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1、LDO线性稳压器设计毕业论文摘 要随着电源管理IC技术的不断发展，高性能低成本的电源管理芯片越来越受到用户的青睐。LDO线性稳压器以其低噪声、高电源抑制比、微功耗和简单的外围电路结构等优点而被广泛应用于各种直流稳压电路中。为适应电源市场发展的需要，结合LDO系统自身特点，设计了一款低功耗、高稳定性LDO线性稳压器。本文首先简要介绍了LDO线性稳压器的工作原理与基本性能指标。其次，从瞬态、直流、交流三方面对系统结构进行深入研究，阐述LDO稳压器的设计要点与各种参数的折衷关系。随后从低功耗设计的角度出发，对各子模块结构进行优化，从而确立最终的系统架构。通过建立LDO电路的交流小信号模型，计算得到系
2、统的环路增益并由此推出电路中零极点的分布位置从而获得研究系统稳定性问题的途径。针对文中采用的两级级联误差放大器直接驱动调整管栅极的拓扑结构，引入嵌套式密勒补偿和动态零点补偿两种方法来保证系统的稳定性要求。讨论了嵌套式密勒补偿中调零电阻可能存在的位置，确定最合适的补偿结构从而有效地消除了右半平面零点对系统稳定性的影响。最后分析了各子模块电路的结构与工作原理，并给出了LDO系统模块与整体仿真的结果与分析。电路设计采用了CSMC 0.6um CMOS工艺模型，对LDO稳压器在不同的模型、输入电压、温度组合下进行前仿真验证。结果表明：电路不带负载的静态电流为1.79 uA，系统带宽几乎不随负载变化，在
3、输出电流范围内能保证较好的稳定性。关键词：线性稳压器，低压差，嵌套式密勒补偿，动态零点补偿，低功耗AbstractWith rapid development of power IC technology, high performance low cost power management chips become more and more popular. LDO linear regulator is widely used in various kinds of DC regulating voltage circuits, for the benefits of low noise
4、, high power supply rejection ratio (PSRR), micro power loss, and simple peripheral structure etc. In order to meet the needs of power market development, combining with self features of LDO system, this thesis proposes a kind of LDO linear regulator with low power and excellent stability. Firstly,
5、this thesis gives a brief introduction on working principles and basic indicators of LDO regulator. System structure will be deeply discussed in TRAN, DC, AC three aspects and designing key points along with various parameter trade-off relationships will be expounded subsequently. Then, optimums eve
6、ry sub-module and determines the final system architecture from the angle of low power design. In order to obtain the path to research on stability of LDO system, calculates loop gain and deduces zero-pole distribution by setting up AC small signal models. Nested miller compensation (NMC) and Tracki
7、ng-frequency compensation will be introduced to ensure the stability of LDO topological structure which adopts two stage cascade error amplifier driving pass element directly. Discusses probable situation of nulling resistor in NMC circuits, and eliminates effect of right-half-plane zero effectively
8、 by fixing a best compensation structure. Analyzes structure and working principle of every sub-module in detail, simulation results of whole chip will be shown in the end.Circuit design is based on CSMC 0.6um CMOS process and simulation has been completed under different combinations of spice model
9、s, supply voltages and operating temperatures. The whole chip cost static current of 1.79uA, bandwidth is almost constant and the system keep excellent stability under whole output current range.Keywords：Linear Regulator Low Dropout Voltage Nested Miller Compensation Tracking-frequency Compensation
10、Low Power目 录摘 要(I)ABSTRACT(II)1 绪论1.1 LDO线性稳压器的研究意义(1)1.2 LDO线性稳压器的研究目的(4)1.3 论文章节安排(4)2 LDO线性稳压器的简介2.1 LDO的结构与工作原理(6)2.2 LDO的基本性能指标(7)2.3 LDO的基本应用(10)2.4 本章小结(12)3 LDO系统架构的设计考虑3.1 LDO系统电路的瞬态研究(13)3.2 LDO系统电路的直流研究(16)3.3 LDO系统电路的交流研究(17)3.4 LDO子模块的设计考虑(19)3.5 本章小结(25)4 LDO稳定性研究与补偿方式的确定4.1 LDO环路增益的建模
11、(27)4.2 传统ESR电阻补偿(29)4.3 LDO补偿方式的优化(34)4.4 本章小结(43)5 模块电路的实现与仿真5.1 基准与偏置电路的设计(44)5.2 恒定限流电路的设计(47)5.3 FOLDBACK电路的设计(50)5.4 本章小结(54)6 LDO整体电路仿真与分析6.1 瞬态仿真与分析(55)6.2 直流仿真与分析(56)6.3 交流仿真与分析(58)6.4 本章小结(59)7 全文总结(61)致 谢(63)参考文献(64)II1 绪 论 半导体工艺技术的提高及便携式电子产品的普及促使电源管理IC有了长足的发展。LDO(low-drop-out)线性稳压器作为较早应用
12、于电子设备中的一种电源管理电路，以其电路结构简单、占用芯片面积小、高纹波抑制比、低噪声等优点，牢固地占据着电源管理IC市场的一席之地。本章首先介绍电源管理IC的发展趋势，比较几种直流稳压电路的优缺点，然后阐述了LDO线性稳压器国内外的发展现状，指出电路低功耗设计的需要，进而引出研究LDO电路的意义与目的，最后提出本文的结构与主要内容。1.1 LDO线性稳压器的研究意义1.1.1 电源管理IC的发展趋势 近年来，各种便携式电子产品的普及与产品功能的丰富，对电源管理IC提出了诸如高集成度、高性价比、高效率等要求。随着半导体技术的飞速发展，电源管理技术也在不断进步。目前便携设备的电源管理技术正朝着电
13、源管理与系统整合的方向发展，主要呈现出以下三大发展趋势： 一是尽可能提高电池功率转换效率。电源管理IC供应商目前主要利用先进的半导体工艺，如美国国家半导体(NS)采用其“低电压低功耗CMOS工艺”，来减小静态电流，提高转换效率。 二是最大限度地提高负载器件的功率利用效率。过去电源管理IC供应一直将关注重点放在管理功率的传递上，即如何为不同的负载器件分配不同的功率。但现在发现负载器件的功率消耗也是一个充满潜力可挖的管理课题。比如，负载器件在不同工作负荷下不必一律让其处于全速运行状态；再如，负载器件在待机和工作状态下不必供应同样的功率。只要管理得好，这也可成为延长电池工作寿命的一大重要因素。美国国
14、家半导体公司的自适应电压调整(AVS)技术和TI的动态电压与频率调整(DVFS)技术就是为了满足这一功率管理挑战而提出的解决办法。 三是减小器件的体积，进一步提高集成度，并采用更先进的封装技术，如CSP、LLP和Micro SMD等。 与世界其它地区相比，中国的电源管理芯片市场始终保持着快速的发展态势。2006年，中国电源管理芯片销售额达到了267亿元。随着全球制造业进一步向中国的转移，预计到2010年，中国将成为世界上最大的电源芯片需求市场，销售额预计将达到735亿元人民币。从应用领域来看，国内电源管理芯片市场主要分布在消费电子、网络通信、计算机和工业控制等领域。赛迪顾问预测，2006201
15、0年中国电源管理芯片市场规模复合增长率将达28.8%，电源管理产品仍将是集成电路产品中最为活跃的产品之一。未来几年，由于以下因素的影响，国内电源管理芯片市场还将继续保持快速发展的势头：1）半导体产业环境趋好。近年来，笔记本电脑、数码相机和其它IT产品的生产基地大规模向中国转移，中国已经成为世界IT产品的生产基地；加之“十一五”规划已经明确要加快集成电路、软件、关键元器件等重点产业的发展，未来有利于集成电路产业发展的政策还将继续推出；2）下游制造市场的拉动。LCD显示器、数字电视和汽车电子等产品的快速增长，以及中国3G牌照颁发与应用的推广，必将促进中国电源管理芯片市场继续保持平稳快速的发展。1.1.2 直流电源变换器的比较 根据不同的工作原理可将便携式稳压电源IC分成三类：线性稳压器、开关式电压调整器及电荷泵式电压调整器。线性稳压器是因其内部调整管工作在线性范围而得名。一般认为线性稳压电源的输入电压与输出电压之间的漏失电压Vdif较大，导致电路转换效率较低。近年来开发出的LDO线性稳压器与传统的线性稳压器相比，它的最大优点是输入输出间的漏失电压差很低，只有几百毫伏，某些输出小电流的LDO线性稳压器其压差仅几十毫伏。如凌特公司(Linear Technology)推出的输入电压可低至1.7V最大输出电流为300
