高性能電源管理類集成電路的關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、近年來，隨著技術(shù)需求的不斷變化，電子產(chǎn)品技術(shù)也隨之飛快發(fā)展，移動(dòng)充電寶、無線鼠標(biāo)、無線電子手表等便攜式可穿戴設(shè)備也不斷地出現(xiàn)。作為主要電源管理類芯片，LDO線性穩(wěn)壓電源和DC-DC變換器等在電子產(chǎn)品中的應(yīng)用也越來越廣泛。因此，對(duì)當(dāng)前電子技術(shù)中應(yīng)用比較廣泛的LDO和DC-DC變換器等電源管理類集成電路提出了更高的要求。在不增加芯片面積即產(chǎn)品成本的情況下，如何簡化電路設(shè)計(jì)、提高芯片的負(fù)載能力、減小靜態(tài)功耗、增大轉(zhuǎn)換效率以及提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和可

2、靠性就變成了眾多學(xué)者研究的重點(diǎn)。
　　本文緊跟理論和應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展方向，分別以LDO線性穩(wěn)壓電源和同步升壓型DC-DC變換器為主要研究對(duì)象，著力研究了其關(guān)鍵理論和電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，并提出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)方案和具體實(shí)現(xiàn)電路。研究成果如下。
　　1.設(shè)計(jì)了一種采用動(dòng)態(tài)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高壓LDO電路，采用國外某0.6μm40VBCD工藝進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。該結(jié)構(gòu)采用高耐壓值的MOS管承受每路的壓降，因此能夠滿足寬輸入電壓范圍的設(shè)計(jì)要求。提出的動(dòng)態(tài)

3、補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)在不同的負(fù)載和輸入電壓條件下均可使電路具有良好的穩(wěn)定性。另外，該電路具有不同的輸出電壓可選，經(jīng)過驗(yàn)證，不同應(yīng)用條件下的瞬態(tài)響應(yīng)均表現(xiàn)良好。該技術(shù)將傳統(tǒng)的米勒補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)和動(dòng)態(tài)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，同時(shí)加入普通耐壓值的電阻和電容器件完成高壓環(huán)路的穩(wěn)定性補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。該補(bǔ)償方法專門針對(duì)寬輸入電壓范圍設(shè)計(jì)，因此適合的應(yīng)用電路較為廣泛，并且能在各種不同的應(yīng)用條件下進(jìn)行環(huán)路穩(wěn)定性方面的補(bǔ)償。
　　2.研究了一種高精度低功耗LDO的電路設(shè)計(jì)方法

4、，采用帶隙基準(zhǔn)與誤差放大器相結(jié)合的電路結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了低靜態(tài)電流LDO的電路設(shè)計(jì)。該電路使用的是一種復(fù)合式電路架構(gòu)，由于基準(zhǔn)模塊的供電電流可以省略，因此該電路能夠獲得極低的靜態(tài)電流。同時(shí)，瞬態(tài)增強(qiáng)電路模塊通過在功率管柵端控制部分加入另一路電流，可以幫助環(huán)路實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)時(shí)輸出電壓的快速調(diào)節(jié)。根據(jù)工藝限制和產(chǎn)品應(yīng)用技術(shù)要求，該電路采用國外某0.6μm40V BCD工藝進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，靜態(tài)電流小至2.8μA，負(fù)載電流最大50mA。
　　3.針對(duì)高

5、效率高性能的升壓型DC-DC變換器，分析了升壓型DC-DC變換器的工作模式，并進(jìn)行了線性建模與計(jì)算。同時(shí)提出了三種提升電路效率和性能的關(guān)鍵技術(shù)，高效率抗振鈴技術(shù)、LDO式啟動(dòng)技術(shù)和高效率模式切換技術(shù)。高效率抗振鈴技術(shù)在環(huán)路中引入了抗振鈴電路模塊，屏蔽掉可能由電感和寄生電容耦合而產(chǎn)生的開關(guān)振鈴現(xiàn)象，節(jié)省振鈴現(xiàn)象所引起的功率損耗。LDO式啟動(dòng)電路從預(yù)充電階段開始分析，提出了一種類似LDO采樣結(jié)構(gòu)的預(yù)充電過程的啟動(dòng)方法。最后，提出了一種三模式

6、切換控制方法，詳細(xì)分析了其工作過程和邏輯信號(hào)之間的關(guān)系。該電路采用國外某0.35μm5V BCD工藝進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，芯片面積為2.24mm2。
　　4.提出了一種具有恒流輸出功能的同步升壓型DC-DC變換器。其目的是為了擴(kuò)大電路的應(yīng)用領(lǐng)域，滿足移動(dòng)充電設(shè)備日益增加的技術(shù)需求。移動(dòng)充電設(shè)備中的升壓型DC-DC變換器擁有恒壓輸出控制環(huán)路，可以給負(fù)載提供穩(wěn)定的輸出電壓并在負(fù)載電流過大時(shí)采用短路保護(hù)技術(shù)對(duì)整個(gè)環(huán)路進(jìn)行功能保護(hù)，避免芯片燒毀。本文

7、提出的恒流輸出功能是在恒壓輸出環(huán)路的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)恒流輸出環(huán)路，雙環(huán)路設(shè)計(jì)方法使得移動(dòng)充電設(shè)備的同步充電功能成為可能。環(huán)路采用選擇性基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生技術(shù)、恒流環(huán)路跨導(dǎo)運(yùn)算放大器和恒流模式環(huán)路前饋補(bǔ)償技術(shù)實(shí)現(xiàn)，從而保證給移動(dòng)充電設(shè)備提供持續(xù)的負(fù)載充電電流，延長電池的使用壽命。整個(gè)恒流技術(shù)功能的實(shí)現(xiàn)結(jié)合了環(huán)路控制、環(huán)路補(bǔ)償和信號(hào)放大等核心電路，從而提升了工作系統(tǒng)的恒流輸出性能。該電路采用國外某0.6μm5V BCD工藝進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，芯片面積僅為2