一种低功耗大负载低压差线性稳压器(LDO)的研究与设计

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随着集成电路的持续发展,越来越多的便携式电子设备成为了人们生活不可或缺的产品。在当前技术水平下,集成电路供电电压可能小于1V,所以,集成电路对其电源电压的要求尤为苛刻,使得电源管理对于依赖电池供电的便携式设备至关重要。可以说电源管理芯片对电子系统而言是不可或缺的,其性能的优劣直接影响了电子系统的整机性能。在电源管理芯片中,低压差线性稳压器(Low Dropout Voltage Regulator,LDO)具备低噪声,高精度,速度快,外围电路简单等优势,使得其非常适用于消费类电子产品。据iSuppli公司报道,电源管理产品将持续增长下去,且LDO在该领域占据了最高的市场份额,将近20%。  以设计一个最大输出电流能力为200mA的低功耗可调式LDO为目标。文章首先简单介绍了LDO的基本工作原理,及其与开关稳压器的区别和联系。随后对LDO作了系统分析,基于此,提出了本次所设计的LDO的拓扑结构,分析了系统实现的关键点,此外,为了完善LDO的系统功能,还引入了必要的辅助模块。在电路模块级的基础上,介绍了各个模块的工作原理,结合现有的电路结构给出了适用于本次电路的各个模块的晶体管级电路。重点分析介绍了LDO中的核心模块,包括:误差放大器,带隙基准和功率管。在传统电路的基础上对误差放大器,过流保护,过温保护,带隙基准等电路进行了改进,仿真结果显示改进电路改善了系统性能。  在CSMC BiCMOS(Bipolar CMOS)工艺下,采用Cadence Spectre软件对电路各个模块进行了仿真验证。在完成上述工作的基础上,利用各个模块搭建了最终的LDO系统,并对系统进行了直流,交流和瞬态仿真验证,仿真结果显示各个性能指标都达到甚至超越了预期的要求。在版图设计完成后,所设计电路在CSMC流片。最终的测试结果表明:所设计的LDO的输出电压范围为1.8V-5V,最大输出电流为365mA,在最大输出电流下的压差电压仅为103mV,满载下的静态电流仅为29.3uA,负载调整率为1.7%,线性调整率为2.1%,1KHz处的电源抑制比为60.15dB。芯片完全实现并超越了预期的指标。  所设计LDO实现了客户的要求,可应用在低功耗大负载领域,电池供电系统或作为开关稳压器的后置稳压器。具有较大的市场价值。
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