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应用于便携式设备的电源管理单元研究与设计

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摘要

第一章 绪论

1.1 论文研究背景和应用

1.2 低压差线性稳压器的研究现状

1.3 电荷泵的发展历程和研究现状

1.4 论文的主要内容和组织结构

第二章 低压差线性稳压器的研究与分析

2.1 低压差线性稳压器的主要性能指标

2.1.1 压差电压

2.1.2 效率

2.1.3 线性和负载调整率

2.1.4 电源纹波抑制

2.1.5 线性和负载瞬态响应

2.2 有片外电容的低压差线性稳压器

2.2.1 传统结构的低压差线性稳压器

2.2.2 采用自适应偏置电压缓冲级的低压差线性稳压器

2.3 无片外电容的低压差线性稳压器

2.3.1 采用阻尼因数控制补偿的无片外电容低压差线性稳压器

2.3.2 采用Q值减小补偿技术的无片外电容低压差线性稳压器

2.3.3 采用自适应偏置技术的无片外电容低压差线性稳压器

2.3.4 采用动态偏置技术的无片外电容低压差线性稳压器

第三章 低压差线性稳压器的设计与仿真

3.1 设计目标

3.2 有片外电容低压差线性稳压器的设计

3.2.1 主电路

3.2.2 稳定性分析

3.2.3 自适应偏置的上冲减小电路

3.3 无片外电容低压差线性稳压器的设计

3.3.1 主电路

3.3.2 稳定性分析

3.3.3 上冲和下冲减小电路

3.4 基准电压和基准电流产生电路

3.4.1 基准电流产生电路

3.4.2 带隙基准

3.5 有片外电容低压差线性稳压器的仿真

3.5.1 压差电压

3.5.2 交流仿真

3.5.3 线性调整率和负载调整率

3.5.4 线性瞬态响应和负载瞬态响应

3.6 无片外电容低压差线性稳压器的仿真

3.6.1 压差电压

3.6.2 交流仿真

3.6.3 线性调整率和负载调整率

3.6.4 线性瞬态响应和负载瞬态响应

3.6.5 版图和后仿真

3.7 两种低压差线性稳压器性能总结

第四章 电荷泵的研究与分析

4.1 Dickson电荷泵

4.2 四相位电荷泵

4.3 静态电荷转移开关电荷泵

4.4 交叉耦合电荷泵

第五章 电荷泵的设计与仿真

5.1 设计目标

5.2 系统架构

5.3 电荷泵的拓扑结构

5.4 电荷泵的工作原理

5.4.1 1.5倍工作模式

5.4.2 2倍工作模式

5.4.3 3倍工作模式

5.4.4 三种工作模式下电荷泵的效率

5.5 子电路的设计

5.5.1 带使能端的压控振荡器

5.5.2 四相位时钟产生电路

5.5.3 时钟倍压电路和电压倍增电路

5.5.4 时钟选择电路

5.5.5 电压转换比例控制电路

5.6 仿真结果

5.6.1 压控振荡器的仿真

5.6.2 四相位时钟产生电路的仿真

5.6.3 时钟倍压电路和电压倍增电路的仿真

5.6.4 电压转换比例控制电路

5.6.5 输出电压随输入电压变化仿真

5.6.6 负载瞬态响应

5.6.7 不同输入电压下的效率仿真

5.6.8 结果对比

第六章 总结与展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况

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摘要

低压差线性稳压器(LDO)、电荷泵和电感式开关变换器是便携式设备中最基本的三种电源管理单元。相较于电感式开关变换器,LDO和电荷泵由于没有使用电感,具有无电磁干扰以及节省印刷电路板面积的优点。为此,本文研究和设计了两种低功耗的LDO和一种多电压转换比例的电荷泵,以取代电感式开关变换器。  本文首先针对有片外电容LDO和无片外电容LDO的不同特点,分析低静态电流对LDO稳定性和瞬态响应的影响,并采用自适应偏置的电压缓冲级,自适应偏置的上冲减小电路,辅助功率管技术以及动态偏置技术,分别设计了一种低功耗有片外电容LDO和一种低功耗无片外电容LDO。  然后,本文根据电荷泵电压转换比例对效率的影响,基于四相位电荷泵和串并联电荷泵的工作原理,提出了一种可以实现三种电压转换比例的拓扑结构,并且设计和完善了时钟控制和选择电路,使电荷泵可以根据输入电压和输出电压的比例关系自动切换工作模式,以实现效率最大化。  本文采用中芯国际提供的0.18μm标准CMOS工艺,分别对LDO和电荷泵进行了设计和仿真。其中,有片外电容LDO的静态电流为700nA,负载电流在0和100mA之间跳变时过冲电压小于20mV,无片外电容LDO的静态电流为1μA,负载电流在0和100mA跳变时的过冲电压小于120mV,电荷泵在输出电压为3.2V时,输入电压可以从1.4V变化到2.8V,且在整个输入电压范围内效率可达到61%-89%。

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