【摘 要】
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进入工业4.0时代之后,电子设备就被要求具有微型化、高续航和多功能特性,而电源管理模块是电子设备中重要的一环,面临着高集成度、低功耗和快速瞬态响应的设计挑战。低压差线性稳压器(Low Drop-out Regulator,LDO)作为电源管理模块的关键部分,在挑战中不断推陈出新。传统的模拟LDO(Analog LDO,ALDO)通常采用误差放大器等单元构成的负反馈回路进行电压调节,但在近阈值工作电
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进入工业4.0时代之后,电子设备就被要求具有微型化、高续航和多功能特性,而电源管理模块是电子设备中重要的一环,面临着高集成度、低功耗和快速瞬态响应的设计挑战。低压差线性稳压器(Low Drop-out Regulator,LDO)作为电源管理模块的关键部分,在挑战中不断推陈出新。传统的模拟LDO(Analog LDO,ALDO)通常采用误差放大器等单元构成的负反馈回路进行电压调节,但在近阈值工作电压下(0.5V左右),误差放大器与ALDO都面临巨大设计挑战。为了使LDO能在0.5V的电压下工作,一种数字LDO(Digital LDO,DLDO)电路结构被提出。该电路具有极低的静态功耗,但在没有片外电容的情况下,其瞬态响应特性较差。本文介绍了DLDO相关的性能参数,针对DLDO的瞬态响应特性,分析了其他相关先进研究的优缺点。为了在加强DLDO的瞬态特性的同时满足低功耗、高集成度的设计要求,本文提出了两个方面的改进。一方面,针对瞬态响应恢复速度,本文提出了二分法(Bisection Method,BM)控制方案,在稳定时,所提出的DLDO和传统的DLDO一样每个时钟仅改变1个开关,维持高精度的输出电压;当检测到输出电压急剧瞬态变化时,通过BM控制算法的调整可以将输出电压在固定步长内恢复至目标值。另一方面,针对瞬态响应压差,本文结合模拟辅助(Analog-Assisted,AA)回路提出了3种瞬态响应压差补偿方案,在一定程度上减小瞬态压差。基于65nm CMOS工艺,对本文提出的DLDO进行流片和测试验证。测试结果表明,在输入电压为0.6V,额定输出电压为0.55V,采样时钟为10MHz的情况下,当负载电流以10ns的时间在0.1m A和4.5m A之间切换时,本文提出的DLDO的瞬态响应时间为5.9μs,瞬态压差为118 m V,电流效率为99.7%,品质因子(Figure of Merit,FOM)为62.2ps。
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