智能功率模块中高精度的片上LDO设计文献综述

 2022-10-27 10:40:16
  1. 文献综述(或调研报告):

1.片上LDO的基本构成

最简单的LDO通常由4部分组成:带隙基准,误差放大器,功率调整管,反馈回路[6](图1所示),其工作的基本原理如下:当Vout升高时,导致误差放大器正相端的反馈电压升高,大于基准电压,导致功率晶体管栅极电压升高,由于功率晶体管通常为PMOS器件,所以漏端输出电压会下降,从而阻止Vout升高;当Vout降低时,导致误差放大器正相端的反馈电压下降,小于基准电压,导致功率晶体管栅极电压下降,由于功率晶体管通常为PMOS器件,所以漏端输出电压会升高,从而阻止Vout下降。除了这四部分之外,设计者还常常在误差放大器和功率晶体管之间增加一个缓冲级来提高功率晶体管的瞬态响应性能与稳定性。

图1 LDO的基本结构

由于这种基本结构无法解决低静态电流与瞬态响应之间的矛盾,也无法解决大负载电流与瞬态响应之间的矛盾,所以这种结构的瞬态响应精度受到了一定的限制。同时,在对电源纹波抑制要求更高的场合,这种基本结构的输出精度也往往达不到要求。所以接下来将阐述为了提高LDO的输出精度,国内外研究者或研究机构所作出的改进与创新。

2.高精度片上LDO研究现状

目前,通过调研与分析,提高LDO输出精度的手段主要集中在提高瞬态响应性能和提高电源纹波抑制比[9]性能上。

  1. 提高瞬态响应性能的方法

提高LDO的瞬态响应性能,必须是在保证电路工作稳定的前提下。对于片上集成LDO,由于输出电容通常在100 pf左右,导致其传输功率器件漏端(输出端)的寄生极点在零负载电流时可以低至50kHz[1],造成相位裕度骤减,引发稳定性问题。同时由于输出电容较小,在负载突变时,其电压浮动范围会很大。

为了解决负载电流较低时的稳定性问题,同时提高瞬态响应性能,Robert J. Milliken等人提出了一种带有微分器补偿的电路结构[1]。通过在功率晶体管的栅漏两端引入一个微分器,可以用更小的Cf值获得栅漏之间更大的等效密勒电容的效果,该密勒电容的有效值同该微分器的跨导与输入阻抗的乘积成正比。为了获得更大的反馈增益,该微分器结构采用了两级级联的方式,详见图2的晶体管级电路拓扑。其中的M21、M22、M61、M62是为了减少晶体管间的不匹配来提高镜像电流精度,该误差放大器采用的是差分推挽结构来驱动传输功率器件Mp,Mf1-2构成了微分器补偿电路的主体。其中的微分器结构采用了两级级联的模式,在各级的结点处引入了寄生极点,其中对电路性能影响最大的是第一级Mf1引入的极点,它会使输出端的极点分裂成一个复极点对。为了进行一步提高电路稳定性,可以在M61源级和Mf2栅极之间引入补偿电容Cf3,其值在1-2pF。但是这种结构的参数需要对设计过程进行多次迭代

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