高性能电源管理类集成电路的关键技术研究

发布时间：2019-10-07 21:01

【摘要】：近年来,随着技术需求的不断变化,电子产品技术也随之飞快发展,移动充电宝、无线鼠标、无线电子手表等便携式可穿戴设备也不断地出现。作为主要电源管理类芯片,LDO线性稳压电源和DC-DC变换器等在电子产品中的应用也越来越广泛。因此,对当前电子技术中应用比较广泛的LDO和DC-DC变换器等电源管理类集成电路提出了更高的要求。在不增加芯片面积即产品成本的情况下,如何简化电路设计、提高芯片的负载能力、减小静态功耗、增大转换效率以及提高系统稳定性和可靠性就变成了众多学者研究的重点。本文紧跟理论和应用技术的发展方向,分别以LDO线性稳压电源和同步升压型DC-DC变换器为主要研究对象,着力研究了其关键理论和电路结构设计方法,并提出了相应的设计方案和具体实现电路。研究成果如下。1.设计了一种采用动态补偿网络技术的高压LDO电路,采用国外某0.6μm40VBCD工艺进行实现。该结构采用高耐压值的MOS管承受每路的压降,因此能够满足宽输入电压范围的设计要求。提出的动态补偿网络在不同的负载和输入电压条件下均可使电路具有良好的稳定性。另外,该电路具有不同的输出电压可选,经过验证,不同应用条件下的瞬态响应均表现良好。该技术将传统的米勒补偿网络和动态补偿网络相结合,同时加入普通耐压值的电阻和电容器件完成高压环路的稳定性补偿网络设计。该补偿方法专门针对宽输入电压范围设计,因此适合的应用电路较为广泛,并且能在各种不同的应用条件下进行环路稳定性方面的补偿。2.研究了一种高精度低功耗LDO的电路设计方法,采用带隙基准与误差放大器相结合的电路结构实现了低静态电流LDO的电路设计。该电路使用的是一种复合式电路架构,由于基准模块的供电电流可以省略,因此该电路能够获得极低的静态电流。同时,瞬态增强电路模块通过在功率管栅端控制部分加入另一路电流,可以帮助环路实现稳态和瞬态时输出电压的快速调节。根据工艺限制和产品应用技术要求,该电路采用国外某0.6μm 40V BCD工艺进行实现,静态电流小至2.8μA,负载电流最大50mA。3.针对高效率高性能的升压型DC-DC变换器,分析了升压型DC-DC变换器的工作模式,并进行了线性建模与计算。同时提出了三种提升电路效率和性能的关键技术,高效率抗振铃技术、LDO式启动技术和高效率模式切换技术。高效率抗振铃技术在环路中引入了抗振铃电路模块,屏蔽掉可能由电感和寄生电容耦合而产生的开关振铃现象,节省振铃现象所引起的功率损耗。LDO式启动电路从预充电阶段开始分析,提出了一种类似LDO采样结构的预充电过程的启动方法。最后,提出了一种三模式切换控制方法,详细分析了其工作过程和逻辑信号之间的关系。该电路采用国外某0.35μm 5V BCD工艺进行实现,芯片面积为2.24mm2。4.提出了一种具有恒流输出功能的同步升压型DC-DC变换器。其目的是为了扩大电路的应用领域,满足移动充电设备日益增加的技术需求。移动充电设备中的升压型DC-DC变换器拥有恒压输出控制环路,可以给负载提供稳定的输出电压并在负载电流过大时采用短路保护技术对整个环路进行功能保护,避免芯片烧毁。本文提出的恒流输出功能是在恒压输出环路的基础上增加了一个恒流输出环路,双环路设计方法使得移动充电设备的同步充电功能成为可能。环路采用选择性基准电压产生技术、恒流环路跨导运算放大器和恒流模式环路前馈补偿技术实现,从而保证给移动充电设备提供持续的负载充电电流,延长电池的使用寿命。整个恒流技术功能的实现结合了环路控制、环路补偿和信号放大等核心电路,从而提升了工作系统的恒流输出性能。该电路采用国外某0.6μm 5V BCD工艺进行实现,芯片面积仅为2.484mm2。
【图文】：

电源管理芯片,产品结构,电源管理

并提出可靠性的设计理论。逡逑因此，本文将Ｗ线性稳压器ＬＤＯ邋Ｗ及同步升压型ＤＣ－ＤＣ变换器为研究对象，逡逑对线性稳压器的多角度设计方案和同步升压型ＤＣ－ＤＣ变换器的控制模式设计方法逡逑重点内容展开研究。逡逑２电源管理类孩片的研究现状逡逑自２０世纪初的开关电源问世Ｗ来，消费类电子产品呈几何式爆炸增长。几乎所有逡逑电子产品都会涉及到电源管理，而电源管理类集成电路也直接受到电子产品的影逡逑。为了应对不同的需求，电源管理抵片种类众多。从技术应用领域来看，ＬＤＯ产品逡逑过２０％，其次是ＤＣ－ＤＣ、Ｄｒｉｖｅｒｓ和电源管理单元（Ｐｏｗｅｒ邋Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ邋Ｕｎｉｔ，邋ＰＭＵ）。从发展趋势来看，ＬＤＯ的发展速度近年来在逐步放缓，但仍然是电源管理类总片品结构中百分比最高的一类产品。其次，由于手机、充电宝等便携式电子产品的应逡逑需求量逐年增加，电池管理类芯片的发展也越来越快速。图１．１所示即为中国电源逡逑理芯片的产品结构［Ｗ。逡逑■２０．２％邋ＬＤＯ／Ｌｉｎｅａｒ邋Ｒｅｕｌａｔｉｏｎ逡逑

拓扑结构图,线性稳压器,拓扑结构,功率管

ＶｉＮ是输入电平，ＶＯＵＴ是输出信号，Ｖｒｅｆ是基准参考电压，Ｖｆｂ是反馈信逡逑号，Ｖｏｉ是运算放大器的输出电压，Ｒ｜和民２是分压电阻。两种线性稳压器的拓扑结逡逑构都是通过同一个反馈环路来进行输出电压调节的，唯一的区别在于反馈信号连接运逡逑算放大器时的极性不同。在Ｎ型线性稳压器的结构中，功率管栅端电压最大可被拉逡逑至ＶｉＮ，因此ＶｏｕＴ的最大值为Ｖｉｎ－Ｖｇｓ。所Ｗ，Ｎ型线性稳压器在低电压情况下的输逡逑出一般都很小，应用范围很窄。而因为其功率管的作用是一个源跟随器，增益为１，逡逑输出阻抗很小，，因此这种稳压器的稳定性特别好。相比之下，Ｐ型线性稳压器在低输逡逑入电压的情况下应用范围比较广，因为其功率管构成的是一个共源型电路结构。运算逡逑放大器可Ｗ将Ｐ型功率管的栅端拉至ＧＮＤ，使得功率管得＾＞充分导通，这样ＶｏｕＴ逡逑的最大值就可Ｗ达到Ｖｉｎ－Ｖｄｓａｔ，这个值就比Ｎ型稳压器输出电压的最大值要大。但逡逑是相应的，由于Ｐ型功率管构成的是共源型结构，因此这级反相放大的增益大于１，逡逑其输出阻抗大于Ｎ型线性稳压器的输出阻抗，稳定性设计的复杂性也因此变得比较逡逑高［９３１。两种线性稳压器的一阶和二阶极点如图２．２所示（没有频率补偿）。逡逑Ａｖ（犯）逦Ａ＾ｃｍ）逡逑
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM46;TN492

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