【正文】 產(chǎn)品的生產(chǎn)基地；加之 “ 十一五 ” 規(guī)劃已經(jīng)明確要加快集成電路、軟件、關(guān)鍵元器件等重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，未來 有 利于集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策還將繼續(xù)推出 ； 2）下游制造市場的拉動(dòng)。 LCD顯示器 、 數(shù)字電視 和 汽車電子 等產(chǎn)品的快速增長 ，以及中國 3G牌照 頒發(fā)與應(yīng)用的推廣，必將促進(jìn) 中國電源管理芯片市場 繼續(xù) 保持平穩(wěn)快速的發(fā)展 。 直流電源變換器的比較 根據(jù)不同的工作原理可將便攜式穩(wěn) 壓電源 IC分成三類：線性穩(wěn)壓器、開關(guān)式電壓調(diào)整器及電荷泵式電壓調(diào)整器。線性穩(wěn)壓器是因其內(nèi)部調(diào)整管工作在線性范圍而得名。一般認(rèn)為線性穩(wěn)壓電源的輸入電壓與輸出電壓之間的漏失電壓 Vdif較大，導(dǎo)致電路轉(zhuǎn)換效率較低。近年來開發(fā)出的 LDO線性穩(wěn)壓器與傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器相比，它的最大優(yōu)點(diǎn)是輸入輸出間的 漏失 電壓差很低，只有幾百毫伏，某些輸出小電流的 LDO線性穩(wěn)壓器其壓差僅幾十毫伏。如凌特公司 (Linear Technology)推出的輸入電壓可低至 300mA的 LDO線性穩(wěn)壓器，在滿負(fù)載電流時(shí)只有 45mV的極低漏失電壓。當(dāng)輸入電壓略大于輸出電壓與漏失電壓之和時(shí)，即： in out difV V V?? (11) 選用 LDO線性穩(wěn)壓器來調(diào)整輸入電壓是一個(gè)很不錯(cuò)的選擇，這時(shí) LDO線性穩(wěn)壓器可 3 達(dá)到很高的效率，同時(shí)滿足極高的性價(jià)比。 開關(guān)式電壓調(diào)整器主要指 DC/DC變換器，包括升壓、降壓、升／降壓和反相等幾種結(jié)構(gòu)。在開關(guān)穩(wěn)壓電路中有一個(gè)工作在開關(guān)狀態(tài)的晶體管，工作于飽和導(dǎo)通或截止兩種狀態(tài)，因此開關(guān)管功耗較小并且與輸入電壓大小無關(guān)。隨 著芯片集成度的提高，許多新型 DCDC轉(zhuǎn)換器的外圍電路僅需電感和濾波電容，但這類電源控制器的輸出紋波和開關(guān)噪聲較大、成本相對(duì)較高。 電荷泵式電壓調(diào)整器通過電容上電荷積累效應(yīng)來產(chǎn)生高于電源的輸出電壓或者負(fù)電壓。 這種電路的輸出電壓只能取輸入電壓的倍數(shù)，雖然使用多個(gè)充電泵可獲得其它倍數(shù)的輸出電壓，但芯片成本和靜態(tài)功耗也會(huì)隨之增加從而限制了它的使用范圍。從目前的發(fā)展趨勢看，電荷泵輸出電流越來越大，因而常被選作系統(tǒng)的主電源。 表 11 三種直流電源調(diào)整器的特點(diǎn)比較 類型 指標(biāo) 線性穩(wěn)壓器 開關(guān)式電壓調(diào) 整器 電荷泵式電壓調(diào)整器 功能 降壓 升壓、降壓、反相 升壓、反相 效率 中 高 高 功耗 大 較小 大 復(fù)雜度 低 中到高 中 尺寸 小 較大 較大 成本 低 較高 較低 波紋 /噪聲 低 較高 高 為了滿足日益復(fù)雜的電子產(chǎn)品電源需求，實(shí)現(xiàn)更高效率的電源變換，新一代高性能的電源管理方案將 DCDC變換器與 LDO線性穩(wěn)壓器，或是將電荷泵與 LDO線性穩(wěn)壓器結(jié)合起來，克服這三種電壓調(diào)整器各自固有的缺陷，從而達(dá)到低噪聲和高效率的最佳組合 [1~2]。 4 LDO 線性穩(wěn)壓器的發(fā)展現(xiàn)狀 目前 ， LDO線性穩(wěn)壓器在國外經(jīng)過多年的發(fā)展 ， 其技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟。一些國外知名的半導(dǎo)體廠商如 TI、 MAXIM、 NS等都有比較完整的 LDO產(chǎn)品系列。以 NPN、 PNP為調(diào)整管的 LDO市場逐步萎縮；而以 PMOS管作為調(diào)整管的 LDO以其較低的漏失電壓、較小的靜態(tài)電流等優(yōu)勢占領(lǐng)了較大的市場份額； DMOS工藝的 LDO在對(duì)漏失電壓要求很高的應(yīng)用中占有一定的份額 ； BCDMOS工藝的 LDO也已有了批量生產(chǎn) [3]。 與國外相比，國內(nèi) LDO線性穩(wěn)壓器的研究起步較晚。但經(jīng)過幾年的高速發(fā)展，也有一些電源芯片設(shè)計(jì)公司推 出了比較優(yōu)秀的 LDO芯片。例如，國內(nèi)早期從事 LDO生產(chǎn)的圣邦微電子有限公司生產(chǎn)的 SG202 SG2021以及 SG2021系列 LDO，足以滿足當(dāng)前市場上主流電壓、電流的需要； SG202 SG2021以及 SG2021系列產(chǎn)品，則非常適合于大電流負(fù)載應(yīng)用； SGM2021/2021/2021系列 RF LDO更適合于手機(jī)電源的應(yīng)用。這些芯片的性能絲毫不亞于國外同類產(chǎn)品，而價(jià)格則更適合于當(dāng)前國內(nèi)市場。 LDO 線性穩(wěn)壓器的研究目的 從以上分析可以看出一方面電源管理芯片市場的飛速發(fā)展給工作效率不高但成 本上具有優(yōu)勢的 LDO 線性穩(wěn)壓器帶來了巨大的發(fā)展空間；另一方面便攜式電子產(chǎn)品對(duì)低功耗的強(qiáng)烈要求，使得 LDO 穩(wěn)壓器必須具有較小靜態(tài)電流的特點(diǎn)。因而在這種背景下，有必要深入研究 LDO 電路，通過對(duì)各模塊的優(yōu)化設(shè)計(jì)搭建一款具有低功耗特征的 LDO 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。并且針對(duì)這種系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)出專門的頻率補(bǔ)償方案從而保證整體電路的穩(wěn)定性。 論文章節(jié)安排 本文總共分為七章，其中： 第一章主要闡述了 LDO線性穩(wěn)壓器的研究意義與目的。 第二章簡要介紹了 LDO穩(wěn)壓器的結(jié)構(gòu)、工作原理、基本性能指標(biāo)以及典型的應(yīng)用電路。 第三章從瞬態(tài)、直流、交流三方面對(duì) LDO線性穩(wěn)壓器進(jìn)行全面分析，研究了系 5 統(tǒng)主要參數(shù)的內(nèi)在聯(lián)系與各種折衷關(guān)系。從低功耗要求的角度出發(fā)，對(duì)各模塊進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)而確定了所要研究的 LDO系統(tǒng)架構(gòu)。 第四章建立了 LDO線性穩(wěn)壓器的交流小信號(hào)模型，對(duì)系統(tǒng)電路的穩(wěn)定性進(jìn)行了深入的研究。引入了嵌套式密勒補(bǔ)償和動(dòng)態(tài)零點(diǎn)補(bǔ)償方法，并對(duì)嵌套式密勒補(bǔ)償中調(diào)零電阻可能存在的位置進(jìn)行分析，確定了最合適的補(bǔ)償結(jié)構(gòu)從而有效地消除了右半平面零點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。 第五章是對(duì) LDO穩(wěn)壓器關(guān)鍵模塊電路的設(shè)計(jì)實(shí) 現(xiàn)。 主要包括基準(zhǔn)與偏置電路、恒定限流電路和短路保護(hù)電路 等模塊。 第六章對(duì) LDO穩(wěn)壓器系統(tǒng)電路進(jìn)行全局仿真及分析。 第七章是全文總結(jié)，簡單歸納了本文所做的主要工作。 6 2 LDO 線性穩(wěn)壓器的簡介 LDO線性穩(wěn)壓器 按其靜態(tài)電流來分，可分為 OmniPower、 MicroPower、NanoPower三種類型。其中 OmniPower型 LDO的靜態(tài)電流在 100uA至 1mA之間；MicroPower型 LDO的靜態(tài)電流在 10uA至 100uA之間； NanoPower型 LDO的靜態(tài)電流則 小于 10uA。 本文設(shè)計(jì)的 LDO屬于 NanoPower型，其較小的靜態(tài)電流非常適用于各種手持電子設(shè)備產(chǎn)品的應(yīng)用中。 LDO 的結(jié)構(gòu)與工作原理 基本的 LDO線性穩(wěn)壓器 包括 誤差放大器、調(diào)整元件、 基準(zhǔn)與偏置電路以及反饋比例電阻網(wǎng)絡(luò)，再加上諸如 過溫、限流 、電池極性反轉(zhuǎn)等 保護(hù)電路 就構(gòu)成了一個(gè)完整的 LDO系統(tǒng) [4~6]。基準(zhǔn) 偏置模塊 用來產(chǎn)生一個(gè)溫度穩(wěn)定性很高的參考電壓，它為誤差放大器、電路內(nèi)部比較器等提供電壓偏置，并且對(duì) LDO穩(wěn)壓器輸出 高精度的直流電壓起著十分重要的作用 [7]。未調(diào)節(jié)的輸入電壓作為供電電 源電壓，基準(zhǔn)電壓作為誤差放大器的負(fù)相輸入電壓， 電阻反饋網(wǎng)絡(luò)將輸出電壓 進(jìn)行分壓并 得 outVLC2FR 1F LRccV mpgfbV基 準(zhǔn) 與 偏置 電 路保 護(hù) 電 路?? esrRA M P 圖 21 PMOS型 LDO穩(wěn)壓器結(jié)構(gòu)圖 到反饋電壓 ，此反饋電壓輸入到誤差比較器的同相端，與負(fù)相端的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較。兩電壓差值通過 誤差放大器的 放大后直接控制功率調(diào)整元件的柵極，通過改變調(diào)整元件的導(dǎo)通 狀態(tài)來 控制 LDO的輸出 端從而獲得穩(wěn)定的輸出 電壓值。 7 圖 21為 PMOS型 LDO線性 穩(wěn)壓器的基本結(jié)構(gòu)圖。從圖 中可以看出由誤差放大 器、調(diào)整元件和反饋比例電阻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成一個(gè)負(fù)反饋環(huán)路所以： 1 refout AVV A??? ? (21) 112FFFRRR? ? ? (22) 其中， A 為 LDO反饋環(huán)路的開環(huán)增益， ? 為反饋比例電阻網(wǎng)絡(luò)的反饋系數(shù)。 在實(shí)際電路中由于 1A??? ，所以 (21)式可以寫成： 121ref FFo u t refFV RRVV R? ?? ? ? (23) 由式 (23)可知， LDO穩(wěn)壓器的輸出電壓只取決于基準(zhǔn)電壓和反饋系數(shù)，而與輸入電壓和負(fù)載電流的大小無關(guān)。 LDO 的基本性能指標(biāo) 輸出電壓與輸出精度 輸出電壓 Vout是 LDO線性 穩(wěn)壓 器的重要參數(shù)，也是電子設(shè)備設(shè)計(jì)者選用 LDO時(shí)首先應(yīng)考慮的參數(shù) 。按輸出電壓值可分為 固定輸出電 壓和可調(diào)輸出電壓兩種類型。一般 固定輸出電壓 LDO線性穩(wěn)壓器 是經(jīng)過 設(shè)計(jì)廠商 精密調(diào)整 ，輸出電壓 精度 也 很高。 但 由于固定 輸出電壓數(shù)值均為常用電壓值，不可能滿足所有的應(yīng)用要求， 因此也可以 外接 反饋比例電阻，通過調(diào)節(jié)外接 電阻阻值獲得需要的輸出電壓。 LDO線性穩(wěn)壓器的輸出電壓精度是由多種因素的變化在輸出端共同作用的體現(xiàn)，主要有輸入電壓變化引起的輸出變化 LRV? 、負(fù)載變化引起的輸出變化 LDRV? 、基準(zhǔn)電壓漂移引起的輸出變化 refV? 、誤差放大器失調(diào)引起的輸出變化 ampV? 、反饋比例電阻阻值漂移引起的輸出變化 resV? 以及由環(huán)境溫度變化引起的輸出變化 8 TCV? ，輸出精度 ccA 由下式給出[8]： 2 2 2 2 100%L R L DR re f a mp re s T Ccc outV V V V V VAV? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??? (24) 其中 refV? 、 ampV? 及 resV? 對(duì) ccA 影響較大，因此基準(zhǔn)電壓源、誤差放大器及反饋比例電阻的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)需重點(diǎn)考慮。 漏失電壓與靜態(tài)電流 漏失電壓 Vdif定義為保證 LDO線性穩(wěn)壓器正常工作時(shí)對(duì)應(yīng)的輸入輸出電壓間的最小電壓差 [9~10]， 即： m in ,d if in o u t LD OV V V?? 正 常 工 作 (25) 它是反映調(diào)整管調(diào)節(jié)輸出電壓能力的一個(gè)重要參數(shù)。對(duì)采用 PMOS 管作為調(diào)整管的電路，漏失電壓為導(dǎo)通電阻 Ron 和負(fù)載電流 Iout 的乘積 : dif on outV R I?? (26) LDO線性穩(wěn)壓器的靜態(tài)電流又叫接地電流，定義為芯片不加負(fù)載時(shí)，電路正常工作時(shí)內(nèi)部消耗的電流，它等于輸入電流與輸出電流之差 [11]，即 : q in outI I I?? (27) outIin outVOUTING NDL D OoutC esrRqIinI dif?? ?? 圖 22 漏失電壓與靜態(tài)電流示意圖 9 功耗與效率 LDO線性穩(wěn)壓器的功耗 PW為： ()W in in o u t o u t in o u t o u t in qP V I V I V V I V I? ? ? ? ? ? ? ? ? (28) (28)式中，第一項(xiàng)是調(diào)整管上產(chǎn)生的功耗，第二項(xiàng)則是芯片靜態(tài)電流功耗 ，因而LDO的 工 作效率為 [12]： 100%()out outout q inVII I V? ????? (29) 式 (29)說明了 LDO線性穩(wěn)壓器的效率與漏失電壓和靜態(tài)電流有關(guān)，低漏失電壓、小靜態(tài)電流則意味著 LDO電路具有低功耗、高效率的特點(diǎn)。 051 01 5 2 02 52 . 53 . 03 . 54 . 04 . 56 07 08 09 01 0 0時(shí) 間 （ 小 時(shí) ）電池電壓（V，三節(jié)堿性電池）效率 （%）電 池 電 壓效 率 曲 線 圖 23 LDO效率與電池輸出電壓的時(shí)間關(guān)系 在實(shí)際應(yīng)用中，分析效率時(shí)還必須清楚：由于電池不是理想電源，它具有輸出電阻，因此供電時(shí)它的輸出電壓是逐漸下降的，電池的這種特性是非常有利于LDO線性穩(wěn)壓器工作效率的提高。 LDO線性穩(wěn)壓器工作效率是隨著電池電壓的下降而逐漸升高的，實(shí)際電池的電壓、 LDO線性穩(wěn)壓器工作效率與電池工 作時(shí)間的關(guān)系如圖 23所示。另外，在小負(fù)載電流時(shí)，穩(wěn)壓器的效率將受靜態(tài)電流的限制，比如輸出電流等于輸入電流的一半 時(shí) ，穩(wěn)壓器的效率將減 小 一半，因此當(dāng)設(shè)備處 于“待 10 機(jī)”時(shí)靜態(tài)電流將決定 電池的使用壽命。 負(fù)載調(diào)整率與 線性調(diào)整率 負(fù)載調(diào)整率表征了穩(wěn)壓器輸出負(fù)載大小變化對(duì)輸出電壓的影響程度，表征了負(fù)載變化而穩(wěn)壓器維持輸出在標(biāo)稱值上的能力，它 定義為： ()outIout N O M outVS VI?? ?? (210) 其中， )(NOMoutV 是標(biāo)定的輸出電壓值， outI? 為負(fù)載電流的變化量， outV? 為負(fù)載電流變化引起的輸出電壓的變化量。 顯然， 負(fù)載調(diào)整率 越小越好。 線性調(diào)整率