负电源线性调节器的设计及频率补偿和瞬态特性的研究

论文摘要

电源管理电路芯片具有高集成度、高性价比、最简外围电路、能构成高效率电源等优点,以及广阔的市场前景。本文中所设计的电路——负电源线性调节器是电源管理芯片的一种,其主要特点是功率器件工作在线性状态,具有稳定度高、可靠性好、成本较低等优点。目前此类芯片市场基本被国外大公司所垄断,因此掌握此设计技术并对其中关键技术的研究,对国内IC 设计产业的发展具有重要意义。本文设计了一种负电源NPN 达林顿型线性调节器的电路及版图,采用某公司成熟的双极工艺,具有-5、-12、-15、-18、-24 等5 种可选电压输出,最低输入电压可达-40V,最大输出电流为100m A,最大结温为150℃,而且采用内部补偿方法使电路的具有很高的稳定性。通过仿真验证电路具有较强的调整能力,可最大限度地稳定输出电压。另外,在电路中还设计了热保护、电流限制和安全区保护电路,使电路可以在更安全的状态下工作,延长了芯片寿命。在设计电路过程中,仔细考虑了设计中所遇到的各种问题,并着眼于如何在设计电路的同时最大限度的克服工艺和制造的误差。采用某公司成熟的双极工艺库及专用SPICE 模型对所设计电路进行了仔细模拟仿真,并最终达到设计要求。并且还采用PCB 测试电路实现了电路功能,进一步验证了电路的实用性。在版图的设计过程中,充分考虑了各种版图设计因素,并用标准的设计流程设计出达到设计要求的版图,最后借助设计软件Cadence 对版图进行各种必须的验证并最终通过验证。论文还针对此类电路的重点和难点问题进行了深入研究,主要集中在通过频率补偿技术改善系统的稳定性和瞬态特性的改善两大问题。先对其基本原理进行深入的分析,然后提出解决问题的办法。对于频率补偿技术,分别详述了传统的频率补偿方法、密勒补偿方法及提出的一种鲁棒性频率补偿技术,最后对旁路电容引起的不稳定因素进行了分析,并提出解决办法。对于改善瞬态特性,在分析瞬态响应成因的基础上,总结改善的各种途径,重点阐述一种宽带调节器电路和一种快速响应环电路。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 概述
• 1.1 电源管理 IC 的技术发展和市场概况
• 1.2 电源管理 IC 分类及特点
• 1.3 研究工作内容及意义
• 第二章 负电源线性调节器的基本设计考虑
• 2.1 负电源线性调节器的基本工作原理
• 2.2 性能指标定义及设计考虑
• 2.2.1 指标类别
• 2.2.2 压降（Dropout Voltage）
• 2.2.3 线性调整率（Line Regulation）
• 21.2.4 负载调整率（Load Regulation）
• 2.2.5 温度系数（Temperature Coefficient）
• 2.2.6 瞬态响应特性（Transient Response）
• 2.2.7 输出电容及其 ESR 范围
• 2.2.8 精度（Accuracy）
• 2.2.9 静态电流(Quiescent（;urrent）
• 2.2.10 纹波系数（Ripple Rejection）
• 2.2.11 输出噪声电压（Output Noi se Voltrage）
• 2.3 调整功率管设计考虑
• 2.3.1 可选择的类型组态
• 2.3.2 功率器件的选取
• 2.3.3 功率器件尺寸对电路设计的影响
• 2.3.4 功率管的版图设计
• 2.4 误差放大器设计考虑
• 2.4.1 输出阻抗
• 2.4.2 增益与带宽
• 2.4.3 静态电流与转换速率
• 2.5 其它设计考虑
• 第三章 负电源线性调节器的电路设计
• 3.1 电路功能和性能设计要求
• 3.2 子模块电路设计及仿真
• 3.2.1 电压基准源
• 3.2.2 误差放大器
• 3.2.3 保护电路
• 3.3 总体电路仿真
• 3.3.1 总体电路图
• 3.3.2 仿真结果
• 3.3.3 仿真细节
• 3.4 PCB 测试电路验证
• 3.4.1 误差放大器 PCB 实测电路
• 3.4.2 测试结果
• 第四章 负电源线性调节器的版图设计
• 4.1 确定封装（package）和引线框（1ead frame）
• 4.2 焊盘（Bond i ng Pads）的定位设计
• 4.3 芯片尺寸和版图尺寸的计算
• 4.4 模块布局图设计
• 4.5 金属线宽的计算
• 4.6 可选项设计考虑
• 4.7 最终版图
• 4.8 版图设计验证
• 4.8.1 D RC 验证
• 4.8.2 从版图提取电路（extraction）
• 4.8.3 LVS 验证
• 第五章 线性调节器频率补偿技术的研究
• 5.1 研究频率补偿技术的意义
• 5.2 电路稳定性及频率补偿原理
• 5.2.1 极点
• 5.2.2 零点
• 5.2.3 自激振荡
• 5.2.4 Bode 图和 Bode 定理
• 5.2.5 相位裕度
• 5.2.6 消除振荡的方法一频率补偿
• 5.2.7 线性调节器频率补偿不当造成的不稳定情况
• 5.3 外接电容的说明
• 5.3.1 电容的类型特点
• 5.3.2 电容使用不当问题
• 5.4 传统的频率补偿设计
• 5.4.1 零极点分析
• 5.4.2 存在的问题
• 5.5 密勒频率补偿设计
• 5.5.1 零极点分析
• 5.5.2 存在的问题
• 5.6 一种鲁棒性频率补偿设计
• 5.6.1 零极点分析
• 5.6.2 仿真结果及讨论
• 5.7 旁路电容导致的不稳定因素及解决方法
• 5.7.1 旁路电容导致不稳定的机理
• 5.7.2 解决方法
• 第六章 线性调节器瞬态特性的研究
• 6.1 研究瞬态响应的意义
• 6.2 瞬态响应过程的讨论
• 6.2.1 负载电流从零到满载变化过程
• 6.2.2 负载电流从满载到零变化过程
• 6.3 改善瞬态特性的方法及仿真
• 6.3.1 未经改善前的瞬态特性
• 6.3.2 改善瞬态特性的方法及仿真
• 第七章 工作总结和以后的工作
• 7.1 工作总结
• 7.2 以后的工作
• 致谢
• 参考文献