【正文】 的研究意義與目的。這些芯片的性能絲毫不亞于國外同類產品，而價格則更適合于當前國內市場。以 NPN、 PNP為調整管的 LDO市場逐步萎縮；而以 PMOS管作為調整管的 LDO以其較低的漏失電壓、較小的靜態(tài)電流等優(yōu)勢占領了較大的市場份額； DMOS工藝的 LDO在對漏失電壓要求很高的應用中占有一定的份額 ； BCDMOS工藝的 LDO也已有了批量生產 [3]。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。在開關穩(wěn)壓電路中有一個工作在開關狀態(tài)的晶體管，工作于飽和導通或截止兩種狀態(tài)，因此開關管功耗較小并且與輸入電壓大小無關。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。 LCD顯示器 、 數(shù)字電視 和 汽車電子 等產品的快速增長 ，以及中國 3G牌照 頒發(fā)與應用的推廣，必將促進 中國電源管理芯片市場 繼續(xù) 保持平穩(wěn)快速的發(fā)展 。 從應用領域來看，國內電源管理芯片市場主要分布在消費電子、網絡通信、計算機 和 工業(yè)控制等領域 。 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。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。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。 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，牢固地占據著電源管理 IC市場的一席之地。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。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。 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。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。 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。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容。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。 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。 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。 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 源管理產品仍將是集成電路產品中最為活躍的產品之一。 直流電源變換器的比較 根據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、開關式電壓調整器及電荷泵式電壓調整器。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，在滿負載電流時只有 45mV的極低漏失電壓。隨 著芯片集成度的提高，許多新型 DCDC轉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噪聲較大、成本相對較高。 表 11 三種直流電源調整器的特點比較 類型 指標 線性穩(wěn)壓器 開關式電壓調 整器 電荷泵式電壓調整器 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 為了滿足日益復雜的電子產品電源需求，實現(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)壓器結合起來，克服這三種電壓調整器各自固有的缺陷，從而達到低噪聲和高效率的最佳組合 [1~2]。 與國外相比，國內 LDO線性穩(wěn)壓器的研究起步較晚。 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品對低功耗的強烈要求，使得 LDO 穩(wěn)壓器必須具有較小靜態(tài)電流的特點。 第二章簡要介紹了 LDO穩(wěn)壓器的結構、工作原理、基本性能指標以及典型的應用電路。引入了嵌套式密勒補償和動態(tài)零點補償方法，并對嵌套式密勒補償中調零電阻可能存在的位置進行分析，確定了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。 第七章是全文總結，簡單歸納了本文所做的主要工作。 LDO 的結構與工作原理 基本的 LDO線性穩(wěn)壓器 包括 誤差放大器、調整元件、 基準與偏置電路以及反饋比例電阻網絡，再加上諸如 過溫、限流 、電池極性反轉等 保護電路 就構成了一個完整的 LDO系統(tǒng) [4~6]。 7 圖 21為 PMOS型 LDO線性 穩(wěn)壓器的基本結構圖。按輸出電壓值可分為 固定輸出電 壓和可調輸出電壓兩種類型。 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)壓器正常工作時對應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) 它是反映調整管調節(jié)輸出電壓能力的一個重要參數(shù)。另外，在小負載電流時，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 ，穩(wěn)壓器的效率將減 小 一半，因此當設備處 于“待 10 機”時靜態(tài)電流將決定 電池的使用壽命。與負載調整率一樣，該指標也是越小越好。 在該電路中， LDO線性穩(wěn)壓器的作用是在 交流電源電壓或負載變化時穩(wěn)定輸出 直流 電壓， 減小交流噪聲對輸出電壓的影響。在開關性穩(wěn)壓器輸出端接入 LDO線性穩(wěn)壓器，如圖 24(c)所示，就可以實現(xiàn)有源濾波，而且也可大大提高輸出電壓的穩(wěn)壓精度，同時電源系統(tǒng)的效率也不會明顯下降。然后，重點說明了 LDO的幾組關鍵性能指標， 為 后續(xù)章節(jié) 對 LDO進行瞬態(tài)、直流、交流 三方面的 研究 作好 鋪墊， 最后介紹了 LDO穩(wěn)壓器 在 幾種典型 場合下的 應用。 LDO線性穩(wěn)壓器通常會給低壓數(shù)字電路供電，數(shù)字電路經常存在各種工作模式之間的開關轉換， 這樣當其發(fā)生階躍變化時， LDO的輸出電壓變化范圍一定要在 標稱 范圍內，才能保證電路 的 正常工作 。比如輸出電流 Iout從 0跳變到最大輸出電流 Io(max)，那么輸出最大下降脈沖 14 tr maxV?? 為： ( ) ( )1 1 ( )O M A X O M A Xtr m a x e s r O M A X E S Ro u t o u tIIV t V t I RCC?? ? ? ? ? ? ? ? (31) 從 (31)式可以看到 tr maxV?? 是響應時間 1t? 、輸出電容 outC 等的 函數(shù)。 當 Isr足夠大時，響應時間主要由系統(tǒng)閉環(huán)帶寬決定。而調整時間 2t? 的確定主要依賴于調整管輸出電流驅動輸出電容和旁路電容的能力，以及系統(tǒng)開環(huán)頻率響應的相位裕度參數(shù)。此時，輸出電壓的調整將主要取決于 LDO系統(tǒng)的輸出電容參數(shù)，即： 43 esrV V V? ? ? ?? (36) ? ? 14 4 4o u t b Fo u t bp u ll d o w n r e fC C RCCt V VIV???? ? ? ? ? (37) 其中 ， pull downI ? 為 LDO分壓網絡流過的小電流 ， 1FR 是 反饋比例電阻網絡的電阻 之一。 輸出電壓最大變化量是系統(tǒng)閉環(huán)帶寬和擺率的函數(shù)，而帶寬和擺率又受電路靜態(tài)電流的嚴格限制。 所以系統(tǒng)的低功耗設計和負載瞬態(tài)響應是矛盾的，在設計 LDO穩(wěn)壓器時要折衷考慮這兩者的關系。因此，輸入輸出電壓關系為： 1211 ()out FFin F m a m p o a z o nV RRV R g g R R R? ????? (314) 和負載調整率一樣，只要提高了反饋環(huán)路的開環(huán)增益就可以減小電壓調整率。 圖 32是對 PMOS型 LDO做 PSRR分析時的簡化交流小信號 模型 [19]，可以推出 LDO的電源抑制比為： 2 12 21()( ) ( ) ( )g s p g d p m p g d p m pouti n o u t g s p g d p m p g d p g s p o u t m p m as C C s g C g GVsP S R R V s s C C C s g C G C G C g g++== + + + + + (315) gsCgdoaR ()inVsoutVor outCm a fbgV1()Vs1 ()mpg V sloadR 圖 32 PMOS 型 LDO 的 PRSS 分析簡化交流小信號模型 由 (315)式可知， LDO的 PSRR直流增益、零極點分別為： 1001ma OTAGPSRR gA??? (316) 112mpP S R R O T AgdpgGZ B WCG = = (317) 2 mpPSRR gspgZ C = (318) 1 21m p m a maP S R R L D Om p g d p g s p g d p g d pgg gP G B Wg C G C G C C? ? ? ? ??? (319) 212 ()m p g d p g sp o u tP S R Ro u t g sp g d pg C G C G CP C C C? ???? ? (320) 其中： 11 ()oaGR?? 、 12 ()outGR?? ， (0)OTAAV 、 BWOTA、 GBWLDO分別為誤差放大器的直流增益、帶寬以及 LDO的增益帶寬積。雙極器件開發(fā)早、工藝相對成熟、穩(wěn)定，用雙極工藝可以制造出速度高、驅動能力強、模擬精度高的器件，適用于高精 度的模擬集成電路。新一代的 LDO 都是用 CMOS 工藝生產的，它和使用 Bipolar 工藝生產的 LDO 功能上沒有太大的區(qū)別，而靜態(tài)電流、轉換效率、噪音抑制等內在性能卻有很大的提高 [20]。為了使之能夠正常工作，漏失電壓應大于一個 PN結正向導通壓降與 PNP飽和壓降之和，即： ( ) ce beV V sat V V? ? ? (322) 以上兩種結構的調整管穩(wěn)壓器具有相對較小的靜態(tài)電流，因為調整管 NPN管的驅動電流由 PNP管的集電極電流注入，驅動電流直 接經過大調整管 NPN管放大輸出給了負載。當負載電流 Io增加時，基極驅動電流 Idrv也隨之增大。 如果系統(tǒng)的電流供應能力不足，穩(wěn)壓器甚 至無法正常啟動。通過比較上述五種結構，為實現(xiàn)線性穩(wěn)壓器低功耗、低漏失、高效率的特點， 選 用 PMOS管作 為 調整管是最佳的 方案 。但 類型 參數(shù) 達林頓管 NPN PNP PMOS 最大輸出電流 高 高 高 中 靜態(tài)電流 中 中 大 小 漏失電壓 Vsat+2Vbe Vsat+Vbe Vce Vsat 效率 低 中 高 高 22 如果一味地增大調整管的寬長比，其柵極寄生電容 Cpar也會增加，造成誤差放大器擺率的降低；同時使相應的寄生極點左移，減小相位裕度，從而可能引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。因此，應該綜合以上因素為調整管選擇適當?shù)膶掗L比。 首先，誤差放大器的直流增益與 LDO的負載調整率、線性調整率成反比，從這個方面就要求誤差放大器的直流增益越大越好；但過大的低頻增益會展寬 LDO電路的帶寬，將高頻寄生極點包含在單位增益頻率內，從而降低了系統(tǒng)的相位裕度，甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。所以，我們將誤差放大器的結構定為簡單的二級級聯(lián)放大器上。這樣通過緩沖級就可以避免采用較大的輸出電容補償 P1，而且系統(tǒng)的負載瞬態(tài)響應特性也會得到較大的改善。此外，隨著負載電流的增大，還可能使 誤差放大器的輸出級晶體管從飽和區(qū)進入線性區(qū)。基準電壓的漂移主要包括兩部分： 一是 溫度變化引起的基