一种宽温度范围的低压差线性稳压器设计

作     者：刘晓颖 

作者单位：西安电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李先锐

授予年度：2022年

学科分类：080903[工学-微电子学与固体电子学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 

主      题：宽温度范围 低压差线性稳压器 零温度系数 漏电流补偿 

摘      要：进入二十一世纪以来,随着航空航天、太空探索、地热能探寻和电动汽车行业等领域的迅猛发展,对工作在宽温度范围内(-45℃～175℃)的低压差线性稳压器(Low Dropout Linear Regulator,LDO)等电源管理类芯片的需求逐渐增加,而国内对宽温度范围的体硅互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS)低压差线性稳压器的研究较少,这些领域用到的耐高温芯片,包括LDO大多依赖于国外进口。为了摆脱对国外耐高温芯片的过度依赖,研究设计具有自主知识产权的宽温度范围LDO具有重要的意义。基于此,本文设计了一款输入电压范围为3.5V～5V,输出电压是由外部电阻控制的可调电压(1.2V～4.5V),负载电流200m A,可在-45℃～175℃宽温度范围内工作的低压差线性稳压器。电路主要由高温带隙基准模块、高温恒流源偏置电路模块、误差放大器模块、限流保护模块和使能控制模块组成。本文首先研究分析了在高温下影响电路正常工作的参数(包括本征载流子浓度、载流子迁移率、阈值电压和漏电流)的温度特性,得出了这些参数随着温度变化的表达式;在此基础上,结合零温度系数点偏置和泄漏电流补偿两种高温CMOS集成电路设计规则,设计了一个在宽温度范围内(-45℃～175℃)温度系数仅为4 ppm/℃的高温带隙基准电路和一个高温恒流源偏置电路,恒流源偏置电路产生的电流偏置在整个温度范围内的变化不超过70n A;最后对LDO的环路稳定性问题进行了研究分析,并采用三级嵌套式密勒补偿,通过增加推挽缓冲级和密勒电容来保证LDO环路在全负载条件下的稳定。该芯片采用XFAB公司的高温电子汽车工艺XA035,通过Cadence spectre仿真器对本文设计的宽温度范围低压差线性稳压器的各个子模块和整体电路进行了仿真验证。仿真结果表明,典型情况下本文设计的LDO在-45℃～175℃全温度范围内输出电压的精度非常高,温度系数仅为7.1ppm/℃,在最大负载电流200m A情况下的最小压差为276m V,200m A负载电流时的线性调整率为0.115%/V,在5V输入电压下的负载调整率低于0.1005%/A,满载情况下的静态电流大小为131.5μA,轻载和重载条件下的相位裕度都满足稳定性要求,各项参数指标均满足预期设计目标。