【摘 要】
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随着电子设备智能化的发展,可穿戴电子设备以其携带方便、种类繁多、功能丰富等特点得到了人们的青睐,广泛应用于日常生活中的各个领域。可穿戴电子设备一般由内部锂电池供电,电池容量有限,而人们对可穿戴电子设备的续航能力要求越来越高,因此低功耗研究成为当前研究的热点。电源管理芯片作为可穿戴电子设备中不可或缺的一部分,其自身功耗将直接影响设备的续航能力。线性稳压器（Low dropout linear reg
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随着电子设备智能化的发展,可穿戴电子设备以其携带方便、种类繁多、功能丰富等特点得到了人们的青睐,广泛应用于日常生活中的各个领域。可穿戴电子设备一般由内部锂电池供电,电池容量有限,而人们对可穿戴电子设备的续航能力要求越来越高,因此低功耗研究成为当前研究的热点。电源管理芯片作为可穿戴电子设备中不可或缺的一部分,其自身功耗将直接影响设备的续航能力。线性稳压器（Low dropout linear regulation,LDO）是电源管理芯片中的一种,常用作蓝牙耳机的稳压电源,为了降低LDO功耗、提升蓝牙耳机的续航能力,本文对低功耗LDO电路展开了研究和设计。基于蓝牙耳机供电条件、低功耗要求以及LDO的功能及技术指标,本文提出了一种低功耗LDO架构,并对其中的电压基准电路、欠压保护电路、过温保护电路、过流保护电路、误差放大器与环路补偿电路进行了低功耗研究和设计。基于0.18 μm CMOS工艺,完成了低功耗、高精度、高稳定性、高可靠性的线性稳压器芯片的设计和仿真。为了解决带隙基准电路版图面积过大和稳定性的问题,提出了一种电阻少、无需启动电路、无需运算放大器、无反馈环路的低功耗电压基准电路;为了解决欠压保护电路功耗大的问题,提出了一种无需运算放大器、全MOS管结构的低功耗欠压保护电路;为了解决过温保护电路中使用过多电阻,版图面积增大的问题,提出了一种无电阻结构的低功耗过温保护电路;为了解决功率管可能会输出过大负载电流的问题,提出了一种带短路保护功能的过流保护电路,提高了 LDO工作时的可靠性;为了解决不同负载情况下环路的稳定性问题,提出了一种固定零点与动态零点相结合的补偿方法,使LDO能够稳定地输出电流与电压;为了解决低功耗LDO瞬态响应比较差的问题,在误差放大器中加入了动态偏置电路,有效改善了 LDO的负载瞬态响应特性。使用Cadence中Spectre环境对LDO电路进行了仿真,验证了所设计的低功耗LDO整体性能指标。仿真结果表明:温度范围在-40～125℃内,LDO静态电流始终小于1μA;当输入电压为3.8V,输出电压为3.3V,输出200mA的满载负载电流时,LDO自身消耗的电流最大为282μA,压差可低至251mV,证明对LDO的低功耗设计有效地降低了芯片的功耗。当输出负载电流为100mA时,在1KHz处电源抑制比为-51dB,在10KHz处可保持在-37dB,在1MHz处仍有-30dB的电源抑制比;在0～250mA的负载电流范围内,环路相位裕度始终能保持在45°以上,表明动态零点和固定零点相结合的补偿方式使得LDO环路始终保持稳定;当LDO输出端挂载1μF的陶瓷电容,负载电流从1mA～100mA阶跃突变时,下冲电压为60mV,恢复时间为75μs,上冲电压为62mV,恢复时间为342μs,证明引入的动态偏置电路也使得LDO的负载瞬态响应得到有效地改善。
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