【正文】 機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、數(shù)字音樂播放器、手持醫(yī)療儀器等便攜式電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用，電池與電源管理半導(dǎo)體產(chǎn)品成為半導(dǎo)體領(lǐng)域的市場(chǎng)熱點(diǎn)之一，其增長(zhǎng)趨勢(shì)也高于半導(dǎo)體整體市場(chǎng)的發(fā)展速度，甚至超過了數(shù)字信號(hào)處理器(Digital Signal Processor,DSP)和存儲(chǔ)器等半導(dǎo)體產(chǎn)品的增長(zhǎng)速度。這些便攜式產(chǎn)品在功能、性能、體積和成本等方面的提高與改進(jìn)日新月異，這就對(duì)依賴電池電源的便攜式設(shè)備中至關(guān)重要的電源管理系統(tǒng)的要求越來越高。在此基礎(chǔ)上，提出了一種增益高，并增加了快速反饋環(huán)路的 LDO 線性穩(wěn)壓器。指導(dǎo)教師簽字： 日期： 年 月 日2 / 47摘要 本文針對(duì)便攜式電子設(shè)備電源管理芯片做了研究和設(shè)計(jì)。2 主要內(nèi)容：文獻(xiàn)綜述、進(jìn)行方案比較、了解應(yīng)用軟件及編程設(shè)計(jì)過程、具體硬件設(shè)計(jì)、仿真數(shù)據(jù)整理與結(jié)果分析、撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）與翻譯、答辯3 要求：計(jì)對(duì)便攜式電子設(shè)備的電源管理芯片的硬件部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，在系統(tǒng)中研究電源管理芯片構(gòu)成與系統(tǒng)應(yīng)用等技術(shù)。側(cè)重于系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。首先，介紹了三種實(shí)現(xiàn) 將電池電量或其他電能轉(zhuǎn)換成恒定電壓或恒定電流輸出的方法：DCDC 轉(zhuǎn)換器、電荷泵電壓變換器、LDO 線性穩(wěn)壓器，并且做了對(duì)比研究。運(yùn)用 SRE 技術(shù)，進(jìn)一步提高了瞬態(tài)響應(yīng)的性能。優(yōu)秀的電源管理系統(tǒng)能提高電池供電效率、延長(zhǎng)電池供電時(shí)間、提高電池使用壽命。據(jù)估計(jì)，從2022 年至 2022 年，每年電源銷售額以 15%的幅度增長(zhǎng)，到 2022 年全球整個(gè)電池與電源管理市場(chǎng)達(dá)到近 120 億美元的銷售額。電池與電源管理芯片產(chǎn)品可劃分為兩大類：(1)管理、保護(hù)電池的電池管理類產(chǎn)品，包括電池監(jiān)測(cè)和保護(hù)芯片、電池充電器芯片等；(2)將電池電量或其他電能轉(zhuǎn)換成恒定電壓或恒定電流輸出的電源管理類產(chǎn)品，包括直流直流轉(zhuǎn)換器(DCDC Converter )，低壓差線性穩(wěn)壓器(Lowdropout Linear Regulator, LDO )、發(fā)光二極管(Lightemitting Diode，LED )驅(qū)動(dòng)器、電源管理單元( Power Management Unit，PMU)等。 近幾年隨著電池技術(shù)的飛速發(fā)展，鋰離子電池已不僅應(yīng)用于只需單節(jié)電池的民用便攜式電子設(shè)備，例如手機(jī)，數(shù)碼相機(jī)，MP3 等，還應(yīng)用在需要多節(jié)電池組供電的筆記本電腦、航空航天設(shè)備、移動(dòng)通訊基站、電動(dòng)力汽車等民用、軍事和工業(yè)領(lǐng)域。在功能方面，根據(jù)不同應(yīng)用而開發(fā)出某種單一功能的電池保護(hù)芯片，因?yàn)榭梢源蟠蠼档统杀?，也逐漸成為一個(gè)發(fā)展方向。同時(shí)由于手機(jī)等便攜式產(chǎn)品的大量需求，使得 PMU 和電池管理芯片一起成為了 2022 年中國(guó)電池與電源管理芯片市場(chǎng)上增長(zhǎng)最快的兩種產(chǎn)品。PMU 與 LDO 和 DCDC 這些單一功能產(chǎn)品不同，它可能同時(shí)集成多個(gè) LDO。目前，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界正在針對(duì)如何提高電池的功率轉(zhuǎn)換效率和利用效率、延長(zhǎng)續(xù)航時(shí)間提高使用壽命，如何進(jìn)行電池與電源管理系統(tǒng)的體系革新進(jìn)行富有意義的產(chǎn)品和技術(shù)創(chuàng)新。不同負(fù)載需要不同類型的電源。通用型穩(wěn)壓器 IC 還可讓用戶指定輸出電壓。 （2）負(fù)載電流變化大4 / 47 由于負(fù)載電路的工作狀態(tài)不定，所以穩(wěn)壓器 IC 的輸出電流通常會(huì)有很大變化，可從空載(無輸出電流)到幾百毫安，甚至幾個(gè)安培。 （4）輸出電壓精度高一般輸出電壓的精度要求為177。177。這些措施包括：輸出過流保護(hù)、溫度保護(hù)、短路保護(hù)以及電池極性反接保護(hù)。并對(duì)其調(diào)制方式做了簡(jiǎn)單介紹和說明。 針對(duì) LDO 的研究與設(shè)計(jì) 針對(duì)提高瞬態(tài)響應(yīng)性能，提出了一種雙反饋環(huán)路的 LDO 線性穩(wěn)壓器。另外，在該芯片的軟啟動(dòng)5 / 47電路中，使用了反相導(dǎo)通的二極管進(jìn)行高溫補(bǔ)償，這種新穎的高溫補(bǔ)償技術(shù)使得LDO 的工作溫度范圍能夠擴(kuò)展到40130 。論文的第二章對(duì) DCDC 轉(zhuǎn)換器，電荷泵變換器，便攜式設(shè)備用 LDO 做了簡(jiǎn)單介紹。并對(duì) LDO 線性穩(wěn)壓器做了軟件仿真。開關(guān)電源通過調(diào)節(jié)功率晶體管的導(dǎo)通占空比，來控6 / 47制輸出電壓。 LDO 是一種基于傳統(tǒng)電壓閉環(huán)反饋控制的線性穩(wěn)壓器，具有噪聲低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低及封裝尺寸小等突出優(yōu)點(diǎn)，因而在便攜式電子產(chǎn)品中應(yīng)用廣泛 [5]。讓LDO 工作在調(diào)制區(qū)臨界點(diǎn)附近，可得到相對(duì)較高的轉(zhuǎn)換效率。在討論 DCDC 轉(zhuǎn)換器的性能時(shí)，如果單針對(duì)控制芯片，是不能判斷其優(yōu)劣的。因?yàn)?BJT 管需要對(duì)其基極提供驅(qū)動(dòng)電流，這增加了電路的電流消耗，而MOSFET 是電壓驅(qū)動(dòng)，無需對(duì)其柵極提供電流，也就不會(huì)增加電路的電流消耗。PWM 控制方式分電流模式控制和電壓模式控制兩種方式。當(dāng)輸入電壓降至一個(gè)接近輸出電壓的值時(shí)，占空比向最大導(dǎo)通時(shí)間增加，輸入電壓的進(jìn)一步降低將使主開關(guān)在超過一個(gè)周期的時(shí)間里保持導(dǎo)通狀態(tài)，直到占空比達(dá) 100 %，這時(shí)電路可能會(huì)發(fā)生子諧波振蕩，需要通過一個(gè)斜率補(bǔ)償電路來保持這種恒定架構(gòu)的穩(wěn)定性，在大占空比情況下是通過給電感電流信號(hào)增加一個(gè)補(bǔ)償斜坡來實(shí)現(xiàn)的。 降壓型 DCDC 轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 圖 21 降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖 圖 21 是降壓型 DCDC 轉(zhuǎn)換器的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。將 S2 在一個(gè)開關(guān)周期 T 中導(dǎo)通的時(shí)間記為 tOFF：相應(yīng)的，其導(dǎo)通占空比 ton/T記為 D39。0ononSWi inintVDV???????? （）8 / 47 另一方面，對(duì)于電感電流 IL來說，在 0t0時(shí)間段內(nèi)，S 1導(dǎo)通，S 2截止，I L以某個(gè)固定斜率上升，該斜率可表示為： 1inoutVML?? （）TonT 時(shí)間段內(nèi)，S 2導(dǎo)通，S 1截止，I L以固定斜率下降，該斜率可表示為： 2out （） 在降壓轉(zhuǎn)換器處于穩(wěn)定狀態(tài)下時(shí)，輸出電流 Iout就等于 IL的平均值，并且電感電流上升段的增量與下降段的相等。除輸出電流 Iout過小以外，周期 T 過長(zhǎng)，電感 L 過小也都能引發(fā)電感電流不連續(xù)的工作狀態(tài)。在 tonton+toff時(shí)間段內(nèi)，S 1截止，S 2導(dǎo)通，V SW電壓等于0；以式(44)表示的斜率下降，并于 ton+toff時(shí)刻下降至 0。 在圖所示的 DCDC 轉(zhuǎn)換器中，把所有的電路元器件均看作理想的情況下，其輸出功率等于輸入功率，因此 DCDC 轉(zhuǎn)換器具有很高的效率。V out上的紋波電壓也即電容上最高和最低電壓的差值，可以表示為 VoutD39。根據(jù)系統(tǒng)輸入輸出電壓和負(fù)載等的變化調(diào)制占空比的方式，主要有脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation PWM)方式、脈沖頻率調(diào)制(Pulse Frequency Modulation PFM)方式和諧振調(diào)制方式這三種。實(shí)現(xiàn) PWM 調(diào)制的控制環(huán)路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。并且，由 PFM 調(diào)制的 DCDC 轉(zhuǎn)換器，其輸出電壓的紋波也比 PWM調(diào)制下的大。電壓型 PWM 控制的優(yōu)點(diǎn)有 [6]：(1)僅含一個(gè)反饋環(huán)路，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)試容易；(2)對(duì)輸出負(fù)載變化的響應(yīng)調(diào)節(jié)較好；(3)該控制方式中使用到的鋸齒波幅值較大，PWM 調(diào)節(jié)時(shí)的抗噪聲裕量較好；(4)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且電路容易實(shí)現(xiàn)。 PWM 控制 DCDC 轉(zhuǎn)換器具有兩個(gè)狀態(tài)變量，分別為輸出電壓和電感電流，是一個(gè)二階系統(tǒng)。 峰值電流型 PWM 控制的優(yōu)點(diǎn)有 [4]： (1)具有較快的輸入電壓和負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)；(2)瞬時(shí)峰值電流的限流功能，無須額外的過流保護(hù)電路。 均值電流型 PWM 控制的缺點(diǎn)有 [4]： (1)電流放大器 CA 的增益和線性度不容易控制； (2)雙閉環(huán)的帶寬、增益等參數(shù)設(shè)計(jì)和調(diào)試難度都較大，電路的復(fù)雜度高； (3)高性能電流傳感電路的片內(nèi)集成不容易實(shí)現(xiàn)。 電荷泵電壓變換器基礎(chǔ) 電荷泵電壓反轉(zhuǎn)器是將輸入的正電壓轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的負(fù)電壓，即 Vout=Vin另外，它也可以把輸出電壓轉(zhuǎn)換成近兩倍的輸入電壓，即 Vout=2Vin。因工作于較高頻率，可使用小型陶瓷電容器(1μF)，占用空間最小，使用成本較低。 90 年代以后，隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)的進(jìn)步與便攜式電子產(chǎn)品的迅猛發(fā)展，各半導(dǎo)體器件公司開發(fā)出各種新型電荷泵變換器，它們?cè)谄骷庋b、功能和性能方面都有較大改進(jìn)，并開發(fā)出一些專用的電荷泵變換器。 2. 減小功耗 為了延長(zhǎng)電池的壽命或兩次充電之間的間隔，要盡可能減小器件的靜態(tài)電流。例如，MAX662A、AIC1841 兩器件都有關(guān)閉功能，在關(guān)閉狀態(tài)時(shí)耗電小于 1μA，幾乎可忽略不計(jì)。 4. 減少占印板的面積 減少電荷泵變換器占印板面積有兩種措施：采用貼片或小尺寸封裝 IC，新產(chǎn)品13 / 47采用 SO 封裝、μMAX 封裝及開發(fā)出尺寸更小的 SOT23 封裝；其次是減小外接電容的容量。MAX1680/1681 的工作頻率高達(dá) 1MHz，在輸出電流為 125mA 時(shí)，外接泵電容僅為 1μF。 5. 輸出負(fù)電壓可設(shè)定（調(diào)整） 一般的電荷泵變換器的輸出負(fù)電壓 VOUT = VIN，是不可調(diào)整的，但新型產(chǎn)品MAX1673 可外接兩個(gè)電阻 RR 2來設(shè)定輸出負(fù)電壓。該器件實(shí)際上是經(jīng)兩次倍壓（四倍壓）后其經(jīng)穩(wěn)壓后輸出。輸出電壓精度為 177。2 倍的輸出電壓。它的輸出電壓是工廠生產(chǎn)時(shí)精密預(yù)置的,可通過后端片上線性調(diào)整器調(diào)整，因此電荷泵在設(shè)計(jì)時(shí)可按需要增加電荷泵的開關(guān)級(jí)數(shù)，以便為后端調(diào)整器提供足夠的活動(dòng)空間。例如 D/A 變換器電路、A /D 變換器電路、V/F 或 F/V 變換電路，運(yùn)算放大器電路、電壓比較器電路等等。功率開關(guān)按一定規(guī)則周期地導(dǎo)通和關(guān)閉，使開關(guān)電容從輸入電源充電，得到電荷，然后放電，將電荷轉(zhuǎn)移至負(fù)載，完成電平和功率轉(zhuǎn)換。電荷泵在穩(wěn)態(tài)下進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換的工作原理可通過下例進(jìn)行說明。其時(shí)鐘信號(hào)波形如圖 25 所示。因此，該相位通常也被稱為充電相位。C1 對(duì) C2 放電，C1 在 Φ1 得到的電荷在 Φ2 階段被轉(zhuǎn)移到 C2 和負(fù)載，使 C2 和輸出負(fù)載 Vin 得到電荷。周而復(fù)始，為負(fù)載提供穩(wěn)定的電壓電流。 電荷泵轉(zhuǎn)換器的基本概念 上一節(jié)的例子說明了電荷泵工作的基本原理，即通過開關(guān)改變電路拓?fù)洌瑢㈦姾蓮碾娫崔D(zhuǎn)移至輸出，并利用電容兩端電壓差不能突變的特性，得到一定增益比的輸出電壓 [9]。 增益比由拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)確定。改變電容數(shù)和開關(guān)的位置，可以得到其他的增益比，包括整數(shù)比和分?jǐn)?shù)比。增益的電荷泵工作狀態(tài)等效電路圖從圖中可看出，開關(guān)的位置沒有畫出，但表示出了電荷泵的兩個(gè)狀態(tài)。二． 開關(guān)導(dǎo)通電阻 影響實(shí)際輸出電壓大小的原因之一即是開關(guān)的導(dǎo)通電阻。R on 越大，表明?V on 越大，損失的功率也越大。對(duì)電荷泵輸入輸出特性用戴維南模型進(jìn)行等效分析，用開路輸出電壓和等效串聯(lián)輸出電阻來模擬輸出特性。其等效串聯(lián)輸出電阻為 8outSONLdVRI? （)該電荷泵等效電路如圖 29 所示。其下降幅度 VR決定于 /212nTLLRtOUOUTTIIdCCf???? （）其中，假設(shè)負(fù)載電流 IL變換很小，近似為常數(shù)，T 表示開關(guān)周期大小，f 表示開關(guān)頻率。更實(shí)際而重要的意義在于在實(shí)現(xiàn)大功率輸出的轉(zhuǎn)換器時(shí)，若 θ 過低，則功耗過大。傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器，如78xx 系列的芯片都要求輸入電壓要比輸出電壓高出2V3V 以上，否則就不能正常工作。由于出現(xiàn)了導(dǎo)通電阻很小的MOSFET 可以輸出很大功率，因而不需要外部的大功率 FET。有些新器件還增加許多新功能，如軟啟動(dòng)、限流、PFM或者 PWM 方式選擇等。所以我們需要 LDO 頻率補(bǔ)償線圈,以滿足其穩(wěn)定嚴(yán)格要求。 LDO 的應(yīng)用非常簡(jiǎn)單，很多 LDO 僅需在輸入端及輸出端各接一顆電容即可穩(wěn)定工作。在一些低功耗應(yīng)用中，應(yīng)當(dāng)盡量選擇 Iq 小的 LDO[4]。 研究線性穩(wěn)壓器的動(dòng)機(jī)來自于人們對(duì)高性能電源供電電路需求的日益增長(zhǎng)，我們總是希望為便攜式產(chǎn)品供電的電源管理芯片能夠做到高集成度、高可靠性、低噪聲、抗干擾、低功耗，突破散熱瓶頸，高效節(jié)能，延長(zhǎng)電池壽命，提高產(chǎn)品性能。 LDO 線性穩(wěn)壓器基礎(chǔ) 圖 210 LDO 的基本結(jié)構(gòu)框圖 基本的 LDO 線性穩(wěn)壓器如圖 210 所示，主要模塊有：帶隙基準(zhǔn)電壓源(Bandgap)電流偏置電路(BIAS )、誤差放大器(ERRAMP)、電流限制與短路保護(hù)電路(Current Limit) 調(diào)整功率管(Pass Transistor )、反饋網(wǎng)絡(luò)(RF12)以及負(fù)載。從圖的小信號(hào)模型可以得到，該 LDO 的環(huán)路增益為 ????1102()FmLESRLgrsCRTssr?????????? () 其中 gm1和 r01分別為誤差放大器的跨導(dǎo)和輸出阻抗，C 1為誤差放大器輸出處的寄生電容，C 1約等于調(diào)整功率管的柵極電容 Cg，g mL為調(diào)整功率管的跨導(dǎo)，r 02為調(diào)整功率管自身的溝道阻抗，R L為 Vout處的總電阻，r l≈R L。因此，如圖 41 的 LDO 中，會(huì)具有