LDO线性稳压器中关键模块的研究与设计

摘要

LDO线性稳压器是移动便携式电子设备中应用极为广泛的一类电源管理芯片。由于LDO具有结构简单、功耗较低、成本较少、噪声较小、电源抑制能力较强等特点，成为便携式消费电子产品中极具竞争力的电源解决方案之一。本文设计了一款带备用电源供电的LDO线性稳压器，以此为研究平台，重点对线性稳压器中关键模块的电路结构和物理版图进行了深入探讨和设计优化。
　　 首先，研究和分析了线性稳压器的基本工作原理和系统架构，介绍了LDO的重要组成部件及系统的稳定性。此外，探讨了线性稳压器的主要设计指标，结合系统架构研究LDO关键模块对其性能参数的影响，为后续关键模块的电路设计提供了理论依据。
　　 其次，结合设计目标，对LDO关键模块进行电路设计及仿真。整体电路设计包括工作在线性稳压模式下的带隙基准电路、误差放大器、导通管和反馈环路等LDO电路模块，还有备用电源供电模式下的低阻值PMOS开关管、电源切换模块等逻辑控制电路，以及保证芯片正常工作的过热保护和限流保护电路。
　　 最后，考虑器件匹配、噪声隔离以及减小耦合等诸多因素，对LDO的版图布局，以及关键模块中导通管与开关管、误差放大器及缓冲级、带隙基准源的版图进行优化设计。所设计的版图通过DRC、LVS验证。
　　 本文基于上华CSMC0.5μmCMOS工艺模型库，采用Cadence Hspice软件对设计的电路进行仿真。最终仿真结果表明，所设计的LDO具有较高的精度，其线性稳压度为0.03％，负载稳压度为0.001％，当温度在-40℃～125℃之间变化时输出电压温漂为90.90ppm/℃。

目录

文摘

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论文说明：图表清单

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致谢

第一章 绪论

1.1 研究背景及回顾

1.2 研究目的

1.3 论文结构

第二章 线性稳压器的基本工作原理

2.1 线性稳压器的分类

2.1.1 线性稳压器的定义

2.1.2 线性稳压器的分类

2.1.3 线性稳压器性能比较

2.2 线性稳压器的组成部件

2.2.1 线性稳压器的结构

2.2.2 基准源

2.2.3 误差放大器及缓冲级

2.2.4 导通管

2.2.5 反馈采样电路

2.3 系统稳定性

2.3.1 反馈和稳定性

2.3.2 LDO稳定性分析

2.3.3 ESR零点补偿

第三章 指标与架构

3.1 设计指标

3.1.1 跌落电压

3.1.2 转换效率

3.1.3 功耗

3.1.4 线性稳压度

3.1.5 负载稳压度

3.1.6 关于线性稳压度和负载稳压度的设计考虑

3.1.7 瞬态响应

3.1.8 输出电压温漂

3.1.9 输出电压精度

3.2 系统架构

3.3 带备用电源LDO的工作模式

3.3.1 概述

3.3.2 正常工作模式

3.3.3 备用电源供电模式

3.4 限流保护和过热保护

3.4.1 概述

3.4.2 限流保护

3.4.3 过热保护

3.5 导通管设计考虑

第四章 电路设计与性能仿真

4.1 基准源电路

4.1.1 带隙基准

4.1.2 本文设计的带隙基准源

4.2 线性稳压模块

4.2.1.模块系统结构及设计考虑

4.2.2 误差放大器

4.2.3 缓冲级和导通管

4.2.4 系统稳定性和频率补偿

4.3 电源切换模块和过热保护电路

4.3.1 电源切换模块

4.3.2 过热保护电路

4.4 限流保护电路

4.5 电路仿真

4.5.1 线性稳压度

4.5.2 负载稳压度

4.5.3 瞬态响应

4.5.4 电源切换仿真

4.5.5 输出电压温漂

第五章 LDO关键模块的版图设计

5.1 模拟电路版图的重要设计原则

5.1.1 匹配性考虑

5.1.2 减小耦合问题

5.2 LDO芯片的版图布局

5.3 关键模块的版图设计

5.3.1 导通管和开关管

5.3.2 误差放大器及缓冲级

5.3.3 带隙基准

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

全电路图

攻读硕士学位期间发表的论文