【摘要】：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、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象,著力研究了其關(guān)鍵理論和電路結(jié)構(gòu)設(shè)計方法,并提出了相應(yīng)的設(shè)計方案和具體實(shí)現(xiàn)電路。研究成果如下。1.設(shè)計了一種采用動態(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)計要求。提出的動態(tài)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)和動態(tài)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合,同時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。該補(bǔ)償方法專門針對寬輸入電壓范圍設(shè)計,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)計方法,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。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,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0.6μm 40V 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.針對高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)行了線性建模與計算。同時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)充電過程的啟動方法。最后,提出了一種三模式切換控制方法,詳細(xì)分析了其工作過程和邏輯信號之間的關(guān)系。該電路采用國外某0.35μm 5V 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,滿足移動充電設(shè)備日益增加的技術(shù)需求。移動充電設(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)載電流過大時采用短路保護(hù)技術(shù)對整個環(huán)路進(jìn)行功能保護(hù),避免芯片燒毀。本文提出的恒流輸出功能是在恒壓輸出環(huán)路的基礎(chǔ)上增加了一個恒流輸出環(huán)路,雙環(huán)路設(shè)計方法使得移動充電設(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0.6μm 5V BCD工藝進(jìn)行實(shí)現(xiàn),芯片面積僅為2.484mm2。
【圖文】：

并提出可靠性的設(shè)計理論。逡逑因此，本文將Ｗ線性穩(wěn)壓器ＬＤＯ邋Ｗ及同步升壓型ＤＣ－ＤＣ變換器為研究對象，逡逑對線性穩(wěn)壓器的多角度設(shè)計方案和同步升壓型ＤＣ－ＤＣ變換器的控制模式設(shè)計方法逡逑重點(diǎn)內(nèi)容展開研究。逡逑２電源管理類孩片的研究現(xiàn)狀逡逑自２０世紀(jì)初的開關(guān)電源問世Ｗ來，消費(fèi)類電子產(chǎn)品呈幾何式爆炸增長。幾乎所有逡逑電子產(chǎn)品都會涉及到電源管理，而電源管理類集成電路也直接受到電子產(chǎn)品的影逡逑。為了應(yīng)對不同的需求，電源管理抵片種類眾多。從技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域來看，ＬＤＯ產(chǎn)品逡逑過２０％，其次是ＤＣ－ＤＣ、Ｄｒｉｖｅｒｓ和電源管理單元（Ｐｏｗｅｒ邋Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ邋Ｕｎｉｔ，邋ＰＭＵ）。從發(fā)展趨勢來看，ＬＤＯ的發(fā)展速度近年來在逐步放緩，但仍然是電源管理類總片品結(jié)構(gòu)中百分比最高的一類產(chǎn)品。其次，由于手機(jī)、充電寶等便攜式電子產(chǎn)品的應(yīng)逡逑需求量逐年增加，電池管理類芯片的發(fā)展也越來越快速。圖１．１所示即為中國電源逡逑理芯片的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)［Ｗ。逡逑■２０．２％邋ＬＤＯ／Ｌｉｎｅａｒ邋Ｒｅｕｌａｔｉｏｎ逡逑

ＶｉＮ是輸入電平，ＶＯＵＴ是輸出信號，Ｖｒｅｆ是基準(zhǔn)參考電壓，Ｖｆｂ是反饋信逡逑號，Ｖｏｉ是運(yùn)算放大器的輸出電壓，Ｒ｜和民２是分壓電阻。兩種線性穩(wěn)壓器的拓?fù)浣Y(jié)逡逑構(gòu)都是通過同一個反饋環(huán)路來進(jìn)行輸出電壓調(diào)節(jié)的，唯一的區(qū)別在于反饋信號連接運(yùn)逡逑算放大器時的極性不同。在Ｎ型線性穩(wěn)壓器的結(jié)構(gòu)中，功率管柵端電壓最大可被拉逡逑至ＶｉＮ，因此ＶｏｕＴ的最大值為Ｖｉｎ－Ｖｇｓ。所Ｗ，Ｎ型線性穩(wěn)壓器在低電壓情況下的輸逡逑出一般都很小，應(yīng)用范圍很窄。而因?yàn)槠涔β使艿淖饔檬且粋�源跟隨器，增益為１，逡逑輸出阻抗很小，，因此這種穩(wěn)壓器的穩(wěn)定性特別好。相比之下，Ｐ型線性穩(wěn)壓器在低輸逡逑入電壓的情況下應(yīng)用范圍比較廣，因?yàn)槠涔β使軜?gòu)成的是一個共源型電路結(jié)構(gòu)。運(yùn)算逡逑放大器可Ｗ將Ｐ型功率管的柵端拉至ＧＮＤ，使得功率管得＾＞充分導(dǎo)通，這樣ＶｏｕＴ逡逑的最大值就可Ｗ達(dá)到Ｖｉｎ－Ｖｄｓａｔ，這個值就比Ｎ型穩(wěn)壓器輸出電壓的最大值要大。但逡逑是相應(yīng)的，由于Ｐ型功率管構(gòu)成的是共源型結(jié)構(gòu)，因此這級反相放大的增益大于１，逡逑其輸出阻抗大于Ｎ型線性穩(wěn)壓器的輸出阻抗，穩(wěn)定性設(shè)計的復(fù)雜性也因此變得比較逡逑高［９３１。兩種線性穩(wěn)壓器的一階和二階極點(diǎn)如圖２．２所示（沒有頻率補(bǔ)償）。逡逑Ａｖ（犯）邐Ａ＾ｃｍ）逡逑
【學(xué)位授予單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TM46;TN492

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本文編號：2545920