高性能CMOS功率管理單元芯片設(shè)計(jì)研究.pdf

1、近年來(lái)，移動(dòng)通信領(lǐng)域的推陳出新帶動(dòng)了功率管理芯片相關(guān)市場(chǎng)，使其成為電子領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。作為各種移動(dòng)電子設(shè)備的重要組成部分，功率管理單元PMU是否可以為所有的功能模塊提供合適高效的電源不但影響了設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性，更是影響了整個(gè)電子系統(tǒng)的性能實(shí)現(xiàn)。而由于各類(lèi)移動(dòng)設(shè)備中各個(gè)功能模塊實(shí)現(xiàn)功能的差異，對(duì)供電電源的電壓值、噪聲、穩(wěn)定性、效率等也有了迥然不同的要求，單一的電源供電電路無(wú)法滿(mǎn)足日益復(fù)雜的系統(tǒng)供電要求，集成化成為功率管理單元的一個(gè)重要

2、追求。PMU通過(guò)內(nèi)部集成的復(fù)數(shù)電源通道，將輸入電源有效而合理地分配給系統(tǒng)的各個(gè)模塊部件，為各個(gè)功能模塊提供所需的工作電壓；PMU中的電源管理通道的種類(lèi)和數(shù)量可以根據(jù)實(shí)際的系統(tǒng)需求來(lái)組合，從而優(yōu)化電路設(shè)計(jì)。
　　本文基于中芯國(guó)際（SMIC）0.35?m CMOS2P2M工藝，介紹了一款5通道PMU芯片，其內(nèi)部集成了輸出電壓可以根據(jù)外圍器件自行調(diào)整的一個(gè)LDO線性穩(wěn)壓器通道和四個(gè)同步整流P WM控制開(kāi)關(guān)電源變換器通道，其中四個(gè)開(kāi)關(guān)電源

3、分別為兩個(gè)降壓型BUCK、一個(gè)升壓型BOOST以及一個(gè)可進(jìn)行模式選擇的降壓/升壓的BUCK/BOOST開(kāi)關(guān)電源變換器通道，本文限于篇幅僅以BUCK為例來(lái)介紹PMU的開(kāi)關(guān)電源變換器通道。在本論文系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)中，從線性穩(wěn)壓器和開(kāi)關(guān)電源原理出發(fā)，通過(guò)對(duì)電源芯片正常工作所應(yīng)具有的功能展開(kāi)分析，得出該芯片的功能模塊組成，針對(duì)電路系統(tǒng)邏輯與功能詳細(xì)地介紹了電路系統(tǒng)包含的各種功能模塊。PMU中的LDO電源通道具有高達(dá)90dB的電源抑制比、160μA的

4、靜態(tài)電流、較寬輸入范圍；其電壓降較低，當(dāng)負(fù)載取0.5A大小的情況下只有0.25V；LDO電源通道還通過(guò)改進(jìn)誤差放大器結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)負(fù)載電流箝位功能，其箝位電流為1A。BUCK電源通道采用固定1MHz的時(shí)鐘頻率的峰值電流模式PWM調(diào)制方式，同時(shí)還采用同步整流方式來(lái)降低功耗，并具有輸出電壓紋波小于1％、體積小、功耗低和線性調(diào)整率低于0.5%等優(yōu)點(diǎn)；轉(zhuǎn)換效率最高可達(dá)91.2%。BUCK電源通道運(yùn)用了一種高性能電流檢測(cè)模塊進(jìn)行電流采樣并實(shí)現(xiàn)斜坡補(bǔ)償

5、功能。本文設(shè)計(jì)的電源電路通過(guò)采用米勒補(bǔ)償，產(chǎn)生一個(gè)左半平面零點(diǎn)對(duì)環(huán)路系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定。此外，PMU內(nèi)部集成了高精度帶隙基準(zhǔn)源、欠壓鎖定、限流和過(guò)溫保護(hù)等模塊來(lái)確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定工作。
　　本文使用Cadence軟件平臺(tái)，對(duì)PMU中的電源通道的功能性子模塊及整個(gè)電源通道電路進(jìn)行相關(guān)仿真驗(yàn)證，并完成版圖設(shè)計(jì)。仿真所得到的結(jié)果顯示各個(gè)功能模塊的電路參數(shù)基本符合設(shè)計(jì)要求，且整個(gè)電源通道系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)情況良好。PMU芯片的版圖面積為4