【正文】 I 摘 要 隨著電源管理 IC技術的不斷發(fā)展，高性能低成本的電源管理芯片越來越受到用戶的青睞。 LDO線性穩(wěn)壓器以其低噪聲、高電源抑制比、微功耗和 簡單的 外圍電路 結構 等優(yōu) 點而被廣泛應用于 各種直流穩(wěn)壓 電路中。 為適應電源市場發(fā)展的需要 ，結合 LDO系統(tǒng)自身特點，設計了一款低功耗、高穩(wěn)定性 LDO線性穩(wěn)壓器。 本文首先簡要介紹 了 LDO線性穩(wěn)壓器的工作原理與基本性能指標。其次，從瞬態(tài)、直流、交流三方面對系統(tǒng)結構進行深入研究，闡述 LDO穩(wěn)壓器的設計要點與各種參數(shù)的折衷關系。隨后從低功耗設計的角度出發(fā)，對各子模塊結構進行優(yōu)化，從而 確立最終的系統(tǒng)架構。通過建立 LDO電路的交流小信號模型，計算得到系統(tǒng)的環(huán)路增益并由此推出電路中零極點的分布位置從而獲得研究系統(tǒng)穩(wěn)定性問題的途徑。針對文中采用的兩級級聯(lián)誤差放大器直接驅動調(diào)整管柵極的拓撲結構，引入嵌套式密勒補償和動態(tài)零點補償 兩種 方法來保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求。討論了嵌套式密勒補償中調(diào)零電阻可能存在的位置，確定最合適的補償結構從而有效地消除了右半平面零點對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。最后分析了各子模塊電路的結構與工作原理，并給出了 LDO系統(tǒng) 模塊與整體仿真的結果與分析。 電路設計采用了 CSMC CMOS工藝模型，對 LDO穩(wěn)壓器在不同 的模型、輸入電壓、溫度組合下進行 前仿 真 驗證。 結果表明：電路 不帶負載的 靜態(tài)電流為 uA， 系統(tǒng) 帶寬幾乎不隨負載變化，在輸出電流范圍內(nèi)能保證 較好 的 穩(wěn)定性。 關鍵詞： 線性穩(wěn)壓器 ， 低壓差 ， 嵌套式密勒補償 ， 動態(tài)零點補償 ， 低功耗 II Abstract With rapid development of power IC technology, high performance low cost power management chips bee more and more popular. LDO linear regulator is widely used in various kinds of DC regulating voltage circuits, for the benefits of low noise, high power supply rejection ratio (PSRR), micro power loss, and simple peripheral structure etc. In order to meet the needs of power market development, bining with self features of LDO system, this thesis proposes a kind of LDO linear regulator with low power and excellent stability. Firstly, this thesis gives a brief introduction on working principles and basic indicators of LDO regulator. System structure will be deeply discussed in TRAN, DC, AC three aspects and designing key points along with various parameter tradeoff relationships will be expounded subsequently. Then, optimums every submodule and determines the final system architecture from the angle of low power design. In order to obtain the path to research on stability of LDO system, calculates loop gain and deduces zeropole distribution by setting up AC small signal models. Nested miller pensation (NMC) and Trackingfrequency pensation will be introduced to ensure the stability of LDO topological structure which adopts two stage cascade error amplifier driving pass element directly. Discusses probable situation of nulling resistor in NMC circuits, and eliminates effect of righthalfplane zero effectively by fixing a best pensation structure. Analyzes structure and working principle of every III submodule in detail, simulation results of whole chip will be shown in the end. Circuit design is based on CSMC CMOS process and simulation has been pleted under different binations of spice models, supply voltages and operating temperatures. The whole chip cost static current of , bandwidth is almost constant and the system keep excellent stability under whole output current range. Keywords： Linear Regulator Low Dropout Voltage Nested Miller Compensation Trackingfrequency Compensation Low Power IV 目 錄 摘 要 ....................................................(I) Abstract .................................................(II) 1 緒論 LDO 線性穩(wěn)壓器的研究意義 .............................(1) LDO 線性穩(wěn)壓器的研究目的 .............................(4) 論文章節(jié)安排 .........................................(4) 2 LDO 線性穩(wěn)壓器的簡介 LDO 的結構與工作原理 ..................................(6) LDO 的基本性能指標 ....................................(7) LDO 的基本應用 .......................................(10) 本章小結 ............................................(12) 3 LDO 系統(tǒng)架構的設計考慮 LDO 系統(tǒng)電路的瞬態(tài)研究 ...............................(13) LDO 系統(tǒng)電路的直流研究 ...............................(16) LDO 系統(tǒng)電路的交流研究 ...............................(17) LDO 子模塊的設計考慮 .................................(19) 本章小結 ............................................(25) 4 LDO 穩(wěn)定性研究與補償方式的確定 LDO 環(huán)路增益的建模 ...................................(27) 傳統(tǒng) ESR 電阻補償 ....................................(29) LDO 補償方式的優(yōu)化 ...................................(34) 本章小結 ............................................(43) V 5 模塊電路的實現(xiàn)與仿真 基準與偏置電路的設計 ................................(44) 恒定限流電路的設計 ..................................(47) FOLDBACK 電路的設計 ..................................(50) 本章小結 ............................................(54) 6 LDO 整體電路仿真與分析 瞬態(tài)仿真與分析 ......................................(55) 直流仿真與分析 ......................................(56) 交流仿真與分析 ......................................(58) 本章小結 ............................................(59) 7 全文總結 ..............................................(61) 致 謝 .................................................(63) 參考文獻 .................................................(64) 1 1 緒 論 半導體工藝技術的提高及便攜式電子產(chǎn)品的普及促使電源管理 IC有了長足的發(fā)展。 LDO(lowdropout)線性穩(wěn)壓器作為較早應用于電子設備中的一種電源管理電路，以其電路結構簡單、占用芯片面積小、高紋波抑制比、低噪聲等優(yōu)點，牢固地占據(jù)著電源管理 IC市場的一席之地。本章首先介紹電源管理 IC的發(fā)展趨勢，比較幾種直流穩(wěn)壓電路的優(yōu)缺點，然后闡述了 LDO線性穩(wěn)壓器國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀，指出電路低功耗設計的需要，進而引出研究 LDO電路的意義與目的，最后提出本文的結構與主要內(nèi)容。 LDO 線性穩(wěn)壓器的研究意義 電源管理 IC 的發(fā)展趨勢 近年來，各種便攜式電子產(chǎn)品的普及與產(chǎn)品功能的豐富， 對電源管理 IC提出了諸如高集成度、高性價比、高效率等要求。隨著半導體技術的飛速發(fā)展，電源管理 技術也 在 不斷進步。目前便攜設備 的 電源管理技術正朝著電源管理與系統(tǒng)整合的方向發(fā)展，主要呈現(xiàn)出以下三大發(fā)展趨勢： 一是盡可能提高電池功率轉換效率。電源管理 IC供應商目前主要利用先進的半導體工藝，如美國國家半導體 (NS)采用其 “ 低電壓低功耗 CMOS工藝 ” ，來減小靜態(tài)電流，提高轉換效率。 二是最大限度地提高負載器件的功率利用效率。 過去 電源管理 IC供應一直將關注重點放在管理功率的傳遞上，即如何為不同的負載器件分 配不同的功率。但現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)負載器件 的功率消耗也是一個充滿潛力可挖的管理課題。 比如，負載器件在不同工作負荷下不必一律讓其處于全速運行狀態(tài)；再如，負載器件在待機和工作狀態(tài)下不必供應同樣的功率。只要管理得好，這也可成為延長電池工作壽命的一大重要因素。美國國家半導體公司的自適應電壓調(diào)整 (AVS)技術和 TI的動態(tài)電壓與頻率調(diào)整 (DVFS)技術就是為了滿足這一功率管理挑戰(zhàn)而提出的解決辦法。 2 三是減小器件的體積 ， 進一步提高集成度，并采用更先進的封裝技術，如 CSP、LLP和 Micro SMD等。 與世界其它地 區(qū)相比，中國的電源管理芯片市場始終保持著快速的發(fā)展態(tài)勢。2021年，中國電源管理芯片銷售額達到了 267億元。隨著全球制造業(yè)進一步向中國的轉移，預計到 2021年，中國將成為世界 上 最大的電源芯片需求市場，銷售額預計將達到 735億元人民幣。 從應用領域來看，國內(nèi)電源管理芯片市場主要分布在消費電子、網(wǎng)絡通信、計算機 和 工業(yè)控制等領域 。 賽迪顧問預測， 2021－ 2021年 中國電源管理芯片市場 規(guī)模復合增長率將達 %，電 源管理產(chǎn)品仍將是集成電路產(chǎn)品中最為活躍的產(chǎn)品之一。未來幾年， 由 于以下因素 的影響 ， 國內(nèi) 電源管理芯片市場還 將 繼續(xù) 保持快速發(fā)展的勢頭 ： 1） 半導體產(chǎn)業(yè)環(huán)境 趨 好。近年來，筆記本 電腦 、數(shù)碼相機和其它 IT產(chǎn)品的生產(chǎn)基地大規(guī)模向中國轉移，中國已經(jīng)成為世界 IT