应用于智能电池中的宽输入电压范围的LDO线性变换器设计

论文摘要

在便携式设备的电源管理领域,需要片上电源转换器来应对不同的供电要求,而低压差线性稳压器（LDO,low-dropout voltage linear regulator）利用低压差、低噪声等综合优势在电源转换器中脱颖而出,并逐渐成为一种成熟的技术。本文设计的LDO稳压器应用于笔记本智能电池管理芯片,锂离子电池的电量会随着使用时间而显著降低,需要片上LDO线性稳压器在锂离子电池从4.5到28V宽输入范围内变动时能输出精确的1.8V,并满足1mA-20mA负载电流范围内的电源稳定。本文首先介绍了LDO线性稳压器的发展概况、拓扑结构以及工作原理,并针对稳压器的负反馈环路进行频率稳定性分析、直流特性以及瞬态响应分析,在考虑稳压器各模块设计要求和参数折衷关系后,设计了一款将4.528V高电源电压转换为1.8V的LDO线性稳压器。其次,为了降低高压管设计带来的功耗和版图面积的问题,采用预稳压电路将输入高压降为粗略的3.3V作为内部低压模块的供电电压,由于预稳压LDO的主极点在稳压电路的内部产生,因此采用密勒补偿的方法即可确保预稳压LDO的稳定性。最后在3.31.8V核心LDO的设计中,为了确保1mA20mA负载电流变化范围内的稳定性,电路中采用了片外2.1uF电容确定主极点的位置,并利用电压缓冲级隔离前级放大级的高输出阻抗和调整管栅极电容以避免低频极点的产生,在差分输入级之后加入RC补偿网络,利用附加零点来提高两个低频极点引起的相位损失,在单位增益频率之外,利用相位超前补偿和ESR补偿频率补偿方法来补偿高频极点。针对TSMC0.5umHV40V工艺模型,完成了电路与版图设计,本论文设计的LDO实现的功能指标为:输入电压范围（4.528V）,输出1.8V稳压值,负载电流20mA,正常工作的温度范围（-4085℃）,瞬态响应的输出超调量在40mV以内,线性调整率为0.00083%,负载调整率为0.0026mV/mA,静态电流为126136uA。版图面积为1300um×2000um。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 电压调整电路的简介
• 1.2.1 电压调整电路的性能需求
• 1.2.2 电压调整电路的分类
• 1.2.3 电压调整电路在笔记本电池管理中的应用
• 1.3 电源管理市场的发展与研究现状
• 1.3.1 市场发展
• 1.3.2 技术发展
• 1.4 本文研究内容
• 第2章 低压差线性降压变换器的基本理论研究
• 2.1 低压差线性稳压器的结构
• 2.2 低压差线性稳压器的工作原理
• 2.3 低压差线性稳压器的主要参数概念
• 2.3.1 线性
• 2.3.2 压差
• 2.3.3 静态电流
• 2.3.4 转换效率
• 2.4 低压差线性稳压器的交流特性与频率补偿
• 2.4.1 低压差线性稳压器的AC 分析
• 2.4.2 低压差线性稳压器的频率补偿方法
• 2.5 低压差线性稳压器的瞬态响应
• 2.6 低压差线性稳压器的直流特性
• 2.6.1 线性调整
• 2.6.2 负载调整
• 2.7 本章小结
• 第3章 低压差线性稳压器的电路设计与仿真
• 3.1 线性稳压器整体电路结构设计
• 3.2 预调压模块设计
• 3.2.1 启动电路及PTAT 电流产生电路
• 3.2.2 基准电压产生电路
• 3.2.3 运算放大器及调整管输出
• 3.3 带隙基准模块设计
• 3.3.1 带隙基准的直流仿真
• 3.3.2 带隙基准的交流仿真
• 3.4 线性稳压核心模块设计
• 3.4.1 电路整体结构及设计考虑
• 3.4.2 误差放大器的设计
• 3.4.3 缓冲级的设计
• 3.4.4 过流保护电路的设计
• 3.4.5 电路稳定性设计
• 3.5 线性稳压器整体仿真
• 3.6 本章小结
• 第4章 低压差线性稳压器的版图设计与后仿
• 4.1 高压版图概述
• 4.1.1 高压器件的结构
• 4.1.2 高压器件的保护
• 4.1.3 高压版图布局
• 4.2 低压差线性稳压器的版图设计
• 4.2.1 预稳压电路的版图设计
• 4.2.2 带隙基准模块的版图设计
• 4.2.3 核心稳压模块的版图设计
• 4.2.4 整体LDO 版图
• 4.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢