第五章習(xí)題參考答案1．PMOS作為功率管的線性穩(wěn)壓器相較NMOS作為功率管的線性穩(wěn)壓器的優(yōu)點(diǎn)是什么？缺點(diǎn)是什么？優(yōu)點(diǎn)：①PMOS作為功率管時(shí)，其源極接輸入電壓，柵極由誤差放大器直接驅(qū)動，不需要額外的電荷泵或自舉電路來產(chǎn)生高于輸入電壓的驅(qū)動電壓，簡化了電路設(shè)計(jì)，降低功耗與成本。②柵極電壓低于源極電壓即可導(dǎo)通，容易實(shí)現(xiàn)低壓差（LowDropout）。缺點(diǎn)：①相同電流下PMOS比NMOS的跨導(dǎo)?。ㄟw移率低），導(dǎo)通電阻更大，需要更大的尺寸才能達(dá)到同樣壓差，增加芯片面積與寄生電容。②頻率響應(yīng)可能較差（寄生電容大），補(bǔ)償相對復(fù)雜。2．當(dāng)輸入電壓為2.5V、輸出電壓為1.2V時(shí)，計(jì)算穩(wěn)壓電源在該工作條件下的效率。對線性穩(wěn)壓器：效率忽略靜態(tài)電流，則

Iin≈即在忽略靜態(tài)電流的情況下，效率為

48%。但實(shí)際電路中存在靜態(tài)電流

Iqη=當(dāng)

Iq

遠(yuǎn)小于

Iout

時(shí)可忽略，所以該穩(wěn)壓電源在該工作條件下的效率約48%，當(dāng)

3．請?jiān)趫D5-7中標(biāo)注PMOS作為功率管的LDO的主極點(diǎn)與次極點(diǎn)的位置，并列出其表達(dá)式。主極點(diǎn)：位于誤差放大器輸出端到地的極點(diǎn)（節(jié)點(diǎn)

VG），因?yàn)榇颂幾杩购芨咔邑?fù)載電容較大（包括功率管的

Cgs、表達(dá)式，該節(jié)點(diǎn)對地總電容為

CA，總電阻為

RA次極點(diǎn)：位于LDO的輸出節(jié)點(diǎn)

VOUT，因?yàn)檩敵鲭娙?/p>

COUT

與負(fù)載電阻

RL表達(dá)式（忽略

RESR）：p4．在Buck-Boost變換器中，如果使用NMOS功率管作為主開關(guān)管會帶來什么好處？又會帶來什么問題？好處：①NMOS比PMOS遷移率高，相同面積下導(dǎo)通電阻小，效率更高。②開關(guān)速度快，適合高頻工作，減小電感體積。③成本通常更低（工藝上NMOS比PMOS性能好）。問題：①當(dāng)作為上管使用時(shí)，NMOS的柵極驅(qū)動電壓需要高于輸入電壓，需要自舉電路或隔離驅(qū)動，增加復(fù)雜性和成本。②在負(fù)輸出或輸入輸出電壓差大時(shí)，驅(qū)動電路設(shè)計(jì)更復(fù)雜，可能引起開關(guān)節(jié)點(diǎn)振鈴與EMI問題。5．已知在Buck變換器中，輸入電壓為3.3V，輸出電壓為1.2V，最大的負(fù)載電流IO_max為3A，系統(tǒng)工作頻率為2MHz，試用下面公式求出靜態(tài)條件下電感峰值電流（IL_max）和電感電流紋波（?IL）。IO_max為最大負(fù)載電流，D為占空比，fSW為開關(guān)頻率。通常將?IL取最大負(fù)載電流的30%。 已知：V占空比

D=由題意：Δ由紋波公式：Δ可得電感值：L=VOUT電感平均電流

IL峰值電流：I可得：Δ6．已知在Buck變換器中，主功率管的導(dǎo)通電阻為

120mΩ，續(xù)流功率管的導(dǎo)通電阻為220mΩ，電感寄生電阻為25mΩ。在輸入電壓為3.7V、輸出電壓為2.5V的工作條件下，當(dāng)負(fù)載電流為1.5A時(shí)，系統(tǒng)的直流導(dǎo)通損耗是多少（忽略靜態(tài)損耗及開關(guān)損耗）？已知：VIN=3.7V,VOUT=2.5V,ILOAD=1.5主開關(guān)管（高邊MOS）導(dǎo)通時(shí)，電流流過

Ron_續(xù)流管（低邊MOS）導(dǎo)通時(shí)，電流流過

Ron_占空比：D=平均電感電流

IL開關(guān)管導(dǎo)通損耗：高邊管導(dǎo)通時(shí)間占比

D：PHS低邊管導(dǎo)通時(shí)間占比

1?D：1?D≈0.3243PP電感DCR損耗：

電感電流在整個(gè)周期都流過

RL：總直流導(dǎo)通損耗：P≈0.1824+0.1605+0.05625≈0.399157．已知在Boost變換器中，輸入電壓為3.7V，輸出電壓為4.6V，電感為4.7μH，系統(tǒng)的工作頻率為1.5MHz，當(dāng)負(fù)載電流為多大時(shí)，系統(tǒng)處在BCM（臨界導(dǎo)通模式）？已知：??????=3.7V，????????=4.6V，??=4.7??H，??????=1.5MHzBCM條件：在周期

TSWBoost的占空比：D=1?電感峰值電流：開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間

ton=D?TSW，電感電壓

ITtIIpeak≈787234×1.3043×輸出電流

IOUT

與輸入電流關(guān)系：忽略損耗：V所以：I代入：I8．圖5-75所示為四開關(guān)型電荷泵，φ1～φ4為開關(guān)信號，TON=1μs，T=1.5μs，VIN=3V，VCP為輸出電壓，CP為20pF，CF為20pF。圖5-75四開關(guān)型電荷泵（1）請畫出φ1～φ4開關(guān)信號與輸入電壓、輸出電壓的波形圖并闡述該電荷泵的工作原理。φ1和φ3為相同的驅(qū)動信號，φ2和φ4為相同的驅(qū)動信號，當(dāng)φ1和φ3導(dǎo)通時(shí)，φ2和φ4關(guān)斷，輸入電壓VIN向電容CP充電，當(dāng)φ2和φ4導(dǎo)通時(shí)，φ1和φ3關(guān)斷，此時(shí)由于電容CP兩端電壓不能突變，所以當(dāng)下極板由GND抬升至VIN時(shí)，上極板由VIN變?yōu)?VIN，且M2導(dǎo)通，電容CP向電容CF轉(zhuǎn)移電荷。當(dāng)下個(gè)周期來臨時(shí)重復(fù)充電、抬升、電荷轉(zhuǎn)移的過程，實(shí)現(xiàn)升壓。（2）空載下，經(jīng)過4個(gè)周期后的輸出電壓為多少？空載下，穩(wěn)定后的輸出電壓為多少？從0V開始，每次階段2提升電壓為：Δ所以V設(shè)

CPV初始

V0VVVV4個(gè)周期后

VOUT穩(wěn)態(tài)

VOUT（3）如果在輸出端接入5μA的負(fù)載電流，則需要多少個(gè)周期輸出電壓才能達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的90%？負(fù)載電流5uA時(shí)一個(gè)周期內(nèi)消耗的電荷為：ILILVn+1?=Vn?+0.5(6?Vn?)?0.375=3+0.5Vn??0.375=2.625+0.5Vn?穩(wěn)態(tài)

Vf

滿足：可得穩(wěn)態(tài)電壓為：Vf?=5.25

VVVVV即需要4個(gè)周期輸出電壓才能達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的90%（5.25*0.9=4.725V）挑戰(zhàn)性拓展9．在輸入電壓為2.5～5.5V、輸出電壓為1.8～2.5V、輸出電流為1A的芯片中交替使用LDO與Buck變換器供電（主功率管的導(dǎo)通電阻為210mΩ，續(xù)流功率管的導(dǎo)通電阻為350mΩ，電感寄生電阻為25mΩ），試問：（1）LDO與Buck變換器的優(yōu)缺點(diǎn)分別是什么？LDO（低壓差線性穩(wěn)壓器）優(yōu)點(diǎn)：①結(jié)構(gòu)簡單，外圍元件少（通常只需輸入、輸出電容）。②噪聲低、輸出紋波小（無開關(guān)動作）。③瞬態(tài)響應(yīng)快（帶寬高時(shí)）。④沒有電磁干擾（EMI）。缺點(diǎn)：①效率低（η≈V②只能降壓，且

VIN

必須大于

V③功率管一般工作在飽和區(qū)或線性區(qū)，導(dǎo)通電阻或壓降導(dǎo)致效率受限。Buck（開關(guān)降壓變換器）優(yōu)點(diǎn)：①效率高（理想可達(dá)90%以上），尤其當(dāng)輸入輸出電壓差大時(shí)。②可大電流輸出，發(fā)熱相對小。③輸入電壓范圍大，

VIN

大于

V缺點(diǎn)：①需要電感、開關(guān)管、續(xù)流管，外圍元件多、體積大。②開關(guān)噪聲大、紋波較大，可能干擾敏感電路。③有EMI問題，需要濾波和布局設(shè)計(jì)。④控制環(huán)路設(shè)計(jì)較復(fù)雜，瞬態(tài)響應(yīng)特性較差。（2）若僅考慮功率管帶來的損耗，在保證系統(tǒng)高效率的條件下，上述兩種電源電路分別工作在哪種輸入電壓和輸出電壓下？LDO高效率條件：效率

η=VOUT/VIN，高效率要求

VBuck高效率條件：Buck效率主要取決于開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗。導(dǎo)通損耗（忽略開關(guān)損耗）：高邊管損耗：I低邊管損耗：I電感DCR損耗：IOUT可見

D

越大（即

VIN

接近

VBuck還有開關(guān)損耗（與頻率、輸入電壓、開關(guān)時(shí)間有關(guān)），輸入電壓越高，開關(guān)損耗越大；開關(guān)頻率越高，開關(guān)損耗越大。綜合來看，Buck在

中等占空比、輸入電壓較低

時(shí)效率較高。（3）如果忽略系統(tǒng)損耗，LDO和Buck變換器分別采用哪種類型的功率管，可以簡單地實(shí)現(xiàn)輸入電壓為2.5V、輸出電壓也為2.5V？如果需要使用另一種類型的功率管，則需要做哪些處理？LDO：壓差為0，此時(shí)需要功率管導(dǎo)通電阻極小，且能工作在極低壓差。通常用

PMOS

作為功率管，因?yàn)闁艠O可低于源極導(dǎo)通，容易實(shí)現(xiàn)

VINBuck：D=1

理論上需開關(guān)一直導(dǎo)通，這其實(shí)是“直通”模式，不是正常開關(guān)調(diào)節(jié)。Buck無法在

VIN=