便攜式電子設(shè)備用高效率、多模式、多輸出電源管理芯片的研究與設(shè)計(jì).pdf

1、近年來，消費(fèi)電子市場(chǎng)對(duì)手機(jī)、PDA等基于電池運(yùn)行的各種便攜式電子設(shè)備表現(xiàn)出強(qiáng)勁的需求。由于電池技術(shù)的緩慢發(fā)展，為了增加系統(tǒng)的工作時(shí)間、延長電池的使用壽命，在這些設(shè)備中必須使用高性能的電源管理芯片。而且為了減少這些設(shè)備的尺寸、重量和成本，需要使電源模塊具有小型化、低成本、高集成度等特性。本文研究和設(shè)計(jì)了基于混合信號(hào)硅基互補(bǔ)金屬氧化物（Complementary Metal—oxide Silicon，CMOS）工藝的，便攜式電子設(shè)備用高效

2、率、多模式、多輸出電源管理芯片。主要完成了以下工作： 針對(duì)便攜式電子設(shè)備對(duì)電源管理系統(tǒng)整合與集成的需求，提出了單芯片電源管理系統(tǒng)的新結(jié)構(gòu)。該架構(gòu)包含兩個(gè)LDO線性穩(wěn)壓器，兩個(gè)DC—DC降壓轉(zhuǎn)換器，電池充電保護(hù)器，數(shù)字控制邏輯模塊，I2C總線和存貯器模塊。通過整合與集成，可以極大的降低便攜式電子設(shè)備用電源管理系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用成本。并運(yùn)用智能化、可編程化的控制，達(dá)到了與整個(gè)設(shè)備協(xié)同工作、智能化控制的目標(biāo)。 提出了一種低靜態(tài)電

3、流，高穩(wěn)定性LDO。采用創(chuàng)新的CMOS亞閾值技術(shù)，設(shè)計(jì)了高精度的參考電流源，使得LDO達(dá)到了4μA的低靜態(tài)電流。采用了新穎的零極點(diǎn)跟蹤米勒頻率補(bǔ)償方法，使得LDO的穩(wěn)定性與負(fù)載電流和片外濾波電容的等效串連電阻無關(guān)。芯片采用CSMC0．5μm CMOS混合信號(hào)工藝物理實(shí)現(xiàn)。測(cè)試表明該LDO在150mA輸出電流下達(dá)到了3．9μA的低靜態(tài)電流和—40～130℃寬溫度工作范圍。在150mA輸出電流和3．3V輸出電壓下，輸入輸出壓差最低為170m

4、V，輸出噪聲在頻率從22Hz到80kHz間為150μVrms°該LDO具有高穩(wěn)定性、低靜態(tài)電流和低輸出噪聲，適合便攜式電子設(shè)備的應(yīng)用。 在本文中，理論上詳細(xì)分析了各種開關(guān)型DC—DC轉(zhuǎn)換器的環(huán)路模型。在理論分析的基礎(chǔ)上，提出一種高精確性用于DC—DC轉(zhuǎn)換器環(huán)路建模的方法，在該模型的基礎(chǔ)上，分別給出了電流型和電壓型控制環(huán)路及其先進(jìn)的頻率補(bǔ)償網(wǎng)路，并進(jìn)行了系統(tǒng)仿真來驗(yàn)證該模型。 基于精確的環(huán)路模型，提出了脈寬調(diào)制（PWM）和

5、變頻調(diào)制（PFM）雙模式控制的，高效率高穩(wěn)定性降壓DC—DC轉(zhuǎn)換器。該轉(zhuǎn)換器在負(fù)載電流較大時(shí)采用開關(guān)頻率為1MHz的PWM工作模式；在負(fù)載電流較小時(shí)采用頻率降低和靜態(tài)電流減少的PFM工作模式，實(shí)現(xiàn)了在整個(gè)負(fù)載電流變化范圍內(nèi)轉(zhuǎn)換器均保持高轉(zhuǎn)換效率。并運(yùn)用一種先進(jìn)的快速響應(yīng)的電壓模式控制結(jié)構(gòu)達(dá)到了優(yōu)異的線性和負(fù)載調(diào)整特性。輸出電流分別為300mA和750mA的兩個(gè)轉(zhuǎn)換器芯片已經(jīng)采用CSMC0．5μm CMOS混合信號(hào)工藝物理實(shí)現(xiàn)。測(cè)試結(jié)果表

6、明本文提出的雙模式控制的轉(zhuǎn)換器芯片可根據(jù)負(fù)載的變化在PWM和PFM模式下自動(dòng)切換。最大轉(zhuǎn)換效率達(dá)96．5％；當(dāng)負(fù)載電流為0．02mA時(shí)，轉(zhuǎn)換效率大于55％。所以本文所提出地芯片特別適合電池供電的移動(dòng)系統(tǒng)使用。 基于前期LDO和DC—DC轉(zhuǎn)換器的研究與設(shè)計(jì)，提出了一種多模式（PWM/PFM/LDO）、高效率DC—DC降壓轉(zhuǎn)換器。該芯片可根據(jù)輸出電流的大小，通過智能控制方法，在80～750mA時(shí)采用PWM模式控制；在5～80mA時(shí)采

7、用PFM模式控制；在0～5mA時(shí)采用LDO模式控制，以達(dá)到低噪聲和低紋波的輸出電壓。該芯片同樣采用CSMC0．5μm CMOS混合信號(hào)工藝設(shè)計(jì)。仿真結(jié)果表明該轉(zhuǎn)換器可以在三種模式之間無縫切換，以達(dá)到最佳的轉(zhuǎn)換效率。最高轉(zhuǎn)換效率可達(dá)96％。 本文完成了便攜式設(shè)備用單芯片電源管理系統(tǒng)中，包括LDO，多模式DC-DC轉(zhuǎn)換器，線性充電器的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。這些設(shè)計(jì)和驗(yàn)證都基于CSMC公司的0.5μm2P3M CMOS混和信號(hào)工藝。這些模塊和電