超高压两级稳压器的设计

论文摘要

随着现代电子技术的发展,高性能、低能耗的芯片越来越受到青睐,因此,电源管理类IC受到越来越多的重视。低压降稳压器以其结构简单,应用方便,低噪声,占用芯片面积小等优点被广泛应用。另外一方面,因为世界能源紧张,节能减排、推广LED照明技术是大势所趋,而LED照明的关键技术之一就在于控制芯片的设计。由于LED照明应用的需要,控制芯片的电源电压为高压或者超高压,而内部工作电压为低电压。以往控制芯片中常用稳压器将外部高压转换为芯片内部所需的稳定低压,同时为芯片其他模块提供足够的负载电流。因此,稳压器需要复杂的启动电路,而且启动电路需要使用超高压器件,不仅占用了大量的芯片面积,而且很难精确控制。另外,为了保证在高压环境下稳压器的稳定性,常需要大的片外电容,一般在几到几十微法,这样会增加系统的成本。基于以上背景,本文提出了超高压两级稳压器的设计,在提供稳定的输出电压和较大负载电流的前提下很好的解决了这些问题。本文首先分析了稳压器的基本结构和工作原理,详细论述了其设计指标及设计折中,重点讨论了瞬态特性和频率特性的设计问题,然后提出了本文设计的两级稳压器的结构。第一级稳压器采用耗尽型NMOS作为转换管,应用其阈值电压为负值的特点可以作为稳压器系统的自启动电路,同时将外部高压转换为较低电压。但是由于工艺特点,低负载电流时,第一级稳压器不能被关断,因此设计了第二级稳压器。第二级稳压器采用普通高压设计,用于精确控制输出电压和输出电流。为了保证第二级稳压器的频率稳定性,本文采用电流缓冲器补偿技术（Current Buffer Compensation）以及缓冲器输出阻抗衰减技术（Buffer-Impedance Attenuation）实现了动态补偿,保证稳压器在整个负载电流范围内稳定,同时减小了片外电容的大小。此外,本文还设计了稳压器系统所需要的偏置源、基准电压源、过温度保护、过电流保护等模块。本设计采用了0.5μm的vanguard international semiconductor,VIS700V工艺,该工艺的特点是提供了本文设计中所需的超高压耗尽型NMOS。通过Hspice仿真验证,本设计满足设计要求。输入电压范围是8-600V,输出电压5V。最大负载电流50mA。负载电流最大时,压差小于3V。片外电容仅0.1μf。负载调整率,线性调整率等性能指标均符合设计要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 稳压器设计背景
• 1.2 稳压器设计目标
• 1.3 论文组织
• 第二章 稳压器电路分析
• 2.1 传统稳压器结构及其工作原理
• 2.2 稳压器主要性能指标
• 2.2.1 静态特性
• 2.2.2 动态特性
• 2.2.3 高频特性
• 2.3 系统设计考虑
• 2.3.1 频率响应设计问题
• 2.3.2 瞬态响应设计问题
• 2.3.3 转换管PMOS 的设计问题
• 2.4 本章小结
• 第三章 两级稳压器电路设计
• 3.1 总体结构设计
• 3.2 偏置电路设计
• 3.3 带隙基准源设计
• 3.3.1 带隙基准原理分析
• 3.3.2 电路结构与工作原理
• 3.3.3 带隙基准的环路分析
• 3.3.4 带隙基准的误差分析
• 3.3.5 实际电路设计
• 3.3.6 带隙基准仿真结果
• 3.4 第一级稳压器设计
• 3.4.1 第一级稳压器的结构及工作原理分析
• 3.4.2 第一级稳压器的实际电路设计与分析
• 3.4.3 第一级稳压器的仿真结果
• 3.5 第二级稳压器设计
• 3.5.1 第二级稳压器的结构设计及原理
• 3.5.2 中间缓冲级设计
• 3.5.3 第二级稳压器的实际电路设计
• 3.5.4 第二级稳压器的频率稳定性分析
• 3.5.5 第二级稳压器仿真结果
• 3.6 过温度保护电路设计
• 3.6.1 过温保护的原理
• 3.6.2 实际过温度保护电路设计
• 3.6.3 过温度保护电路仿真结果
• 3.7 过电流保护电路设计
• 3.7.1 过电流保护的原理
• 3.7.2 过电流保护实际电路
• 3.7.3 过电流保护电路仿真结果
• 3.8 本章小结
• 第四章 稳压器整体电路的仿真与分析
• 4.1 直流特性
• 4.1.1 线性调整率
• 4.1.2 负载调整率
• 4.1.3 压差特性
• 4.1.4 温度特性
• 4.1.5 静态电流
• 4.2 交流特性
• 4.3 瞬态特性
• 4.3.1 上电启动
• 4.3.2 负载瞬态响应
• 4.3.3 线性瞬态响应
• 4.4 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附件