【正文】 的功耗可通過開關(guān)的等效導(dǎo)通電阻來(lái)表示，記作 Ron，定義為： onVRI?? （）對(duì)于固定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、負(fù)載確定的電荷泵，流過開關(guān)的電流 I 的大小與負(fù)載電流成正比，的功率也越大負(fù)載電流確定，一般 I 值也確定。轉(zhuǎn)換效率 θ 的重要性不單體現(xiàn)在節(jié)能方面。然而,如果我們對(duì) PMOS 增加一個(gè)同源反向放大的元素,就會(huì)有一個(gè)高輸出阻抗,使輸出桿的位置改變，負(fù)荷和電路穩(wěn)定性低。因此開展研究 LDO 線性穩(wěn)壓器的工作具有十分重要的意義。將圖中的誤差放大器分為 A，B 兩級(jí)，其中 A 為增益級(jí)，B 為增益約為 1 的緩沖級(jí)。在這種頻率補(bǔ)償方法中沒有用到 ESR 零點(diǎn)，因此系統(tǒng)的穩(wěn)定性受電容類型、溫度等外部因素的影響非常小，環(huán)路帶寬等性能參數(shù)受負(fù)載電流的影響也比較小 [14]。在不同的輸出電流下調(diào)制臨界點(diǎn)處的 Vin也都不一樣，因此在提到 LDO 的壓差時(shí)，必須同時(shí)說(shuō)明對(duì)應(yīng)的輸出電流。由于線性調(diào)整率反應(yīng)的也是直流特性，因此在圖的模型中省略了電容。另一方面， ?VG又可以表示為 0outMLTgR???? () 其中 T0 為 LDO 的環(huán)路直流增益。在 dropout 區(qū)間，調(diào)整功率管工作在三角區(qū)，因此在這個(gè)區(qū)間，輸出電壓隨輸入電壓一同增大，表現(xiàn)出跟隨特性。 而在緩沖級(jí) B 的輸出處，仍舊會(huì)存在一個(gè)如式的次極 PB。而且相對(duì)來(lái)說(shuō)，p1 的位置較為固定，而 P0 的位置則會(huì)隨著負(fù)載電阻 RL的變化而變化，是一個(gè)移動(dòng)的極點(diǎn)。下面列出了 LDO 的一些重要特性及應(yīng)用方向。另外，如果開關(guān)頻率提高到 1MHz，還能夠降低成本、可以使用尺寸較小的電感器和電容器。在電荷泵的充電相位，與輸出節(jié)點(diǎn)相連的開關(guān)電容 COUT獨(dú)自提供輸出負(fù)載電流IL，此時(shí) VOUT下降。在相位 2，即放電相位，C1 和 C2 并聯(lián)，將電荷轉(zhuǎn)移至負(fù)載 RL。因此，認(rèn)為該電荷泵能夠輸出等于 2 倍輸入電壓的電平,即實(shí)現(xiàn)了2 倍增益的輸出 [7]。電荷泵一般工作在兩個(gè)狀態(tài)下，這兩個(gè)狀態(tài)由振蕩器 OSCILLATOR 產(chǎn)生相位互補(bǔ)的兩個(gè)時(shí)鐘信號(hào) Φ1 和 Φ2 進(jìn)行控制。輸入端噪聲可用一只小型電容器濾除。若采用 SOT23 封裝的器件及貼片式電容，則整個(gè)電荷泵變換器的面積可做得很小。這種帶穩(wěn)壓的產(chǎn)品還有 AD 公司的 ADM8660、LT 公司的 LT1054 等。均值電流型 PWM 控制的優(yōu)點(diǎn)有 [4]： (1)電感電流的平均值能夠高度精確地跟蹤基準(zhǔn)電流信號(hào)，從而保證了輸出電壓的精度；(2)無(wú)需斜坡補(bǔ)償；(3)調(diào)試好的均值電流型 PWM 電路具有優(yōu)越的抗噪聲性能。但同10 / 47時(shí)，由于 PFM 調(diào)制的開關(guān)頻率變化大，因而負(fù)載電路需要有濾波電路，增加了體積和設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。inD??? （） 由式可以看出，如圖所示的電路結(jié)構(gòu)，其輸出電壓 VOUT只會(huì)低于輸入電壓 Vin，因此這種電路結(jié)構(gòu)稱為降壓變換器。 將 Sl在一個(gè)開關(guān)周期 T 中導(dǎo)通的時(shí)間記為 ton；相應(yīng)的，其導(dǎo)通占空比 ton/T 記為 D。效率會(huì)相應(yīng)提高。 DCDC 轉(zhuǎn)換器，由于其功率晶體管(一般是 MOS 管或肖特基二極管)工作在開關(guān)狀態(tài)，所以被稱之為開關(guān)電源。并對(duì)將電荷泵穩(wěn)壓器用于低功率便攜式低于 5OOmA 的輸出電流，提供更高的小效率以及比傳統(tǒng)電源管理解決方案更低成本的電源方案做出簡(jiǎn)要說(shuō)明。而LDO 的轉(zhuǎn)換效率，雖然受輸出輸入電壓比控制，但低靜態(tài)電流，低壓差設(shè)計(jì)的 LDO也能保證在調(diào)制區(qū)臨界點(diǎn)附近工作時(shí)具有足夠的轉(zhuǎn)換效率。中國(guó)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)龐大，而主導(dǎo)著中國(guó)的電池與電源管理市場(chǎng)的卻是外國(guó)企業(yè)，德州儀器(TI） 、國(guó)家半導(dǎo)體(NS)和飛兆半導(dǎo)體(Fairchild)在總體市場(chǎng)份額方面處于領(lǐng)先地位，最大的 10 家電池與電源管理芯片供應(yīng)廠商也都是歐美企業(yè)。在多節(jié)鋰離子電池組管理芯片的研究中，也存在著諸多難點(diǎn)、諸多挑戰(zhàn)，這也正給工業(yè)界和學(xué)術(shù)界提供了重大機(jī)遇。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。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。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。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。 （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(wú)輸出電流)到幾百毫安，甚至幾個(gè)安培。并對(duì)其調(diào)制方式做了簡(jiǎn)單介紹和說(shuō)明。并對(duì) LDO 線性穩(wěn)壓器做了軟件仿真。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。 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。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。實(shí)現(xiàn) PWM 調(diào)制的控制環(huán)路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。 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(wú)須額外的過流保護(hù)電路。 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。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。2 倍的輸出電壓。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(shuō)明。周而復(fù)始，為負(fù)載提供穩(wěn)定的電壓電流。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)。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。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。在一些低功耗應(yīng)用中，應(yīng)當(dāng)盡量選擇 Iq 小的 LDO[4]。因此，如圖 41 的 LDO 中，會(huì)具有兩個(gè)頻率比較低的極點(diǎn)。二．誤差放大器零點(diǎn)補(bǔ)償法 圖 214 使用誤差放大器零點(diǎn)補(bǔ)償法的 LDO 如圖 214 所示，這種補(bǔ)償方法的核心思想是，在增益級(jí) A 的輸出處加入一串聯(lián)的 RC 網(wǎng)絡(luò)，形成一個(gè)頻率較低的零點(diǎn) z0，以抵消輸出處的極點(diǎn) p0。 LDO 的壓差 LDO 的壓差(dropout voltage)定義為，輸入電壓減小到使電路停止調(diào)制時(shí)的輸入輸出電壓差。 負(fù)載調(diào)整率 負(fù)載調(diào)整率(load regulation)反應(yīng)了負(fù)載電流對(duì)輸出電壓準(zhǔn)確度的影響，它定義為輸出電流于額定范圍內(nèi)變化時(shí)，輸出電壓的變化率。 小結(jié)以上所提到的三類穩(wěn)壓器 IC 都有一些共同的特點(diǎn)，例如穩(wěn)定性高、轉(zhuǎn)換效率高、輸出電壓精度高等，本文在第一章緒論部分已經(jīng)做了詳細(xì)地論述，在這里不再贅述。若負(fù)載電流是正跳變，?V out, max將是一負(fù)值，也就是說(shuō)，會(huì)在 Vout上形成一個(gè)下沖電壓；若負(fù)載電流是負(fù)跳變，?V out, max將是一正值，在 Vout上會(huì)形成一個(gè)過沖電壓。圖 215 是使用多級(jí)米勒頻率補(bǔ)償?shù)?LDO。 的相位裕度。另外，為得到良好的瞬態(tài)響應(yīng)，一般 LDO 都要在片外接一個(gè)比較大的負(fù)載電容 CL。在 LDO 運(yùn)算放大器模塊、性能調(diào)整模塊和電阻的反饋模塊分析的基礎(chǔ)上,本文運(yùn)用多元線性補(bǔ)償、內(nèi)部 六． 功率損耗分析功率損耗的來(lái)源是開關(guān)導(dǎo)通電阻引起的功耗和系統(tǒng)控制電路及動(dòng)態(tài)電流引起的功耗。在實(shí)際情況下，電荷泵輸出電壓的大小受到負(fù)載等因素影響。當(dāng)增益大于 1時(shí)，即 VoutVin，電荷泵工作在升壓模式，稱為 Boost 或 Step up。C1 負(fù)極板接到電源際，正極板接到 C2 正端。對(duì)采用電池供電的便攜式電子產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，采用電荷泵變換器來(lái)獲得負(fù)電源或倍壓電源，不僅僅減少電池的數(shù)量、減少產(chǎn)品的體積、重量，并且在少能耗〔延長(zhǎng)電池壽命)方面起到極大的作用。該器件用一節(jié)可充電電池或一節(jié)堿性電池就可輸出 穩(wěn)定的電壓。 3. 擴(kuò)大輸入電壓范圍 ICL7660 電荷泵電路的輸入電壓范圍為 ～10V，為了滿足部分電路對(duì)更高負(fù)壓的需要，已開發(fā)出輸入電壓可達(dá) 18V 及 20V 的新產(chǎn)品，即可轉(zhuǎn)換成18 或20V 的負(fù)電壓。雖然有一些 DCDC 變換器除可以組成升壓、降壓電路外也可以組成電壓反轉(zhuǎn)電路，但電荷泵電壓反轉(zhuǎn)器僅需外接兩個(gè)電容，電路最簡(jiǎn)單，12 / 47尺寸小，并且轉(zhuǎn)換效率高、耗電少、所以它獲得了極其廣泛的應(yīng)用。電壓型 PWM 控制的缺點(diǎn)有 [4]：(1)對(duì)輸入電壓的變化瞬態(tài)響應(yīng)較慢；(2)環(huán)路增益隨輸入電壓變化而變化，使得頻率補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)復(fù)雜度增加；(3)輸出處的 LC 濾波器使反饋環(huán)路中含有頻率較低的雙極點(diǎn)，頻率補(bǔ)償比較麻煩。因此，增大 LC，減小工作周期 T，可減小輸出電壓的紋波 [7]。從圖中可以看出，t on與 toff之和等于一個(gè)周期 T,并且電感中也始終有電流，因此這種工作狀態(tài)被稱為電感電流連續(xù)模式。電流模式控制方式有峰值電感電流控制和平均電感電流控制兩種方式。壓差是 LDO 線性穩(wěn)壓器的重要指標(biāo)，LDO 壓差(dropout voltage)的定義為，輸入電壓減小到使電路停止調(diào)制時(shí)的輸入輸出電壓差。該芯片采用了 CSMC 公司 CMOS混合信號(hào)工藝進(jìn)行流片測(cè)試。 mV/℃的水平；穩(wěn)壓器 IC 的輸出電壓受輸入電壓影響極小，反應(yīng)這一性能的負(fù)載調(diào)整率一般為 %/mA，有的則可達(dá)到 %/mA。它們的共同特點(diǎn)有： （1）穩(wěn)定性高 筆記本電腦的 CPU 使用率隨時(shí)都在變化，因此穩(wěn)壓器 IC 的負(fù)載變化大。在電源管理類產(chǎn)品方面，為了應(yīng)對(duì)不同的需求，其產(chǎn)品種類眾多。本章將首先介紹論文的課題背景，接著對(duì) DCDC 轉(zhuǎn)換器，LDO 線性穩(wěn)壓器，電荷泵電壓變換器的發(fā)展和研究現(xiàn)狀做簡(jiǎn)單概述，并以此引出本文的研究?jī)?nèi)容；接著給出整片論文的組成結(jié)構(gòu)。1 / 47畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)任務(wù)書課題名稱 便攜式電子設(shè)備電源管理芯片的研究系 別 自動(dòng)化專業(yè)班級(jí) 姓 名學(xué) 號(hào)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的主要內(nèi)容及要求:1 意義、目的 ：對(duì)便攜式電子設(shè)備的電源管理芯片進(jìn)行研究，為便攜式電子設(shè)備的電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供參考。本論文的研究目的，即是對(duì)便攜式電子設(shè)備電源管理核心部分電源管理芯片做一個(gè)簡(jiǎn)單的研究與探索。當(dāng)然，同電池充電器芯片及穩(wěn)壓器芯片集成在一3 / 47起是不變的目標(biāo)和潮流。以工作原理來(lái)分類，作為電源的穩(wěn)壓器 IC 主要可分為以下三大類：一是線性穩(wěn)壓器，主要是指低壓差的 LDO；二是以電感為基礎(chǔ)的交換式電源轉(zhuǎn)換器，主要是指 DCDC 轉(zhuǎn)換器；三是無(wú)電感的交換式電源轉(zhuǎn)換器，主要指電荷泵(Charge Pump)電壓反轉(zhuǎn)器?！?，有一些高性能的穩(wěn)壓器 IC 可達(dá)到177。 C。LDO 的調(diào)整功率管工作在線性范圍，因此它屬于線性穩(wěn)壓電源。電流模式控制方式是電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)雙環(huán)控制 UJ 輸入電壓和負(fù)載的變化將首先反應(yīng)在電感電流上，在輸入電壓或負(fù)載改變時(shí)具有更快的響應(yīng)速度。因此， ??inoutoutLnonVITtL?????? （) onutiinDT () 以上的分析是基于圖的波形。T2/8LC。(5)輸出電流大時(shí)轉(zhuǎn)換效率高。由于它是利用電容的充電，放電實(shí)現(xiàn)電荷轉(zhuǎn)換的原理構(gòu)成，所以這種電壓反轉(zhuǎn)器電路也稱為電荷泵變換器(Charge Pump Converter)。這一類器件還有 TC112TC121ADM660 及 ADM8828 等。 LTC1502 是另一種工作原理與 MAX662A 相同的四倍壓器件（它是 LT 公司 1999 年一季度推出的新產(chǎn)品） 。自 INTERSIL 公司開發(fā)出 ICL765 電壓反轉(zhuǎn)器 IC后，用它來(lái)獲得負(fù)電源十分簡(jiǎn)單、90 年代后又開發(fā)出帶穩(wěn)壓的電壓反轉(zhuǎn)電路，使負(fù)電源性能更為完善。穩(wěn)態(tài)時(shí)，忽略開關(guān)的導(dǎo)通電阻，在相位 Φ1 有： VC1=Vin