一种高精度无片外电容LDO的设计

发布时间：2017-08-26 13:28

  本文关键词：一种高精度无片外电容LDO的设计

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【摘要】：电源管理模块在当今电子工业界扮演着举足轻重的角色,其中低压差线性稳压器(Low Dropout Regulator,LDO)以其体积小,功耗低,噪声性能优而被广泛地用于各种便携式电子产品中。随着便携式电子产品的飞速发展,LDO也朝着片上集成(System on Chip,SoC)的方向前进。传统的LDO需要外接一个片外大电容,这个电容无疑占用了较大的PCB空间,限制其在便携式电子产品中的应用。无片外电容LDO成为了时下研究的热点。片外电容可以作为电荷存储元件为LDO的输出节点提供电荷和泄放电荷,使负载电流发生瞬态变化时,输出电压依然维持稳定,且片外电容的等效串联电阻(Equivalent Series Resistor,ESR)能在输出端构建零点保证系统的稳定性。无片外电容LDO没有器件能在负载电流瞬变时给输出端充放电,也没有ESR构建零点来稳定系统,所以无片外电容LDO的设计中,稳定性和瞬态特性是不小的挑战。在第3章中详细分析了这两个设计难点。在高精度系统中,高精度的LDO是必不可少的,且提高LDO输出电压的精度,能提高LDO的效率和芯片的使用寿命。带隙基准输出电压的精度对LDO输出电压的精度影响最大。本次设计中,采用高阶补偿的带隙基准电压源,为LDO提供高精度、低温漂的参考电压,以提高LDO输出电压的精度。采用阻尼系数控制(Damping Factor Control,DFC)频率补偿方法在实现系统稳定的同时,保证一定的瞬态响应。最后加入过温保护电路提高芯片的可靠性。本次设计在CSMC 0.5μm的工艺下基于Cadence spectre进行仿真验证,在输入电压3.5V~5.5V范围内,输出3.3V电压,脱落电压47mV,负载电流范围1mA~100mA,典型情况下静态电流142μA,在负载电流1μs内从1mA跳变到100mA,或1μs内从100mA跳变到1mA时,输出电压瞬变均小于150mV,电路电源抑制比为65.1dB。电路在轻载、中载和重载时均能保持稳定,系统线性调整率0.8%,负载调整率5.5%。
【关键词】：低压差线性稳压器 无片外电容 阻尼系数控制 带隙基准电压源 高阶补偿
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM44
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第1章 绪论10-16
• 1.1 选题背景10
• 1.2 电源管理芯片介绍10-12
• 1.3 LDO发展趋势12-14
• 1.3.1 LDO的应用趋势12
• 1.3.2 LDO的技术趋势12-14
• 1.4 论文安排14-16
• 第2章 LDO原理与理论基础16-22
• 2.1 LDO工作原理16
• 2.2 LDO主要性能参数16-20
• 2.2.1 静态电流17
• 2.2.2 脱落电压17-18
• 2.2.3 转换效率18
• 2.2.4 负载调整率18-19
• 2.2.5 线性调整率19
• 2.2.6 瞬态特性19-20
• 2.2.7 精度20
• 2.2.8 环路稳定性20
• 2.3 LDO性能指标之间的折衷20-21
• 2.4 本章小结21-22
• 第3章 无片外电容LDO的设计挑战22-33
• 3.1 LDO稳定性分析22-28
• 3.1.1 传统LDO的稳定性分析22-23
• 3.1.2 无片外电容LDO稳定性分析23-24
• 3.1.3 无片外电容LDO稳定性研究现状24-28
• 3.2 LDO瞬态响应分析28-32
• 3.2.1 传统LDO的瞬态响应28-30
• 3.2.2 无片外电容LDO瞬态响应分析30-31
• 3.2.3 无片外电容LDO瞬态特性研究现状31-32
• 3.3 本章小结32-33
• 第4章 无片外电容LDO电路设计33-59
• 4.1 调整管33-36
• 4.2 频率补偿分析36-41
• 4.2.1 频率补偿方案的选择36-37
• 4.2.2 基于DFC频率补偿的LDO电路分析37-41
• 4.3 反馈电阻41-42
• 4.4 误差放大器42
• 4.5 带隙基准源42-55
• 4.5.1 基本原理分析43-45
• 4.5.2 传统一阶补偿的带隙基准电压源45-46
• 4.5.3 高阶补偿46-50
• 4.5.4 运放失调50-52
• 4.5.5 改进型带隙基准电压源52-55
• 4.6 过温保护电路55-58
• 4.6.1 过温原理分析55-56
• 4.6.2 施密特触发器56-58
• 4.7 本章小结58-59
• 第5章 高精度无片外电容LDO的仿真59-70
• 5.1 带隙基准电压源仿真59-61
• 5.2 稳定性仿真61-63
• 5.3 过温保护电路仿真63-64
• 5.4 LDO仿真64-69
• 5.5 本章小结69-70
• 第6章 LDO版图设计70-74
• 6.1 布局布线70
• 6.2 匹配70-72
• 6.2.1 三极管的匹配70-71
• 6.2.2 电阻的匹配71-72
• 6.2.3 差分对管的匹配72
• 6.3 版图设计注意事项72-73
• 6.4 系统的版图73-74
• 第7章 总结与展望74-75
• 参考文献75-78
• 致谢78-79
• 个人简历79-80
• 在校期间发表的学术论文及研究成果80

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本文编号：741690