片上高速响应低压差线性稳压电路的研究与设计

论文摘要

随着便携式电子产品的普及,电源管理解决方案不断追求高效率、小芯片面积、低成本,这使得LDO越来越受欢迎。无片外电容的LDO可实现片上集成,随着SOC的进一步发展,必将越来越成为主流。片上集成减小了PCB的面积,但同时也对电路设计师提出了新的挑战.传统结构的LDO严格选择片外电容的ESR(等效串联电阻)范围,以保证多极点系统的稳定性;并且,大的片外电容可以在负载电流发生跳变时为负载电路提供电荷,提高LDO的瞬态响应。针对以上问题,设计了一种具有负载调整补偿结构的单级LDO,达到去除片外电容,提高瞬态响应的目的。使在无需输出大的片外电容前提下具有响应快速负载电流变化的能力,减少由于负载电流迅速变化引起的电压纹波。同时仅依靠100pF的片上寄生电容使LDO在负载变化的情况下仍能保持稳定,减少LDO的芯片面积,从而使其适用于SOC的集成。芯片采用SMIC 0.18μm,1.8V/3.3V CMOS 1P6M工艺,面积为1055μm×1300μm。测试结果表明,在目前的测试条件下,所设计的片上线性稳压电路对上升、下降时间均小于160ns的脉冲信号具有良好的瞬态响应,在等待模式下具有20μA的静态功耗。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 1 引言
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 论文的主要工作
• 1.3 论文的组织结构
• 2 系统研究
• 2.1 工作原理
• 2.2 性能指标
• 2.2.1 最小压差
• 2.2.2 线性调整率
• 2.2.3 负载调整率
• 2.2.4 温度系数
• 2.2.5 瞬态特性
• 2.2.6 静态电流
• 2.2.7 电源抑制比
• 2.2.8 输出噪声
• 2.3 线性稳压器的分类
• 2.3.1 常见结构
• 2.3.2 性能比较
• 2.3.3 功率管的电学特性
• 2.4 稳定性分析
• 2.4.1 小信号模型分析
• 2.4.2 频率特性分析
• 2.4.3 存在问题
• 3 瞬态响应分析
• 3.1 传统LDO的瞬态响应分析
• 3.2 改进的瞬态响应特性
• 3.2.1 压摆率增强结构
• 3.2.2 动态泄放支路
• 3.2.3 半闭环LDO
• 4 电路设计
• 4.1 系统指标
• 4.2 LDO环路设计
• 4.2.1 密勒电容的瞬态补偿
• 4.2.2 压摆率增强
• 4.2.3 交流小信号
• 4.2.4 瞬态响应特性
• 4.3 带隙基准源
• 4.4 限流保护电路
• 4.4.1 迟滞比较器
• 4.4.2 负反馈电路
• 4.4.3 Vref产生电路
• 5 版图与测试
• 5.1 版图设计
• 5.1.1 匹配性
• 5.1.2 功率管的版图设计
• 5.1.3 大面积金属线
• 5.2 LDO芯片照片
• 5.3 芯片测试
• 5.3.1 PCB设计
• 5.3.2 测试电路及测试结果
• 5.3.3 测试总结
• 6 总结和展望
• 参考文献
• 致谢