了跟单级放大器相似的频率响应,同时将有效输出跨导放大了增益级的倍数,且仅需一个微小补偿电容就能实现系统稳定,实现了高增益、高带宽、高相位裕度和高稳定性的多级放大器系统。迄今为止,国际上低压低功耗多级放大器习用NMC (nested miller compensation)频率补偿模式实现系统稳定。该DCPC 频率补偿模式在相同功耗前提下,其增益带宽(gain-band width,GBW)是NMC 频率补偿模式增益带宽的10 倍左右。通过HSPICE 采用标准的0.6-μm CMOS 工艺模拟仿真表明在电源电压为±1V,驱动500 pF 负载电容时,获得增益带宽为1.23 MHz,直流增益111dB,相位裕度为86°,单一补偿电容为14 pF,系统功耗仅为0.29 mW。 本文还设计了一种新型开关电源的系统控制回路,它采用跨周期调制和电流极限状态机相结合的工作模式,使其在能量转换效率、瞬态响应速度、负载调整率、抗扰动性能等方面得到显著提高;并应用频率抖动(frequency jitter, FJ)技术实现了开关电源低EMI、高EMC 性能。作者着重分析了该电源IC 中的过流比较器、基准电压源和振荡器电路。采用新型BCD(Bipolar、CMOS、DMOS)工艺,在P 型单晶衬底上实现了低压控制电路和高压LDMOS 功率器件的集成,并完成了IC 的版图、流片和测试,其测试结果达到了预期指标。


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