線性穩(wěn)壓器解析課件

1、Analog and Mix-Signal Integrated Circuit Design - DC/DC線性穩(wěn)壓器西安電子科技大學(xué)微電子學(xué)院劉簾曦 集成穩(wěn)壓器的概述集成穩(wěn)壓器定義 是電源和電源管理IC的一個(gè)重要分支，包括AC/DC和DC/DC。 DC/DC從直流電壓-直流電壓的調(diào)整器，本質(zhì)是指定功率輸出。研究集成穩(wěn)壓器的意義 模擬集成電路中一個(gè)很重要的部分。 是所有其他電路能夠正常工作的前提條件。集成穩(wěn)壓器的基本工作原理 將輸入的直流電壓（流）變換為一個(gè)不隨環(huán)境變化的直流輸出電壓（流）。DC/DC集成穩(wěn)壓器的分類按照驅(qū)動(dòng)方式以及驅(qū)動(dòng)管的工作狀態(tài)，集成穩(wěn)壓器一般分成兩類： 1.開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器(

2、Switching Regulator)。轉(zhuǎn)換效率高，適用范圍較寬，可以雙向變換。 2. 低壓差線性穩(wěn)壓器，工程中常被稱為L(zhǎng)DO (Low Dropout Regulator，或三端穩(wěn)壓器)。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，紋波小，穩(wěn)定性容易調(diào)節(jié)，所需外圍電路少，只能降壓變換。本章重點(diǎn)介紹線性穩(wěn)壓器。線性穩(wěn)壓器的基本原理其中Vdd為電壓源電壓，Rr為電壓源內(nèi)阻，RL為負(fù)載電阻，則電壓源的輸出電壓可表示為： 1、Vdd保持不變，負(fù)載電阻RL在一定范圍內(nèi)發(fā)生變化；2、RL保持不變，Vdd發(fā)生變化；3、Vdd和RL都發(fā)生變化。 線性集成穩(wěn)壓器基本結(jié)構(gòu)由五個(gè)基本部分構(gòu)成：1.基準(zhǔn)電壓2.誤差放大器3.有源功率元件4.反饋網(wǎng)

3、絡(luò)5.啟動(dòng)、保護(hù)電路線性集成穩(wěn)壓器定性分析Vout = (R2+R1)/R2) * Vref1、控制環(huán)路（負(fù)反饋）正常工作；2、基準(zhǔn)精度高；3、運(yùn)放增益足夠大，且失調(diào)電壓要?。?、輸入電壓必定高于輸出電壓；5、輸出電壓主要由基準(zhǔn)電壓和反饋系數(shù)決定。環(huán)路工作原理設(shè)誤差放大器增益為A，反饋系數(shù)為，功率管跨導(dǎo)為gm，輸出阻抗Rout，環(huán)路增益A0。功率管的工作狀態(tài)環(huán)路根據(jù)輸出電壓大小調(diào)節(jié)功率管柵極電壓大小，從而調(diào)整功率管的導(dǎo)電能力。如當(dāng)負(fù)載電流增加時(shí)，功率管從一個(gè)穩(wěn)態(tài)經(jīng)過(guò)一個(gè)不斷調(diào)整的過(guò)程到達(dá)另一個(gè)穩(wěn)態(tài)，即功率管工作狀態(tài)依據(jù)負(fù)載電流大小，從A點(diǎn)經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)過(guò)程到達(dá)B或C或D點(diǎn)。功率管的進(jìn)一步討論問(wèn)題：N

4、型功率管和P型功率管在使用上的區(qū)別？1、反饋的改變；2、輸出級(jí)的形式：環(huán)路增益的影響；3、Vds（Vdo）的變化線性集成穩(wěn)壓器的設(shè)計(jì)目標(biāo)1. 線性穩(wěn)壓器的輸出電壓范圍Vout；2. 線性穩(wěn)壓器的最大輸出電流Iout；3. 線性穩(wěn)壓器的靜態(tài)電流Iq；4. 線性穩(wěn)壓器的脫落電壓Vdo(漏失電壓)；5. 線性穩(wěn)壓器的負(fù)載調(diào)整率；6. 線性穩(wěn)壓器的線性調(diào)整率；7. 線性穩(wěn)壓器的轉(zhuǎn)換效率。脫落電壓維持LDO正常輸出的最小的Vin和Vout之差（VDS的最小值）線性調(diào)整率也叫電壓調(diào)整率，表征當(dāng)負(fù)載和環(huán)境溫度都不變的情況下，輸入電壓變化對(duì)輸出電壓的影響。提高基準(zhǔn)電壓精度可以減小線性調(diào)整率，另外增大A0也可以

5、有效減小線性調(diào)整率，。負(fù)載調(diào)整率表征當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，輸出電壓維持恒定的能力。上述等式是假設(shè)負(fù)載電流改變并不影響電路靜態(tài)工作點(diǎn)的條件下得出的，可以看出，增大環(huán)路增益A0，可以減小負(fù)載調(diào)整率。LDO轉(zhuǎn)換效率定義為輸出有用功與LDO總功耗的比值。Vout和Vin越接近，則LDO的轉(zhuǎn)換效率越高，另外減小Iq也可以有效提高LDO的轉(zhuǎn)換效率，但是Iq的減小可能會(huì)使響應(yīng)速度變慢。線性集成穩(wěn)壓器的模塊化設(shè)計(jì)（1）基準(zhǔn)電壓源是一個(gè)集成穩(wěn)壓器的核心之一，它負(fù)責(zé)提供一個(gè)幾乎不隨溫度、電源電壓以及其他因素影響的標(biāo)準(zhǔn)電壓。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電壓將與采樣網(wǎng)絡(luò)反饋回來(lái)的電壓進(jìn)行比較。返回到結(jié)構(gòu)圖線性集成穩(wěn)壓器的模塊化設(shè)計(jì)（1）返回到結(jié)

6、構(gòu)圖線性集成穩(wěn)壓器的模塊化設(shè)計(jì)（2）誤差放大器將反饋回來(lái)的采樣信號(hào)與內(nèi)部的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，將二者的誤差放大，并用這個(gè)放大后的誤差信號(hào)去控制有源功率器件的輸出電流。返回到結(jié)構(gòu)圖線性集成穩(wěn)壓器的模塊化設(shè)計(jì)（2）返回到結(jié)構(gòu)圖線性集成穩(wěn)壓器的模塊化設(shè)計(jì)（3）有源功率器件提供足夠的負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力（提供驅(qū)動(dòng)電流）；其提供的電流受誤差放大器輸出的控制；可以是PMOS，也可以是NMOS。返回到結(jié)構(gòu)圖線性集成穩(wěn)壓器的模塊化設(shè)計(jì)（4）反饋網(wǎng)絡(luò)對(duì)輸出電壓進(jìn)行采樣，以便得到能與基準(zhǔn)相比較的電壓信號(hào)。返回到結(jié)構(gòu)圖線性集成穩(wěn)壓器的模塊化設(shè)計(jì)（5）其他一些附加功能模塊過(guò)熱保護(hù)電路過(guò)流保護(hù)電路有時(shí)還需要設(shè)計(jì)啟動(dòng)電路。線性集成

7、穩(wěn)壓器的模塊化設(shè)計(jì)（6）介紹一個(gè)線性集成穩(wěn)壓器電路的設(shè)計(jì)實(shí)例AE1910AE1910設(shè)計(jì)要求AE1910結(jié)構(gòu)圖過(guò)熱保護(hù)原理功率集成電路有一定負(fù)載能力的，因此其發(fā)熱量比較大 ，有必要對(duì)其進(jìn)行溫度檢測(cè)和熱保護(hù)。過(guò)熱保護(hù)也稱為過(guò)溫保護(hù)，設(shè)計(jì)過(guò)熱保護(hù)電路的關(guān)鍵是如何把溫度信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào) 。傳統(tǒng)的方法，傳感器可以用熱電偶、熱電阻來(lái)做, 但是不易集成。集成電路中往往利用二極管或者三極管的溫度特性來(lái)做傳感器。AE1910過(guò)熱保護(hù)電路AE1910輸出級(jí)AE1910過(guò)流保護(hù)電路AE1910動(dòng)態(tài)補(bǔ)償基準(zhǔn)參考：劉簾曦，楊銀堂，朱樟明，一種基于斬波調(diào)制的低壓高精度CMOS 帶隙基準(zhǔn)源，固體電子學(xué)研究與進(jìn)展，Vol.25,3,2005