高性能BICMOS电荷泵电源管理芯片设计

世界性能源危机的到来促使人们寻找各种各样的方法来提高能源利用效率。电源管理芯片就是这样一种有效管理用电设备的电流分配和提高电能利用效率的设备。随着现代电子设备尺寸的减小,其工作电压和负载电流越来越低,对电源管理芯片也提出了越来越高的要求。因此,本文设计了一种高性能BICMOS电荷泵电源管理芯片,能应用在负载电流在10mA到500mA之间的电子设备上,有效的节约用电设备的能源消耗。本设计基于BICMOS工艺,利用2倍压电荷泵电源转换原理,根据芯片的功能要求和性能指标,进行了电路的总体设计。系统的主要模块包括低压带隙基准电路、过热保护电路、振荡电路、比较器电路及控制电路等。由于带隙基准决定了整个芯片的温度特性和输出电压的纹波特性,同时其静态功耗对芯片的转换效率有着重要的影响,因此,BICMOS工艺带隙基准和过热保护电路模块是本设计的重点。BICMOS工艺的采用使得输入电压在2.7-5.5V变化时,带隙基准电压输出1.24V,温度系数为6.68 ppm /oC,电源抑制比为82dB。同时150℃时关断,130℃时恢复的迟滞过热保护方式保证了芯片的正常工作。在此基础上,对系统其他各功能模块和整体电路进行了设计、分析及仿真。仿真结果显示,输入电压为2.7-5.5V时,在tt、ff、ss三种模式下芯片的输出电压都稳定为5V,产生的纹波电压小于30mV,平均转换效率达到83%。最后采用标准BICMOS 0.6μm工艺进行版图设计,版图布局重点考虑振荡电路对带隙基准产生的噪声影响,用一层地与一层电源将带隙基准模块包围。芯片的面积为780×460μm2,极小的芯片面积降低了成本,版图设计通过了DRC和LVS验证。