便携式设备电源管理的IC设计与研究

摘要

迅速发展的便携式设备以及由电池供电系统电子仪器，由此推动了便携式仪器的电源管理系统的研究开发，使得电池能量能够提供给这些设备的多功能系统工作需求，从而也推动了供给电源管理系统的芯片研究，使得电路可以得到高稳定性的电源电压和足够高电源效率，同时加速了芯片电路和电源管理电路能够集成在同一块集成电路芯片内。随着电子产品特别便携式电子设备功能多样化复杂化，电源管理电路在便携式产品中的作用日益增加。在当今电子产品仪器中，有很多不同电压和不同电流需求的电源供电系统，线性电压调整器是最普遍的一种，其中包括便携式电子设备电源管理系统。电池供电产品以及手持式电子设备采用多种不同电源电压调整器提供给不同功能子系统电路，以致到达不同子系统电路之间供电的独立性，电压调整器作用是减少电池电压变化和提高电源利用效率，以延长电池的寿命以及设备本身使用寿命。低压差(LDO)线性电压调整器是电源管系统中一个成员，其通常用于提供给低电压，低噪声的模拟电路系统。低压差LDO调整器在使用时需要在芯片外接一个大电容器以达到输出电压稳定需求，其外接电容值大概在几微法拉。由于外接电容器存在由焊接触点引起的寄生电感，电感由于负载电流瞬态变化容易感生电压毛刺效应，同时增加了印刷电路板的空间和集成电路的管脚数，以及外接大电容使电源管理系统与功能系统集成在单个芯片内解决方案望而却步。
　　 本文研究目的就是将工作时的外接电容移除而设计的一种低压差线性电压调整器，在分析传统电压调整器的基础上，引入一个微分器的电路结构。同时用一个合理内接电容值大小的电容器取代外接大电容使得输出电压有同样的稳定性，本文采用100pF的内接电容。同时这样还有另外一个优点：可以将电源管理系统芯片与功能系统模块集成在同一块芯片内，这样可以消除焊接点的感生的电压毛刺现象，同时也可以节省由于单个电源管理芯片与功能芯片电路板级之间的距离。该方案提出了一个新的补偿机制，即采用检测输出端电流的变化并反馈到传输管控制端达到输出端电压的稳定，替代传统的零极点的消除法而得到的系统的稳定性。本文用中芯国际0.35μm工艺设计一个最大负载电流为50mA，输出稳定电压稳定在2.8V输入输出电压降为200mV的片外无电容LDO电压调整器电路。
　　 Spectre仿真结果表明，该片外无电容的LDO电压调整器的性能参数可以与传统的电压调整器相比。因此，提出了电容器的LDO电压调整器是适合便携式设备的SoC解决方案。