一种恒流模式高级多功能集成负载开关的设计

摘要

近年来，基于电池供电系统和USB兼容供电系统的便携式电子产品发展势头非常强劲。但是由于电池技术发展比较缓慢，USB驱动负载能力受限，以及越来越多的子系统需要分时供电，传统的PMIC的供电通道数量以及供电的质量已经不能够满足现代消费类电子产品中对供电资源进行有效管理和高效率利用的需求。因此，电源路径管理中开关通路的设计变得尤为重要，其中高级多功能负载开关由于自身集成的保护功能齐全，静态功耗低，物理尺寸小以及配置灵活而被广泛应用于便携式电子产品的电源管理解决方案中。本文研究和设计了一款基于混合信号硅基互补氧化物(Complementary Metal-oxide Silicon，CMOS)工艺的，用于便携式电子产品中电源通路管理的高级多功能集成负载开关芯片。
　　论文的研究和设计围绕低功耗、低成本、高精度、保护性能齐全以及具有简单方便可测试性等方面展开，从前期的系统定义、电路设计、仿真验证，到后期的版图设计以及芯片测试，完整的实现并测试了了所设计的芯片。
　　由于需要实现低功耗，设计中避免了使用冗余的电路模块，使用中的电路模块也尽可能少的消耗电流，够用即可。出于成本的考虑，电路设计中尽可能的使用基于基本版图层次的元器件，避免使用需要额外制作层次的元器件，比如NPN型三极管可以用基于CMOS工艺的PNP型三极管来实现。由于需要实现高精度的过流保护，设计中采用了多处修调技术来完成这一指标。因为高集成度、多功能是负载开关的发展趋势，所以本设计中除了集成软启动浪涌电流保护、过温欠压锁定、可调恒流限流输出、自动重启以外，还设计了反向电流阻断保护的功能，并使其无关于功率开关管是导通状态还是截止状态。由于测试成本在整个集成电路芯片开发中的比重非常高，因此论文所设计的芯片中集成了一种可以简单方便进行芯片级筛选测试和封装后成品测试的测试模式，涵盖了几乎所有的基本电路模块性能测试，方便了测试纠错。

目录

摘要

引言

第一章 概述

1．1 便携式产品中的负载开关应用概述

1．2 高级多功能负载开关芯片的特性与目前市场主流发展趋势

1．3 论文研究工作

1．4 论文组成和安排

第二章 开关通路在电源路径管理中的设计基础

2．1 便携式产品中的负载开关应用举例

2．2 集成于电源管理芯片内的开关通路设计

2．3 通路开关中功率管的选用与驱动设计

2．4 高压应用中的开关通路芯片设计简介

第三章 高级多功能负载开关的整体电路设计实现

3．1 恒流反馈控制系统的架构与整体电路实现

3．11 软启动功能的分析与设计实现

3．12 电流检测反馈

3．13 功率管输出级驱动设计

3．14 增益放大器与主环路补偿

3．2 基准源与偏置电路

3．3 电路参数修调

3．4 时钟电路与系统时序

3．5 反向电流阻断保护

3．6 故障处理

3．61 欠压锁定

3．62 过温保护

3．63 故障指示

3．7 顶层仿真验证

第四章 集成于片内的测试模式的实现

4．1 片内集成测试模式概述

4．2 论文设计测试模式实现

4．3 上电复位电路

4．4 芯片输入输出缓冲电路设计

4．5 静电保护

第五章 芯片的版图实现与测试

5．1 芯片的版图设计实现

5．2 寄生参数提取与后仿真

5．3 测试结果及总结

第六章 总结与未来展望

6．1 论文工作总结

6．2 存在的问题

6．3 未来的工作与展望

致谢

参考文献

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