数字LDO的研究与设计
发布时间：2021-07-28 12:37
近几年,随着集成电路设计的快速发展,便携式电子设备也得到了盛行和普及,越来越多的功能模块集成在一个片上系统,这就对系统内部的电源管理模块提出了更高的要求。低压差线性稳压器（LDO）作为电源管理IC的一个重要组成部分,也得到了飞速发展。传统的LDO结构主要是模拟电路设计,采用误差放大器和大尺寸MOS管进行反馈调节。但是芯片特征尺寸的减小使其对工作电压的要求越来越低,而当电源电压降低到阈值电压以下时,放大器的增益将无法达到设计要求,从而导致模拟LDO的性能降低。全数字LDO（DLDO）就是在这种情况下得到了越来越多设计者的广泛探索。传统的全数字LDO电路是采用比较器、移位寄存器以及MOS管阵列进行负反馈调节,而近几年全数字LDO电路结构日益创新,目的是为了解决传统结构输出纹波、瞬态响应以及负载动态范围等方面的问题。本设计采用环形振荡器将模拟电压转换为脉冲宽度;再利用时间数字转换电路TDC来将脉冲宽度转化为数字信号;采用数字PID结构作为DLDO的控制模块,通过对PMOS管阵列的开关控制,达到对输出的补偿效果;而MOS管阵列在典型设计的基础上进行改进,以解决调节过程中产生的脉冲尖峰。最终设计...
【文章来源】：沈阳工业大学辽宁省
【文章页数】：64 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
模拟LDO的基本结构图
沈阳工业大学硕士学位论文21.2研究现状2010年的9月，YasuyukiOkuma，KazuakiMori等人提出了早期的数字LDO结构，基于比较器，移位寄存器以及MOS管阵列构成的DLDO。这种结构解决了传统模拟LDO难以在低电压下工作的问题，开启了LDO研究的一种崭新的思路[8]。在2013年，YasuyukiOkuma，KazuakiMori等人针对数字LDO的研究，再次提出了一种结构，为一种模拟辅助数字低压降稳压器，将快速响应的模拟辅助LDO并行的添加到数字LDO中，电路结构如图1.2所示。这种结构在一定程度上解决了传统数字LDO中瞬态响应慢和输出纹波大的问题[9]。图1.2一种模拟辅助数字LDO结构图Fig.1.2DigitalLDOstructurediagramofanalogauxiliary2017年的1月，Yong-JinLee等人在IEEE固态电路上发表的文章，提出了一种新型的粗细双环架构进行数字控制的LDO结构，电路见图1.3，此设计中粗环架构能使LDO进行快速瞬态响应，使电压调节到参考值大致的位置，细环结构有助于减少电压纹波并提高调节精度。这一结构进一步改善了瞬态响应以及输出纹波的问题[10]。基本上同期，在2017年2月，在当时DLDO的发展情况下，低电压下大电流的阶跃响应缓慢，且动态范围有限；由于数字控制部分由一系列的移位寄存器构成，虽然可以通过提高采样频率fs来缓解慢响应，但这会增加功耗，并且更重要的是会降低环路稳定性。为了解决这些问题，LoaiG.Salem等人提出了一种递归全数字LDO，具有混合PD和PWM占空比控制，使响应时间和动态范围在一定程度上得到改善，整体电路如图1.4。但该文中所设计的DLDO对应的负载，最大不超过2mA，在应对大负载方面仍存在问题[11]。
第1章绪论3图1.3一种粗-细双环架构数字LDO结构图Fig.1.3DigitalLDOstructurediagramofacoarse-finedouble-looparchitecture图1.4一种混合PD、PWM控制数字LDO结构图Fig.1.4DigitalLDOstructurediagramofahybridPDandPWMcontrolledSomnathKundu等人在2017年5月，提出了采用多相位VCO作为时间量化器的结构，与一位比较器架构相比，这种高分辨率量化器需要低得多的采样时钟频率，从而确保了在宽工作条件下的稳定性，同时降低了动态功耗。整体电路结构如图1.5所示，可以看出该结构是通过将参考电压VREF和输出电压VOUT转换为频率fREF和fOUT的等效时钟信号。时钟频率经过多相位量化器转换为数字信号NOUT，误差e(t)就是由NOUT-N产生，经数字积分器累加生成10位二进制输出控制PMOS管阵列中PMOS的开关数量，以进行误差补偿。其中的下垂/过冲检测器会连续监视VOUT并提高环路工作速度，以加快恢复速度，提高瞬态响应时间[12]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]一种高分辨率大动态范围门控环形TDC设计[J]. 金硕巍,李晶皎,苏瑞琴,李贞妮. 电子测试. 2018(09)
[2]一种高性能无片外电容型LDO设计[J]. 程立,黄鲁. 微电子学与计算机. 2017(10)
[3]一种改进的计数型TDC设计及实现[J]. 王磊,郭唐永,庞聪. 大地测量与地球动力学. 2017(09)
[4]用启发式算法确定模糊PID控制器增益[J]. 陈旸. 长春大学学报. 2016(08)
[5]一种低静态电流瞬态增强的无电容型LDO设计[J]. 池上升,胡炜,樊明辉,许育森. 微电子学. 2015(01)
[6]PID控制算法及其积分项的改进[J]. 张亚飞,陈红波,冯小华,张勤学. 科技创新与应用. 2013(24)
[7]模拟和混合信号系统的VHDL-AMS建模方法[J]. 李滨,叶以正,肖立伊,郑赟,黄国勇. 计算机辅助设计与图形学学报. 2003(07)
[8]用VHDL-AMS进行概念设计[J]. 叶以正,肖立伊,李滨. 计算机辅助设计与图形学学报. 2000(11)
博士论文
[1]低功耗快速响应的片上集成LDO研究[D]. 屈熹.电子科技大学 2014
[2]面向FPGA设计及应用的EDA关键技术研究[D]. 陈迅.国防科学技术大学 2011
硕士论文
[1]基于时间放大技术的时间数字转换器的设计与实现[D]. 曹灿.湘潭大学 2018
[2]一种应用于阵列TDC的宽带锁相环电路设计[D]. 史书芳.东南大学 2018
[3]高精度实时时钟的温度补偿电路设计[D]. 周鹏.东南大学 2017
[4]基于65nm CMOS的快速响应LDO设计[D]. 位康康.西安邮电大学 2017
[5]高稳定性快速瞬态响应片上集成LDO的研究与设计[D]. 李旭.西南交通大学 2017
[6]基于时间数字转换器的全数字锁相环设计[D]. 李易.东南大学 2017
[7]高精度LDO设计及仿真[D]. 林国伟.电子科技大学 2016
[8]基于TDC测量时间间隔的精度的探索和研究[D]. 魏晓飞.北京邮电大学 2016
[9]低功耗高稳定性无片外电容型CMOS LDO的研究与设计[D]. 石凤骄.电子科技大学 2016
[10]基于神经网络的PID控制技术研究[D]. 秦立庆.南京邮电大学 2015
本文编号：3307930
【文章来源】：沈阳工业大学辽宁省
【文章页数】：64 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
模拟LDO的基本结构图
沈阳工业大学硕士学位论文21.2研究现状2010年的9月，YasuyukiOkuma，KazuakiMori等人提出了早期的数字LDO结构，基于比较器，移位寄存器以及MOS管阵列构成的DLDO。这种结构解决了传统模拟LDO难以在低电压下工作的问题，开启了LDO研究的一种崭新的思路[8]。在2013年，YasuyukiOkuma，KazuakiMori等人针对数字LDO的研究，再次提出了一种结构，为一种模拟辅助数字低压降稳压器，将快速响应的模拟辅助LDO并行的添加到数字LDO中，电路结构如图1.2所示。这种结构在一定程度上解决了传统数字LDO中瞬态响应慢和输出纹波大的问题[9]。图1.2一种模拟辅助数字LDO结构图Fig.1.2DigitalLDOstructurediagramofanalogauxiliary2017年的1月，Yong-JinLee等人在IEEE固态电路上发表的文章，提出了一种新型的粗细双环架构进行数字控制的LDO结构，电路见图1.3，此设计中粗环架构能使LDO进行快速瞬态响应，使电压调节到参考值大致的位置，细环结构有助于减少电压纹波并提高调节精度。这一结构进一步改善了瞬态响应以及输出纹波的问题[10]。基本上同期，在2017年2月，在当时DLDO的发展情况下，低电压下大电流的阶跃响应缓慢，且动态范围有限；由于数字控制部分由一系列的移位寄存器构成，虽然可以通过提高采样频率fs来缓解慢响应，但这会增加功耗，并且更重要的是会降低环路稳定性。为了解决这些问题，LoaiG.Salem等人提出了一种递归全数字LDO，具有混合PD和PWM占空比控制，使响应时间和动态范围在一定程度上得到改善，整体电路如图1.4。但该文中所设计的DLDO对应的负载，最大不超过2mA，在应对大负载方面仍存在问题[11]。
第1章绪论3图1.3一种粗-细双环架构数字LDO结构图Fig.1.3DigitalLDOstructurediagramofacoarse-finedouble-looparchitecture图1.4一种混合PD、PWM控制数字LDO结构图Fig.1.4DigitalLDOstructurediagramofahybridPDandPWMcontrolledSomnathKundu等人在2017年5月，提出了采用多相位VCO作为时间量化器的结构，与一位比较器架构相比，这种高分辨率量化器需要低得多的采样时钟频率，从而确保了在宽工作条件下的稳定性，同时降低了动态功耗。整体电路结构如图1.5所示，可以看出该结构是通过将参考电压VREF和输出电压VOUT转换为频率fREF和fOUT的等效时钟信号。时钟频率经过多相位量化器转换为数字信号NOUT，误差e(t)就是由NOUT-N产生，经数字积分器累加生成10位二进制输出控制PMOS管阵列中PMOS的开关数量，以进行误差补偿。其中的下垂/过冲检测器会连续监视VOUT并提高环路工作速度，以加快恢复速度，提高瞬态响应时间[12]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]一种高分辨率大动态范围门控环形TDC设计[J]. 金硕巍,李晶皎,苏瑞琴,李贞妮. 电子测试. 2018(09)
[2]一种高性能无片外电容型LDO设计[J]. 程立,黄鲁. 微电子学与计算机. 2017(10)
[3]一种改进的计数型TDC设计及实现[J]. 王磊,郭唐永,庞聪. 大地测量与地球动力学. 2017(09)
[4]用启发式算法确定模糊PID控制器增益[J]. 陈旸. 长春大学学报. 2016(08)
[5]一种低静态电流瞬态增强的无电容型LDO设计[J]. 池上升,胡炜,樊明辉,许育森. 微电子学. 2015(01)
[6]PID控制算法及其积分项的改进[J]. 张亚飞,陈红波,冯小华,张勤学. 科技创新与应用. 2013(24)
[7]模拟和混合信号系统的VHDL-AMS建模方法[J]. 李滨,叶以正,肖立伊,郑赟,黄国勇. 计算机辅助设计与图形学学报. 2003(07)
[8]用VHDL-AMS进行概念设计[J]. 叶以正,肖立伊,李滨. 计算机辅助设计与图形学学报. 2000(11)
博士论文
[1]低功耗快速响应的片上集成LDO研究[D]. 屈熹.电子科技大学 2014
[2]面向FPGA设计及应用的EDA关键技术研究[D]. 陈迅.国防科学技术大学 2011
硕士论文
[1]基于时间放大技术的时间数字转换器的设计与实现[D]. 曹灿.湘潭大学 2018
[2]一种应用于阵列TDC的宽带锁相环电路设计[D]. 史书芳.东南大学 2018
[3]高精度实时时钟的温度补偿电路设计[D]. 周鹏.东南大学 2017
[4]基于65nm CMOS的快速响应LDO设计[D]. 位康康.西安邮电大学 2017
[5]高稳定性快速瞬态响应片上集成LDO的研究与设计[D]. 李旭.西南交通大学 2017
[6]基于时间数字转换器的全数字锁相环设计[D]. 李易.东南大学 2017
[7]高精度LDO设计及仿真[D]. 林国伟.电子科技大学 2016
[8]基于TDC测量时间间隔的精度的探索和研究[D]. 魏晓飞.北京邮电大学 2016
[9]低功耗高稳定性无片外电容型CMOS LDO的研究与设计[D]. 石凤骄.电子科技大学 2016
[10]基于神经网络的PID控制技术研究[D]. 秦立庆.南京邮电大学 2015
本文编号：3307930
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