低功耗射频收发芯片中电源管理单元的研究与设计

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过去几十年中,模拟集成电路、混合信号集成电路和片上系统集成电路的复杂度以惊人的速度发展着。便携式电子设备越来越小的尺寸和迅速增长的市场刺激了对低功耗系统的需求。而功耗的制约因素很大一部分来源于对电源的利用率,电源利用率的提高可极大程度上减少系统功耗。研究电源管理单元对提高电源利用率从而进一步减少系统功耗有着重要的意义,因此,本文针对电源管理单元的两个分类——线性稳压器和DC-DC开关转换器展开了研究。  伴随着全集成芯片SOC的发展,越来越流行将低压差线性稳压器(LDO)集成于射频收发芯片中。这类芯片通常需要比较高的电源抑制比(PSRR),同时能提供稳定而准确的电压。在射频收发机中,通常会使用多块全片内线性低压差稳压器为其中的模拟电路、射频电路以及数字电路单独供电。这种方法的优势在于能够很大程度上减小串扰,提高输出电压的负载线性度,同时能够减小由于传输线上电感带来的电压抖动。另一方面,全片内的线性稳压器能够很大程度上减小电路的片外引脚降低成本,从而方便客户的使用。  由于市场对于这种高性能低压差线性稳压器的需求不断增加,近年来很多研究采用了多种方法来改善这种稳压器的性能,提出了很多结构和方法,但是真正做到全片内集成、低噪声、能够同时满足射频收发机中所需要的PSRR的LDO芯片却很少。  针对以上问题,本文实现了一种高PSRR的LDO电路,应用于低功耗射频收发芯片中,采用新型的PSRR-BOOST和阈值电压追踪偏置相结合的结构极大提升了中频段的PSRR性能,基于SMIC0.18um实现这款高PSRR的LDO电路,仿真结果表明中频段(900MHz)的PSRR可达到-43dB,1kHz到100kHz内的噪声均方值小于9.3uVrms,对比传统结构的LDO的PSRR和噪声有很大的提升,可有效抑制低功耗射频收发芯片的中频段电源干扰,并集成到低功耗收发芯片中流片实现。  电池供电的低功耗射频收发芯片中,对功耗的要求越来越高。LDO由于效率较低,在大功耗应用中这个缺点更加突出。基于DC-DC转换器80%的高转换效率,且多路电源供电可进一步降低能耗,因此双输出是DC-DC变换器发展的重要趋势。  传统实现双输出的方法主要有脉冲宽度调制-脉冲延时和多绕组变压器实现多输出法,均需要多个磁性元件和多个功率开关,而且电路设计上较为复杂,精确度控制困难,占用PCB的面积较大。  本文研究设计了一种新型的降压型单电感双输出DC-DC转换器。利用片外单电感双路输出结构为两路输出单独供电,与传统的DC-DC转换器双输出需要双电感相比,能有效提高PCB板的面积利用率,此外,本文设计了一种新型的能量分配传输路径,并采用双模式能量传输方法,能够根据负载能量需求判别优先供电支路,有效调节输出电压并使纹波值保持在3%以内,并减少两个支路之间的交叉干扰,仿真结果表明在正常负载条件下转换效率可达到近86%。
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