高性能CMOS功率管理單元芯片設計研究.pdf

1、近年來，移動通信領域的推陳出新帶動了功率管理芯片相關市場，使其成為電子領域的熱點之一。作為各種移動電子設備的重要組成部分，功率管理單元PMU是否可以為所有的功能模塊提供合適高效的電源不但影響了設備的穩(wěn)定性和可靠性，更是影響了整個電子系統(tǒng)的性能實現(xiàn)。而由于各類移動設備中各個功能模塊實現(xiàn)功能的差異，對供電電源的電壓值、噪聲、穩(wěn)定性、效率等也有了迥然不同的要求，單一的電源供電電路無法滿足日益復雜的系統(tǒng)供電要求，集成化成為功率管理單元的一個重要

2、追求。PMU通過內部集成的復數(shù)電源通道，將輸入電源有效而合理地分配給系統(tǒng)的各個模塊部件，為各個功能模塊提供所需的工作電壓；PMU中的電源管理通道的種類和數(shù)量可以根據(jù)實際的系統(tǒng)需求來組合，從而優(yōu)化電路設計。
　　本文基于中芯國際（SMIC）0.35?m CMOS2P2M工藝，介紹了一款5通道PMU芯片，其內部集成了輸出電壓可以根據(jù)外圍器件自行調整的一個LDO線性穩(wěn)壓器通道和四個同步整流P WM控制開關電源變換器通道，其中四個開關電源

3、分別為兩個降壓型BUCK、一個升壓型BOOST以及一個可進行模式選擇的降壓/升壓的BUCK/BOOST開關電源變換器通道，本文限于篇幅僅以BUCK為例來介紹PMU的開關電源變換器通道。在本論文系統(tǒng)電路設計中，從線性穩(wěn)壓器和開關電源原理出發(fā)，通過對電源芯片正常工作所應具有的功能展開分析，得出該芯片的功能模塊組成，針對電路系統(tǒng)邏輯與功能詳細地介紹了電路系統(tǒng)包含的各種功能模塊。PMU中的LDO電源通道具有高達90dB的電源抑制比、160μA的

4、靜態(tài)電流、較寬輸入范圍；其電壓降較低，當負載取0.5A大小的情況下只有0.25V；LDO電源通道還通過改進誤差放大器結構來實現(xiàn)負載電流箝位功能，其箝位電流為1A。BUCK電源通道采用固定1MHz的時鐘頻率的峰值電流模式PWM調制方式，同時還采用同步整流方式來降低功耗，并具有輸出電壓紋波小于1％、體積小、功耗低和線性調整率低于0.5%等優(yōu)點；轉換效率最高可達91.2%。BUCK電源通道運用了一種高性能電流檢測模塊進行電流采樣并實現(xiàn)斜坡補償

5、功能。本文設計的電源電路通過采用米勒補償，產生一個左半平面零點對環(huán)路系統(tǒng)進行補償來實現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定。此外，PMU內部集成了高精度帶隙基準源、欠壓鎖定、限流和過溫保護等模塊來確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定工作。
　　本文使用Cadence軟件平臺，對PMU中的電源通道的功能性子模塊及整個電源通道電路進行相關仿真驗證，并完成版圖設計。仿真所得到的結果顯示各個功能模塊的電路參數(shù)基本符合設計要求，且整個電源通道系統(tǒng)的實現(xiàn)情況良好。PMU芯片的版圖面積為4