低压差线性稳压器芯片的研制

论文摘要

便携式电子设备迅速普及,推动电源芯片需求量飞速增长,使电源芯片市场迅速扩大。低压差线性稳压器以其高集成度、高性价比、外围电路简单、输出电压精度高等优点,具有广阔的市场前景。因此,开展本项目的研究具有重要意义。论文在国家自然科学基金重点项目的资助下,研制了一款低压差线性稳压器。该稳压器在输入电压3.5V-6.5V范围内,输出电压可稳定在3.3V。芯片的工作温度是-40℃到85℃。仿真结果显示,负载电流150mA情况下,最低压差仅为200mV,输出电压精度可达±1%。论文首先设计了低压差线性稳压器的核心电路,包括电流源偏置电路、基准电压源、误差放大器及其控制电路、采样电阻以及调整元件。这几部分电路构成负反馈结构,实现了芯片的稳压功能。为了保证电路安全工作,还设计了过热保护电路和限流保护电路。过热保护电路采用迟滞比较器实现,防止电路在温度阈值点附近频繁开启或关断,而且温度阈值范围受电源电压影响很小。限流保护电路采用折返式限流电路,在限流的同时降低了功耗。另外,芯片还具有使能引脚EN和输出电压检测引脚POK,后者能够为芯片外部的后级电路提供电源电压指示。基于以上技术优势,该芯片具有高效率、低功耗的特点。外围电路简单,只需要两个1μF的电容,芯片就可以在各种电源电压和负载电流条件下稳定工作。论文基于无锡上华半导体公司的0.5μm CMOS工艺,采用Cadence软件和Hspice软件实现了电路设计与仿真。在电路设计完成之后,采用Cadence的集成工具Virtuoso给出了版图设计和设计验证,并经无锡上华的多项目晶圆代工服务进行了流片。之后对实际芯片进行了测试分析。测试结果表明,稳压功能、使能功能和输出电压检测功能都已经实现。除了输入电压高于5V并且负载电流大于50mA的情况,输出电压精度都能够达到设计指标±1%。论文最后还对改进方案进行了讨论。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 电源芯片分类
• 1.2 低压差线性稳压器发展概述
• 1.3 本文的主要工作
• 1.4 本文开展的工作环境
• 2 低压差线性稳压器基本原理
• 2.1 核心结构
• 2.2 工作原理
• 2.3 性能参数
• 2.4 关键性能分析
• 2.4.1 效率分析
• 2.4.2 精度分析
• 2.4.3 稳定性分析
• 3 电路设计
• 3.1 设计指标与整体电路结构
• 3.1.1 设计指标
• 3.1.2 整体电路结构
• 3.2 电流源偏置电路
• 3.2.1 与电源无关的电流源原理
• 3.2.2 启动电路设计
• 3.2.3 电流源偏置电路仿真
• 3.3 基准电压源
• 3.3.1 带隙基准电压源原理
• 3.3.2 温度补偿原理
• 3.3.3 高精度带隙基准电压源设计
• 3.3.4 基准电压源仿真
• 3.4 误差放大器及其控制电路
• 3.4.1 高增益误差放大器设计
• 3.4.2 放大器频率补偿原理
• 3.4.3 误差放大器电路仿真
• 3.5 过热保护电路
• 3.5.1 过热保护电路原理
• 3.5.2 迟滞比较器设计
• 3.5.3 过热保护电路设计
• 3.5.4 过热保护电路仿真
• 3.6 限流保护电路
• 3.6.1 限流保护电路原理
• 3.6.2 折返式限流保护电路设计
• 3.6.3 限流保护电路仿真
• 3.7 电压检测电路
• 3.7.1 电压检测电路原理
• 3.7.2 电压检测电路仿真
• 3.8 整体电路性能仿真
• 3.8.1 直流仿真
• 3.8.2 瞬态仿真
• 3.8.3 交流仿真
• 3.8.4 仿真结果总结
• 4 版图设计
• 4.1 设计流程及工具
• 4.2 设计工艺及器件实现
• 4.3 设计规则
• 4.3.1 布局布线规则
• 4.3.2 匹配性设计规则
• 4.3.3 ESD保护设计规则
• 4.3.4 整体版图设计
• 4.4 版图验证
• 5 芯片测试
• 5.1 光学检查
• 5.2 电学测试
• 5.2.1 芯片引脚说明
• 5.2.2 测试方案
• 5.2.3 测试结果与分析
• 5.3 改进方案
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢