选择正确的超低静态电流LDO稳压器.doc

集合在线全球首个电子元器件团购平台目前有许多应用皆使用低压降稳压器（通常称为 LDO），因为其简单又低价，能针对由较高输入电压降压所产生的输出电压进行调节。 除此之外，与切换式稳压器相比，线性 LDO 稳压器产生的杂讯超低。虽然如此，为了保持低系统功耗，此类稳压器亦需具备超低静态电流 (IQ)，同时提供优异的动态效能，确保达到稳定、无杂讯的电压轨，以便驱动 IC 负载，例如微处理器、FPGA 以及系统板上的其他元件。实际情况中，超低 IQ 和良好的动态响应特性并没有绝对关系。 实际上，具有相同 IQ 电流规格的两个相似 LDO 在动态效能上可能会大不相同。 根据 ON Semiconductor 的应用说明1，这两个要求通常是彼此排挤，因此对於功率 IC 设计人员来说是一大挑战。 因此，目前市面上没有多少 LDO 能同时满足这两种要求。偏压超低 IQ LDO根据 On Semi，影响超低 IQ LDO 稳压器动态效能的两大因素分别是元件制造时所用的制程技术以及相关的电路设计。 先进的制程，例如 CMOS 或 BiCMOS 皆可针对功率元件进行最佳化达到低功耗和高速效能，动态效能则视电路设计而定。 ON Semiconductor 的功率 IC 设计人员结合这两种技术，达成优异成果。 除了提供超低 IQ 以及优异的线路和负载暂态，其 LDO 更具有超低输出杂讯以及高电源拒斥比 (PSRR) 特性。其他供应商亦具有类似的先进技术，包括 Linear Technology Corp.、Maxim Integrated Products 以及 Texas Instruments 等。 为了因应多种电池供电式行动应用，这些 LDO 供应商皆打造具有高 PSRR、超低杂讯和快速暂态响应特性的超低 IQ LDO。传统上来说，超低 IQ CMOS LDO 具有恒定偏压机制，能在可用的输出电流范围内保持恒定的接地电流 (IGND) 消耗量。 根据定义，IQ 会决定 IGND。 ON Semiconductor 的 MC78LC 即是此类元件的良好范例，IGND（或 IQ）为 1.5 A。 根据 ON Semi 工程师在应用说明的说明，恒定偏压的主要缺点在於动态效能相对较差，包括负载与线路暂态、PSRR 和输出杂讯。 ON Semi 建议采用较大的输出电容调校此效能。 图 1 指出将输出电容 (COUT) 从 1 增加至 100 F，藉此改善 LDO MC78LC 负载暂态过冲和下冲。ON Semiconductor MC78LC 的负载暂态过冲与下冲图 1：输出电容 (COUT) 从 1 增加到 100 F，大幅改善 MC78LC 的负载暂态过冲和下冲。表 1 精确指出三种不同输出电容值的过冲与下冲幅度。 可发现使用较大的 100 F 输出电容後，暂态幅度大幅降低。表 1：三种不同输出电容 COUT 值之下，MC78LC的暂态幅度。使用较大输出电容时，LDO 的暂态幅度会随着大幅降低，趋稳时间也会跟着增加。 此外，应用说明也建议，使用较大的输出电容时，有必要在 VIN 和 VOUT 引脚之间提供外部逆向保护二极体， 这可保护 LDO 稳压器，在输入电压突然下降时，不会让多余逆向电流流入内部 PMOS 本体二极体。 然而，ON Semiconductor 的产品行销工程师 Pawel Holeksa 也警告，提升 COUT 并不保证会达到所需效能。 此外，较大的输出电容和外部防护二极体会增加成本和方案尺寸。低杂讯、高 PSRR因此，为了克服恒定偏压的限制，On Semiconductor 研发出采用智慧偏压机制的 LDO。 新款 LDO 会依照输出电流的比例改变接地电流或 IQ 电流，提升恒定偏压 LDO 相对不良的动态表现。 NCP4681 和 NCP4624 就是两个例子，分别具有典型值 1 A 和 2 A 的静态电流。 图 2 说明这些超低 IQ LDO 所用的概念，IGND 电流会随着输出电流成比例上升。 此外，亦可发现 IGND 在 IOU 大於 2 mA 时会开始上升。ON Semiconductor 的 NCP4681 和 NCP4624图 2：NCP4681 和 NCP4624 超低 IQ LDO 的接地电流 IGND 会随着输出电流成比例上升。相较於恒定 IGND LDO，NCP4681/NCP4624 稳压器的规格表中指出，比例偏压 LDO 的电源拒斥比 (PSRR) 和负载暂态效能大幅提升。 相较之下，NCP4681 的 PSRR 规格在 100 Hz 且 IOUT 为 30 mA 时约提升 15 dB。 在此电流和频率额定值以及 1.5 V 输出和 2.5 V 输入下，产品规格书显示 PSRR 额定值为 53 dB，与输出电流降至 1 mA 时一样。 即使比例偏压技术相较於恒定 IGND LDO，提升了动态参数，但在某些高要求的应用中还是不足以胜任。事实上，有些应用要求超低 IQ LDO 具备更高的 PSRR 效能。 因此，选择超低 IQ LDO 稳压器时，除了暂态响应外，LDO 杂讯和 PSRR 也是要纳入考量的重要规格。 为了因应此需求，Texas Instruments 推出 TPS727xx 系列超低 IQ LDO，具有超高 PSRR 和超低杂讯，并具有优异的暂态响应。 TI 采用先进的 BiCMOS 制程和 PMOS FET 被动式元件达到此效能。 例如 250 mA 的 TPS72718 产品，在输出电压为 1.8 V、输入电压 2.3 V、输出电流 10 mA 时，IQ 为 7.9 A，1 kHz 的 PSRR 为 70 dB（图 3）。 在类似的输入和输出条件下，且频宽介於 100 Hz 至 100 kHz 时，输出杂讯电压仅有 33.5 Vrms。Texas Instruments 的 TPS72718 LDO图 3：超低 IQ LDO TPS72718 在输入对输出差为 0.5 V、输出电流为 10 mA 时，1 kHz 的 PSRR 高於 70 dB。因此，为了要提升动态参数并维持超低 IQ，ON Semiconductor 采用称为自适性接地电流的新技术。 透过此技术，LDO 能在特定输出电流位准下提升接地电流，且无损动态效能。 因此能保持优异的负载线路暂态以及 PSRR 效能且仅有极少输出杂讯。 此类元件经过最佳化，能在需要长久电池续航力以及小型方案覆盖区的