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大电流、高稳定性LDO线性电源芯片的设计和实现

作　者: 张正旭
导　师: 李少青；马卓
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 软件工程
关键词: LDO 大电流高稳定性带隙基准源温度系数
分类号: TN402
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 426次
引　用: 2次
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内容摘要

随着集成电路(IC)的飞速发展,各种电源芯片也获得了空前繁荣的市场。无论是先进的个人电脑,还是高性能微处理器,能否实现高效智能的电源管理,直接影响着电子系统的整体性能。低压差(LDO)线性电源芯片是电源管理方案中的一种,能为各种电子产品,特别是为电池供电的便携式电子设备提供灵活、可靠的电源管理方案。对LDO芯片来说,大电流与高稳定性是业界发展的趋势,但是随着输出电流的增加,稳定性越来越差,所以设计能同时满足大电流和高稳定性的LDO芯片是一个严峻的挑战。本文采用0.18um CMOS工艺,设计实现了一款大电流、高稳定性的LDO线性电源芯片。版图后仿真结果显示,本课题设计的LDO线性电源芯片功能正确,性能良好,满足实际应用的需要,现已流片。本文设计的LDO输出电压为1.8V,负载驱动能力高达1A,比普通的LDO芯片驱动能力要高很多;提出的二阶补偿方法较好地解决了大电流和高稳定性之间的矛盾,提高了系统的稳定性,拓展了系统的带宽;采用具有低漏失特性的PMOS调整管和U型的版图设计方法,较好地解决了调整管大电流和高温过热的问题;利用温度补偿和负反馈技术设计的高性能带隙基准源,通过合理的器件尺寸设计实现了低温度系数7.9ppm/℃(0~100℃)和较强的线性调整能力,采用片外微调方法提高了输出电压的精度,并作为一款独立的IP核已经流片。

全文目录

摘要  10-11
ABSTRACT  11-12
第一章绪论  12-17
  1.1 电源管理IC 的应用和分类  12-13
  1.2 电源管理IC 的国内外发展现状和趋势  13-15
  1.3 LDO 线性电源芯片的发展现状  15-16
  1.4 本文的主要工作和章节安排  16-17
第二章 LDO 的工作原理和性能评价  17-23
  2.1 线性电源芯片的工作原理  17-18
  2.2 LDO 的基本性能评价  18-21
  2.3 LDO 线性电源芯片的应用  21-22
  2.4 本论文LDO 电源芯片设计指标  22-23
第三章 LDO 芯片设计  23-52
  3.1 带隙基准源的设计  23-37
    3.1.1 带隙基准电压源的基本原理  24-27
    3.1.2 带隙基准电压源的主要性能指标  27-28
    3.1.3 高性能带隙基准源  28-30
    3.1.4 带隙基准源输出级电路  30-32
    3.1.5 仿真结果及分析  32-35
    3.1.6 影响性能的误差因素分析  35-37
    3.1.7 本节小结  37
  3.2 误差放大器的设计  37-42
    3.2.1 误差放大器的结构概述  38-39
    3.2.2 误差放大器的主要性能参数  39-40
    3.2.3 实际电路的设计  40-41
    3.2.4 仿真结果及分析  41-42
  3.3 调整管的设计  42-45
    3.3.1 调整管结构的选择  42-44
    3.3.2 PMOS 调整管工作原理  44-45
    3.3.3 PMOS 调整管的尺寸设计  45
  3.4 保护电路的设计  45-51
    3.4.1 过温保护电路  45-48
    3.4.2 限流保护电路  48-50
    3.4.3 短路保护电路  50-51
  3.5 本章小结  51-52
第四章 LDO 的稳定性和二阶补偿方法  52-60
  4.1 负反馈系统的稳定性判定  52-53
  4.2 LDO 系统模型的分析  53-54
  4.3 传统的ESR 电阻补偿方式  54-56
    4.3.1 传统ESR 电阻补偿原理  54-56
    4.3.2 传统ESR 补偿方法的局限性  56
  4.4 本文所采取的二阶补偿方法  56-59
    4.4.1 插入缓冲级（Buffer）  57
    4.4.2 动态零点补偿  57-58
    4.4.3 LDO 补偿电路的仿真与分析  58-59
  4.5 本章小结  59-60
第五章 LDO 线性电源芯片版图设计  60-66
  5.1 版图设计  60-61
    5.1.1 版图设计概述  60
    5.1.2 版图设计考虑  60-61
  5.2 版图设计中常见效应  61-62
    5.2.1 闩锁效应  61-62
    5.2.2 天线效应  62
  5.3 LDO 芯片版图设计  62-65
    5.3.1 带隙基准源版图设计  62-63
    5.3.2 误差放大器版图设计  63
    5.3.3 调整管版图设计  63-64
    5.3.4 保护电路版图设计  64-65
    5.3.5 LDO 整体版图设计  65
  5.4 本章小结  65-66
第六章 LDO 电源芯片仿真与分析  66-72
  6.1 DC 特性仿真与分析  66-68
    6.1.1 LDO 线性调整率的仿真结果  66
    6.1.2 LDO 负载调整率的仿真结果  66-67
    6.1.3 LDO 电压降的仿真结果  67
    6.1.4 LDO 温度特性的仿真结果  67-68
    6.1.5 LDO 静态电流的仿真结果  68
  6.2 AC 特性仿真与分析  68-69
    6.2.1 LDO 的PSRR 特性分析  69
    6.2.2 LDO 噪声特性分析  69
  6.3 瞬态特性仿真与分析  69-70
    6.3.1 LDO 线性瞬态响应特性  69-70
    6.3.2 LDO 负载瞬态响应特性  70
  6.4 LDO 芯片仿真结果总结  70-72
第七章结束语  72-73
致谢  73-74
参考文献  74-78
作者在学期间取得的学术成果  78

大电流、高稳定性LDO线性电源芯片的设计和实现

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