便携式电子设备电源管理芯片的研究论文.docx

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便携式电子设备电源管理芯片的研究论文

毕业设计（论文）任务书

课题名称

便携式电子设备电源管理芯片的研究

系别

自动化

专业班级

姓名

学号

毕业设计（论文）的主要内容及要求:

1意义、目的：

对便携式电子设备的电源管理芯片进行研究，为便携式电子设备的电源系统的设计与应用提供参考。

2主要内容：

文献综述、进行方案比较、了解应用软件及编程设计过程、具体硬件设计、仿真数据整理与结果分析、撰写毕业设计（论文）与翻译、答辩

3要求：

计对便携式电子设备的电源管理芯片的硬件部分进行设计，在系统中研究电源管理芯片构成与系统应用等技术。

侧重于系统的硬件设计实现。

8篇以上参考文献，英文资料不少于2篇，并且将其中的1篇翻译成中文，5000字以上。

论文正文30-60页。

指导教师签字：

日期：

年月日

摘要

本文针对便携式电子设备电源管理芯片做了研究和设计。

首先，介绍了三种实现将电池电量或其他电能转换成恒定电压或恒定电流输出的方法：

DC-DC转换器、电荷泵电压变换器、LDO线性稳压器，并且做了对比研究。

然后，重点研究LDO线性稳压器。

先对LDO进行了基础理论研究，分析了频率补偿、压差、瞬态响应、线性调整率、负载调整率等各项关键性能指标。

在此基础上，提出了一种增益高，并增加了快速反馈环路的LDO线性稳压器。

运用SRE技术，进一步提高了瞬态响应的性能。

最后，对本芯片的高增益误差放大器和快速环路设计以及SRE电路做了软件仿真，仿真结果表明，输出电压的线性调整率和负载调整率均得到改善。

关键词：

双模式DC-DC转换器；LDO线性调整器；平均化建模

Abstract

Thispaperdotheresearchanddesigninviewoftheportableelectronicdevicespowermanagementchips.First,introducedthreekindsofrealizationofthebatterypowerorotherwilltransformelectricalenergyconstantvoltageorconstantcurrentoutputmethods:

DC-DCconverter,thechargepumpvoltageconverter,LDOlinearregulator,anddoacomparativestudy.

Then,thepaperregardresearchingLDOlinearregulatorasthekey.First,researchtheLDObasictheory,analyzesthefrequencycompensation,differentialpressure,transientresponse,linearadjustrate,loadadjustingthekeyperformanceindexrate,etc.Basedonthis,putsforwardagainhigh,andtherapidincreaseofthefeedbackloopLDOlinearregulators.UseSREtechnology,andtofurtherimprovetheperformanceofthetransientresponse.

Finally,takethehighlyErr.ampandfastloopSREcircuitdesigntothesoftwaresimulation,thesimulationresultsshowthattheoutputvoltageofthelinearadjustmentrateandtheloadrateadjustmentisimproved.

Keywords：

Dual-modeDC-DCconverter；LDOlinearregulator；Averagedmodel

1.绪论

近年来，手机、笔记本电脑、PDA等以电池供电的便携式电子产品迅速成为了人们日常生活中不可或缺的部分。

这些便携式产品在功能、性能、体积和成本等方面的提高与改进日新月异，这就对依赖电池电源的便携式设备中至关重要的电源管理系统的要求越来越高。

优秀的电源管理系统能提高电池供电效率、延长电池供电时间、提高电池使用寿命。

本论文的研究目的，即是对便携式电子设备电源管理核心部分电源管理芯片做一个简单的研究与探索。

本章将首先介绍论文的课题背景，接着对DC-DC转换器，LDO线性稳压器，电荷泵电压变换器的发展和研究现状做简单概述，并以此引出本文的研究内容；接着给出整片论文的组成结构。

1.1课题背景

近几年来，随着诸如手机、数码相机、数字音乐播放器、手持医疗仪器等便携式电子设备的广泛应用，电池与电源管理半导体产品成为半导体领域的市场热点之一，其增长趋势也高于半导体整体市场的发展速度，甚至超过了数字信号处理器（DigitalSignalProcessor,DSP）和存储器等半导体产品的增长速度。

据估计，从2004年至2010年，每年电源销售额以15%的幅度增长，到2010年全球整个电池与电源管理市场达到近120亿美元的销售额。

中国大陆作为全球最大的芯片消费市场，从2003到2007年，市场复合增长率达到了25%，到2009年，中国电池与电源管理市场达到了582.6亿元[1]。

图1-1按应用划分的全球电池与电源管理市场

在应用需求方面，从图1-1可看出，以下几个重要领域对电池与电源管理的需求尤甚[1]：

（1）通信领域，尤其是移动通讯目前对电池与电源管理的需求最为强劲；

（2）消费类电子产品，如MP3，MP4、数码相机等，这部分市场份额在逐年递增，甚至有赶超通讯领域的势头；

（3）计算机领域，这虽然是传统领域，但近年来随着笔记本电脑市场的快速发展，使得该领域对电池与电源管理的需求日益增强；

（4）汽车电子，目前这部分的市场份额虽不及前面三项，但在最近两年，却取得了超过40%的高增长率，随着混合动力汽车和电动力汽车的兴起，汽车电子类电池与电源管理芯片市场将是发展最快的领域[2]；

（5）工业运用。

另一方面，从区域划分来看，亚太地区的需求量一直稳居首位，远高于其他区域。

电池与电源管理芯片产品可划分为两大类：

（1）管理、保护电池的电池管理类产品，包括电池监测和保护芯片、电池充电器芯片等；

（2）将电池电量或其他电能转换成恒定电压或恒定电流输出的电源管理类产品，包括直流-直流转换器（DC-DCConverter），低压差线性稳压器（Low-dropoutLinearRegulator,LDO）、发光二极管（Light-emittingDiode，LED）驱动器、电源管理单元（PowerManagementUnit，PMU）等。

电池管理芯片市场有两大发展潮流，一是由于锂离子电池的应用普及，专门针对锂离子电池的保护芯片具有极高的成长性和市场前景，因此也成为了工业界和学术界的研究热点；二是近年来，随着锂离子电池制造技术的提高和生产成本的下降，多节锂离子电池组已经广泛应用于笔记本电脑、移动通讯基站、电动力汽车等军民领域[3]，尤其因为大众对电动力汽车的呼声越来越高，使多节锂离子电池组管理芯片的研究和开发成为了必然的流行趋势。

从市场的发展来看，单节锂离子电池保护芯片由于技术门槛较低，生产厂商众多，已基本没有利润空间，且发展得亦已较为成熟，因此很多厂商都转向到多节锂离子电池组管理芯片的开发中。

在多节锂离子电池组管理芯片的研究中，也存在着诸多难点、诸多挑战，这也正给工业界和学术界提供了重大机遇。

近几年随着电池技术的飞速发展，锂离子电池已不仅应用于只需单节电池的民用便携式电子设备，例如手机，数码相机，MP3等，还应用在需要多节电池组供电的笔记本电脑、航空航天设备、移动通讯基站、电动力汽车等民用、军事和工业领域。

电池保护芯片也从针对单节电池发展到管理多节电池。

总的来说，电池保护芯片的发展方向，是将进一步提高电压检测的精度、降低静态功耗和提高防止误动作的能力。

在封装方面，是朝向越来越轻薄短小发展，目前SON6封装已逐渐替代SOT23-6，将来还有CSP封装，甚至出现COB产品等。

在功能方面，根据不同应用而开发出某种单一功能的电池保护芯片，因为可以大大降低成本，也逐渐成为一个发展方向。

当然，同电池充电器芯片及稳压器芯片集成在一起是不变的目标和潮流。

在电源管理类产品方面，为了应对不同的需求，其产品种类众多。

而从市场的发展来看，虽然LDO和DC-DC转换器是电池与电源管理芯片市场上份额最大的两类产品，但由于参与竞争厂商较多，价格持续下降，而导致发展速度明显放缓[3]。

同时由于手机等便携式产品的大量需求，使得PMU和电池管理芯片一起成为了2007年中国电池与电源管理芯片市场上增长最快的两种产品。

从产品的发展来看，电源管理芯片产品的发展趋势呈现出多样化，包括同时提供多个不同供电电压的趋势、数字电源管理趋势、产品设计周期缩短趋势、产品面积缩小趋势以及低成本趋势等等，然而最值得一提的仍然是集成化趋势。

众所周知集成化一直是半导体产品的发展趋势，电源管理芯片也不例外。

其中，最为明显的例子就是PMU产品，已经在手机等多种产品中广泛应用。

PMU与LDO和DC-DC这些单一功能产品不同，它可能同时集成多个LDO。

DC-DC和电池充电器等功能，能够实现多种电源管理。

中国目前已经成为全球最大的芯片消费国。

中国国内市场庞大，而主导着中国的电池与电源管理市场的却是外国企业，德州仪器（TI）、国家半导体（NS）和飞兆半导体（Fairchild）在总体市场份额方面处于领先地位，最大的10家电池与电源管理芯片供应厂商也都是欧美企业。

目前，学术界和工业界正在针对如何提高电池的功率转换效率和利用效率、延长续航时间提高使用寿命，如何进行电池与电源管理系统的体系革新进行富有意义的产品和技术创新。

国家十一五规划中，关键专用集成电路研究再次成为了国家战略规划中的技术创新重点。

本文正是处于这样的市场和时代背景下，展开了针对便携式电子设备电源管理芯片广泛的研究。

1.2电源管理芯片的发展与研究现状

如果笔记本电脑的大脑是CPU，那么其心脏和血管便是遍布整个主板、负责将能量输送到大脑及系统其它部分的电源。

不同负载需要不同类型的电源。

以工作原理来分类，作为电源的稳压器IC主要可分为以下三大类：

一是线性稳压器，主要是指低压差的LDO；二是以电感为基础的交换式电源转换器，主要是指DC-DC转换器；三是无电感的交换式电源转换器，主要指电荷泵（ChargePump）电压反转器。

它们的共同特点有：

（1）稳定性高

笔记本电脑的CPU使用率随时都在变化，因此稳压器IC的负载变化大。

稳压器IC的输入（例如电池）电压也会变化。

通用型稳压器IC还可让用户指定输出电压。

由于便携式设备的可移动性，其工作的环境温度也是变化的。

这些都要求稳压器IC在各种情况下都保持稳定输出而不发生稳定性的问题。

频率补偿[4]是保证稳定性的关键。

（2）负载电流变化大

由于负载电路的工作状态不定，所以稳压器IC的输出电流通常会有很大变化，可从空载（无输出电流）到几百毫安，甚至几个安培。

（3）转换效率高

便携式设备由电池供电，为提高电池使用寿命，延长续航时间，都要求稳压器IC具有高转换效率。

现在很多DC-DC转换器的最高转换效率可以达到95%以上。

而LDO的转换效率，虽然受输出输入电压比控制，但低静态电流，低压差设计的LDO也能保证在调制区临界点附近工作时具有足够的转换效率。

（4）输出电压精度高

一般输出电压的精度要求为±2-4%之间，有不少高精度的稳压器IC精度可以达到±0.5-±1%；输出电压温度系数也要小，一般为±0.3-±0.5mV/℃，有一些高性能的稳压器IC可达到±0.1mV/℃的水平；稳压器IC的输出电压受输入电压影响极小，反应这一性能的负载调整率一般为0.3-0.5%/mA，有的则可达到0.01%/mA。

（5）完善的保护措施

稳压器IC应该具有完善的保护措施，使电源的工作安全可靠，不易损坏。

这些措施包括：

输出过流保护、温度保护、短路保护以及电池极性反接保护。

（6）封装尺寸小

为减小稳压器IC所占的空间，一般会采用贴片式封装。

主要使用的有SO封装、SOT-23封装，uMAX封装、SC-70封装和SMD封装等，其中SC-70封装最小，SMD封装最新。

1.3研究内容

1.3.1DC-DC转换器的介绍

对DC-DC转换器作了简要介绍，包括DC-DC转换器的基本原理，研究背景，以及原理图。

并对其调制方式做了简单介绍和说明。

1.3.2电荷泵电压变换器的介绍

对电荷泵电压变换器做了简要介绍。

包括电荷泵的基础原理，优缺点和发展情况。

并对将电荷泵稳压器用于低功率便携式-低于5OOmA的输出电流，提供更高的小效率以及比传统电源管理解决方案更低成本的电源方案做出简要说明。

1.3.3针对LDO的研究与设计

针对提高瞬态响应性能，提出了一种双反馈环路的LDO线性稳压器。

在这个LDO中，误差放大器由两级差分运放组成。

第一级主要用来提供增益和带宽，由基准电压和反馈电压Vfb作为其差分输入；第二级用来提供快速瞬态响应，因此也将LDO的输出Vout的分压Vfb引进，和第一级运放的输出一起，作为第二级的差分输入。

此外，还运用了SRE技术，进一步提高瞬态响应的性能。

另外，在该芯片的软启动电路中，使用了反相导通的二极管进行高温补偿，这种新颖的高温补偿技术使得LDO的工作温度范围能够扩展到-40-130。

C。

该芯片采用了CSMC公司O.5umCMOS混合信号工艺进行流片测试。

1.4论文组成和安排

论文的第一章为绪论，首先介绍论文的课题背景；接着对LDO线性稳压器芯片、DC-DC转换器芯片的特点和研究现状做一个简单的回顾，以此引出本文展开的研究内容；接着给出论文的组成和安排；最后对本文的创新点进行了介绍。

论文的第二章对DC-DC转换器，电荷泵变换器，便携式设备用LDO做了简单介绍。

并对LDO做了一个基础理论研究，包括频率补偿、压差、瞬态响应、线性调整率、负载调整率等。

并在最后做一个小节。

论文第三章给出了本文所提出的最大输出电流800mA、高性能LDO线性稳压器的电路设计。

并对LDO线性稳压器做了软件仿真。

论文第四章对整篇论文做一个总结。

2.便携式电子设备电源管理芯片基础

在便携式电子设备电源管理芯片研究领域，主要有DC-DC转换器，电荷泵电压变换器和LDO。

DC-DC转换器，由于其功率晶体管（一般是MOS管或肖特基二极管）工作在开关状态，所以被称之为开关电源。

开关电源通过调节功率晶体管的导通占空比，来控制输出电压。

其功率管由于工作在开关状态，沟道电阻小，并且基本不受输入电压的影响，因此开关电源的转换效率高，一般情况下可以达到80-95%。

电荷泵电压变换器是利用电容的充放电来提供稳压电源，由于其功率管也是工作在开关状态，因此它实际上也是一种DC-DC变换器。

电荷泵电压变换器的输出即可以约为输入电压的两倍，亦可以为输入电压的反相。

LDO是一种基于传统电压闭环反馈控制的线性稳压器，具有噪声低、结构简单、成本低及封装尺寸小等突出优点，因而在便携式电子产品中应用广泛[5]。

LDO的调整功率管工作在线性范围，因此它属于线性稳压电源。

压差是LDO线性稳压器的重要指标，LDO压差（dropoutvoltage）的定义为，输入电压减小到使电路停止调制时的输入输出电压差。

而LDO的转换效率，则由调制时输出输入电压的比值决定。

让LDO工作在调制区临界点附近，可得到相对较高的转换效率。

LDO的压差越低，能得到的最大转换效率也越高。

近年来，已有不少文献报道了各种低压差LDO，这样，可极大地提高LDO的转换效率。

2.1DC-DC转换器基础

DC-DC转换器一般由控制芯片，电感线圈，二极管，三极管，电容器构成。

在讨论DC-DC转换器的性能时，如果单针对控制芯片，是不能判断其优劣的。

其外围电路的元器件特性，和基板的布线方式等，能改变电源电路的性能，因此，应进行综合判断。

用MOSFET替换BJT晶体管作为外围电路的开关部件对效率的影响。

效率会相应提高。

因为BJT管需要对其基极提供驱动电流，这增加了电路的电流消耗，而MOSFET是电压驱动，无需对其栅极提供电流，也就不会增加电路的电流消耗。

但是，实际应用时请考虑MOSFET是否对周边元器件产生影响。

DC-DC转换器（开关调整器）通过开关动作进行升压或降压，特别是晶体管或场效应管处于快速开关时，会产生尖峰噪音，以及电磁干扰。

Buck型DC-DC转换器设计中常采用PWM反馈控制方式以调节输出电压或电流。

PWM控制方式分电流模式控制和电压模式控制两种方式。

电流模式控制方式是电流内环和电压外环双环控制UJ输入电压和负载的变化将首先反应在电感电流上，在输入电压或负载改变时具有更快的响应速度。

电流模式控制方式有峰值电感电流控制和平均电感电流控制两种方式。

峰值电感电流控制由于其优点被广泛应用L=J但其存在固有的开环不稳定现象，在提高快速性的同时，也带来了稳定性的问题。

当输入电压降至一个接近输出电压的值时，占空比向最大导通时间增加，输入电压的进一步降低将使主开关在超过一个周期的时间里保持导通状态，直到占空比达100%，这时电路可能会发生子谐波振荡，需要通过一个斜率补偿电路来保持这种恒定架构的稳定性，在大占空比情况下是通过给电感电流信号增加一个补偿斜坡来实现的。

设计降压型DC-DC转换器时，解决固定频率峰值电流控制方式的开环不稳定情况需要做深入的研究。

DC-DC转换器是一种开关电源，从功能上划分，可分为三种基本类型；降压型转换（BuckConverter）、升压型转换器（BoostConverter）、降压一升压型转换器（Buck-BoostConverter）。

由于降压型转换器在便携式设备中的应用最为广泛，且其他类型的DC-DC转换器，在调制方法和控制环路上，基本原理同降压型的一样，因此只针对降压型DC-DC转换器做背景知识介绍[6]。

2.1.1降压型DC-DC转换器拓扑结构

图2-1降压转换器拓扑结构图

图2-1是降压型DC-DC转换器的基本拓扑结构图。

Vin为输入电压；S1为上开关管（HighSideSwitch），一般用功率MOS管实现；S2为下开关管（LowSideSwitch），可用功率MOS管或功率肖特基二极管实现；L和Cout分别为滤波电感和滤波电容；Rout为DC-DC转换器的负载。

通过S1和S2的轮流导通与截止，对输入电压进行直流降压转换。

将Sl在一个开关周期T中导通的时间记为ton；相应的，其导通占空比ton/T记为D。

将S2在一个开关周期T中导通的时间记为tOFF：

相应的，其导通占空比ton/T记为D'。

先来看ton+toff`=T时的情况，此时SW节点的电压Ysw波形如图（a）所示，电感电流IL的波形如图（b）所示。

图2-2BUCK转换器电感电流连续时的波形图（a）Vsw；（b）IL

在0—ton时间段内，S1导通，S2截止，SW点的电压为VSW等于输入电压Vin；而在ton-T时间段内，S1截止，S2导通，SW点的电压为0。

从图（a）可以看出，Vsw是一方波电压,其平均值为：

（2.1）

另一方面，对于电感电流IL来说，在0-t0时间段内，S1导通，S2截止，IL以某个固定斜率上升，该斜率可表示为：

（2.2）

Ton-T时间段内，S2导通，S1截止，IL以固定斜率下降，该斜率可表示为：

（2.3）

在降压转换器处于稳定状态下时，输出电流Iout就等于IL的平均值，并且电感电流上升段的增量与下降段的相等。

因此，

（2.4）

（2.5）

以上的分析是基于图的波形。

从图中可以看出，ton与toff之和等于一个周期T,并且电感中也始终有电流，因此这种工作状态被称为电感电流连续模式。

由于输出电流Lout即等于电感电流的平均值，那么当Iout减小到一定程度时，就会出现在一个周期当中，电感电流将保持为0一段时间的状况，如图所示，这种工作状态也因此被称为电感电流不连续模式。

除输出电流Iout过小以外，周期T过长，电感L过小也都能引发电感电流不连续的工作状态。

图2-3Buck转换器电感电流不连续时的波形图（a）Vsw和（b）IL

从图2-3中可以看出间段内，电感电流不连续模式的一个重要特征是，ton+toff<

在0-t0时间段内，S1导通，S2截止，VSW电压等于输入电压Vin。

开始仍旧以式表示斜率上升。

在ton-ton+toff时间段内，S1截止，S2导通，VSW电压等于0；以式（4-4）表示的斜率下降，并于ton+toff时刻下降至0。

而在ton+toff-T时间段内S1和S2均截止，电感中维持零电流，负载Rout由电容Cout供电。

因此有

（2.6）

（2.7）

由式可得输出电压Vout，为

（2.8）

由式可以看出，如图所示的电路结构，其输出电压VOUT只会低于输入电压Vin，因此这种电路结构称为降压变换器。

在图所示的DC-DC转换器中，把所有的电路元器件均看作理想的情况下，其输出功率等于输入功率，因此DC-DC转换器具有很高的效率。

但是另一方面，输出电压上具有小幅纹波。

分析电感电流连续情况下电容Cout上的电流Ic，其波形和IL的一样，只是在IL>Iout时，Ic大于0,电容充电；在IL

在Ic从低至高穿越零点时，电容电压被放电至最低值；在Ic从高至低穿越零点时，电容电压被充电到最高值。

Vout上的纹波电压也即电容上最高和最低电压的差值，可以表示为VoutD'T2/8LC。

因此，增大LC，减小工作周期T，可减小输出电压的纹波[7]。

2.1.2DC-DC转换器的调制方式

由工作原理分析可知，改变一个开关周期中开关导通与截止的占空比，能改变DC-DC转换器的输出电压。

根据系统输入输出电压和负载等的变化调制占空比的方式，主要有脉冲宽度调制（PulseWidthModulationPWM）方式、脉冲频率调制（PulseFrequencyModulationPFM）方式和谐振调制方式这三种。

其中谐振调制因为一般应用于大功率、输出电压变化范围窄的场合，不适用于便携式电子设备，因而在这一节中，将只针对前两种调制方式做出介绍。

一.PWM调制

PWM调制，是通过保持开关周期不变、管导通占空比的目的。

由于PWM调制下，而改变脉冲宽度的方式，来达到调整开关功率开关周期固定，因此可以选择一个合适的工作频率，以避开可能对负载电路产生影响的频段。

实现PWM调制的控制环路结构简单。

其转换效率在大负载电流的情况下很高，但随着负载电流的减小，由于其开关频率固定，使驱动损耗等无用功耗所占比例增大，而导致转换效率降低。

二.PFM调制方式

PFM调制方式通过改变开关频率来改变占空比，因此在输出电流较小时，能够通过降低开关频率来减少无用功耗所占比例，得到比PWM模式高的转换效率。

但同时，由于PFM调制的开关频率变化大，因而负载电路需要有滤波电路，增加了体积和设计的复杂度。

并且，由PFM调制的DC-DC转换器，其