毕业设计（论文）说明书 I 装 订 线 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 毕业设计（论文）说明书 II 装 订 线 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 毕业设计（论文）说明书 III 装 订 线 Abstract This paper do the research and design in view of the portable electronic devices power management chips. First, introduced three kinds of realization of the battery power or other will transform electrical energy constant voltage or constant current output methods: DC-DC converter, the charge pump voltage converter, LDO linear regulator, and do a comparative study. Then, the paper regard researching LDO linear regulator as the key. First, research the LDO basic theory, analyzes the frequency compensation, differential pressure, transient response, linear adjust rate, load adjusting the key performance index rate, etc. Based on this, puts forward a gain high, and the rapid increase of the feedback loop LDO linear regulators. Use SRE technology, and to further improve the performance of the transient response. Finally, take the highly Err.amp and fast loop SRE circuit design to the software simulation, the simulation results show that the output voltage of the linear adjustment rate and the load rate adjustment is improved. Keywords ：Dual-mode DC-DC converter；LDO linear regulator；Averaged model 毕业设计（论文）说明书 Iv 装 订 线 目录 1.1. 绪论绪论1 1 1.1 课题背景 .1 1.2 电源管理芯片的发展与研究现状 .3 1.3 研究内容.4 1.3.1 DC-DC 转换器的介绍4 1.3.2 电荷泵电压变换器的介绍 .4 1.3.3 针对 LDO 的研究与设计 .4 1.4 论文组成和安排 .5 2.2. 便携式电子设备电源管理芯片基础便携式电子设备电源管理芯片基础6 6 2.1 DC-DC 转换器基础6 2.1.1 降压型 DC-DC 转换器拓扑结构 .7 2.1.2 DC-DC 转换器的调制方式10 2.1.3 DC-DC 转换器的控制环路10 2.2 电荷泵电压变换器基础 .12 2.2.1 电荷泵转换器的工作原理 14 2.2.2 电荷泵转换器的基本概念 16 2.3 便携式设备用 LDO 基础 .19 2.3.1 LDO 线性稳压器基础20 2.3.2 LDO 基本的频率补偿方法21 2.3.3 LDO 的压差.25 2.3.4 瞬态响应 .26 2.3.5 负载调整率 .27 2.3.6 线性调整率 .27 2.4 小结 .28 3.3. LDOLDO 线性稳压器的系统设计线性稳压器的系统设计 3131 3.1 LDO 线性稳压器的电路设计33 3.1.1 误差放大器33 3.1.2 短路及电流限制电路 .36 3.1.3 SRE 电路38 3.2 LDO 线性稳压器的仿真.39 3.3 结论 .42 4.4.总结总结4343 致谢致谢4444 主要参考文献主要参考文献4545 毕业设计（论文）说明书 共 45 页 第 1 页 装 订 线 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 (Digital Signal Processor,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： 毕业设计（论文）说明书 共 45 页 第 2 页 装 订 线 (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-DC Converter )，低压差线性稳压器(Low-dropout Linear Regulator, LDO )、发光二极管(Light-emitting Diode，LED )驱动器、电 源管理单元( Power Management Unit，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 毕业设计（论文）说明书 共 45 页 第 3 页 装 订 线 前 SON6 封装已逐渐替