高性能電源管理類集成電路的關鍵技術研究.pdf

1、近年來，隨著技術需求的不斷變化，電子產(chǎn)品技術也隨之飛快發(fā)展，移動充電寶、無線鼠標、無線電子手表等便攜式可穿戴設備也不斷地出現(xiàn)。作為主要電源管理類芯片，LDO線性穩(wěn)壓電源和DC-DC變換器等在電子產(chǎn)品中的應用也越來越廣泛。因此，對當前電子技術中應用比較廣泛的LDO和DC-DC變換器等電源管理類集成電路提出了更高的要求。在不增加芯片面積即產(chǎn)品成本的情況下，如何簡化電路設計、提高芯片的負載能力、減小靜態(tài)功耗、增大轉(zhuǎn)換效率以及提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和可

2、靠性就變成了眾多學者研究的重點。
　　本文緊跟理論和應用技術的發(fā)展方向，分別以LDO線性穩(wěn)壓電源和同步升壓型DC-DC變換器為主要研究對象，著力研究了其關鍵理論和電路結構設計方法，并提出了相應的設計方案和具體實現(xiàn)電路。研究成果如下。
　　1.設計了一種采用動態(tài)補償網(wǎng)絡技術的高壓LDO電路，采用國外某0.6μm40VBCD工藝進行實現(xiàn)。該結構采用高耐壓值的MOS管承受每路的壓降，因此能夠滿足寬輸入電壓范圍的設計要求。提出的動態(tài)

3、補償網(wǎng)絡在不同的負載和輸入電壓條件下均可使電路具有良好的穩(wěn)定性。另外，該電路具有不同的輸出電壓可選，經(jīng)過驗證，不同應用條件下的瞬態(tài)響應均表現(xiàn)良好。該技術將傳統(tǒng)的米勒補償網(wǎng)絡和動態(tài)補償網(wǎng)絡相結合，同時加入普通耐壓值的電阻和電容器件完成高壓環(huán)路的穩(wěn)定性補償網(wǎng)絡設計。該補償方法專門針對寬輸入電壓范圍設計，因此適合的應用電路較為廣泛，并且能在各種不同的應用條件下進行環(huán)路穩(wěn)定性方面的補償。
　　2.研究了一種高精度低功耗LDO的電路設計方法

4、，采用帶隙基準與誤差放大器相結合的電路結構實現(xiàn)了低靜態(tài)電流LDO的電路設計。該電路使用的是一種復合式電路架構，由于基準模塊的供電電流可以省略，因此該電路能夠獲得極低的靜態(tài)電流。同時，瞬態(tài)增強電路模塊通過在功率管柵端控制部分加入另一路電流，可以幫助環(huán)路實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)時輸出電壓的快速調(diào)節(jié)。根據(jù)工藝限制和產(chǎn)品應用技術要求，該電路采用國外某0.6μm40V BCD工藝進行實現(xiàn)，靜態(tài)電流小至2.8μA，負載電流最大50mA。
　　3.針對高

5、效率高性能的升壓型DC-DC變換器，分析了升壓型DC-DC變換器的工作模式，并進行了線性建模與計算。同時提出了三種提升電路效率和性能的關鍵技術，高效率抗振鈴技術、LDO式啟動技術和高效率模式切換技術。高效率抗振鈴技術在環(huán)路中引入了抗振鈴電路模塊，屏蔽掉可能由電感和寄生電容耦合而產(chǎn)生的開關振鈴現(xiàn)象，節(jié)省振鈴現(xiàn)象所引起的功率損耗。LDO式啟動電路從預充電階段開始分析，提出了一種類似LDO采樣結構的預充電過程的啟動方法。最后，提出了一種三模式

6、切換控制方法，詳細分析了其工作過程和邏輯信號之間的關系。該電路采用國外某0.35μm5V BCD工藝進行實現(xiàn)，芯片面積為2.24mm2。
　　4.提出了一種具有恒流輸出功能的同步升壓型DC-DC變換器。其目的是為了擴大電路的應用領域，滿足移動充電設備日益增加的技術需求。移動充電設備中的升壓型DC-DC變換器擁有恒壓輸出控制環(huán)路，可以給負載提供穩(wěn)定的輸出電壓并在負載電流過大時采用短路保護技術對整個環(huán)路進行功能保護，避免芯片燒毀。本文

7、提出的恒流輸出功能是在恒壓輸出環(huán)路的基礎上增加了一個恒流輸出環(huán)路，雙環(huán)路設計方法使得移動充電設備的同步充電功能成為可能。環(huán)路采用選擇性基準電壓產(chǎn)生技術、恒流環(huán)路跨導運算放大器和恒流模式環(huán)路前饋補償技術實現(xiàn)，從而保證給移動充電設備提供持續(xù)的負載充電電流，延長電池的使用壽命。整個恒流技術功能的實現(xiàn)結合了環(huán)路控制、環(huán)路補償和信號放大等核心電路，從而提升了工作系統(tǒng)的恒流輸出性能。該電路采用國外某0.6μm5V BCD工藝進行實現(xiàn)，芯片面積僅為2