一种低噪声快速瞬态响应LDO设计

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随着半导体行业和集成电路技术的快速发展,电源管理技术得到了广泛的关注和深入的研究。低压差线性稳压器(LDO)凭借其低噪声、低成本、高精度、电路简单等优点成为了电源管理电路中应用最广泛的产品。由于消费式电子设备的发展需求,近几年的LDO研究向着低噪声、快速瞬态响应、出色的环路稳定性和无片外电容等方向发展。本文对实现低噪声和快速瞬态响应的LDO进行了一定的讨论和研究。本篇论文采用HHNEC 0.35μm BCD工艺设计了一款低噪声快速瞬态响应的LDO芯片,主要适用于便携式或家用电子设备中的处理器应用。其输入电压的范围是2.8V~5.5V,输出电压值为1.8V,且具有2%的精度,最大输出电流达到了2A。在全负载范围内,芯片的静态工作电流典型值为75μA。此外,芯片还具有控制输出的EN使能信号和上电复位信号输出功能,以及欠压保护、过热保护等保护功能。本篇论文首先讲述了 LDO的基本结构和工作原理,然后列出了衡量LDO性能的主要参数。随后对本次设计的LDO芯片整体框架和各设计指标要求进行介绍。将芯片分成几个模块后,把最核心的LDO模块拿出来单独进行原理说明和电路分析,并针对文中着重关注的稳定性、噪声和瞬态响应速度,逐一说明实施方案和具体的设计实现。而后对其余模块如保护电路和带隙基准模块进行同样的电路分析。根据芯片总体指标和各模块的具体要求,本文在各章中都用Virtuoso软件中的Spectre工具对其依次进行了相关功能的仿真验证。具体来说:对于LDO模块,可以实现足够低的线性调整率(典型值为0.003%/V)和负载调整率(典型值为0.001mV)、足够低的噪声(典型值为48.6μVrms)、足够小的输出限流(典型值为3.47A)、足够好的环路稳定性,以及当输出电容和串联电阻ESR在一定范围内变化时有较好的负载瞬态响应(典型上下冲值分别约为123mV和85mV)。对于使能模块,实际设计中其高低翻转阈值电压范围是0.7V~2V。对于欠压保护模块,可以实现在输入电压没有达到约2.5V时使电路一直保持关断,而且具有约43mV的迟滞电压。对于过热保护模块,可以实现在芯片温度超过约160℃时使电路关断,而且具有约15℃的迟滞温度。对于电源指示模块,可以实现在满足大于欠压保护电压且大于约95%正常输出值时输出电源正常的指示,还具有30ms的抗尖峰能力。对于复位模块,其具有100ms的延时。对于带隙基准模块,可以实现具有低温漂、足够快的上电响应、足够高的电源抑制比,且环路稳定性较好。通过各模块的仿真说明,设计均能完成所有标要求。本文中实现了一些技术或方法上的创新:通过在基准输出加入RC电路,以及采用前馈电容,这两种方法使得输出噪声有效降低。在误差放大器和功率管之间插入了一个缓冲器电路,来使响应时间减小,从而提高瞬态响应速度。
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