1、Analog and Mix-Signal Integrated Circuit Design -DC/DC线性稳压器线性稳压器西安电子科技大学微电子学院西安电子科技大学微电子学院刘帘曦刘帘曦 集成稳压器的概述集成稳压器的概述l集成稳压器定义集成稳压器定义 是电源和电源管理IC的一个重要分支，包括AC/DC和DC/DC。DC/DC从直流电压-直流电压的调整器，本质是指定功率输出。l研究集成稳压器的意义研究集成稳压器的意义 模拟集成电路中一个很重要的部分。是所有其他电路能够正常工作的前提条件。l集成稳压器的基本工作原理集成稳压器的基本工作原理 将输入的直流电压（流）变换为一个不随环境变化的直流输
2、出电压（流）。DC/DC集成稳压器的分类集成稳压器的分类l按照驱动方式以及驱动管的工作状态，集成稳压器一般分成两类：1.开关稳压器开关稳压器(Switching Regulator)。转换效率高，适用范围较宽，可以双向变换。2.低压差线性稳压器低压差线性稳压器，工程中常被称为LDO(Low Dropout Regulator，或三端稳压器)。结构简单，纹波小，稳定性容易调节，所需外围电路少，只能降压变换。l本章重点介绍线性稳压器。线性稳压器的基本原理线性稳压器的基本原理l其中Vdd为电压源电压，Rr为电压源内阻，RL为负载电阻，则电压源的输出电压可表示为：ddLrddrLLOUTVRR11VR
3、RRV1、Vdd保持不变，负载电阻RL在一定范围内发生变化；2、RL保持不变，Vdd发生变化；3、Vdd和RL都发生变化。线性集成稳压器基本结构线性集成稳压器基本结构l由五个基本部分构成：1.基准电压2.误差放大器3.有源功率元件4.反馈网络5.启动、保护电路线性集成稳压器定性分析线性集成稳压器定性分析Vout=(R2+R1)/R2)*Vref1、控制环路（负反馈）正常工作；2、基准精度高；3、运放增益足够大，且失调电压要小；4、输入电压必定高于输出电压；5、输出电压主要由基准电压和反馈系数决定。环路工作原理环路工作原理l设误差放大器增益为A，反馈系数为，功率管跨导为gm，输出阻抗Rout，环
4、路增益A0。0212;moutAAg RRRR0()()outmreffboutreffbAVAgVVRVVfboutVV00(1)refoutAVVA1202,refoutrefVRRAVVR 功率管的工作状态功率管的工作状态l环路根据输出电压大小调节功率管栅极电压大小，从而调整功率管的导电能力。如当负载电流增加时，功率管从一个稳态经过一个不断调整的过程到达另一个稳态，即功率管工作状态依据负载电流大小，从A点经过调节过程到达B或C或D点。功率管的进一步讨论功率管的进一步讨论l问题：N型功率管和P型功率管在使用上的区别？1、反馈的改变；2、输出级的形式：环路增益的影响；3、Vds（Vdo）的变
5、化线性集成稳压器的设计目标线性集成稳压器的设计目标l1.线性稳压器的输出电压范围输出电压范围Vout；l2.线性稳压器的最大输出电流最大输出电流Iout；l3.线性稳压器的静态电流电流Iq；l4.线性稳压器的脱落电压脱落电压Vdo(漏失电压)；l5.线性稳压器的负载调整率负载调整率；l6.线性稳压器的线性调整率线性调整率；l7.线性稳压器的转换效率转换效率。脱落电压脱落电压l维持LDO正常输出的最小的Vin和Vout之差（VDS的最小值）线性调整率线性调整率l也叫电压调整率，表征当负载和环境温度都不变的情况下，输入电压变化对输出电压的影响。100%outinVLineregulationV00
6、00(1)100%(1)refoutrefinAVVAVALineregulationAVl提高基准电压精度可以减小线性调整率，另外增大A0也可以有效减小线性调整率，。负载调整率负载调整率l表征当负载变化时，输出电压维持恒定的能力。100%outoutVLoadregulationI120120()1()100%1LdsoutoutoutoutLdsRRRRVIRIARRRRLoadregulationA l上述等式是假设负载电流改变并不影响电路静态工作点的条件下得出的，可以看出，增大环路增益A0，可以减小负载调整率。LDO转换效率转换效率l定义为输出有用功与LDO总功耗的比值。100%100
7、%outoutoutinininPVIPVIlVout和Vin越接近，则LDO的转换效率越高，另外减小Iq也可以有效提高LDO的转换效率，但是Iq的减小可能会使响应速度变慢。100%inoutqoutoutinoutqIIIVIVII线性集成稳压器的模块化设计（线性集成稳压器的模块化设计（1）l基准电压源l是一个集成稳压器的核心之一，它负责提供一个几乎不随温度、电源电压以及其他因素影响的标准电压。这个标准电压将与采样网络反馈回来的电压进行比较。返回到结构图线性集成稳压器的模块化设计（线性集成稳压器的模块化设计（1）返回到结构图线性集成稳压器的模块化设计（线性集成稳压器的模块化设计（2）误差放大
8、器l将反馈回来的采样信号与内部的基准电压进行比较，将二者的误差放大，并用这个放大后的误差信号去控制有源功率器件的输出电流。返回到结构图线性集成稳压器的模块化设计（线性集成稳压器的模块化设计（2）返回到结构图线性集成稳压器的模块化设计（线性集成稳压器的模块化设计（3）l有源功率器件提供足够的负载驱动能力（提供驱动电流）；其提供的电流受误差放大器输出的控制；可以是PMOS，也可以是NMOS。返回到结构图线性集成稳压器的模块化设计（线性集成稳压器的模块化设计（4）l反馈网络对输出电压进行采样，以便得到能与基准相比较的电压信号。返回到结构图线性集成稳压器的模块化设计（线性集成稳压器的模块化设计（5）l
9、其他一些附加功能模块l过热保护电路l过流保护电路l有时还需要设计启动电路。线性集成稳压器的模块化设计（线性集成稳压器的模块化设计（6）l介绍一个线性集成稳压器电路的设计实例AE1910AE1910设计要求设计要求AE1910结构图结构图过热保护原理过热保护原理功率集成电路有一定负载能力的，因此其发热量比较大，有必要对其进行温度检测和热保护。过热保护也称为过温保护，设计过热保护电路的关键是如何把温度信号转变为电信号 。传统的方法，传感器可以用热电偶、热电阻来做,但是不易集成。集成电路中往往利用二极管或者三极管的温度特性来做传感器。AE1910过热保护电路过热保护电路AE1910输出级输出级AE1910过流保护电路过流保护电路AE1910动态补偿基准动态补偿基准参考：刘帘曦，杨银堂，朱樟明，一种基于斩波调制的低压高精度一种基于斩波调制的低压高精度CMOS 带隙基准源，带隙基准源，固体电子学研究与进展，Vol.25,3,2005,pp369-374AE1910部分仿真结果（部分仿真结果（1）输出电压直流仿真结果过流保护功能仿真结果AE1910部分仿真结果（部分仿真结果（2）过温保护功能仿真结果AE1910部分仿真结果（部分仿真结果（3）脱落电压仿真结果AE1910版图设计版图设计Thanks!
