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低压差线性稳压器（LDO）的压差和功耗中心议题：线性稳压器（LDO）的输入、输出压差设计线性稳压器（LDO）的功耗设计便携产品电源设计需要系统级思维，在开发由电池供电的设备时，诸如手机、MP3、PDA、PMP、DSC等低功耗产品，如果电源系统设计不合理，则会影响到整个系统的架构、产品的特性组合、元件的选择、软件的设计和功率分配架构等。
同样，在系统设计中，也要从节省电池能量的角度出发多加考虑。
例如现在便携产品的处理器，一般都设有几个不同的工作状态，通过一系列不同的节能模式（空闲、睡眠、深度睡眠等）可减少对电池容量的消耗。
即当用户的系统不需要最大处理能力时，处理器就会进入电源消耗较少的低功耗模式。
带有使能控制的低压差线性稳压器(LDO)是不错的选择。
低压差线性稳压器(LDO)的结构主要包括启动电路、恒流源偏置单元、使能电路、调整元件、基准源、误差放大器、反馈电阻网络，保护电路等，基本工作原理是这样的：系统加电，如果使能脚处于高电平时，电路开始启动，恒流源电路给整个电路提供偏置，基准源电压快速建立，输出随着输入不断上升，当输出即将达到规定值时，由反馈网络得到的输出反馈电压也接近于基准电压值，此时误差放大器将输出反馈电压和基准电压之间的误差小信号进行放大，再经调整管放大到输出，从而形成负反馈，保证了输出电压稳定在规定值上；同理如果输入电压变化或输出电流变化，这个闭环回路将使输出电压保持不变，即：VOUT=（R1+R2）/R2*Vref 产生压差的主要原因是，在调整元件中有一个P沟道的MOS管。
当LDO工作时MOS管道通等效为一个电阻，RDS(ON), VDROPOUT=VIN-VOUT=RDS(ON)xIOUTR. 由此得出低压差线性稳压器(LDO)的一个重要特性，在输入电压大于最小工作电压和输出电压其标称值范围内，负载电流为零时，输出电压随输入电压的变化而变化，这就是LDO的跟随特性，待输出电压达到其标称值后不随输入而变化，从而达到稳压的目的，这就是LDO的稳压特性。
低压差线性稳压器的设计及其在通信电源管理芯片的应用的开题报告一、研究背景和意义：现代通信系统广泛应用于电信、互联网、卫星通信等领域，对于通信电源进行高效、稳定的管理是非常重要的。
低压差线性稳压器是一种关键元件，广泛用于高品质的电源管理方案中。
近年来，随着科技的不断发展，人们对于通信电源管理芯片的要求越来越高，对低压差线性稳压器的要求也越来越严格。
因此，对于低压差线性稳压器进行深入研究，不断改进和优化其设计，具有重要的研究意义和实际应用价值。
二、研究目的和内容：本文的研究目的是探究低压差线性稳压器的设计方法和实现过程，并选取典型的通信电源管理芯片进行应用实践，验证其效果。
具体研究内容包括：1.低压差线性稳压器的工作原理和基本参数。
2.分析低压差线性稳压器的设计策略和方法，介绍常见的拓扑结构及其优缺点。
3.研究低压差线性稳压器在通信电源管理芯片中的应用，分析其对电源性能的影响，并探究优化策略和方法。
4.设计实现一款具有优异性能的低压差线性稳压器，并结合实际应用情况，验证其可行性和有效性。
三、研究方法和技术路线：本文采取文献研究和实验研究相结合的方法，主要包括以下步骤：1.查阅相关文献，深入了解低压差线性稳压器的基本理论、设计方法和实现过程。
2.选择典型的通信电源管理芯片，对其电源性能进行实验测试，分析低压差线性稳压器在其中的应用特点和具体需求。
3.设计一款低压差线性稳压器，并进行电路仿真和分析，优化电路参数，提高性能指标。
4.进行实验验证，对设计的低压差线性稳压器进行性能测试，分析实验结果，证明其优异性能。
四、预期结果和意义：通过本次研究，我们希望达到以下目标和预期结果：1.深入理解低压差线性稳压器的设计原理和方法，掌握其关键技术。
2.对通信电源管理芯片的电源性能进行分析和研究，找出存在的问题和不足。
3.设计实现一款优异性能的低压差线性稳压器，提高通信电源管理芯片的性能和可靠性。
4.拓展低压差线性稳压器的应用领域，具有重要的科学研究价值和实际应用意义。
面向高温工艺的低压差线性稳压器设计分析石发强发布时间：2021-08-10T08:17:12.134Z 来源：《中国科技人才》2021年第12期作者：石发强[导读] 现阶段矿用产品面向高温工艺的低压差线性稳压器设计已经成为强化稳压器性能的重要内容，本文通过分析高温工艺下低压差线性稳定器设计的基本要求，再对其中的关键设计工艺展开分析，提出了带隙基准模块设计、误差放大器设计、温度保护电路设计等设计方案，希望为进一步提升稳压器性能提供借鉴。
石发强中煤科工集团重庆研究院有限公司重庆 400037摘要：现阶段矿用产品面向高温工艺的低压差线性稳压器设计已经成为强化稳压器性能的重要内容，本文通过分析高温工艺下低压差线性稳定器设计的基本要求，再对其中的关键设计工艺展开分析，提出了带隙基准模块设计、误差放大器设计、温度保护电路设计等设计方案，希望为进一步提升稳压器性能提供借鉴。
关键词：高温工艺；低压差；稳定器前言：高温电器器件在矿山、瓦斯管道输送等领域得到了广泛的应用，并且在机电设备、采空区环境中的运用逐渐突出，随着煤矿开采深度的推进，高温热害的凸显，国内相关企业对高温低压差线性稳压器的使用诉求快速增长，因此为了能够更好的适应使用环境，则需要进一步探索高温低压差线性稳压器设计的新方法，这也是本文研究的目的。
1.高温工艺下低压差线性稳压器设计要求1.1精度指标在高温工艺下，低压差线性稳压器的设计应考虑增益误差，一般对于存在无限环路增益情况，输出电压值往往是基准电压的数倍，而在实际上，控制环路会因为各种非理想因素的影响，往往难以体现上述增益，反馈响应只能确保输出的反馈信号接近标准值，两者之间存在误差，计算见式（1）：图1电阻补偿的结构按图1基准电压能够实现一阶补偿，满足曲率补偿的要求，该电路结构简单，并具有成本优势。
2.2误差放大器的设计2.2.1设计思路误差放大器设计是低压差线性稳定器设计的关键，在高温设计中应该考虑：MOS场效应管的阈值电压以及载流子迁移率会产生偏移，进而对误差放大器的性能产生影响。
高性能CMOS低压差线性稳压器的设计的开题报告一、研究背景随着现代电子技术的快速发展，对高性能稳压器的需求越来越高。
稳压器是一种能够稳定输出电压的电路，常用于各种电子设备中，如通信系统、计算机、数字电路等。
低压差线性稳压器（LDO）由于具有低静态功率消耗、高效率、稳定性好等优点，其在各种电子设备中得到广泛应用。
本课题的研究重点是设计一种高性能的CMOS低压差线性稳压器，有效解决现有稳压器中存在的温度漂移、噪声等问题。
二、研究目的1.研究LDO的工作原理和性能特点，了解低压差线性稳压器的基本结构和工作原理，掌握CMOS工艺制造技术；2.了解目前行业中关于高性能低压差线性稳压器的研究进展情况，定位本研究的研究方向；3.设计一种基于CMOS工艺的低压差线性稳压器，实现低静态功耗、高效率等性能指标，并优化其温度漂移、噪声等问题；4.通过实验测试和获得的数据证明，本研究开发的低压差线性稳压器相比于市场上现有产品表现更加优秀，具有较好的实用性和推广价值。
三、研究内容及思路1.研究LDO的工作原理和性能特点：通过文献阅读和理论分析，了解低压差线性稳压器的基本结构和工作原理，探究其电路原理、输出功率特点、效率和稳定性等重要参数。
2.了解目前行业中关于高性能低压差线性稳压器的研究进展情况：查阅各种相关文献和专利，了解当前市场上已有的低压差线性稳压器产品，制定自己的研究方向，以此为基础设计自己的稳压器。
3.设计一种基于CMOS工艺的低压差线性稳压器：运用集成电路原理和CMOS工艺制造技术，设计出更为高效、稳定、低功耗的低压差线性稳压器，并对其整体性能做出评估。
4.通过实验测试和获得的数据证明本研究开发的低压差线性稳压器相比于市场现有产品表现更加优秀：基于上述设计的稳压器，开展实验测试，获取有效数据，并进行数据分析与比对，以此证明低压差线性稳压器的优越性。
五、预期成果通过本研究的努力，希望能够实现如下目标：1.深入了解低压差线性稳压器的工作原理和性能特点；2.研究当前市场上低压差线性稳压器的研究进展情况，确定自己的研究方向；3.设计一种基于CMOS工艺的高性能低压差线性稳压器，并对其进行综合性能测试和改进；4.通过实验数据比对，证明本研究开发的低压差线性稳压器优于市场上已有产品；5.形成一份完整的研究报告，并具备一定的学术研究价值和推广应用价值。
高性能低压差线性稳压器的研究与实现高性能低压差线性稳压器的研究与实现1.引言在整个电子系统中，高性能低压差线性稳压器扮演着至关重要的角色。
由于现在电子设备性能的要求越来越高，稳压器需要能够提供稳定、可靠的电源电压，以保证电子设备的正常工作。
同时，低压差的线性稳压器还需要具备高效率、低噪声等特点，以适应不同场合的需求。
因此，对高性能低压差线性稳压器的研究与实现具有重要的理论和实际意义。
2.高性能低压差线性稳压器的基本原理高性能低压差线性稳压器的核心原理是通过稳压器对输入电压进行调整，使得输出电压能够在稳定范围内保持不变。
稳压器通常由参考电压源、供电电源、放大电路和反馈控制电路组成。
其中，参考电压源提供了一个稳定的输出电压；供电电源为稳压器提供能量；放大电路用于将输入电压进行放大；反馈控制电路用来调整放大电路的放大倍数，以达到稳定输出电压的目的。
3.高性能低压差线性稳压器的关键技术为了实现高性能低压差线性稳压器，需要解决以下关键技术问题：3.1 参考电压源的设计：参考电压源需要提供高精度、低噪声的输出电压，以确保稳压器的稳定性和输出电压的准确性。
常见的参考电压源设计方法有使用稳压二极管等。
3.2 传递函数的设计：传递函数是指输入电压和输出电压之间的关系。
在设计传递函数时，需要考虑负载效应、频率响应等因素，以使得稳压器具有良好的稳定性和调节性能。
3.3 输出电流能力的提高：输出电流能力是指稳压器能够稳定输出的最大电流。
为了提高输出电流能力，可以采用并联的方式或者增加功率晶体管等方法。
3.4 效率的提高：稳压器的效率直接影响着能量的损耗和散热。
为了提高效率，可以采用功率开关管等方法，减小能量的损耗和提高转化效率。
4.实验与结果分析为了验证高性能低压差线性稳压器的设计与实现效果，进行了一系列实验。
实验结果表明，所设计的稳压器在不同负载条件下，输出电压能够稳定在设定范围内，并且具有较低的噪声和较高的效率。
5.现有应用与展望高性能低压差线性稳压器已经广泛应用于各种电子设备中，包括通信设备、计算机、医疗设备等。
ZL6201100mA超低静态电流低压差线性稳压器DS01010201 1.1.00 Data:2019/12/18——————————————概述ZL6201是广州致远微电子有限公司自行设计的一款采用CMOS工艺制造，低功耗的低压差线性稳压器。
输入电压最高为5.5V，输出电压范围为 1.8V~3.3V。
额定100mA输出电流，具有极低的静态电流。
ZL6201具有过流保护、短路保护等保护功能。
ZL6201采用SOT23-3封装，外围仅需要极少数量元件，减少了所需电路板的空间和元件成本。
——————————————产品特性◆100mA额定输出电流；◆低压差（典型值为3mV@I O=1mA）；◆可与陶瓷输出电容配合使用；◆超低的静态电流，（典型值为1.6μA）；◆初始电压精度±1.0%；◆短路保护；◆过流保护；◆SOT23-3封装；◆不含铅、卤素和BFR，符合RoHS标准。
©2019 Guangzhou ZHIYUAN Micro Electronics Co., Ltd修订历史目录1. 订购信息 (1)2. 特性参数 (3)2.1管脚信息 (3)2.2极限参数 (3)2.3建议工作条件 (4)2.4电气特性 (4)2.5典型参数特性 (5)3. 功能描述 (6)4. 应用说明 (7)4.1输入电容 (7)4.2输出电容 (7)4.3PCB布局 (7)4.4设计实例 (7)5. 封装尺寸 (8)6. 免责声明 (9)1. 订购信息ZL6201的完整产品型号信息见表1.1所示。
表1.1 产品型号信息注：其他输出电压可接受芯片定制。
ZL6201产品型号一共由11个字母和数字组成，其型号信息代表的含义如图1.1所示。
图1.1 产品型号信息ZL6201产品丝印一共由4个字母和数字组成，其丝印显示如图1.2所示。
图1.2 产品丝印图ZL6201产品丝印信息代表的含义如图1.3所示。
图1.3 丝印信息2. 特性参数2.1 管脚信息ZL6201产品的管脚信息如图2.1所示，采用标准的SOT23-3封装。
ldo设计流程LDO（Low Dropout Regulator，低压差线性稳压器）的设计流程主要包括以下步骤：1.确定应用需求：明确LDO的输入电压范围、输出电压范围、负载能力、稳定性和温度系数等要求。
2.选择合适的LDO芯片：根据应用需求，从市场上选择满足要求的LDO芯片，考虑其性能、成本、封装等因素。
3.确定电路拓扑：根据应用需求，选择合适的电路拓扑，如普通LDO、带过压保护的LDO、带电流限制的LDO等。
4.计算电路参数：根据应用需求和LDO芯片的规格书，计算电路参数，如输入电容、输出电容、电感、电阻等。
这些参数的选择需要考虑稳定性、效率和成本等因素。
5.设计输出电压反馈网络电路：根据输出电压的需求，设计合适的输出电压反馈网络电路，以保证输出电压的稳定性和精度。
6.选择合适的芯片封装和计算温升：根据应用需求和空间限制，选择合适的芯片封装，并计算LDO在工作过程中可能产生的温升，以确保其在正常工作范围内。
7.选择输入输出电容：在LDO的输入和输出端添加合适的电容，以提高稳定性和降低噪声。
通常在输入端添加电容可以减少输入电压的噪声和波动，而在输出端添加电容可以减少负载变化对输出电压的影响。
8.参数审查：在完成电路设计后，进行参数审查，确保所有参数都满足应用需求，并进行必要的调整和优化。
9.仿真和测试：使用仿真软件对LDO电路进行仿真，验证电路的性能和稳定性。
在实际应用中，需要进行测试和调整，以确保LDO的性能符合要求。
需要注意的是，LDO的设计流程可能因不同的应用需求和芯片选择而有所差异。
因此，在具体的设计过程中，需要根据实际情况进行适当的调整和优化。
同时，对于电源设计来说，安全性和稳定性是非常重要的考虑因素，因此在设计过程中需要充分考虑这些因素，并进行严格的测试和验证。
低压差线性稳压器设计
随着笔记本电脑、手机、PDA 等移动设备的普及,对应各种电池电源使用的集成电路的开发越来越活跃,高性能、低成本、超小型封装产品正在加速形成商品化。
LDO(低压低压差)型线性线性稳压器稳压器由于具有结构简单、成本低廉、低噪声、小尺寸等特点，在便携式电子产品中获得了广泛应用。
在便携式电子产品中,电源效率越高意味着电池使用时间越长, 而线性稳压器效率=输出电压×输出电流/输入电压×输入电流×100% ,因此,输入与输出电压差越低、静态电流(输入电流与输出电流之差) 就越低，线性稳压器的工作效率就越高。
本文设计的低压差线性稳压器其输出电压为2.5V 或输出可调,满足当负载为1mA 时,最小输入输出压差为0.4mV ,当负载为300mA 时,压差为120mV ,电源电压工作范围为2.5～6V。
1 电路结构与工作原理
低压差线性稳压器的电路结构,电路由调整管,带隙基准电压、误差放大器、快速启动、过流限制、过热保护、故障检测、及取样电阻网络等模块组成,并具有使能、输出可调等功能。
调整管作为压差的负载器件,要满足本设计的要求,对于它的选择需重点考虑: 首先比较三极管和MOS管,由于三极管是流控器件,而MOS管是压控器件,比较而言MOS管结构的静态电流更低。
其次,NMOS管工作时需一比输出电压高的驱动信号,而PMOS管则无此需求,特别在低输入电压时要产生一高的驱动电压变得较困难。
因此,本文采用PMOS管作为调整管。
图1 低压差线性稳压器电路结构
电路的工作原理是: 在电路上电过程中,快速启动电路内有一个500μA 的电流源的对CC端的旁路电容C充电,使电路尽快上电启动,误差运放的同相端经由取样电阻R1 、R2对输出电压V0采样,再与Vref比较后输出放大信号,控制调整PMOS管的栅极电压,使输出电压V0 保持稳定,即:
电路在工作过程中出现过流、过热情况时,过流限制与过热保护电路会快速响应,调整管的导通状态会被减弱、关断,保护电路不致损坏,同时故障检测电路会产生一个低电平信号。
使能端接高电平时电路正常工作;当使能端为低电平时,基准电路及调整PMOS管关断,电路处于等待状态。
2 关键特性分析及设计考虑
2.1 漏失电压(VDO) 和静态电流(Iq)
漏失电压定义为维持稳压器正常工作的最小输入输出电压差,它是反映调整管调整能力的一个重要因素。
对采用PMOS 管作调整管的电路,漏失电压由导通电阻(Ron) 和负载电流(Io) 确定,即: VDO = Io×Ron 。
低压差线性稳压器的静态电流为输入电流与输出电流之差,即: Iq = Ii -Io。
静态电流由偏置电流和调整管的栅极驱动电流组成。
对PMOS 调整管而言,栅极由电压驱动,几乎不产生功耗。
在稳压器承载小负载或空载时,漏失电压极低,静态电流等于稳压器工作时的总偏置电流。
设计时注意使PMOS 调整管的导通电阻和漏电流尽可能做小,各模块电路在小电流状态下能正常工作。
2.2 功耗( Pw) 和效率(η)
低压差线性稳压器的功耗为输入能量与输出能量之差,即:
PW = VI II - VO IO = ( VI - VO) IO + VI Iq
上式中,前一项是调整管产生的功耗,后一项是静态电流功耗。
稳压器效率如前所述可表示为:
η= IO VO / ( IO + Iq ) VI ×100 % ,功耗与效率的表达式充分说明对于低压差线性稳压器,低漏失电压、低静态电流意味着低功耗、高效率。
2.3 负载调整能力和电压调整能力
负载调整能力指当输出电流变化时,输出电压维持一定值的能力,定义为: ΔVO / ΔIO ,它表征了负载变化而稳压器维持输出在标称值上的能力,该值越小越好。
电压调整能力指当输入电压变化时,输出电压维持一定值的能力,定义为: ΔVO / ΔVI ,它表征了输入电压变化而稳压器维持输出在标称值上的能力,该值也是越小越好。
对图 1 的电路结构其负载调整能力和电压调整能力分别为:
其中gm 为调整管的跨导; Aod为误差放大器的开环差模增益; Rds 为调整管源漏间的等效电阻; RL 为负载电阻; R1 、R2 为取样电阻。
由上式可见,减小ΔVO÷ΔIO 和 ΔVO÷ΔVI 的关键是尽可能增大gm 和Aod 。
2.4 瞬态响应
瞬态响应是稳压器的动态特性,指负载电流阶跃变化引起输出电压的瞬态脉冲现象和输出电压恢复稳定的时间,与输出电容COUT和输出电容的等效串联电阻RESR ,以及旁路电容Cb 有关,最大瞬态电压脉冲值ΔVTR(MAX) 为:
其中: IO(MAX) 是指发生阶跃变化的最大负载电流;Δt1 是稳压器闭环的响应时间,与稳压器闭环带宽(0dB 频率点) 有关。
设计应用时需考虑降低稳压器的瞬态电压脉冲,即提高稳压器的带宽,增大输出和旁路电容,降低其等效电阻。
2.5 输出精度
稳压器的输出精度是由多种因素的变化在输出端共同作用的体现,主要有输入电压变化引起的输出变化ΔVLR 、负载变化引起的输出变化ΔVLDR 、基准漂移引起的输出变化ΔVref 、误差放大器失调引起的输出变化ΔVamp 、采样电阻阻值漂移引起的输出变化ΔVres 、以及工作温度变化引起的输出变化ΔVTC ,输出精度ACC由下式给出:
其中ΔVref 、ΔVamp 及ΔVres对ACC影响较大,故基准电压源、误差放大器及采样电阻网络的拓扑结构在设计时需重点考虑。
3 电路设计及模拟结果
3.1 带隙基准电压源的设计
基准电压源是线性稳压器的核心模块,是影响稳压器精度的最主要因素。
带隙基准电压源的工作原理是利用晶体管的VBE所具有的负温度系数与不同电流密度下两晶体管之间的ΔVBE所具有正温度系数的特性,乘以合适的系数使二者相互补偿,从而得到低温漂的输出电压。
电路实现,有:
其中n 为Q1 、Q2 的发射区面积比。
Hspice 模拟结果表明,当电源电压变化范围在2.5～6V 之间时,常温下VREF = 1.254V ,温度变化范围在-30～120 ℃之间时,温漂系数小于10×10-6/ ℃。
图2 带隙基准源电路
3.2 误差放大器的设计
误差放大器将输出反馈采样电压与基准电压进行差值信号比较放大,输出后控制调整管的导通状态,保持Vout稳定,其增益、带宽及输入失调电压等指标对稳压器的输出精度、负载和电压调整能力、瞬态响应等特性有较大影响,电路实现。
通过Hspice 模拟得到该误差放大器在VCC1为4.2V 时,其输入失调电压为0.05μV ,直流增益为110dB ,带宽达到10MHz。
图3 误差放大器电路
3.3 过流限制模块的设计
过流限制电路的设计思路是通过对调整管栅源电压进行采样,实现控制调整管的栅极电压,从而达到限制输出电流的目的,电路实现。
图4 过流限制电路
当负载电流由小增大时,VDrv随之降低,调整管MTG的ID随之增大,通过M20对调整管MTG 的栅源电压进行采样,使得M31 的栅极电压增大,这样M21的栅极电压随之降低,从而实现对VDrv的调整。
通过Hspice 模拟得到,当负载电流超过330mA 时,M21将开始导通,从而使VDrv 随之提高,使调整管MTG导通程度减弱,起到限流保护作用。
3.4 过热保护模块的设计
过热保护电路的设计思路是利用对温度敏感的元件来检测的片内温度的变化,当温度超过设定值时,保护电路动作,调整管被关断,以防其损坏,电路实现。
图5 过热保护电路
利用晶体管的VBE具有负温度系数的特性,将Q0作为测温元件,由M12 、M13 、M10 、M5 、和M4 形成一比较器,M11 、R1 和R2 组成分压电路。
在低于温度设定值时设计VGM12< VGM13,比较器的输出VGM3为低电平, Tout 的输出为高电平,电路正常工作,当温度升高到超过设定值时,有VGM12> VGM13,比较器反转, VGM3 变为高电平, TOUT的输出为低电平,从而实现关断调整管。
本电路的温度保护设定值为160 ℃,Hspice 的模拟结果,图中×代表输出电压VOUT , ⊙代表VGM12,Δ 代表VGM13, 负载电流为300mA。
图6 输出电压随温度的变化( I0=300mA)
3.5 总体电路模拟结果
本电路采用韩国现代公司0.6μm 工艺模型,通过Hspice 对整体电路及各关键模块进行了模拟优化,典型工作条件下模拟结果如表1,输出电压随输入电压及温度的变化,模拟结果充分验证了设计的正确性。
图7 输出电压随输入电压的变化( IO = 300mA)
4 总结
本文分析讨论了低压差线性稳压器的工作特性及设计考虑,并给出了关键模块的电路设计图,HSPICE 的模拟结果验证了电路具有良好特性,该电路采用标准CMOS工艺实现,具有较高的实用价值。
