一种CMOS低压差线性稳压器的研究与设计

论文摘要

随着便携式产品越来越多,产品的功能,性能的提升,它们对电源管理的要求也更高了。在开发电池供电的便携式电子设备时,诸如手机,MP3,PDA,GPS等低功耗产品,如果电源系统设计不合理,则会影响到整个系统的架构,产品功能组合,软件的设计和功率分配架构等。便携式产品在大多数情况下是靠电池供电,内部(即电池后端)的电源管理有DC/DC和LDO两种实现方式,各有优缺点。正常工作时,DC/DC模块能提供给系统稳定的电压,并且保持自身转换的高效率,低发热。但在一些应用条件下,比如工作在轻载状况下或是给RF供电时,DC/DC的静态电流及开关噪声就显得比较大了。开关电源(DCDC)和低压差线性稳压器(LDO)的组合使用可以很大的改善系统的待机性能,同时又可提供高精度的电源电压。CMOS LDO正好可以满足在这些应用条件下的供电要求,CMOS LDO有着极低的静态电流,极低的噪声,较高的PSRR(电源纹波抑制比),以及较低的Dropout Voltage(输入输出电压差)。本文在分析LDO设计原理的基础知识上,提出了一种采用CMOS结构的低压差线性稳压器,它充分利用MOS器件功耗低的特性。文中从系统稳定性分析入手,在对误差放大器、带隙基准源的电路以及PMOS调整管进行分析设计后,引入Chopping架构,消除运放中各种不匹配因素引起的误差,及芯片封装中封装应力引入的漂移。增加电流倍增型Miller补偿方法及随负载变化的动态补偿电路,使系统具有更大的频宽及更好的稳定性.用0.5μmCMOS工艺对LDO系统环路进行频率特性模拟,模拟及实测结果表明：在实际PCB及封装寄生参数的条件下线性调整度小于1mV,负载调整度小于5mV,输出负载电流为150mA时压差为300mV,在1HZ～100Khz间输出噪声80uVRMS,静态电流只有25uA,体现LDO具有低功耗、低噪声的优点。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 第一章 低压差线性稳压器介绍
• 1.1 低压差线性稳压器（LDO）在便携式电子产品中的应用
• 1.2 低压差线性稳压器（LDO）的发展概况
• 1.2.1 市场的需求及发展
• 1.2.2 LDO与Switch Regulator比较
• 第二章 低压差线性稳压器（LDO）基本原理
• 2.1 低压差线性稳压器（LDO）结构
• 2.2 低压差线性稳压器（LDO）特性分析
• 2.2.1 效率
• 2.2.2 线性调整率
• 2.2.3 负载调整率
• 2.2.4 瞬态响应
• 2.2.5 纹波抑制比
• 2.2.6 输出电压精度
• 第三章 低压差线性稳压器（LDO）系统设计考量
• 3.1 LDO系统稳压理论分析
• 3.1.1 LDO线性稳压器工作过程分析
• 3.1.2 LDO稳压器电路直流特性分析
• 3.1.3 LDO反馈网络对输入噪声的影响
• 3.2 交流特性分析
• 3.2.1 负载条件
• 3.2.2 频率响应
• 3.3 瞬态分析
• 3.3.1 典型的瞬态响应
• 3.3.2 负载动态响应设计要点
• 3.4 驱动MOSFET设计要求
• 3.4.1 调整管尺寸的确定
• 3.4.2 调整管栅驱动电压变化范围的确定
• 3.5 参考电压源的设计要求
• 3.6 运算放大器的设计要求
• 第四章 低压差线性稳压器（LDO）电路架构
• 4.1 CMOS电路框架图说明
• 4.2 LDO电路设计与改进
• 4.2.1 运放电路设计及补偿电路改进
• 4.2.2 系统环路响应
• 4.3 基准电压的改进
• 4.3.1 带隙基准电压源
• 4.3.2 基准电压源的偏差和校正
• 4.3.3 Chopping架构基准电压源
• 4.4 BIAS电路
• 4.5 限流保护电路的设计
• 4.6 过温保护电路的设计
• 第五章 电路的HSPICE模拟与验证
• 5.1 直流特性仿真与分析
• 5.2 瞬态特性仿真与分析
• 5.3 交流特性仿真与分析
• 第六章 结论
• 参考文献
• 致谢