便攜式電子設(shè)備電源管理芯片的研究

1、 畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書I裝訂線畢業(yè)設(shè)計(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 別自動化專業(yè)班級 姓 名學(xué) 號畢業(yè)設(shè)計（論文）的主要內(nèi)容及要求: :1 意義、目的意義、目的：對便攜式電子設(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)計與應(yīng)用提供參考。2 主要內(nèi)容主要內(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)計過程、具體硬件設(shè)計、仿真數(shù)據(jù)整理與結(jié)果分析、撰寫畢業(yè)設(shè)計（論文）與翻譯、答辯3 要求要求：計對便攜式電子設(shè)備的電源管理芯片的硬件部分進(jìn)行設(shè)計，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)計實現(xiàn)。8 篇以上參考文獻(xiàn)，英文資料不少于 2

2、篇，并且將其中的 1 篇翻譯成中文，5000 字以上。論文正文 30-60 頁。指導(dǎo)教師簽字： 日期： 年 月 日 畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書II裝訂線摘要 本文針對便攜式電子設(shè)備電源管理芯片做了研究和設(shè)計。首先，介紹了三種實現(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：DC-DC 轉(zhuǎn)換器、電荷泵電壓變換器、LDO 線性穩(wěn)壓器，并且做了對比研究。然后，重點研究 LDO 線性穩(wěn)壓器。先對 LDO 進(jìn)行了基礎(chǔ)理論研究，分析了頻率補償、壓差、瞬態(tài)響應(yīng)、線性調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率等各項關(guān)鍵性能指標(biāo)。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。運用 SRE 技術(shù)，進(jìn)一

3、步提高了瞬態(tài)響應(yīng)的性能。最后，對本芯片的高增益誤差放大器和快速環(huán)路設(shè)計以及 SRE 電路做了軟件仿真，仿真結(jié)果表明，輸出電壓的線性調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率均得到改善。關(guān)鍵詞：雙模式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器；LDO 線性調(diào)整器；平均化建模 畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書III裝訂線Abstract This paper do the research and design in view of the portable electronic devices power management chips. First, introduced three kinds of realization of the bat

4、tery power or other will transform electrical energy constant voltage or constant current output methods: DC-DC converter, the charge pump voltage converter, LDO linear regulator, and do a comparative study. Then, the paper regard researching LDO linear regulator as the key. First, research the LDO

5、basic theory, analyzes the frequency compensation, differential pressure, transient response, linear adjust rate, load adjusting the key performance index rate, etc. Based on this, puts forward a gain high, and the rapid increase of the feedback loop LDO linear regulators. Use SRE technology, and to

6、 further improve the performance of the transient response. Finally, take the highly Err.amp and fast loop SRE circuit design to the software simulation, the simulation results show that the output voltage of the linear adjustment rate and the load rate adjustment is improved. Keywords ：Dual-mode DC

7、-DC converter；LDO linear regulator；Averaged model 畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書Iv裝訂線目錄1.1. 緒論緒論.1 11.1 課題背景 .11.2 電源管理芯片的發(fā)展與研究現(xiàn)狀 .31.3 研究內(nèi)容.41.3.1 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的介紹.41.3.2 電荷泵電壓變換器的介紹 .41.3.3 針對 LDO 的研究與設(shè)計 .41.4 論文組成和安排 .52.2. 便攜式電子設(shè)備電源管理芯片基礎(chǔ)便攜式電子設(shè)備電源管理芯片基礎(chǔ).6 62.1 DC-DC 轉(zhuǎn)換器基礎(chǔ).62.1.1 降壓型 DC-DC 轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) .72.1.2 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的調(diào)制方

8、式.102.1.3 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的控制環(huán)路.102.2 電荷泵電壓變換器基礎(chǔ) .122.2.1 電荷泵轉(zhuǎn)換器的工作原理 .142.2.2 電荷泵轉(zhuǎn)換器的基本概念 .162.3 便攜式設(shè)備用 LDO 基礎(chǔ) .192.3.1 LDO 線性穩(wěn)壓器基礎(chǔ).202.3.2 LDO 基本的頻率補償方法.212.3.3 LDO 的壓差.252.3.4 瞬態(tài)響應(yīng) .262.3.5 負(fù)載調(diào)整率 .272.3.6 線性調(diào)整率 .272.4 小結(jié) .283.3. LDOLDO 線性穩(wěn)壓器的系統(tǒng)設(shè)計線性穩(wěn)壓器的系統(tǒng)設(shè)計 .31313.1 LDO 線性穩(wěn)壓器的電路設(shè)計.333.1.1 誤差放大器.333.1.2 短

9、路及電流限制電路 .363.1.3 SRE 電路.383.2 LDO 線性穩(wěn)壓器的仿真.393.3 結(jié)論 .424.4.總結(jié)總結(jié).4343致謝致謝.4444主要參考文獻(xiàn)主要參考文獻(xiàn).4545 畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書共 45 頁 第 1 頁裝訂線1. 緒論近年來，手機、筆記本電腦、PDA 等以電池供電的便攜式電子產(chǎn)品迅速成為了人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡牟糠?。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。優(yōu)秀的電源管理系統(tǒng)能提高電池供電效率、延長電池供電時間、提高電池使用壽命。本論文的研究目的，即是對便攜式電子

10、設(shè)備電源管理核心部分電源管理芯片做一個簡單的研究與探索。本章將首先介紹論文的課題背景，接著對 DC-DC 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)狀做簡單概述，并以此引出本文的研究內(nèi)容；接著給出整片論文的組成結(jié)構(gòu)。1.1 課題背景近幾年來，隨著諸如手機、數(shù)碼相機、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)域的市場熱點之一，其增長趨勢也高于半導(dǎo)體整體市場的發(fā)展速度，甚至超過了數(shù)字信號處理器(Digital Signal Processor,DSP)和存儲器等半導(dǎo)體產(chǎn)品的增長速度。據(jù)估計，從2004 年至 2010 年，每年電源銷

11、售額以 15%的幅度增長，到 2010 年全球整個電池與電源管理市場達(dá)到近 120 億美元的銷售額。中國大陸作為全球最大的芯片消費市場，從 2003 到 2007 年，市場復(fù)合增長率達(dá)到了 25%，到 2009 年，中國電池與電源管理市場達(dá)到了 582.6 億元1。圖 1-1 按應(yīng)用劃分的全球電池與電源管理市場 在應(yīng)用需求方面，從圖 1-1 可看出，以下幾個重要領(lǐng)域?qū)﹄姵嘏c電源管理的需求尤甚1： 畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書共 45 頁 第 2 頁裝訂線(1)通信領(lǐng)域，尤其是移動通訊目前對電池與電源管理的需求最為強勁；(2)消費類電子產(chǎn)品，如 MP3，MP4、數(shù)碼相機等，這部分市場份額在逐年遞增，甚

12、至有趕超通訊領(lǐng)域的勢頭；(3)計算機領(lǐng)域，這雖然是傳統(tǒng)領(lǐng)域，但近年來隨著筆記本電腦市場的快速發(fā)展，使得該領(lǐng)域?qū)﹄姵嘏c電源管理的需求日益增強；(4)汽車電子，目前這部分的市場份額雖不及前面三項，但在最近兩年，卻取得了超過 40%的高增長率，隨著混合動力汽車和電動力汽車的興起，汽車電子類電池與電源管理芯片市場將是發(fā)展最快的領(lǐng)域2；(5)工業(yè)運用。另一方面，從區(qū)域劃分來看，亞太地區(qū)的需求量一直穩(wěn)居首位，遠(yuǎn)高于其他區(qū)域。電池與電源管理芯片產(chǎn)品可劃分為兩大類：(1)管理、保護電池的電池管理類產(chǎn)品，包括電池監(jiān)測和保護芯片、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

13、產(chǎn)品，包括直流-直流轉(zhuǎn)換器(DC-DC Converter )，低壓差線性穩(wěn)壓器(Low-dropout Linear Regulator, LDO )、發(fā)光二極管(Light-emitting Diode，LED )驅(qū)動器、電源管理單元( Power Management Unit，PMU)等。電池管理芯片市場有兩大發(fā)展潮流，一是由于鋰離子電池的應(yīng)用普及，專門針對鋰離子電池的保護芯片具有極高的成長性和市場前景，因此也成為了工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的研究熱點；二是近年來，隨著鋰離子電池制造技術(shù)的提高和生產(chǎn)成本的下降，多節(jié)鋰離子電池組已經(jīng)廣泛應(yīng)用于筆記本電腦、移動通訊基站、電動力汽車等軍民領(lǐng)域3，尤其因為

14、大眾對電動力汽車的呼聲越來越高，使多節(jié)鋰離子電池組管理芯片的研究和開發(fā)成為了必然的流行趨勢。從市場的發(fā)展來看，單節(jié)鋰離子電池保護芯片由于技術(shù)門檻較低，生產(chǎn)廠商眾多，已基本沒有利潤空間，且發(fā)展得亦已較為成熟，因此很多廠商都轉(zhuǎn)向到多節(jié)鋰離子電池組管理芯片的開發(fā)中。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、諸多挑戰(zhàn)，這也正給工業(yè)界和學(xué)術(shù)界提供了重大機遇。 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，數(shù)碼相機，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、移動通訊基站、電動力汽車等民用、軍事和工業(yè)領(lǐng)域。電池保護芯片也從

15、針對單節(jié)電池發(fā)展到管理多節(jié)電池。 總的來說，電池保護芯片的發(fā)展方向，是將進(jìn)一步提高電壓檢測的精度、降低靜態(tài)功耗和提高防止誤動作的能力。在封裝方面，是朝向越來越輕薄短小發(fā)展，目 畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書共 45 頁 第 3 頁裝訂線前 SON6 封裝已逐漸替代 SOT23-6，將來還有 CSP 封裝，甚至出現(xiàn) COB 產(chǎn)品等。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芯片，因為可以大大降低成本，也逐漸成為一個發(fā)展方向。當(dāng)然，同電池充電器芯片及穩(wěn)壓器芯片集成在一起是不變的目標(biāo)和潮流。在電源管理類產(chǎn)品方面，為了應(yīng)對不同的需求，其產(chǎn)品種類眾多。而從市場的發(fā)展來看，雖然 LDO 和 DC-DC

16、 轉(zhuǎn)換器是電池與電源管理芯片市場上份額最大的兩類產(chǎn)品，但由于參與競爭廠商較多，價格持續(xù)下降，而導(dǎo)致發(fā)展速度明顯放緩3。同時由于手機等便攜式產(chǎn)品的大量需求，使得 PMU 和電池管理芯片一起成為了 2007 年中國電池與電源管理芯片市場上增長最快的兩種產(chǎn)品。從產(chǎn)品的發(fā)展來看，電源管理芯片產(chǎn)品的發(fā)展趨勢呈現(xiàn)出多樣化，包括同時提供多個不同供電電壓的趨勢、數(shù)字電源管理趨勢、產(chǎn)品設(shè)計周期縮短趨勢、產(chǎn)品面積縮小趨勢以及低成本趨勢等等，然而最值得一提的仍然是集成化趨勢。眾所周知集成化一直是半導(dǎo)體產(chǎn)品的發(fā)展趨勢，電源管理芯片也不例外。其中，最為明顯的例子就是 PMU 產(chǎn)品，已經(jīng)在手機等多種產(chǎn)品中廣泛應(yīng)用。PMU

17、 與 LDO 和 DC-DC 這些單一功能產(chǎn)品不同，它可能同時集成多個 LDO。DC-DC 和電池充電器等功能，能夠?qū)崿F(xiàn)多種電源管理。中國目前已經(jīng)成為全球最大的芯片消費國。中國國內(nèi)市場龐大，而主導(dǎo)著中國的電池與電源管理市場的卻是外國企業(yè)，德州儀器(TI） 、國家半導(dǎo)體(NS)和飛兆半導(dǎo)體(Fairchild)在總體市場份額方面處于領(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)。目前，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界正在針對如何提高電池的功率轉(zhuǎn)換效率和利用效率、延長續(xù)航時間提高使用壽命，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。國家十一五規(guī)劃中，關(guān)鍵專用集成電路研究再次

18、成為了國家戰(zhàn)略規(guī)劃中的技術(shù)創(chuàng)新重點。本文正是處于這樣的市場和時代背景下，展開了針對便攜式電子設(shè)備電源管理芯片廣泛的研究。1.2 電源管理芯片的發(fā)展與研究現(xiàn)狀 如果筆記本電腦的大腦是 CPU，那么其心臟和血管便是遍布整個主板、負(fù)責(zé)將能量輸送到大腦及系統(tǒng)其它部分的電源。不同負(fù)載需要不同類型的電源。以工作原理來分類，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 DC-DC 轉(zhuǎn)換器；三是無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。它們的共同特點有： （1）穩(wěn)定性高 筆記本電腦的 CP

19、U 使用率隨時都在變化，因此穩(wěn)壓器 IC 的負(fù)載變化大。穩(wěn)壓器IC 的輸入(例如電池)電壓也會變化。通用型穩(wěn)壓器 IC 還可讓用戶指定輸出電壓。 畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書共 45 頁 第 4 頁裝訂線由于便攜式設(shè)備的可移動性，其工作的環(huán)境溫度也是變化的。這些都要求穩(wěn)壓器 IC在各種情況下都保持穩(wěn)定輸出而不發(fā)生穩(wěn)定性的問題。頻率補償4是保證穩(wěn)定性的關(guān)鍵。 （2）負(fù)載電流變化大 由于負(fù)載電路的工作狀態(tài)不定，所以穩(wěn)壓器 IC 的輸出電流通常會有很大變化，可從空載(無輸出電流)到幾百毫安，甚至幾個安培。 （3）轉(zhuǎn)換效率高便攜式設(shè)備由電池供電，為提高電池使用壽命，延長續(xù)航時間，都要求穩(wěn)壓器IC 具有高轉(zhuǎn)換

20、效率。現(xiàn)在很多 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的最高轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到 95%以上。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)計的 LDO也能保證在調(diào)制區(qū)臨界點附近工作時具有足夠的轉(zhuǎn)換效率。 （4）輸出電壓精度高一般輸出電壓的精度要求為2-4%之間，有不少高精度的穩(wěn)壓器 IC 精度可以達(dá)到0.5-1%；輸出電壓溫度系數(shù)也要小，一般為0.3-0.5mV/，有一些高性能的穩(wěn)壓器 IC 可達(dá)到0.1 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 0.3-0.5%/mA，有的則可達(dá)到 0.01%/mA。 （5）完善的保護措施 穩(wěn)壓器 IC 應(yīng)該

21、具有完善的保護措施，使電源的工作安全可靠，不易損壞。這些措施包括：輸出過流保護、溫度保護、短路保護以及電池極性反接保護。 （6）封裝尺寸小 為減小穩(wěn)壓器 IC 所占的空間，一般會采用貼片式封裝。主要使用的有 SO 封裝、SOT-23 封裝，uMAX 封裝、SC-70 封裝和 SMD 封裝等，其中 SC-70 封裝最小，SMD 封裝最新。1.3 研究內(nèi)容1.3.1 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的介紹對 DC-DC 轉(zhuǎn)換器作了簡要介紹，包括 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的基本原理，研究背景，以及原理圖。并對其調(diào)制方式做了簡單介紹和說明。1.3.2 電荷泵電壓變換器的介紹 對電荷泵電壓變換器做了簡要介紹。包括電荷泵的基

22、礎(chǔ)原理，優(yōu)缺點和發(fā)展情況。并對將電荷泵穩(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要說明。1.3.3 針對 LDO 的研究與設(shè)計 畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書共 45 頁 第 5 頁裝訂線 針對提高瞬態(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。在這個LDO 中，誤差放大器由兩級差分運放組成。第一級主要用來提供增益和帶寬，由基準(zhǔn)電壓和反饋電壓 Vfb作為其差分輸入；第二級用來提供快速瞬態(tài)響應(yīng)，因此也將LDO 的輸出 Vout的分壓 Vfb引進(jìn)，和第一級運放的輸出一起，作為第二級的差分輸入。此外，還運用了 SRE 技

23、術(shù)，進(jìn)一步提高瞬態(tài)響應(yīng)的性能。另外，在該芯片的軟啟動電路中，使用了反相導(dǎo)通的二極管進(jìn)行高溫補償，這種新穎的高溫補償技術(shù)使得LDO 的工作溫度范圍能夠擴展到-40-130 。C。該芯片采用了 CSMC 公司 O.5um CMOS混合信號工藝進(jìn)行流片測試。1.4 論文組成和安排論文組成和安排 論文的第一章為緒論，首先介紹論文的課題背景；接著對 LDO 線性穩(wěn)壓器芯片、DC-DC 轉(zhuǎn)換器芯片的特點和研究現(xiàn)狀做一個簡單的回顧，以此引出本文展開的研究內(nèi)容；接著給出論文的組成和安排；最后對本文的創(chuàng)新點進(jìn)行了介紹。論文的第二章對 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，電荷泵變換器，便攜式設(shè)備用 LDO 做了簡單介紹。并對 L

24、DO 做了一個基礎(chǔ)理論研究，包括頻率補償、壓差、瞬態(tài)響應(yīng)、線性調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率等。并在最后做一個小節(jié)。論文第三章給出了本文所提出的最大輸出電流 800mA、高性能 LDO 線性穩(wěn)壓器的電路設(shè)計。并對 LDO 線性穩(wěn)壓器做了軟件仿真。論文第四章對整篇論文做一個總結(jié)。 畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書共 45 頁 第 6 頁裝訂線2. 便攜式電子設(shè)備電源管理芯片基礎(chǔ) 在便攜式電子設(shè)備電源管理芯片研究領(lǐng)域，主要有 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，電荷泵電壓變換器和 LDO。 DC-DC 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。開關(guān)電源通過調(diào)節(jié)功率晶體管的導(dǎo)通占空

25、比，來控制輸出電壓。其功率管由于工作在開關(guān)狀態(tài)，溝道電阻小，并且基本不受輸入電壓的影響，因此開關(guān)電源的轉(zhuǎn)換效率高，一般情況下可以達(dá)到 80-95%。電荷泵電壓變換器是利用電容的充放電來提供穩(wěn)壓電源，由于其功率管也是工作在開關(guān)狀態(tài)，因此它實際上也是一種 DC-DC 變換器。電荷泵電壓變換器的輸出即可以約為輸入電壓的兩倍，亦可以為輸入電壓的反相。 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)簡單、成本低及封裝尺寸小等突出優(yōu)點，因而在便攜式電子產(chǎn)品中應(yīng)用廣泛5。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。壓差是 LDO 線性穩(wěn)壓器的重要指標(biāo)，LDO 壓差(dr

26、opout voltage)的定義為，輸入電壓減小到使電路停止調(diào)制時的輸入輸出電壓差。而 LDO 的轉(zhuǎn)換效率，則由調(diào)制時輸出輸入電壓的比值決定。讓LDO 工作在調(diào)制區(qū)臨界點附近，可得到相對較高的轉(zhuǎn)換效率。LDO 的壓差越低，能得到的最大轉(zhuǎn)換效率也越高。近年來，已有不少文獻(xiàn)報道了各種低壓差 LDO，這樣，可極大地提高 LDO 的轉(zhuǎn)換效率。2.1 DC-DC 轉(zhuǎn)換器基礎(chǔ) DC-DC 轉(zhuǎn)換器一般由控制芯片，電感線圈，二極管，三極管，電容器構(gòu)成。在討論 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的性能時，如果單針對控制芯片，是不能判斷其優(yōu)劣的。其外圍電路的元器件特性，和基板的布線方式等，能改變電源電路的性能，因此，應(yīng)進(jìn)行綜合

27、判斷。用 MOSFET 替換 BJT 晶體管作為外圍電路的開關(guān)部件對效率的影響。效率會相應(yīng)提高。因為 BJT 管需要對其基極提供驅(qū)動電流，這增加了電路的電流消耗，而MOSFET 是電壓驅(qū)動，無需對其柵極提供電流，也就不會增加電路的電流消耗。但是，實際應(yīng)用時請考慮 MOSFET 是否對周邊元器件產(chǎn)生影響。DC-DC 轉(zhuǎn)換器（開關(guān)調(diào)整器）通過開關(guān)動作進(jìn)行升壓或降壓，特別是晶體管或場效應(yīng)管處于快速開關(guān)時，會產(chǎn)生尖峰噪音，以及電磁干擾。Buck 型 DC-DC 轉(zhuǎn)換器設(shè)計中常采用 PWM 反饋控制方式以調(diào)節(jié)輸出電壓或電流。PWM 控制方式分電流模式控制和電壓模式控制兩種方式。電流模式控制方式是電流內(nèi)環(huán)

28、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 畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書共 45 頁 第 7 頁裝訂線入電壓或負(fù)載改變時具有更快的響應(yīng)速度。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。峰值電感電流控制由于其優(yōu)點被廣泛應(yīng)用 L=J 但其存在固有的開環(huán)不穩(wěn)定現(xiàn)象，在提高快速性的同時，也帶來了穩(wěn)定性的問題。當(dāng)輸入電壓降至一個接近輸出電壓的值時，占空比向最大導(dǎo)通時間增加，輸入電壓的進(jìn)一步降低將使主開關(guān)在超過一個周期的時間里保持導(dǎo)通狀態(tài)，直到占空比達(dá) 100 %，這時電路可能會發(fā)生子諧波振蕩，需要通過一個斜率補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

29、是通過給電感電流信號增加一個補償斜坡來實現(xiàn)的。設(shè)計降壓型 DC-DC 轉(zhuǎn)換器時，解決固定頻率峰值電流控制方式的開環(huán)不穩(wěn)定情況需要做深入的研究。 DC-DC 轉(zhuǎn)換器是一種開關(guān)電源，從功能上劃分，可分為三種基本類型；降壓型轉(zhuǎn)換（Buck Converter)、升壓型轉(zhuǎn)換器(Boost Converter)、降壓一升壓型轉(zhuǎn)換器(Buck-Boost Converter)。由于降壓型轉(zhuǎn)換器在便攜式設(shè)備中的應(yīng)用最為廣泛，且其他類型的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，在調(diào)制方法和控制環(huán)路上，基本原理同降壓型的一樣，因此只針對降壓型 DC-DC 轉(zhuǎn)換器做背景知識介紹6。2.1.1 降壓型 DC-DC 轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 圖

30、 2-1 降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖 圖 2-1 是降壓型 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。Vin為輸入電壓；S1為上開關(guān)管(High Side Switch)，一般用功率 MOS 管實現(xiàn)；S2為下開關(guān)管(Low Side Switch)，可用功率 MOS 管或功率肖特基二極管實現(xiàn)；L 和 Cout分別為濾波電感和濾波電容；Rout為 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的負(fù)載。通過 S1和 S2的輪流導(dǎo)通與截止，對輸入電壓進(jìn)行直流降壓轉(zhuǎn)換。 將 Sl在一個開關(guān)周期 T 中導(dǎo)通的時間記為 ton；相應(yīng)的，其導(dǎo)通占空比 ton/T 記為 D。將 S2 在一個開關(guān)周期 T 中導(dǎo)通的時間記為 tOFF：相應(yīng)的，其導(dǎo)通占

31、空比 ton/T記為 D。先來看 ton+toff =T 時的情況，此時 SW 節(jié)點的電壓 Ysw波形如圖(a)所示，電感電流 IL的波形如圖(b)所示。 畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書共 45 頁 第 8 頁裝訂線 圖 2-2BUCK 轉(zhuǎn)換器電感電流連續(xù)時的波形圖(a)Vsw；(b)IL 在 0ton時間段內(nèi)，S1導(dǎo)通，S2截止，SW 點的電壓為 VSW等于輸入電壓 Vin；而在 ton- T 時間段內(nèi)，S1截止，S2導(dǎo)通，SW 點的電壓為 0。從圖(a)可以看出，Vsw是一方波電壓,其平均值為： t=0 0ononSWinininTtVVD VDD VTT （2.1） 另一方面，對于電感電流 IL

32、來說，在 0-t0時間段內(nèi)，S1導(dǎo)通，S2截止，IL以某個固定斜率上升，該斜率可表示為： 1inoutVVML （2.2）Ton-T 時間段內(nèi)，S2導(dǎo)通，S1截止，IL以固定斜率下降，該斜率可表示為： 2outVML （2.3） 在降壓轉(zhuǎn)換器處于穩(wěn)定狀態(tài)下時，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。因此， inoutoutLononVVVItTtLL （2.4) onoutinintVVD VT (2.5) 以上的分析是基于圖的波形。從圖中可以看出，ton與 toff之和等于一個周期 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。由

33、于輸出電流 Lout即等于電感電流的平均值，那么當(dāng) Iout減小到一定程度時，就會出現(xiàn)在一個周期當(dāng)中，電感電流將保持為 0 一段時間的狀況，如圖所示，這種工作狀態(tài)也因此被稱為電感電流不連續(xù)模式。除輸出電流 Iout過小以外，周期 T 過長，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)。 畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書共 45 頁 第 9 頁裝訂線圖 2-3 Buck 轉(zhuǎn)換器電感電流不連續(xù)時的波形圖(a)Vsw 和(b)IL 從圖 2-3 中可以看出間段內(nèi)，電感電流不連續(xù)模式的一個重要特征是，ton+toffIout時，Ic 大于 0,電容充電；在 ILVin，電荷泵工作在升壓模式，稱為 Boost

34、 或 Step up。相反，若VoutCl,r1Rz。 而在緩沖級 B 的輸出處，仍舊會存在一個如式的次極 PB。為了有利于穩(wěn)定性，一般 RC 串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中的電阻 Rz 取值較小，而 Cc 取值較大，因此極點 Pz 可以做到遠(yuǎn)大于單位增益帶寬，對穩(wěn)定性的影響可忽略不計。這個系統(tǒng)以相對固定的 pd 作為主極點，并將對相位裕度有影響的次極點 PB 做到單位增益帶寬之外。串聯(lián) RC 網(wǎng)絡(luò)形成的零點 z0可以做成追隨輸出極點 P0的動態(tài)零點，以達(dá)到很好地抵消 P0的目的。在這種頻率補償方法中沒有用到 ESR 零點，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

35、也比較小14。三米勒補償法 圖 2-15 運用多級米勒補償?shù)?LDO 為了增大環(huán)路增益，提高調(diào)整精度，現(xiàn)在許多 LDO 都使用兩級運放作為誤差放大器。多級米勒頻率補償及其改進(jìn)型廣泛的運用于 LDO 的設(shè)計當(dāng)中。圖 2-15 是使用 畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書共 45 頁 第 25 頁裝訂線多級米勒頻率補償?shù)?LDO。 為了穩(wěn)定環(huán)路，達(dá)到 60。的相位裕度，Cm1 和 Cm2 要滿足： 114mmLmLgCCg (2.28) 224mmLmLgCCg (2.29)于是，環(huán)路的單位增益帶寬為 1114mmLmLggGBWCC (2.30) 已有很多文獻(xiàn)證明，按 2.28 和 2.29 所表示的關(guān)系式選

36、擇補償電容 Cm1和 Cm2，能保證環(huán)路有足夠的相位裕度。雖然這種頻率補償方法能夠?qū)崿F(xiàn)環(huán)路穩(wěn)定，電路結(jié)構(gòu)也很簡單，但它并不適合使用在負(fù)載電流范圍很寬的 LDO 中，這是因為第一，gmL隨負(fù)載電流變化而由式可知，gmL決定了環(huán)路帶寬 GBW，所以 GBW 會隨著負(fù)載電流的變化而變化使系統(tǒng)性能不易優(yōu)化；第二，為滿足式 3 和 4，補償電容 Cm1和 Cm2的取值很可能會很大，這會造成芯片面積大，成本高。近年來，出現(xiàn)了一些專門針對LDO 的、基于多級米勒補償?shù)母倪M(jìn)型頻率補償法，如阻尼系數(shù)控制頻率補償14(Damping Factor Control Frequency Compensation, D

37、FCFC)、單個米勒電容前饋頻率補償14(Single Miller capacitor Feed-forward Frequency Compensation, SMFFC)等。這些補償方法也各自有其優(yōu)缺點。2.3.3 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)制時的輸入輸出電壓差。圖 2-16 顯示了 LDO 的典型輸入輸出電壓曲線。在截止區(qū)，由于輸入電壓不夠高，LDO 電路還未啟動，因此輸出電壓為 0。在 dropout 區(qū)間，調(diào)整功率管工作在三角區(qū)，因此在這個區(qū)間，輸出電壓隨輸入電壓一同增大，表現(xiàn)出跟隨特性。在 LDO 的調(diào)制區(qū)間

38、(regulation region)，輸出電壓不隨輸入電壓變化，表現(xiàn)出穩(wěn)壓特性。 畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書共 45 頁 第 26 頁裝訂線 圖 2-16 典型 LDO 輸入輸出電壓曲線 LDO 的壓差即為 dropout 區(qū)間和調(diào)制區(qū)間臨界點處，輸入輸出的電壓差 Vin -Vout。由于在 dropout 區(qū)間，調(diào)整功率管可以等效為電阻 Ron，因此 LDO 的壓差也可表示為 dropout=IonoutVR （2.31） 值得說明的是，LDO 的壓差是一個與輸出電流 Iout有關(guān)的參數(shù)。在不同的輸出電流下調(diào)制臨界點處的 Vin也都不一樣，因此在提到 LDO 的壓差時，必須同時說明對應(yīng)的輸出電

39、流。2.3.4 瞬態(tài)響應(yīng)在負(fù)載電流跳變時，輸出電壓 Vout上的最大變化可以表示為： ,maxoutESRLIVtIRC (2.32)其中I 是負(fù)載電流的跳變量，t 為 LDO 環(huán)路的響應(yīng)時間，由 LDO 的閉環(huán)帶寬決定。 在負(fù)載電流跳變后的t 時間內(nèi)，由于環(huán)路來不及響應(yīng)，因此會有I 的電流注入負(fù)載電容。若負(fù)載電流是正跳變，Vout, max將是一負(fù)值，也就是說，會在 Vout上形成一個下沖電壓；若負(fù)載電流是負(fù)跳變，Vout, max將是一正值，在 Vout上會形成一個過沖電壓。Vout上的最大變化Vout, max為電容 CL充放電造成的電壓改變量與 ESR電阻上的電壓改變量之和。要減小Vo

40、ut,max，即要增大 LDO 的帶寬，使用更大的負(fù)載電容以及更小的 ESR 電阻。 與負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)類似，假設(shè)由輸入電壓跳變引起的調(diào)整功率管電流變化量為Iin，那么輸出電壓 Vout，上的最大變化，即為環(huán)路響應(yīng)前，Iin在負(fù)載電容及其ESR 電阻上形成的電壓改變量之和。 瞬態(tài)響應(yīng)時的恢復(fù)時間不僅和輸出電壓 Vout上的最大變化有關(guān)，還受環(huán)路帶寬 畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書共 45 頁 第 27 頁裝訂線和擺率(Slew Rate, SR)的影響。而環(huán)路帶寬和 SR 均隨靜態(tài)電流的減小而減小，因此瞬態(tài)響應(yīng)速度和靜態(tài)電流是一對矛盾14。2.3.5 負(fù)載調(diào)整率 負(fù)載調(diào)整率(load regulation

41、)反應(yīng)了負(fù)載電流對輸出電壓準(zhǔn)確度的影響，它定義為輸出電流于額定范圍內(nèi)變化時，輸出電壓的變化率。負(fù)載調(diào)整率反應(yīng)的是 LDO的直流特性。 假設(shè)負(fù)載電流增大了I，那么有 outGmLdsVIVgr （2.33） VG為調(diào)整管柵極上的電壓增量，rds為調(diào)整管的溝道電阻。另一方面，VG又可以表示為 0GoutMLLTVVgR (2.34) 其中 T0 為 LDO 的環(huán)路直流增益。把式以及 RL=Vout/Iout 代入得 0outoutoutVIVIT （2.35）由式可以看出，增大 LDO 的環(huán)路增益可以減小其負(fù)載調(diào)整率。2.3.6 線性調(diào)整率 線性調(diào)整率(line regulation)反應(yīng)了輸入電

42、壓對輸出電壓準(zhǔn)確度的影響，它定義為輸入電壓于額定范圍內(nèi)變化時，輸出電壓的變化率。 分析線性調(diào)整率時，LDO 輸出級的小信號模型可以畫為如圖 2-17 所示的形式。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。圖 2-17 線性調(diào)整時 LDO 輸出級的小信號模型由圖 2-17 可得 畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書共 45 頁 第 28 頁裝訂線 inoutoutingmlLdsVVVVVgRr （2.36）將式以及 RL=Vout/Iout代入，可以得到 0outinmLoutoutVV gVT I （2.37）在忽略基準(zhǔn)電壓 Vref受到 Vin影響情況下，式 2.37 即為線性調(diào)整率

43、表達(dá)式。因此同樣的，增大環(huán)路增益可以減小其線性調(diào)整率。2.4 小結(jié)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，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。 畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書共 45 頁 第 29 頁裝訂線表 1-1 LDO 線性穩(wěn)壓器、DC-DC 轉(zhuǎn)換器和電荷泵電源的性能比較LDO 線性穩(wěn)壓器、DC-DC 轉(zhuǎn)換器和電荷泵電源的性能對比于表 1-1 中列出。為便攜式電子設(shè)備選擇穩(wěn)壓器 IC 時要考慮多方面的因素。電荷泵電壓變換器結(jié)構(gòu)簡單，LDO 線性穩(wěn)壓器電荷泵電源DC-DC 轉(zhuǎn)換器功能降壓反相或倍乘升壓、降壓或反相效率低到

44、中，在 Vin-Vout相差很小的情況下效率較高高，但在很輕的負(fù)載下由于開關(guān)功耗和靜態(tài)功耗大而效率低高，但在很輕的負(fù)載下由于開關(guān)功耗和靜態(tài)功耗大而效率較低熱量功耗通常較高低低復(fù)雜度低，通常僅需要輸入濾波電容和輸出旁路電容中，通常需要兩個外接電容，不需要外接電感中到高，需要電感和濾波電容等尺寸小到中等，但大功率應(yīng)用時需要散熱器而體積較大比較小低功率應(yīng)用中尺寸比 LDO 大，大功率應(yīng)用中不需散熱器，尺寸比 LDO 小波紋及噪聲低，無紋波、低噪聲、電源噪聲抑制能力強高，輸出電壓受負(fù)載電流影響很大中到高，紋波與開關(guān)頻率有關(guān)總體成本低低中到高，主要取決于外部元件 畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書共 45 頁 第

45、30 頁裝訂線但其輸出的電源穩(wěn)定性不高，噪聲大，輸出電流也較小，一般用在需要負(fù)電源且對電源要求不高的場合。LDO 線性穩(wěn)壓器具有結(jié)構(gòu)簡單，輸出電壓噪聲小的優(yōu)點，在對電源噪聲要求高的場合，例如射頻電路中的 PLL 、LNA、SDRAM 等，適合用 LDO 供電。但 LDO 線性穩(wěn)壓器只能進(jìn)行降壓轉(zhuǎn)換，且轉(zhuǎn)換效率只有在輸入輸出電壓相接近的時候才比較高，而 DC-DC 轉(zhuǎn)換器通過運用不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，不僅能實現(xiàn)降壓轉(zhuǎn)換，還可實現(xiàn)升壓和反相，其輸出電流能力也高于 LDO 線性穩(wěn)壓器和電荷泵電源，且在一個很寬的工作范圍內(nèi)轉(zhuǎn)換效率都能保持較高水平。但同時，DC-DC 轉(zhuǎn)換器的輸出也具有一定的紋波，因此在不懼

46、紋波電壓，輸入電壓和負(fù)載電流變化范圍寬的場合，例如在 DSP，微處理器中，通常是應(yīng)用的首選5。 畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書共 45 頁 第 31 頁裝訂線3. LDO 線性穩(wěn)壓器的系統(tǒng)設(shè)計 為增強 LDO 的調(diào)整能力，提高瞬態(tài)響應(yīng)的反應(yīng)速度，提出了如圖 3-1 所示的高環(huán)路增益、快速響應(yīng)的 LDO。為提高環(huán)路增益，誤差放大器 ERRAMP 由兩級運放組成，其中 A1 為 LDO 提供所需的增益與帶寬，而 A2 的主要作用是提供快速響應(yīng)：在負(fù)載瞬態(tài)跳變或輸入瞬態(tài)跳變時，由 A2 和輸出級組成快速反饋環(huán)路，提高響應(yīng)速度。除了利用 A2 提高響應(yīng)速度，還有專門的 SRE(Slew Rate Enhanc

47、ement)電路來提高調(diào)整功率管柵極 VG 的最大的上升下降速率。短路及電流限制電路 Current Limit 將LDO 的最大輸出電流限制在 800MA。在反饋網(wǎng)絡(luò)中，反饋電容 Cf用來產(chǎn)生一個零點，提前相位，以提高環(huán)路增益的相位裕度。圖 3-1 高環(huán)路增益、快速響應(yīng)的 LDO 系統(tǒng)框圖 ERR.AMP 及其反饋環(huán)路的開環(huán)小信號模型如圖 3-2 所示。在這個模型中，ERRAMP 第一級的輸出電容因為遠(yuǎn)小于 CC而被忽略；而第二級輸出處的電容主要是調(diào)整管的柵極電容 Cg。 畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書共 45 頁 第 32 頁裝訂線圖 3-2 本文所提出 LDO 的小信號模型根據(jù)圖 3-2，可以推

48、導(dǎo)出這個 LDO 的環(huán)路增益為 11121022 1 221 2121/11/( )111/CmmmmFfESRmCgCgLLFFfsCggg gsR Cs ZT sTS grr Cr CS rr C CsR Cs RRC（3.1）其中 20121 212FmmmLLFFRTg ggrr RRR (3.2)從式可知，環(huán)路增益 T(s)中的極點有 2 1 221dmCGpgrr Cr C （3.3) (3.4)01LLPC R 22111mmCgggPCgrCC （3.5） 2121/FFfPRRC (3.6)T(s)中的零點有 m1m2121=-(G-G)CmmcG GZ (3.7) 211F

49、fZR C (3.8) 1ESRESRLZRC (3.9) 從小信號的角度來看，將 Vfb連接到 A2 的正輸入端，達(dá)到了將本來屬于右半平面(Right Half Plane, RHP)的零點 z1向左半平面(Left Half Plane, LHP)移動的目的。右半平面的零點使相位滯后，不利于穩(wěn)定性。從式可知，只要 gm2大于 gml，就可使 Z1處于左半平面，且 gm2越大，Z1的頻率越低。仔細(xì)調(diào)節(jié) Z1，可以使用 Z1用 畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書共 45 頁 第 33 頁裝訂線來抵消輸出極點 p0。而極點 p1由于米勒電容 Cc 的分裂作用，將被推到遠(yuǎn)高于單位增益帶寬的地方，且 gm2越大

50、，p1越高，對穩(wěn)定性越有利。由反饋電容 Cf形成的零極點對 p2和 z2，零點在前，極點在后，能起到提前相位，提高相位裕度的作用。而固定極點 pd為這個 LDO 環(huán)路的主極點。ESR 零點 ZESR偏低，會提高相位裕度，而等效串聯(lián)電阻 RESR較小使 ZESR偏高時，也不會影響到系統(tǒng)穩(wěn)定性。3.1 LDO 線性穩(wěn)壓器的電路設(shè)計根據(jù) 2 節(jié)系統(tǒng)設(shè)計里的分析來設(shè)計電路，下面將逐個給出各個模塊的具體電路實現(xiàn)。3.1.1 誤差放大器 圖 3-3 誤差放大器框圖 誤差放大器如圖 3-3 所示，由誤差放大器核心 EA core，軟啟動電路 Soft Start 以及電流偏置電路 BIAS 組成。EA co

51、re 的結(jié)構(gòu)如圖虛線框內(nèi)所示，是一個二級運放；Soft Start 電路讓整個誤差放大器在上電時緩慢啟動，而在掉電時迅速關(guān)掉；BIAS 電路給 Soft Start 電路和 EA core 提供偏置電流，且會根據(jù)負(fù)載情況自動為 EA core 選擇不同的偏置電流：輕載時的偏置電流是重載時的 1/16，這樣能提高輕載時的轉(zhuǎn)換效率，同時加快重載時的瞬態(tài)響應(yīng)速度。一軟啟動電路(Soft Start) 畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書共 45 頁 第 34 頁裝訂線 圖 3-4 軟啟動電路 軟啟動電路如圖 3-4 所示。上電后，來自于偏置電路的電流源 Iss開始有電流流過，而三極管 Q0的基極電流滿足 IB =

52、Iss/， 為三極管電流放大倍數(shù)。IB慢慢給電容 C0充電，使 Vss的電位逐漸抬高。Vss為低時，EA core 輸出高點平，使 LDO 輸出電流為 0，在 Vss逐漸升高的過程中，EA core 的輸出逐漸接近正常，直至 Vss為高電平不再影響 EA core 的工作，這就是軟啟動的原理。 Vss在高溫時會泄露電荷，MT1-MT13 的作用，就是在高溫時，給 Vss補充電荷，以維持 Vss高電平，使 EA core 不至于關(guān)斷。其原理是：高溫時，漏源短接的 MT1 中會產(chǎn)生漏電流，該電流通過 MT2 鏡像到 MT3，以此給 Vss注入電荷。MT4 的作用，除了在高溫時產(chǎn)生漏電流給 Vss補

53、充電荷外，還有在電源掉電時，Vss的電荷可以通過MT4 放掉，為下次軟啟動做準(zhǔn)備。二 電流偏置電路(BIAS)圖 3-5 誤差放大器的電流偏置電路 畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書共 45 頁 第 35 頁裝訂線 電流偏置電路的電路圖如圖 3-5 所示。BIAS 電路給 Soft Start 電路和 EA core提供偏置電流 Iss和 IP,IN。為了提高輕載時的轉(zhuǎn)換效率，加快重載時的瞬態(tài)響應(yīng)速度，BIAS 電路會根據(jù)負(fù)載大小，自動為 EA core 選擇大電流偏置或小電流偏置。 圖 3-5 中，電流源 M10 和 M11 的尺寸比例為 1：15。開關(guān)管 M12 控制 M11 的電流是否流入 M9 中

54、。在輕載時，M12 截止，M9 中電流僅為 I0,在重載時，M12 導(dǎo)通，M9 中電流為 I0。因此重載時 EA core 的偏置電流為輕載時的 1/16。 PMOS 管 M18 按比例拷貝圖中調(diào)整管 P0 的電流。M19 的作用是使 M18 的漏極電壓VA與 Vout相近，因為為減小面積，調(diào)整管及其鏡像管的柵長都取的是最小尺寸，單純的電流拷貝受溝道調(diào)制效應(yīng)影響嚴(yán)重。M22支路為 M19提供偏置電壓 Vb。因為 Vb比 Vout低一個 VGS電壓，而 VA比 Vb高一個 VGS 電壓，因此 VA與 Vout接近，M18能以比較準(zhǔn)確的比例拷貝調(diào)整管 P0中的電流。M20是固定電流源，M18和 M

55、20形成電流比較器。在負(fù)載電流超過一定水平時，電流比較器的輸出 VX翻轉(zhuǎn)為高電平，于是由 M3-M15組成的反相器 INV 輸出為 0，使 M12管開通。同時，M17管也導(dǎo)通，使 M16支路與 M18支路并聯(lián)，形成遲滯。在輕載時，電流比較器輸出為 0，這使 INV 的輸出 VY為高電平， M12截止。INV 與普通反相器不同之處在于，它的上拉網(wǎng)絡(luò)中有一個限流電流源M13，輸出端還有一個濾波電容 C1。于是，在重載轉(zhuǎn)輕載時，INV 的輸出價是慢慢的由低變高，也就是說，剛剛轉(zhuǎn)為輕載時，提供給 EA core 的仍舊是大偏置電流，過一段時間后才轉(zhuǎn)為小偏置電流，這樣可以提高重載轉(zhuǎn)輕載時的瞬態(tài)響應(yīng)速度。

56、在輕載轉(zhuǎn)重載時，由于 INV 中的下拉網(wǎng)絡(luò)阻抗很小，因此 VY會迅速降為 0，偏置電流也立即增大 15 倍。三 誤差放大器核心電路(EA core) 圖 3-6 為誤差放大器的核心電路 EA core 的電路圖。軟啟動電路的輸出 VSS 控制第一級 A1 的輸出。在軟啟動開始階段，VSS的電壓偏低，因此 A1 的尾電流 Ip 都流入到了 M5 中，于是 A1 的輸出 V1 為低電平，這導(dǎo)致 A2 的輸出 VG 為高電平，調(diào)整功率管中沒有電流流出。VSS電壓逐漸升高時,V1 電壓也漸漸升高，VG電壓慢慢下降，使調(diào)整管電流逐漸增大，實現(xiàn)軟啟動。 畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書共 45 頁 第 36 頁裝訂

57、線圖 3-6 誤差放大器核心電路 根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計中的分析，A2 的跨導(dǎo) gm2 要盡可能大。因此 A2 的輸入對管使用了 N 溝道 MOS 管，因為其載流子遷移率更大，易獲得更大的跨導(dǎo)；另外，A2 輸出級MOS 管 M15, M17 的尺寸為 M14,M16 的 N 倍，這樣 A2 的等效跨導(dǎo)即為其輸入對管跨導(dǎo)的 N 倍，同時也增大了調(diào)整管柵極電壓 VG 上擺率。本設(shè)計中，N 取值為 8。由于 A2 的輸入對管為 NMOS 管，限于其共模輸入電壓范圍，Vfb需要用一個電平轉(zhuǎn)換器提升電壓。由固定電流源 I0 和 M18 組成的源極跟隨器即是起到電平轉(zhuǎn)換的作用。3.1.2 短路及電流限制電路 畢業(yè)設(shè)

58、計（論文）說明書共 45 頁 第 37 頁裝訂線圖 3-7 短路及電流限制電路圖 短路及電流限制電路(Current Limit)的電路圖如圖 3-7 虛線框中所示。M17-M19 為短路及電流限制電路提供固定的偏置電流。M1 和 M5 拷貝調(diào)整功率管中的電流。與誤差放大器的電流偏置中判斷重輕載的電路一樣，M2 和 M6 的作用是保證 M1, M5的 VDS 和調(diào)整功率管的相近，使電流拷貝比例更為精確。電流源 M11 和 M4,M9 組成電流比較器，以控制 M16，通過 M16 來調(diào)節(jié)調(diào)整管的柵極電壓 VG，以達(dá)到限流目的。 M14 和 M15 組成的支路用來判斷輸出 Vout 是否有短路。在

59、 Vout 正常時，該支路的輸出 A 為 0，于是與非門輸出 1，使 M7 關(guān)斷，M10 導(dǎo)通。這樣 M9 中沒有電流，而 M4 是 M1 的電流拷貝，因此這個時候是 M1 中的拷貝電流與 M11 中的固定電流相比較。當(dāng)調(diào)整管的負(fù)載電流增大到某一程度，使 M4 中電流超過 M11 時，電流比較器輸出 VCL 會下降。當(dāng) VCL 下降到使 M16 的電流能完全滿足誤差放大器中的下拉電流時，限流電路開始起作用，并通過 M16 來調(diào)節(jié)調(diào)整管的柵極電壓 VG。此時若 LDO 的負(fù)載電阻進(jìn)一步減小，負(fù)載電流試圖進(jìn)一步增大，那么限流電路中 VCL 會降低以增大 VG處上拉網(wǎng)絡(luò)的電流，抬高 VG 電壓。限流

60、電路實際上是通過高增益的反饋環(huán)路達(dá)到恒定電流的目的，因此可能會有自激振蕩的可能性，M16 柵漏端之間的電容 C0 即是用來給該反饋環(huán)路做頻率補償。 畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書共 45 頁 第 38 頁裝訂線 M12,M13 支路的作用是判斷限流電路是否有起作用。在 LDO 的輸出 Vout 發(fā)生短路且短路電流很大需要限流時，M14，M15 支路的輸出 A 為 1,M12, M13 支路的輸出也為 1。這使與非門輸出 0,M7 導(dǎo)通，M10 截止，于是 M9 中電流是 M5 的電流拷貝。所以這個時候，是 M1 和 M5 中拷貝的電流和與 M11 中的固定電流相比較。因此短路保護的限流點低于正常工作時