一种片上集成的低压差线性稳压器设计

发布时间：2017-08-11 22:26

  本文关键词：一种片上集成的低压差线性稳压器设计

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【摘要】：随着智能手机和平板电脑等便携式电子设备的迅猛发展,电源管理单元变得无处不在。稳压器是电源管理单元的核心模块,按照工作模式可以将稳压器分为开关型稳压器和低压差线性稳压器(low dropout regulator,简称LDO)。相比于开关型稳压器,LDO具有低成本、低功耗、低噪声、电源纹波抑制能力强、响应速度快等诸多优势,因此在电源管理中拥有不可替代的地位。根据不同应用环境设计不同性能的LDO已经成为电源管理中的重要研究方向。本论文设计了一种片上集成、高电源纹波抑制、快速瞬态响应的LDO。首先分析了LDO的系统组成和性能指标。随后,提出了一种高电源纹波抑制、低失调影响的带隙基准电路,其创新点在于:1)利用超级源随器产生局部电源给基准的核心模块供电,从而显著提高电源抑制能力;2)基准的核心模块不采用运放钳位,而是利用自偏置进行钳位,从而有效减小失调。接着介绍了LDO的主体电路,其中,误差放大器采用折叠共源共栅结构,buffer采用超级源随器结构,反馈网络为电阻分压结构,功率管为PMOS。详细分析了LDO的环路稳定性、电源纹波抑制以及输出噪声。通过将pass管栅极的极点和输出电容的ESR引入的零点都推至高频,并采用current buffer补偿使得在环路的单位增益频率内只有一个极点,从而确保环路在所有条件下都能稳定。其关键点在于:1)采用超级源随器作为buffer并结合动态偏置技术,使得buffer的输出电阻随着负载电流而变化,从而使pass管栅极处的极点始终远高于LDO环路的单位增益频率;2)采用电容耦合技术提供了一条从LDO输出到buffer输入的快通路,从而解决了在瞬态响应时EA带宽有限的问题。本设计在0.18μm工艺下流片,核心版图面积为560μm×300μm,输出电容采用ESR低于50 mΩ的多层陶瓷电容,电容值2μF,测试表明,在2 V~3.3 V的工作电压范围内可以稳定地输出1.8 V;最大负载电流100 mA;最小压差200 mV;在2.1 V的电源电压下,负载调整率为18.3 ppm/m A;在10 mA负载电流下,线性调整率为169 ppm/V;整个LDO在空载时的静态电流为178μA,满载时为350μA;带隙基准的PSR在高达40 MHz的频率范围内能好于46 dB;在负载电流为1 mA时,LDO的PSR在低频好于46 dB,1 MHz处PSR可以达到30 dB;负载电流在10 ns内从0突变到100 mA,上冲和下冲分别为10.6 mV和6.4 mV。
【关键词】：低压差线性稳压器 带隙电压基准 高电源纹波抑制 快速瞬态响应
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM44
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 绪论11-16
• 1.1 研究工作的背景与意义11-13
• 1.2 LDO的国内外研究现状13-14
• 1.3 本文的主要工作与创新14-15
• 1.4 本论文的结构安排15-16
• 第二章 LDO系统组成及性能指标16-28
• 2.1 LDO的基本原理及系统组成16-18
• 2.2 LDO的性能指标18-27
• 2.2.1 最小压差18
• 2.2.2 最大负载电流18-19
• 2.2.3 静态电流19-20
• 2.2.4 电源效率20
• 2.2.5 线性调整率20-21
• 2.2.6 负载调整率21
• 2.2.7 电源纹波抑制21-22
• 2.2.8 输出噪声22-25
• 2.2.9 瞬态响应25-27
• 2.3 本章小结27-28
• 第三章 高PSR低失调带隙基准电压设计28-51
• 3.1 带隙电压基准的基本原理28-30
• 3.2 带隙基准电压的主要性能参数30-34
• 3.2.1 线性调整率30-31
• 3.2.2 温度系数31
• 3.2.3 电源纹波抑制31-32
• 3.2.4 静态电流32
• 3.2.5 输出噪声32
• 3.2.6 失调影响32-34
• 3.3 高PSR低失调带隙基准电压电路34-43
• 3.3.1 带隙基准电压的核心模块34-39
• 3.3.2 负反馈环路提高PSR39-43
• 3.3.3 启动电路43
• 3.4 仿真结果43-50
• 3.4.1 线性调整率44
• 3.4.2 温度特性44-45
• 3.4.3 电源抑制性能45-46
• 3.4.4 环路稳定性46-48
• 3.4.5 输出噪声48-49
• 3.4.6 启动性能49
• 3.4.7 静态电流49-50
• 3.5 本章小结50-51
• 第四章 LDO主体电路设计51-73
• 4.1 LDO的环路稳定性分析51-57
• 4.2 LDO的PSR分析57-59
• 4.3 LDO的噪声分析59-61
• 4.4 动态偏置和电容耦合技术61-63
• 4.4.1 动态偏置61-62
• 4.4.2 电容耦合62-63
• 4.5 仿真结果63-72
• 4.5.1 线性调整率63-64
• 4.5.2 负载调整率64-65
• 4.5.3 温度特性65
• 4.5.4 环路稳定性65-67
• 4.5.5 电源纹波抑制67-69
• 4.5.6 负载瞬态响应69-70
• 4.5.7 线性瞬态响应70-71
• 4.5.8 启动特性71
• 4.5.9 输出噪声71-72
• 4.5.10 静态电流72
• 4.6 本章小结72-73
• 第五章 LDO的版图设计73-78
• 5.1 版图设计的重要性73
• 5.2 LDO的版图设计要点73-76
• 5.2.1 电阻的匹配73-74
• 5.2.2 MOS管的匹配74-75
• 5.2.3 金属连线的电阻和电流限制75-76
• 5.2.4 整体布局76
• 5.3 最终版图76-77
• 5.4 本章小结77-78
• 第六章 LDO测试78-87
• 6.1 测试准备78-79
• 6.2 测试结果79-86
• 6.2.1 线性调整率79-81
• 6.2.2 负载调整率81-82
• 6.2.3 Dropout电压82
• 6.2.4 最大负载电流82
• 6.2.5 静态电流82
• 6.2.6 电源纹波抑制82-84
• 6.2.7 负载瞬态响应84-86
• 6.3 本章小结86-87
• 第七章 总结和展望87-88
• 7.1 全文总结87
• 7.2 后续工作展望87-88
• 致谢88-89
• 参考文献89-91
• 攻读硕士学位期间取得的成果91-92

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1 李甜;一种片上集成的低压差线性稳压器设计[D];电子科技大学;2016年

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本文编号：658513